蔓越莓中的植物化合物及其抑菌機(jī)理研究進(jìn)展

劉小涵 王遠(yuǎn)亮

(1. 廣東穩(wěn)邦生物科技有限公司，廣東 肇慶 526060；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410125)

蔓越莓(Vaciniummacrocarpon)，又稱蔓越橘，是杜鵑花科越橘屬植物。其生長(zhǎng)在北半球溫帶至寒帶酸性的沼澤地和沙地土壤中，目前主要在美國(guó)東部和東北部以及加拿大大部分地區(qū)種植[1]。蔓越莓為長(zhǎng)2～5 cm 的卵圓形漿果，紅皮下的果肉由白色到深紅色，口感重酸微甜[2]。蔓越莓是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、纖維素、有機(jī)酸和多酚的寶貴資源，具有維持人體消化健康和抗氧化等多種功能，因而深受消費(fèi)者青睞。

蔓越莓中可以提取出大量具有生物活性的植物化合物，已經(jīng)證實(shí)其對(duì)人體健康有多種功效。這些提取物具有的抗氧化性質(zhì)使其具有抗腫瘤、預(yù)防心血管疾病、延緩衰老等功能[3]。研究還發(fā)現(xiàn)蔓越莓的生物活性成分具有抗菌能力。蔓越莓可以通過阻止細(xì)菌對(duì)泌尿系統(tǒng)的感染，能有效預(yù)防尿道感染(UTI)[4]，且市面上已經(jīng)能找到一些主要成分為蔓越莓提取物的用來預(yù)防尿道感染的保健產(chǎn)品。由幽門螺桿菌引起的消化性潰瘍相關(guān)問題嚴(yán)重影響了人體胃部的健康，而蔓越莓的提取物被驗(yàn)證可以抑制幽門螺桿菌[5]。研究人員[6]還發(fā)現(xiàn)蔓越莓提取物能抑制變形鏈球菌產(chǎn)生酸、附著和生物膜形成，在減少口腔疾病(包括齲齒和牙周炎)方面的潛在益處。此外，國(guó)外有研究[7]表明蔓越莓的生物活性物質(zhì)對(duì)食源性致病菌具有抑制作用，包括大腸桿菌O157:H7、單增李斯特菌在內(nèi)的數(shù)種革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌。說明蔓越莓產(chǎn)物具有作為天然抗菌物質(zhì)以及能提高人體健康的功能性食品的潛力。文章擬就近年來國(guó)內(nèi)外有關(guān)蔓越莓的植物化合物成分及其抑菌作用機(jī)制研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為蔓越莓產(chǎn)業(yè)縱深發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 蔓越莓中的植物化合物

植物化學(xué)物質(zhì)是指植物中天然存在的化學(xué)化合物，被定義為由植物產(chǎn)生的非營(yíng)養(yǎng)性、天然存在、具有生物活性和化學(xué)來源的化合物[8]。根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)和特征，植物化學(xué)物質(zhì)可被分為6類，包括碳水化合物、脂質(zhì)、萜類、酚酸、生物堿和其他含氮代謝產(chǎn)物[9]。蔓越莓由于其高含量的天然營(yíng)養(yǎng)素和植物化學(xué)物質(zhì)而被稱為“超級(jí)水果”。與大多數(shù)水果一樣，蔓越莓具有高水分、低熱量、高纖維、多維生素以及多礦物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)特性[3]。除此之外，蔓越莓還富含許多生物活性化合物，包括多酚類物質(zhì)、有機(jī)酸、萜烯和復(fù)雜的碳水化合物[10]。

蔓越莓含有的有機(jī)酸和多酚化合物是使其擁有抗菌功能從而對(duì)人體健康有益的主要成分。蔓越莓汁中的主要非揮發(fā)性有機(jī)酸有奎尼酸、檸檬酸、蘋果酸和草酸，它們使蔓越莓在眾多水果中有著極低的pH，約2.5[11-12]。水果中的有機(jī)酸大多數(shù)具有羧基(—COOH)，這是其呈酸性的原因。除了提供酸度外，水果的味道、顏色和香氣都與有機(jī)酸有關(guān)，而它帶來的低pH值，也是可以抑制大部分致病菌的生長(zhǎng)。在試驗(yàn)性尿路感染的小鼠模型中，蔓越莓汁中的有機(jī)酸被發(fā)現(xiàn)可以通過聯(lián)合使用來降低膀胱中的細(xì)菌水平從而實(shí)現(xiàn)預(yù)防尿道感染[13]。

