综述：木质纤维素原料生产木寡糖的研究进展及其作为益生元的 应用

《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：Advances in Xylooligosaccharides Production From Lignocellulosic Materials and Its Application as Prebiotics

　　

随着功能性食品及其在基础营养之外促进健康的作用日益受到关注，肠道菌群调控作为人类健康的关键决定因素已成为研究焦点。在此背景下，益生元（prebiotics）和益生菌（probiotics）因能够选择性影响胃肠道微生物组成及代谢活性，成为核心生物活性成分。益生元被定义为不能被宿主消化的食品组分，可被有益微生物选择性利用，从而改善宿主健康；益生菌则是当摄入足够数量时，能够对宿主健康产生有益作用的活微生物。本综述探讨了益生元和益生菌的作用机制、主要来源及已证实的健康效应，重点阐述其在消化健康、免疫调节以及代谢与炎症性疾病预防或管理中的作用。研究特别关注以木质纤维素生物质为原料的新型益生元——木寡糖（xylooligosaccharides, XOS），综述了利用微生物酶（尤其是真菌木聚糖酶）进行酶法生产的最新进展。此外，论文讨论了当前用于益生元和益生菌成分可持续生产、纯化及配制的生物技术策略，以及二者联合作为合生元（synbiotics）时存在协同作用的日益增多的证据。理解益生元、益生菌与肠道菌群之间复杂的相互作用，对于合理设计旨在改善人类健康的下一代功能性食品和膳食干预措施至关重要。

1 木质纤维素结构

木质纤维素生物质（lignocellulosic biomass, LCB）是全球最丰富的可再生碳源，也是农产工业的主要残留物，具有转化为可发酵糖的巨大潜力。作为植物生物质的主要组成成分，多糖既可作为食物储备，也可提供机械强度。木质纤维素是植物中含量最丰富的组分，是一种主要由纤维素、半纤维素和木质素组成的异质聚合物，其比例因生物质来源而异。纤维素是一种高分子量同聚物，由1,4-β-D-吡喃葡萄糖单元通过共价β-1,4糖苷键连接而成，其基本结构单元为纤维二糖。聚合度（degree of polymerization, DP）取决于LCB的来源。该聚合物的线性构象源于其连接方式，纤维素链之间通过氢键形成有序的结晶结构，而无序区域则称为无定形区，因此尽管纤维素是同聚物，其结构仍具有异质性和刚性。半纤维素是第二丰富的多糖组分，约占LCB的20%–35%，而木质素通常占10%–30%，具体比例取决于原料。半纤维素位于纤维素大纤丝和微纤丝之间以及木质素聚合物之间，是一种由糖醛酸、己糖（如葡萄糖、半乳糖、鼠李糖和甘露糖）和戊糖（阿拉伯糖和木糖）组成的杂聚物，通过β-1,3和β-1,4糖苷键连接。由于高度分支的结构以及主链上连接的乙酰基，该聚合物不具有结晶性。在各类半纤维素多糖中，木聚糖是大多数农业残留物和硬木中的主要组分，在某些生物质来源中可占半纤维素总量的80%–90%。木聚糖由β-D-吡喃木糖单元通过β-1,4糖苷键连接而成，在低温下不溶于水，但其水解起始时间早于纤维素。不同生物质来源的木聚糖因其产生的XOS具有生物活性而备受关注。XOS的生理效应因其结构特征（包括分支度和取代模式）而异，可选择性刺激双歧杆菌属（Bifidobacterium）和乳杆菌属（Lactobacillus）菌群，增加短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFA）的产生，调节肠道炎症，并可能缓解包括肠易激综合征（irritable bowel syndrome, IBS）在内的胃肠道疾病。这些发现强化了探索多样化LCB作为可持续原料生产高价值益生元成分的重要性。木聚糖的结构多样性也对其工业利用具有重要意义，除作为XOS生产底物外，还被用于制造生物燃料、木糖醇、糠醛、可生物降解薄膜、水凝胶、包装材料、药物辅料和特种化学品。然而，将木聚糖转化为XOS仍是最具吸引力的增值途径之一，因为XOS作为新型益生元，能够选择性刺激有益肠道微生物，同时在胃肠道转运过程中表现出高稳定性。木质素是一种由三种苯丙烷单元（对香豆醇、松柏醇和芥子醇）组成的无定形杂聚物，通过三维结构连接赋予植物细胞壁抗降解性。除物理作用外，木质素还通过防止昆虫侵害和协助植物体内水分运输发挥重要作用。根据芳香环上甲氧基化程度，其基本单元可分为对羟基苯基（H木质素）、愈创木基（G木质素）和紫丁香基（S木质素）。软木木质素中G木质素含量超过90%，而硬木木质素中S木质素含量更高。纤维素和半纤维素通过氢键连接，木质素则通过木质素-碳水化合物复合物（lignin–carbohydrate complex, LCC）与半纤维素共价连接，这些键包括苯基葡萄糖苷、苄基醚、γ-酯、阿魏酸酯和半缩醛。含量较低的果胶通常由通过α-1,4糖苷键连接的甲基化半乳糖醛酸组成，具有同聚半乳糖醛酸、鼠李半乳糖醛酸I、木糖半乳糖醛酸和鼠李半乳糖醛酸II四种主要结构，在细胞壁孔隙度和离子调控、细胞粘附、防御和生长中发挥重要作用。

