益生菌在降低食品有毒污染物中對人體的作用

談麗蓉,古麗加馬力·艾薩,迪麗拜爾·吐爾遜,靳奧飛,楊灼南,張瑞

(新疆特殊環(huán)境物種保護(hù)與調(diào)控生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室,新疆師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊,830054)

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)顯示,超過200種疾病是通過食物傳播的,絕大多數(shù)人會在某個(gè)時(shí)間感染食源性疾病。所以食品安全是全球消費(fèi)者和衛(wèi)生機(jī)構(gòu)[歐洲食品安全局(European Food Safety Authority,EFSA)、食品和藥物管理局(Food and Drug Administration,FDA)、世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)等]最關(guān)注的問題之一[1]。與其他疾病發(fā)病率相比,食源性疾病的發(fā)病率在所有疾病發(fā)病率中居第二位[2]。而食品污染可以來自不同的處理過程,如從原材料到食品加工、包裝、運(yùn)輸、貯存最后到消費(fèi)者攝入,每一步處理都會產(chǎn)生可能影響消費(fèi)者健康的有害污染物,如最常見的幾種致癌物:丙烯酰胺、多環(huán)芳烴、真菌毒素和生物胺等[3-4]?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn),大多數(shù)致癌物的形成主要取決于所采用的熱處理?xiàng)l件,且到目前為止工業(yè)或家庭中大約80%～90%的食品是通過熱處理加工,如高溫、腌制、烘焙、油炸、燒烤等對食品中有毒物質(zhì)生成產(chǎn)生顯著影響[3-4]。相比物理和化學(xué)方法去除污染物,使用微生物或酶對污染物進(jìn)行生物降解是一種安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的替代方法,降低有害物質(zhì)水平的同時(shí),可保持食品安全和質(zhì)量。有研究發(fā)現(xiàn),益生菌的去污活性與發(fā)酵、抗菌和微生物細(xì)胞壁與污染物結(jié)合的能力有關(guān)[5]。目前,對于益生菌降低食品中有毒有害污染物的綜述較少。因此,探索益生菌去除食源性污染物的作用及機(jī)理將有利于保障食品質(zhì)量與安全以及對人類身體健康有積極作用,也為新的益生菌菌種資源降低食源性污染物提供理論和基礎(chǔ)。

1 益生菌在食品中的應(yīng)用

益生菌由不同的物種代表,包括細(xì)菌、酵母和霉菌,作為一類具有活性且對人類健康有益的微生物統(tǒng)稱。由于對功能性食品日益增長的需求,刺激了益生菌加入到牛奶、水果、蔬菜、奶酪和肉制品的基質(zhì)中,使它們保持其生存能力和功能,創(chuàng)造出令人愉快的風(fēng)味且延長食品保質(zhì)期,并對人類健康產(chǎn)生積極影響,如免疫調(diào)節(jié)、降低血清膽固醇、抗誘變和抗致癌作用、緩解乳糖不耐癥癥狀、強(qiáng)化防御機(jī)制、改善腸道屏障功能、提高營養(yǎng)價(jià)值等[6-7]。研究表明,一些益生菌能夠提高食物成分的生物利用度(如異黃酮、類黃酮和酚酸),同時(shí)減少不需要的化合物的含量[6]。

乳酸菌(lactic acid bacteria, LAB)作為益生菌的代表,是乳制品(如牛奶、奶酪、開菲爾)、魚、肉和蔬菜中發(fā)現(xiàn)的非發(fā)酵劑菌群的重要組成部分,也被應(yīng)用于乳制品(如酸奶、奶酪)、發(fā)酵肉類、發(fā)酵蔬菜和發(fā)酵魚制品中作為發(fā)酵劑或保護(hù)菌[8]。在食品工業(yè)中應(yīng)用的乳酸菌包括:肉桿菌屬、腸球菌屬、乳酸菌屬(乳制品、肉類、蔬菜、谷物)、乳球菌屬(乳制品)、明串珠菌屬(蔬菜、乳制品)、酒球菌屬(葡萄酒)、片球菌屬(蔬菜、肉類)、鏈球菌屬(乳制品)、和魏斯氏菌屬;通過研究證明對健康有益處的乳酸菌有:乳桿菌、雙歧桿菌、鏈球菌、乳球菌、芽孢桿菌、鏈球菌、小球菌、腸球菌、擬桿菌、阿克曼氏菌和丙酸桿菌等[9]。

