益生菌(probiotics)一詞係由希臘文” for life ”之意而來，最早由 Lilly and Stillwell (1965)提出，表示由某一原生動物所產生可促使另一原生動 物生長之物質，即稱為益生菌。Parker (1974)則認為凡是藉由改善腸道 微生物平衡而使宿主產生有效益處的補給物，不論菌體及物質均可稱 之，但因物質包含抗生素，故此說法並不被普遍接受。Fuller (1989)將其 重新定義為可經由改善宿主腸內菌相平衡，而對宿主有益之活菌補充 物。目前最為國際上所接受的定義為Huis in’t Veld and Havenaar (1991)
合菌株，藉由改善宿主內生性微生物相平衡，而有益於宿主的活菌均可 視為益生菌。Naidu et al. (1999)則認為 probiotics 應包括可改善宿主腸道 菌相平衡之活的微生物及其胞外代謝物，而Salminen et al. (1999)則定義 不論是活的或死的微生物，對宿主健康有益者皆可稱之益生菌。
3-2 益生菌應具備之條件
完善的益生菌應具備之特點包括，(1)為人類來源；(2)必須為一般公
認安全(generally recognized as safe, GRAS)菌株；(3)具良好的酸及膽鹽耐
受性；(4)於腸道中有良好的吸附性及定殖能力；(5)對宿主健康提供有益
功效，如優異競爭性、能有效排除並抑制病原菌生長、並增強免疫能力
及臨床證實具有健康功效；(6)具穩定性及良好加工特性；(7)顧客接受性
等(Saarela et al., 2002)。
3-3 益生菌之保健功效
益生菌對人體主要健康功效，如圖2.3 所示:
(1)維持正常腸道菌相
益生菌在腸道中具有平衡腸道菌叢的能力，益生菌能與病原菌在腸 道中競爭營養源、吸附位置，且其代謝過程可產生過氧化氫(hydrogen peroxide)、抑菌素(bacteriocin)、聯乙醯(diacetyl)、有機酸(如乳酸、醋酸、
圖 2.3、益生菌的健康功效
Fig. 2.3 Proposed health effects of probioitcs
(Saarela et al., 2002)
丙酸)等以抑制病原菌，達到平衡腸道菌叢的功效(Bearson et al., 1997;
Ziemer and Gibson, 1998; Steer et al., 2000)。已有許多臨床研究證實，服 用益生菌作為補充品，能夠有效預防腸胃疾病感染及提高腸胃功能(de Vrese and Schrezenmeir, 2002; Olivares et al., 2006; Yamano et al.,
2006)，另外也能將其運用於腸胃疾病之治療(Biller et al., 1995; Majamaa et al., 1995; Isolauri et al., 2002)。目前已證實可有效運用於嬰兒型腹瀉
(infantile diarrhea)、抗生素誘發型腹瀉(antibiotic-associate diarrhea)、旅 行者型腹瀉(travelers’ diarrhea)、C. difficle 引起之再發性結腸炎(relapsing C. difficle colitis)及由食物媒介型病原菌所引起的腹瀉(foodborne
pathogenic diarrhea)等(Fooks and Gibson, 2002)。另外益生菌對幽門螺旋 桿菌所引起的胃炎(Helicobacter pylori gastroenteritis) (Felley and Michetti, 2003)、大腸急躁症候群(irritable bowel syndrome, IBS)、發炎性腸道疾病 (inflammatory bowel disease, IBD) (Marteau et al., 2001)、念珠球菌陰道炎 (Candida vaginitis) (Reid, 2001)及泌尿道感染(urinary tract infections) (Reid and Bruce, 2006)等皆有不錯的預防效果。
(2)免疫調節作用
益生菌可活化腸道部分的巨噬細胞及淋巴細胞，使IgA 濃度增加，
並產生γ-干擾素(γ-interferon)，以刺激免疫系統來抑制腫瘤的形成 (Ziemer and Gibson, 1998; Steer et al., 2000)。近年來遺傳性過敏疾病有增
加之趨勢，使得免疫反應逐漸趨向Th2 免疫反應，Th2 因分泌 IL-4 (interleukin-4)、IL-5 及 IL-13 而吸引嗜伊性紅血球(eosinophils)、嗜鹼性 細胞(basophils)與肥大細胞(mast cell)移至發炎位置，這些細胞可單獨與 IgE 共同作用而引起過敏反應。另外，IL-4 和 IL-13 可促進 B 細胞進行 抗體的同種型轉換(isotype switch)，製造出 IgE 抗體，並增加血液循環 中IgE 的量(Schultz-Larsen and Hanifin, 1992)。在 T 細胞分化的早期，藉 由細胞激素的調控可抑制Th2 的免疫反應，IFN-γ (Interferon-γ)可減少 IL-4 的表現量，並抑制 B 細胞進行抗體的同種型轉換；IFN-α 可增加 IFN-γ 的產生，促進 Th1 的免疫反應，降低 IgE 的產生；而益生菌則可 增加IFN-α 與 IFN-γ 的表現量，誘發 Th1 的免疫反應，以減少過敏的反 應，如圖2.4 所示(Cross et al., 2001)。Majamaa and Isolauri (1997) 發現 對乳品過敏的成人食用 L. rhamnosus GG 後，能夠適當調節其對乳品中 抗原的免疫反應，並減緩此類乳品造成的過敏現象。