2 木聚糖降解酶

木聚糖降解酶可将木聚糖降解为可发酵的单糖，应用于生物燃料、食品、动物饲料、制浆造纸等多个行业。这类酶可由真菌、细菌和放线菌等多种微生物产生，其中丝状真菌最为常用。参与木聚糖降解的酶可分为内切和外切酶，前者水解木聚糖聚合物链内部的糖苷键，后者则从链的还原端或非还原端水解木聚糖。木聚糖主链主要由内切-β-D-木聚糖酶和β-D-木二糖水解酶水解，二者属于糖苷水解酶（glycoside–hydrolases, GHs）家族，催化木聚糖主链内糖苷键的裂解。β-D-木糖苷酶则优先水解寡糖中的β-1,4糖苷键。木聚糖侧链酶能够去除不同类型木聚糖上的分支和侧基，包括α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶（α-L-arabinofuranosidase, ABF）、α-葡萄糖醛酸苷酶（α-glucuronidase, AGU）、乙酰木聚糖酯酶（acetyl-xylan esterase, AXE）、阿魏酸酯酶（feruloyl esterase, FAE）和葡萄糖醛酸酯酶（glucuronoyl esterase, GE）。ABF作用于阿拉伯糖残基与木糖基单元之间的连接，释放阿拉伯糖，属于GH家族的外切酶，可分为A组（去除木糖单取代残基上O-2或O-3位的阿拉伯糖基）和B组（选择性释放双阿拉伯糖取代木糖基上的O-3阿拉伯糖基）。AGU同样属于GH家族，水解木糖残基与4-O-甲基葡萄糖醛酸之间的α-1,2糖苷键。AXE水解木聚糖主链与乙酰基之间的酯键，释放乙酸。FAE水解木聚糖中羟基肉桂酸与阿拉伯糖残基之间的酯键。GE水解葡萄糖醛酸木聚糖的4-O-甲基葡萄糖醛酸侧链与木质素中脂肪醇之间的酯键。研究表明，GH10家族的木聚糖酶比GH11家族酶或二者组合更能有效地从小麦阿拉伯木聚糖中生产短链阿拉伯木寡糖（arabinoxylooligosaccharides, AXOS）。具体而言，GH10酶具有更广泛的底物偏好性和较低的特异性，倾向于作用于取代的木聚糖链，并在主链不同位点切割，有利于生成木二糖和木三糖等较短的寡聚物；而GH11酶偏好内部键和较长链，通常产生不同的产物谱。温度和暴露时间对XOS产量的影响更具变异性，且取决于与特定木聚糖酶家族及pH条件的相互作用。这种酶学多样性使得与依赖有限催化活性的系统相比，能够更有效和选择性地解聚复杂且异质的半纤维素基质。从生物转化角度看，真菌木聚糖酶尤其具有吸引力，因为许多酶在酸性pH和中等至高温下表现出最佳活性，这些条件与工业生物质处理兼容，且可降低微生物污染风险。此外，利用真菌木聚糖酶对预处理后的LCB进行受控酶解，可优先释放XOS而非完全解聚为木糖，这是生产益生元化合物的关键要求。通过真菌酶系统生成的XOS已被广泛报道可选择性刺激双歧杆菌和乳杆菌等有益肠道微生物的生长，同时在上胃肠道保持消化抗性。在此背景下，使用真菌来源的半纤维素酶具有战略优势，可通过发酵优化或酶选择来调节XOS的DP和取代模式，而这些因素已知会影响其益生元功效。总体而言，近期研究证实，基于真菌的酶平台为LCB增值为高价值功能性成分提供了一条可持续且高效的途径，使生物质生物转化与循环生物经济原则保持一致，并拓展了半纤维素衍生品的工业应用范围。除丝状真菌外，益生菌细菌和酵母作为木聚糖酶替代来源也日益受到关注。多种乳酸杆菌属（如植物乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、短乳杆菌）和双歧杆菌属物种已证明能够产生木聚糖降解酶并以XOS为碳源，有助于其在胃肠道中的益生元效应。类似地，益生菌和非 conventional 酵母（如布拉氏酵母和马克斯克鲁维酵母）的木聚糖降解潜力及其在木质纤维素生物过程中的应用也得到研究。将产木聚糖酶微生物与XOS生产系统相结合，是开发合生元制剂的一种有前景的策略，其中生成的XOS选择性刺激有益微生物生长，同时促进生物质增值。因此，探索细菌和酵母来源的木聚糖酶可补充传统真菌系统，并拓展与木质纤维素生物精炼相关的生物技术应用场景。

