综述丨北工商: 寡糖和益生菌之间的协同作用: 从代谢特性到有益效果(国人佳作)

编译：微科盟帆，编辑：微科盟居居、江舜尧。

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导读  

合生元被定义为包含益生菌和益生元底物的膳食混合物。由于人们对益生菌、益生元和肠道健康的认识不断提高，这一概念一直备受关注。在益生元物质中，寡糖在各种食品中显示出相当大的健康益处，其与益生菌的组合经过了全面的评估。本综述描述了使用微生物培养物、细胞系、动物模型和人类受试者来探索这些组合的功能特性和对宿主影响的研究前景。总体而言，研究结果表明，这些组合具有各自的代谢特性，可以促进有益的活动，因此可以用作改善人类健康和治疗目的的饮食干预措施。然而，诸如应用实用性、未充分利用的分析工具、相互矛盾的研究结果、不明确的机制和立法障碍等不确定性，仍然使得这些组合的广泛应用具有挑战性。未来解决这些问题的研究不仅可以推进关于益生菌-益生元-宿主相互关系的现有知识，还可以促进各自在食品和营养中的应用。  

论文ID

原名：Synergy between oligosaccharides and probiotics: From metabolic properties to beneficial effects

译名：寡糖和益生菌之间的协同作用：从代谢特性到有益效果

期刊：Critical Reviews in Food Science and Nutrition

IF：11.208

发表时间：2022.10

通讯作者：杨贞耐，熊科

通讯作者单位：北京工商大学食品与健康学院

DOI号：10.1080/10408398.2022.2139218

综述目录

1 引言

2 益生菌中的寡糖代谢  

3 宿主胃肠道中的寡糖-益生菌动态

4 益生菌寡糖体外发酵的特性

5 生物信息学分析的深入利用

6 在食品中的应用

7 培养细胞系的研究

8 宿主对动物模型的影响评估

9 人体试验

10 弥合研究、技术和应用之间的差距  

11 结语

主要内容

1 引言

迄今为止，已有的证据已全面证明了胃肠道(GI)微生物群对宿主整体健康的重要性。虽然平衡的肠道微生物组可以发挥对健康有益的功能，但肠道微生物生态系统功能失调，也称为生态失调，可能会促进急性和慢性疾病的进展。现代食品生产大幅增加了高度加工食品和热量浓缩食品的消费，这与肥胖、糖尿病和心血管疾病等非传染性代谢疾病的风险上升有关。尽管先进的药物和治疗方法已经有效地解决了许多公共卫生问题，但社会和个人对抗这些代谢性疾病的努力明确要求采取持久的预防措施。在这些措施中，针对肠道微生物群的饮食干预越来越被认为是较好的方法。许多研究表明，口服益生菌和益生元补充剂能够调节宿主肠道微生物组以及整体代谢，从而对宿主健康产生有益影响并改善代谢障碍。  

传统来说，肠道微生物组调节产物依赖于活的微生物，例如乳酸杆菌和双歧杆菌。之后，益生元(主要是碳水化合物)的概念引起了广泛关注，因为它们是不可消化的化合物，可以到达下消化道并选择性地刺激人类结肠中有益细菌的生长和/或活性。尽管一些多糖已经显示出能有前景的益生元作用，聚合度(DP)在3至10之间的寡糖吸引了巨大的学术和工业兴趣，因为它们对于各种食品更适用。本文对寡糖或以寡糖为主要成分的化合物(如菊粉)的研究进行了综述。国际益生菌和益生元科学协会(ISAPP)发布了一份声明，将合生元定义为一种混合物，包括活微生物和宿主微生物选择性利用的底物，对宿主健康有益。该声明还将合生元产品分为两类：互补型和协同型。合生元可能通过独立的益生元和益生菌特性(互补合生元)或通过先天益生菌利用和益生元代谢(协同合生元)表现出对健康的有益作用。

