牛奶基与水源开菲尔菌粒的微生物组成及健康益处比较研究：一项系统综述

《International Journal of Food Properties》：A comparative review of microbial composition and health benefits of “milk-based” and “water-based” kefir grains

　　

作为一种传统发酵食品，开菲尔（kefir）由开菲尔菌粒（kefir grains）中的共生微生物群落发酵生产，其组成和功能特性受培养基质的显著影响。主要类型包括牛奶基开菲尔菌粒（milk-based kefir grains）和水源基开菲尔菌粒（water-based kefir grains），后者通常在添加多种成分的糖水中培养，并在南美部分地区广泛消费。鉴于牛奶与糖水在营养成分上的显著差异，这两种开菲尔类型可能在微生物群落结构、代谢活性及健康相关特性上存在明显不同。然而，目前研究仍严重偏向于牛奶基开菲尔，对水源基开菲尔的系统性研究仍十分有限。此外，关于牛奶基开菲尔在健康益处方面更优的说法，往往更多基于其营养丰富的培养基质的假设，而非直接的比较性证据。为弥补这一空白，本综述系统性地总结并比较了现有关于牛奶基和水源基开菲尔菌粒的微生物组成及已记录健康益处的文献。证据表明，牛奶基开菲尔通常表现出更高的微生物多样性和更丰富的代谢产物谱。该比较厘清了两类开菲尔的独特特征，并为优化传统发酵工艺及指导未来研究和应用提供了参考。

论文主体内容总结

开菲尔菌粒的特征

组成

牛奶开菲尔菌粒平均由86%的水分和14%的干物质组成。干物质中约含58%的多糖、30%的蛋白质、7%的脂肪和5%的灰分。菌粒富含氨基酸、维生素（如B₂、B₁₂、维生素K、A和D）以及矿物质（如钙、磷、镁）。牛奶开菲尔菌粒中乳酸菌（lactic acid bacteria, LAB）浓度约为10⁷–10⁸ CFU/g，酵母菌为10⁷–10⁸ CFU/g。水源开菲尔菌粒是微生物与胞外多糖（extracellular polysaccharide, EPS）基质的共生复合体，微生物群落以乳酸菌为主（约10⁸ CFU/g），其次为酵母菌（10⁶–10⁸ CFU/g）和醋酸菌（acetic acid bacteria, AAB）（10⁶–10⁸ CFU/g）。新鲜水源开菲尔菌粒约含90%水分，干物质中多糖占比超过60%，蛋白质约占30%–34%，灰分占6%–7%，脂质约占3%–4%。

物理形态

牛奶开菲尔菌粒形态类似花椰菜，呈弹性、不规则、凝胶状，质地粘稠而坚实，颜色为象牙白或白色，直径范围0.3至3.5厘米。水源开菲尔菌粒为不规则颗粒，直径多为0.3至3.5厘米，颜色从乳白色到淡黄色不等，表面粗糙且具有弹性，质地不均匀且多孔。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，水源开菲尔菌粒表面是由杆状细菌和酵母细胞紧密聚集形成的微生物"地毯"，构成复杂的三维多孔网络结构。牛奶开菲尔菌粒内部由长而弯曲的乳杆菌、酵母菌和纤维状物质组成，而外层则由较短的乳杆菌和酵母菌构成。

化学结构

牛奶开菲尔菌粒主要由开菲兰（kefiran）组成，这是一种水溶性胞外多糖，主要由开菲尔乳杆菌（Lentilactobacillus kefiranofaciens）及相关微生物产生。开菲兰由葡萄糖和半乳糖以近似等摩尔比例构成，形成支撑菌粒结构的胞外多糖基质。其结构包含α-(1→2)连接的葡萄糖和β-(1→4)连接的半乳糖残基，以及β-(1→3)连接的半乳糖侧链。水源开菲尔菌粒的基质则被描述为基于葡聚糖（glucan）的网络结构，含有α-(1→6)连接的葡萄糖主链，侧链主要连接在O3位，其次在O2位，形成三维主链-侧链网络。

