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新型益生菌凝结芽孢杆菌BC99在食品中的应用


涂艳华,秦玉,方端,朱建国,姜甜,达旭阳,张秋玉
江苏微康生物科技有限公司(苏州)

 

摘  要:凝结芽孢杆菌除了具有一般益生菌的功能外,还具有耐高温、耐酸和耐胆盐等高抗逆性特点。本文从凝结芽孢杆菌的抗逆性、功能效用以及在不同预包装食品中的应用等方面进行阐述。江苏微康生物科技有限公司(以下简称:微康生物)作为国内领先的提供益生菌产品完整解决方案的企业,目前已经实现凝结芽孢杆菌BC99产业化生产,年产100吨凝结芽孢杆菌BC99活性菌粉,芽孢数高达2000-3000亿CFU/g,该益生菌具有抗逆性强、耐高温、产孢率高等特性,可以广泛应用于各类食品。


关键词:凝结芽孢杆菌BC99、高活性、抗逆性、食品

 

凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)是一种能形成芽孢的新型益生菌,其既具有与乳酸杆菌、双歧杆菌十分相似的特征,又因其产芽孢的特性,从而具有很强的抗逆性特征。2005年,凝结芽孢杆菌被我国食品药品监督管理局(SFDA)批准用做人用整肠药物;2012年,凝结芽孢杆菌被美国食品药品监督管理局(FDA)批准为安全可食用菌株[1-2] ;2016年,被我国卫计委列入《可用于食品的菌种名单》。目前,国外已将凝结芽孢杆菌广泛用于食品中,如糖果、巧克力、饮料等;在国内,凝结芽孢杆菌也成为众多食品行业追捧的对象,被广泛应用于食品各领域。


近年来,凝结芽孢杆菌基本上靠进口,国内市场的凝结芽孢杆菌几乎被国外垄断。微康生物经过多年精心研究,不断摸索与优化工艺,引进先进的生产设备,成为国内首家实现凝结芽孢杆菌年产能达100吨以上的产业化企业,投产的凝结芽孢杆菌BC99(Bacillus coagulans BC99,以下简称BC99),芽孢数高达2000-3000亿CFU/g,最高可达5000亿CFU/g。BC99具有抗逆性强、耐高温高压、强耐酸耐胆盐、高存活率、易贮存等优良特性,可抵抗胃酸和消化酶作用,顺利在肠道增殖并发挥益生作用[3-4]。BC99作为一种新型益生菌,正成为益生菌功能性产品研究与开发的又一新宠。

 

1 凝结芽孢杆菌概况


1915年Hammer B.W. 发表的论文中最早出现了凝结芽孢杆菌的记录[5];1932年著名科学家L.M. Horowitz-Wlassowa等在其发表的文献中首次使用“孢子乳杆菌”来描述凝结芽孢杆菌;1974年,第八版《伯杰氏鉴定细菌学手册》中将其划分为芽孢杆菌属;该菌产生L-乳酸和凝结素,1980年学术界统一将其命名为凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans[6]

 

图1 凝结芽孢杆菌 BC99(Bacillus coagulans BC99)芽孢镜检照片


 凝结芽孢杆菌呈杆状两端钝圆,属革兰氏阳性菌,过氧化氢酶阳性,兼性厌氧,芽孢端生;能分解乳糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、甘露醇等糖类产生L-乳酸,为同型乳酸发酵菌;pH2-8都可存活,最适生长pH5.5-7.5;30-55℃都能生长,最适生长温度40-50 ℃;生物素和硫胺素,是促进其生长的主要生长因子[7-8]


凝结芽孢杆菌产抗菌凝结素、乳酸、氨基酸、短链脂肪酸、维生素、各种消化酶;耐高温、强耐酸、耐高盐、易保存;其生理功效与乳酸杆菌、双歧杆菌相似[9]

 

