副干酪乳桿菌的益生特性及其機制研究進展

王一帆，薛云德，張寶平，李歡，王彥波*

（1.浙江工商大學 食品與生物工程學院，浙江 杭州 310018；2.東營市一大早乳業有限公司，山東 東營 257400）

副干酪乳桿菌（Lactobacillusparacasei）是一種革蘭氏陽性同型發酵乳酸菌，常見于人類腸道、口腔中，通常用于乳制品發酵領域，因其豐富的益生特性，而成為研究的熱點。近年來，副干酪乳桿菌開始應用于食品和醫療領域[1]，其具有的益生特性有進一步的應用空間。隨著研究的逐漸深入，副干酪乳桿菌的益生特性得到更深入地揭示。副干酪乳桿菌能夠調節免疫系統，改善脂質代謝，并且具有抗氧化和抑菌作用。同時，由副干酪乳桿菌制備的后生元也具有一定的益生特性。由于具有上述的益生特性，副干酪乳桿菌可以有效地維持宿主機體健康，進而在食品和醫療領域發揮作用。但是，由于副干酪乳桿菌的益生特性及其相關的作用機制并沒有得到很好的歸納與解析，無法為后續的研究與應用提供一個清晰的理論支撐?；诖?，本文詳細并系統歸納副干酪乳桿菌的益生特性，探討副干酪乳桿菌的益生特性對應的作用機制，以期為副干酪乳桿菌后續的研究與應用提供理論依據并指明發展方向，進一步完善副干酪乳桿菌在食品和醫療領域的產品形式。

1 副干酪乳桿菌的免疫調節作用及其機制

1.1 副干酪乳桿菌的免疫調節作用

調節免疫系統是副干酪乳桿菌的主要益生特性之一。副干酪乳桿菌可以緩解炎癥、治療過敏、抑制癌癥和抗增殖等，可有效地調節宿主免疫系統平衡，提高宿主機體免疫力。

副干酪乳桿菌可以緩解結腸炎、皮炎、肝炎和神經性炎癥等多種炎癥。研究表明，在皮膚氣囊小鼠模型中副干酪乳桿菌K5 誘導了小鼠體內促炎性細胞因子白細胞介導素-1α（interleukin-1α，IL-1α）、白細胞介導素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、白細胞介導素-6（interleukin-6，IL-6）、腫瘤壞死因子-α（tumour necrosis factorα，TNF-α）、趨化因子CXC 基序配體2（C-X-C motif chemokine ligand 2，CXCL2）、黏附反應分子（serum intercellular adhesion molecula，sICAM）和金屬肽酶抑制劑-1（sissue inhibitor of metalloproteinase 1，TIMP-1）的表達，從而緩解小鼠炎癥[2]。Huang 等[3]的研究表明副干酪乳桿菌R3 通過調節輔助性Th17 細胞（t helper cell 17，TH17）和調節性T 細胞平衡，顯著改善結腸炎小鼠的癥狀和病理損害，并提高小鼠的免疫功能。Chen 等[4]研究發現，給小鼠喂食副干酪乳桿菌NTU 101 可以通過增強總抗氧化劑谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR）、谷胱甘肽（glutathione，GSH）、過氧化氫酶（catalase，CAT）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和丙二醛（malondialdehyde，MDA）的抗氧化能力，并抑制促炎細胞因子如TNF-α、IL-6、以及γ 干擾素（interferon-γ，IFN-γ）和白細胞介導素-12（interleukin-12，IL-12）的分泌，抑制了葡聚糖硫酸鈉引起的氧化應激反應，從而減緩了炎癥引起的小鼠體質量降低癥狀，調節免疫活性。此外，口服副干酪乳桿菌KBL382 可顯著緩解皮炎小鼠的相關皮膚病變、表皮增厚等癥狀，并且降低血清免疫球蛋白（immunoglobulins E，IgE）水平和免疫細胞浸潤。處理后小鼠的T helper type 1（Th1）、T helper type 2（Th2）和T helper type 17（Th17）細胞比例降低，腸系膜淋巴結中CD4+CD25+Foxp3+調節性T 細胞的比例上升，以上都證明了小鼠皮炎癥狀得到一定程度的改善[5]。Boonyarut 等[6]研究發現副干酪乳桿菌MSMC39-1 改善了肝炎大鼠的肝臟損傷。除了上述功能，副干酪乳桿菌還可以緩解神經性炎癥。蓖麻籽和副干酪乳桿菌NK112 組成的功能食品混合物下調小鼠的絲裂原活化蛋白激酶（mitogenactivated protein kinase signaling，MAPKs）和核因子-kB通路（nuclear factor kappa-B，NF-κB），上調Nrf2 抗氧化（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，NRF2）和血紅素氧合酶1（heme oxygenase 1，HO-1）信號通路，從而抑制脂多糖誘導的小膠質細胞BV2 細胞的神經炎癥反應[7]。副干酪乳桿菌KW3110 還可以保護人視網膜色素上皮細胞免受慢性炎癥應激引起的細胞損傷，并可能改善包括眼疲勞在內的慢性眼部疾病[8]?？傊?，副干酪乳桿菌被證實可以緩解多種炎癥。