3 XOS：结构与益处

XOS是由木糖残基组成的五碳糖寡糖，聚合度通常为2至10个木糖单元通过β-1,4-木糖苷键连接，部分文献将其DP定义为2至20。XOS具有多种侧基，如α-D-吡喃葡萄糖醛酸、乙酰基、4-O-甲基-D-葡萄糖醛酰基和L-阿拉伯糖基，这暗示其可能具有分支结构。XOS的DP、侧链及连接方式因木聚糖来源而异。XOS的生理功能性受其DP的强烈影响。尽管木糖和低碳寡糖（DP2–DP4）可被有益肠道微生物快速利用，但多项研究表明，DP3–DP6的XOS表现出更优异的益生元特性，包括被双歧杆菌和乳杆菌物种选择性发酵、在上胃肠道的抗消化性以及在结肠的持久可用性。这些寡聚物与SCFA产量增加、肠道屏障功能改善、肠道菌群组成调节以及胃肠道疾病和结直肠癌风险降低相关。因此，控制酶解条件以最大化DP3–DP6范围内的XOS产量，被视为提升木质纤维素生物精炼功能价值的关键策略。XOS天然存在于蜂蜜、水果和蔬菜中，但含量不足以产生益生元效应。利用木质纤维素生物质作为原料生产XOS正日益受到科学界关注，因为木聚糖是仅次于纤维素的生物圈中最丰富的组分，也是农产工业的有价值副产品，其在食品和制药行业的益生元健康特性也备受瞩目。2018年至2022年间，XOS市场需求以2.7%的复合年增长率（compound annual growth rate, CAGR）扩张，预计2023年至2033年将以7%的CAGR增长。XOS对宿主生理的多种有益效应主要源于其被肠道菌群选择性发酵。当XOS完整到达结肠后，会被有益细菌（尤其是双歧杆菌属，部分人体研究中也包括乳杆菌属）优先利用，从而调节微生物组成并促进健康相关类群的增殖。例如，健康成人补充XOS可在相对低剂量（1.4–2.8 g/天）下促进粪便中双歧杆菌和乳杆菌数量增加，且胃肠道耐受性良好，优于其他益生元。重要的是，XOS发酵会产生SCFA（包括乙酸、丙酸和丁酸），这些酸是结肠细胞的能量底物，可增强黏膜屏障完整性并维持免疫稳态。SCFA还能降低肠腔pH值，创造不利于病原菌生长、更利于有益共生菌的肠道环境。除微生物调节和SCFA生成外，XOS在动物模型中还显示出抗炎和免疫调节作用。例如，在高脂饮食诱导的肥胖大鼠中，XOS补充可增加产SCFA的细菌属，并减轻结肠炎症，表现为促炎标志物减少和上皮紧密连接基因表达增强。临床前免疫抑制模型的机制研究进一步表明，XOS可恢复化疗损伤后的免疫参数，使白细胞计数和免疫球蛋白水平恢复正常。临床研究也支持XOS对肠道菌群平衡和胃肠道功能的益处。一项为期6周的膳食干预显示，每日摄入添加XOS的米粥可显著增加粪便中乳杆菌和双歧杆菌计数，同时降低产气荚膜梭菌丰度，表明其在人体中改善了菌群平衡。动物研究还表明，XOS可缓解便秘样症状并增强SCFA生成，支持与人体胃肠道健康相关的功能性肠道结局。新兴证据表明XOS还具有代谢益处。在代谢紊乱（如高脂饮食）的啮齿动物模型中，XOS补充与改善血脂谱、减少内脏脂肪量、增强脂肪酸氧化相关基因表达以及强化肠道屏障标志物相关，这些效应共同提示XOS可能通过肠-肝轴相互作用参与代谢调节。综上，这些发现表明XOS通过塑造肠道微生物群落、促进SCFA生成、增强肠道屏障完整性和调节免疫功能，发挥多种健康益处。这些在人体和动物研究中观察到的效应，凸显了XOS作为功能性食品和营养干预中益生元成分的 therapeutic 潜力。