当益生菌和益生元共同作用于宿主时，只有在益生菌微生物缺乏各自的代谢基因库的情况下，益生元在益生菌中的直接利用几乎是不可避免的。可以理解的是，益生菌、益生元和合生元三位一体通过指定微生物的代谢特性带来有益的活性。因此，益生菌利用寡糖的能力通常被认为是各自生化活动的重点。在从寡糖中获得的微生物群落公共能量中，益生菌可以作为主要或次要降解剂来释放单糖，而益生菌单独利用寡糖的能力在相关食品制造中起着至关重要的作用。此外，寡糖和益生菌之间的代谢相互作用可能会增强其改善宿主健康的效率，因为微生物有更好的机会在食物基质中存活，并且在通过消化道的过程中依次在宿主下消化道中开展其有益活动。为了探索寡糖与益生菌(主要是细菌)之间潜在的协同关系，现有文献针对不同的实验对象，如纯培养发酵、食物基质、细胞系培养、动物模型和人类志愿者等进行研究。本综述旨在总结这些研究，从而全面阐明寡糖与益生菌在食品微生物学和有益方面的协同关系。

2 益生菌中的寡糖代谢  

寡糖广泛存在于植物性自然资源中，由糖苷键连接的单糖单元组成。它们被细菌利用是通过这些键的水解来释放单糖，这些单糖进一步参与细菌的全面代谢。目前对益生菌中寡糖代谢的了解主要来源于对双歧杆菌和乳酸杆菌的研究。虽然寡糖的细胞外水解能力常在各自的基因库中被鉴定，特别是在双歧杆菌中，大多数寡糖通过跨膜转运蛋白和细胞内水解酶被利用(图1)。

图1 细菌寡糖利用中的跨膜转运系统及水解反应机理。

(A)促进扩散系统；(B)寡糖/H+同向转运体；(C) ATP结合盒转运体；(D)磷酸转移酶系统；(E)仅裂解末端单糖残基的外切糖苷酶；(F)可以水解寡糖中任何位置的糖苷键的内切糖苷酶。

2.1 碳水化合物运输系统和水解酶  

对于一个细菌菌株来说，其碳水化合物运输系统吸收特定寡糖的能力对其寡糖代谢至关重要。碳水化合物运输系统可以从不同角度进行分类。首先，促进扩散系统(图1A)可以根据浓度梯度运输寡糖，而无需额外的生物能量投入。其次，寡糖/H+和寡糖/Na+转运体允许寡糖和相应离子之间同时跨膜运输(图1B)。此外，ATP结合盒(ABC)转运体(图1C)是一组众所周知的主动转运系统，成员如msmEFGK高度参与细菌寡糖的运输。细菌中的这些ABC转运蛋白可以通过ATP输入的能量吸收寡糖，并赋予利用寡糖对抗浓度梯度的能力。而磷酸转移酶系统(PTS)(图1D)是原核生物特异性转运系统，一些PTS，如pts1BCA，可以实现寡糖的跨膜运输和磷酸化，其中磷酸烯醇丙酮酸(PEP)既是磷酰基供体又是能量提供者。益生菌中某些糖苷键的水解能力是这些寡糖代谢能力的决定因素，对细菌基因库中单糖单元代谢途径的存在同样重要。益生菌中常见的水解酶是外切糖苷酶，其只能裂解末端单糖残基(图1E)。而内切糖苷酶可以在寡糖或多糖链中的任何位置裂解糖苷键，并且通常与低分子量寡糖或二糖的释放有关(图1F)。最终，游离单糖通过磷酸戊糖途径和Entner-Doudoroff途径等主要途径在细菌中被动员和代谢。

3 宿主胃肠道中的寡糖-益生菌动态

通常用于增强人体健康的寡糖经常被检测为宿主难以消化的碳水化合物。许多通常定植在小肠中的细菌被认为是益生菌，如乳酸杆菌、双歧杆菌和Pediocuccos。研究表明，宿主难以消化的寡糖可以到达肠道并选择性地增加这些益生菌的增殖。此外，研究证明，增加益生菌种群数量和生物活性可以有力保护宿主对抗病原体。这些保护性作用可以通过防止粘附、降低pH值、细菌素产生和整体环境变化等机制来解释。此外，通过添加寡糖，益生菌被证实可以增加特定短链脂肪酸的产生，并通过调节代谢和免疫系统发挥宿主健康改善作用。不难理解，当寡糖和益生菌共同使用时，它们对健康的有益作用可以得到加强。因此，研究人员经常假设寡糖和益生菌的组合可能会给宿主带来综合益处，并据此进行实验设计，以探索各自的功能和机制。