除了上述細(xì)菌外,益生菌中還包括許多真菌,如曲霉屬、青霉菌屬、地霉屬、膠質(zhì)瘤屬、毛霉屬、根霉屬以及酵母菌屬、念珠菌屬、克魯維酵母菌屬、接合酵母菌屬、畢赤酵母屬、多拉孢子菌屬在食品(牛奶、谷物和肉類)發(fā)酵中也被用作發(fā)酵劑,還可提高發(fā)酵食品的口感、質(zhì)地、香氣、保質(zhì)期和營養(yǎng)價(jià)值[10]。釀酒酵母是使用最廣泛的酵母種類,其中一些菌株及其產(chǎn)品被用于烘焙、酒精發(fā)酵,或作為人類和動物的營養(yǎng)補(bǔ)充劑[11]。除了通過在食品中添加益生菌起發(fā)酵和提高食品品質(zhì)作用外,益生菌也可利用各種機(jī)制(如使用活的菌株或產(chǎn)生特定酶)去除食品中產(chǎn)生的有毒有害污染物,而菌株細(xì)胞壁的吸附特性也可作為微生物去除食品中有毒物質(zhì)的另一機(jī)制,能夠降低有毒物質(zhì)對人類身體健康風(fēng)險(xiǎn)[12]。

2 益生菌降低食物中有毒污染物的作用及機(jī)理

2.1 丙烯酰胺

2.1.1 丙烯酰胺概述

丙烯酰胺(acrylamide, AA),又稱2-丙烯酰胺,是一種不飽和酰胺,室溫下為無色或白色結(jié)晶固體,沸點(diǎn)為125 ℃,熔點(diǎn)為84.5 ℃,密度為1.27 g/mL,高度溶于水(2 155 g/L 30 ℃)和極性溶劑(如丙酮、甲醇、乙醇),但不溶于非極性溶劑(如四氯化碳)[13-14]。當(dāng)?shù)矸垲愂称吩诤繕O低且溫度高于120 ℃時(shí),由氨基酸的一個(gè)氨基和還原糖的一個(gè)羰基結(jié)合反應(yīng)生成,被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(International Arctic Research Center,IARC)列為“可能對人類致癌”的化合物[15]。在動物試驗(yàn)中被證明具有多種毒性,如神經(jīng)毒性、遺傳毒性、致癌性、生殖毒性、肝毒性和免疫毒性?？赏ㄟ^抑制人神經(jīng)母細(xì)胞瘤和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的細(xì)胞分化而破壞神經(jīng)系統(tǒng)[15-17]。人類可以通過口腔、皮膚和吸入途徑接觸到丙烯酰胺,攝入后極易被吸收,主要分布于胸腺、心臟、大腦、肝臟、腎臟等不同器官,并對人體產(chǎn)生毒害作用[18-19]。

2.1.2 食物中的AA

在食物中發(fā)現(xiàn)AA之前,它是一種工業(yè)化合物,主要應(yīng)用于許多工業(yè)產(chǎn)品制作過程中,如塑料、膠水、紙張、香煙煙霧成分的生產(chǎn),以及飲用水和廢水(包括污水)的處理[13,18]。WHO和EFSA一致認(rèn)為,薯片、咖啡、面包、蛋糕和餅干等飲食攝入是一般非吸煙人群接觸AA的主要來源[14,20]。如圖1所示,AA形成的兩條主要途徑有通過美拉德反應(yīng),由天冬酰胺與還原糖進(jìn)一步反應(yīng)產(chǎn)生,也可以通過脂肪食品中的丙烯醛進(jìn)一步反應(yīng)產(chǎn)生[13,21]。因此,除食物本身特性外,高溫和低水分條件,如烘焙制品(面包、脆餅、蛋糕、面糊、早餐谷物、餅干、餡餅等)、油炸食品和咖啡是AA的一些主要來源[13-14,17]。淀粉類食物在加熱過程中主要涉及兩種成分,即還原糖和天冬酰胺。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在土豆產(chǎn)品中AA含量與還原糖含量成正相關(guān),因此,還原糖可作為土豆產(chǎn)品中AA生成的限制性因素[22]。此外,食物的顏色越深(如烤焦的吐司或薯?xiàng)l),表明AA含量就越高。例如,過度油炸的薯?xiàng)l中AA最高含量為12 mg/kg[13,23]。綜上所述,游離天冬酰胺、游離還原糖、食物表面的高溫(>120 ℃)和低水分條件是加工食品中AA形成的關(guān)鍵因素[13,21-22]。

a-美拉德反應(yīng);b-丙烯醛過程圖1 丙烯酰胺的形成過程[21]Fig.1 The formation of acrylamide[21]

