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益生菌分布广泛，主要包括动物肠道正常生理性菌和非肠道菌。益生菌包含的菌属众多，其分类方式有很多种，既有按照来源、作用方式分类，还有按照作用条件进行分类。
已发现的益生菌大体上可分成下面几大类：乳酸菌、双歧杆菌和革兰氏阳性球菌，另外还有酵母菌等。其中双歧杆菌和乳酸菌是公认安全的益生菌，对机体健康没有致病性。健康人体肠道中乳酸菌和双歧杆菌的数量在肠道菌群中的比例均较高。目前，以双歧杆菌、乳酸菌和酵母菌的研究最多、应用最广。
乳酸菌（lactic acid bacteria, LAB）是一类能利用可发酵碳水化合物产生大量乳酸的细菌的通称。乳酸菌在发酵过程中可产生包括乳酸、乙酸、丁酸在内的多种有机酸。目前，在自然界已发现的乳酸菌在细菌分类学上划分为43个属，370多个种及亚种。乳酸菌为革兰氏阳性、无芽孢菌。绝大多数为厌氧或兼性厌氧的异养菌，生长繁殖于厌氧或微好氧、矿物质和有机营养物丰富的微酸性环境中。乳酸菌在自然界中分布很广，在植物体表、乳制品、肉制品、啤酒、葡萄酒、果汁、麦芽汁、发酵面团、污水以及人畜粪便中，均可分离到。中国传统的食品，如泡菜、榨菜、腌菜等的制作保藏及酿酒过程中都利用了乳酸菌的发酵作用。乳酸菌具有丰富的物种多样性，除极少数外，绝大部分都是动物体内必不可少且具有重要生理功能的菌群，在人体肠道内栖息的乳酸菌数量超过百万亿个。
乳酸菌对身体有重要作用，它们可提高人体免疫力，激活巨噬细胞，维持机体的局部抗感染能力，促进肠道有益菌的生长与繁殖。它们通过发酵乳糖产生大量的短链脂肪酸，降低肠道pH、氧化还原电势，还可产生对病原菌均有明显抑制作用的过氧化氢、抗菌肽与细菌素，有效地抑制外源致病菌和肠内固有腐败细菌的生长繁殖，更重要的是它们还能竞争性地占据病原菌在肠黏膜上的定植位点，从而降低病原菌在肠内容物中的数量。乳酸菌的凝集还可以形成阻止致病菌定植的屏障，可使致病菌更容易从肠道中排出，同时，产生抑菌物质的乳酸菌对于宿主抵抗致病菌感染起到重要作用。可以说，以乳酸菌为代表的益生菌是人体必不可少且具有重要生理功能的有益菌，它们在人体肠道中的定植丰度，直接影响到人的健康水平，对人的健康与长寿至关重要。
乳杆菌属于乳酸菌，包括嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、詹氏乳杆菌、拉曼乳杆菌等耐氧的乳杆菌，已报道的乳杆菌有56种，常用于肠道微生态制剂中的约有10种。乳杆菌属拉丁学名为：Lactobacillus Beijerinck，1901。乳杆菌具有遗传和生理多样性，在肠道的近端和末端，从胃、十二指肠、空肠、回肠、盲肠、结肠到直肠都有乳杆菌的存在。乳杆菌分解糖的能力强，但分解蛋白质类的能力极低；耐酸，最适pH为5.5～5.8，甚至更低；细胞通常为长杆状，兼性厌氧，有时微好氧，在有氧时生长差，降低氧压时生长较好；有的菌在刚分离时为厌氧菌。
乳杆菌的命名：以干酪乳杆菌为例，如副干酪乳杆菌33，拉丁名称Lactobacillus paracasei 33，简写LP-33，是一株对人体有特别帮助的益生菌，能耐胃酸、胆盐，且具优良的肠道驻留性。Lactobacillus为乳酸菌的属名
，paracasei为菌种名，尾字33是菌株名称，不同的菌株其细胞的结构成分就会不同，对人体健康所能发挥的功能也存在差异，所以在菌种的使用过程中要注意认清完整的菌株名称
。Lactobacillus acidophilus、Lactobacillus casei等均为常见的乳杆菌。全基因组分析显示，乳杆菌基因组编码有大量的磷酸转移酶系统及其他糖转运系统相关酶类的基因，其中有30个与摄取和利用碳源相关。乳杆菌已被广泛应用于生物技术和食品保存中，并且其应用正向疾病治疗方面迈进。
