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克弗爾發酵乳Kefir(芯蕊康)營養分析、微生物組成與健康促進功能

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【摘要】:
营养研究综述?doi:10.1017/S0954422416000275克弗爾發酵乳Kefir(芯蕊康)營養分析、微生物組成與健康促進功能DamianaD.Rosa*,ManoelaM.S.Dias,?ukaszM.Grzes?kowiak,SandraA.Reis,LisianeL.Concei??o?andMariadoCarmoG.PeluzioDepartmentofNutritionan

营养研究综述 doi:10.1017/S0954422416000275

克弗爾發酵乳Kefir(芯蕊康)營養分析、微生物組成與健康促進功能

Damiana D. Rosa*, Manoela M. S. Dias, ?ukasz M. Grzes?kowiak, Sandra A. Reis, Lisiane L. Concei??o and Maria do Carmo G. Peluzio

Department of Nutrition and Health, Universidade Federal de Vi?osa, Minas Gerais, 36571-900, Brazil

摘要傳統克弗爾發酵乳源自於北高加索山區與西藏地區,是一種擁有數百年引用歷史的發酵乳種類。用於製作克弗爾的發酵菌元-克弗爾粒主要係由乳酸菌與酵母菌形成的共生菌性所組成。克弗爾發酵乳的營養成分受發酵的乳源成分、各地克弗爾粒微生物組成、發酵條件、與保存條件影響而有相當大的不同。近年來,克弗爾發酵乳對於促進人體健康的好處吸引相當多科學家的注目與研究。首先,克弗爾發酵乳除了將乳品中的乳糖部分乳酸外,更可以減少脹氣的問題,相當適合乳糖不耐症患者長期飲用;此外,許多文獻紛紛證明其抗菌、降膽固醇、降血壓、血糖控制、抑制炎症、抗氧化、抗癌、抗過敏等健康促進功能。然而,現有文獻多為利用細胞試驗或動物試驗來研究其功能性,且缺乏一致的結論,此外,目前仍缺乏大量系統性人體臨床加以驗證。本回顧性文章主要探討克弗爾發酵乳的營養成分分析與微生物分析,並且援引相關的動物試驗與臨床試驗,期待進一步對克弗爾發酵乳的健康促進功能有進一步的了解,進而喚醒世人對於克弗爾發酵乳在健康促進的角色。

关键词:克弗尔奶;益生菌;克弗尔发酵乳;健康益处

 

背景

    克弗爾發酵乳發源自北高加索山區、西藏、或蒙古等地,並向世界各地流傳,經過世代相傳至今已有數百年飲用歷史。Kefir在斯拉夫語中有『美好』、『健康』的意思,顯示其健康促進之潛力。與目前世界上各種發酵乳不同的是,製作真正克弗爾發酵乳所使用的發酵菌元必須為克弗爾粒,它是一種由乳酸菌、酵母菌、與醋酸菌共同組成的共生菌相,擁有較目前一般酸奶更加複雜且驚人的代謝產物,且帶來的功能也更加多元。在克弗爾發酵乳中可以發現除了有豐富乳酸與每毫升107以上的活菌之外,尚有活性胜肽、多醣體、天然抗生素、維生素、有機酸等多種產物,是一種相當好的益生菌飲品,自20世紀初即被蘇聯籍諾貝爾獎得主-梅契尼可夫博士指出可改善腸道菌叢並使人長壽。但是除了腸胃保健之外,科學界之所以對克弗爾的關注程度日趨熱情,係因該發酵乳尚有抗菌、降膽固醇、調節血糖、抗高血壓、抑制炎症、抗氧化、抗癌、抗過敏等,在一般酸奶產品未有的健康促進功能。除了克弗爾含有多元的益生菌組成之外,其豐富且多元的代謝產物更是克弗爾發酵乳多元功能的主因。因此,本文主要著重於克弗爾發酵乳的營養成分分析與微生物組成,希望提供世人一健康促進的特殊營養食品。

 