与开菲尔相关的微生物

微生物组成

牛奶开菲尔的细菌群落通常以厚壁菌门（Firmicutes）为主，常见属包括乳杆菌属（Lactobacillus）、乳球菌属（Lactococcus）和明串珠菌属（Leuconostoc）。对两种中国牛奶开菲尔菌粒的16S rRNA扩增子测序分析显示，核心细菌群落以开菲尔乳杆菌（Lactobacillus kefiranofaciens）为主（约53.1%和50.1%），其次为嗜热链球菌（Streptococcus salivarius subsp. thermophilus）（约16.8%和19.4%）和副干酪乳杆菌（Lacticaseibacillus paracasei）（约14.6%和13.6%）。真菌群落则以马克斯克鲁维酵母（Kluyveromyces marxianus）为主（约70.0%和61.6%），其次是单孢哈萨克酵母（Kazachstania unispora）（约30.0%和38.3%）。水源开菲尔的微生物生态系统主要由乳酸菌、酵母菌和醋酸菌组成。乳酸菌是最优势的微生物类群，常见种包括开菲尔乳杆菌、开菲尔乳杆菌（Lentilactobacillus kefiri）、嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）和副干酪乳杆菌。酵母菌常见种包括酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、乳酸克鲁维酵母（Kluyveromyces lactis）及多种接合酵母属（Zygosaccharomyces）、德克酵母属（Dekkera）和汉逊酵母属（Hanseniaspora）物种。醋酸菌主要为醋杆菌属（Acetobacter）。

微生物作用与代谢

牛奶开菲尔中的微生物群落通过不同代谢途径实现功能分工。醋杆菌属主要与乙酸产生相关；乳杆菌属参与羧酸、酯类和酮类的形成；明串珠菌属与乙酸和双乙酰（2,3-丁二酮）相关；酵母菌是酯类的主要生产者。发酵过程中，开菲兰被部分水解为益生元低聚糖，牛奶蛋白被分解为具有抗氧化和抗菌特性的生物活性肽。水源开菲尔微生物群落通过一系列复杂生化反应将糖水转化为富含多种代谢产物的发酵饮料。碳水化合物代谢的核心途径是Embden-Meyerhof-Parnas途径（EMP途径），戊糖磷酸途径（PPP）则补充产生合成代谢所需的前体物质和还原力（NADPH）。水源开菲尔中乳酸和乙酸是主要有机酸，乙醇主要由酵母产生，二氧化碳赋予饮料天然的气泡感。氮代谢的主要功能是共生营养交换，酵母分解添加的干果中的蛋白质产生肽和氨基酸，为乳酸菌提供必需营养。

开菲尔的健康益处与功效

促进消化

牛奶开菲尔富含糖苷水解酶及其他碳水化合物活性酶，可能促进复杂碳水化合物和植物细胞壁聚合物的降解。动物研究表明，这些酶和微生物活性与肠道菌群的有益变化相关。牛奶开菲尔还可能改善乳糖消化，开菲尔相关微生物可产生β-半乳糖苷酶，将乳糖水解为葡萄糖和半乳糖。一项针对15名乳糖消化不良成人的随机交叉研究显示，与牛奶相比，开菲尔显著降低了呼气氢排泄量，表明乳糖消化得到改善。相比之下，水源开菲尔在消化方面的证据仍然有限。

降血糖、降血压和降胆固醇活性

体外研究表明，牛奶开菲尔发酵过程中产生的肽具有血管紧张素转换酶（ACE）抑制活性，为降压作用提供了合理基础。动物模型中，牛奶开菲尔的非细菌可溶部分可降低高血压大鼠的血压和心脏肥大。人类证据仍然有限，但一项小型临床研究表明，含瑞士乳杆菌（Lactobacillus helveticus）的发酵乳可降低正常高值血压或轻度高血压患者的血压。相比之下，降血糖和降胆固醇作用的证据较不直接，主要来自综述文章或临床前研究。水源开菲尔在心代谢方面的证据仍然匮乏。

免疫调节和抗炎作用

牛奶开菲尔与免疫调节和抗炎作用相关，但大部分证据仍处于临床前阶段。动物模型中，开菲尔可增加小鼠小肠和支气管中IgA+细胞数量，改善巨噬细胞吞噬活性，并减轻TNBS诱导的炎症性肠病小鼠模型的肠道炎症。开菲尔微生物来源的细胞外囊泡可减少小鼠结肠炎症和髓过氧化物酶活性。水源开菲尔也被证明可调节小鼠TLR3介导的肠道免疫反应，但这些发现仍局限于临床前模型。

抗癌相关生物活性

开菲尔的抗癌相关生物活性证据主要来自体外和动物研究。细胞研究中，开菲尔被报道可诱导人急性红白血病细胞凋亡并抑制细胞增殖，但该效应未在外周血单核细胞（PBMCs）中观察到，表明反应可能具有细胞类型特异性。优化牛奶开菲尔发酵条件可将对敏感癌细胞系的抗癌效果增强5至8倍。水源开菲尔方面，红甜菜根汁经水源开菲尔菌粒发酵后显示出增强的自由基清除能力和对HepG2细胞的抗增殖活性。益生菌木瓜水源开菲尔对MCF-7和HCT116癌细胞表现出抗氧化活性和细胞毒性作用。

