焦月華,張?zhí)m威,易華西,張莉麗,馬 微
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150090;2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)藥物安全性評(píng)價(jià)中心,哈爾濱 150040;3.黑龍江出入境檢驗(yàn)檢疫局,哈爾濱 150001)
膽固醇是人體不可缺少的營養(yǎng)成分,但膽固醇過高或過低都會(huì)影響人的身體健康,尤其是高膽固醇,是引發(fā)人腦血管疾病的主要危險(xiǎn)因子之一。目前研究表明,一些人體內(nèi)乳酸菌及來自發(fā)酵食品的乳酸菌具有降膽固醇功能[1-3]。張佳程、薄金嶺、呂兵等分別研究了一些乳酸菌可降低食物中膽固醇含量[4-6],并從不同的食品中篩選出一些具有較好降膽固醇作用的菌株。Pereira研究了分離自人體腸道中的乳酸菌和雙歧桿菌的膽固醇同化能力[1]。El-Gawad用飼喂高脂飼料的大鼠證實(shí)了酸奶和發(fā)酵豆奶中的雙歧桿菌的對(duì)膽固醇血癥的作用[2]。在這些研究中,乳桿菌和雙歧桿菌表現(xiàn)出了明顯的降低膽固醇的能力。前人在乳酸菌降膽固醇的研究方面做了大量工作,以期獲得優(yōu)良適合作為益生菌的菌株。因此,本研究以分離于甘肅的酸牦牛奶中的23株乳酸菌為研究對(duì)象,擬對(duì)不同菌株的體外同化膽固醇效果進(jìn)行測(cè)定,以期篩選出具有較好降膽固醇特性的益生菌菌株應(yīng)用于實(shí)踐。
1.1.1 菌種
23株供試乳酸菌從采樣于甘肅牧民家庭制作的酸牦牛奶中分離得到;嗜酸乳桿菌(Ac)由科漢森發(fā)酵劑分離得到,本實(shí)驗(yàn)室保存。
1.1.2 試劑與培養(yǎng)基
牛膽汁(OXGALL)、膽酸、?;敲撗跄懰徕c(TDCA)、甘膽酸鈉(TCA)(SIGMA 公司)、膽固醇,所用試劑均為分析純或優(yōu)級(jí)純。所用培養(yǎng)基均是按照凌代文等的方法配制[7]。
膽固醇濃縮液[8]:N,N-二甲基甲酰胺10 mL,0.5 mL吐溫80,膽固醇0.5 g,充分混合后121℃滅菌20 min。
膽固醇標(biāo)準(zhǔn)液[9]:用正己烷定容配制1 mg·mL-1的膽固醇標(biāo)準(zhǔn)液。
鄰苯二甲醛冰醋酸溶液(0.5 g·L-1)[10]:0.250 g鄰苯二甲醛,用冰醋酸定容于500 mL的容量瓶中,使用當(dāng)天配制。
1.1.3 主要儀器設(shè)備
TGL-16LG高速冷凍離心機(jī)(湖南星科),756PC型紫外可見分光光度計(jì)(上海光譜),DHP9272電熱恒溫培養(yǎng)箱(上海一恒),pH計(jì)(德國賽多利斯PB-10),厭氧培養(yǎng)箱(美國THERMO Forma 1029),超凈工作臺(tái)(蘇州安泰SW-CJ-IFO)。
1.2.1 菌株的培養(yǎng)
乳酸菌在傳代培養(yǎng)、活化后,用MRST[11]液體培養(yǎng)基37℃培養(yǎng)20 h。
1.2.2 乳酸菌菌株去除膽固醇的實(shí)驗(yàn)
將已滅菌的膽固醇濃縮液分別加入MRST培養(yǎng)基和MRST-O(MRST培養(yǎng)基中添加0.3%的牛膽汁)培養(yǎng)基使其濃度達(dá)到100 μg·mL-1,1%接種目的菌,37℃培養(yǎng)20 h。然后將菌液在4℃,5 200×g條件下離心10 min[11]。取1.0 mL上清液,用鄰苯二甲醛法測(cè)定膽固醇的量[12],根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品中膽固醇含量。