4 益生菌寡糖体外发酵的特性

4.1 传统微生物培养研究  

双歧杆菌和乳酸杆菌的食用历来与健康有益活动有关。最近研究表明，微生物，如片球菌(Pediococcus)、肠球菌(Enterococcus)、拟杆菌(Bacteroides)和嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)等微生物也可以发挥健康有益作用。科学领域已经做了许多努力来研究寡糖在益生菌中的利用。这些研究旨在通过纯培养、共培养或系统发酵来揭示寡糖使用和潜在代谢特性对微生物增殖的影响。为了实现这些研究目标，可以通过微生物分析实验(表1)或生物信息学方法(表2)对受试者进行调查，通过在微生物生长培养物中添加或替换寡糖，可以评估发酵参数，例如细胞生长/死亡、培养物组成、酶活性和pH值变化，以表征指定增殖期间的细菌寡糖代谢。

表1 强调传统微生物方法的纯培养研究。

表2 使用生物信息学方法分析益生菌寡糖的利用。

4.2 多样化寡糖：针对益生菌代谢研究

这些寡糖包括低聚木糖(XOS)、低聚果糖(FOS)、半乳糖寡糖(GOS)、壳寡糖(COS)、甘露寡糖(MOS)、低聚异麦芽糖(IMOS)、棉子糖家族寡糖、单一/混合人乳寡糖(HMO)等。在许多情况下，这些寡糖的两种或两种以上类别一起被调查，以比较说明它们的代谢能力。例如，研究人员在XOS和其他寡糖之间进行的多次研究表明，与FOS、GOS、MOS和IMOS相比，XOS在支持益生菌生长方面效果较差。这些研究发现，与其他寡糖相比，XOS只能由较少的益生菌菌株代谢和/或导致种群增长显著降低。这一发现可以部分解释XOS仅由木糖(一种典型的戊糖)组成，其需要特定的代谢基因库，如磷酸酮醇酶途径、磷酸戊糖途径，Weimberg途径和Dahms途径。相比之下，FOS、GOS、MOS和IMOS的单糖成分均为己糖，更容易被益生菌利用。但是，一项关于Pediococcus acidilactici的研究发现，由于进化过程中果糖苷酶基因功能的丧失，导致所评估的P. acidilactici菌株不能使用FOS，但可以在XOS上生长。值得注意的是，益生菌生长促进功效并不是决定宿主整体健康影响的唯一因素。在益生元评估中，应全面调查特性，例如对宿主消化的抵抗力、与病原微生物的相互作用、次生代谢物的产生以及其他代谢增强作用。

4.3 HMO：迅速走红

HMO研究对象既包含具有明确分子结构的单个HMO化合物，也包含通常从混合捐赠者母乳中获得的HMO混合物。强调益生菌利用这些寡糖的代谢特性的研究不仅促进了对微生物代谢的理解，而且促进了对HMO在人类胃肠道发育和健康中的重要作用的阐明。双歧杆菌与HMO之间的特殊代谢关系已被研究假设和验证。对双歧杆菌的基因组研究表明，编码ABC转运蛋白、细胞外结合蛋白和糖苷水解酶的基因位点对HMO代谢能力至关重要。已有证明揭示了HMO和Bifidobacterium longum subspecies infantis的组合有益于婴儿免疫反应，减少炎症，改善肠道状况，应被视为共生进化的典型例子。然而，使用体外培养技术，研究人员发现HMO可以支持乳酸杆菌、拟杆菌和乳杆菌科的某些益生菌菌株的生长，尽管其生长促进功效往往不如传统的寡糖。结合之前的结果，这些发现表明HMO具有应用于多功能食品的潜力。