過敏反應的機理與免疫細胞的分化活化高度關聯，副干酪乳桿菌可以緩解多種過敏癥狀。Lin 等[9]研究發現副干酪乳桿菌HB89 對細顆粒物PM2.5（2.5-micrometer particulate matter，PM2.5）刺激的呼吸道過敏反應起到緩解作用，肺內免疫細胞增殖減慢，免疫球蛋白水平降低。副干酪乳桿菌IJH-SONE68 產生的胞外多糖可以預防和緩解患者的慢性過敏癥狀[10]。研究表明，口服副干酪乳桿菌還可以降低兒童因過敏遺傳而導致的過敏風險[11]。此外，副干酪乳桿菌L9 能夠通過調節性樹突狀細胞介導的主動抑制來緩解機體對β-乳球蛋白的過敏癥狀。副干酪乳桿菌L9 上調了CD4+CD25+Foxp3+Treg 細胞的應答并調節了小鼠的Th1/Th2 細胞的失衡，同時還顯著誘導腸系膜淋巴結、派爾結和脾臟中CD103 的表達，抑制樹突狀細胞的成熟狀態[12]。

副干酪乳桿菌在抑制癌癥和抗增殖方面的作用也逐漸受到人們的關注[13]。研究表明，副干酪乳桿菌SD1 對人結直腸腺癌細胞（Cancer coli-2，Caco-2）結腸癌細胞的黏附能力較強，對Caco-2 細胞的增殖抑制作用呈時間和劑量依賴性[14]。Da Silva Duarte 等[15]研究發現，副干酪乳桿菌DTA81 可改善結腸癌小鼠模型早期階段的癥狀，改善腸道免疫狀態。副干酪乳桿菌的細胞壁蛋白組分可以誘導Caco-2 細胞系的凋亡[16]，胞外囊泡可通過pyruvate dehydrogenase kinase isoform 1（PDK1）/ RAC serine/threonine-protein kinase（AKT）/ Bcell lymphoma-2（Bcl-2）信號通路抑制結直腸癌細胞的生長、增殖、遷移、侵襲并誘導其凋亡[17]。

除了上述免疫調節功能，副干酪乳桿菌還具有其他的免疫功效。副干酪乳桿菌對鼠傷寒沙門氏菌感染具有保護作用，口服副干酪乳桿菌降低和減少了小鼠模型的死亡率、體質量減輕、移位到靶器官（肝和脾）和回腸損傷，同時維持腸道菌群平衡[18]。副干酪乳桿菌可緩解腸易激綜合征患者的胃腸道癥狀并改善患者的心理健康狀況[19]。副干酪乳桿菌通過抑制NF-κB-肌球蛋白輕鏈激酶（myosin light chain kinase，MLCK）途徑的激活和增加產生短鏈脂肪酸的腸道菌群豐度來緩解腹瀉[20]。持續服用副干酪乳桿菌還可以減輕患者的感冒癥狀[21]。