克弗爾粒

克弗爾粒是一種具有彈性與不規則外觀的顆粒,主要由多醣體與蛋白質組成,並含有維生素B、K、鈣、鎂、磷等微量元素。其中的多醣體又稱為克弗蘭( Kefiran) ,主要係由Lactobacillus kefiranofaciensLactobacillus Kefirin所產生,其成分主要由D-葡萄糖與D-半乳醣以1:1的比例組成,作為各種益生菌的生存環境。而克弗爾粒中不同的益生菌株在多醣體組成的外鞘也有不同的分布情形:在克弗爾粒外層,主要聚集的活菌是乳酸桿菌,而內層主要棲息著球狀的酵母菌。在保存上,克弗爾粒在4oC屬於活化狀態,但僅能保存8-10天,冷凍乾燥或風乾處理可延長保存期至12-18個月,若以冷凍保存於-20oC則可保存數年之久。

Production of ke?r

Ke?r can be produced from whole, semi-skimmed or skimmed pasteurised cow, goat, sheep, camel or buffalo milk(24). Ke?r from cows’ milk is the most common. The ke?r grains can be added to the fermentation substrate as a starter culture(24).

 Although there is an ideal relationship between the grains and the fermentation substrate (1:30 to 1:50 (w/v) in the case of animal milk), in practice, the measures are made empirically(1). Fermentation typically occurs at temperatures ranging from 8 to 25°C, in a partially closed container, at a variable time from 10 to 40h. However, the most common incubation time is 24h(25–27).

After fermentation, the grains are separated from the fermented milk by ?ltration using a sieve(2). When milk is used as a substrate, the ke?r is similar to yogurt. The higher the fat content in the milk, the thicker and creamier the ke?r(24). Ke?r grains may increase in size by up to 2% of the original to form a new biomass, which allows continuous production, since the grains can be further added to a fermentation substrate(1,16,17). Pure starter and lyophilised culture can be used, eliminating the step of recovering the ke?r grains. Ke?r can be consumed immediately after grain separation or can be refrigerated for later consumption. During the cooling step, alcoholic fermentation leads to the accumulation of CO2, ethanol and vitamin B complex(1,24). This maturation step reduces the lactose content, making the product desirable for consumption by individuals with lactose intolerance and diabetes(1).

 Nowadays, micro-organisms isolated from ke?r grains or starter cultures containing freeze-dried lactic acid bacteria (LAB) and ke?r yeasts are being used in ke?r production. However, the composition of the ?nal fermented milk presents a lower number and variety of micro-organisms than the fermented milk produced from ke?r grains(28).

克弗爾的營養組成

世界各地產製的克弗爾發酵乳在營養組成會因為克弗爾粒來源、組成、發酵方法、保存方法不同而有相當大的歧異。總體而言,克弗爾發酵乳成分由高至低分別為:水分(>90%)、糖分、脂肪、蛋白質、與些許酒精。蛋白質在發酵乳的酸性環境中會變得更容易分解,因此可形成多種必需胺基酸與功能性胜肽;超過三成的乳糖透過乳酸菌發酵,分解為葡萄糖與半乳糖,再大量轉化為具有促進腸道蠕動的左旋乳酸,因此克弗爾是相當適合有乳醣不耐症的民眾長期食用。脂肪則可進一步代謝產生多種有機酸,其種類由發酵用的乳源與克弗爾粒決定。此外,克弗爾發酵乳含有非常豐富的微量元素,如維生素A、C、E、K、與B群等等,並有鈣、鎂、磷、鐵、錳等多種礦物質,與市面上一般乳酸菌發酵乳相比,營養成分更加多元,是一種對於人體相當有益的發酵乳。

 

克弗爾的微生物組成

    克弗爾粒與克弗爾發酵乳均由乳酸菌、醋酸菌、酵母菌、以及少數食用發酵黴菌的共生菌相所組成,一般情況下各種菌株之間的比例相當穩定,但因其發酵操作非無菌環境,因此當克弗爾粒流傳至新的地區,則容易因當地菌種的加入而產生組合變化。經過數百年的使用與各地區之間的流傳,各地民眾使用的克弗爾粒已經有相當不同的微生物組成,也使得各地的克弗爾發酵乳有著本質上的不同。