膽固醇同化量[10(]mg·g-1)=
C1、C2分別是0 h時(shí)和20 h時(shí)的膽固醇含量(mg);
W1、W2分別是0 h時(shí)和20 h時(shí)的菌體干重(g)。
1.2.3 死亡菌體的降膽固醇試驗(yàn)
菌株經(jīng)MRST培養(yǎng)基37℃培養(yǎng)20 h后于1 000×g,4℃離心10 min。滅菌水洗滌2次,用5 mL滅菌水懸浮,121℃滅菌15 min,制備熱致死菌體。將熱致死菌體加入到含有0.3%(W/V)牛膽汁和膽固醇的培養(yǎng)基中。同時(shí),對(duì)熱致死菌體進(jìn)行平板計(jì)數(shù),以確定滅菌效果。37℃培養(yǎng)20 h后,測(cè)量培養(yǎng)液中膽固醇的含量[13]:
A=100-[100-(B/C)×100]
其中,A-膽固醇降低率(%);
B-接種目的菌的培養(yǎng)液中膽固醇含量(mg);
C-沒有接種目的菌的培養(yǎng)液中的膽固醇含量(mg)。
1.2.4 膽鹽水解活性的測(cè)定
用滅菌的濾紙片沾取培養(yǎng)過夜的受試菌株(1×108~1×109cfu·mL-1)加入到添加 0.5%TDCA(W/V)和0.37 g·L-1CaCl2的固體培養(yǎng)基中,37℃厭氧培養(yǎng)72 h,有沉淀區(qū)形成則認(rèn)為有膽鹽水解活性(BSH陽性)[14]。用不加TDCA的培養(yǎng)基作對(duì)照,每株菌重復(fù)3次。
1.2.5 膽鹽耐受性
參照文獻(xiàn)[10]的方法,使用三種形式的膽鹽:牛膽汁、膽酸、甘膽酸鈉來測(cè)試各菌株的膽鹽耐受性。
1.2.6 統(tǒng)計(jì)與分析
采用SPSS11.0軟件ANOVA對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,差異顯著性比較,平均數(shù)用LSD進(jìn)行多重比較。
膽固醇含量與吸光值關(guān)系結(jié)果見圖1。
得到一元回歸方程:y=0.1946x+0.0016(R2=0.9994)
其中,y代表膽固醇含量,x代表吸光值,R2=0.9994線性關(guān)系良好,說明該方法有著較高的準(zhǔn)確度,適合用來測(cè)定膽固醇的含量。
圖1 膽固醇含量標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve about the amount of cholesterol
在不同pH條件下,所用牛膽汁對(duì)培養(yǎng)基中膽固醇的含量影響(見表1)不顯著(P>0.05),說明培養(yǎng)基中加入的牛膽汁所含的游離的膽酸鹽含量極低或者不含有游離膽酸,培養(yǎng)基中的膽固醇并沒有在酸性條件下與游離膽酸共沉淀。該結(jié)論說明下述試驗(yàn)中膽固醇減少的量是由于菌株同化作用,而非pH影響。
表1 不同pH對(duì)培養(yǎng)基中膽固醇含量的影響(±S,n=3)Table 1 Effect of pH on the content of cholesterol in media
表1 不同pH對(duì)培養(yǎng)基中膽固醇含量的影響(±S,n=3)Table 1 Effect of pH on the content of cholesterol in media
注:中同列數(shù)據(jù)肩注標(biāo)有相同字母者表示差異不顯著(P>0.05)。Note:Means with the same superscripts in the same column differ insig nificantly(P>0.05).