5 生物信息学分析的深入利用

5.1 新型分析技术  

传统生物学研究从单个基因或有限数量的基因集合的角度探索代谢和生物活性。这种分析方法不仅有助于拓展我们对基因功能的认识，而且为现代生物学研究奠定了坚实的基础。然而，生物的底物代谢和响应性生物活性从来都不是几个基因的作用，因此，有必要从全面的角度来阐明这些生物学行为。随着生物技术和计算能力的不断进步，现代生物信息学方法，例如基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学，为研究人员系统地研究所有类型生物体的生物学和代谢特性开辟了全新的大门。近年来，益生菌中寡糖的代谢研究不断受到各种生物信息学分析的影响，特别是在体外。值得注意的是，基于微阵列或RNA测序(RNA-seq)技术的转录组学研究已被频繁采用，在过去十年中，这两种方法之间的选择已从微阵列转移到RNA-seq(表2)。这一趋势是可以理解的，因为基于DNA杂交的微阵列技术仅限于模式生物记录的转录组，并且容易因探针偏差、高多态性特异性和核酸体积要求而导致分辨率损失。相比之下，RNA-seq是使用转录本的高通量测序进行的，并且被认为在分析能力的各个方面都优于微阵列。随着算法和计算能力的发展，RNA-seq有望最终取代转录组学研究中的微阵列。

5.2 转运蛋白和糖苷水解酶：寡糖代谢的中心

转录组研究反复验证了转运蛋白和糖苷水解酶所起的重要作用(表2)。重要的是，试验证明低聚糖组的ABC转运蛋白持续显著上调。而特定的水解酶在不同的寡糖培养条件下表达也各不相同。这些发现并不出乎意料，因为细菌通过抑制或促进代谢途径的表达来适应某些营养环境。这些研究可以提供以前未知的基因功能的关键信息。例如，使用微阵列和比较基因组技术对嗜酸乳杆菌进行的一项研究发现，菌株基因组中表达的新型异麦芽糖-6-磷酸水解酶可能是a-1,6葡萄糖苷益生菌的重要代谢途径。由于另一项基因组研究发现，该基因可选择性地在胃肠道相关乳杆菌菌株中检测到，因此预计该基因的表达可以补充常规代谢途径，并在宿主下肠道微生物群寡糖代谢中发挥重要作用。

5.3 其他生物信息学研究

此外，代谢组学等其他方法也有可能系统地揭示寡糖利用的代谢特征，特别是与转录组学分析相结合时。一组研究人员使用代谢组学和RNA-seq方法研究了鼠李糖乳杆菌菌株之间的GOS代谢，分析表明，尽管鼠李糖乳杆菌菌株之间具有很高的遗传相似性，但仍观察到明显不同的代谢谱。6-磷酸-β-半乳糖苷酶基因插入突变体和RNA-seq共同揭示了不同菌株的未知乳糖代谢内化情况。通过菌株特异性细菌代谢特征分析和基因鉴定，这些研究拓宽了我们对益生菌-益生元相互关系的认识，并为未来的合生元发展提供了有价值的信息。

6 在食品中的应用

6.1 乳制品

虽然寡糖和益生菌都是常见食品中最普遍的成分，但它们的组合在食品中的广泛应用仍然面临着重大挑战。首先，功能性食品中特征微生物的持续生存能力是赋予益生菌活性的必要条件。许多基本的食品加工程序，如冷冻、干燥、辐射和加热，可能会大大降低或消除益生菌的活力。因此，任何益生菌或合生元食品生产都需要精心构建的加工、制造、运输、储存和零售系统，并非所有食品基质都适合寡糖和益生菌的应用。此外，在指定食品中添加大量的寡糖和益生菌是发挥健康益处的必要条件。这将不可避免地改变食品属性，例如外观、风味、质地、适口性、可接受性和保质期。因此，深入研究和分析对于将寡糖和益生菌的组合纳入食品至关重要。本文总结了在食品中添加寡糖和益生菌以增强其整体特性的研究，特别是预期的健康增强效果(表3)。乳制品是与寡糖和益生菌组合相关的研究和应用最多的一类食物，因为许多乳制品(如牛奶、酸奶和奶酪)中寡糖和/或益生菌的含量丰富。与其他食品相比，在乳制品中添加额外的合生元可能会减少乳制品的不良质量变化。一组研究人员调查了FOS和菊粉对凝乳中双歧杆菌和乳酸杆菌生长和生存特性的益生元作用，以全面提高合生元奶酪的生产。结果表明，FOS和菊粉的促生长作用有限。然而，发现了新的定性游离脂肪酸谱，包括共轭亚油酸异构体、α亚麻酸和β亚麻酸，实验参数表明所调查的组合在新型功能性乳制品生产中的应用潜力。甜乳制品，如冰淇淋和巧克力牛奶，长期以来一直被视为可能因高糖浓度而增加代谢紊乱风险的食物。寡糖可以作为甜味剂来替代传统的碳水化合物，从而对健康有益。一项研究分析了Lactobacillus paracasei subsp. paracasei LBC 81和FOS在奶油牛奶巧克力甜点中的应用潜力。合生元补充剂赋予了良好的感官属性，但不导致脱水。接种的L. paracasei菌株的活力在整个储存过程中保持在8 log CFU/g，并且不受添加FOS的影响。这种新型乳制品由于添加了合生元，可能会发挥潜在的有益作用。