    由於微生物組成是各地克弗爾發酵乳擁有不同營養組成與功能的主要原因,因此科學家首先嘗試分析各地克弗爾粒中微生物組成。除了傳統的微生物分析方法外,尚利用基因體分析、轉錄體學分析、蛋白質體學分析等等,試圖去了解這個珍貴的超級食物。其中,在基因體學分析方法中,以利用16sRNA序列分析是目前公認最有效率可解析微生物組成的方法。但目前各團隊所分析之克弗爾粒微生物組成差異相當大,各團隊揭露克弗爾粒所含益生菌株總計超過300種,表一羅列了主要的微生物菌株。根據Lopitz-Otsoa研究指出,克弗爾粒中高過65-80%的微生物為乳酸桿菌與乳酸球菌,其他主要為酵母菌,其各種菌株名稱請詳見原文。

 

克弗爾發酵乳應用

    在俄羅斯、美國、日本、中歐等地,克弗爾發酵乳是許多民眾日常飲品,用以對抗許多疾病。尤其在舊蘇聯時代,克弗爾發酵乳的飲用被認為可對抗多種現代文明疾病如高血壓、腸道健康、體重控制等。近年來,日本更進一步在發酵乳中額外添加多種水解酵素,期盼能透過代謝效率增加以提升其中健康促進成分,以用於體重控制跟對抗肥胖等用途。克弗爾發酵乳具有相當多元的健康促進功能,以下詳述克弗爾發酵乳的各種功能:

1. 乳糖不耐症:

    乳製品是一種對於人體健康有益的食物,但是許多東方人因為患有乳糖不耐症而卻步,克弗爾粒中的微生物在發酵過程可將超過三成的乳糖代謝轉化為乳酸,同時飲用克弗爾可減少57-71%的脹氣情形,使得有乳醣不耐症的消費者可以安心、長期飲用克弗爾發酵乳,補充益生菌與發酵乳中的健康促進成分,改善腸道菌叢與健康。

2. 抗菌:

    在上個世紀,蘇聯籍諾貝爾獎得主-梅契尼可夫博士首先提出長期食用克弗爾發酵乳或優格與長壽之關聯性,往後的科學家進一步發現乳酸菌會與體內致病菌競爭生存所需的營養源,並分泌足以殺死細菌的細菌素或抗生素。因此,許多報導紛紛指出克弗爾發酵乳在抑制細菌、真菌的應用,而乳酸菌的抗菌功能也紛紛應用在營養保健品、腸胃道保健品、對抗陰道感染的產品中。

    其中,科學家發現克弗爾發酵乳對於抑制格蘭氏陽性菌如:沙門氏桿菌、大腸桿菌、幽門螺旋桿菌、酵母白色念珠菌等特別有效,顯示克弗爾發酵乳在預防感染性疾病或抑制腫瘤惡化之功能。另有文獻指出,新鮮的克弗爾發酵乳具有對抗金黃色葡萄球菌與克魯微酵母菌的能力,但是乾燥後的發酵乳粉會喪失此抑菌能力。此外,其他文獻進一步指出不論是克弗爾粒與克弗爾發酵乳對於細菌與真菌均有抑制能力,尤其是糞鏈球菌(Strptococcus faecalis)與禾殼鐮刀俊(Fusarium graminearum)。有趣的是,7~10%的克弗爾發酵乳可以抑制黃麴霉菌的孢子形成,且克弗爾的有機酸可以將高毒性的黃麴毒素B1轉化為毒素較低的黃麴毒素B與B2a。由上述文獻結果可知,不論是克弗爾粒或克弗爾發酵乳均具有預防感染性疾病的潛力,未來需要更多活體試驗進一步證實。

3. 降膽固醇:

    目前由超過13個獨立的臨床試驗測試,收集485位高膽固醇或健康受試者分析的結果可知,攝取含有益生菌的食物可以降低循環系統中的總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇與三酸甘油脂含量,其作用機轉可能如下:

