喀麦隆吉昌大学Pierre Marie Kaktcham
团队最新研究成果
Probiotic characterisation of Lactiplantibacillus plantarum LO3 and use in the development of a golden apple-based non-dairy probiotic beverage
植物乳杆菌的益生菌特性研究及其在非乳制品益生菌饮料开发中的应用
原文链接
https://doi.org/10.1007/s43393-024-00251-1
在全球健康领域，益生菌在提高人体健康和预防疾病方面的潜力日益受到人们重视。尤其是在低收入国家，传统乳制品的添加益生菌营养方案更是难以普及。为解决这一问题，作者在本研究中提出了一种益生菌添加的非乳制品饮料开发新策略，以在黄金苹果汁中添加L. plantarum LO3为例，探索了其作为替代健康饮品的可行性。作者采用定量微生物学方法评估了L. plantarum LO3在不同温度条件下的生物活性及其在黄金苹果汁中的稳定性，同时对饮料的营养和感官特性进行了综合分析。
实验结果表明，在模拟消化环境下，L. plantarum LO3表现出了较高的存活率，并对某些特定病原菌具有明显的抑制共聚能力。当添加进黄金苹果汁中后，该菌株在大部分检测时点上的数量显著超过了最初的添加浓度，这一发现验证了其在饮料基质中具备良好的生长潜力。尽管随着存储时间的延长，抗坏血酸的含量有所下降，但通过DPPH自由基清除实验评估的结果显示，这种富含益生菌的饮料展现了较强的抗氧化能力。此外，存储温度对饮料中的碳水化合物及纤维含量有显著影响。从感官评价角度来看，L. plantarum LO3对提升饮料的味道和颜色具有正面影响。这些结果一方面展示了L. plantarum LO3作为功能性饮料添加剂的潜力，另一方面也为进一步研究提供了科学依据。
因此，作者认为黄金苹果汁不仅能有效作为L. plantarum LO3的载体，提供良好的生物活性保持，还能在保证营养和感官品质的同时，为低收入国家的消费者提供一个经济实惠的益生菌饮料选择。该研究为非乳制品益生菌饮料的开发提供了科学依据，强调了创新解决方案在促进全球公共健康领域的重要性，展现了在全球范围内解决益生菌可接受性和可获取性挑战的潜在路径。
研究背景
在当今社会，由食物引起的非传染性疾病正处于复苏之中，这促使消费者日益关注食品的质量与功能，纷纷转向所谓的健康或功能性食品的消费。功能性食品，无论是天然的还是加工的，都富含已知或未知的非毒性生物活性化合物，而且这些化合物在合适剂量下都证明对预防、管理或治疗慢性疾病具有益处。这些功能食品的作用是通过引入一个或多个生物活性化合物，如膳食纤维、低聚糖、多酚、维生素、益生菌等实现的。其中益生菌是在适量摄入时，为宿主提供益处的非致病性活微生物，它们能调节肠道微生物群并调节免疫系统，可作为高血压、高胆固醇、癌症和胃肠道疾病辅助治疗的手段。L. plantarum 是广泛使用的益生菌菌株之一。由于益生菌易于培养且按需可用，这些微生物可以被添加到食品或饮料中，使其具有功能性。同时在这些营养基质中，它们需要保持足够的活性和适当的生存能力，以发挥其功能效果。
虽然益生菌对健康极有益处，但因面临高成本、消费量不足以及特定人群（如乳糖不耐症患者，这一情况在全球范围内可能影响高达70%的人口，还有素食者）的使用障碍，如过敏反应、高胆固醇和血脂问题，其益处大多被限制在一小部分人群中，主要是那些能够消费乳制品的人。此外，2019年的研究显示，乳制品消费与非传染性疾病的高发有一定关联。面对这些挑战，研究人员开始寻求非乳源的替代品，探索它们作为携带益生菌的潜力，其中包括各种水果汁、蔬菜、谷物和豆类。特别地，水果汁因其丰富的营养价值，包括可发酵糖、膳食纤维、矿物质和维生素，加之它们被各个年龄层和不同背景的人广泛接受，被认为是特别有利的益生菌介质。这项研究不仅展现了非乳制品作为益生菌载体的巨大潜力，也为益生菌产品的市场拓展提供了新思路，使得更广泛的人群能够享受到益生菌带来的健康益处。
科学发现
