Figure1.Activemetabolitesofprobiotics，functionsandapplications
1胞外多糖的功能性
1.1胞外多糖的概述
胞外多糖（Extracellularpolysaccharide，EPS）是微生物中以紧密结合的包膜或松散附着的粘液层形式分泌的细胞外大分子，其功能和应用主要取决于单糖组成、分子量和分支。根据单糖组成不同，乳酸菌产生的胞外多糖可分为同型多糖和异形多糖。产胞外多糖的乳酸菌有肠膜明串株菌、植物乳杆菌、乳酸杆菌、鼠李糖乳杆菌、干酪乳杆菌等菌属。近年来，乳酸菌产生的EPS因其具有许多重要的生理功能，并且天然无毒副作用，已被广泛应用于食品加工领域，对改善发酵食品的口感、质地和流变性等有重要作用。它们还可作为益生元为益生菌提供营养物质。但随着研究的不断深入，人们发现许多益生菌产生的EPS还具有抗氧化、抗肿瘤、免疫调节等治疗特性（表1），使其具有巨大的商业价值和在医药领域的应用潜力。
1.2抗氧化活性
1.3抗肿瘤作用
癌症是一种不正常的组织发育类型，导致身体各器官的破坏而导致死亡。传统意义上的化疗是治疗癌症的主要手段之一，但毒副作用明显。因此，研究出对免疫系统具有低副作用的新型抗肿瘤药物至关重要。在体外抗肿瘤活性实验中，Muhammad等发现由高加索酸奶乳杆菌MSR101和短乳杆菌MSR104产生的EPS，对HT-29癌细胞具有良好的抗肿瘤作用（抑制率44.1%），并可上调细胞色素c（Cyto-c）、BCL2-AssociatedX的蛋白质（BAX）、BCL-2/BCL-XL-associateddeathpromoter（BAD）以及半胱氨酸蛋白酶3、8、9表达，可以作为一种外用药物使用。Bukola等研究表明野生型和突变型德式乳杆菌产生的EPS均对肿瘤诱导小鼠具有很强的药理活性，经EPS治疗肿瘤诱导的小鼠后，小鼠的红细胞、血小板和白细胞均增加，且野生型德式乳杆菌产生的EPS治疗的肿瘤小鼠癌胚抗原水平较未治疗的肿瘤小鼠显著降低。此外，初步体外实验表明，泡菜中分离的植物乳杆菌70810产生的c-EPS可以显著抑制肿瘤细胞HepG-2、BGC-823，特别是HT-29肿瘤细胞的增殖。益生菌代谢产生的EPS在对癌症的辅助治疗上具有安全性高、毒副作用小以及抑瘤效果好等优点，因此有望成为良好的抗肿瘤药物替代物。
1.4免疫调节作用
免疫反应是宿主防御外来入侵的一部分，包括获得性免疫和先天性免疫。据报道，EPS作为免疫调节剂调节机体免疫系统，通过对细胞因子等信息分子的强烈调节来改变免疫功能的活性。如对鼠李糖乳杆菌KF5发酵的脱脂乳分别经过去除蛋白质、乙醇沉淀、阴离子交换和凝胶渗透色谱，分离纯化得到两个EPS组分，经验证具有免疫调节活性，在体外均能显著刺激脾细胞增殖。从瑞士乳杆菌LZ-R-5发酵乳中分离得到一种胞外多糖（R-5-EPS）在细胞水平上显示出免疫刺激活性，其对RAW264巨噬细胞的增殖具有强烈的促进作用。Wang等从植物乳杆菌JLAU103中分离纯化得到一种酸性胞外多糖（EPS103），具有强大的双重免疫调节活性，其对脂多糖激活和不激活RAW264.7巨噬细胞都具有体外免疫调节活性，可以显著增强RAW264.7巨噬细胞的吞噬活性，因此可进一步开发为功能性食品或药物的新产品。
1.5抗炎作用
1.6抗生物膜作用
1.7胞外多糖的应用