蔓越莓中大量被發(fā)現(xiàn)并研究其生物活性價(jià)值的一類植物化合物為多酚類物質(zhì)，它是賦予蔓越莓抗氧化、抗菌、抗黏附以及抗炎等功能的主要物質(zhì)，基本結(jié)構(gòu)為帶有羥基(—OH)的芳香環(huán)。蔓越莓被發(fā)現(xiàn)是多酚類化合物獨(dú)特而豐富的來源，其總酚含量在美國(guó)飲食中通常食用的20種水果中最高[14]，所含的主要多酚物質(zhì)有花青素、單寧(鞣花單寧和原花青素)、大量的類黃酮(黃酮醇和黃烷-3-醇)[15]。

因具有很強(qiáng)的抗氧化活性，花青素可能是蔓越莓中化學(xué)成分中被研究報(bào)道最多的一種。而花青素同時(shí)也是蔓越莓呈現(xiàn)紅色的主要原因，更有研究發(fā)現(xiàn)它是讓蔓越莓具有抗菌活性的主要物質(zhì)之一[16]。

整個(gè)蔓越莓中的黃酮醇大部分是槲皮素、楊梅素和山奈酚的糖基化形式，而高含量的黃酮醇或黃烷-3-醇也是原花青素聚合物的單體[15]。原花青素是蔓越莓中的主要多酚類化合物，約占酚類總含量的63%～71%[17]，而且蔓越莓中的原花青素被大量研究發(fā)現(xiàn)具有抗氧化、抗微生物、抗粘連和抗炎作用。如圖1[18]所示，通常聚合成原花青素的黃烷-3-醇單體間的連接方式為B型，即通過在“上位”單體與“下位”單體之間僅通過一個(gè)C—C鍵連接在一起；但已知還有另一種連接方式(A型)發(fā)生在縮合單寧中，即黃烷-3-醇“上位”單體與“下位”單體之間除了一個(gè)C—C鍵外還具有額外的醚鍵。與B型原花青素相比，A型原花青素在自然界中非常少見，而蔓越莓比起其他水果獨(dú)特地含有豐富的A型原花青素，且UPLC-IM-HRMS的結(jié)果表示A型原花青素主導(dǎo)了蔓越莓的原花青素[19-20]。目前的研究[19]發(fā)現(xiàn)A型原花青素是抑制尿路致病性大腸桿菌生長(zhǎng)的主要生物活性物質(zhì)。

2 蔓越莓的抗菌作用及其機(jī)理

2.1 抗尿路致病性大腸桿菌及其機(jī)理

尿道感染(UTI)是人類最常見的細(xì)菌感染所致疾病之一，70%～90%的尿道感染是由尿路致病性大腸桿菌引起的[21]。蔓越莓被廣泛推薦食用以預(yù)防尿道感染，并據(jù)稱可減輕這些感染的癥狀。

圖1 A型原花青素和B型原花青素連接方式的區(qū)別[18]

尿路致病性大腸桿菌含有幾種作用于感染發(fā)作的毒力因子，包括P菌毛、1型菌毛和溶血素，其中大部分的腎臟細(xì)菌感染和尿道細(xì)菌感染都與P纖維化大腸桿菌相關(guān)[22-23]。P菌毛結(jié)構(gòu)末端具有的papG黏附素會(huì)與尿道上皮細(xì)胞的受體結(jié)合從而引發(fā)炎癥，而蔓越莓中的植物化合物，尤其是A型原花青素低聚物，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為良好的抗黏附化合物。Liu等[24]通過熱力學(xué)方法發(fā)現(xiàn)蔓越莓汁破壞了P纖維化大腸桿菌與尿路上皮細(xì)胞受體形成配體—受體鍵的能力，并且壓縮了P菌毛的長(zhǎng)度，從而降低了它對(duì)尿路上皮細(xì)胞的黏附性。Mathison等[25]用電子顯微鏡也驗(yàn)證了這一結(jié)論，他們發(fā)現(xiàn)通過蔓越莓的原花青素提取物的處理，大腸桿菌的菌毛對(duì)尿路上皮細(xì)胞的黏附顯著減少。除了原花青素，其他低分子量的酚和酚酸(如兒茶酚、苯甲酸、香草酸、苯乙酸和3,4-二羥基苯乙酸)也被報(bào)道對(duì)尿路致病性大腸桿菌有體外抗黏附作用[21]。

