李雅迪,柳陳堅(jiān),龔福明,2,李曉然
(1.昆明理工大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,云南 昆明650500;2.德宏職業(yè)學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部,云南 芒市 678400)
膽固醇又稱膽甾醇,是一種環(huán)戊烷多氫菲衍生物,它通常以高密度脂蛋白膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、極低密度脂蛋白膽固醇等形式存在于血清脂蛋白中。隨著人民物質(zhì)生活水平的普遍提高,人們通過(guò)日常飲食所攝取的膽固醇量也不斷增加,由此導(dǎo)致以血脂異常為主要表現(xiàn)的高脂血癥,進(jìn)而誘發(fā)動(dòng)脈粥樣硬化,引起以心腦血管疾病為首的一系列循環(huán)系統(tǒng)疾病。近年的研究表明,全世界每年大約有1 730多萬(wàn)人死于心腦血管疾病,且發(fā)病率呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)[1],而WHO(世界衛(wèi)生組織)的調(diào)查結(jié)果表明,動(dòng)脈粥樣硬化是心腦血管疾病發(fā)生的主要病理基礎(chǔ),血漿膽固醇尤其是低密度脂蛋白膽固醇升高更是動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生與發(fā)展的必備條件[1],因此有效控制血清總膽固醇含量就成為預(yù)防心腦血管疾病的關(guān)鍵[2]。常用降膽固醇藥物雖然具有降膽固醇效果顯著、快速等優(yōu)勢(shì),但是存在嚴(yán)重威脅人類健康的副作用[3];如他汀類藥物就具有肌肉疼痛等副作用,該副作用最終導(dǎo)致橫紋肌溶解癥,也會(huì)導(dǎo)致肝臟細(xì)胞損傷,進(jìn)而破壞人體內(nèi)部新陳代謝系統(tǒng)的正常工作,相當(dāng)數(shù)量的服藥人已經(jīng)出現(xiàn)記憶力喪失或判斷功能混亂等癥狀。因此探尋能有效降低膽固醇且副作用小的防治方法勢(shì)在必行。
以不同形式服用益生菌,如酸奶和奶酪等發(fā)酵食品,可以帶來(lái)許多潛在的健康益處,包括降膽固醇作用。研究表明,服用益生菌可以降低血清膽固醇水平[4]。對(duì)大鼠進(jìn)行的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明,在高膽固醇飲食的同時(shí)飼喂益生菌 (植物乳桿菌和芽孢桿菌)可以有效降低大鼠血清中的甘油三酯、膽固醇及低密度脂蛋白的含量,減緩高膽固醇飲食對(duì)機(jī)體的傷害[5]。這些益生菌已經(jīng)被建議用于降低膽固醇添加在食品中[6]。關(guān)于益生菌降低膽固醇水平的機(jī)制已經(jīng)提出了許多假設(shè),大多來(lái)自體外實(shí)驗(yàn),比如,益生菌細(xì)胞表面通過(guò)膽鹽水解酶活性結(jié)合膽固醇分子[7-8];益生菌可以產(chǎn)生短鏈脂肪酸[9];膽固醇與膽汁共沉淀[6];膽固醇轉(zhuǎn)化為糞甾醇[10]等。最主要的機(jī)制應(yīng)該歸因于膽鹽水解酶活性,大多數(shù)益生菌如乳桿菌屬、乳球菌屬和雙歧桿菌屬等常見(jiàn)的用于食品發(fā)酵的益生菌具有膽鹽水解酶活性[11-12],這些益生菌產(chǎn)生的膽鹽水解酶可以裂解酰胺鍵[13]。應(yīng)用益生性乳酸菌防治高膽固醇血癥所引發(fā)的心腦血管疾病,不僅效果顯著,而且?guī)缀鯚o(wú)任何毒副作用[14]。然而,研究表明,不同的菌株具有不同程度的降低膽固醇作用[15]。因此,本研究利用本研究室保存的云南傳統(tǒng)發(fā)酵食品由來(lái)的益生乳酸菌實(shí)施膽固醇體外降解試驗(yàn),從中篩選膽固醇吸收同化率高的菌株,為后續(xù)降膽固醇功能性發(fā)酵食品的研發(fā)提供菌種保證和理論基礎(chǔ)。