目前，益生菌产生的胞外多糖可用作各种行业的功能性成分，如食品和制药工业。在食品工业中，EPS因其稳定、乳化或凝胶特性而被用作生物增稠剂。黄原胶是黄单胞杆菌产生的一种EPS，已作为乳化剂、增稠剂、悬浮剂等在乳及乳制品、饮料制品、调味品及冷冻饮品、烘烤食品、粮食制品等领域中得到广泛应用，以此增强食品的稳定性和提高食品的品质。在制药工业中，EPS因其具有良好的生物学特性且无毒副作用，可用作天然的抗菌剂、抗氧化剂和免疫调节剂等。然而，益生菌产生EPS的方式主要为天然菌种发酵，合成过程复杂、成本高，限制了其大规模工业化生产和应用。虽然大量研究已经证实EPS可以在体外或者动物体内发挥良好的功能特性，但是临床治疗上利用EPS完成治疗的案例仍然较少。因此，需要大量的科学研究来提高EPS的产量和体内治疗特性的研究，以充分开发EPS的潜力。
2细菌素
2.1细菌素概述
2.2细菌素在食品防腐中的应用
据报道，应用细菌素和产生细菌素的乳酸菌可以有效控制牛奶、酸奶和奶酪中的病原体，具有提高产品质量和安全性、延长保质期的重要作用。目前，乳酸乳球菌产生的细菌素——乳酸链球菌素（Nisin）已经实现了商业化生产，作为天然的食品防腐剂已被广泛用于乳、肉和罐头制品等食品中。含有Nisin的活性抗菌包装可以在加工或后加工过程中有效地控制奶酪污染。然而，细菌素在稳定性方面的局限性以及食品基质等的其他影响因素限制了其广泛应用。例如，Nisin只对革兰氏阳性菌发挥作用，而且主要在酸性条件下发挥作用。细菌素的这些局限性可通过改造细菌素并使其在热稳定性和pH稳定性、扩散率和其他所需特性方面更加稳定来克服。细菌素与纳米材料的结合可以提高细菌素的稳定性，扩大细菌素的应用范围。另外，生产和纯化成本也是阻碍细菌素应用的重要因素。一篇综述中提出，一些农用工业废物，如乳清、糖蜜、海洋副产品、大豆废料等，可作为高效低成本底物用于细菌素的生产。
2.4细菌素在畜禽养殖中的应用
虽然细菌素是一种良好的抗生素替代物，但是目前只有Nisin在食品中得到广泛应用。产量低、分离纯化成本高是制约细菌素应用的重要因素。化学合成虽然是一个很好的策略，但是成本较高且产量低，不适合大规模工业化生产。因此，细菌素尚需大量研究开发来做支撑，寻找高抗菌活性（广谱抗菌、高效价）和高稳定性（耐热、耐受更宽pH范围）的细菌素、筛选细菌素高产菌株、优化细菌素高产及分离纯化工艺、对细菌素进行改造等是细菌素研究及开发应用的主要方向。
3有机酸
3.1有机酸的概述
有机酸是益生菌的一种重要代谢产物，大部分乳酸菌都能产生多种有机酸，如植物乳杆菌、乳酸片球菌、鼠李糖乳杆菌、肠膜明串珠菌、嗜酸乳杆菌和地衣芽孢杆菌等，这些乳酸菌利用宿主体内未被分解消化的碳源，经发酵可以产生乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸，以及乳酸、苯乳酸、琥珀酸、苹果酸、丁二酸等多种有机酸。有机酸具有抑制致病菌、调节肠道菌群、增强肠道屏障、促进动物生长和调节免疫等功能。
3.2有机酸的应用
4短链脂肪酸
4.1短链脂肪酸的概述
4.2短链脂肪酸的功能性
4.3短链脂肪酸的应用
近年来的研究表明，乳酸菌、双歧杆菌和梭状芽胞杆菌等产生的一些SCFAs等活性物质在各种精神疾病中具有非常特殊的功能，可能是潜在的新型精神生物制剂，其中发挥重要功效的一种物质就是γ-氨基丁酸（Gaba）。Gaba是一种四碳短链脂肪酸，具有多种生理活性，包括促进神经元发育、缓解焦虑和失眠、降压、降血糖、抗肿瘤、抗炎、抗菌、抗过敏、保护肝脏和肾脏、保护肠道等，是一种卓越的健康效应因子。早在2009年，Gaba就已被我国卫生部列为新资源食品。目前Gaba已实现产业化，并广泛用于各类食品和保健品中。
