張麗華,馮路瑤,唐培鑫,李昌文,趙光遠(yuǎn),縱 偉
(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,鄭州 450002)
杜仲(Eucommia ulmoides Oliv.)是中國(guó)特有的名貴藥用樹種。現(xiàn)代藥理研究表明,杜仲葉與杜仲皮化學(xué)成分相似,都含有環(huán)烯醚萜類、多糖類和杜仲膠等物質(zhì),具有降血壓、抗炎和神經(jīng)保護(hù)等生物活性[1]。在比較杜仲皮提取物(Eucommia ulmoides bark extract,EBE)和杜仲葉提取物(Eucommia ulmoides leaf extract,ELE)的降脂研究中發(fā)現(xiàn),EBE和ELE能夠顯著改善脂質(zhì)代謝紊亂和血糖水平,且ELE和EBE的抗高脂血癥效果沒(méi)有差異,可能是通過(guò)調(diào)節(jié)腸道微生物群的結(jié)構(gòu)來(lái)控制高脂血癥[2]。WANG等[3]研究發(fā)現(xiàn),ELE的降壓效果優(yōu)于EBE。綜合評(píng)價(jià)ELE的安全性的研究表明,經(jīng)ELE處理后,大鼠生長(zhǎng)性能增強(qiáng),沒(méi)有檢測(cè)到氧化損傷、炎癥反應(yīng)和組織病理學(xué)損傷。因此,ELE作為中國(guó)傳統(tǒng)保健食品食用是安全的[4]。
杜仲葉量大易獲取,對(duì)其進(jìn)行研究有利于杜仲種植業(yè)和食品加工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái)關(guān)于杜仲葉在食品加工方面的研究逐漸增多。然而,關(guān)于杜仲葉水提取物(Eucommia ulmoides leaf water extract,ELWE)在益生菌領(lǐng)域的研究鮮有報(bào)道。劉夢(mèng)培等[5]研究表明,經(jīng)乳酸菌發(fā)酵后的杜仲葉提取液產(chǎn)生了獨(dú)特花香的二氫-α-紫羅蘭酮。ZHAO等[6]報(bào)道了ELWE可以促進(jìn)保加利亞乳桿菌的生長(zhǎng),增加衰老小鼠腸道中的細(xì)菌多樣性和厚壁菌門/擬桿菌門的比例。益生菌在生產(chǎn)、加工和消化等過(guò)程中,會(huì)面臨環(huán)境或人類消化的各種壓力。因此,提高益生菌應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫的能力,對(duì)其益生功能的發(fā)揮和工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。通過(guò)研究ELWE對(duì)植物乳桿菌產(chǎn)酸和不同脅迫環(huán)境下活性的影響,可為杜仲葉作為新型食品資源在益生菌產(chǎn)品開發(fā)方面提供參考。
杜仲葉,品種為華仲1號(hào),2021年6月采自國(guó)家林業(yè)局泡桐研究開發(fā)中心的杜仲種植基地;植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum CICC 20022),中國(guó)工業(yè)微生物菌種保藏中心;MRS肉湯、MRS瓊脂培養(yǎng)基,北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司;乙醚,天津市富宇精細(xì)化工有限公司;乳酸(分析標(biāo)準(zhǔn)品,HPLC≥98%)、胃蛋白酶(30 000 U/g)、胰蛋白酶(250 U/mg)、膽酸鈉(豬),上海源葉生物科技有限公司;甲酸、乙酸、2-羥基丁酸(分析標(biāo)準(zhǔn)品,HPLC≥98%)、偏磷酸(分析純),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;2.5%戊二醛,上海麥克林生化科技有限公司。