4 从LCB生产XOS

从技术角度看，XOS可通过三种途径生成：LCB物理化学预处理过程中的直接提取或部分解聚、酸/化学水解，以及可溶性或预处理后木聚糖的酶解。化学水解速度快、产率高，但往往缺乏选择性，会产生大量木糖单体，且需要中和及下游纯化步骤；此类条件还可能去除或改变具有生物学相关性的取代基。相比之下，使用内切-1,4-β-木聚糖酶和辅助脱支酶的酶解，在DP控制、反应条件温和性以及寡聚物形成的选择性方面具有优势，能够生产低碳XOS组分，木糖含量相对较低且取代模式得以保留。这些特性使酶法途径成为生产用于食品和营养保健品的功能一致性XOS的首选方法。农业工业残留物（小麦秸秆、玉米秸秆、甘蔗渣、锯末和食用菌栽培废料）已通过温和预处理（水热、微波辅助或碱溶）结合酶解得到有效增值为XOS，这些集成方法提高了木聚糖的可及性，可在减少化学品使用的同时增加短链XOS产量。过程强化（如耦合水热预处理与内切木聚糖酶）和下游分级技术（膜超滤、色谱法）正日益被用于获得具有目标DP分布和低单糖含量的XOS组分，以直接用于食品配方。酶解的一个关键优势在于所用酶的选择性，因此酶的选择是决定产物谱的关键因素。适当选择的木聚糖降解酶优先作用于木聚糖主链，可保留XOS分子上的侧链取代基。这一特性尤为重要，因为XOS的生物学功能及作用模式不仅受其DP影响，还取决于其取代模式，后者影响肠道中的微生物选择性和发酵行为。GH10和GH11家族木聚糖酶在底物特异性和切割模式上存在差异：GH10酶通常表现出更广泛的底物耐受性，能高效从取代木聚糖中生成短链XOS（如X2–X4）；而GH11酶可能更具特异性，在特定条件下产生较长寡聚物。工艺变量（尤其是pH、温度和反应时间）与酶家族相互作用，共同决定产量和DP分布；例如，部分研究报道在酸性条件下使用GH10酶可增强短链AXOS的生成。这些机制见解证明了使用定制化酶鸡尾酒（结合内切木聚糖酶与辅助ABF、乙酰木聚糖酯酶等）以最大化功能性XOS产量并限制不良木糖释放的合理性。与酸或碱水解法相比，酶法生产相对更经济、快速、可持续，无需特殊昂贵设备，且不会产生不良副产物。XOS生产的一些瓶颈包括需要低DP（X2至X6）和高纯度。此外，原料组成和木聚糖结构在不同原料间的异质性使工艺标准化复杂化。规模化生产需要平衡酶成本、反应时间和下游纯化费用，以使XOS在与其他益生元相比时具有经济竞争力。最后，将结构控制转化为可预测的体内功能，需要有针对性地设计人体试验，系统地将特定DP/取代谱与微生物及代谢终点联系起来。在此背景下，酶生物转化的最新进展集中在利用真菌内切木聚糖酶实现对半纤维素底物的受控解聚，优先积累低聚合度低聚糖，同时最小化单糖释放。研究表明，来自青霉属、曲霉属以及嗜热或重组真菌系统的酶在温和操作条件下对X2–X3组分表现出高选择性。这些生物催化剂允许对关键工艺变量（如酶载量、温度、pH和反应时间）进行精细控制，便于根据不同木质纤维素原料调整水解策略。此外，优化预处理方法与定制化酶系统的结合已成为克服生物质异质性同时保留木聚糖主链完整性的关键途径。尽管取得了这些进展，仍需进一步改进下游分级效率并降低规模化生产中的酶相关成本。重要的是，使生物工艺设计与功能结果保持一致仍是优先事项，这强化了对多学科策略的需求，以将XOS结构特征与菌群调节和宿主代谢反应联系起来。尽管近期研究普遍报道XOS产量和工艺效率有所提高，但不同实验系统间仍存在显著差异。例如，部分研究报道在优化条件下使用商业化内切木聚糖酶可获得高转化效率，而其他使用类似底物和酶的研究则产量低得多。这些差异可能源于生物质预处理强度、酶纯度、反应时间和底物可及性的不同。此外，原料间木质素含量和半纤维素结构的差异会显著影响水解性能，限制了研究间的直接可比性。因此，在缺乏标准化方案的情况下，应谨慎解读所报道的效率数据。