5维生素
5.1维生素的功能性
5.2维生素的应用
利用乳酸菌生产维生素可能是开发功能性发酵乳制品的一个重要策略。Subrota等从印度传统大米发酵食品中分离到5株乳酸菌，具有不同的B2、B9、B12和短链脂肪酸高产性能，可应用于功能性发酵乳制品。利用能生产高营养素或微量营养素（如维生素）的乳酸菌还可以用来开发新型功能食品。一株从中国传统发酵酸菜中分离的干酪乳杆菌11MZ-5-1被证明可以显著提高酸菜中VC的含量，加快产酸并显著降低亚硝酸盐浓度，同时还可以明显改善酸菜感官。
6其他
除上述活性物质外，益生菌还代谢产生多种具有生物活性的酶及一些小分子。如益生菌会通过产生一些宿主中可能缺少的蛋白酶、脂酶、酯酶以及淀粉酶等帮助催化一些代谢反应。比较典型的是益生菌通过产生β-半乳糖苷酶和乳糖酶帮助宿主分解乳糖以缓解宿主乳糖不耐受。通过发酵蛋白质，益生菌可以产生一些小分子肽、氨基酸、酚类、内酯和吲哚类物质，在维持能量平衡、抗氧化、抗炎症，以及通过免疫信号传递拮抗病原微生物中发挥作用。有研究发现益生菌的活性代谢产物D-色氨酸可以有助于调理免疫反应、影响肠道微生物菌群结构并能减轻过敏性呼吸道疾病症状。还有研究用益生菌发酵牛奶制备具有抗高血压的功能性酸奶，而这种活性被证明主要是由于益生菌发酵牛奶蛋白产生的一些具有抗高血压活性的生物活性肽产生的。此外，益生菌还可以代谢产生5-羟色胺、多巴胺、乙酰胆碱等神经递质，以调控机体认知能力。
展望
引用本文：兰冬雪，瞿茜楠，黄天，等.益生菌活性代谢产物的研究及应用进展[J].食品工业科技，2022，43（24）：1120.doi:10.13386/j.issn1002-0306.2022050305.
Citation:LANDongxue,QUXinan,HUANGTian,etal.ResearchandApplicationProgressoftheActiveMetabolitesofProbiotics[J].ScienceandTechnologyofFoodIndustry,2022,43(24):1120.(inChinesewithEnglishabstract).doi:10.13386/j.issn1002-0306.2022050305.
基金项目：山东省自然科学基金面上项目（ZR2020MC217）。
通信作者简介
李兆杰，男，博士，1981年2月，青岛农业大学食品学院教授，硕士生导师，内蒙古农业大学乳品生物技术与工程教育部重点实验室访问学者。目前担任伍连德公益基金会全国微生态健康管理专家委员会委员、中国食品科学技术学会高级会员、山东省食品科学技术学会常务理事、青岛海关技术中心专家顾问委员会委员、青岛市食品质量与安全专家工作站首席专家、青岛市后生元制备研究与开发专家工作站首席专家、青岛市食品科学技术学会理事、山东省科技特派员、山东宠物协会专家委员会成员、《FrontiersinMicrobiology》客座主编、《食品工业科技》青年编委、《biosensorsandbioecletronics》、《FrontiersinNutrition》、《食品安全质量检测学报》、《食品科学》等期刊审稿人，青岛元达生物科技有限公司联合创始人。