2 凝结芽孢杆菌的抗逆性


凝结芽孢杆菌具有复杂致密的多层芽孢壁结构以及极低的代谢活性,使其能抵抗外界环境的不良影响,具有耐酸耐盐、耐热耐温、产孢率高、易贮存等特性。BC99在80℃水浴中处理5h,细胞存活率仍有50%,在100℃水浴中处理2h,仍有细胞存活;在模拟胃液(pH2.5)中处理120min,其存活率达到94%;在模拟肠液(胆盐浓度0.3%)中,存活率达到84.3%;在最适条件(45℃、初始pH7.0)下培养36h,在液体中其活菌数高达6.7×109 CFU/mL,产孢率达到89.2%[10]。优良抗逆性的芽孢是制备益生菌制剂产品最好的存在形式,使BC99在食品加工和储存中具有得天独厚的稳定性优势。

 

图2 BC99 革兰氏染色1600倍镜检照片

 

图3 BC99 芽孢染色1600倍镜检照片


 
3 凝结芽孢杆菌对人体的重要作用


凝结芽孢杆菌的高抗逆性是其能顺利通过人体胃肠道系统的前提保障,其芽孢经食用进入消化系统,在胃液环境下开始萌发生长,芽孢衣膨胀,芽孢形状增大,水含量增加,从芽胞衣上长出突起;进入十二指肠时,孢子已萌发形成营养细胞,随后进入小肠开始大量繁殖,高效定植于肠道而发挥益生作用[11-12],凝结芽孢杆菌能耐受胃酸和消化酶等在肠道中定居,并恢复生理代谢,通过分泌多种代谢产物以及与肠道其它益生菌协同作用等发挥益生功效。


3.1 调节肠道菌群微生态平衡,抑制致病菌生长


凝结芽孢杆菌是一种兼性厌氧细菌,其定居在肠道后消耗游离氧,创造厌氧的肠道环境;其分泌产生乳酸和凝结素等抗菌物质,抑制需氧型有害菌的生长,促进厌氧型益生菌如乳酸菌、双歧杆菌等的增殖,恢复并维持肠道菌群微生态平衡。路福平等[13]发现凝结芽孢杆菌对常见肠道病原菌如大肠杆菌、志贺氏菌、沙门氏菌等有一定的抑制作用,经实验推测凝结芽孢杆菌代谢产生乳酸和一些小分子的胺类混合物;Le Marrec等[14]发现凝结芽孢杆菌能分泌抗菌肽物质-凝结素,Hyronimus等[15]发现凝结素稳定性强,对肠球菌、明串珠球菌、李斯特菌和小球菌等有抑制作用,可广泛应用于食品行业中,发挥肠道调节作用。


另外,凝结芽孢杆菌还能产生双乙酰、有机酸等多种代谢产物,可减少胺类等有害物质的产生,改善肠道内微生态环境,减少肠道疾病的发生[16-17]


3.2 促进肠道消化吸收,提高营养利用率


凝结芽孢杆菌具有非常丰富的酶系统,可分泌多种消化酶如β-半乳糖苷酶、淀粉酶、脂酶、蛋白酶等,将大分子物质降解为小分子物质,促进营养物质的消化与吸收,提高机体对食品的营养转化利用率[18]。Batra等[19]研究发现凝结芽孢杆菌能分泌β-半乳糖苷酶,将牛乳中的乳糖分解成葡萄糖和半乳糖,有效缓解乳糖不耐症,提高机体对牛奶的消化与吸收。Keller D等[20]研究发现凝结芽孢杆菌分泌的植物蛋白酶,可将植物蛋白降解成小分子肽与氨基酸,促进肠道吸收与代谢。


另外,凝结芽孢杆菌在生长、繁殖和定植过程中产生维生素、短链脂肪酸等代谢产物,能刺激肠道蠕动,促进对营养物质的消化与吸收,减少毒素的积累,改善粪便性质。Ara等[21]研究发现凝结芽孢杆菌可降低肠道氨值,提高排便次数,改善粪便气味和颜色,从而改善肠道代谢环境。


