益生菌培养物开发：一份综合指南

益生菌被定义为活的微生物，当摄入足够数量时，能为宿主带来健康益处。由于其在改善肠道健康、增强免疫力甚至影响心理健康方面的潜力，益生菌已广受欢迎。开发稳健有效的益生菌培养物对于食品、制药和农业等多个行业至关重要。本指南深入探讨了益生菌培养物开发的复杂过程，涵盖了从菌株筛选到质量控制的方方面面。

了解益生菌

在深入探讨培养物开发之前，必须先了解什么是益生菌。并非所有微生物都是益生菌。要符合资格，微生物必须满足特定标准：

• 明确的属和种： 微生物必须在属和种的层面上被鉴定（例如，Lactobacillus rhamnosus）。
• 经证实对健康的益处： 微生物必须具有经科学证据（通常通过临床试验证明）支持的健康益处。
• 安全性： 微生物必须对人体食用安全。应有可用的安全性数据。
• 活性： 微生物必须能够存活通过胃肠道，并以足够的数量保持活性，以发挥其有益作用。
• 技术适用性： 微生物必须适合工业规模生产并能被配制成各种产品形式。

菌株筛选：益生菌培养物开发的基础

菌株筛选可以说是益生菌培养物开发中最关键的一步。所选菌株的特性将直接影响最终产品的功效和功能。筛选过程涉及多方面的方法，同时考虑表型和基因型特征。

菌株筛选的关键考量因素：

• 来源： 菌株的来源会影响其对特定环境的适应性。从人体来源（如粪便样本）分离的菌株可能更好地适应人体肠道环境。然而，在处理源自人体的菌株时，必须仔细考虑伦理问题和法规指南。相反，从发酵食品（如酸奶、泡菜）或环境来源分离的菌株可能表现出对特定应用有益的独特性质。例如，源自韩国或日本等地区传统发酵食品的菌株可能具有与发酵和保藏相关的独特特性。
• 耐酸和耐胆汁盐性： 益生菌菌株必须能够耐受胃部的酸性环境（pH 1.5-3.5）和小肠中的胆汁盐。体外测试可以模拟这些条件以评估菌株的存活率。像嗜酸乳杆菌 (Lactobacillus acidophilus) 这样的菌株以其耐酸和耐胆汁盐性而闻名。
• 对肠道细胞的粘附能力： 粘附于肠道上皮细胞的能力使益生菌能够在肠道定植并与宿主免疫系统相互作用。通常使用Caco-2细胞等细胞系进行体外粘附试验。特定菌株根据其表面蛋白和与肠道黏膜的相互作用，表现出不同的粘附能力。
• 抗菌活性： 一些益生菌会产生抗菌物质，如细菌素、有机酸和过氧化氢，这些物质可以抑制病原菌的生长。这对于维持平衡的肠道微生物群至关重要。例如，植物乳杆菌 (Lactobacillus plantarum) 以产生细菌素而闻名。
• 免疫调节作用： 益生菌可以通过刺激细胞因子的产生和影响免疫细胞的活性来调节宿主免疫系统。这有助于减轻炎症和增强免疫反应。不同的菌株表现出不同的免疫调节特性。
• 代谢活性： 益生菌的代谢活动，例如产生丁酸、乙酸和丙酸等短链脂肪酸 (SCFA)，有助于肠道健康。特别是丁酸，是结肠细胞的重要能量来源，并具有抗炎特性。像普拉梭菌 (Faecalibacterium prausnitzii) 这样的菌株以其丁酸产生能力而闻名。
• 遗传稳定性： 菌株的遗传稳定性至关重要，以确保其有益特性在发酵、储存和通过胃肠道过程中得以维持。基因组测序和稳定性研究是必不可少的。
• 无不良特性： 菌株不应具有任何不良特性，例如可能转移给病原菌的抗生素抗性基因，或产生组胺等生物胺的能力。