表3 食品基质研究。

6.2 非乳制品

另一方面，虽然不常见，但非乳制品也进行了关于寡糖和益生菌菌株之间补充的研究。研究人员发明了一种新鲜的蓝莓食用涂层策略，将鼠李糖乳杆菌CECT 8361、FOS和菊粉加入到海藻酸盐涂层中。这项研究的结果表明，益生元的补充提高了益生菌的活力，但没有增加原有微生物群的数量，蓝莓品质保持在可接受的水平之上。值得注意的是，这种涂层合生元策略抑制了致病菌Listeria innocua的种群增殖。与对照组相比，合生元包衣蓝莓组接种的L. innocua的活菌数至少低1.7 log。这些结果为寡糖和益生菌的应用提供了依据，并为未来的合生元食品创新奠定了基础。

7 培养细胞系的研究

7.1 肠上皮培养  

微生物和哺乳动物细胞之间的相互作用在这些微生物对宿主的整体影响中占据中心地位。为了理解这些相互作用，对培养细胞系采用了分析方案，例如共培养研究、细胞粘附分析、生长计数、地形观察、代谢物分析等。进行这些研究是为了系统地说明潜在的机制，通常作为体内研究之前的初步测试。在寡糖和益生菌组合的研究中，细胞培养研究被作为主要实验来阐明细胞水平的相互作用，或作为研究部分来评估各自的合生元活性(表4)。这些研究中最常用的细胞系是肠上皮培养物，例如HT-29和Caco-2，因为肠道微生物群及相应的微生物-宿主细胞相互关系是这些研究课题中备受重视的主题。一项研究比较了乳糖或HMO培养的B. longum subsp. infantis和Bifidobacterium bifidum对Caco-2或HT-29细胞的影响。结果表明，HMO培养的B. longum subsp. infantis对HT-29细胞的粘附高于B. bifidum，而HMO培养的B. bifidum在两种细胞系中都有更高的连接粘附和occluding表达。结合之前对双歧杆菌-HMO代谢特性的了解，本研究提供了证据，证明HMO培养的双歧杆菌可以显著影响肠上皮生理学，并支持各自益生菌和益生元之间的协同作用。另一个研究检测了用FOS、GOS或MOS培养的植物乳杆菌ATCC 14917的乳发酵特性。该研究调查了不同寡糖培养的植物乳杆菌对Caco-2细胞和粘蛋白的粘附能力以及细菌自聚集率。实验发现，与其他寡糖组相比，MOS培养的植物乳杆菌具有显著更高的植物蛋白粘附能力和细菌自聚集率。此外，在MOS培养的细菌中也观察到Caco2细胞粘附能力最高。这项研究展示了寡糖和益生菌组合的健康有益潜力，特别是对于MOS，因为细菌粘附在益生菌功能中起着关键作用。此外，可以在动物模型和人类志愿者中研究各自的组合对宿主的潜在有益影响。

表4 细胞培养研究。

8 宿主对动物模型的影响评估

8.1 模型建立和原则  

饮食-疾病和营养-功能关系的建立需要分离膳食物质和生物测定验证，以探索潜在的代谢功能。动物实验应始终在人体试验之前进行，以检查潜在有益膳食物质的特性，例如营养物质-微生物群相互作用、物质生物利用度和生物活性以及摄入耐受水平，否则这些问题可能难以解决。小鼠模型是膳食物质研究中应用最广泛的实验哺乳动物，包括两个主要组成物种：实验小鼠(Mus musculus)和实验大鼠(Rattus norvegicus)。虽然广泛类型的小鼠模型已被用于说明物质对健康宿主的影响，但更常用的小鼠和大鼠模型被人为操纵，例如饮食干预、化学注射和基因敲除，以模拟某些人类疾病。

