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西藏益生菌的研究进展及其应用

作者:未知

  摘要:西藏拥有中国极端环境条件下宝贵而独特的益生菌种质资源。益生菌的研究可促进西藏农产品加工业的发展,获得经济效益,推动经济发展。随着西藏的高速发展,西藏益生菌产业具有很好的发展前景。结合益生菌与西藏农牧资源,就近几年的研究进展及其在生产生活上的应用进行了讨论,以期为西藏益生菌的研究和开发利用提供参考。
  关键词:西藏;益生菌;农产品加工;农牧资源;研究进展;应用
  中图分类号:Q939.1         文献标识码:A
  文章编号:0439-8114(2019)04-0009-05
  Abstract: There are precious and unique probiotics resources in Tibet where the environment is extreme in China. The research of probiotics can promote the development of Tibetan agricultural products processing industry, obtain economic benefits and promote economic development. With the rapid development of Tibet, the probiotics industry in Tibet has a promising prospect. Combined with Tibet agriculture and animal husbandry resources, the research progress and its application in production and living of probiotics in recent years are discussed, aimed to provide reference for research, development and utilization of probiotics in Tibet.
  Key words: Tibet;probiotics; agricultural products processing; agriculture and animal husbandry resources; research progress; application
  益生菌广义上是指一种产生可刺激其他微生物生长,与抗生素生理作用相反的物质[1];狭义上,是指能促进人、动物等宿主肠内微生物菌群生态平衡的活性微生物,对健康和生理功能均有益处[2]。益生菌具备以下特征:①对宿主有益处,可产生有用的酶类和代谢物;②无毒无害无致病作用,能适应动物内部消化环境;③能在消化道表面定殖;④在加工和贮存过程中能保持活性等[3]。
  1  益生菌的种类和功能
  按照目前研究者的分离筛选,益生菌大致可分成三大类:乳杆菌类、双歧杆菌类、革兰氏阳性球菌[4]。此外,还有具有益生菌生理功能的一些霉菌和酵母菌等[5](表1)。目前,已经被研究报道的益生菌有90多种,用于商业化生产的大致有三类:乳酸菌类、真菌类和芽孢菌类[6]。
  已有研究表明,除了营养方面的价值外,益生菌在调节人体内菌群平衡(肠道微生物菌群[7]、阴道微生物菌群)、提高机体免疫能力(调节抗炎、抗氧化过程等[8])、治疗慢性病(慢性肝脏疾病[9]、降低胆固醇、缓解乳糖不耐症、降血压功能)、抗肿瘤作用(诱导细胞凋亡,减少肿瘤细胞生长[10])等方面起直接作用或间接作用[6]。
  2  益生菌与西藏农牧资源
  益生菌在中国研究广泛,西藏也不例外,甚至部分资源独一无二。如冬虫夏草和藏灵菇,就是极具高原特色的宝贵益生菌资源。研究表明,分离筛选出虫草多糖产率高的冬虫夏草菌株,是人工利用冬虫夏草比较有效、可靠的技术途径[11]。藏灵菇(Tibetan Kefir Grain)是天然混菌体系,其发酵是乳酸发酵和乙醇发酵的结合,是一种非常有潜力的保健品。