1.2 副干酪乳桿菌的免疫調節機制

副干酪乳桿菌可以通過影響細胞因子水平來調節免疫系統，細胞因子可以在細胞間傳遞信號，在免疫系統中發揮著重要作用。副干酪乳桿菌產生的胞外囊泡可誘導內質網應激相關蛋白的表達，抑制內毒素的促炎作用，同時胞外囊泡降低了促炎細胞因子IL-1α、IL-1β、IL-2 和腫瘤壞死因子TNF-α 的表達，增加了抗炎細胞因子白介素-10（interleukin-10，IL-10）和轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）的表達，降低炎癥相關蛋白的表達水平[22]。副干酪乳桿菌產生的胞外多糖也可以刺激皮炎小鼠模型中的IL-10 的產生[23]，通過促進IL-10 的產生而抑制炎癥復合體活性成分半胱天冬酶1（cysteinyl aspartate specific proteinase1，Caspase1）的激活和促炎細胞因子IL-1β 的產生[24]。副干酪乳桿菌誘導產生的IL-10 可抑制炎癥對巨噬細胞中線粒體形態的破壞和炎癥引起的線粒體功能障礙，包括膜電位下調、活性氧誘導和呼吸功能障礙，并阻止了內毒素誘導的包括冠狀結構在內的線粒體形態的破壞[25]。副干酪乳桿菌刺激巨噬細胞產生的IL-10 還與巨噬細胞的吞噬作用有關[26]。副干酪乳桿菌還可以作用于腸道細胞，促進細胞發育。副干酪乳桿菌的代謝產物可以增加跨上皮電阻來增強上皮屏障功能，從而提高上皮通透性[27]。此外，副干酪乳桿菌還可以作用于腸道菌群，抑制細菌對腸道細胞的黏附和侵襲，從而緩解腸道炎癥[28]，并改變腸道菌群結構，上調短鏈脂肪酸含量[27]。例如，副干酪乳桿菌擴大了腸道中丁酸產生菌的豐度，導致丁酸含量增加，并抑制IL-6/ signal transducer and activator of transcription 3（STAT3）信號通路，進而減輕結腸炎的炎癥反應，詳細機制見圖1[29]。

圖1 副干酪乳桿菌治療腸道炎癥Fig.1 Treatment of intestinal inflammation by Lactobacillus paracasei

與此同時，炎癥和癌癥是相互影響的。研究表明，相同的胞外多糖可以發揮雙重作用，在抑制免疫細胞炎癥的同時，抑制腫瘤細胞的增殖[30-31]。副干酪乳桿菌產生的胞外囊泡和胞外多糖等生物成分可以用于調節免疫系統。首先，副干酪乳桿菌可以誘導細胞凋亡?？乖鲋匙饔每赡苁峭ㄟ^調節特定的Bcl-2 家族蛋白的表達來誘導細胞凋亡[32]。副干酪乳桿菌SR4 分泌的上清液通過上調凋亡基因Bcl-2 蛋白家族成員（Bcl2-Associated X，BAX）、Bcl-2 蛋白家族成員（Bcl-2-antagonist of cell death，BAD）以及Caspase1、Caspase3、Caspase8 和Caspase9 的表達，下調Bcl-2基因的表達，對宮頸癌細胞具有良好的抑制作用，機制見圖2[33]。

圖2 副干酪乳桿菌的代謝產物誘導細胞凋亡Fig.2 Cell apoptosis induced by metabolites of Lactobacillus paracasei

