益生菌与益生元：调节肠道微生态、促进健康的科学前沿

摘要（Abstract）

近年来，消费者对含有益生菌或益生元的功能性食品（functional foods）兴趣日益增长。益生菌和益生元能够增强肠道定植微生物群（colonizing microbiota）、调节胃肠道功能、强化机体对感染的免疫应答，并改善自身免疫性疾病与过敏反应，从而促进人体健康。益生元是一类可促进有益肠道微生物增殖并维持益生菌存活性的食物成分（food compounds）。此外，益生菌的使用可抑制致病菌及其代谢产物、减少耐药菌（drug-resistant bacteria）、调控血脂与血压，并预防癌变状态。鉴于益生菌对宿主健康的积极贡献，其在科学研究与商业应用中的关注度持续上升。

传统药物仅能缓解部分与肠道菌群（gut microbiota）相关的疾病。大量临床研究与证据已证实，益生元和益生菌具有疾病预防作用，但目前仍被归类为膳食成分（dietary ingredients）而非正式药物（medicines）。尽管益生元与益生菌有望成为未来新一代的疾病调控手段，但仍需更多科学证据来明确其对各类健康问题的具体益处。

一、 引言（Introduction）

目前，约60%的生物活性食品（bioactive foods）含有益生菌，相关研究兴趣不断上升。益生菌被定义为一类活的微生物（live microorganisms），能够耐受胰液、胆汁及胃酸环境，并附着定植于人体肠上皮细胞。益生菌必须在食品加工及通过胃肠道后仍保持活性与安全性。

目前用作益生菌的微生物主要包括某些酵母（yeasts）和多种细菌属，其中最常见的是乳杆菌属（Lactobacillus）与双歧杆菌属（Bifidobacterium）——二者均为革兰氏阳性（Gram-positive）、产乳酸（lactic acid-producing）菌，构成肠道微生物群的主要组成部分。

益生元作为一类食物成分，可在大肠和结肠中促进特定益生菌的增殖与生长，从而有益于人体健康。最常见的益生元包括：低聚果糖（fructooligosaccharides, FOS）、低聚半乳糖（galactooligosaccharides, GOS）、菊粉（inulin）以及大豆低聚糖（soybean oligosaccharides）。益生元不仅能促进益生菌生长，还能抑制有害或不需要的微生物。

研究表明，益生元可影响胰岛素抵抗（insulin resistance）、血糖水平及免疫因子（如IL-6）。研究证实，益生菌可通过改变肠道微环境与pH值，抑制致病菌、提升有益微生物功能、促进胃肠道正常代谢物生成，并激活抗感染免疫应答。同时，益生元可增强有益微生物在肠道中的持久性。

益生菌对耐药菌具有关键调控作用，可改善整体健康状况，并激活水解酶以分解引发过敏反应的不良蛋白与脂质。此外，益生菌还能刺激抗菌物质（antimicrobial agents）的产生以对抗感染。某些特定益生菌株对幽门螺杆菌（Helicobacter pylori, H. pylori）具有竞争性抑制作用，可阻止其在胃上皮细胞定植。

已有证据表明，特定益生菌可用于辅助抗生素治疗、乳糖不耐症（lactose intolerance）及由艰难梭菌（Clostridium difficile）引起的腹泻。此外，益生菌还可预防呼吸机相关性肺炎（ventilator-associated pneumonia）炎症，并控制呼吸道感染。

由于益生菌与益生元能有效刺激有益肠道菌群并促进健康，它们通常被视为“健康促进剂”（health promoters）而非药物。尽管其作为辅助疗法或替代医学（alternative therapies）潜力巨大，但关于其医学效益仍需更多科学证据支持。

二、益生菌微生物种类（Kinds of Probiotic Microorganisms）

当前，益生菌主要指来源于人体、安全、能耐受胰液、胃液与胆汁分泌、可附着并定植于人肠上皮细胞、并对病原体具有竞争性抑制作用的活微生物。这些微生物需在食品加工及通过胃肠道后仍保持活性，并具备耐抗生素、在肠上皮固着、以及在冻干或发酵产品中存活的能力（见表1）。

表1.一些主要的益生菌细菌

最常见的益生菌种类包括：双歧杆菌属（Bifidobacteria spp.）、乳杆菌科（Lactobacillaceae family）以及酵母如布拉氏酵母菌（Saccharomyces boulardii）。这些细菌多为革兰氏阳性、严格厌氧、不产孢的杆状菌，是肠道菌群的主要成员。