全球菌株筛选示例：

设想一种用于东南亚地区消费的发酵乳制品中的益生菌。其菌株筛选过程可能会优先选择从该地区传统发酵食品中分离的菌株（例如，来自'tempoyak'或'tape'的菌株）。这些菌株可能更适应当地人群的饮食习惯和肠道微生物群组成。此外，稳定性研究需要考虑该地区典型的储存条件和消费模式，这可能与欧洲或北美不同。

培养基优化

一旦选定了有前景的菌株，下一步就是优化其生长和生产的培养基。培养基为益生菌的繁荣提供了必需的营养和环境条件。优化涉及调整培养基的成分，以最大化细胞密度、活性和期望的代谢活动。

培养基的关键成分：

• 碳源： 益生菌的主要能源。常见的碳源包括葡萄糖、乳糖、蔗糖和淀粉。碳源的选择会影响益生菌的生长速率、细胞产量和代谢活动。例如，一些双歧杆菌 (Bifidobacterium) 物种偏好使用低聚果糖 (FOS) 作为碳源。
• 氮源： 对蛋白质合成和细胞生长至关重要。常见的氮源包括蛋白胨、酵母提取物、胰蛋白胨和氨基酸。氮源应提供均衡的氨基酸供应。
• 矿物质： 对多种细胞功能至关重要。常见的矿物质包括镁、锰、铁和锌。矿物质的浓度应进行优化，以避免毒性或限制。
• 维生素： 一些益生菌需要特定的维生素才能生长。常见的维生素包括B族维生素，如核黄素和烟酸。
• 生长因子： 可以增强生长或代谢活动的其他化合物。这些可以包括氨基酸、肽或其他有机化合物。
• pH缓冲剂： 在发酵过程中维持稳定的pH值。常用的缓冲剂包括磷酸盐缓冲液和柠檬酸盐缓冲液。

优化策略：

• 单因素试验 (OFAT)： 这涉及一次只改变一个因素，同时保持所有其他因素不变。虽然简单，但耗时且无法解释因素之间的相互作用。
• 响应面法 (RSM)： 一种统计技术，可用于同时优化多个因素。它比OFAT更高效，并能确定生长和生产的最佳条件。
• 高通量筛选 (HTS)： 这涉及筛选大量不同的培养基组成，以确定最佳条件。HTS对于识别新的培养基成分和优化复杂的培养基配方非常有用。

示例：优化保加利亚乳杆菌的培养基：

保加利亚乳杆菌 (Lactobacillus bulgaricus) 是酸奶生产中常用的益生菌。优化该菌株的培养基可能涉及调整乳糖、酵母提取物和蛋白胨的浓度。可以使用响应面法 (RSM) 来确定这些因素的最佳组合，以最大化细胞密度和乳酸产量。此外，在培养基中补充特定的氨基酸，如谷氨酸，可以增强生长和产酸能力。

发酵工艺开发

发酵过程是益生菌培养物开发中的一个关键步骤。它涉及在受控环境中培养益生菌，以生产大量活细胞。必须仔细控制发酵过程，以确保最佳的生长和产品质量。

需要控制的关键参数：

• 温度： 最佳生长温度因益生菌菌株而异。大多数乳杆菌和双歧杆菌在30°C至45°C的温度下生长最佳。温度控制对于防止不良微生物的生长和维持益生菌的活性至关重要。
• pH值： 发酵培养基的pH值应维持在最佳生长水平。大多数益生菌偏好微酸性环境（约pH 6.0-6.5）。可以通过添加酸或碱，或使用pH缓冲剂来控制pH值。
• 溶解氧 (DO)： 一些益生菌是厌氧或微好氧的，这意味着它们需要低水平的氧气才能生长。在这些情况下，应仔细控制溶解氧水平。这对于双歧杆菌 (Bifidobacterium) 物种尤为重要。
• 搅拌： 搅拌有助于确保营养物质的均匀混合，并防止结块。搅拌速率应进行优化，以平衡氧气传递和对细胞的剪切应力。
• 发酵时间： 发酵时间应进行优化，以最大化细胞密度和产品产量。过度发酵可能导致细胞死亡和不良代谢物的积累。