双歧杆菌属（Bifidobacterium）属于放线菌纲，为专性厌氧菌，革兰氏阳性菌，呈杆状，不形成芽孢，不运动。菌体形状各异，比较典型的有Y形、V形、曲状、勺状等形态。它的菌落光滑，边缘完整，乳白色，凸状圆形，光亮柔软质地。其最适生长温度为37～41℃，最适发酵温度35～40℃，最低生长温度25～28℃，最高生长温度43～45℃；最适pH 6.5～7.0，在pH 4.5～5.0以下及pH 8.0～8.5以上的环境中不能生长。双歧杆菌属是人类肠道菌群的重要组成部分，广泛存在于人和动物的消化道、阴道和口腔中。双歧杆菌还是人的空肠中发现的最为重要的细菌，空肠中检样里面含细菌菌落，其数量为0～10
4
CFU/g
，沿肠道延伸，其数量也随之增加，至结肠达到10
8
～10
11
CFU/g。
双歧杆菌属现有32个种。其中，动物双歧杆菌、假长双歧杆菌、嗜热酸性双歧杆菌均含有2个亚种，长双歧杆菌含3个亚种，能在人体肠道内定植并能用于制备保健食品的双歧杆菌主要有5种，一些双歧杆菌的菌株可以作为益生菌用在食品、医药和饲料方面。我国法规批准可用于食品的双歧杆菌包括青春双歧杆菌、动物双歧杆菌、两歧双歧杆菌、短双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、长双歧杆菌；可用于保健食品的双歧杆菌包括青春双歧杆菌、两歧双歧杆菌、短双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、长双歧杆菌；可用于婴幼儿食品的双歧杆菌包括动物双歧杆菌。
糖代谢中有双歧杆菌参与的异型乳酸发酵，其特点是利用葡萄糖产生乙酸和乳酸（摩尔比3∶2），不产生二氧化碳。
在肠道中的革兰氏阳性球菌属兼性厌氧球菌。作为益生菌的革兰氏阳性球菌指那些非致病性的链球菌、肠球菌和放线菌。研究较多的革兰氏阳性球菌如嗜热链球菌、粪肠球菌、乳球菌、乳酸肠球菌和中介链球菌等。粪肠球菌（Enterococcus faecalis）是人和动物肠道内主要菌群之一，能产生天然抗生素，有利于机体健康，同时能产生细菌素等抑菌物质，抑制沙门氏菌等病原菌的生长，改善肠道微环境；还能抑制肠道内产尿素酶细菌和腐败菌的繁殖，减少肠道尿素酶和内毒素的含量，使血液中氨和内毒素的含量下降。乳球菌属（Lactococcus）细胞呈球形或卵圆形，在液体培养基中成对或形成短链，兼性厌氧菌，不运动，无荚膜。乳球菌中乳酸乳球菌三个亚种的一些菌株在乳制品生产中占有重要的地位。它们的单一或混合培养物可产生不同类型的乳酪和发酵乳，发酵黄油和生产酪蛋白。乳酸乳球菌是发酵工业，特别是在发酵乳制品中常用的发酵剂之一。
一些酵母菌亦可归入益生菌的范畴。以保拉迪酵母为例，该菌常被制成散剂，这种酵母菌制剂对治疗儿童、成人急性感染或非特异性腹泻，预防和治疗抗生素诱发的结肠炎和腹泻，预防由管饲引起的腹泻和肠易激综合征有一定的疗效。
另外，人们对肠道益生菌的认识进一步深入，逐渐延伸至普拉梭菌属、普雷沃氏菌属、丁酸弧菌属等。其中的普拉梭菌是新近发现的一类可能的肠道益生菌，也是健康人群肠道中最丰富的微生物之一，约占肠道粪便细菌总数的5%～15%，在代谢中产生大量的丁酸盐等，具有抗炎效应，可明显改善肠道炎症，同时能通过调节单核细胞和肠道上皮细胞中细胞因子的表达提高肠黏膜屏障功能。研究人员已开发出新的益生菌资源，包括明串球菌属、丙酸杆菌属和芽孢杆菌属的部分菌种，以及部分酵母菌和霉菌等。