A. 在腸道中,益生菌透過吸附食物中的膽固醇減少身體對膽固醇的吸收。不同分析顯示,克弗爾發酵乳中的乳酸菌可以吸附33%28-65%不等的膽固醇。

B. 益生菌增加短鏈脂肪酸(如丙酸鹽)之生成,抑制HMG-CoA還原酶活性或抑制參與膽固醇合成的因子表現,減少膽固醇生成。此外,膽鹽可增加循環系統中膽固醇運輸回肝臟,減少循環系統中的膽固醇。

C. 膽鹽水解酶(BSH)促進膽酸的去共軛化,造成膽酸排出身體比例增加,減少腸道中膽固醇的吸收。BSH可以催化膽鹽上甘胺酸或牛磺酸的水解,以促進其排出。隨著膽鹽的排除量增加,除了可以減少腸道中膽固醇吸收外,更可避免膽鹽經肝門靜脈進入肝臟,減少肝臟中膽固醇的合成。因此,肝臟會增加對於低密度脂蛋白膽固醇的吸收,進而減少循環系統中的低密度脂蛋白。

    在活體試驗的證據中亦顯示,攝取克弗爾發酵乳可降低血中膽固醇含量。舉例而言,以高脂飼料餵養的倉鼠以冷凍乾燥的克弗爾進行處理,可以顯著降低三酸甘油脂含量與動脈硬化情形,其成效部分來自增加固醇類與膽酸的排泄。克弗爾發酵乳在降低血膽固醇的功能可能來自於益生菌或多醣體,部分文獻指出克弗爾發酵乳中的Lactobacillus plantarum MA2同樣具有降低血清中與肝臟中三酸甘油脂與膽固醇的功效。此外,餵食多醣體-克弗蘭同樣可以降低血清中的總膽固醇、低密度脂蛋白與三酸甘油脂,並在動脈硬化兔模式中發現可降低其動脈硬化、肝臟中膽固醇與脂質過氧化等。

    然而,目前在人體臨床試驗方面證實每天飲用500-600毫升的克弗爾發酵乳長達四週以上,仍無法改變循環系統中膽固醇與三酸甘油脂。此人體臨床試驗與動物試驗結果的差異可能係因各地克弗爾發酵乳營養組成迥異,未來仍須測試更多不同來源的克弗爾以釐清此疑問。

4. 血糖控制:

    目前已有不少文獻指出攝取益生菌有助於體內血糖調解,主要係因腸道菌叢改善後可進一步調節腸道滲透壓、抗氧化、抗炎症。同樣的,克弗爾發酵乳同樣被發現具有幫助調節血糖之潛力。舉例而言,利用STZ誘導大鼠產生的糖尿病模式,透過餵食克弗爾發酵乳可以降低過高的血糖,並起增加個體對葡萄糖耐受性。臨床試驗結果顯示,與攝取一般乳酸菌發酵的酸奶相比,每日攝取600毫升克弗爾發酵乳八周可降低空腹血糖值與糖化血色素。

5. 抗高血壓:

    發酵乳是一種被認為具有抗高血壓潛力的食品,並且有相當臨床試驗佐證,只是相關臨床試驗結果仍有待釐清。其中,克弗爾發酵乳中的活性胜肽與多醣體均被認為具有抑制血管收縮素轉化酶的活性(ACE抑制活性)。具有ACE抑制活性的胜肽被認為可以抑制血管收縮素I與bradykinin的產生,達到降血壓的效果。然而,目前仍缺乏人體臨床試驗來證實攝取克弗爾發酵乳對於降低人體血壓之潛在價值,此原因可能係因為傳統發酵乳中活性胜肽含量過低之緣故。

6. 免疫調節與抗炎症:

    身體中炎症發生與多種慢性病產生有相當大的關連性,而益生菌產品則被證實有調節免疫效果,進而抑制人體炎症。克弗爾中的活性胜肽可以活化巨噬細胞以增加吞噬作用並抑制Th2細胞誘導的免疫反應,並增加一氧化氮與細胞激素的產生,刺激腸道中B淋巴細胞分泌IgG與IgA等抗體,促進細胞調節免疫反應以對抗病原菌引起的感染。用卵白蛋白誘導的氣喘動物模式中,攝取克弗爾可以顯著抑制發炎細胞增加。此外,攝取克弗爾發酵乳可將介白素-4-3與IgE降回正常水平。因此,克弗爾具有預防氣喘發生的潛力。在其他文獻中,讓水腫/肉芽腫疾病模式大鼠定期攝取克弗爾發酵乳可以減少動物體內的炎症反應。克弗爾的免疫調節能力主要係透過其益生菌減少或恢復腸道滲透性,減少腸道上皮與抗原的接觸,進而抑制炎症反應的發生。上述文獻顯示攝取克弗爾可預防食物中的過敏原對於腸道黏膜造成的感染與誘發之炎症反應。