神经保护与心理健康

动物模型中，牛奶开菲尔被报道可调节肠道菌群，特别是增加产短链脂肪酸（SCFA）细菌的丰度。在阿尔茨海默病小鼠模型中，开菲尔干预与Aβ42沉积减少和tau过度磷酸化降低相关，并改善了Morris水迷宫表现。果蝇模型中，开菲尔提取物被报道可降低β-分泌酶表达并改善攀爬能力。水源开菲尔方面，一项体外研究表明，水源开菲尔来源的细胞外囊泡可被人神经母细胞瘤细胞摄取，并在神经母细胞瘤-小胶质细胞共培养中与fractalkine蛋白水平升高相关，但这仍应视为初步证据。

抗氧化和抗衰老作用

牛奶开菲尔和水源开菲尔均被报道具有抗氧化潜力。牛奶开菲尔的抗氧化活性机制包括发酵过程中释放生物活性肽和微生物代谢产物的贡献。水源开菲尔的抗氧化特性主要归因于水果基质来源的酚类化合物以及微生物代谢产物如葡聚糖和甘露醇。体外研究表明，李子汁基水源开菲尔具有可测量的DPPH自由基清除活性和Trolox等效抗氧化能力，而玫瑰果水源开菲尔在储存期间表现出特别强且稳定的抗氧化活性。

肝脏保护

牛奶开菲尔方面，一项研究表明口服开菲尔可显著改善瘦素缺陷ob/ob小鼠的脂肪肝综合征，降低血清谷草转氨酶和谷丙转氨酶活性，减少肝脏甘油三酯和总胆固醇积累，并下调关键脂肪生成基因。水源开菲尔被报道主要通过抗氧化和抗炎机制保护肝脏，可减轻化学诱导的肝损伤、支持肝细胞修复、减少肝纤维化并抑制TNF-α和IL-6等炎症介质。

肾脏损伤治疗

牛奶开菲尔在雌性Wistar大鼠中显示出减轻玉米赤霉烯酮（ZEA）诱导的肾损伤的作用，主要通过抗氧化机制实现。与ZEA单独处理组相比，开菲尔补充使肾脏超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性分别增加1.2倍、4倍和20倍，同时肾组织丙二醛水平降低54%。水源开菲尔在肾脏疾病模型中的直接证据仍然缺乏。

肥胖缓解

饮食诱导肥胖（DIO）小鼠模型中，开菲尔来源的植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）悬液每日灌胃4周可降低体重12.3%，减少肝脂肪变性面积45%，并增加有益肠道细菌如阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila）丰度2.1倍。另一项研究中，DIO大鼠补充开菲尔发酵液8周可降低胰岛素抵抗稳态模型评估（HOMA-IR）38%，降低血清总胆固醇26.7%。

开菲尔：现代生产、应用与创新

现代生产

开菲尔生产通常采用25°C发酵温度，发酵持续18–24小时直至pH降至4.4–4.5。发酵完成后需进行破乳，最后在2–6°C低温冷藏至少12小时以保持新鲜度和品质。水源开菲尔的生产包括原料准备阶段、预处理（如均质化和巴氏杀菌）、发酵阶段（通常在20–30°C下持续2–4天）以及后处理阶段（冷却、菌粒分离和包装）。由于缺乏生产和评价标准，产品一致性差，研究可重复性受限。

应用与创新方向

牛奶开菲尔因其独特的益生特性和营养价值正逐渐成为功能性食品市场的重要组成部分。在动物饲料中添加开菲尔时，剂量-反应关系是设计饲料配方的关键考虑因素。开菲尔可与水果或植物成分结合开发具有多重健康益处的混合乳饮料。水源开菲尔衍生物开菲兰具有优异的成膜性、保湿性、粘附性、抗菌活性和生物相容性，是极具吸引力的"清洁标签"化妆品成分，可用于开发保湿霜、精华液、面膜甚至具有皮肤修复功能的"药妆品"。开菲兰还可用于制造可生物降解包装膜。通过使用不同糖源和液体基质，可生产具有不同风味和营养成分的水源开菲尔产品。从水源开菲尔菌粒中可分离鉴定具有特定益生功能的菌株，用于开发标准化益生菌发酵剂。利用基因组学和代谢组学分析水培介质中的微生物群落，筛选高效菌株以优化发酵过程，例如使用定义菌株替代传统混合菌株以提高产品一致性和稳定性。农业副产物的利用存在局限性，新兴领域的研究仍相对薄弱。