(3)代謝作用
1.抑制有毒物質或致癌代謝物之生成
人體腸道中約有四百多種微生物，這些腸道菌落具有不同的酵素代 謝活性，當腸道內類桿菌、產氣莢膜梭菌等病原菌群增加時會使腸道中 β-glucuronidase、nitroreductase、azoreductase、urease、及 glycocholic acid reductase 等酵素濃度增加而促進致癌物的生成，增加罹患結腸癌的機
圖 2.4、益生菌調節免疫反應之抗過敏機制
Fig. 2.4. Theoretical model for anti-allergy mechanisms for immunoregulating of probiotics
(Cross et al., 2001)
率，透過益生菌的作用能夠有效降低上述致癌酵素在糞便中的濃度，而 減少致癌的機會(Bodana and Rao, 1990; Ling et al., 1994; Spanhaak et al., 1998; Wollowski et al., 2001)。另外醣類經益生菌代謝後所產生的短鏈脂 肪酸，經結腸上皮細胞吸收後，可作為上皮細胞之能量來源，且短鏈脂 肪酸可降低腸道中之pH 值，因而降低結腸癌發生的機率(You et al., 2004)。近年來發現乳酸菌具有結合致突變物之能力，許多體外試驗證 實乳酸菌可吸附Trp-p-1、Trp-p-2、MeIQ、IQ、PhIP 等物質而降低其相 對突變性(Morotomi and Mutai, 1986; Zhang and Ohta, 1993)，其結合能力 與菌體濃度、致突變物濃度、pH 值及作用時間有關(Sreekumar and Hosono, 1998)。
2.降低膽固醇
研究證實，發酵乳品中存在的有機酸，如uric acid、orotic acid 及 hydroxymethylglutaric acid 會降低腸內 pH 值，當 pH 值小於 6 時，膽固 醇會與去結合型膽鹽(deconjugated bile salts)共同沉澱並隨糞便一起排 出，減少膽鹽藉由腸肝循環(enterohepatic circulation)之再利用，進而促 進血液與肝中膽固醇再行分解與製造膽鹽，使血液中膽固醇含量下降 (Klaver and Van Der Meer, 1993; Jin et al., 1998)。
3.緩和乳糖不耐症
乳糖不耐症(lactose intolerance)是指體內缺乏或僅有少量的乳糖酶
(lactase)，以致無法分解乳糖，未被吸收之乳糖進入大腸後會被微生物 所利用而產生乳酸、二氧化碳、氫氣及短鏈脂肪酸，進而造成腹痛、脹
氣、腹瀉等現象。益生菌所含之β-半乳糖苷酶可將乳製品之乳糖分解，
或維持β-半乳糖苷酶活性到達腸道發揮分解乳糖之特性，故可改善乳糖
不耐症(Salminen et al., 1998; de Vrese et al., 2001)。
3-4 乳酸菌作為益生菌之特性
(1)乳酸菌為正常腸內菌群
腸內菌群的組成包括有益菌及病原菌，腸內菌共分可分三大菌群(a) 游離菌群：此族群停留於體內時間很短；(b)與腸內物顆粒結合菌群：此 族群菌體含有酵素，藉由消化結合之顆粒，使宿主獲利；(c)與腸壁組織 結合菌群：此族群菌體可抑制外來微生物於腸內增殖之能力，其菌數會 因宿主發生疾病或攝取抗生素而降低，此類微生物主要為乳酸菌及酵母 菌(Fuller and Brooker, 1974)。
(2)能產生抗菌物質，抑制其他菌生長
Coconnier et al. (1997)指出部份乳酸菌能分泌抗菌物質，對革蘭氏陽 性菌或陰性菌皆有抑制效果，乳酸菌所產生之抑菌物質包括有機酸、過 氧化氫、聯乙醯、抑菌素、reuterin 等。
(3)耐胃酸及耐膽鹽能力
大部分微生物在酸性環境中均無耐受性，乳酸菌本身雖為產酸菌，
但其生長環境pH 值僅能達 3.2-4.5，因此在胃中之低 pH 值(2.0-3.2)是影 響其存活主要因素之一，Toit et al. (1998)即以不同低 pH 值之 MRS broth 篩選耐酸性乳酸菌株。Gilliland (1979)指出 Lactobacillus 對膽鹽之抵抗 力與其腸內定殖能力有關。
(4)具吸附上皮細胞的特性
微生物須具有附著於腸道上皮細胞能力方能於腸道中定殖，並發揮 其益生作用(Annika et al., 1983; Fuller, 1989)。許多生體外及生體內試驗 的結果可觀察到乳酸菌在腸道上皮細胞之吸附(Bernet et al., 1993;