本研究所使用的菌株全部分離自云南傳統(tǒng)發(fā)酵食品,詳見(jiàn)表1,目前均保存于昆明理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院應(yīng)用微生物研究室。
①de Man-Rogosa-Sharpe(MRS)肉湯培養(yǎng)基(pH 6.2±0.2,Oxoid);② MRS 改良瓊脂培養(yǎng)基[16-17]則需在每升MRS肉湯培養(yǎng)基中加入15 g瓊脂、10 g CaCO3和 0.04 g溴甲酚紫(0.004%,w/v);③ 降膽固醇菌株初篩培養(yǎng)基(g/L):精確稱取膽固醇(磨碎)2.0;KH2PO41.6;MgSO4·7H2O 0.2;MnSO40.2;NH4NO30.2;NaCl 15;瓊脂 20;溶于去離子水;④降膽固醇菌株復(fù)篩培養(yǎng)基 (g/L):精確稱取膽固醇(磨碎)0.15;蛋白胨 10.0;牛肉粉 8.0;酵母浸出液4.0;Tween-80 1 mL;K2HPO42.0; 乙 酸 鈉 5.0;MgSO4·7H2O 0.2;MnSO4·4H2O 0.05; 檸檬酸銨 2.0,溶于去離子水。
表1 具有降膽固醇能力益生性菌菌株的復(fù)篩結(jié)果Table 1 Re-screening of cholesterol-reducing probiotics
1.3.1 試驗(yàn)用主要試劑膽固醇;KOH;甲醇;冰乙酸;正己烷;濃硫酸;上述試劑除特別注明外,所有試劑均為分析純。
1.3.2 試驗(yàn)用主要溶液①FeSO4-冰乙酸-濃硫酸顯色劑[18],將FeSO4100 mg溶于1 mL蒸餾水中,再加入100 mL冰乙酸混合溶解,然后與100 mL濃硫酸緩慢混勻,冷卻后備用;②膽固醇標(biāo)準(zhǔn)液,精確秤取0.192 g膽固醇,用蒸餾水定容至1 L,即得濃度0.192 mg/mL的膽固醇標(biāo)準(zhǔn)液,然后梯度稀釋得濃度依次為 0、0.048、0.096、0.144、0.192 mg/mL 的標(biāo)準(zhǔn)液。
恒溫培養(yǎng)搖床(GHP-9160):上海一恒科技有限公司;電子分析天平(YP1002N):德國(guó)賽多利斯;超聲波細(xì)胞破碎機(jī)(SCIENTZ-ⅡD):上海珂淮儀器有限公司;PCR 儀(2720):ABI公司;高速冷凍離心機(jī)(Sigma 3-18K):德國(guó)SIGMA公司;紫外分光光度計(jì)(Genova):英國(guó) GENOVA 公司;恒溫水浴槽(TR-1A):日本 AS ONE 公司;電子天平(YP1002N):上海恒平科學(xué)儀器有限公司;恒溫金屬?。↖C20):日本AS ONE公司。
對(duì)初篩獲得的具有降膽固醇能力的益生菌菌株進(jìn)行復(fù)篩,利用略作改良的皂化-比色法對(duì)初篩菌株的降膽固醇能力進(jìn)行檢測(cè)[19],具體步驟如下:將初篩得到的益生菌菌株用MRS液體培養(yǎng)基復(fù)壯兩次后,按4‰的接種量將菌株接種至5 mL復(fù)篩培養(yǎng)基中,37℃厭氧培養(yǎng)72 h后,2 000 r/min離心取上清(4 ℃,10 min),隨后將 500 μL 上清與 2 500 μL飽和KOH-甲醇溶液(200 g/L)充分混勻,80℃水浴中皂化10 min,要求每隔1 min劇烈震蕩混勻一次。