2.1.3 益生菌降低AA的作用及機(jī)理

現(xiàn)有許多方法用來降低食品中的AA水平,包括利用含游離天冬酰胺、游離還原糖等低水平的原材料,控制工藝條件(pH,溫度,時(shí)間)或后處理方法,如蒸發(fā)和聚合[24]。但部分方法不適合在食品加工中使用,因?yàn)樗鼈儗κ称窌a(chǎn)生不良的感官影響及營養(yǎng)破壞,且在應(yīng)用上相對困難,而微生物相比于以上方法較安全高效。如圖2所示,是AA的LAB還原機(jī)理,主要有直接或間接兩方面:一方面,利用微生物細(xì)胞壁物理結(jié)合或產(chǎn)生水解的酰胺酶直接降低食品中AA水平;另一方面,通過微生物釋放的天冬酰胺酶水解天冬酰胺、糖代謝和降低pH等間接途徑抑制食品中AA的生成[9,13,25]。例如有研究表明,4株乳酸菌菌株(植物乳桿菌、干酪乳桿菌、嗜酸乳桿菌和嗜熱鏈球菌)對AA均具有結(jié)合能力,其中植物乳桿菌的結(jié)合能力最高,其次是干酪乳桿菌、嗜酸乳桿菌和嗜熱乳桿菌[26]。還有研究表明加熱滅活的乳酸菌可以增強(qiáng)其對AA的吸附能力,這是由于加熱引起的細(xì)胞壁粗糙度和表面親水性增加所致[27]。從枯草芽孢桿菌中分離出的天冬酰胺酶在溫度、pH和金屬離子等多種生理?xiàng)l件下都具有穩(wěn)定性,與未處理的馬鈴薯切片相比,處理組的馬鈴薯切片中AA的形成減少了90%～95%[28]。在模擬胃腸道條件下,羅伊氏乳酸菌和干酪乳桿菌可去除部分AA水平(32%～73%),其中干酪乳桿菌效果最好(去除率約為70%)[29]。不同食物中AA的去除機(jī)制也不同,如面包中的乳酸菌在生長過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸可能會導(dǎo)致pH值降低,以此來降低AA水平;而在油炸土豆中,AA的減少與還原糖含量降低有關(guān);在肉湯環(huán)境中,AA去除與細(xì)菌細(xì)胞壁的結(jié)合親和力有關(guān)[13,22,30]。已報(bào)道發(fā)現(xiàn)利用植物乳桿菌、鼠李糖桿菌和干酪乳桿菌發(fā)酵的蘋果汁和葡萄汁在發(fā)酵過程中抗氧化活性有所提高,抗氧化劑及其提取物能夠防止AA誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性。因此可利用乳酸菌的抗氧化性降低食品中AA的毒性[31-33]。也有研究發(fā)現(xiàn),酵母菌去除AA的能力相對高于乳酸菌,且主要機(jī)制歸因于天冬酰胺酶水解天冬酰胺[13]。目前,已分別從黑曲霉和米曲霉中獲得有兩種商業(yè)化的天冬酰胺酶應(yīng)用于AA的還原[10]。如在油炸前將酵母菌普魯蘭短梗霉應(yīng)用于新鮮土豆,可顯著降低天冬酰胺水平,使油炸土豆中AA水平降低83%,且對薯片口感沒有負(fù)面影響[34]。

圖2 乳酸菌還原食品中丙烯酰胺的機(jī)理[25]Fig.2 Mechanism of reduction of acrylamide by LAB in food[25]

2.2 多環(huán)芳烴

2.2.1 多環(huán)芳烴概述

多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是一類由兩個(gè)或多個(gè)苯環(huán)以線性或簇狀方式分布組成的芳香環(huán)有機(jī)化合物的總稱,大多是無色、白色或淡黃色的固體。主要由脂肪氧化、蛋白質(zhì)分解、氨基酸聚合和食品在高溫下的美拉德反應(yīng)形成[25,35](圖3)。

圖3 食品中PAHs的結(jié)構(gòu)、縮寫和致癌性[36]Fig.3 Structures, abbreviations and carcinogenicities of PAHs in foods[36]