• 乳杆菌（Lactobacilli）：多为同型发酵（auto-fermentative）、嗜酸、严格厌氧、不产孢的杆状菌。部分菌株可产生具有治疗特性的胞外多糖（exopolysaccharides）。
• 双歧杆菌（Bifidobacteria）：出生后数天即可在粪便中检出，成人结肠中正常含量为10¹⁰–10¹¹ CFU/g，同样为革兰氏阳性、严格厌氧、不产孢的杆状菌。

常用益生菌还包括：
• B. longum、S. thermophilus、S. boulardii、L. rhamnosus、L. kefiri、Enterococcus faecalis、B. pullorum、L. plantarum、Lactococcus lactis、Propionibacteria、L. pentosus、L. casei、L. fermentum、L. panis、L. delbrueckii subsp. bulgaricus、L. delbrueckii subsp. lactis 和 B. subtilis。

益生菌可从乳制品（如牛奶、酸奶、奶酪、发酵乳）及非乳制品中获取。多种乳杆菌科菌株（如 Lacticaseibacillus casei、Lactobacillus acidophilus、Lactobacillus helveticus、Lacticaseibacillus rhamnosus）已被广泛用于多种疾病的抑制研究。

益生菌的功效与安全性通常以其使用剂量衡量。发酵食品中的益生菌可增强免疫应答与肠道健康。

三、益生元的类型与来源（Types and Sources of Prebiotics）

益生元是不可消化的食物成分，可选择性促进益生菌生长，增强肠道有益菌功能，并抑制有害微生物，从而改善健康。

根据Gibson与Roberfroid（1995）提出的标准，理想的益生元应满足以下条件：

1. 耐胃肠道水解与吸收；
2. 可作为结肠益生菌发酵底物；
3. 有助于构建更健康的肠道菌群。

益生元主要分为低分子量寡糖（oligosaccharides）与多糖（polysaccharides），是肠道微生物的重要碳源。大肠微生物将其发酵生成短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids, SCFAs），可抑制有害菌（Rastall & Maitin, 2002）。益生元通常为可溶性膳食纤维或碳水化合物，主要包括：

• 低聚果糖（FOS）
• 菊粉（inulin）
• 低聚半乳糖（GOS）
• 大豆低聚糖（soybean oligosaccharides）

GOS由半乳糖、果糖或葡萄糖单体通过糖基转移酶（glycosyltransferase）合成，存在于人乳（约3 mg/L）及酸奶中，可被双歧杆菌降解，促进其活性，并在大肠中水解生成丙酸、丁酸及乳酸，促进双歧杆菌与乳杆菌生长。

FOS是最广为人知的益生元，由β-D-果糖单元通过β-2,1糖苷键连接而成，仅能被大肠微生物消化。FOS可影响IL-6等免疫因子，增强黏膜免疫、产生抗炎细胞因子、改善胰岛素抵抗与血糖、强化肠黏膜屏障，并通过SCFAs降低肠道pH值。

其他益生元还包括：

• 低聚木糖（Xylooligosaccharides, XOS）：可被双歧杆菌和乳杆菌发酵，提升双歧杆菌数量效果优于FOS；
• 大豆低聚糖（含棉子糖raffinose与水苏糖stachyose）：可被大肠菌群水解，促进双歧杆菌生长；
• 乳果糖（Lactulose）：由乳糖衍生，不能被小肠水解，但可被大肠菌发酵，常添加于巧克力、蛋糕、酸奶中以提升营养价值；
• 乳蔗糖（Lactosucrose）：由β-呋喃果糖苷酶催化乳糖与蔗糖合成，口服可使双歧杆菌增加约0.7倍，致病菌减少约0.6倍。