YXQ-50A型高壓蒸汽滅菌鍋(上海博順醫(yī)用生物儀器有限公司);PSH-3C型pH計(jì)(上海易電科學(xué)儀器有限公司);Agilent 7820A型氣相色譜儀(美國(guó)安捷倫公司);Regulus 8100型高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(日本日立公司);RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞龍生化儀器廠);ST-LS01型水分測(cè)定儀(山東三體儀器有限公司)。
1.3.1 ELWE的制備和成分測(cè)定
杜仲葉經(jīng)50 ℃烘干,粉碎后過(guò)60目篩得到杜仲葉粉。稱取杜仲葉粉5 g和去離子水100 mL,在錐形瓶中混勻后,280 W超聲提取30 min,5 000 r/min離心作用20 min,上清液在50 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮后冷凍干燥,得到ELWE。密封后在-20 ℃的冰箱中儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>
灰分含量參照GB 5009.4-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中灰分的測(cè)定》;蛋白質(zhì)含量參照GB 5009.5-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》;脂肪含量參照GB 5009.6-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測(cè)定》;水分含量采用水分測(cè)定儀測(cè)定;多糖含量采用苯酚硫酸法測(cè)定[7];總酚含量采用福林酚法測(cè)定[8];黃酮含量采用NaNO2-Al(NO3)3法測(cè)定[9]。
1.3.2 植物乳桿菌培養(yǎng)
將保存在甘油中的植物乳桿菌轉(zhuǎn)移到100 mL新鮮MRS肉湯培養(yǎng)基中,并在(37±1) ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h。之后取1 mL該培養(yǎng)基再次轉(zhuǎn)移到新的100 mL MRS肉湯中。同樣方法,獲得2次活化的植物乳桿菌懸浮液備用。將培養(yǎng)基離心作用(4 ℃,7 000 r/min,10 min),用無(wú)菌水洗滌2次,收獲細(xì)菌細(xì)胞;然后向細(xì)菌細(xì)胞加入無(wú)菌水,制成質(zhì)量體積比1:10的細(xì)菌懸浮液備用,細(xì)菌計(jì)數(shù)為6.00 lg CFU/mL。
1.3.3 活菌數(shù)、pH值和乳酸測(cè)定
將制備的ELWE直接添加到MRS肉湯培養(yǎng)基中,以制備20,80,320 mg/mL改良培養(yǎng)基。改良后的培養(yǎng)基在高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌(121 ℃,15 min);然后將植物乳桿菌細(xì)胞懸浮液按照1%接種量依次接種到不同濃度提取物的改良液體培養(yǎng)基中,在37 ℃下培養(yǎng)0,12,24,36,48,60,72 h后分別取樣,進(jìn)行活菌數(shù)、pH值和乳酸含量測(cè)定。
菌落計(jì)數(shù)參考GB 4789.35-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 乳酸菌檢驗(yàn)》;pH值采用pH計(jì)直接測(cè)定;乳酸含量參考RVIZ等[10]的方法,采用氣相色譜測(cè)定。
1.3.4 掃描電子顯微鏡觀察