作者深入探讨了L. plantarum LO3菌株作为益生菌的特性，特别关注了其在酸性和胆汁盐环境中的耐受性。益生菌的选择标准之一是其必须能够抵御消化道内各种化学障碍。乳酸菌，尤其是Lactiplantibacillus plantarum种的成员，能够在低pH值和胆汁盐存在的环境中生存。作者在在pH值为2和3的实验条件下评估了L. plantarum LO3的耐酸能力。结果表明，在pH=3的条件下，该菌株的存活率显著高于在pH=2的条件下，并且随时间的延长存活率逐渐降低。相较于pH 2条件下的41.52 ± 0.11%和33.45 ± 0.61%的存活率，pH 3条件下2小时和5小时的存活率分别为94.33 ± 0.05%和87.31 ± 0.61%。此外，胆汁盐的存在对L. plantarum LO3的生存未产生负面影响，其存活率达到110.83 ± 0.11%。这与Boudjelthia等人的研究一致，他们发现从发酵牛奶中分离的乳酸菌在模拟胃部环境下的存活率介于80到100%之间。这种酸耐性涉及到多种防御机制，如质子泵的激活、细胞膜组成的改变和通过精氨酸脱氢酶系统的作用进行中和。此外，研究还表明，益生菌在胆汁盐存在的环境中能够生长，这归功于它们能合成并分泌胆汁盐水解酶，该酶能分解结合胆汁盐，释放出甘氨酸和牛磺酸，从而减少其去污作用。这表明L. plantarum LO3有望在食品加工中可以被添加进酸性基质中保持其预期的益生效果。
图二 不同温度下黄金苹果汁中L. plantarum LO3细胞数
作者分析了L. plantarum LO3在模拟胃液（SGJ）和模拟肠液（SIJ）中的耐受性，以此评估其作为益生菌通过人体胃肠道化学屏障的能力。通过对该菌株在SGJ和SIJ环境下经过2小时和4小时的生存率进行评估，结果显示在SGJ处理后，L. plantarum LO3的存活率分别达到了102.30 ± 3.67%和101.90 ± 4.31%，展现出极强的抗酸性。在SIJ条件下，经过1小时和2小时的处理，其存活率虽有轻微下降，分别为99.89 ± 0.28%和97.00 ± 0.29%，但依然维持在高水平，证明了其对胃肠道环境的良好适应性。这一发现与Kaktcham等人的研究成果相吻合，他们研究的几种乳酸菌，包括Lactobacillus plantarum、Levilactobacillus brevis和Lactococcus lactis subsp. lactis，在相似条件下也显示出了良好的生存率。进一步地，从不同果蔬（如芒果、菠萝、泡菜）中分离的乳酸菌亦表现出对胃肠道条件的强大耐受性。因此，L. plantarum LO3具备的这些特性，使其能够有效地穿越胃和肠道的化学屏障，达到其在人体内发挥益生效用的目标区域。
表一 30℃和 4℃下保存的黄金苹果汁样本的理化特性
作者随后分析了L. plantarum LO3菌株的自聚合与共聚合能力，这两项特性是判断益生菌在附着于宿主肠道粘膜和抑制病原体方面能力的关键指标。自聚合指的是同种细胞间通过聚集黏附而形成的聚合体，而共聚合则涉及到不同种类细胞间的聚集现象。L. plantarum LO3在2小时、4小时及6小时后的自聚合率分别达到24.52 ± 1.03%、31.84 ± 0.46%和40.00 ± 1.26%。另外，L. plantarum LO3还显示出与五种不同致病菌株黏附的能力，共聚合率对Listeria innocua为13.08 ± 0.75%、Staphylococcus aureus为15.76 ± 0.54%、Salmonella Typhimurium为16.67 ± 0.86%、Vibrio parahaemolyticus为22.05 ± 2.02%、Escherichia coli为23.43 ± 3.37%。这种共聚合机制是一种通过益生菌与致病菌之间的结合发挥拮抗作用的潜在方式，能够促使致病菌的排除。聚合作用主要依赖于表面分子，如蛋白质、碳水化合物和脂多糖酸等，帮助益生菌覆盖在肠道粘膜上，从而限制病原体的生长和扩散。通过这些研究成果，L. plantarum LO3展现了其作为益生菌的潜力，特别是在通过自聚合和共聚合作用实现肠道细胞黏附和病原体抑制方面，为其在食品工业中的进一步应用提供了坚实的科学基础。
在L. plantarum LO3的亲水性方面，该菌株展示了对二甲苯和甲苯的中等粘附能力，分别达到了20.83 ± 0.86%和28.50 ± 1.60%的粘附百分比。这表明L. plantarum LO3细胞表面具有中等亲水性，对甲苯（相比二甲苯具有更低的极性）显示出更强的亲和力。虽然该菌株与烃类化合物的粘附能力较弱，但这不代表其与肠道黏膜细胞的亲和力同样弱。这种能力对于益生菌来说极为关键，因为它促成了益生菌与宿主细胞的初次接触，有助于益生菌在肠道内的定居，从而延长其在肠道中的停留时间，并减少其通过肠道蠕动作用被排除出体外的可能。
益生菌的使用安全性是其在人类或动物中应用的前提。L. plantarum LO3通过了抗生素敏感性测试、溶血活性和明胶酶活性筛查，以及生物胺生成潜力的评估，表现出对各类抗生素（包括作用于细胞壁的青霉素G和氨苄西林，以及抑制蛋白质合成的链霉素、四环素、庆大霉素、红霉素和氯霉素）的敏感性，同时不产生溶血素、明胶酶或生物胺，没有致病因子的存在。这些特性说明了L. plantarum LO3是一个安全使用的益生菌候选菌株，其不仅在亲水性方面表现出适度的特性，有助于在肠道中的附着和定居，同时还满足了使用益生菌所必需的安全性标准。