8.2 实验室小鼠模型：唯一的选择  

本文总结了在小鼠模型上应用寡糖和益生菌菌株组合的研究(表5)。很明显，考虑到这些研究是为治疗目的而设计的，大多数小鼠模型旨在刺激疾病。一项研究使用高脂肪饮食在Sprague-Dawley大鼠中引入胰岛素抵抗和非酒精性脂肪性肝病。通过阿拉伯半乳聚糖、FOS和L. paracasei B21060联合灌胃，缓解了非酒精性脂肪性肝病的进展，并改善了许多胰岛素抵抗症状。本研究侧重于宿主基因在肝脏和内脏白色脂肪组织中的转录和表达以及肠道屏障完整性。同时，采用16S rRNA实时PCR定量检测肠杆菌和大肠杆菌种群的相对变化。作者得出结论，由合生元饮食干预诱导的Toll样受体抑制和肠道微生物群修饰可能是整体代谢紊乱缓解效果的关键因素。另一项研究在喂食高脂肪饮食的Wistar大鼠的心功能障碍，研究人员在合生元干预前用高脂肪饮食喂养雄性Wistar大鼠12周。然后，通过口服喂养不同物质分别创建益生元组(XOS)、益生菌组(L. paracasei HII01)和合生元组。结果表明，益生元、益生菌和合生元干预不仅缓解了胰岛素抵抗，还改善了大鼠模型的心率变化率、左心室功能和血压。在类似的实验中，作者研究了肥胖引起的认知能力下降。通过分析认知功能、血液代谢参数和脑病理学的实验方案来研究其有益效果。结果表明，食用益生元、益生菌和合生元可以通过肠-脑轴恢复高脂肪饮食和胰岛素抵抗引起的认知能力下降。这些研究证实了寡糖和益生菌饮食干预的有益潜力。

表5 动物模型研究。

8.3 肠道微生物组研究  

在许多面向宿主的研究中，通常使用常规测量来关注和评估健康状况，然而，在许多这些研究中没有明确确定肠道微生物组组成和功能。这些研究要么省略了微生物实验或进行的实验只能检测定义的微生物群，例如实时PCR定量。在专注于宿主胃肠道中普遍微生物组阐明的有限研究中，一项研究采用PCR-变性梯度凝胶电泳结合实时PCR技术描述了小鼠模型中FOS和Bifidobacterium pseudolongum喂养引起的微生物组的变化。结果显示补充FOS可提高B. pseudolongum在胃肠道的生存能力和增殖能力。另一项针对癌症恶病质的研究，主要使用高通量16S rRNA扩增子测序和代谢组学。对比实验表明，添加FOS和罗伊氏乳杆菌100-23可恢复因恶病质引起的乳杆菌数量减少和肠杆菌科数量增加。此外，这种合生元的干预降低了肝癌细胞的生长和机体的损耗，延长了宿主的生存期，这意味着合生元干预可能对治疗癌症有益。总之，创新的分析管道为研究宿主胃肠道菌群提供了有价值的工具，并说明了寡糖和益生菌干预的机制

9 人体试验

长期以来，人类营养研究一直被视为人类健康和医学中具有挑战性但不可或缺的要素。它可以分为两大类：观察性研究和对照实验试验。观察性研究从不受研究人员控制的营养消费群体中得出结论，这适用于一般人群中患病率高的营养素。而对照试验则需要研究人员引入干预，通常还需要分配对照组、安慰剂组和目标营养组。这种实验设计适用于新的研究目标或在一般人群中患病率较低的研究目标。在观察性研究和对照实验的选择中，后者主要由研究人员选择，以研究寡糖和益生菌组合的优势和功能作用。本综述总结了没有(表6)或有(表7)健康医疗情况的人类志愿者的实验信息。