皂化結(jié)束后,將冷卻至20℃的皂化物與3 mL正己烷充分混勻1 min,然后靜置分層并取上層溶液離心(4 ℃,2 000 r/min,10 min)。 將離心上清1 mL 加入離心管中60℃干燥,待溶劑全部揮發(fā)后,用400 μL冰乙酸進(jìn)行充分洗脫,最后在洗脫液中加入1 mL顯色劑,60℃金屬浴反應(yīng)15 min,于490 nm波長(zhǎng)下測(cè)定被測(cè)樣品的OD值。同法處理膽固醇標(biāo)準(zhǔn)液和空白對(duì)照樣品,以膽固醇標(biāo)準(zhǔn)液濃度為橫坐標(biāo),吸光度值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。最終根據(jù)被測(cè)樣品的吸光度值計(jì)算樣品中膽固醇含量,并以公式計(jì)算菌株對(duì)膽固醇的去除率為
式中:a表示培養(yǎng)基初始培養(yǎng)時(shí)的膽固醇質(zhì)量濃度;b表示培養(yǎng)結(jié)束后培養(yǎng)液中膽固醇質(zhì)量濃度。
1.6.1 菌株的耐酸能力測(cè)定用普通的MRS液體培養(yǎng)基對(duì)保存于-80℃的具有降膽固醇功能的益生菌進(jìn)行復(fù)壯,在復(fù)壯2次后,按4‰接種量分別接至pH 2.0和pH 3.0的50 mL的MRS培養(yǎng)基中,37℃靜置培養(yǎng) 3 h。 在 0、1、2、3 h 處分別提取 1 mL 樣品,10 000 r/min離心2 min收集菌體,再用滅菌的0.85%的生理鹽水洗滌并懸浮菌體。按一定的稀釋比例(10-1、10-2、10-3)稀釋菌體,將稀釋后的菌體涂布于MRS固體培養(yǎng)基上,37℃靜置培養(yǎng)24 h。培養(yǎng)過(guò)后,用平板計(jì)數(shù)法觀察菌株在酸性條件后的生長(zhǎng)情況。上述實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。
1.6.2 菌株的耐膽鹽性能力測(cè)定培養(yǎng)基的配制:用牛膽鹽粉末配制含有0.3%、0.5%和1%膽鹽濃度的MRS培養(yǎng)基。用普通的MRS液體培養(yǎng)基對(duì)保存于-80℃的具有降膽固醇功能的益生菌進(jìn)行復(fù)壯,在復(fù)壯2次后,按4‰接種量分別接至含0.3%、0.5%和1%膽鹽濃度的50 mL的MRS培養(yǎng)基中,37℃靜置培養(yǎng)12 h。培養(yǎng)12 h后,提取1 mL樣品,10 000 r/min離心2 min收集菌體,再用滅菌的0.85%的生理鹽水洗滌并懸浮菌體。按一定的稀釋比例(10-1、10-2、10-3)稀釋菌體,將稀釋后的菌體涂布于MRS固體培養(yǎng)基上,37℃靜置培養(yǎng)24~48 h。培養(yǎng)過(guò)后,用平板計(jì)數(shù)法觀察菌株在膽鹽條件后的生長(zhǎng)情況。上述實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。不含有牛膽鹽的無(wú)菌水作為空白對(duì)照。
用MRS液體培養(yǎng)基對(duì)保存于-80℃的菌株Lb.plantarumS11進(jìn)行復(fù)壯,在復(fù)壯2次后,按4‰接種量接至5 mL降膽固醇復(fù)篩培養(yǎng)基中,37℃靜置培養(yǎng)72 h,2 000 r/min 4℃離心10 min后,分別取菌體及上清液備用。同時(shí),按4‰接種量將Lb.plantarumS11菌株接種至同體積的MRS培養(yǎng)基中作對(duì)照,37℃靜置培養(yǎng)72 h,2 000 r/min,4℃離心10 min后,分別取菌體及上清液備用。