《食品科學》：揚州大學黃玉軍教授等：基于主成分分析和熵權TOPSIS篩選預防“三高”潛力的功能性乳酸菌

高血糖、高血脂、高血壓（三高）是導致心血管疾病的重要誘因，已成為全球性公共健康問題。“三高”的產生與體內多種酶的功能活性密切相關。其中α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶是血糖代謝的重要調節酶，α-葡萄糖苷酶能水解葡萄糖苷鍵，釋放葡萄糖，而α-淀粉酶可以促進淀粉糖苷鍵水解。研究表明，抑制α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶活性可以延緩碳水化合物的消化和葡萄糖吸收，是預防高血糖的重要策略。由胰腺分泌的胰脂肪酶（PL）是參與膳食脂肪消化的主要酶類，靶向抑制PL能減少食物中脂質的消化吸收并減少脂肪組織的脂滴積累，已成為預防高血脂的有效途徑。血管緊張素轉換酶（ACE）能催化無活性血管緊張素I轉化為血管緊張素II，使緩激肽失活，進而升高血壓，因此抑制ACE活性是預防高血壓的重要策略。除相關功能酶的作用外，氧化應激也是“三高”的重要誘因。氧化應激產生大量活性氧，導致脂質、蛋白質和DNA的氧化損傷，進而導致胰島素抵抗、β細胞功能障礙，最終破壞血糖和血脂穩態，加速高血壓和糖尿病的進展。

合理預防和控制“三高”是改善人類健康和緩解公共衛生醫療壓力的重要措施，傳統上對“三高”的防治策略主要依靠藥物作用，如卡格列凈、達格列凈、利拉魯肽等，但這些藥物普遍存在難以克服的副作用，如高鉀血癥、腎功能惡化、酮癥酸中毒風險等。因此尋找一種安全可靠的食療策略降低“三高”風險十分必要。乳酸菌作為一類功能性益生菌，攝入后會對宿主的身體健康產生積極影響。近年來乳酸菌的降血糖、降血脂、降血壓、抗氧化、抗炎等多種功能活性被廣泛報道，使其在預防“三高”疾病方面展現出巨大潛力。

主成分分析（PCA）和熵權TOPSIS是兩種常用的數據評價方法。例如，Aktepe等采用PCA篩選出16 株具有良好發酵活性的乳酸菌，用于后續發酵劑相關研究；Liu Chuling等采用熵權TOPSIS方法從傳統紅曲產品中篩選出具有降“三高”綜合能力的紅曲霉菌株。熵權TOPSIS假設指標相互獨立，評價過程易出現重復加權，受極端值影響較大，但其優勢在于能保留原始數據全部信息。相比之下，PCA可以降低數據維度，簡化數據結構，提高分析效率，但PCA假設數據是線性可分的，對于非線性關系的數據處理效果欠佳，且權重確定較為抽象。因此為提高評價結果的穩定性與可靠性，可引入熵權TOPSIS，并利用Spearman和Bland-Altman檢驗兩種評價方法，進一步提高數據評價的準確性與客觀性。

揚州大學食品科學與工程學院的楊小龍、黃玉軍*、王凱等研究聚焦“三高”健康問題，利用熵權TOPSIS聯合PCA法篩選安全、高效、具有抗“三高”潛力的乳酸菌，以期為具有預防“三高”功效發酵制品的開發提供菌種資源，也為“三高”疾病的防治提供新的食療策略。

1 具有耐酸耐膽鹽特性的乳酸菌篩選

乳酸菌菌株的耐酸性在很大程度上決定了該菌株承受胃液消化進入腸道發揮益生作用的能力。胃液的pH值會隨飲食時間變化，進食前，人體的胃液pH值可低至1.5，而進食后pH值高達6以上，但通常情況下pH值在2.5～3.5之間，食物在胃中消化的時間一般為2～4 h。人腸道膽鹽水平一般在0.03%～0.3%之間，菌株對膽鹽的耐受性是衡量乳酸菌能否在腸道中發揮作用的重要指標。因此，選擇耐酸性和膽鹽耐受性評價作為菌株的初篩指標。

如表1所示，76 株乳酸菌的耐酸性在20.16%～82.63%之間，膽鹽耐受性在26.61%～115.71%之間，這與Li Kexin等報告的研究結果相似。根據76 株乳酸菌的耐受性結果，從pH 2.0和膽鹽0.3%中取前35%的菌株，共得到20 株具有良好酸和膽鹽耐受性的菌株，進行后續酶活抑制能力及抗氧化活性實驗。