作者探讨了黄金苹果汁在添加L. Plantarum LO3后，在30°C和4°C下储藏期间物理化学和感官特性的变化。研究发现，无论储存温度如何，果汁的pH值都会持续增加直到第24天，之后显著下降。接种LO3的果汁在大多数储存时间点的pH值显著高于对照组，尤其在4°C下储存的果汁酸度降低更为明显。这一现象可以归因于L. plantarum菌株的酶促作用，该菌株能将苹果酸转化为酸度较低的乳酸。此外，4°C下果汁pH值的较大增加与该温度下菌株的低发酵活性有关。这些结果与之前的研究一致，表明L. plantarum LO3菌株能够在果汁酒生产中引起pH值增加。
图二 添加L. plantarum LO3对黄金苹果汁储存品质的影响
还原糖含量方面，接种LO3的黄金苹果汁样品在储存期间还原糖含量显著减少，这一变化在30°C和4°C下均有观察到。这种还原糖含量的降低可能与L. plantarum菌株的代谢活动有关，该菌株在适宜温度下能够消耗果汁中的还原糖。但是在4°C下，由于L. plantarum是中温性菌株，其在较低温度下的生长和发酵活性减弱，导致还原糖消耗量较低。
总体而言，本研究表明L. Plantarum LO3的添加能够显著影响黄金苹果汁在不同温度下储藏期间的物理化学和感官特性，尤其是在降低酸度和还原糖含量方面。这些变化可能对果汁的保质期和感官品质产生重要影响。
表二 30℃ 和 4℃保存的益生菌黄金苹果汁的抗坏血酸含量
本研究分析了添加L. plantarum LO3的黄金苹果汁在30°C和4°C储存期间的近似成分变化。结果显示，水分、碳水化合物和蛋白质含量显著下降，而灰分和纤维含量显著上升，尤其是在30°C时变化更为明显。这可能与LO3细胞在30°C时的高生长和代谢有关，其可以分解碳水化合物、蛋白质和脂质以产生生物质、酶等。此外，添加LO3的金苹果汁的感官特性也受到影响。在30°C储存时，接种和未接种汁液的气味感知强度显著增加，特别是在接种汁中更为明显。颜色在30°C储存的接种和未接种汁样品中显著受影响，而在4°C储存的接种汁中颜色得到保持。质地在30°C和4°C储存15天后受到显著影响，这可能与汁液的发酵有关。为了延长保质期，可以考虑对益生菌汁液进行喷雾干燥处理。
表三 不同贮存温度下益生菌黄金苹果汁的成分组成
总结展望
作者在本研究所评估的L. plantarum LO3表现出了优秀的胃肠道存活能力、粘附特性，并对抗生素敏感，不含毒力因子。该菌株在黄金苹果汁中能够在30°C和4°C条件下存储达30天，同时保持良好的感官品质，甚至改善了其中一些品质。因此，作者认为黄金苹果汁是一种适合维持益生菌L. plantarum LO3菌株活性的载体，可以制作成适合患有乳糖不耐受等症状消费者的非乳制品益生菌饮料。此外，黄金苹果汁除了支持益生菌菌株的存活外，还能提供丰富的营养与高抗坏血酸而增强益生菌的健康促进效果。作者预计通过生产黄金苹果益生菌果汁粉，将该果汁的存储时间延长至数年。
引用方式
Foko Kouam, E.M., Tchamani Piame, L., Kouteu, S.S. et al. Probiotic characterisation of Lactiplantibacillus plantarum LO3 and use in the development of a golden apple-based non-dairy probiotic beverage. Systems Microbiology and Biomanufacturing (2024). https://doi.org/10.1007/s43393-024-00251-1
Systems Microbiology and Biomanufacturing(系统微生物学与生物制造（英文），简称SMAB，ISSN：2662-7655) 是由江南大学主办，Springer Nature出版集团出版的英文期刊。期刊SMAB致力于为工业微生物与生物制造过程领域的新发现、新方法和新技术提供报道的平台，由江南大学徐岩教授和印度毒理学研究所Ashok Pandey教授共同担任本刊主编，江南大学刘龙教授担任执行主编，编委分布于全球近20个国家，更多内容详见期刊主页。
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