目前大部分研究[23-25]的結(jié)果都表明蔓越莓汁以及蔓越莓的提取物是依靠降低尿路致病性大腸桿菌的黏附性從而預(yù)防尿道感染，但也有研究[4]表示通過抑制炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)，即抑制細(xì)菌入侵的免疫反應(yīng)來減少與尿道感染相關(guān)的癥狀。

有一項(xiàng)使用尿路感染小鼠模型的研究[13]發(fā)現(xiàn)，飲用新鮮蔓越莓汁的小鼠的膀胱中細(xì)菌數(shù)量減少，證明了食用酸果蔓汁及其有機(jī)酸的組合具有抗菌作用。蔓越莓中富含的奎寧酸可以被代謝為馬尿酸，后者是一種強(qiáng)力的抗菌劑[26]。另外，由于pH值的變化，酚類代謝很容易受到有機(jī)酸的影響，所以蔓越莓中的多酚和有機(jī)酸可協(xié)同應(yīng)用于預(yù)防尿道感染。

2.2 抗幽門螺桿菌及其機(jī)理

幽門螺桿菌感染是導(dǎo)致消化性潰瘍、胃炎和胃癌等相關(guān)疾病的罪魁禍?zhǔn)譡27]。幽門螺桿菌是一種革蘭氏陰性螺旋形細(xì)菌，它可以在人類的胃和十二指腸中生存和增殖。通過釋放一種稱為“脲酶”的酶，可以將尿素轉(zhuǎn)化為氨，然后氨抵消了胃酸，從而使幽門螺桿菌能免受胃酸的侵害在胃部存活[28]。

Li等[5]通過隨機(jī)、雙盲、安慰劑對(duì)照的方法在幽門螺桿菌陽性的成年人身上的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，每天食用富含原花青素的蔓越莓汁可有助于增強(qiáng)對(duì)幽門螺桿菌的抑制作用。蔓越莓對(duì)幽門螺桿菌的抑制作用包括以下幾個(gè)機(jī)制：蔓越莓的植物化合物可以抑制幽門螺桿菌黏附于胃[29]；多酚類化合物具有的抗氧化活性能減緩幽門螺桿菌引起的胃炎癥狀[30]；Matsushima等[30]通過掃描電子顯微鏡進(jìn)行了形態(tài)學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)蔓越莓可以通過誘導(dǎo)幽門螺桿菌變成球狀以抑制其生長(zhǎng)。此外，多酚還可通過促進(jìn)有益腸道細(xì)菌的生長(zhǎng)、增殖或存活，使其發(fā)揮益生元作用，從而抑制病原細(xì)菌如幽門螺桿菌的增殖[31]。

2.3 抗口腔細(xì)菌及其機(jī)理

蔓越莓中的生物活性物質(zhì)成分在近些年引起了牙科研究人員越來越多的關(guān)注，并發(fā)現(xiàn)蔓越莓汁成分在減少口腔疾病中存在潛在益處。牙菌斑是一種由細(xì)菌、細(xì)胞、蛋白質(zhì)和酶組成的口腔生物膜，是齲齒、牙齦炎和牙周炎等口腔疾病的主要致病因子[32]。其中，變形鏈球菌和鏈球菌等細(xì)菌經(jīng)常和齲齒有關(guān)，它們能附著在口腔生物薄膜上，并在表面擴(kuò)散，形成微菌落[6]。