天然益生元广泛存在于菊苣、芦笋、牛奶、小麦、番茄及人乳中；合成益生元则多由碳水化合物制得。例如，每日摄入4克菊粉已被证实可显著增加双歧杆菌数量或减少致病菌。

菊粉等果聚糖（fructans）天然存在于韭葱、大蒜、洋葱、芦笋、小葱、洋蓟、小麦及香蕉中。菊粉通常从菊苣根经热水提取、精制与喷雾干燥获得。

四、益生菌与健康（Probiotics and Health）

4.1 对肠道微生物群的影响（Effect on the Intestinal Microbiota）

益生菌对肠道菌群具有显著益处，可缓解抗生素、冠状病毒及其他感染带来的不良影响。口服益生菌有助于恢复肠道微生物平衡。富含益生菌的食物（如酸奶、开菲尔kefir）含有双歧杆菌科（Bifidobacteriaceae）和乳杆菌科（Lactobacillaceae），能与产气荚膜梭菌（C. perfringens）、大肠杆菌（E. coli）等病原体竞争，对维持肠道正常功能至关重要。

益生菌的主要作用机制包括：

• 与病原体竞争营养；
• 将糖类发酵为抑制性代谢物；
• 刺激并保护肠上皮细胞；
• 通过细菌素（bacteriocins）直接抑制病原体；
• 减轻炎症；
• 增强先天免疫系统。

益生菌还能恢复因抗生素使用而失衡的双歧杆菌种群。其在胃肠道中的主要治疗作用源于与黏膜微生态（mucosal microflora）的相互作用。乳杆菌与双歧杆菌可产生乳酸、丙酸和乙酸，降低肠道pH值，从而抑制病原菌生长。

4.2 结肠癌（Colon Cancer）

癌症患者常因放化疗、感染及骨髓抑制而处于免疫抑制状态。肠道致病菌可通过肠黏膜易位引发感染。益生菌通过调节肠道免疫、竞争性抑制病原菌、产生有机酸及细菌素来对抗感染。

特定益生菌株及其代谢产物具有抗肿瘤活性，可降低癌症风险。其抗癌机制包括：

• 干预致癌物与诱变剂的产生；
• 保护DNA免受氧化应激损伤；
• 调节免疫应答；
• 影响与转移、浸润、细胞凋亡及细胞周期相关的基因表达；
• 调控促肿瘤信号通路。

此外，经基因改造的益生菌可作为载体表达细胞因子，用于疫苗或药物递送。

4.3 糖尿病（Diabetes）

益生菌通过调节肠道菌群改善胰岛素抵抗，降低血糖及相关代谢紊乱。已有研究证实益生菌对1型和2型糖尿病均有效。然而，在一项针对肥胖人群的研究中，含嗜酸乳杆菌（Lactobacillus salivarius）的益生菌酸奶与普通低脂酸奶在空腹血糖、胰岛素及脂蛋白水平上未见显著差异。

4.4 腹泻与炎症性肠病（Diarrhea and Inflammatory Bowel Disease）

益生菌可通过增强免疫、产生抗轮状病毒及大肠杆菌抗体，缩短腹泻病程。抗生素相关性腹泻常由艰难梭菌（Clostridium difficile）过度增殖引起。含干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）、嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）和保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）的益生菌可将此类腹泻发生率降低21.6%。

益生菌对营养不良儿童的腹泻亦有预防作用。例如，鼠李糖乳杆菌（L. rhamnosus）与布拉氏酵母菌（S. boulardii）已被证实可有效干预抗生素相关性腹泻及感染。

动物实验显示，口服罗伊氏乳杆菌（L. reuteri）可缓解高脂饮食诱导的小鼠肠道炎症；S. boulardii则可干扰促炎细胞因子的产生。

肠易激综合征（Irritable Bowel Syndrome, IBS）表现为腹痛与排便习惯改变。多种益生菌对IBS具有积极影响。丁酸（Butyric acid）可减轻肠道炎症、抑制肥大细胞脱颗粒，并通过促进黏膜修复、电解质吸收及黏液分泌，维护肠黏膜完整性，改善炎症性肠病。

4.5 乳糖不耐症（Lactose Intolerance）

乳糖不耐症典型症状包括恶心、呕吐、腹痛、胀气、腹胀及水样腹泻。乳杆菌与双歧杆菌可提升乳糖酶（lactase）活性，改善乳糖消化。临床研究表明，服用嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）后，患者腹痛、腹泻、呕吐等症状完全消失且无副作用。益生菌还可提高乳制品中乳糖的水解率，减少乳糖吸收不良。

4.6 溃疡性结肠炎与幽门螺杆菌感染（Ulcerative Colitis and H. pylori Infections）

溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）是一种直肠黏膜慢性炎症。一项研究显示，益生菌治疗组UC患者缓解率达1.35%，对照组为2%，而双歧杆菌组仅为0.25%——提示益生菌整体疗效优于单一菌种。