MRSTO-C培養(yǎng)基MRSTO-C media pH4.5 pH6.0膽固醇含量(μg)Content of cholesterol 98.94±1.45a 99.56±2.04a
由酸牦牛乳中分離的23株乳酸菌以及嗜酸乳桿菌(Ac)培養(yǎng)20 h后同化膽固醇的量見表2。
結(jié)果表明,所有的菌株都具有一定降低膽固醇的能力,每克菌體干重減少的膽固醇量在0.58~10.537 mg。在23株菌中,除832在兩種培養(yǎng)基中同化膽固醇量差異不大外,J9、I10、H11、E16、L18、67、271和AC這8株菌在添加牛膽汁時(shí)同化膽固醇量高于未添加牛膽汁的對(duì)照組,其余14株菌則與此相反。一般來說,適當(dāng)增加膽鹽濃度可以提高菌體細(xì)胞壁的通透性,使固醇類物質(zhì)滲入細(xì)胞內(nèi)部,引起環(huán)境中膽固醇濃度下降;而膽鹽濃度過高,則抑制細(xì)菌的生長,不利于菌體細(xì)胞對(duì)膽固醇的吸收[1]。Liong等的研究中11株嗜酸乳桿菌和干酪乳桿菌在0.3%存在時(shí)8株菌同化膽固醇的量高于對(duì)照組,只有3株菌對(duì)照組中的量較高[10]。
Dora對(duì)19株菌培養(yǎng)12 h后,除Lactobacillus crispatus ATCC 33820和Enterococcus durans ATCC 59607沒有在培養(yǎng)基中生長外[11],其他菌株每克菌體干重對(duì)膽固醇的同化量為0.09~29.73 mg,大多數(shù)在添加0.4%牛膽汁的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的菌株同化膽固醇得量高于對(duì)照組。
上述兩個(gè)結(jié)論均是多數(shù)菌在添加牛膽汁培養(yǎng)基中在同化膽固醇量高于對(duì)照組,在本研究中卻表現(xiàn)為少數(shù)菌,是因?yàn)榕D懼瓕?duì)菌株降低膽固醇的影響具有菌株特異性。特異性可能與菌種來源、生長條件有關(guān),此次試驗(yàn)所用菌種并非來源于人體腸道(膽鹽水平為0.3%~0.5%),也沒有經(jīng)過牛膽汁的馴化,故0.3%牛膽汁對(duì)多數(shù)受試菌的生長有較大影響。
通過顯著性分析可知,W2在兩種培養(yǎng)基中沒克菌體干重同化膽固醇的量分別為10.537和9.460 mg,都顯著高于其他菌株,在不加牛膽汁的培養(yǎng)基中,每克菌體干重降膽固醇能力強(qiáng)弱依次:W2>H1>J2>G17>H11>A6>M12>E5>67>AC,在加牛膽汁的培養(yǎng)基中,每克菌體干重降膽固醇能力強(qiáng)弱依次:W2>AC>H11>271>67>J2>A6>J9>E16>411>I10。
為了探究死亡的菌體細(xì)胞是否具有同化膽固醇的能力,熱致死菌體與正常菌體細(xì)胞對(duì)膽固醇的同化率對(duì)比見圖2。
表2 不同菌株降膽固醇能力及牛膽汁對(duì)其影響(±SD,n=3)Table 2 Cholesterol removal ability of different strains and the the effect of oxgall on it
表2 不同菌株降膽固醇能力及牛膽汁對(duì)其影響(±SD,n=3)Table 2 Cholesterol removal ability of different strains and the the effect of oxgall on it
注:#為0 h與20 h時(shí)MRST培養(yǎng)基中生長的菌體干重之差(g)?!鶠?0 h時(shí)受試菌上清液在550 nm波長處的吸光值與不接種的空白培養(yǎng)基吸光值之差?!鲗ⅰ械闹荡敕匠蘺=0.196x+0.0016計(jì)算降低的膽固醇量(mg)?!锿涣袠?biāo)注不同字母表示差異顯著(P<0.05)。note:#indicates the differential dry weight of the strain grown for 0 h and 20 h in MRST media.※indicates the difference value of OD550 is the result value of the subtraction of the media without innoculant from the supernate of the strains grown for 20 h.△indicates the results come from the equation y=0.196x+0.0016 when※ instead of x.★ means with different superscripts in succession differ significantly(P<0.05).