隨后用滅菌生理鹽水對(duì)上述兩實(shí)驗(yàn)組中離心得到的菌體進(jìn)行洗滌,然后再使用滅菌生理鹽水懸浮實(shí)驗(yàn)組的菌體并定容至10 mL,同時(shí)使用滅菌生理鹽水將等量對(duì)照組的菌體懸浮并定容至10 mL,冰浴靜置10 min;加入溶菌酶(0.2 mg/mL)后,37℃孵育 15 min,孵育后超聲破碎菌體(功率950 W;時(shí)間15 min,工作3 s,間隔 5 s),最后 2000 r/min 4 ℃離心 10 min,收集上清即為菌體破碎后的無(wú)細(xì)胞上清液,沉淀溶于10 mL滅菌生理鹽水后即為菌體細(xì)胞碎片懸浮液。按照1.5節(jié)中的皂化-比色法檢測(cè)實(shí)驗(yàn)組的培養(yǎng)上清、菌體破碎后上清液及菌體細(xì)胞碎片懸浮液中膽固醇含量,在測(cè)定培養(yǎng)上清時(shí)以陰性對(duì)照組進(jìn)行調(diào)零,菌體破碎后的上清液及菌體細(xì)胞碎片懸浮液在測(cè)定膽固醇含量時(shí)使用滅菌的生理鹽水調(diào)零。另外,將復(fù)壯的Lb.plantarumS11菌株按4‰接種量分別接種至5 mL降膽固醇復(fù)篩培養(yǎng)基與MRS培養(yǎng)基中,37℃靜置培養(yǎng)72 h,經(jīng)梯度稀釋后取適宜濃度的稀釋液(10-6倍稀釋)涂MRS瓊脂平板進(jìn)行計(jì)數(shù)。
本研究在檢測(cè)益生性乳酸菌菌株降膽固醇活性時(shí)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都經(jīng)RSD值計(jì)算統(tǒng)計(jì)軟件處理得到,所得平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差均由兩個(gè)以上樣品的測(cè)量結(jié)果經(jīng)計(jì)算得到,結(jié)果均以 “平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差”形式表示。
通常除使用比色法篩選具有降膽固醇能力的功能性益生菌外,還使用酶法、液相色譜法、氣相色譜法及試劑盒分析法(酶法)等方法進(jìn)行篩選,而這些方法與比色法相比,酶法由于技術(shù)含量較高,特異性強(qiáng),而其他兩種方法又需要特殊的設(shè)備,所以都難于推廣使用[20]。本研究使用含膽固醇固體初篩培養(yǎng)基配以含膽固醇液體復(fù)篩培養(yǎng)基(膽固醇含量150 mg/mL),再以略加改良的皂化-比色法檢測(cè)膽固醇轉(zhuǎn)化率的兩步篩選體系篩選具有降膽固醇能力的益生菌菌株,該篩選體系與常用的高效液相色譜法及試劑盒分析法等方法相比,具有快捷簡(jiǎn)便,分離篩選效率高,成本較低,適用于大規(guī)模篩選等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)皂化-比色法檢測(cè),以標(biāo)準(zhǔn)膽固醇濃度為橫坐標(biāo),檢測(cè)波長(zhǎng)為490 nm的吸光度值為縱坐標(biāo)做線性回歸,得線性回歸方程y=1.36x-0.000 6,R=0.999(R2=0.999 7)。經(jīng)檢測(cè)得到的在體外具有降膽固醇活性的21株益生性乳酸菌,依據(jù)16SrRNA基因序列比對(duì),可將21株菌株分為5屬8種,乳桿菌屬(12 株)、片球菌屬(3 株)、魏斯氏菌屬(1 株)、腸球菌屬(4 株)、芽孢桿菌屬(1 株)(圖 1),且它們對(duì)膽固醇的吸收同化率為 3.30%(±0.89)~75.64%(±1.12)之間,平均吸收同化率為44.34%,共有14株益生菌的膽固醇轉(zhuǎn)化去除率高于平均值,而編號(hào)S11菌株的膽固醇吸收同化率更是高達(dá)75.64±1.12%(表 1)。