一項(xiàng)使用蔓越莓提取物補(bǔ)充漱口水的臨床試驗(yàn)[33]發(fā)現(xiàn)，使用該漱口水對(duì)鏈球菌的抑制效果與目前含有葡萄糖酸氯己定的黃金標(biāo)準(zhǔn)漱口水無明顯差異。蔓越莓中的原花青素A型二聚體和寡聚體可以通過破壞變形鏈球菌的產(chǎn)酸性、對(duì)酸的耐受能力以及代謝功能，從而減少了生物膜的形成，進(jìn)而抑制齲齒的發(fā)育。Sanchez等[34]還發(fā)現(xiàn)蔓越莓的多酚物質(zhì)對(duì)能形成生物膜中的牙周病原體具有一定程度的抑制作用，并且可以通過抑制細(xì)菌的黏附力來抑制生物膜的形成。由于蔓越莓汁具有對(duì)口腔細(xì)菌的抗黏附劑和抗生物膜形成的特性，它被建議可以用來改善人體的口腔健康。

2.4 抗食源性致病菌及其機(jī)理

食源性疾病是一種威脅人類健康的主要疾病，其致病因素非常廣泛，大部分是由細(xì)菌或細(xì)菌產(chǎn)生的毒素引起的?；颊叩陌Y狀包括腹瀉、嘔吐、發(fā)燒、胃腸炎，嚴(yán)重者會(huì)引起膿毒血癥、脫水，甚至死亡[35]。近年來，國(guó)內(nèi)外由微生物污染引起的食品安全事故層出不窮，這不僅嚴(yán)重危害了人類的健康，還會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

研究[36]發(fā)現(xiàn)蔓越莓中的低pH值和其生物活性酚類物質(zhì)都對(duì)細(xì)菌有抑制作用。蔓越莓中的有機(jī)酸，尤其是奎尼酸、蘋果酸和檸檬酸，會(huì)產(chǎn)生滲透壓從而對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜成分造成亞致死性損害。Lacombe等[16]發(fā)現(xiàn)蔓越莓的酚類化合物，包括花青素、黃酮醇和原花青素，可以通過破壞細(xì)菌細(xì)胞壁、細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)基質(zhì)的結(jié)構(gòu)完整性從而達(dá)到殺菌效果。而且原花青素可以結(jié)合細(xì)菌膜脂多糖，弱化細(xì)菌外膜，改變膜通透性和流動(dòng)性，從而誘導(dǎo)細(xì)胞裂解。

另一方面，益生菌作為對(duì)人體健康有益的細(xì)菌，往往是希望在飲食中不被破壞，甚至是會(huì)被作為一種補(bǔ)充物添加到日常飲食中。國(guó)外的研究[37]指出蔓越莓中的多酚類物質(zhì)對(duì)常見的食源性致病菌具有顯著的抗菌作用，但同時(shí)幾乎不影響益生菌如乳酸桿菌和雙歧桿菌的存活。這是由于益生菌在極端環(huán)境中存在幾種防御策略，包括質(zhì)子離子載體誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激機(jī)制、及時(shí)清除有毒的氧、以及依靠其能量傳導(dǎo)系統(tǒng)擁有更高的膜流動(dòng)性等。更有研究[38]指出蔓越莓中的原花青素和益生菌之間在細(xì)胞培養(yǎng)模型中對(duì)減少腸外病原性大腸桿菌的侵襲存在潛在協(xié)同作用。

3 結(jié)論

保護(hù)食物和人體免受病原體的侵害是非常有必要的，現(xiàn)階段人們往往采用添加抗菌化合物的辦法于食品中以提高品質(zhì)并延長(zhǎng)保質(zhì)期，以及在人體中使用抗生素的辦法來對(duì)抗微生物的侵害。然而，隨著社會(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)與食品安全的關(guān)注度越來越高，天然和安全的食品更受消費(fèi)者的青睞，并且人工抗生素和防腐劑的不當(dāng)和過度使用可能會(huì)導(dǎo)致抗菌素的殘留，從而引起抗菌素耐藥菌的出現(xiàn)。所以，尋找擁有抗菌活性的天然物質(zhì)是非常有意義的。目前的研究表明蔓越莓及其產(chǎn)物有潛力作為一種對(duì)人體尿道、胃部、口腔和腸道健康有益的功能型食品，其植物化合物可以用在抗菌藥物和天然防腐劑中，這需要今后更多的研究驗(yàn)證。