5 XOS作为益生元

XOS属于不可消化寡糖（nondigestible oligosaccharides, NDOs），在上胃肠道不被水解或吸收，这是其被归类为益生元的基础。凭借这些特性，XOS选择性刺激有益肠道微生物（尤其是双歧杆菌属和乳杆菌属物种）的生长和代谢活性。由于人类消化酶无法裂解XOS的β-1,4-糖苷键，这些寡糖完整到达下胃肠道，被常驻菌群发酵。在微生物发酵过程中，XOS转化为SCFA（如乙酸、丙酸和丁酸），有助于降低肠腔pH值、抑制病原微生物并维持肠道屏障完整性。这些微生物和代谢效应支持与XOS摄入相关的多种有益结局。XOS的功能特性由两个相互关联的结构特征决定：DP（在大多数功能性制剂中通常为木二糖X2至木六糖或木七糖X6–X7）以及侧链取代的模式和性质。DP和取代模式共同决定了微生物选择性、发酵动力学以及发酵过程中产生的SCFA类型。因此，当目标是生产具有可预测益生元活性的XOS时，能够控制DP并保留（或刻意修饰）取代基的生产方法至关重要。XOS具有多种生物学益处，目前已应用于食品、制药、健康和化妆品行业。对这些五碳糖的主要兴趣源于其益生元潜力，对人类健康产生积极影响。其中具有最强益生元能力的XOS是DP在2至6之间的种类。要被视为益生元，功能性成分必须满足一系列标准：在上胃肠道内源性酶作用下不可消化，对胃酸、消化酶水解和胃肠道吸收具有抗性；刺激对健康和福祉至关重要的特定细菌的生长和/或活性，从而为宿主带来健康益处；被特定肠道微生物群选择性发酵；由微生物或其酶合成，或来源于植物；与其他食品/饲料成分兼容。益生元促进肠道菌群调节，增加SCFA产生，降低多种疾病风险，如IBS、结肠癌、肥胖等。XOS与益生菌微生物之间的潜在相互作用及其对宿主健康的后续影响可总结为：XOS可选择性刺激有益细菌的生长和活性，促进SCFA和其他微生物代谢物的产生，这些产物有助于肠道屏障完整性、抑制病原体、免疫调节和代谢健康。XOS给药相关的代谢益处主要通过选择性调节肠道菌群及其下游代谢活动介导。由于其对宿主消化酶的抵抗性，XOS完整到达结肠，被糖酵解细菌（尤其是双歧杆菌属和其他产SCFA类群）优先利用。这些微生物类群的富集增强了乙酸、丙酸和丁酸的产生，这些酸作为连接微生物发酵与宿主生理的关键信号代谢物发挥作用。SCFA激活肠道上皮和免疫细胞上的G蛋白偶联受体（GPR41和GPR43），促进葡萄糖稳态改善、脂质代谢和抗炎反应，而丁酸还作为组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase, HDAC）抑制剂，有助于上皮完整性和免疫调节。尽管动物和人体研究普遍报道XOS补充剂具有积极效应，但不同实验模型和干预方案间仍存在显著不一致性。虽然多项研究证明肠道菌群组成、炎症状态和代谢标志物得到改善，但其他研究则报道对SCFA生成、葡萄糖稳态或脂质代谢的影响有限或可忽略不计。例如，部分人体试验显示剂量依赖性的双歧杆菌反应，但SCFA水平无显著变化；而动物研究经常报道在高脂饮食条件下显著的代谢益处。此外，高剂量下不良效应的证据（包括胰岛素抵抗和炎症标志物增加）凸显了XOS-宿主相互作用的非线性和情境依赖性。这些不同的结果表明，微生物背景、饮食组成、干预持续时间和XOS结构特征可能关键地调节生物学反应，从而限制了研究间的直接可比性。动物研究一致表明，XOS补充可降低循环甘油三酯和胆固醇，改善胰岛素敏感性，并在高脂饮食条件下减轻肝脏脂肪变性，这些效应与SCFA可用性增加和紧密连接蛋白表达恢复密切相关。重要的是，近期证据表明这些效应具有剂量依赖性，因为当微生物发酵超过宿主吸收和调节能力时，过量摄入XOS可能加剧炎症信号并损害葡萄糖调节。在人体中，较低的每日剂量（1.4–2.8 g/天）似乎足以诱导双歧杆菌效应，且无不良胃肠道或代谢结局，这凸显了剂量优化对转化应用的重要性。当前证据体的一个主要局限在于实验设计、剂量策略和分析方法存在显著异质性。许多研究使用DP和取代模式不同的XOS制剂，且这些特征往往表征不足。此外，剂量报告、干预周期和饮食控制的不一致性使剂量-反应关系的解释复杂化。频繁依赖小样本量、短期干预和简化动物模型进一步限制了研究结果向人类群体的外推。此外，发酵条件、菌群分析流程和统计验证程序报告不完整，损害了可重复性并限制了跨研究整合。因此，需要标准化方案和协调的报告框架，以增强未来研究的稳健性和转化相关性。评估XOS报道的功能效应时，还必须考虑潜在的实验和解释偏倚来源。大量现有证据来自体内动物模型，尽管这些模型在机制上提供了信息，但并未完全捕捉人类肠道菌群的复杂性和个体间变异性。在临床研究中，队列多样性有限、随访期短以及对混杂饮食和生活方式因素控制不足可能引入系统偏倚。此外，报道阳性结果的研究占主导地位，提示可能存在发表偏倚，阴性或不确定结果未被充分代表。选择性结果报告和数据可用性透明度有限进一步限制了独立验证。总体而言，这些偏倚可能高估XOS的疗效，并强调需要设计严谨、长期且样本量充足的临床试验。