7. 抗氧化:

生物體內過量自由基是一種對身體有害的物質,其傷害程度主要由體內抗氧化機制(包含食物中抗氧化物質與具抗氧化活性酵素)是否可有效控制體內自由基含量而定。在四氯化碳誘發自由基產生的齧齒類動物模式分析中發現,攝取克弗爾發酵乳較維生素E含有更高的抗氧化活性。其他動物實驗文獻指出,利用鉛誘導的動物較未誘導動物中,餵食克弗爾發酵乳六周可增加穀胱甘肽過氧化酶並減少丙二醛,顯示食用克弗爾可協助身體因應增加的氧化壓力。其他文獻發現克弗爾發酵乳除了可以抑制亞油酸過氧化之外,更可以與自由基或超自由基結合以抑制其活性,減少自由基對於DNA的破壞。由上述結果可知,克弗爾發酵乳是一種擁有絕佳抗氧化活性的天然食物,可刺激抗氧化相關酵素之活性。

Anticarcinogenic activity of ke?r

The regular consumption of ke?r is able to positively modulate the composition of the intestinal microbiota and immune system of its host. Therefore, it is believed that this fermented milk may play an important role in the modulation of carcinogenesis. Hosono et al.(85) observed that all bacterial strains isolated from ke?r had a remarkable ability of binding to mutagens (>98·5%), which could be further eliminated with the faeces, protecting the colonocytes from damage. Also, Khoury et al.(86) showed the ability of ke?r to inhibit proliferation and induce apoptosis in HT 29 and Caco 2 colorectal cancer cells. Here, ke?r was able to induce cell cycle arrest at the G1 phase, decrease mRNA expression of transforming growth factor-α (TGF-α) and transforming growth factor-β1 (TGF-β1) in HT 29 cells, and to up-regulate protein expression of Bax:Bcl-2 ratio and p53-independent-p2, indicating its pro-apoptotic effect in vitro. Therefore, the regular consumption of ke?r can decrease the risk for colon cancer development; however, more studies are needed to understand the mechanisms of action involved in this process. Also, in a murine breast cancer model, de Moreno de Leblanc et al.(87) showed that the antitumour effect of ke?r was related to the immune response in mammary gland of mice. Additionally, oral administration of milk and soya milk ke?r in mice inoculated with sarcoma 180 ascites tumour resulted in inhibition of 64·8 and 70·9% of tumour growth, respectively, compared with administration of unfermented milk. Furthermore, ke?r was able to induce cell lysis by apoptosis and increase levels of IgA in the intestinal mucosa of animals after 30 d of consumption. These data suggest that ke?r is a promising probiotic in cancer prevention(57). The reduction in cancer risk can also be attributed to the presence of some polysaccharides and bioactive compounds, such as speci?c proteins and peptides, present in ke?r. In this way, water-soluble polysaccharides of ke?r grains showed a protective effect against pulmonary metastasis, whereas the water-insoluble polysaccharide fraction inhibited melanoma metastasis in mice(2). Additionally, the bioactive compounds of ke?r can prevent cancer initiation or suppress the initiated tumour growth by hindering certain enzymes, avoiding the conversion of procarcinogens to carcinogens(36). The antimutagenic activities of milk, yogurt and ke?r were compared using the Ames test. Ke?r showed a signi?cant reduction in the mutagenicity induced by methyl methanesulfonate, sodium azide, and a?atoxin B1, while yogurt and milk reduced mutagenicity to a lesser degree. In ke?r, higher levels of conjugated linoleic acid isomers and butyric, palmitic, palmitoleic and oleic acids were found in relation to milk and yogurt, factors that may have contributed to the reported outcomes(88). Moreover, ke?r has shown protective effects against radiation-induced gastrointestinal damage in mice. Diluted ke?r solutions were able to protect the crypts from radiation and promote crypt regeneration(89). Matsuu et al.(90) also veri?ed that ke?r protected colonic crypt cells against radiation-induced apoptosis and reduced active caspase-3 expression. Thus, the use of ke?r may be an alternative to help cancer patients who undergo radiotherapy. The possible anticancer effect of milk ke?r can be considered systemic, since its regular consumption has a potential in cancer prevention to in?uence both the gastrointestinal tract and other organs, such as breasts and lungs. This bene?cial effect can be a result of the improvement of gut microbiota and immune system associated with the increased consumption of bioactive compounds produced by the ke?r microbiota.