2 菌株的抗“三高”能力評價

2.1 α-淀粉酶抑制能力

如圖1A所示，20 株乳酸菌對α-淀粉酶的抑制能力在1.88%～66.64%之間，其中7 株乳酸菌的α-淀粉酶抑制率高于30%。L.Pc 02和L.P 06的α-淀粉酶抑制率分別為66.64%和59.02%，高于其余18 株乳酸菌。Xu Yazhou等報道了43 株乳酸菌的α-淀粉酶抑制率，其中29 株抑制率大于30%，最高為60%，這與本研究結果一致。

2.2 α-葡萄糖苷酶抑制能力

如圖1B所示，20 株乳酸菌對α-葡萄糖苷酶的抑制率在19.65%～95.33%之間，菌株L.C 01、L.H 02、L.P 06具有最高的α-葡萄糖苷酶抑制率。Reuben等發現各種乳酸菌菌株表現出8.44%～94.41%的α-葡萄糖苷酶抑制率，Wang Hongyu等發現10 株乳酸菌的葡萄糖苷酶抑制率在29.04%～85.16%之間，Xu Yazhou等報道的16 株乳酸菌的α-葡萄糖苷酶抑制率為30%～60%，Basharat等報道的3 株乳酸菌α-葡萄糖苷酶抑制率最高，為59.45%，這些研究與本研究的實驗結果基本一致。

2.3 PL抑制能力

如圖1C所示，20 株乳酸菌對PL的抑制率在66.57%～89.84%之間，其中L.P 06的PL抑制率為77.71%，處于中間水平；L.F 01和grx08的PL抑制率分別為89.84%和88.07%，高于其余乳酸菌。Ban等報告了5 株乳酸菌的PL抑制能力，其中4 株乳酸桿菌的抑制率在84.3%～88.6%之間，而乳酸乳球菌的PL抑制率僅有19.1%，這些與本研究實驗結果基本一致。本研究中多數乳酸菌具有80%以上的PL抑制率，表明乳酸菌具有調血脂、抗肥胖的潛力。

2.4 ACE抑制能力

包括grx08在內的20 株乳酸菌ACE抑制率如圖1D所示，在61.84%～89.86%之間，L.P 06最高，為89.86%，高于grx08的76.65%和其余乳酸菌。Chen Yongfu等發現59 株乳酸菌中，32 株乳酸菌的ACE抑制能力超過60%，10 株乳酸菌的ACE抑制率超過70%，Abiad等發現30 株乳酸菌中有7 株ACE抑制率大于70%，這些研究表明高ACE抑制能力的乳酸菌具有降血壓、保護心臟等潛力。

2.5 菌株抗氧化能力

本研究對20 株乳酸菌的CFS和IC的抗氧化能力進行了測定，如圖2所示。乳酸菌CFS對DPPH自由基的清除率在27.62%～91.03%之間，CFS對羥自由基的清除率在39.92%～92.94%之間，且CFS的T-AOC為1.88～8.75 mmol/L（以FeSO4當量表示），其中L.P 06的CFS對DPPH自由基清除率為83.77%，羥自由基清除率為83.02%，T-AOC為7.159 mmol/L；乳酸菌IC對DPPH自由基的清除率在2.14%～38.74%之間，對羥自由基的清除率在11.62%～48.57%之間。L.P 06的IC具有最高的T-AOC，L.Pc 02的IC則具有最高的DPPH自由基清除能力和羥自由基清除能力，相對其余乳酸菌而言，L.P 06和L.Pc 02整體表現出與作為對照的實驗室專利菌grx08相當的抗氧化能力，這說明乳酸菌L.P 06和L.Pc 02具有緩解氧化應激的潛力。此外，L.F 16和L.P 10的CFS都表現出較高的DPPH自由基清除能力和T-AOC，這可能與一些特定的代謝產物有關。Ragul等發現乳酸菌IC對DPPH自由基的清除率在4.20%～32.83%之間，IC對羥自由基的清除率在2.89%～46.37%之間，這與本實驗測定的結果基本一致。