測(cè)定值(MRST)Measured value 測(cè)定值(MRSTO)Measured value 菌體同化膽固醇結(jié)果★(mg·g-1)Results of cholesterol removal菌株Strains MRST MRSTO H1 J2 F3 E4 E5 A6 C7 J9 I10 H11 M12 N13 B14 D15 E16 G17 L18 67 271 411 832 Q9 W2 AC菌體干重增量#(g)Increased dry weight 0.0045 0.0026 0.0090 0.0066 0.0035 0.0032 0.0124 0.0102 0.0076 0.0019 0.0088 0.0057 0.0066 0.0031 0.0150 0.0039 0.0119 0.0024 0.0024 0.0028 0.0066 0.0074 0.0086 0.0118 OD550增量※Increased value of OD550-0.070-0.032-0.047-0.002-0.015-0.024-0.047-0.041-0.032-0.015-0.055-0.013-0.010-0.011-0.064-0.047-0.004-0.007-0.004-0.025-0.024-0.016-0.147-0.064同化膽固醇量△(mg)Content of cholesterol assimilation 0.0457 0.0235 0.0322 0.0060 0.0136 0.0188 0.0322 0.0287 0.0235 0.0136 0.0369 0.0124 0.0106 0.0112 0.0422 0.0322 0.0071 0.0089 0.0071 0.0194 0.0188 0.0141 0.0906 0.0422菌體干重增重#(g)Increased dry weight 0.0087 0.0028 0.0028 0.0133 0.0033 0.0021 0.0116 0.0067 0.0049 0.0028 0.0161 0.0090 0.0144 0.0069 0.0089 0.0032 0.016 0.0019 0.0022 0.0125 0.0055 0.0089 0.006 0.0031 OD550增量※Increased value of OD550-0.032-0.027-0.003-0.005-0.002-0.009-0.009-0.045-0.023-0.034-0.013-0.02-0.009-0.023-0.062-0.006-0.050-0.020-0.024-0.084-0.019-0.002-0.089-0.041同化膽固醇量△(mg)Content of cholesterol assimilation 0.0235 0.0206 0.0066 0.0077 0.0060 0.0101 0.0101 0.0311 0.0182 0.0246 0.0124 0.0165 0.0101 0.0182 0.0410 0.0083 0.0340 0.0165 0.0188 0.0538 0.0159 0.0060 0.0568 0.0287 10.148±0.741a 9.031±0.093b 3.582±0.270fg 0.904±0.088k 3.873±0.231f 5.879±1.156e 2.600±0.354ghi 2.810±0.059 ghi 3.090±1.163 hi 7.135±0.216d 4.194±0.208f 2.174±0.231i 1.612±0.079j 3.620±0.085fg 2.811±0.078hi 8.266±1.095c 0.600±0.141k 3.703±0.073fg 2.973±1.090 ghi 6.927±0.100d 2.850±1.090hi 1.911±0.073i 10.537±2.514a 3.573±0.149fg 2.699±0.213d 7.344±0.597b 2.340±1.170d 0.580±0.014e 1.808±1.076de 4.788±1.221c 0.867±0.139e 4.637±1.071c 3.720±0.673c 8.803±1.380ae 0.770±0.120e 1.831±0.305de 0.698±0.069e 2.642±1.182d 4.606±1.349c 2.595±1.074d 2.124±1.441de 8.672±2.172b 8.551±1.304b 4.307±0.288c 2.889±0.135c 0.671±0.091e 9.460±1.170a 9.270±1.309a
圖2 熱致死菌體對(duì)膽固醇的同化能力Fig.2 Cholesterol assimilation of strains heat killed