6 益生菌

益生菌经典定义为当摄入足够数量时对宿主健康产生有益作用的活微生物，已从传统乳酸细菌扩展到包括具有增强功能和弹性的下一代益生菌（next-generation probiotics, NGPs）和孢子形成菌株。已确立的益生菌属（如乳杆菌属和双歧杆菌属）仍是临床和工业应用的核心，其作用机制包括竞争性排斥病原体、调节宿主免疫反应以及产生支持肠道稳态的SCFA等代谢物。除这些传统菌株外，凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）等孢子形成细菌因其 exceptional 的加工和胃肠道条件下的稳定性而备受关注，可抵抗热、干燥和胃酸等常损害非孢子益生菌活力的挑战。这种稳健性使凝结芽孢杆菌特别适合添加到需经热 intensive 处理的食品、饮料和补充剂中。近年来，NGPs的概念应运而生，涵盖具有超越传统物种的健康效应的微生物，通常分离自人类肠道菌群，具有独特的代谢能力。例如，嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila）是一种黏蛋白降解细菌，在临床前和早期临床研究中与改善代谢健康和减少炎症相关；普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）以通过产生丁酸发挥抗炎特性而闻名；某些罗斯氏菌属（Roseburia）和真杆菌属（Eubacterium）菌株则有助于丁酸池和肠道屏障完整性。这些NGPs正被积极研究用于代谢紊乱、炎症性肠病甚至神经免疫调节。前沿研究还探索了表达治疗性分子或增强天然代谢途径的工程益生菌菌株。例如，已开发出基因修饰的乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）菌株，用于在结肠炎模型中递送抗炎细胞因子；而共生大肠杆菌Nissle衍生物正被测试作为调节肠道代谢物产生的平台。根据联合国粮农组织（Food and Agriculture Organization, FAO）/世界卫生组织（World Health Organization, WHO）标准，具有益生菌潜力的微生物为保证其活力和功能性，必须满足以下标准：无遗传变异；在食品货架期内稳定且能抵抗货架期影响；耐受胃的酸性环境和胆汁盐；能够在肠道内增殖和存活；产生代谢物；调节免疫系统；属于美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration, FDA）公认安全（generally regarded as safe, GRAS）名单，且可能耐受抗生素。益生菌可从肠道和发酵食品中分离得到。根据美国FDA，它们可被视为GRAS；根据欧洲食品安全局（European Food Safety Authority, EFSA），则属于合格安全推定（qualified presumption of safety, QPS）名单。已知人类胃肠道定植着超过1000种微生物物种，构成一个被称为肠道或肠道菌群的复杂微生物群落。