3 熵權TOPSIS聯合PCA綜合分析

3.1 PCA評分

PCA能防止降維計算中指標高度相關性導致的信息重疊和覆蓋、減少變量數量和計算時間、提高計算效率、確保了數據信息的相對完整。如圖3所示，PCA共得到4 個特征值大于1的PC，共占總變異系數的84.95%（其中PC1占比38.21%，PC2占比20.83%，PC3占比15.36%，PC4占比10.55%）。PCA能全面直觀地評估每個菌株的功能潛力，通過觀察菌株本身和相關指標向量間的關系，判斷菌株的優勢指標和劣勢指標，結果表明，L.P 06在降血糖和降血壓方面表現出較高潛力，L.Pc 02在降血糖方面表現出較高潛力，grx08在降血脂方面具有較高潛力。基于每個PC的得分及相關方差貢獻權重，進行PC綜合評分，結果見表2，每種菌株的總得分均已列出。Li Kexin等的PCA結果共提取4 個PC，占總變異系數93.27%，從5 株乳酸菌中確定了3 株乳酸菌的抗肥胖潛力，Lin Jiaxin等采用PCA法從16 株乳酸菌中選擇5 株具有潛在抗高尿酸血癥的新型乳酸菌，本研究在此基礎上擴大了菌株篩選范圍的同時，并僅將功能潛力相關的指標列入數據分析范圍，這有助于篩選特定功能活性的益生菌。

3.2 熵權TOPSIS評分

熵權TOPSIS是一種混合多標準決策分析方法，它集成了熵權法和基于理想解相似性的優先排序法，最大程度上減少指標權重的主觀性，使評價結果更客觀。熵權法計算所得各指標權重見圖4，α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶權重之和為31.28%，PL抑制能力權重占比9.14%，ACE抑制能力權重占比5.35%。

通過熵權TOPSIS法得出各指標相應的權重和正負理想解（表3）。菌株越接近正理想解，其在多個標準上的表現越好，該值離負理想解越遠，它與備選方案在多個標準上的最差性能越遠。通過比較各菌株的評價標準值和兩種理想解之間距離，對菌株的相對優缺點進行評估，可用于菌株多維功能篩選中明確每個菌株的具體價值，篩選出最優菌株，即L.P 06和L.Pc 02（表2）。Liu Chuling等利用熵權TOPSIS法從9 株紅曲霉菌株中得到一株降血糖、降血脂、降血壓綜合得分最高的菌株。

3.3 熵權TOPSIS聯合PCA相互驗證

PCA側重于揭示不同功能指標間的內在聯系和貢獻權重，而熵權TOPSIS法則側重于對菌株進行綜合性能的絕對排序。聯用熵權TOPSIS和PCA可以提高評價結果的客觀準確性和公正性。兩種評價結果如表2所示。

根據熵權TOPSIS和PCA對20 株乳酸菌的評分結果，植物乳植桿菌L.P 06和副干酪乳酪桿菌L.Pc 02的PC得分為1.126、0.783，熵權TOPSIS評分為0.796和0.790，L.P 06和L.Pc 02由于自身突出的抗“三高”潛力而在兩種評價結果中均表現出巨大優勢，表明它們在降血糖、調血脂、控血壓方面具有進一步開發應用的潛力。本研究利用Spearman檢驗和Bland-Altman對熵權TOPSIS和PCA的評價結果進行相關性檢驗和一致性評價，能有效減輕主觀判斷和數據本身特征對最終篩選結果的影響，增強了評估體系的科學和客觀完整性。

對比兩種評價方法的排名結果，經Spearman檢驗，兩種方法排序相關系數為0.893，排名順序高度正相關，表明PCA和熵權TOPSIS對該組數據的分析具有高度穩定性和代表性。Bland-Altman圖是一種用于評估兩種方法或結果一致性的數據可視化方法，圖5中每個點代表了一個菌株的平均排名和位差，橫軸為菌株兩種評價方法的平均排名，縱軸為菌株兩種評價結果的差值，一致性限度上限和一致性限度下限定義了差值的95%一致性區間。Bland-Altman圖顯示95%的菌株排名位差在±5位以內，離群菌株僅有grx08，進一步分析發現，grx08主要優勢集中在PL抑制率方面，主要劣勢在降血糖方面，同時由于熵權TOPSIS法降血糖能力的信息熵明顯小于降血壓和降血脂，這是導致方法間位差達6位的主要原因。相較于grx08，L.P 06因其突出的降血糖、降血壓能力和良好的降血脂能力，L.Pc 02因其突出的降血糖能力，兩株乳酸菌從所有菌株中脫穎而出，體現出極好的抗“三高”功能潛力。在L.P 06、L.Pc 02和grx08之外，L.H 02和L.Pc 06在各方面沒有突出效果但各指標均保持在平均水準之上，因此位列在專利菌grx08之后。綜上，通過比較兩種評價方法的結果與內在聯系，可對表現出一定優勢的乳酸菌進一步分析其功能潛力，結合專業背景知識以提高篩選方法的精準性和客觀性。