3.3 激活机体免疫细胞,增强免疫力,减缓炎症


凝结芽孢杆菌可使免疫系统的定量参数(脾淋巴细胞、巨噬细胞和T-淋巴细胞的数量)和细胞的功能活性正常化,提升宿主免疫系统的功能。通过调节细胞因子抑制活性氧、增强吞噬细胞活性,促进消化道黏膜发生正常的免疫反应,从而提升宿主免疫系统的功能。Kodali等[17]研究发现凝结芽孢杆菌能抑制多形核白细胞(PMN,主要是中性粒细胞)诱导的活性氧(ROS)的形成,增加中性粒细胞的吞噬活性,通过抑制活性氧、增强吞噬作用而提高机体免疫力。此外凝结芽孢杆菌还能诱导NK细胞CD69表达,激活标记物CD3- CD56+ T淋巴细胞、自然杀伤(NK)细胞等细胞[22],促进机体免疫调节。


凝结芽孢杆菌在激活宿主免疫细胞,通过细胞来源的介质增强宿主免疫系统,增加抗炎细胞因子、下调炎性免疫因子如干扰素(IFN-γ)、白细胞介素(IL)等,在不改变正常的调节细胞因子情况下,缓解炎症。Sudha等[23]等研究发现凝结芽孢杆菌能抑制炎症系细胞 COX- 2,抑制促炎症因子IL-12,TNF-α和 IFN-γ的表达,从而起到缓解炎症的作用。

 

4 凝结芽孢杆菌在食品中的应用


随着社会经济的不断发展,人们生活水平的不断提高,如何健康生活逐渐成为日常生活中探讨的热点,益生菌作为功能性食品越来越受大众的青睐。而新型益生菌凝结芽孢杆菌表现出的耐热耐温、稳定性等强抗逆性,极大丰富了其在食品行业中的应用。


4.1 在休闲零食中的应用


随着居民消费的升级,我国休闲食品市场逐渐向年轻化、高端化、健康化升级,休闲零食在“第四餐化”趋势下已破万亿销量,并将保持20%以上的复合增速。从近几年市场规模变化趋势来看,我国休闲食品行业将呈现出长期稳定增长的态势。凝结芽孢杆菌除具普通益生菌的功效外,还具耐高温耐贮藏等特性,被广泛应用于糖果、坚果等各种休闲零食中。


4.1.1 在糖果中的应用


王祯等[24]将凝结芽孢杆菌应用于糖果中,110℃添加可可粉、100℃添加全脂乳粉对凝结芽孢杆菌的存活无影响。微康生物开发的益生菌凝结芽孢杆菌软糖,每袋特别添加120亿的活性BC99,可常温储存,在货架期内可保持卓越的稳定性。将凝结芽孢杆菌添加到口感醇厚丝滑的巧克力,能保持其高活性,促进机体消化,维持肠道微生态平衡。


4.1.2 在坚果中的应用


坚果作为休闲零食中健康、绿色品类广受消费者的青睐,在供需双重带动下国内坚果类快速增长。根据沙立文统计数据显示,2018年,坚果炒货在休闲食品中比重约为10%,坚果行业也在发生三大趋势性演变:从有核到无核,从单品到复合,从粗加工到深加工。而益生菌坚果,向高品质、高颜值、高性价比迈进,精准对接市场的健康需求,兼具天然、休闲、营养、健康、美味等特性,其中凝结芽孢杆菌能促进机体对营养物质的消化与吸收,维持肠道微生态平衡,增强机体免疫力,促进产品健康升级。


4.1.3 在能量棒中的应用


能量棒作为一种新兴起的代餐食品,其含有优质的蛋白质、碳水化合物、维生素、矿物质等,具有及时补充能量、营养全面、方便携带等特点,可为运动人士、生活快节奏的都市白领、纤体减重等人群提供全营养低热量的代餐饮食。2018年我国能量棒行业市场规模为305.5亿元,同比增长9.69%,随着人们对运动与健康饮食的持续关注,未来能量棒的市场需求仍会持续增长。益生菌能量棒,可添加耐高温BC99,在加工过程中BC99存活率高、贮存性能稳定,能促进营养物质的消化与吸收,增强机体免疫力。益生菌能量棒作为一种新型健康代餐食品,可满足健康与运动市场的需求。