9.1 健康受试者研究  

高龄人群经常需要特殊的营养补充剂。随着胃肠道微生物群的重要性日益增加，人们开始研究评估益生菌和益生元对老年人群的有益影响。一项研究对41名老年受试者进行了双盲和安慰剂对照饮食干预，使用GOS和益生菌(例如嗜热链球菌、乳酸杆菌、乳双歧杆菌，增强型酸奶)。经过21天的干预，使用PCR-变性梯度凝胶电泳对优势菌群进行评估。结果表明，GOS酸奶组组内的整体多样性和时间稳定性没有显著影响，但与安慰剂处理相比，所有GOS酸奶组中细菌菌群的多样性差异较小。这表明寡糖和益生菌对老年人肠道微生物的影响并不显著，但可能具有调节和稳定微生物群的作用。另一项研究关注了37名韩国老年女性摄入合生元对整体健康和肠道微生物群的影响。这种饮食干预含有益生菌成分，如双歧杆菌和乳酸杆菌，以及益生元成分，如FOS、XOS、IMOS和多糖膳食纤维。三周的短期干预提高了受试者对肠道健康改善、肠道活动和粪便形状的满意度，但对血液和尿液参数(碱性磷酸酶、肌酐和空腹血糖)没有显著影响。使用针对V3-V4区的高通量16S rRNA扩增子测序，研究人员能够对每个受试者的肠道微生物群组成进行普遍分类，并证明即使是短期的合生元干预也有助于肠道微生物组调节和健康改善。寡糖和益生菌的饮食对不同健康人群的其他研究(表6)取得了不同的有益效果，试验结果通常受到剂量、持续时间、配方和受试者条件等实验特征的影响。

表6 健康受试者的研究。

9.2 对有健康问题的受试者的研究

从对有健康问题的个体进行的试验中可以推断(表7)，寡糖和益生菌组合的干预研究主要是针对这些健康状况进行的。这些研究似乎只关注少数几种寡糖(FOS、XOS和菊粉)和细菌(双歧杆菌、乳酸杆菌和嗜热链球菌)。此外，这些研究的规模也受到限制，因为在大多数情况下，3位数的受试者数量很少见。考虑到这些人体试验所需的医疗资源和大量的投资，这是可以理解的。在这些试验中，溃疡性结肠炎和结肠癌等胃肠道疾病经常由寡糖-益生菌干预。有一项为期12周的双盲、安慰剂对照试验，研究了FOS、菊粉、鼠李糖乳杆菌GG和B. lactis Bb12的合生元对结肠癌和息肉切除患者的影响。使用传统的平板计数方法，合生元干预显示出明显的粪便菌群调节影响，双歧杆菌和乳酸杆菌增加，产气荚膜梭菌减少。饮食治疗还改善了结肠状况，如结直肠增生减少，粪便水容量导致结肠细胞坏死，释放出基因毒素以及干扰素γ增加。另一项研究用GOS和Bifidobacterium breve菌株Yakult的合生元组合治疗溃疡性结肠炎患者长达一年。干预结束时，结肠镜检查显示，合生元组的溃疡性结肠炎患者的临床状态明显改善，过氧化物酶也下降。通过pH检测和选择性平板计数方法，作者发现合生元组中拟杆菌科种群数量和pH值显著降低。这些结果表明，合生元组合对这些疾病有一定的缓解作用。

表7 对存在健康状况的个体的研究。

9.3 对代谢紊乱患者的研究  

值得注意的是，代谢紊乱也是寡糖和益生菌干预研究的主要目标。非酒精性脂肪性肝炎、2型糖尿病、代谢综合征和肥胖(超重)属于代谢紊乱的研究类别。一项研究调查了FOS、菊粉和鼠李糖乳杆菌CGMCC1.3724组合对肥胖男性和女性的减肥效果(BMI：29-41 kg/m2)。干预12周和24周后，在试验期间，与安慰剂组相比，在合生元治疗中女性组的平均体重显著减轻，而在男性组中没有观察到相同的效果。通过高通量16S rRNA扩增子测序发现，女性合生元组体重减轻与Lachnospiraceae科细菌减少有关。有趣的是，FOS和菊粉的添加增加了鼠李糖乳杆菌CGMCC1.3724在模拟胃条件下的生存能力，但没有达到发挥独立益生元作用所需的剂量，这意味着益生元和益生菌组分之间存在协同作用。另一项研究调查了在BMI正常或相对较低(≤25 kg/m2)的患者中，FOS、双歧杆菌、乳酸杆菌、嗜热链球菌和其他营养素膳食补充剂对非酒精性脂肪性肝病的改善功效。合生元组平均肝脂肪变性和纤维化减少显著高于安慰剂组。此外，合生元组的空腹血糖、甘油三酯水平和多种炎症介质等指标也得到显著改善。这一发现是支持寡糖和益生菌之间的合生元组合可以改善代谢紊乱患者病情的证据之一。值得注意的是，这项研究没有涉及微生物或微生物组的检测。这些以患者为中心的研究致力于疾病相关分析，忽略了微生物或机制探索实验，考虑到这些分析几乎没有提供任何信息来解决医疗和治疗实践，这并不罕见，也并非不合理。然而，这些人体试验已经说明了寡糖和益生菌在对抗许多不同类型的疾病和改善患者状况方面的潜力。