參照WANG等[11]的描述。將植物乳桿菌在改良培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 h,經(jīng)離心作用(9 000 r/min,4 min)和重懸2次獲得細(xì)胞,將細(xì)胞于4 ℃在體積比為2.5%的戊二醛中固定4 h。隨后用磷酸緩沖鹽溶液(pH=7.2)洗滌細(xì)胞3次,依次用30%,50%,70%,80%,90%乙醇脫水1次,再用無(wú)水乙醇脫水3次。最后用乙酸異戊酯置換2次。將菌液滴在硅片上經(jīng)烘箱(40 ℃,12 h)烘干固定,噴金上樣觀察。
1.3.5 模擬胃腸環(huán)境中的存活率
參考ZOU等[12]描述的方法。將添加胃蛋白酶的改良MRS肉湯培養(yǎng)基的pH值用0.1 mol/L HCl調(diào)節(jié)至2;然后通過(guò)0.22 μm膜對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行過(guò)濾除菌,得到模擬胃液。向改良的MRS肉湯培養(yǎng)基中添加胰蛋白酶和膽鹽,用0.1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH值至8后,通過(guò)0.22 μm膜制備成模擬腸液。將50 μL細(xì)菌懸浮液添加到模擬胃液(5 mL)和腸液(5 mL)中,并在培養(yǎng)箱(37 ℃,3 h)中培養(yǎng)。存活率(N)通過(guò)下式計(jì)算:
式中 N1——培養(yǎng)3 h后的細(xì)胞計(jì)數(shù),CFU/mL;
N0——開始培養(yǎng)時(shí)的細(xì)胞計(jì)數(shù),CFU/mL。
1.3.6 不同脅迫環(huán)境下的耐受性
根據(jù)MA等[13]的方法,分別測(cè)定添加ELWE對(duì)植物乳桿菌在熱脅迫環(huán)境(0,1,2,3 h,50 ℃)、NaCl脅迫環(huán)境(100 g/L,0,12,24 h,37 ℃)、膽鹽脅迫環(huán)境(9 g/L)和冷凍干燥脅迫環(huán)境(60 Pa,-50 ℃,22 h)耐受性的影響,以活菌數(shù)表示。
結(jié)果表示為3次重復(fù)測(cè)定的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(SD)。使用SPSS 26.0軟件進(jìn)行方差分析(ANOVA),P<0.05。
成分測(cè)定表明,ELWE的粗灰分含量最高,為(36.22±0.29) g/(100 g),蛋白質(zhì)和脂肪含量分別為(2.58±0.36),(2.72±0.21) g/(100 g),與王翔等[14]采用相同方法測(cè)得的結(jié)果相比,蛋白質(zhì)和脂肪含量較低。這可能是由于杜仲葉經(jīng)水提取后,其含有的水不溶性蛋白質(zhì)和脂肪成分發(fā)生損失。粗多糖、總多酚和總黃酮的含量顯著高于王翔等[14]報(bào)道的結(jié)果,主要是由于經(jīng)水提取后,水溶性的粗多糖、總多酚和總黃酮類物質(zhì)得到富集,分別達(dá)到(11.27±0.80),(12.06±2.26),(4.87±0.91) g/(100 g)。ELWE既保留了杜仲葉原有的營(yíng)養(yǎng)成分,也使得粗多糖、總多酚和總黃酮含量顯著增加,因此其有作為食品功能因子補(bǔ)充劑的潛力。
添加20,80,320 mg/mL ELWE的培養(yǎng)基中植物乳桿菌的生長(zhǎng)曲線如圖1(a)所示。對(duì)照組在24 h后進(jìn)入穩(wěn)定期,36 h后進(jìn)入衰亡期,60 h后活菌數(shù)迅速下降。ELWE中含有多糖類、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分,可以為菌體提供必要的生長(zhǎng)因子[15]。在發(fā)酵前36 h,與其他組相比,320 mg/mL組的活菌數(shù)沒(méi)有顯著增加,這可能是由于ELWE中含有的大量酚酸類物質(zhì)(如綠原酸等)[16],抑制了植物乳桿菌的生長(zhǎng)。在發(fā)酵36 h后,酚酸類物質(zhì)有可能被植物乳桿菌水解利用,或植物乳桿菌適應(yīng)了酚酸脅迫環(huán)境,因此活菌數(shù)高于其他組。SANTOS等[17]報(bào)道了綠原酸可被乳酸菌水解,以產(chǎn)生肉桂酰酯酶,且當(dāng)綠原酸的濃度下降到足夠低時(shí),植物乳桿菌能夠迅速增殖。因此在發(fā)酵36 h后,320 mg/mL組的活菌數(shù)顯著高于對(duì)照組。