发酵策略：

• 分批发酵： 最简单的发酵类型，所有营养物质在过程开始时一次性加入。分批发酵操作简单，但效率可能低于其他方法。
• 补料分批发酵： 在发酵过程中逐渐添加营养物质。这可以实现更高的细胞密度。
• 连续发酵： 连续向发酵罐中添加营养物质，并连续取出产品。这可以实现稳态操作，并且效率非常高。

示例：干酪乳杆菌发酵的放大生产：

将干酪乳杆菌 (Lactobacillus casei) 的发酵从实验室规模扩大到工业规模，需要仔细考虑上述因素。在更大的发酵罐中，维持均匀的环境变得更具挑战性。需要复杂的监测和控制系统来确保整个罐体内的温度、pH值和溶解氧水平均匀。叶轮设计和搅拌速率对于防止对细胞产生剪切应力也至关重要，因为这会降低细胞活性。此外，灭菌过程需要经过仔细验证，以确保发酵罐和培养基没有污染。

下游处理与保藏

发酵后，需要对益生菌培养物进行收集和保藏，以维持其活性和功能。下游处理包括将细胞从发酵液中分离出来，进行浓缩，并将其配制成合适的产品形式。

下游处理的关键步骤：

• 细胞分离： 使用离心或微滤等技术将细胞从发酵液中分离出来。
• 细胞洗涤： 洗涤细胞以去除残留的培养基成分和代谢物。
• 浓缩： 使用超滤或蒸发等技术提高细胞浓度。
• 冷冻保护： 添加甘油、蔗糖或海藻糖等冷冻保护剂，以保护细胞在冷冻过程中不受损害。
• 冷冻干燥（冻干）： 将细胞进行冷冻干燥以去除水分，并将其保存在休眠状态。冻干是长期储存益生菌的常用方法。
• 喷雾干燥： 另一种干燥益生菌培养物的方法，涉及将液体培养物喷入热气流中。
• 包埋： 包埋涉及用保护性材料（如海藻酸盐或壳聚糖）包裹益生菌细胞。这可以提高它们在储存和通过胃肠道过程中的存活率。

保藏方法：

• 冷冻： 在低温（-20°C至-80°C）下储存细胞可以保持其活性。然而，冷冻可能会损伤细胞，因此通常使用冷冻保护剂。
• 冷藏： 在冷藏温度（4°C）下储存细胞也可以保持其活性，但保质期比冷冻或冻干短。
• 冷冻干燥： 如上所述，冻干是长期储存益生菌的常用方法。冻干培养物可以在室温下长期储存。

示例：用于婴儿配方奶粉的长双歧杆菌的冷冻干燥：

长双歧杆菌 (Bifidobacterium longum) 是婴儿配方奶粉中常用的益生菌。为确保该益生菌在储存和使用过程中保持活性，通常会进行冷冻干燥。冻干过程涉及仔细控制冷冻和干燥速率，以尽量减少细胞损伤。添加脱脂奶或海藻糖等冷冻保护剂对于保护细胞免受冰晶形成和脱水胁迫至关重要。冻干后，益生菌培养物通常与婴儿配方奶粉中的其他成分混合，并包装在防潮容器中以保持其活性。最终产品必须符合严格的质量控制标准，以确保其含有标签上标明的活益生菌数量。

质量控制与保证

质量控制与保证对于确保益生菌培养物满足安全性、功效和稳定性的要求至关重要。这涉及在从菌株筛选到成品的整个生产过程中实施全面的测试计划。

关键的质量控制测试：

• 菌株鉴定： 验证益生菌菌株的身份。这可以通过生化测试等表型方法，或PCR、DNA测序等基因型方法来完成。
• 活菌计数： 确定培养物中活益生菌细胞的数量。这通常使用平板计数法或流式细胞术完成。
• 纯度测试： 确保培养物没有被其他微生物污染。这可以通过显微镜检查或选择性培养基来完成。
• 活性测试： 评估益生菌的功能活性，例如其产生抗菌物质或粘附于肠道细胞的能力。
• 稳定性测试： 监测益生菌在储存期间的活性和功能。这涉及在不同条件（如温度、湿度）下储存培养物，并定期测试其活性和功能。
• 安全性测试： 确保益生菌对人体食用安全。这可能涉及检测毒素、抗生素抗性基因或其他不良特性的存在。