如圖3所示,是被不同機(jī)構(gòu)定義的食品中常見PAHs,其中16 PAHs由美國環(huán)境保護(hù)局(Environmenal Protection Agency,EPA)定義,15+1 PAHs由EFSA定義[36]。根據(jù)分子質(zhì)量大小可分為低分子質(zhì)量多環(huán)芳烴(low molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbons,LMW-PAHs)和高分子質(zhì)量多環(huán)芳烴(ligh molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbons,HMW-PAHs),LMW-PAHs (低于4個(gè)芳香環(huán))具有急性毒性,HMW-PAHs (含4個(gè)或4個(gè)以上芳香環(huán))大多被認(rèn)為更穩(wěn)定且具有遺傳毒性;與HMW-PAHs相比,LMW-PAHs更容易揮發(fā)和溶于水,因此更容易被生物降解[36-38]。它們無處不在,不僅存在于不同的環(huán)境介質(zhì)(如空氣、土壤和水)中,而且存在于我們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降母鞣N食物中,因此人類在日常生活中可通過攝入(水和食物)、吸入(空氣和吸煙)和皮膚接觸PAHs[25,34-37]。IARC和EFSA等在內(nèi)的多個(gè)組織認(rèn)定PAHs具有高度選擇性毒性,會增加患皮膚癌、肺癌、膀胱癌、腸癌和胃癌等癌癥的風(fēng)險(xiǎn),如通過吸入可導(dǎo)致肺癌,通過攝入食物可導(dǎo)致胃癌,通過皮膚接觸可導(dǎo)致皮膚癌等[25,38-40]。食品科學(xué)界確定了4種主要的PAHs:即苯并蒽(benzo(a)anthracene,BaA)、(chrysene,Chr)、苯并熒蒽(benzo(b)fluoranthene,BbF)和苯并芘(benzo(a)pyrene,BaP),BaP屬于致癌物(第1組),其余3個(gè)屬于可能致癌物(第2組)。其中,BaP被認(rèn)定為PAHs污染的指標(biāo),可作為研究生物降解代謝信息的模型化合物[33,36,39],因其具有致畸性、致突性、致癌性和累積性,與硝基胺和黃曲霉毒素并稱為世界三大致癌物[25,34,36-40]。研究食品中PAHs的預(yù)防及減少措施對食品質(zhì)量和安全以及人類健康具有重要意義。

2.2.2 食物中的PAHs

由于親脂疏水特性,PAHs更容易在食物鏈中積累,且在食物中的濃度是土壤中的40倍[34,41]。因此,除職業(yè)來源和吸煙者外,膳食攝入是人類暴露PAHs的主要途徑,占總接觸量的88%～98%。如在谷物、蔬菜、面包、水果、肉制品、海鮮、脂肪和油、腌制食品、嬰兒配方食品、牛奶及飲料等常見食品中都有PAHs的存在[2,25,34,36-38]。MARTORELL等[42]分析了西班牙居民食用的幾種食物中PAHs的暴露程度,其中肉類和肉制品的平均攝入為38.99 μg/kg,占總攝入量的近50%。JIA等[43]評價(jià)了上海工業(yè)區(qū)附近蔬菜中PAHs的含量,在綠葉蔬菜(長葉生菜、大白菜和上海大白菜)、莖類蔬菜(生菜)、種子蔬菜(蠶豆)以及根莖類蔬菜(白蘿卜)中鑒定出16種PAHs,其質(zhì)量濃度在65.7～458.0 ng/g。除了不同食物類型的固有特性外(如脂肪、蛋白質(zhì)、和碳水化合物),一些加工手段也會在很大程度上導(dǎo)致食物中PAHs的形成,如圖4所示。例如,高溫處理會導(dǎo)致熟肉和熏魚中PAHs含量增高[34,37,44]。通過比較油炸不同種屬肉制品時(shí)產(chǎn)生的BaP含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn),油炸豬肉在溫度200 ℃、油炸10 min時(shí),BaP產(chǎn)生量最大,量高可達(dá)174.352 μg/kg[45]。

圖4 燒烤/煙熏食品中多環(huán)芳烴形成途徑[37]Fig.4 Formation pathways of PAHs in grilled/smoked foods[37]