半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白水解酶是細胞凋亡的中心機制[34]。同時，副干酪乳桿菌具有選擇性細胞毒性。副干酪乳桿菌的生物活性成分可以顯著降低癌細胞存活率，而對結腸上皮細胞無任何細胞毒性作用[35]。經40 mg/mL 的副干酪乳桿菌和短乳桿菌的胞外多糖處理后，細胞L929 存活率均在60% 以上而細胞HT29 的存活率不到20%[36]。副干酪乳桿菌還可以通過引起細胞周期停滯來殺死目標細胞。副干酪乳桿菌X12 通過抑制細胞周期蛋白E1，同時增強細胞周期蛋白p27，使細胞周期停滯于G1期，這一作用是由mammalian target of rapamycin（mTOR）/4E binding protein 1（4EBP1）信號通路介導的[37]。副干酪乳桿菌具有的抗氧化性可以調節免疫系統來抑制腫瘤和癌癥的惡化。腫瘤細胞的內源性活性氧的不斷生成，促進了腫瘤細胞的存活和增殖，加強了上皮細胞向間充質的轉化和侵襲，促進了基因組的不穩定性和血管生成。而副干酪乳桿菌的胞外多糖可以作為抗氧化劑阻斷活性氧，有效延緩甚至防止腫瘤惡化。

2 副干酪乳桿菌的脂質代謝調節作用及其機制

2.1 副干酪乳桿菌的脂質代謝調節作用

脂質代謝與降血糖、緩解糖尿病密切相關，通過調整脂質代謝，可以改善胰島素的敏感性，有助于控制血糖水平。副干酪乳桿菌可以促進機體的脂質代謝。副干酪乳桿菌治療顯著降低了高脂小鼠的體質量和脂肪沉積，減少內臟脂肪和肝臟脂質，改善了血脂水平和肝臟脂肪變性，減少了肝臟氧化應激損傷和炎癥反應，并調節了脂肪代謝相關因素[38]。研究表明，副干酪乳桿菌JY062 對高糖脂誘導的小鼠體質量增加和空腹血糖升高有一定的抑制作用，可改善高糖高脂飲食所致的高脂血癥和糖耐量異常，并能降低肥胖相關因素的風險，降低總膽固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白膽固醇，升高高密度脂蛋白膽固醇。副干酪乳桿菌Jlus66 可以通過調節腸道菌群來減輕氧化應激和炎癥，從而改善非酒精性脂肪肝[39]。補充副干酪乳桿菌HII01 可能有助于改善高膽固醇血癥患者的血脂狀況，降低內毒素水平，并影響免疫激活[40]。Gu 等[41]研究發現，副干酪乳桿菌IMC502 能顯著降低血糖、糖化血紅蛋白和血脂水平，改善胰島素抵抗和糖耐量異常，調節與糖異生、脂肪生成和phosphatidylinositol 3'-kinase（PI3K）/Akt途徑相關的肝臟關鍵酶的mRNA 表達，修復胰腺和肝臟組織的損傷，從而緩解糖尿病。