法规考量：

益生菌的法规因国家而异。在一些国家，益生菌被归类为食品，而在另一些国家，则被归类为药品或膳食补充剂。了解益生菌销售国的法规要求非常重要。像联合国粮农组织/世界卫生组织 (FAO/WHO) 这样的国际组织已经为食品中益生菌的评估制定了指南，为评估其安全性和功效提供了框架。

示例：益生菌胶囊的质量控制：

考虑一种含有乳杆菌 (Lactobacillus) 和双歧杆菌 (Bifidobacterium) 菌株混合物的益生菌胶囊。质量控制测试将涉及验证胶囊中每种菌株的身份和数量。这通常需要结合使用表型和基因型方法，如流式细胞术和qPCR。胶囊还将进行纯度测试，以确保它们没有受到污染。将进行稳定性测试以确定产品在不同储存条件下的保质期。最后，将进行安全性测试，以确保胶囊不含有害物质。

益生菌培养物的应用

益生菌培养物在各个行业中有广泛的应用：

• 食品工业： 益生菌被用于酸奶、开菲尔、德国泡菜和韩国泡菜等发酵食品中，以提高其营养价值和健康益处。它们也被添加到果汁、谷物和零食棒等非发酵食品中。
• 制药工业： 益生菌被用于膳食补充剂和药品中，用于治疗和预防各种健康状况，如腹泻、肠易激综合征和湿疹。
• 农业： 益生菌被用于动物饲料中，以改善动物健康和生产力。它们还可以用作生物防治剂，保护作物免受疾病侵害。
• 化妆品工业： 益生菌被用于护肤产品中，以改善皮肤健康和外观。

全球益生菌应用示例：

• 养乐多（日本）： 一种含有干酪乳杆菌代田株 (Lactobacillus casei Shirota) 的发酵乳饮料，因其声称的肠道健康益处而在日本和世界其他地区广泛消费。
• Activia酸奶（法国）： 一种含有动物双歧杆菌乳亚种 (Bifidobacterium animalis subsp. lactis) DN-173 010的酸奶，以其促进消化健康的功效进行营销。
• 开菲尔（东欧）： 一种含有复杂细菌和酵母混合物的发酵乳饮料，传统上在东欧消费，并正在全球范围内日益普及。
• 泡菜（韩国）： 一种传统的韩式发酵蔬菜菜肴，含有多种乳酸菌，以其益生菌和抗氧化特性而闻名。

益生菌培养物开发的未来趋势

益生菌培养物开发领域在不断发展，新技术和新方法层出不穷。一些关键趋势包括：

• 新一代测序 (NGS)： NGS正被用于更详细地表征益生菌菌株的基因组，从而更好地了解其功能特性和安全性。
• 宏基因组学： 宏基因组学正被用于研究肠道微生物群的组成和功能，这有助于识别新的益生菌菌株，并了解益生菌如何与肠道生态系统相互作用。
• 个性化益生菌： 开发根据个人肠道微生物群组成和健康需求量身定制的个性化益生菌。
• 合生元： 将益生菌与益生元（促进有益细菌生长的非消化性食物成分）相结合，以增强其功效。
• 后生元： 使用非活性的微生物细胞或其代谢物来发挥健康益处。这为活性益生菌提供了一种潜在的替代方案，可能更稳定且更易于配制。

结论

益生菌培养物开发是一个复杂且多方面的过程，需要对微生物学、发酵技术和质量控制原则有透彻的理解。通过遵循本指南中概述的指导方针，研究人员和制造商可以为广泛的应用开发出稳健有效的益生菌培养物。随着该领域的不断发展，新技术和新方法将不断涌现，从而开发出更有益于全球人类健康的创新和有效的益生菌产品。益生菌培养物开发的未来是光明的，充满了创新和发现的激动人心的机遇。