  理论上讲,独特的生境孕育独特的生物资源。西藏号称“世界第三极”,环境相对封闭,海拔高且高差变化悬殊,疆域辽阔,地形复杂,其独特的地理环境、高原气候造就了极富特色的自然资源。西藏拥有中国极端环境条件下宝贵而特有的益生菌种质资源,而这种极端环境下产生的生物遗传变异和适应机制为功能益生菌的筛选提供了很好的特异性基因库。西藏拥有的青稞、酒糟、农作物秸秆、牲畜、牛羊奶、果蔬等农牧资源均可以借助益生菌产业的发展,得到最大化加工生产与利用。二者的结合将为西藏益生菌产业发展带来光明的前景。
  2.1  益生菌与青稞加工
  青稞作为中国西藏地区支柱性粮食作物,種植面积占农作物种植面积60%以上,是一种兼顾经济与营养价值的作物。近几年,随着农业技术的提升和新品种的推广,青稞产量逐年增加,素有“青稞增产、粮食增产、农民增收”之说。如何进一步开发青稞价值是西藏科研人员、加工企业所关心的。
  探讨不同加工方式对青稞中葡聚糖含量及其对青稞降血脂和盲肠发酵性的影响,寻求科学合理的加工方式[12];上海应用技术大学将青稞发酵原浆直接作为化妆品精华液或爽肤水使用,发现其具有保湿、抗衰老、清除自由基等功效,为进一步挖掘青稞价值提供了借鉴。
  2.1.1  青稞酒  西藏青稞酒历史悠久,是藏族人民最重要的传统饮品,酒曲是青稞酒发酵中的重要组成部分。目前,对青稞发酵酒的研究及开发主要是借用其他酒类较成熟的工艺流程酿造青稞酒,虽取得一定成就,但是不能完全发挥出青稞原料特有的优势。杜木英[13]对传统青稞酒曲微生物分离筛选鉴定,选育出优良发酵菌株,并对纯种发酵青稞酒工艺进行优化。王丽华[14]从藏曲中筛选出优良菌株后,再进行一系列物理和化学的诱变选育,以此制备纯种酒曲进行青稞酒酿造。这些探索为青稞酒发酵工艺的优化奠定了理论和实践基础。   2.1.2  青稞醋  实践表明,青稞醋能有效保留青稞的有益成分,具有经济价值。不仅可作为日常食用调味品,还可开发成保健饮料。如何优化发酵工艺使益生菌更好地发挥作用是值得探索的。吴庆园等[15]以青稞为原料,通过固态发酵,在单因素试验的基础上,运用响应面法优化青稞醋发酵工艺参数。江苏恒顺醋业股份有限公司、迪庆香格里拉青稞资源开发有限公司以不同发酵方式得到不同指标的青稞醋。拉萨藏奇珍特色产品开发有限公司丰富青稞面配料,制作出来的醋饮降血压效果明显。
  2.2  益生菌与饲料
  目前,公认的无毒害、可直接在饲料中添加的菌种有枯草芽孢杆菌、酿酒酵母、乳酸菌、黑曲霉等。周凯[16]以耐人工胃液、耐猪胆盐、产酶特性等参考目标筛选发酵菌株,以多酶益生菌饲料中活菌数为特征指标确定混菌发酵接种量、接种顺序,并在此基础上对固态发酵底料配方、固态发酵工艺及饲料品质等方面进行了考察,以期改善饲料口味。
  2.2.1  酒糟發酵  西藏产酒多,生产产生了大量以皮壳为主的不溶性残渣,即酒糟。酒糟中含有丰富的无氮浸出物、粗蛋白质、粗纤维和粗脂肪,并含有氨基酸、维生素、发酵产物(醇、酯、酸等)、矿物质及菌体自溶产生的多种生物活性物质(表2)[17,18],但由于湿酒糟水分高达75%~85%,易腐烂,往往被丢弃,不仅浪费而且污染环境。利用混合菌对酒糟进行发酵,制备多酶益生菌饲料,将饲料原料中的纤维素、半纤维素、非淀粉多糖等碳水化合物转化为低分子碳水化合物,不仅能提高酒糟的附加值,而且还可以提升饲料的品质。丁良[19]为改善日喀则奶牛场以箭筈豌豆为主要粗饲料的发酵全混合日粮品质,探讨了不同比例酒糟(啤酒糟和青稞酒糟)以及不同抗真菌添加剂对其发酵品质、有氧稳定性以及体外消化率的影响,为西藏地区生产优质饲料提供理论依据和技术支撑。
  2.2.2  青贮饲草  西藏的雨水分布不均,致使农牧区饲草资源供给不稳定,具有严重的地域性和季节性差异,限制了畜牧业的发展。在西藏,农作物收获后秸秆是一种重要的粗饲料来源,但存在适口性差、消化吸收利用率低等问题,长期被忽略废弃。若秸秆通过青贮加工,可使硬秆软化,部分粗纤维降解,则可稳定供给牲畜,提高资源利用率。若在生产混合青贮饲料时接种乳酸菌,能够显著提高饲料的发酵品质,改善其营养价值。