10 弥合研究、技术和应用之间的差距  

10.1 现有问题和机遇  

大量的研究评估了寡糖和益生菌之间的组合，阐明了代谢特征和/或表现出有希望的健康有益功效。然而，到目前为止，该类研究仍面临许多挑战和分析局限性(图2)。首先，通过体外益生菌培养研究和高效的分析工具，研究人员已经能够揭示大量寡糖类别的益生元潜力，例如XOS、IMOS、MOS和HMO。然而，当涉及到体内研究时，寡糖的选择出奇地保守，特别是在专门选择FOS和GOS作为靶向益生元化合物的人体试验中。研究人员推测，这种现象可以从立法的角度来解释，因为FOS和GOS已被政府机构批准用于人类。美国食品和药物管理局已将这两种寡糖归类为一般公认的安全剂(GRAS)，而其他寡糖则没有。尽管在任何与人体相关的研究中，严格的安全性确认和合规性都是必要的，但在此过程中，寡糖和益生菌菌株的有益作用的验证和应用可能会停滞和被忽视。此外，寡糖和益生菌都被用来改善食物的味道和风味，而在人体试验中，各自的合生元主要是胶囊或溶液。另外，寡糖和益生菌组合在食品中的应用主要集中在乳制品中。未来的研究将关注饮料、水果、甜点、谷物和其他应该在食品工业中实质性地促进这些应用。总之，学术界、企业和政府机构的共同努力是在这一领域取得实质性进展的必要条件。

图2 总结当前益生菌和寡糖组合应用研究中尚未解决的问题及各自的解决方案。每个领域下列出了研究限制和关注点(上框)以及所需的努力和潜在机会(下框)。

10.2 分析工具使用不足

另一个问题是，关于微生物和其代谢前景的机制已经在体外得到了广泛的研究，而体内分子和生物信息学工具的使用较少可能会导致未来研究的证据和基本论据不足。例如，鸟枪法宏基因组测序已被公认为微生物群落组成和功能分析的有用工具。它经常与核糖体扩增子测序进行比较，因为两种方法具有一定的重叠性，并且可以在分析缺陷上相互补充。然而，在寡糖和益生菌研究中，16s rRNA扩增子测序是唯一采用的方法，我们相信宏基因组方法在多种情况下可以提供有价值的信息。其他技术，如单细胞RNA-seq、蛋白质组学和代谢组学，也可以用于促进我们对益生菌和益生元的理解。综上所述，基础研究、转化研究和临床研究需要与寡糖和益生菌的未来研究相衔接和平衡，才能在学术界和产业界取得最佳结果。

11 结语

本文以寡糖与益生菌结合的研究课题为先导，从体外代谢机制研究到人体试验，概述了目前寡糖与益生菌结合的学术现状。利用传统的微生物学方法和新型生物信息学分析，研究人员揭示了寡糖和益生菌组合的潜在代谢特性和有益潜力，并进一步验证了它们在乳制品和非乳制品中的应用。对细胞系、动物模型和人类受试者的研究进一步揭示了其改善宿主健康的功效和治疗效果。这些研究表明，这些组合确实可以用作食品中的膳食补充剂，以增强人类健康。然而，这一研究领域并非没有悬而未决的问题，某些寡糖和益生菌组合的宿主实验没有产生任何显著效果或得到相互矛盾的结果。此外，尽管体外生长刺激和代谢机制已经通过有效的分子和生物信息学工具得到了阐明，但在对宿主的研究中，寡糖和益生菌应用中的宿主-益生菌-益生元相互作用机制仍不清楚。食品制造、储存、零售和立法方面的障碍仍在考验这些组合的实际应用。今后的研究重点是探索功能机制、组合配方、作用效果、剂量、给药持续时间，这对于解决这些问题是必要的。