在文獻(xiàn)[20]中,10株具有降低膽固醇含量的菌株中,乳桿菌屬(8株)、片球菌屬(2株),這些菌株對(duì)膽固醇的吸收同化率為12.10%~47.54%,其中Lb.agilisBK10-47的膽固醇吸收同化率為47.54%。本文篩選得到的編號(hào)S11菌株與之相比,其吸收同化率明顯高出。且在文獻(xiàn)[21]中,對(duì)供試菌株進(jìn)行膽固醇吸收同化能力的檢測(cè)中,乳酸菌屬所占的比例最高,這與本文的研究結(jié)果相一致。
圖1 本研究中益生菌基于16S rRNA基因序列的菌種鑒定結(jié)果Fig.1 Classification of probiotics in this study by 16S rRNA gene sequencing
將上述復(fù)篩得到的具有降膽固醇能力的菌株進(jìn)行耐酸和耐膽鹽能力的鑒定。模擬胃液的pH的濃度,通過(guò)體外培養(yǎng)菌株3 h,利用平板計(jì)數(shù)法測(cè)定菌株的耐酸性能力;在不同濃度的牛膽鹽MRS培養(yǎng)基中,培養(yǎng)菌株12 h后,同樣利用平板計(jì)數(shù)法測(cè)定菌株的耐膽鹽能力,所得結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,只有植物乳桿菌QB3-1、QB3-2、S11這三株菌株具有一定的耐酸和耐膽鹽能力。這三株菌株在培養(yǎng)環(huán)境達(dá)到pH 2.0時(shí),還是可以生存的,證明這三株菌株還是具有一定的耐酸能力。在耐膽鹽能力實(shí)驗(yàn)中,只有QB3-2可以在膽鹽濃度達(dá)到1%時(shí)還可以生長(zhǎng)。QB3-1在膽鹽濃度為0.5%時(shí),還是可以生長(zhǎng)的。而植物乳桿菌S11的將彈股率最高,也具有一定的耐酸能力,但是在膽鹽存在的環(huán)境下,不可生長(zhǎng),初步推斷該菌株不含有膽鹽水解酶,即該菌株降膽固醇的機(jī)制是通過(guò)結(jié)合在細(xì)胞表面而被去除。
表2 益生菌的耐酸和耐膽鹽能力測(cè)定Table 2 Acid and bile tolerance of LAB strain probiotics (log cfu/mL)
表3 Lb.plantarum S11不同培養(yǎng)部分膽固醇含量變化Table 3 Changes of cholesterol content in different cultures of Lb.plantarum S11
本文通過(guò)植物乳桿菌在正常MRS培養(yǎng)基和含膽固醇的培養(yǎng)基中培養(yǎng)后,用皂化-比色法分別檢測(cè)培養(yǎng)上清、破碎上清及細(xì)胞碎片懸浮液中膽固醇含量,然后通過(guò)比較各組分中膽固醇含量,初步分析Lb.plantarumS11菌株體外降膽固醇機(jī)制。對(duì)Lb.plantarumS11實(shí)驗(yàn)組培養(yǎng)上清、菌體破碎的無(wú)細(xì)胞上清液及菌體細(xì)胞碎片懸浮液中膽固醇含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3,由表3可知MRS培養(yǎng)基更利于菌株Lb.plantarumS11生長(zhǎng),其菌體生物量可高達(dá)2.85×1014cfu/mL,而含膽固醇的復(fù)篩培養(yǎng)基則不利于該菌株生長(zhǎng),其菌體生物量則為4.20×109cfu/mL,但在這種不利的生長(zhǎng)情況下,該菌株對(duì)培養(yǎng)基中所含膽固醇的去除率仍可高達(dá)79.17%,說(shuō)明它具有極強(qiáng)的吸收同化膽固醇能力。