2.2.3 益生菌降低PAHs的作用及機(jī)理

細(xì)菌和真菌降解PAHs的主要途徑,如圖5所示。在有氧條件下,細(xì)菌主要通過加氧酶介導(dǎo)(包括單加氧酶或雙加氧酶)和細(xì)胞色素P450介導(dǎo)的途徑降解PAHs;而在厭氧條件下主要基于還原反應(yīng)降解PAHs,如硝酸鹽還原[46-47]。好氧細(xì)菌降解PAHs的第一步是雙加氧酶使苯環(huán)氧化形成順式二氫二醇,再由脫氫酶的作用使其成為二羥基中間體,然后由內(nèi)二醇或外二醇環(huán)切割雙氧酶通過鄰裂或元裂途徑切割,導(dǎo)致兒茶酚等中間產(chǎn)物最終轉(zhuǎn)化為三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物;少數(shù)細(xì)菌也可通過細(xì)胞色素P450介導(dǎo)的途徑降解PAHs,產(chǎn)生反式二氫二醇[46-47]。參與PAHs生物降解的真菌主要有兩種:一種是木質(zhì)素降解真菌,能夠產(chǎn)生木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶等胞外酶,通過非特異性自由基氧化PAHs產(chǎn)生多環(huán)芳烴醌;另一種是非木質(zhì)素降解真菌,能產(chǎn)生細(xì)胞色素P450單加氧酶,催化環(huán)氧化反應(yīng)形成不穩(wěn)定的氧化芳烴,通過環(huán)氧化物水解酶催化反應(yīng)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為反式二氫二醇,也可以通過非酶促反應(yīng)重新排列為酚衍生物,隨后與硫酸鹽、木糖、葡萄糖醛酸或葡萄糖結(jié)合[46-48]。除了微生物產(chǎn)生降解酶介導(dǎo)降解外,也可通過與微生物細(xì)胞壁物理結(jié)合去除污染物。雙歧桿菌和乳酸菌目前已被用于研究通過物理結(jié)合去除食品中的致癌污染物[2]。據(jù)研究證實(shí),益生菌與乳酸菌細(xì)胞的BaP結(jié)合率是非乳酸菌細(xì)胞的2倍,能有效清除人體內(nèi)和食物系統(tǒng)中的BaP,且對人體健康無潛在不良影響[49]。在對細(xì)胞活力測定中發(fā)現(xiàn),經(jīng)過酸、熱和超聲處理的細(xì)胞也表現(xiàn)出很強(qiáng)的結(jié)合能力。因此推測細(xì)菌細(xì)胞壁(主要成分為多糖、肽聚糖層和磷壁酸)由于物理處理而改變結(jié)構(gòu),并提供了新的結(jié)合位點(diǎn)[50]。QI等[51]研究表明,植物乳桿菌和戊糖乳桿菌菌株與BaP的結(jié)合能力分別為65.9%和64.9%,且與熱處理后的結(jié)合能力無顯著差異。將3株乳酸菌菌株(清酒乳桿菌、戊糖片球菌和乳酸片球菌)添加到冷熏豬肉香腸中發(fā)現(xiàn),3株乳酸菌菌株在豬肉香腸熏制前后均能顯著去除香腸中的BaP和Chr[52]。而在模擬淀粉條件下,乳酸菌菌株也可從淀粉類食品中去除BaP[53]。

圖5 真菌和細(xì)菌降解多環(huán)芳烴的3條主要途徑[47]Fig.5 The three main pathways for polycyclic aromatic hydrocarbon degradation by fungi and bacteria[47]

3 總結(jié)與展望

食品安全不容忽視,由于物理和化學(xué)處理方法去除有毒有害污染物具有二次污染、成本高以及對食品營養(yǎng)成分也有一定程度的破壞作用,因此,不適合在食品加工業(yè)中推廣使用。由此,提出了使用益生菌去除的策略,在提高食品感官和營養(yǎng)的同時(shí)還能降低食品中有毒有害物質(zhì)生成的風(fēng)險(xiǎn)。本文中收集的數(shù)據(jù)顯示在食品中使用益生菌(特別是乳酸菌和酵母菌)具有降低有毒有害污染物毒性和暴露的潛力。綜上所述,益生菌去除污染物的3個(gè)主要作用機(jī)理為:有毒物質(zhì)與微生物細(xì)胞壁物理結(jié)合,通過吸附作用去除;微生物通過產(chǎn)生特定降解酶降低有毒有害物質(zhì)毒性以及微生物通過產(chǎn)生次生代謝物抑制有毒有害物質(zhì)的生成(圖6)。

圖6 益生菌去除污染物的作用機(jī)制Fig.6 Mechanism of removal of pollutants by probiotics

但是,目前益生菌減少食品中有毒有害物質(zhì)的作用機(jī)制還不完全清楚,降解中間產(chǎn)物以及相關(guān)基因表達(dá)情況,基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)的研究也相對較少。因此,利用現(xiàn)代分子生物學(xué)方法以及生物信息學(xué)分析手段,研究有毒有害物質(zhì)高效降解菌基因和降解酶表達(dá)情況,有利于完善益生菌降低有毒有害物質(zhì)的作用機(jī)制。且除了上述食品中常見的2種有毒物質(zhì)之外,還有其他有毒有害物質(zhì)的去除機(jī)制也需要進(jìn)一步探索。研究更多食品中有毒有害污染物降低作用及機(jī)理,將為今后合理開發(fā)利用益生菌降低食源性污染物提供理論支持和基礎(chǔ),使食品安全和人類健康得到保障。