圖1 不同濃度ELWE對(duì)植物乳桿菌活菌數(shù)、pH值和乳酸含量的影響Fig.1 Effects of different concentrations of ELWE on viable count, pH and lactic acid content of Lactobacillus plantarum
改良培養(yǎng)基的pH值的變化如圖1(b)所示。在0~24 h內(nèi),對(duì)照組的pH值迅速下降,表明伴隨植物乳桿菌的增殖產(chǎn)生大量有機(jī)酸。在36 h時(shí),由于植物乳桿菌生長(zhǎng)環(huán)境中的酸度增加,可能抑制了植物乳桿菌的生長(zhǎng)和代謝,導(dǎo)致發(fā)酵后期pH值緩慢下降。與對(duì)照組相比,20 mg/mL ELWE對(duì)植物乳桿菌生長(zhǎng)過(guò)程中pH值的變化沒(méi)有顯著影響。然而,在培養(yǎng)過(guò)程中,改良培養(yǎng)基(320 mg/mL)的pH值較其他組下降更緩慢,且pH值隨著添加提取物濃度的增加而升高,這可能是由于ELWE中含有的一些緩沖鹽物質(zhì)(如鈣鹽和鉀鹽)所致[18]。
不同濃度ELWE對(duì)植物乳桿菌產(chǎn)乳酸的影響如圖1(c)所示。在發(fā)酵前12 h,植物乳桿菌不產(chǎn)生乳酸,之后乳酸含量顯著升高。在36 h時(shí),改良培養(yǎng)基中乳酸含量達(dá)到最高,20,80,320 mg/mL組分別較對(duì)照組(10.41 mmol/L)提高(42.06±0.05)%,(76.01±0.03)%,(111.64±0.07)%。在發(fā)酵中期,植物乳桿菌通過(guò)同型乳酸發(fā)酵,經(jīng)糖酵解途徑產(chǎn)生乳酸,導(dǎo)致培養(yǎng)基中積累大量的乳酸。對(duì)照組和試驗(yàn)組的乳酸含量均在36 h達(dá)到最大值,隨后呈下降趨勢(shì),這和田亞冉[19]的研究結(jié)果一致,且其產(chǎn)乳酸的能力和ELWE濃度呈正相關(guān)。
添加不同濃度ELWE對(duì)植物乳桿菌形態(tài)的影響如圖2所示。對(duì)照組中,植物乳桿菌菌體呈桿狀,普遍偏短,其細(xì)胞表面部分產(chǎn)生輕微褶皺。添加20 mg/mL ELWE對(duì)植物乳桿菌的形態(tài)沒(méi)有影響。添加80 mg/mL ELWE后,植物乳桿菌菌體更加飽滿,表面褶皺消失,菌體略微變長(zhǎng)。添加320 mg/mL ELWE后,植物乳桿菌的菌體仍呈桿狀,但菌體發(fā)生聚集,這可能是由于水提取物濃度過(guò)高,導(dǎo)致菌體形態(tài)發(fā)生改變。馬佳歌等[20]研究發(fā)現(xiàn),在吐溫80脅迫下,植物乳桿菌菌體呈現(xiàn)出細(xì)長(zhǎng)的棒狀,而在葡萄糖脅迫下得到的菌體呈短棒狀或卵圓形。這是因?yàn)樵诓煌臓I(yíng)養(yǎng)脅迫環(huán)境中,植物乳桿菌菌體可以通過(guò)改變菌體形態(tài)來(lái)保證其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝入。添加不同濃度ELWE后,植物乳桿菌的形態(tài)變化并不顯著,但添加高濃度ELWE會(huì)促使菌體發(fā)生聚集,因此可進(jìn)一步推測(cè),菌體聚集對(duì)植物乳桿菌在不同脅迫環(huán)境下的活性可能會(huì)有一定的影響。
