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

(新疆特殊環境物種保護與調控生物學實驗室,新疆師范大學 生命科學學院,新疆 烏魯木齊,830054)

根據世界衛生組織的數據顯示,超過200種疾病是通過食物傳播的,絕大多數人會在某個時間感染食源性疾病。所以食品安全是全球消費者和衛生機構[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)、世界衛生組織(World Health Organization,WHO)等]最關注的問題之一[1]。與其他疾病發病率相比,食源性疾病的發病率在所有疾病發病率中居第二位[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、運輸、貯存最后到消費者攝入,每一步處理都會產生可能影響消費者健康的有害污染物,如最常見的幾種致癌物:丙烯酰胺、多環芳烴、真菌毒素和生物胺等[3-4]。現已發現,大多數致癌物的形成主要取決于所采用的熱處理條件,且到目前為止工業或家庭中大約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生成產生顯著影響[3-4]。相比物理和化學方法去除污染物,使用微生物或酶對污染物進行生物降解是一種安全、經濟、環境友好的替代方法,降低有害物質水平的同時,可保持食品安全和質量。有研究發現,益生菌的去污活性與發酵、抗菌和微生物細胞壁與污染物結合的能力有關[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理將有利于保障食品質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。

1 益生菌在食品中的應用

益生菌由不同的物種代表,包括細菌、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中,使它們保持其生存能力和功能,創造出令人愉快的風味且延長食品保質期,并對人類健康產生積極影響,如免疫調節、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、強化防御機制、改善腸道屏障功能、提高營養價值等[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、肉和蔬菜中發現的非發酵劑菌群的重要組成部分,也被應用于乳制品(如酸奶、奶酪)、發酵肉類、發酵蔬菜和發酵魚制品中作為發酵劑或保護菌[8]。在食品工業中應用的乳酸菌包括: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)發酵中也被用作發酵劑,還可提高發酵食品的口感、質地、香氣、保質期和營養價值[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品被用于烘焙、酒精發酵,或作為人類和動物的營養補充劑[11]。除了通過在食品中添加益生菌起發酵和提高食品品質作用外,益生菌也可利用各種機制(如使用活的菌株或產生特定酶)去除食品中產生的有毒有害污染物,而菌株細胞壁的吸附特性也可作為微生物去除食品中有毒物質的另一機制,能夠降低有毒物質對人類身體健康風險[12]。

2 益生菌降低食物中有毒污染物的作用及機理

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晶固體,沸點為125 ℃,熔點為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]。當淀粉類食品在含水量極低且溫度高于120 ℃時,由氨基酸的一個氨基和還原糖的一個羰基結合反應生成,被國際癌癥研究機構(International Arctic Research Center,IARC)列為“可能對人類致癌”的化合物[15]。在動物試驗中被證明具有多種毒性,如神經毒性、遺傳毒性、致癌性、生殖毒性、肝毒性和免疫毒性。可通過抑制人神經母細胞瘤和膠質母細胞瘤的細胞分化而破壞神經系統[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,并對人體產生毒害作用[18-19]。

2.1.2 食物中的AA

在食物中發現AA之前,它是一種工業化合物,主要應用于許多工業產品制作過程中,如塑料、膠水、紙張、香煙煙霧成分的生產,以及飲用水和廢水(包括污水)的處理[13,18]。WHO和EFSA一致認為,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,由天冬酰胺與還原糖進一步反應產生,也可以通過脂肪食品中的丙烯醛進一步反應產生[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。通過試驗發現,在土豆產品中AA含量與還原糖含量成正相關,因此,還原糖可作為土豆產品中AA生成的限制性因素[22]。此外,食物的顏色越深(如烤焦的吐司或薯條),表明AA含量就越高。例如,過度油炸的薯條中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形成的關鍵因素[13,21-22]。

a-美拉德反應;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的作用及機理

現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,時間)或后處理方法,如蒸發和聚合[24]。但部分方法不適合在食品加工中使用,因為它們對食品會產生不良的感官影響及營養破壞,且在應用上相對困難,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還原機理,主要有直接或間接兩方面:一方面,利用微生物細胞壁物理結合或產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均具有結合能力,其中植物乳桿菌的結合能力最高,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其對AA的吸附能力,這是由于加熱引起的細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條件下都具有穩定性,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的去除機制也不同,如面包中的乳酸菌在生長過程中產生的有機酸可能會導致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;在肉湯環境中,AA去除與細菌細胞壁的結合親和力有關[13,22,30]。已報道發現利用植物乳桿菌、鼠李糖桿菌和干酪乳桿菌發酵的蘋果汁和葡萄汁在發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誘導的神經毒性。因此可利用乳酸菌的抗氧化性降低食品中AA的毒性[31-33]。也有研究發現,酵母菌去除AA的能力相對高于乳酸菌,且主要機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化的天冬酰胺酶應用于AA的還原[10]。如在油炸前將酵母菌普魯蘭短梗霉應用于新鮮土豆,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面影響[34]。