通過平板計(jì)數(shù),證實(shí)菌株在121℃15 min高壓滅菌后,已全部死亡。熱致死菌體對(duì)膽固醇的同化率在0.3%~17.1%之間,正常菌體細(xì)胞對(duì)膽固醇的同化率在2%~70%范圍內(nèi),乳酸菌的活菌對(duì)同化膽固醇的能力顯著強(qiáng)于熱致死菌體,Liong[10]及Kimoto等的試驗(yàn)表明乳酸菌的活菌體同化的膽固醇的能力顯著高于熱致死菌體及休眠菌體[14],與本試驗(yàn)結(jié)果一致,說明菌體可以代謝膽固醇[15],菌體細(xì)胞對(duì)膽固醇的同化吸收在膽固醇的去除中起主要作用。
表3 不同菌株的膽鹽水解活性Table 3 Bile salt hydrolase activity of different strains
綜合考慮菌種同化膽固醇的能力及對(duì)抑制腸道病原菌的抑制效果(數(shù)據(jù)未列出)我們選擇H1、H11、E16、L18、W2、E4、J9、I10、67和271進(jìn)行膽鹽水解酶活性試驗(yàn)及膽鹽耐受性試驗(yàn)。膽鹽水解酶活性是膽固醇降低的關(guān)鍵因素。乳酸菌產(chǎn)生的膽鹽水解酶(Bile salt hydrolase,BSH)可以使結(jié)合態(tài)膽酸(鹽)分解為游離膽酸。膽鹽經(jīng)水解后溶解度下降,從而致使膽固醇也一同沉淀下來(因膽固醇的溶解度取決于膽鹽的溶解度);膽鹽水解酶作用后產(chǎn)生的解離態(tài)的膽酸在大腸內(nèi)不被重復(fù)吸收而由糞便排出,膽酸的排出導(dǎo)致其在腸肝系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)減少,從而增加了膽酸的生物合成。添加0.5%(W/V)?;敲撗跄懰徕c(TDCA)和0.37 g·L-1CaCl2的固體培養(yǎng)基上測(cè)試這10株菌的BSH活性,其中H1、J9、I10、H11、L18和W2菌的紙片周圍產(chǎn)生了明顯的沉淀圈,證明其BSH陽性。但是,沉淀圈直徑均小于15 mm,說明其酶活性較低。
牛膽汁、膽酸、TCA對(duì)受試菌生長的影響結(jié)果見表4。
表4 不同菌株對(duì)不同膽鹽的耐受性的影響(±S,n=2)Table 4 Effect of different bile salt tolerance on different strains
表4 不同菌株對(duì)不同膽鹽的耐受性的影響(±S,n=2)Table 4 Effect of different bile salt tolerance on different strains
注:ABCD:同一列標(biāo)注不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01);abcd:同一行標(biāo)注不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05);*波長620 nm吸光值增長0.3的單位所用的時(shí)間(h)。Note:ABCD Means in the same row followed by different lowercase letters are significant extremely difference(P<0.01);abcd Means in the same column followed by different uppercase letters are significantly different(P<0.05);*Time(h)required to increase by 0.3 absorbance units at 620 nm in each medium.
H1 E4 J9 I10 H11 D15 E16 L18 W2 67 MRS(h*)4.03±0.06Aa 4.13±0.06Aa 4.56±0.07BCa 4.13±0.06Aa 4.4±0.10Ba 4.23±0.10Ba 5.13±0.15Da 4.83±0.21Da 4.63±0.05Ca 5.13±0.49Da MRS+TCA(h)9.67±0.03ABc>10Ec 9.76±0.03BCd 9.67±0.03ABc 9.96±0.03Dc 9.86±0.03Cd 9.83±0.03Cb 9.63±0.03Ac 9.67±0.03ABd>10Ec LT(h)5.64-5.20 5.6 5.54 5.56 4.7 4.8 5.04-MRS+OXGALL(h)7.83±0.06Cb 7.76±0.09Cb 8.16±0.12Dc 7.43±0.12ABb 7.63±0.12BCb 7.8±0.1Cc>10Ec 7.73±0.12Cb 7.36±0.15Ac>10Ec LT(h)3.8 3.63 3.6 3.3 3.23 3.57-2.9 2.73-MRS+BILE ACID(h)7.76±0.09Cb 7.87±0.13Cb 6.56±0.07Bb 6.33±0.09Bb 8.00±0.12ACb 6.16±0.09Ab 9.16±0.09Db 6.5±0.06Bb 6.17±0.12Ab 9.03±0.07Db LT(h)3.73 3.74 2 2.2 3.6 1.93 4.03 1.67 1.54 3.9