圖2 不同濃度ELWE對(duì)植物乳桿菌形態(tài)影響的掃描電鏡圖Fig.2 Effects of different concentrations of ELWE on SEM image of Lactobacillus plantarum
如表1所示,在模擬胃液環(huán)境中發(fā)酵3 h后,對(duì)照組和20 mg/mL ELWE組均未檢測(cè)到植物乳桿菌活菌數(shù),表明該菌對(duì)胃液中胃蛋白酶消化和酸性條件的抵抗力較差,添加低濃度ELWE不能對(duì)處于胃液環(huán)境中的植物乳桿菌起到保護(hù)作用。當(dāng)ELWE濃度達(dá)到80,320 mg/mL時(shí),植物乳桿菌存活率分別達(dá)到87.77%和82.93%,表明提高ELWE濃度能夠改善植物乳桿菌的胃液耐受性。通過(guò)觀察在模擬腸液環(huán)境下發(fā)酵3 h的活菌數(shù)變化,發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌在腸液中的存活率較高。當(dāng)ELWE濃度為20 mg/mL時(shí),活菌數(shù)增長(zhǎng)到6.09 lg CFU/mL,與對(duì)照組相比提高7.06%。且隨著ELWE濃度的增加,活菌數(shù)沒(méi)有顯著差異。
表1 ELWE對(duì)植物乳桿菌胃腸道模擬耐受性的影響Tab.1 Effect of ELWE on gastrointestinal analog tolerance of Lactobacillus plantarum in vitro
相關(guān)研究表明,ELWE通過(guò)影響腸道菌群結(jié)構(gòu)和膽汁酸組成,來(lái)保護(hù)結(jié)腸上皮細(xì)胞的完整性,這種治療作用可能涉及到益生菌在胃腸道中的定植和存活[21]。植物乳桿菌已經(jīng)被證明需要利用不同的糖(如葡萄糖、乳糖、蔗糖和半乳糖)合成胞外多糖[22]。杜仲葉多糖是由高濃度的葡萄糖、半乳糖和甘露糖組成[23],這可能刺激植物乳桿菌產(chǎn)生胞外多糖,從而解釋ELWE對(duì)植物乳桿菌的保護(hù)作用,即植物乳桿菌在胃腸道中的存活率可能與細(xì)胞外有類似胞外多糖作用的多糖濃度有關(guān),這些多糖可以充當(dāng)“盾牌”,減少細(xì)胞與胃腸液環(huán)境的接觸,促進(jìn)植物乳桿菌在不利環(huán)境中的存活。由圖2(d)可以看出,高濃度ELWE培養(yǎng)時(shí),植物乳桿菌發(fā)生了菌體聚集,且聚集后的菌體周圍附著一層類似多糖的黏液,和以上分析結(jié)果一致。
如圖3(a)所示,隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng),植物乳桿菌的存活率下降,但在熱脅迫1~2 h時(shí),各組植物乳桿菌的活菌數(shù)下降幅度較小,這可能是因?yàn)槠浒l(fā)生了熱應(yīng)激反應(yīng),菌體通過(guò)產(chǎn)生熱休克蛋白和調(diào)節(jié)細(xì)胞膜組成成分,短時(shí)間內(nèi)提高了植物乳桿菌的耐熱性[24]。在50 ℃熱脅迫3 h后,各組的活菌數(shù)顯著下降,其中80 mg/mL組的活菌數(shù)顯著高于其他組(P<0.05)。
圖3 ELWE對(duì)植物乳桿菌耐熱性、耐滲透、耐膽鹽和耐冷凍干燥的影響Fig.3 Effects of different concentrations of ELWE on heat,salt,bile salt and freeze-drying resistance of Lactobacillus plantarum