4.2 在烘焙食品中的应用


据中国烘焙相关行业协会预测,2020年我国烘焙食品行业销售收入预计达到5500亿,到2025年烘焙行业的年复合增长率可达45%。Majeed等[25]将凝结芽孢杆菌应用于华夫饼等烘焙食品中,产品表现出较高的稳定性。凝结芽孢杆菌BC99的应用,可解决烘焙食品在高温过程时益生菌难存活这一难题。


4.3 在方便食品中的应用


方便食品以米、小麦粉、杂粮等为主要原料加工制成,只需简单烹制,具食用简便、携带方便,易于储藏等特点,随着创新和技术革新的突破,行业逐渐转型升级如自热食品、益生菌方便食品等,向着特色化和跨界融合的方向发展,使产品兼具营养与美味,满足差异化需求。Martín等[26]将凝结芽孢杆菌包埋在干枣糊中,室温贮藏期间产品稳定,可作为自热食品的载体。益生菌方便面,通过添加耐高温的BC99,冲泡蒸煮后活性稳定,可促进肠道健康,提升免疫力。


4.4 在冲调类热饮中的应用


消费的升级也带动了年轻群体对饮品的一度热爱,中国冲调类热饮(谷物冲调、速溶咖啡、奶昔、茶等)销售额稳步上升。2019年冲调类热饮市场规模已突破1300亿元,预计在2021年达到1400亿元以上,2016-2021年复合年增长率9.8%。市场上现有的益生菌谷物饮料、益生菌咖啡、益生菌绿茶等冲调热饮产品,在保持原有产品口感功效的同时,凝结芽孢杆菌卓越的耐热耐高温能力,使其不惧高温,协同增效促进肠道健康与免疫力。


4.5 在即饮型功能饮料中的应用


经济的快速增长、消费观念的转变以及消费主体的升级等因素,促使饮料的需求总保持在增长的状态。国家统计局数据统计,2019年上半年,全国规模以上饮料制造企业营业收入2415.8亿元,同比增长4.8%。而即饮型功能饮料兼具好口感、健康、便捷等特点、可满足个性化需求,在饮料界广受消费者的喜爱。微康生物生产的BC99可广泛应用于即饮饮料中,不仅具有高活性,而且营养转化率高,能促进机体对营养物质的吸收、增强机体抵抗力。


4.6 在益生菌制剂中的应用


新型益生菌凝结芽孢杆菌可作为膳食营养补充剂,通过一系列的加工工艺做成具活性的凝结芽孢杆菌粉剂、凝结芽孢杆菌益生菌颗粒剂、凝结芽孢杆菌活菌片剂、凝结芽孢杆菌胶囊等剂型,其作为一类能够通过调节微生物平衡而有效影响宿主的活性微生物制剂,能顺利通过胃酸、胆盐等并在肠道定植繁殖,其具备存活率高,产孢率高、稳定性好等特性,通过繁殖产生的多种代谢产物与其他益生菌协同增效,起到调理肠道和辅助防治胃肠疾病、提高免疫力、帮助平衡健康等作用。

 

5 展望


在我国,随着人们对凝结芽孢杆菌临床研究的进一步深入,国内生产的凝结芽孢杆菌已在食品行业崭露头角,其中BC99正逐渐应用到健康食品各个细分领域。微康生物是一家专业专注益生菌及其衍生物的研究、开发、生产及应用的国家高新技术企业,公司生产的凝结芽孢杆菌BC99具有耐酸、耐胆盐、耐高温、产孢率高、易贮存等优良特性,其芽孢数高达2000-3000亿CFU/g;年产产能高达100吨、成本较国外低,可提供多元化的产品应用解决方案,满足客户个性化需求。

 

 


 

参 考 文 献

 

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