Berent-Camard et al., 1997; Tuomola and Salminen, 1998; Liévin et al., 2000)。
(5)快速增殖
Savage (1983) 指出 Lactobacillus spp. 能分泌酵素，分解腸道黏膜 外層的黏液蛋白(mucous glycoproteins)，並利用其作為能量來源，進行 快速增殖而存活於腸道中。
3-5 益生菌之應用
益生菌應用於食品中可以一種或多種菌株混合使用，其中以
Lactobacillus 與 Bifidobacterium 二屬居多。益生菌大部分應用於乳製品 中，如優酪乳、乳酸菌飲料、乾酪、乳酪、冰淇淋等(Krasaekoopt et al., 2003)，另有使用在發酵豆奶、蔬果汁、糖果、糕餅上，其他亦有以錠
片、膠囊、顆粒狀包裝的乾燥菌體型態銷售物產品(Mattila-Sandholm et al., 2002)。此外也有非乳酸菌類之益生菌株如 Bacillus cereus (toyoi)
(Homma and Shinohara, 2004)、Propionibacterium (Holzapfel et al., 1998)
等，大多應用於生技製藥方面，以凍乾或微膠囊的方式製造生產。表 2.2
為已應用於益生菌產品之菌株。
3-6 嗜酸乳酸桿菌(Lactobacillus acidophilus)
嗜酸乳酸桿菌為非產孢革蘭氏陽性菌，不具運動性，屬兼性厭氧 菌，形態為兩端圓形之桿狀，常以單細胞、兩個成對或短鏈型態存在(如 圖2.5 所示)，於 15℃下不會生長，最適生長溫度為 35-38℃之間，可生 長於低pH 值及膽鹽環境中(Gupta et al., 1996)。此菌株具有多種有益人 體之功效，因此經常使用添加於膳食補充品中(Hekmat and McMahon, 1992; Prasad et al., 1998; Anderson and Gilliland, 1999; Ishida et al., 2005)。
3-7 比菲德雙歧桿菌(Bifidobacterium bifidum)
雙歧桿菌為腸道中正常菌屬(Holzapfel et al., 1998; Chung et al., 1999)，經常使用於益生菌產品中(Prasad et al., 1998; Acharya and Shah, 2002)，為不產孢、不具運動性之革蘭氏陽性菌，最適生長溫度 37-43℃
間。比菲德雙歧桿菌菌體型態呈多形性，為短桿狀、球桿狀、彎曲形或
是分叉為Y 字形或 V 字型外含有大小不等的出芽狀片段和具凹縫多分
表2.2、應用於益生菌產品之菌株
Table 2.2. Microorganisms applied in probiotic products
(Holzapfel et al., 1998)
Lactobacillus species
Bifidobacterium species
Other LAB Non-lactics
L. acidophilus B. adolescentis Ent. faecalis Bacillus cereus (toyoi) L. casei B. animalis Ent. faecium Escherichia coli (Nissle 1917) L. crispatus B. bifidum Lactoc. lactis Propionibacterium freudenreichii
L. gallinarum B. breve Leuc. mesenteroides Saccharomyces cerevisiae (boulardii)
L. gasseri B. infantis Ped. acidilactici
L. johnsonii B. lactis Sporolactobacillus inulinus L. paracasei B. longum Strep. thermophilus L. reuteri
L. rhamnosus
圖2.5、L. acidophilus 之掃描式電子顯微鏡圖(放大倍率 6500×) Fig. 2.5. Scanning electron micrograph of L. acidophilus (magnification
6500×)
隔桿狀(Laroia and Martin, 1990) (如圖 2.6 所示)。
3-8 副乾酪乳酸桿菌(Lactobacillus paracasei)
副乾酪乳酸桿菌存於發酵牛乳及動物產品中，為非產孢、不具運動
性之革蘭氏陽性菌，菌體外觀為細長桿菌，微嗜氧性(如圖 2.7 所示)。
以同型發酵方式將醣類、多醇類發酵為乳酸；以異型發酵方式產生醋 酸、酒精及二氧化碳，亦經常添用於益生菌產品中(Juntunen et al., 2001;
Peng and Hsu, 2005; Marzotto, et al., 2006)。
第四節 乳酸菌腸胃道耐受性研究