  李永凯[20]分离筛选出适合生产优质青贮饲料使用的西藏乳酸菌,并对其发酵条件和发酵培养基进行优化,将此乳酸菌作为青贮接种剂加入青贮饲料中,考察了其瘤胃体外发酵特性以及对青贮发酵品质的影响。原现军[21]以西藏农区主要农作物秸秆为青贮材料,探讨了其与禾本科牧草混合青贮及提高混合青贮发酵品质和营养价值的措施。辛鹏程[22]通过添加不同类型青贮添加剂,对西藏青稞秸秆和多年生黑麦草混合青贮发酵品质及有氧稳定性的影响进行了研究。张敏[23]把从西藏青贮饲料中筛出的戌糖片球菌和乳酸片球菌作为添加剂,研究其对当地牧草青贮发酵品质的影响,提高了当地牧草青贮发酵品质。这些益生菌的研究为西藏地区提高青贮饲料生产提供了科学依据。
  2.3  益生菌与畜禽生长
  益生菌不但能提高饲料质量,而且对畜禽生长起着重要作用。益生菌作为抗生素的替代品或补充品对畜牧业的发展具有重要意义。益生菌主要通过2种方式进入动物胃肠道。①以活菌形式直接进入胃肠道,直接作用肠道菌群,改善肠道内环境;②以内生孢子形式进入肠道复活,可分泌多种酶类和抑制肠道致病菌的多肽物质[24]。总体来说,益生菌对畜禽作用有3个方面。
  1)提供营养素,提高饲料消化率,促进动物生长。张董燕等[25]给断奶仔猪添加0.50%和0.75%猪源罗伊氏乳酸杆菌,结果表明其平均日增重分别提高7.56%、20.07%,料重比分别降低了1.96%、14.90%。李龙等[26]以藏鸡为对象,从盲肠筛选并分离鉴定出了乳酸菌菌株,其益生特性良好,能提高藏鸡的生产性能、降低其死亡率。
  2)改善畜产品品质。益生菌可降低蛋鸡产品中胆固醇的含量;改善肉鸡的脂类代谢,降低低密度脂蛋白胆固醇的含量,而提升高密度脂蛋白胆固醇的含量,不同程度地降低血清胆固醇、三酰甘油含量[27];微生态制剂可以改善肉羊的大理石纹、肉色和失水率[28];合生素有利于改善鸡肉的油腻感,即促进氮在鸡体内的沉积,降低脂肪含量,提高干物质含量[29]。
  3)颉颃病原菌,促进有益菌,改善肠道微生态环境,增强动物抵抗力,净化环境卫生。猪饲料中加入复合微生态制剂,一方面能降低猪舍中因妊娠、分娩、保育和育肥产生的氨气、硫化氢、二氧化碳等有害气体含量;另一方面可消除臭味,改善饲养环境,起到良好的灭蝇效果[30];枯草芽孢杆菌和菊糖能使肉鸡盲肠中的沙门菌和大肠杆菌数量显著减少,抑制排泄物中氨气的散发[31]。
  2.4  益生菌与乳制品发酵
  传统发酵酸奶是藏民的生活必需品,耗牛酸奶是由乳酸菌发酵和酵母菌发酵共同完成[32]。据调查,益生菌产品在乳制品领域中所占比例高达74.5%,其中酸奶制品在益生菌产品中占74%[33],因此,酸奶是益生菌的最佳乳制品食物载体,也是突破益生菌技术的关键领域。
  陈孝勇等[34]收集传统发酵牦牛酸乳中的乳酸菌资源,并对其进行抗性筛选,确定出具有最佳抗性的乳酸杆菌。赵欣等[35]以传统发酵牦牛酸乳中分出的Lactobacillus fermentum Zhao菌株,研究了其发酵豆浆对小鼠胃溃疡的预防效果。骞宇等[36]研究了青藏高原传统发酵牦牛酸奶,发现分离所得乳酸菌均具有抗氧化活性。孙志宏等[37]研究了西藏地区传统发酵牦牛酸乳中微生物的多样性,通过高通量测序技术,发现西藏地区传统发酵牦牛酸乳中细菌的丰度低于真菌,且细菌在属的水平上的优势菌群主要为乳杆菌属。何蕾[38]采集西藏民间自制液体酸奶和新疆自制固体奶酪,利用传统培养方法与非培养方法结合,对其中的益生菌进行了研究,明确了这些地区自制传统奶制品中乳酸菌的多样性。   2.5  益生菌与果蔬饮品
  益生菌对发酵果蔬汁饮品也有帮助。以南瓜和火龙果为原料,丘裕[39]对干酪乳杆菌及植物乳杆菌在两种果蔬汁中的发酵特性以及发酵果蔬汁在冷藏条件下的稳定性进行了研究。夏其乐等[40]以杨梅为主要原料,复配胡萝卜、番茄榨汁后添加保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌和植物乳杆菌进行发酵,并确定了最佳的发酵工艺及果汁混合方式。这些研究结果表明,果蔬发酵周期、乳酸产量、感官评价等各方面都要优于自然发酵,为中国果蔬发酵产业的发展奠定了重要的理论基础。