 

Healing action of ke?r

Recent studies have explored the bene?cial effects of probiotics far beyond the intestine. Some of these novel bene?ts include healthier skin, improvement of eczema, atopic dermatitis and burns, healing of scars, and rejuvenation(91). Rodrigues et al.(9) tested the scar ability of a 70% ke?r and ke?ran gel in skin wounds infected with Staphylococcus aureus from Wistar rats. The treatment with ke?r and ke?ran for 7 d showed a protective effect on connective tissue, greatly improving tissue healing compared with treatment with 5mg/kg neomycin–clostebol emulsion. The healing properties of ke?r were tested in an animal model with experimental burn and contamination with Pseudomonas aeruginosa. Ke?r grains and gels prepared with ke?r culture after 24, 48 and 96h of incubation were evaluated. After 2 weeks of treatment, the wound area and the percentage of in?ammation were reduced in animals treated with ke?r grains and gel compared with those treated with silver sulfadiazine cream, used for the topical treatment of burns of second and third degrees. In addition, the percentage of epithelialisation and healing in animals treated with ke?r was also improved. The authors concluded that treatment with ke?r gel was effective in improving outcomes from a severe burn compared with conventional treatment(92). The ability of ke?r to heal wounds can result from its antimicrobial and anti-in?ammatory activities, which may act synergistically contributing to the healing(92). Thus, the bene?cial health effects provided by ke?r go far beyond the gastrointestinal tract, contributing to wound healing.

 

結論:

    克弗爾發酵乳是一種含有多種益生菌與其代謝產物的組合物,擁有絕佳的潛力可被開發為各種功能性食品。目前全球益生菌是營養食品產業中成長幅度最大的類別,各國廠商對於益生菌產品的投入相當熱烈,而克弗爾發酵乳擁有非常多元的益生菌組成,是一種可以做為長期益生菌補充的健康促進食品。它擁有多元的生理調節活性,但是許多功能仍有待科學團隊進一步分析其作用機轉,並以人體臨床加以佐證。目前在許多文章中,克弗爾發酵乳在不同功能的分析均無法得到一致的結果,主要原因有三。首先,由本文針對過去文獻探討不同團隊使用克弗爾發酵乳的營養組成與微生物組成可知,不同來源、製備方法會造成各團隊使用的克弗爾發酵乳有著本質上的差異。因此,未來在研究克弗爾的實驗設計中,製備方法的標準化是相當重要的一環。其次,克弗爾粒的微生物組成也會因為培養條件而改變,因此各團隊的製備流程標準化除了可以使實驗用發酵乳組成均一外,更可避免克弗爾粒產生微生物組成變化,最終導致發酵乳的營養組成與活性成分發生變化。再其次,不論是克弗爾發酵乳成分的詳細研究或是活體試驗仍然相當缺稀,尤其,各團隊在規劃人體臨床試驗時多考量到投入成本,使得臨床試驗樣本數偏低與食用期間過短,且克弗爾功能多元而使得各團隊研究目標分散,迄今難以在單一功能取得明確結論。

    因此,未來必須將實驗流程、原料製備進一步規格化。立足於均一的發酵乳組成才能方便實驗進行,進一步瞭解克弗爾發酵乳在調控體內氧化壓力、免疫調節、抗炎症、調整腸道菌叢、進而減緩慢性病產生等多種功能的作用機轉,為世人帶來更好的健康促進產品。