约10¹⁴个微生物组成这一生态系统，其中大部分属于厌氧细菌群。这种复杂生态系统的改变已被证实与多种疾病相关，如IBS（包括溃疡性结肠炎、克罗恩病）、2型糖尿病和肥胖。利用16S核糖体RNA分析的研究已鉴定出三个在有益个体中含量最丰富的菌门：厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和放线菌门（Actinobacteria），文献报道最多的具有此有益效应的属包括双歧杆菌属和乳杆菌属。这种肠道菌群因人而异，至少在物种水平上存在差异。肠道菌群的主要功能包括形成肠壁、抵抗病原体、产生维生素（主要是B族和K族维生素）、与免疫系统相互作用、改善营养素和不可消化化合物的可用性等。益生菌发挥全身效应的一个关键途径是通过发酵膳食底物并随后产生SCFA（如乙酸、丙酸和丁酸）。SCFA不仅是结肠细胞的关键能量来源，还作为信号分子发挥作用：它们与宿主细胞上的G蛋白偶联受体（如GPR41、GPR43）结合，调节免疫功能、增强上皮屏障完整性并减少炎症。益生菌可促进抗炎细胞因子产生，支持调节性T细胞群，并通过与树突状细胞和T淋巴细胞等免疫细胞相互作用维持免疫稳态。此外，某些菌株可产生神经活性化合物（如γ-氨基丁酸、血清素、多巴胺），这可能有助于肠-脑轴信号传导，影响情绪、压力和肠道动力。益生菌的作用机制是多因素的，包括通过占据结合位点和竞争营养物质竞争性排斥病原体；通过上调紧密连接蛋白和黏蛋白产生增强肠道屏障；以及调节先天和适应性免疫反应。它们抑制病原微生物生长的主要机制还包括：通过产生乳酸降低pH值；产生抗菌物质，如细菌素、过氧化氢和自由基类化合物；竞争食物资源（也称为微生物竞争性排斥）；刺激免疫球蛋白A（immunoglobulin A, IgA）产生；通过形成保护性黏蛋白（一种由上皮或结膜组织来源的黏液样物质，由糖蛋白和黏液蛋白组成的混合物）；以及通过免疫系统调节。尽管有大量文献支持益生菌的健康促进效应，但临床和临床前研究报道的结果仍存在显著异质性。虽然乳杆菌属和双歧杆菌属等传统属在肠道稳态和免疫调节方面始终表现出有益效应，但关于NGP和工程菌株的证据仍主要处于初步和情境依赖性阶段。许多报道的益处来自动物模型或小规模人体试验，限制了其普适性。此外，菌株特异性差异、可变的定植能力以及高度依赖宿主菌群组成，导致治疗反应不一致。因此，在不同人群、制剂和健康条件下外推研究结果仍具挑战性，强调需要大型、对照良好、多中心的临床研究。方法学局限性进一步制约了益生菌研究的解释和转化。菌株鉴定、剂量方案、制剂稳定性和结果评估缺乏标准化，损害了可重复性和跨研究比较。此外，许多研究依赖短期干预和替代生物标志物，可能无法充分反映长期健康效应。阳性发现占主导地位提示可能存在发表和赞助偏倚，尤其是在商业驱动的研究中。此外，GRAS和QPS等监管分类主要解决安全性而非有效性问题，可能在监管批准与临床验证获益之间存在差距。这些因素共同凸显了迫切需要协调的方法学框架、透明的报告实践以及严格的上市后评估，以确保基于益生菌的干预措施既具有科学稳健性又具有临床意义。