全球约50%人口感染幽门螺杆菌（H. pylori），与胃溃疡及胃癌密切相关。然而，有研究发现益生菌对学龄儿童H. pylori根除无效。

4.7 克罗恩病与高胆固醇血症（Crohn’s Disease and Hypercholesterolemia）

克罗恩病（Crohn’s Disease, CD）以胃肠道（尤其是回肠）慢性炎症为特征。术后每日给予1.2×10¹⁰ CFU的鼠李糖乳杆菌GG（Lactobacillus GG）持续一年，可使疾病活动指数在4周内降低73%。该菌株还可增强CD患儿的肠道屏障功能。

益生菌通过增加有益菌与短链脂肪酸（SCFAs）、减少有害菌，改善肠屏障完整性，抑制炎症反应，从而对抗克罗恩病。

此外，益生菌通过胆盐水解酶（bile salt hydrolase）将胆盐结合至肠壁，显著降低总胆固醇（TC）与低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C），推荐用于高胆固醇血症预防。在高胆固醇大鼠模型中，连续4周补充乳杆菌可显著改善血脂谱并降低心血管疾病风险。

五、益生元与健康（Prebiotics and Health）

5.1 对肠道微生物的影响（The Effect on the Gut Microbes）

膳食纤维（如β-葡聚糖）可提升营养生物利用度，支持益生菌生长。多种不可消化碳水化合物可促进肠道菌群发育。乳果糖通过刺激大肠发酵，产生乳酸、丁酸与乙酸，降低结肠pH，促进产氨菌（urease-producing bacteria）排出。高纤维饮食可促进双歧杆菌与乳杆菌增殖及SCFAs生成，维护肠道健康。

5.2 高胆固醇血症与肥胖（Hypercholesterolemia and Obesity）

低聚果糖与菊粉可调节高脂高能低纤维饮食下啮齿类动物的肝脏脂质代谢，降低高胆固醇活性。研究显示，甘油三酯（TG）与餐后胆固醇分别降低约15%与50%。此外，膳食纤维与β-葡聚糖可显著降低总胆固醇与甘油三酯。

出生时双歧杆菌数量较低的婴儿，日后更易发展为肥胖；肥胖母亲所生婴儿双歧杆菌计数亦偏低。双歧杆菌在代谢调控与肥胖发展中起关键作用。含果聚糖与寡糖的食品可有效提升肠道双歧杆菌丰度。

5.3 胃癌与结直肠癌（Gastric and Colorectal Cancer）

益生元通过以下机制降低肠道癌风险：

• 促进有益菌增殖；
• 产生弱酸性SCFAs；
• 调控盲肠、结肠及粪便中基因表达；
• 增强结肠微量营养素吸收；
• 激活外源物代谢酶（xenobiotic enzymes）；
• 调节免疫系统。

动物实验表明，益生元可增加双歧杆菌数量、降低肠道pH、调节免疫应答，并减少小肠与结肠肿瘤发生。

5.4 糖尿病与免疫调节（Diabetes and Immunomodulation）

水果、豆类、谷物及香料中的活性成分与膳食纤维可降低血糖与胰岛素免疫反应。菊粉型果聚糖（inulin fructans）是重要的益生元，可调节肠道菌群；阿拉伯木聚糖（arabinoxylan）亦对高血糖具有改善作用。

益生元发酵产生的SCFAs可：

• 调控肝脏脂ogenic酶；
• 调节组蛋白乙酰化；
• 影响转录因子相关酶活性；
• 促进外周血淋巴细胞增殖；
• 增强肠相关淋巴组织（GALT）分泌IgA，提升腹腔巨噬细胞吞噬活性。

5.5 矿物质吸收（Uptake of Minerals）

益生元果聚糖可促进钙（Ca）吸收。成人每日摄入8克短链果聚糖，可显著提升骨密度与钙吸收率。SCFAs降低结肠pH，使不溶性钙转化为离子态，并扩大肠表面积，增强钙吸收。此外，益生元诱导的黏蛋白（mucin）生成可减少细菌穿越肠屏障。发酵乳制品中的益生元亦可改善矿物质吸收与骨密度。