在文獻(xiàn)[21]的研究中,4株分離于科菲谷物的植物乳桿菌通過(guò)平板計(jì)數(shù)法和測(cè)定膽固醇含量,得到乳酸菌同樣具有有對(duì)膽固醇吸收同化的能力。菌體對(duì)膽固醇可能有一定吸附能力,能通過(guò)吸附及摻入細(xì)胞膜的方式達(dá)到降低培養(yǎng)基中的膽固醇含量,但吸附及摻入細(xì)胞膜的作用非常微小,4.20×109cfu/mL的菌體僅能吸附沉淀0.002 mg的膽固醇(僅占1.30%)。由此可推測(cè),吸收同化作用仍是Lb.plantarumS11菌株在體外降膽固醇的主要機(jī)制,而吸附及摻入細(xì)胞膜的降膽固醇機(jī)制僅是該菌株降膽固醇的次要途徑。正如在文獻(xiàn)[22]的研究中,通過(guò)菌株降低膽固醇含量能力的檢測(cè)得到上述體外降膽固醇可能的機(jī)制。膽固醇可能是通過(guò)吸收同化的作用被去除,也可能是促進(jìn)膽鹽的降解而去除,或者是益生菌的死細(xì)胞和活細(xì)胞將膽固醇結(jié)合在細(xì)胞表面而去除。而且也有報(bào)道稱益生性酵母同樣也具有降低膽固醇的功效[24]。
綜上所述,云南傳統(tǒng)發(fā)酵食品中確實(shí)存在具有降膽固醇功效的益生菌資源,而本研究所創(chuàng)建的具有降膽固醇功效益生菌的兩步篩選體系確實(shí)可行。因此,為研發(fā)降膽固醇功能性發(fā)酵食品,后續(xù)研發(fā)將以Lb.plantarumS11為主要研究對(duì)象,深入探討降膽固醇功能性發(fā)酵豆豉或食品開(kāi)發(fā)的可能性。
1)本研究所創(chuàng)建的以降膽固醇菌株篩選的液體復(fù)篩培養(yǎng)基進(jìn)行復(fù)篩并以皂化-比色法檢測(cè)膽固醇吸收同化率的兩步篩選體系確實(shí)可行,可用于云南傳統(tǒng)發(fā)酵豆豉等傳統(tǒng)發(fā)酵制品中降低膽固醇量的菌株的分離與篩選。
2)通過(guò)鑒定復(fù)篩得到的具有降膽固醇能力的益生菌的耐酸和耐膽鹽能力,得到只有Lb.plantarumQB3-1、QB3-2、S11這三株菌株具有一定的耐酸和耐膽鹽能力。Lb.plantarumQB3-2既具有一定的耐酸能力,而且可以在膽鹽濃度為1%的環(huán)境下生存,但是Lb.plantarumQB3-1稍差于QB3-2。Lb.plantarumS11具有一定的耐酸能力,但是沒(méi)有耐膽鹽能力,故初步推斷該菌株不含有膽鹽水解酶,其降低膽固醇的機(jī)制很有可能是通過(guò)菌株細(xì)胞膜表面吸附而去除膽固醇。
3)本研究從云南傳統(tǒng)發(fā)酵豆豉中成功分離到具有較高的降低膽固醇率的菌株Lb.plantarumS11,其膽固醇降低率可高達(dá)(75.64±1.12)%,篩選出降膽固醇率高的植物乳桿菌,可用于酸奶和其他發(fā)酵食品的制作,這樣的發(fā)酵食品在降低膽固醇的同時(shí),它還可也能抑制其他潛在致病菌的生長(zhǎng)、延長(zhǎng)食品儲(chǔ)存時(shí)間。因此該菌株可應(yīng)用于后續(xù)降膽固醇功能性發(fā)酵豆豉或食品的研發(fā)。
4)經(jīng)本研究對(duì)Lb.plantarumS11體外降膽固醇機(jī)制初探,可知吸收同化作用是Lb.plantarumS11在體外降膽固醇的主要機(jī)制 (吸收同化率可達(dá)79.17%),而吸附及摻入細(xì)胞膜的降膽固醇機(jī)制僅是該菌株降膽固醇的次要途徑(僅占1.30%)。