4 益生菌特性評價

4.1 模擬胃腸液的轉運耐受性

通過模擬胃腸液轉運進一步評估菌株L.P 06和L.Pc 02經過胃腸道消化進入人體發揮益生作用的能力。如表4所示，兩株乳酸菌經過模擬胃腸液轉運后的存活率仍超過80%，具有良好耐受胃腸液的能力。

4.2 菌株自聚集能力和疏水性

在烴-水兩相分離過程中，菌株會經歷疏水分配，可以根據水相中菌株細胞數量的變化表征細胞表面的疏水性。菌株自聚集一般是指同一菌株結合形成細胞簇的現象，有助于生物膜的形成和宿主腸道的定植，并阻止病原菌株的黏附和侵襲。3 株乳酸菌對乙酸乙酯的疏水性在25.31%～55.91%之間，菌株的自聚集能力在10.36%～17.00%之間，這與Wang Hongyu等報道的乳酸菌疏水性（7.11%～56.63%）和自聚集能力（4.38%～12.23%）結果一致。

5 菌株的抗生素敏感性和溶血性分析

具有抗生素耐藥性的乳酸菌可能會將相關的抗生素耐藥基因轉移到其他腸道細菌?？股孛舾行院腿苎栽诤艽蟪潭壬洗砹巳樗峋陌踩?，是乳酸菌應用于食品藥品行業的前提。

乳酸菌對7 種常見抗生素的敏感性結果如表5所示，質控菌株金黃色葡萄球菌25923對抗生素的抑菌圈直徑均在質控范圍內，表明實驗所使用的培養基和藥物是有效的。L.P 06和L.Pc 02都對青霉素、氨芐西林和氯霉素敏感，對諾氟沙星耐藥。Hummel等研究發現，發酵乳制品及相關發酵食品來源的乳酸菌通常不存在對青霉素、氨芐青霉素、紅霉素和氯霉素的耐藥性，對這些抗生素耐藥的菌株大多數存在于肉制品來源的菌株中；Wei Benling等的研究發現3 株乳酸菌對青霉素和氯霉素敏感，對紅霉素存在中介敏感，對諾氟沙星耐藥，與本實驗結果基本一致。溶血是指藥物制劑誘導的溶血和紅細胞裂解等反應。如圖6所示，與金黃色葡萄球菌相比，兩株菌都沒有出現溶血圈。

6 結 論

本研究首先從76 株乳酸菌中，根據耐酸耐膽鹽特性分析篩選出20 株候選菌株（含實驗室專利菌grx08），隨后從α-淀粉酶抑制能力、α-葡萄糖苷酶抑制能力、PL酶抑制能力、ACE抑制能力和抗氧化活性等抗“三高”相關功能進行系統評價，利用PCA聯合熵權TOPSIS相互驗證，綜合分析，最終篩選出兩株具有突出抗“三高”潛力的乳酸菌——植物乳植桿菌L.P 06和副干酪乳酪桿菌L.Pc 02。進一步研究表明，這兩株菌在胃腸液耐受性、疏水性、自聚集能力和溶血性等方面均表現良好，可以作為抗三高功能性食品的候選菌株。本研究通過驗證PCA和熵權TOPSIS兩種數學評價方法的結果，深入分析了主要優勢菌株的功能特性和應用潛力，最終篩選出兩株具有抗“三高”潛力的乳酸菌，為評價方法學應用于篩選不同功能類型的乳酸菌提供了科學參考，也為進一步驗證乳酸菌的體內功效提供研究基礎。

作者簡介

1

第一作者

楊小龍 碩士研究生

楊小龍，碩士研究生，就讀于揚州大學食品科學與工程學院，2023級食品工程專業，主要研究方向為食品微生物。

2

通信作者

黃玉軍 教授

揚州大學食品科學與工程學院副院長，碩士生導師，研究方向為乳品科學，乳酸菌資源開發利用及功能食品開發，主持國家自然科學基金、國家863計劃等科研項目。獲授權專利15 項，研發成果涉及乳酸菌發酵乳制備技術，研究成果獲江蘇省科技進步二等獎等榮譽。

引文格式：

楊小龍, 黃玉軍, 王凱, 等. 基于主成分分析和熵權TOPSIS篩選預防“三高”潛力的功能性乳酸菌[J]. 食品科學, 2026, 47(7): 119-129. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250928-228.

YANG Xiaolong, HUANG Yujun, WANG Kai, et al. Screening of Lactobacilli strains for their potential for preventing hyperglycemia, hyperlipidemia, and hypertension based on principal component analysis and entropy-weighted TOPSIS[J]. Food Science, 2026, 47(7): 119-129. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250928-228.

實習編輯：劉芯；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網

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