培養(yǎng)基中添加各膽酸鹽后,測(cè)量觀察各培養(yǎng)基pH隨培養(yǎng)時(shí)間的變化。pH降低最多的是在添加牛膽汁培養(yǎng)基中培養(yǎng)的W2(1.16)。盡管添加膽酸的一組初始pH最低,但是pH降低的平均值最大的一組是添加牛膽汁組(4.76),添加TCA的一組pH降低的最少(2.88)。這些發(fā)現(xiàn)表明,添加不同膽酸鹽的培養(yǎng)基的初始pH對(duì)隨后的菌種的生長、膽鹽耐受性及與pH相關(guān)的膽鹽抑制效果的影響是很小的。所有菌種在不含膽酸鹽的培養(yǎng)基中生長的更好;相對(duì)于含牛膽汁的培養(yǎng)基,大多數(shù)菌種在含膽酸的培養(yǎng)基中生長的更快一些,在含TCA的培養(yǎng)基中生長的更慢一些。
在對(duì)0.3%的膽酸,0.3%的牛膽汁及0.3%的?;悄懰徕c的耐受能力比較分析得出,各種形式的膽酸鹽均對(duì)乳酸菌的生長有抑制作用,抑制順序由強(qiáng)到弱依次為:TCA>BILE ACID>OXGALL。
由表4中各菌種的延時(shí)時(shí)間(LT)可見,E16和L18耐TCA能力最強(qiáng),E4和67對(duì)TCA更為敏感;對(duì)牛膽汁的耐受性則是W2、L18較強(qiáng),E16和67較弱;對(duì)膽酸而言,不同菌株對(duì)膽酸的耐受性差異很大,延時(shí)時(shí)間在1.54(W2)~4.03(E16)之間變化。膽鹽耐受力是益生菌的重要特征之一,其耐受力高低意味著該菌株在腸道中的存活能力的強(qiáng)弱。而通過比較表4和表1發(fā)現(xiàn),菌株對(duì)膽鹽的耐受能力與降低膽固醇能力沒有直接相關(guān)性。綜合對(duì)比表1、3和4,篩選出具有較好益生特性的菌株H1、I10和W2。
本研究證實(shí)了牛膽汁的確能夠促進(jìn)乳酸菌對(duì)膽固醇的降解率[1],但是也有部分菌株在不添加牛膽汁的的情況下也能降低膽固醇,這可能與細(xì)菌產(chǎn)胞外多糖的能力有關(guān),因?yàn)門ok等發(fā)現(xiàn)L.delbrueckiissp Bulgaricus降低培養(yǎng)基中的膽固醇的能力與細(xì)菌產(chǎn)胞外多糖的能力成正相關(guān)[16]。他們推測(cè)培養(yǎng)基中膽固醇的減少可能是由細(xì)菌的胞外多糖對(duì)培養(yǎng)基中的膽固醇產(chǎn)生了黏附。
另外本研究還發(fā)現(xiàn)很多菌株的活體細(xì)胞比熱致死細(xì)胞降低膽固醇的能力更強(qiáng),與Liong[10]及Kimoto等[14]的結(jié)論一致,這說明細(xì)菌除了可以通過共沉淀方式脫除培養(yǎng)基中的膽固醇外,同化吸收發(fā)揮了更為重要的作用,同化吸收中細(xì)胞壁的吸附作用、細(xì)胞膜的吸收作用、細(xì)胞質(zhì)的積累作用還是以上三種方式的共同起作用還有待進(jìn)一步的研究。
目前,心腦血管疾病已成為我國居民死亡了主要因素[17],而高血清膽固醇水平是造成心腦血管疾病的重要因素之一,因此具有降膽固醇功能的益生菌也就制劑將越來越受到人們的青睞。因此本研究通過科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法,篩選出在體外具有膽鹽耐受性的降解膽固醇特性的潛在益生菌株,在進(jìn)行進(jìn)一步研究后將有選擇的用于生產(chǎn)實(shí)踐,造福人類,從而發(fā)揮它們良好的發(fā)酵特性和益生作用。
經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)活的菌體細(xì)胞對(duì)膽固醇的同化吸收在降低膽固醇中起主要作用。菌株的耐膽鹽能力與降低膽固醇能力沒有直接相關(guān)性。通過對(duì)降膽固醇、BSH及對(duì)各種膽鹽的耐受性綜合比較選出H1、I10、W2三株菌,可以作為降低人體血清膽固醇水平的候選菌株,應(yīng)用于發(fā)酵食品或其他微生態(tài)制劑。
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