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

2.2 多環芳烴

2.2.1 多環芳烴概述

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

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

如圖3所示,是被不同機構定義的食品中常見PAHs,其中16 PAHs由美國環境保護局(Environmenal Protection Agency,EPA)定義,15+1 PAHs由EFSA定義[36]。根據分子質量大小可分為低分子質量多環芳烴(low molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbons,LMW-PAHs)和高分子質量多環芳烴(ligh molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbons,HMW-PAHs),LMW-PAHs (低于4個芳香環)具有急性毒性,HMW-PAHs (含4個或4個以上芳香環)大多被認為更穩定且具有遺傳毒性;與HMW-PAHs相比,LMW-PAHs更容易揮發和溶于水,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境介質(如空氣、土壤和水)中,而且存在于我們日常生活中遇到的各種食物中,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等在內的多個組織認定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險,如通過吸入可導致肺癌,通過攝入食物可導致胃癌,通過皮膚接觸可導致皮膚癌等[25,38-40]。食品科學界確定了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個屬于可能致癌物(第2組)。其中,BaP被認定為PAHs污染的指標,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的預防及減少措施對食品質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]評價了上海工業區附近蔬菜中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、和碳水化合物),一些加工手段也會在很大程度上導致食物中PAHs的形成,如圖4所示。例如,高溫處理會導致熟肉和熏魚中PAHs含量增高[34,37,44]。通過比較油炸不同種屬肉制品時產生的BaP含量。結果發現,油炸豬肉在溫度200 ℃、油炸10 min時,BaP產生量最大,量高可達174.352 μg/kg[45]。

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

2.2.3 益生菌降低PAHs的作用及機理

細菌和真菌降解PAHs的主要途徑,如圖5所示。在有氧條件下,細菌主要通過加氧酶介導(包括單加氧酶或雙加氧酶)和細胞色素P450介導的途徑降解PAHs;而在厭氧條件下主要基于還原反應降解PAHs,如硝酸鹽還原[46-47]。好氧細菌降解PAHs的第一步是雙加氧酶使苯環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,然后由內二醇或外二醇環切割雙氧酶通過鄰裂或元裂途徑切割,導致兒茶酚等中間產物最終轉化為三羧酸循環中間產物;少數細菌也可通過細胞色素P450介導的途徑降解PAHs,產生反式二氫二醇[46-47]。參與PAHs生物降解的真菌主要有兩種:一種是木質素降解真菌,能夠產生木質素過氧化物酶、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產生多環芳烴醌;另一種是非木質素降解真菌,能產生細胞色素P450單加氧酶,催化環氧化反應形成不穩定的氧化芳烴,通過環氧化物水解酶催化反應進一步轉化為反式二氫二醇,也可以通過非酶促反應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合[46-48]。除了微生物產生降解酶介導降解外,也可通過與微生物細胞壁物理結合去除污染物。雙歧桿菌和乳酸菌目前已被用于研究通過物理結合去除食品中的致癌污染物[2]。據研究證實,益生菌與乳酸菌細胞的BaP結合率是非乳酸菌細胞的2倍,能有效清除人體內和食物系統中的BaP,且對人體健康無潛在不良影響[49]。在對細胞活力測定中發現,經過酸、熱和超聲處理的細胞也表現出很強的結合能力。因此推測細菌細胞壁(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構,并提供了新的結合位點[50]。QI等[51]研究表明,植物乳桿菌和戊糖乳桿菌菌株與BaP的結合能力分別為65.9%和64.9%,且與熱處理后的結合能力無顯著差異。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現,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 真菌和細菌降解多環芳烴的3條主要途徑[47]Fig.5 The three main pathways for polycyclic aromatic hydrocarbon degradation by fungi and bacteria[47]

3 總結與展望

食品安全不容忽視,由于物理和化學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成分也有一定程度的破壞作用,因此,不適合在食品加工業中推廣使用。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的同時還能降低食品中有毒有害物質生成的風險。本文中收集的數據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個主要作用機理為:有毒物質與微生物細胞壁物理結合,通過吸附作用去除;微生物通過產生特定降解酶降低有毒有害物質毒性以及微生物通過產生次生代謝物抑制有毒有害物質的生成(圖6)。

圖6 益生菌去除污染物的作用機制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的作用機制還不完全清楚,降解中間產物以及相關基因表達情況,基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等組學的研究也相對較少。因此,利用現代分子生物學方法以及生物信息學分析手段,研究有毒有害物質高效降解菌基因和降解酶表達情況,有利于完善益生菌降低有毒有害物質的作用機制。且除了上述食品中常見的2種有毒物質之外,還有其他有毒有害物質的去除機制也需要進一步探索。研究更多食品中有毒有害污染物降低作用及機理,將為今后合理開發利用益生菌降低食源性污染物提供理論支持和基礎,使食品安全和人類健康得到保障。