乳酸菌是发酵糖类、主要产物为乳酸的一类无芽孢、革兰氏阳性细菌的总称。《伯杰氏古菌与细菌系统学手册》（2015年）中将乳酸菌相关菌属划分为厚壁菌门（乳杆菌属、明串珠菌属、片球菌属、乳球菌属、链球菌属、肠球菌属、类乳杆菌属等）、放线菌门（双歧杆菌属、气斯氏菌属、异斯氏菌属等）和梭杆菌门（纤毛菌属、赛巴德罗氏菌属）三大类。其中乳杆菌属和双歧杆菌属是乳酸菌的重要菌属，被广泛应用于国内外相关产品中，常见的菌株有：嗜酸乳杆菌（L.acidophilus）、鼠李糖乳杆菌（L.rhamnosus）、干酪乳杆菌（L.casei）、德氏乳杆菌（L.delbrueckii）、植物乳杆菌（L.plantarum）、罗伊氏乳杆菌（L.reuteri）、副干酪乳杆菌（L.paracasei）、两歧双歧杆菌（B.bifidum）、动物双歧杆菌（B.animalis）、长双歧杆菌（B.longum）、婴儿双歧杆菌（B.infantis）和青春双歧杆菌（B.adolescentis）等。
基于自古以来的食用传统或长期的功能安全评价，一批非乳酸菌的微生物也被认为对宿主具有益生作用。目前被广泛认可的有保拉迪酵母菌、凝结芽孢杆菌、丁酸梭菌和大肠杆菌Nissle 1917等。保拉迪酵母菌属于酵母属、酿酒酵母亚种，是目前在益生菌中唯一受到普遍认可的酵母菌，它具有拮抗生物毒素、致病菌，改善肠道，缓解炎症，提高免疫力等生理功能，被用于治疗人类腹泻，还可作为改善单胃动物营养和健康的饲料添加剂。凝结芽孢杆菌属于厚壁菌门、杆菌纲、芽孢杆菌目、芽孢杆菌科、芽孢杆菌属，兼性厌氧，可进行乳酸发酵，在100℃下，10分钟存活率超过90%。从1985年开始产业化并被广泛应用于医药领域，2016年被卫生部列入《可用于食品的菌种名单》，用于治疗因肠道菌群失调引起的急慢性腹泻、慢性便秘、腹胀和消化不良等。丁酸梭菌（酪酸菌）属于厚壁菌门、梭菌属，革兰氏阳性菌，产内生孢子和丁酸，广泛存在于人和哺乳动物肠道内。1990年起它在日本、韩国等国家实现大规模产业化应用，2014年被欧盟批准为新食品原料，用于调节肠道菌群平衡、缓解便秘腹泻、提高免疫力和预防肿瘤。大肠杆菌Nissle 1917是1917年第一次世界大战时期，由志贺氏菌引起的痢病大爆发时，从未出现腹泻的士兵粪便中分离得到的。研究表明，该菌除与尿道感染存在潜在关系外，基本为非致病菌。目前，该菌已得到深入研究并成为应用广泛的益生菌，用于缓解溃疡性结肠炎、急慢性肠炎、传染性腹泻，调节肠道菌群和调节免疫等。非乳酸菌益生菌主要从特殊的宿主或环境中选育，其功能研究主要集中于肠道，但非乳酸菌益生菌所涉及的空间广阔，如从传统发酵食品——纳豆中分离出的纳豆芽孢杆菌，为枯草芽孢杆菌纳豆菌亚种，革兰氏阳性菌，好氧、产芽孢。研究表明该菌产纳豆激酶和维生素K 2 ，具有增强免疫、溶解血栓、调节血糖血脂的重要生理功能，是一种优良的非乳酸益生菌。
随着微生物培养技术的进步和测序技术的发展，一些肠道关键功能微生物受到人们的关注。2017年，有人正式提出了下一代益生菌（NGP）的概念，下一代益生菌应包括各类尚未得到开发的肠道非典型益生菌，以及基因改良微生物（GMMs），这些菌株最终可能会并入益生菌名单或转变为生物药物。目前研究发现的潜在下一代益生菌主要有艾克曼菌（AKK菌）和拟杆菌属的菌株，如与代谢和肠道疾病相关的Akkermansia municiphila、与癌症相关的Bacteroides xylanisolvens DSM 23694、与肠炎相关的Bacteroides ovatus V975，以及与心脏病相关的Bacteroides dorei D8等。下一代益生菌的开发需克服一系列技术难点，因为在下一代益生菌中还包含了很多不被大众所熟知的微生物，有些甚至被普遍认为是致病菌，它们的应用需经过严格的功能及安全评价，同时还需完善行业规范并破除消费者的固有认知，其开发面临着巨大的挑战。
益生菌按照来源和作用方式主要分为共生菌、原籍菌和真菌。共生菌源于人体肠道菌群之外，其“共生”特指可以与原籍菌共同生存以促进原籍菌生长的一类菌株。原籍菌主要为本身就存在于肠道菌群内的细菌，而真菌是一种以保拉迪酵母菌为主的菌群。
益生菌还可分为厌氧细菌和需氧细菌，大部分的益生菌为需氧菌，例如常见的枯草芽孢杆菌等，少部分为厌氧菌，如乳酸菌，甲烷杆菌等。