5.6 腹泻、肠易激综合征与肠道疾病（Diarrhea, Irritable Bowel Syndrome, and Gut Diseases）

益生元可保护双歧杆菌与乳杆菌免受胃酸破坏，并在抵达结肠后提供能量。可溶性纤维与益生元已被证实可减轻IBS炎症与上皮损伤。例如，瓜尔胶（guar gum）可缓解腹痛并改善排便习惯。益生元对UC患者具有缓解作用，对克罗恩病亦有益：每日摄入24克菊粉可显著降低患者粪便中拟杆菌（Bacteroides）数量。

5.7 过敏、流感与特应性皮炎（Allergies, Influenza and Atopic Dermatitis）

研究显示，婴儿连续6个月服用GOS联合鼠李糖乳杆菌GG（L. rhamnosus GG）、LC705、短双歧杆菌Bb99（B. breve Bb99）及费氏丙酸杆菌谢氏亚种（Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii），可显著降低过敏发生率。合生元（synbiotics）亦被证实可抑制食物过敏。

动物与临床研究均证实益生元对流感感染具有保护作用：连续8周补充益生元后，H1N1、H3N2及B型流感抗体水平显著升高。

过去30年，婴幼儿特应性皮炎（Atopic Dermatitis, AD）发病率上升约20%。益生元与益生菌可减轻其严重程度。以9:1比例给予低聚糖与FOS的AD婴儿，症状显著改善，这归因于其对机体健康与肠道稳态（intestinal homeostasis）的维护。

六、 益生元与益生菌作为药物（Prebiotic and Probiotic as Medicine）

膳食益生元可改变肠道微生物功能。益生菌的治疗益处包括：

• 降低早产低体重儿坏死性小肠结肠炎（necrotizing enterocolitis）的死亡率与发病率；
• 减少婴儿特应性皮炎与上呼吸道感染；
• 缓解抗生素相关性腹泻、感染性腹泻及旅行者腹泻病程；
• 调节肠道蠕动、改善血脂；
• 缓解肠易激综合征；
• 促进钙吸收；
• 预防特定过敏；
• 减少能量摄入、改善胰岛素抵抗；
• 增强肠道功能及抗生素耐受性。

益生元发酵产物具有抗凋亡、抗炎特性，并可抑制结肠癌与结肠炎。双歧杆菌发酵益生元产生的丁酸（butyrate）对结肠黏膜功能完整性及免疫激活至关重要。

富含菊粉与低聚果糖的高纤维食品可调节有益肠道菌群。酸奶等乳制品摄入可降低舒张压、糖尿病与心血管疾病风险，调节免疫，并减少上呼吸道感染。

益生元为乳杆菌科与双歧杆菌科提供可发酵底物。膳食纤维补充可提升有益代谢物，改善炎症性肠病。FOS与GOS可显著促进乳杆菌与双歧杆菌增殖，抑制病原体定植，维持肠道菌群平衡。

菊粉型果聚糖可调节树突状细胞（dendritic cells），维持肠道稳态并促进抗炎细胞因子生成。胞壁酰二肽（Muramyl dipeptide）可显著减轻甲型流感病毒引起的肺部炎症，改善肺功能。

益生菌通过与宿主免疫系统互作，调节先天性与适应性免疫，激活自然杀伤细胞（NK cells）、促进细胞因子分泌、增强抗原呈递细胞活性，从而强化免疫应答。其产生的细菌素与有机酸可限制病原体定植，减少肠道感染。

此外，益生菌可降解毒素、致癌物、抗生素、重金属等外源有害物质，以及尿酸与乙酸，保护肝脏。研究亦证实其在肺炎治疗中的有效性。

七、结论（Conclusions）

益生菌与益生元的联合使用可协同增强结肠中乳杆菌与双歧杆菌的数量，强化肠道菌群平衡。益生元与植物纤维经大肠菌群发酵后，提升有益菌浓度，降低促炎细胞因子水平，从而降低多种慢性重症疾病风险。

益生菌通过调节肠道菌群、清除外源有害物质及代谢废物来改善疾病；益生元则通过调控有益微生物、维持健康稳态发挥作用。研究表明，益生菌将在疾病预防与管理中扮演关键角色，并有望成为未来代表性药物（representative medicines）。

参考文献

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更新日期：2026-01-08

编制人：思琪

审稿人：小藻