2.2 副干酪乳桿菌的脂質代謝調節機制

副干酪乳桿菌通過多種機制途徑來進行脂質代謝調節，腸道菌群在其中發揮著重要作用，其調控機制見圖3。

圖3 副干酪乳桿菌調節脂質代謝Fig.3 Lipid metabolism regulated by Lactobacillus paracasei

副干酪乳桿菌LP24 通過激活相關基因的表達水平和通過腸-肝軸調節腸道微生物群來調節脂質代謝，從而緩解肥胖[38]。副干酪乳桿菌FZU103 通過改變腸道菌群組成，調節肝臟相關基因的表達，包括初級膽汁酸生物合成、脂肪酸降解和脂肪酸生物合成，對高脂血癥具有一定的改善作用[42]。副干酪乳桿菌DTA81 增加腸道菌群中細菌和球菌的豐度，顯著降低炎性細胞因子IL-6 水平，降低空腹血糖。腸道菌群失衡可能導致腸道微生物結構和組成變化，副干酪乳桿菌可以對其進行干預和恢復。腸道微生物群可以通過參與機體的新陳代謝來調節機體的糖脂水平。副干酪乳桿菌還可以直接同化吸收膽固醇，將其轉化為自身成分[43]。副干酪乳桿菌可以調節機體內脂肪因子和胰島素的水平來調節脂質代謝。通過副干酪乳桿菌治療的高脂小鼠體內的瘦素、胰島素和游離脂肪酸的含量較低，脂聯素和胰高血糖素樣肽-1 的含量相對升高。副干酪乳桿菌可以影響代謝通路來影響脂質代謝。副干酪乳桿菌可以激活adiponectin（APN）-（AMP-activated protein kinase）AMPK通路，抑制固醇調節元件結合蛋白-1c（sterol regulatory element binding protein 1c，SREBP-1c）的表達，下調其靶基因FAS和ACC，并減少脂質合成。副干酪乳桿菌還可以通過PI3K/Akt 信號和AMPK 激活來緩解糖尿病大鼠的高血糖[44]。在動物模型和臨床實驗中，短鏈脂肪酸在預防和治療肥胖癥和二型糖尿病方面發揮了關鍵作用。乙酸是血清中含量最豐富的短鏈脂肪酸，它可以緩解炎癥，抵抗病原體的侵襲，抑制脂肪的蓄積，而丙酸可以刺激瘦素降低總膽固醇水平，丁酸可促進胃腸激素的釋放，從而改善高脂飲食誘導的肥胖和胰島素敏感性[45]。此外，丁酸可激活肝臟AMPK 信號通路，促進脂肪酸氧化，抑制糖異生和脂肪產生。

3 副干酪乳桿菌的抗氧化作用及其機制

3.1 副干酪乳桿菌的抗氧化作用

副干酪乳桿菌具有較強的抗氧化活性。副干酪乳桿菌發酵果汁中β-胡蘿卜素含量、2，2-聯苯基-1-苦基肼基（2，2-diphenyl-1-picrylhydrazyl，DPPH）自由基清除活性、鐵還原抗氧化能力和脂質過氧化抑制能力均高于未發酵的果汁[46]。Wang 等[47]研究發現，副干酪乳桿菌對α-淀粉酶（82.21%）、α-葡萄糖苷酶（84.29%）和二肽基肽酶-4（42.51%）具有顯著的抑制活性，對自由基、總抗氧化活性和超氧化物歧化酶活性具有較高的清除活性。副干酪乳桿菌可以提高老年人的抗氧化酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶的mRNA 水平。線粒體功能也受到氧化應激的影響，氧化應激隨著年齡的增長而增加。蛋白質羰基的水平是氧化應激重要和直接的生物標志，而服用副干酪乳桿菌可以提高體內的蛋白質羰基水平[48]。

3.2 副干酪乳桿菌的抗氧化機制

副干酪乳桿菌的生物活性成分含有的化學基團使其具有抗氧化性。副干酪乳桿菌的胞外多糖含有羥基、碳自由基和硫酸基[49]等化學基團使其具有高抗氧化性。副干酪乳桿菌的發酵產物具有較高的自由基清除能力。副干酪乳桿菌通過上調其抗氧化酶的基因表達來發揮其抗氧化作用，如硫氧還蛋白、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶等。此外，抗氧化酶的活性也會受到影響。

4 副干酪乳桿菌的抑菌作用及其機制

4.1 副干酪乳桿菌的抑菌作用

副干酪乳桿菌具有較強的抑菌作用。含有副干酪乳桿菌的發酵乳和黃連發酵液聯合使用可降低患者體內幽門螺桿菌的密度，改善組織學炎癥反應。服用副干酪乳桿菌后可以顯著降低幽門螺桿菌的感染率，并降低感染小鼠的血清IL-8 水平和胃炎癥[50]。此外，副干酪乳桿菌產生的ZFM54 對鼠傷寒沙門氏菌、黃氏微球菌和單增李斯特菌等食源性致病菌具有廣譜抑制作用[51]。

4.2 副干酪乳桿菌的抑菌機制

副干酪乳桿菌產生的代謝產物在抑制細菌方面發揮著關鍵作用，其中細菌素和有機酸是其重要組成部分，相關機制如圖4 所示。

圖4 副干酪乳桿菌的代謝產物抑菌機制Fig.4 Antibacterial mechanism of metabolites of Lactobacillus paracasei