7 益生元XOS与益生菌微生物的共生相互作用

通过LCB半纤维素组分的受控酶解生成的XOS，作为选择性益生元发挥作用，其抵抗上胃肠道水解并完整到达结肠，主要通过被有益肠道微生物（尤其是双歧杆菌属和乳杆菌属物种）选择性利用而发挥益生元效应。这种选择性发酵刺激益生菌的生长和代谢活性，导致SCFA（如乙酸、丙酸和丁酸）产量增加。这些微生物代谢物通过增强肠道屏障完整性、调节免疫反应、抑制病原微生物以及促进全身代谢调节，在宿主健康中发挥核心作用。同时，益生菌直接与肠道上皮和免疫细胞相互作用，影响炎症信号通路并促进肠道菌群稳态。因此，XOS与益生菌之间的协同关系构成了合生元功能的基础，建立了可持续木质纤维素生物转化过程与肠道菌群调节及其对宿主健康的后续影响之间的机制联系。这种相互作用不仅优化了单一成分的功效，还通过改善益生菌在肠道环境中的存活和定植，以及通过XOS发酵产生的有益代谢物增强宿主反应，实现了协同健康效益。理解这种共生相互作用对于设计下一代功能性食品和合生元制剂至关重要，这些产品可精准靶向肠道菌群，以实现特定的健康结局，如改善代谢健康、缓解炎症或增强免疫防御。未来研究需要进一步阐明不同结构XOS与特定益生菌菌株之间的分子相互作用机制，以及如何通过工艺优化实现这种协同效应的最大化，从而推动基于LCB的XOS和合生元产品的工业化应用与临床转化。