植物乳桿菌的耐滲透性通常以NaCl脅迫表示,植物乳桿菌在10% NaCl脅迫12,24 h環(huán)境中的活菌數(shù)如圖3(b)所示。添加ELWE的各組的活菌數(shù)均顯著高于對(duì)照組(P<0.05),表明ELWE對(duì)植物乳桿菌耐受NaCl脅迫環(huán)境具有保護(hù)效果。然而,隨著ELWE濃度的增加,活菌數(shù)沒(méi)有呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì),反而在高濃度(320 mg/mL)時(shí)略微下降。研究表明,在生長(zhǎng)培養(yǎng)基中添加NaCl能使植物乳桿菌產(chǎn)生滯后生長(zhǎng),而添加ELWE能夠抵消這種滯后效應(yīng),具體原因可能是植物乳桿菌從ELWE中攝取了某些氨基酸,用以維持系統(tǒng)的滲透壓平衡[25-27]。
益生菌在通過(guò)腸道時(shí)主要面臨的是釋放到十二指腸中的膽鹽,采用9 g/L膽酸鈉脅迫12,24 h后的植物乳桿菌活菌數(shù)如圖3(c)所示。在改良培養(yǎng)基(20 mg/mL)中培養(yǎng)12,24 h后,其存活率均能達(dá)到90%以上。這可能是因?yàn)槎胖偃~中含有鐵、鈣等微量元素,從而降低膽鹽螯合金屬離子對(duì)細(xì)胞造成的傷害;同時(shí)水提取物中還含有豐富的氨基酸,被植物乳桿菌代謝后能夠調(diào)節(jié)其細(xì)胞膜脂肪酸組成,從而提高植物乳桿菌的膽鹽耐受性。
不同濃度ELWE對(duì)植物乳桿菌耐受真空冷凍干燥(60 Pa,-50 ℃,22 h)結(jié)果如圖3(d)所示。添加80 mg/mL ELWE時(shí),植物乳桿菌的活菌數(shù)最高,與20,320 mg/mL組沒(méi)有顯著差異,但顯著高于對(duì)照組。相關(guān)研究指出,天冬氨酸可顯著提高某些植物乳桿菌真空冷凍干燥后的存活率,主要是由于天冬氨酸能夠增加肽聚糖、長(zhǎng)鏈脂肪酸、不飽和脂肪酸和環(huán)丙烷脂肪酸等含量,減少冷凍干燥過(guò)程對(duì)植物乳桿菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的損傷[28-29]。由于天冬氨酸是杜仲葉中含量最多的游離氨基酸,因此也使得其成為ELWE中可能提高植物乳桿菌凍干存活率的原因之一。
ELWE對(duì)植物乳桿菌的活菌數(shù)和產(chǎn)酸性能有積極影響。在改良培養(yǎng)基(20,80,320 mg/mL)中培養(yǎng)48 h時(shí),植物乳桿菌的活菌數(shù)分別為(8.92±0.08),(8.84±0.11),(9.11±0.03) lg CFU/mL,顯著高于對(duì)照組[(8.00±0.04) lg CFU/mL];在改良培養(yǎng)基中培養(yǎng)36 h時(shí),乳酸含量分別提高(42.11±0.05)%,(76.05±0.03)%,(111.64±0.07)%。在改良培養(yǎng)基(80,320 mg/mL)中,植物乳桿菌的菌體更加飽滿,且高濃度ELWE能夠使菌體發(fā)生聚集,導(dǎo)致菌體形態(tài)發(fā)生改變。
不同濃度的ELWE對(duì)植物乳桿菌在脅迫環(huán)境中的保護(hù)作用存在一定差異。在胃液環(huán)境的脅迫下,80 mg/mL處理組的對(duì)數(shù)存活率能夠達(dá)到87.77%(3 h)。在熱脅迫(3 h,50 ℃)、NaCl脅迫(10%,24 h)、膽鹽脅迫(0.9%,24 h)和真空冷凍干燥脅迫(60 Pa,-50 ℃,22 h)環(huán)境中,80 mg/mL ELWE對(duì)植物乳桿菌的保護(hù)效果最優(yōu),其活菌數(shù)可分別保持在(5.67±0.01),(8.16±0.01),(7.65±0.12),(7.78±0.03)lg CFU/mL。因此,不同脅迫環(huán)境中,植物乳桿菌益生特性的改善與ELWE的濃度有關(guān)。ELWE在不同脅迫環(huán)境中對(duì)菌體保護(hù)的最適濃度需要進(jìn)一步研究。此外,目前杜仲葉功能成分分離和純化仍有局限性,而其水提取物更易獲得,這將有利于其在益生菌等保健食品領(lǐng)域中的應(yīng)用。