  西藏高海拔芫根是非常有特色的資源,能帮助藏民在高原生活中有效缓解缺氧反应,有助于初到西藏的人群高原习服。谢玥等[41]研究了西藏芫根提取物对小鼠的抗缺氧作用,研究表明其能显著提高小鼠的常压耐缺氧能力,延长小鼠在急性脑缺血性和亚硝酸钠中毒的存活时间。此外,其具有良好的抗氧化、抗菌等生物活性[42]以及很好的降血糖作用[43]。研究报道表明,芫根中含有较丰富的三萜皂类[44],而皂苷类物质具有抗氧化、抗突变、抗衰老、抗肿瘤、抗菌等生物活性。将芫根通过发酵加工成功能型饮品是西藏加工业一大亮点。
  3  益生菌的研究及应用在西藏的重要性
  高速发展的旅游业带来了大量外来人口,加上常驻人口300万,西藏食品消费呈增长趋势。益生菌对西藏三大产业都有促进作用,西藏有条件、有需求、有必要进行益生菌研究及应用。
  3.1  保护菌种资源,促进加工业发展
  虽然目前有一定研究进展,但限于实验室和家庭小作坊,没有形成产业化、工业化。如酸耗牛奶含中有传代性好、抗逆性强、凝乳状态好、风味独特的优良菌株,但由于各地区地理、地貌和气候等自然环境不同,牧民的生活习惯不同,制作发酵乳时制作方法、发酵容器具等也存在较大差异,这就造成了各地区自然发酵乳制品中分离到的微生物种类及优势菌群存在一定差异,造成奶制品口感产量的差异且重复率不高,不能大规模集成化生产,难以形成产业链。甚至由于传统工艺不断被新技术所替代,使得传统发酵牦牛酸乳中部分稀有的乳酸菌资源逐渐消失。
  3.2  有利于居民身体健康
  西藏居民因处高海拔恶劣的地理环境,需更多营养物质补给,否则具有极大患慢性病的风险,相比传统药物,益生菌副作用小并且具有其他益生功效。调查发现,拉萨地区藏族人民脂肪肝发病率高于其他民族,相比汉族、黎族等,藏族青少年7~18岁男女生收缩压与舒张压较高,尤其低压值明显较高[45]。国外有研究称,每天摄入添加嗜酸乳杆菌和菊糖后发酵的酸牛奶200 mL,可使高脂血症患者的血脂指数降低约4.4%[46]。
  此外,部分益生菌对人体缺陷基因有弥补作用。如嗜酸乳杆菌可通过分泌乳糖酶缓解乳糖不耐症。针对抗生素、避孕药皮质类固醇等滥用问题,嗜乳酸杆菌也可以帮助机体解毒和抗菌。益生菌在治疗全身性疾病、念珠菌性阴道炎、肠道疾病(包括与抗生素相关性肠炎、感染性肠道炎、克隆氏疾病、结肠癌、坏死性结肠)等方面具有肯定的疗效[47]。若用适当的方法将高原特色益生菌制成适合西藏居民服用的制品,如带有活菌的粉剂、片剂或胶囊等,这也将促进西藏医药学的发展。
  4  益生菌研究的对策
  4.1  收集资源,建立菌种保存工程中心
  全球对益生菌及其产品的研究开发都非常活跃。西藏作为中国发展较快的省份,在国家全方位支援中,在科研上理应摒弃陈旧观念的束缚。据悉,西藏农牧学院生物中心与中国工业微生物菌种保藏管理中心合作,从采集自西藏牧民家庭制作的耗牛发酵乳制品中提取得到乳酸菌,进行生物活性研究、序列分析和系统发育树的构建[48]。
  全面收集益生菌种质资源,不仅能丰富种质库,还能揭示其多样性及多样性与生态环境之间的相关性。制定长远的战略目标,收集整理高原特色微生物资源,建立菌种保存工程中心,进而开发出具有自主知识产权的益生乳酸菌种和系列藏族特色发酵制品。
  4.2  多方面结合,更深入研究
  菌种资源是发酵业的灵魂。除了发展应用已有成熟、可靠的菌种,还要做好进一步探索工作。①多学科结合,加强益生菌的作用机制研究。结合基因组学、蛋白质组学、芯片技术、生物信息学等高效运用的分子生物学手段,改造已知菌种来开发新菌株。②多种制剂结合,加强提升益生效果研究。以保证安全性为前提,探讨益生菌使用的剂量与时间,活菌的数量与稳定性,与酶制剂、藏药材制剂等多种制剂之间的关系。③重视直投式发酵剂制备关键技术研究。将高效筛选技术与科学的体内功能性评价体系相结合,开发出高活性低成本的发酵专用益生菌制剂,发展益生菌菌体高密度培养技术,筛选既有优良发酵特性又有利于动植物微生态平衡的专用益生菌株。④保持科学严谨态度,防止虚假宣传。重视益生菌产品质量评价标准的研究,建立符合区情和国情的应用标准,注重乳酸菌益生机理研究和益生功能的临床检验,这需要多方合作。
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