副干酪乳桿菌的代謝產物展現了多方面的功能，構成了副干酪乳桿菌對細菌的強大抗菌機制。副干酪乳桿菌通過抑制胞外多糖的產生[52]，影響了細菌的生物被膜形成過程[53]。這一作用不僅限于防止新生物被膜的形成，還包括消除已形成的生物被膜，從而影響細菌的生存環境。副干酪乳桿菌所產生的細菌素具有獨特的殺菌機制。細菌素誘導細菌細胞膜的孔洞形成[51]，同時細菌素通過上調參與膜損傷（FtsH、ClpX）和蛋白質水解（Lon、DnaJ、GroEL）的關鍵基因和蛋白質，導致DNA 損傷和代謝紊亂，并通過抑制營養物質的運輸和能量代謝來抑制細菌[54]。副干酪乳桿菌產生的細菌素在破壞細菌細胞膜后還可以與細胞質中的基因組DNA 結合，以此實現快速殺菌[55]。

5 副干酪乳桿菌的后生元作用及其機制

后生元是指對宿主健康有益的無生命微生物和（或）其成分的制劑[56]。相較于益生菌，后生元更穩定和安全，因此近年來也逐漸受到人們的關注。由副干酪乳桿菌制備而成的后生元同樣具備其作為益生菌的免疫調節、脂質代謝、抗氧化和抑菌等益生特性。滅活的副干酪乳桿菌KW3110 可能通過增強趨化因子受體CCR-7（C-C motif chemokine receptor 7，CCR-7）和programmed cell death 1 ligand 2（PD-L2）的基因表達來加速樹突狀細胞向區域淋巴結的遷移并抑制Th2 細胞因子的產生，進而抑制過敏癥狀[57]。Lee 等[58]研究表明，連續6 周補充副干酪乳桿菌活菌或后生元都可以防止肌肉損傷后的力量損失，改善血液肌肉損傷和降低炎癥標志物水平，具有保護性、加速恢復和抗疲勞的功能，但相較之下，副干酪乳桿菌后生元的效果更強。滅活的副干酪乳桿菌可以通過調節腸道菌群和肝臟相關基因的表達來調節脂質代謝，因此對脂肪性肝病具有防護作用[59]。熱滅活的副干酪乳桿菌對變形鏈球菌多糖的合成以及生物膜的形成有抑制作用，這與未滅活的副干酪乳桿菌的抑菌機制一致。由副干酪乳桿菌制備的后生元具有多種成分，包括肽聚糖、表面蛋白、細胞壁多糖、分泌蛋白、細菌素和有機酸，它們可以對宿主進行正向調控，如免疫調節、脂質代謝、抗氧化和抑菌等功能[60]，其組成成分和益生菌類似，因而機制也類似。

6 總結與展望

副干酪乳桿菌由于其具有優異的益生特性而被認為是一種具有研究價值和開發前景的益生菌。研究表明，副干酪乳桿菌可以在免疫系統、脂質代謝、抗氧化和抑菌方面發揮益生作用。此外，副干酪乳桿菌的益生特性是多種機制綜合的結果。其中，副干酪乳桿菌的代謝產物發揮著重要作用，副干酪乳桿菌作為后生元也能具有相同的益生特性。通過對機制的深入探究和總結，進一步形成機制架構，以此為副干酪乳桿菌的后續研究與應用提供全面的理論支持和清晰的研究導向。但是，副干酪乳桿菌的作用機制的研究還不夠深入，未來可以在抗氧化和菌株肽段等小分子方面進行進一步的研究。此外，副干酪乳桿菌的代謝產物如胞外多糖，具有廣闊的研究前景，可以將其與后生元這一新興的研究熱點相結合。同時還可以針對不同菌種的副干酪乳桿菌進行詳細研究，進而形成一套完整的產品體系，充分發揮副干酪乳桿菌的多種益生特性。