自然发酵豆酱中降胆固醇乳酸菌的筛选鉴定及对大鼠血清胆固醇的影响

郭晶晶,张鹏飞,曹承旭,邹婷婷,乌日娜*

(沈阳农业大学 食品学院,辽宁 沈阳,110866)

采用不同培养基从分离自自然发酵豆酱样品中的285株乳酸菌种中分离筛选出3株能够耐受人工胃肠环境,具有降胆固醇作用的乳酸菌,编号分别为DQ17-2、DD1-1、KY1-1,对胆固醇的去除率分别为34.56%、27.12% 和29.20%,最后通过形态学观察、生理生化试验、16S rDNA序列鉴定法确定3株乳酸菌均为植物乳杆菌。将菌株DQ17-2重新命名为植物乳杆菌WW(L. plantarum WW),为了进一步验证其在体内的降胆固醇作用,将32只5周龄雄性SD大鼠随机分为4组:普通对照组(A)、高脂模型组(B)、脱脂乳对照组(C)、菌液干预组(D)。饲喂12周后,采血,测定血清总胆固醇(totalcholesterol,TC)、高密度脂蛋白胆固醇(highdensity lipoprotein-cholesterol,HDL-C)、低密度脂蛋白胆固醇(lowdensity lipoprotein-cholesterol,LDL-C)、甘油三酯(triglyceride,TG)含量。结果表明,饲喂12周后成功构建高脂模型,与B组和C组相比,D组血清TC、TG、LDL-C含量明显降低(P<0.05),HDL-C含量明显升高(P<0.05)。该实验筛选出一株在体内外均具有降胆固醇作用的L. plantarum WW,为今后降胆固醇产品的研发提供原料与依据。

关键词 植物乳杆菌;降胆固醇;筛选;鉴定;大鼠

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.017244

第一作者:硕士研究生(乌日娜副教授为通讯作者,E-mail:wrn6956@163.com)。

基金项目:国家自然科学基金面上项目(31471713);辽宁省高等学校优秀人才支持计划项目(LR2015059);辽宁省“百千万人才工程”人选科技活动支持项目;沈阳市高层次科技创新人才(RC70212)

收稿日期:2018-03-12,改回日期:2018-06-09

乳酸菌(lactic acid bacteria)是一类革兰氏阳性菌,不形成芽孢,能发酵碳水化合物产生50%以上乳酸[1]。乳酸菌在自然界分布极为广泛,不仅存在于食品中有利于食品发酵,改善食品风味,提高食品保藏性和附加值,同时也存在于胃肠道中,是人体胃肠道的益生菌群,对人体健康具有很大的促进作用[2]。近年来,对乳酸菌的研究表明,乳酸菌具有很多生理功能,如增强机体免疫力,促进营养物质吸收,维持肠道内菌群平衡,降低胆固醇,预防心血管疾病等,其中乳酸菌降胆固醇作用受到了越来越多国内外学者的青睐[3]

心血管疾病是导致人类死亡的主要原因之一,占全球总死亡人数的29%左右,血清胆固醇水平升高被广泛认为是动脉粥样硬化、冠心病和中风等心血管疾病的危险因素[4-7]。流行病学和临床研究表明:在胆固醇含量与心血管疾病之间存在着显著的正相关,血清胆固醇下降1%可将心血管疾病风险下降3%[8-9]。越来越多的证据表明补充益生菌可以改善脂质代谢,降低血清胆固醇含量。KIM等[10]通过动物试验证明了益生菌混合物能够明显降低高血脂症大鼠的血清胆固醇含量。LYE等[11]研究发现发酵乳杆菌FTDC8312可以对抗高胆固醇血症。有学者以蛋黄为原料,研究高粱发酵制品中的植物乳杆菌的降胆固醇特性,结果发现蛋黄被试验菌株同化了74.12%[12]。还有许多学者研究了来自发酵乳制品和泡菜等制品中的乳酸菌的降胆固醇特征[13-14],但很少有关于传统发酵豆酱中降胆固醇乳酸菌的研究,因此本试验拟对东北自然发酵豆酱中的降胆固醇乳酸菌进行筛选和鉴定,并通过动物试验进一步验证其在体内的降胆固醇作用,为今后降胆固醇产品的研发提供原料与依据。

1 材料与方法

1.1 菌种

分离自东北自然发酵豆酱的285株乳酸菌来源,如表1所示。

表1 285株乳酸菌来源及数目
Table 1 The source and number of the 285 strains of lactic acid bacteria

采样地点 样品编号 乳酸菌数/株采样地点 样品编号 乳酸菌数/株黑龙江大庆市黑龙江齐齐哈尔市黑龙江佳木斯市吉林省吉林市辽宁省铁岭市辽宁省沈阳市辽宁省辽阳市辽宁省鞍山市辽宁省营口市辽宁省盘锦市DQ1~DQ8QQHE1~QQHE2JMS1~JMS2JL1TL1~TL8SY1~SY8LY1~LY2AS1~AS6YK1~YK7PJ1~PJ524164辽宁省丹东市辽宁省朝阳市辽宁省本溪市辽宁省抚顺市辽宁省锦州市辽宁省大连市辽宁省葫芦岛市辽宁省阜新市辽宁省康平市辽宁省开原市DD1~DD3CY1~CY3BX1~BX6FX1~FS5JZ1~JZ4DL1~DL6HLD1~HLD3FX1~FX5KP1~KP4KY1~KY297

1.2 实验动物与饲料

32只5周龄清洁级雄性SD大鼠,体重约为120~135 g,购自辽宁长生生物技术股份有限公司。

高脂饲料(质量分数):基础饲料87.7%、胆固醇2%、猪油10%、胆酸钠0.3%。

1.3 培养基与试剂

培养基:MRS液体培养基[15-16]、胆盐培养基、胆固醇培养基、15%脱脂乳培养基。

人工胃液:取稀盐酸,加蒸馏水稀释使其pH值分别达到2.0、2.5、3.0,每100 mL液体中加1 g胃蛋白酶,充分溶解后,用微孔滤膜(0.22 μm)过滤除菌,待用。

人工肠液:取KH2PO46.8 g,加蒸馏水500 mL溶解,用质量浓度为4 g/L的NaOH溶液调pH值至6.8,加水稀释至1 L,迅速加入牛胆盐3 g,胰蛋白酶10 g,充分溶解后,用微孔滤膜(0.22 μm)过滤除菌,待用。

革兰氏染色液:结晶紫染液、碘液复染液、95%乙醇溶液、番红溶液。

CTAB法提取乳酸菌DNA所需试剂:10×TE缓冲液、10%SDS、20 mg/mL蛋白酶K、10 mol/L CTAB、酚∶氯仿∶异戊醇(25∶24∶1)、氯仿∶异戊醇(24∶1)、冰异丙醇、70%乙醇、RNA酶、蒸馏水(灭菌),其中,20 mg/mL蛋白酶K和RNA酶购于北京鼎国昌盛有限公司。

PCR程序所需的细菌通用引物:正向引物为27f (对应于Escherichia coil 8-27 位碱基):5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′,反向引物为 1495r(对应于Escherichia coil 1495-1515 位碱基):5′-CTACGGCTACCTTGTTACGA-3′。TaKaRaExTaq酶、10×PCR buffer以及dNTP MIX等,均购于北京鼎国昌盛有限公司。

PCR产物检测所需的琼脂糖、EB等,均购于北京鼎国昌盛有限公司。

总胆固醇(totalcholesterol,TC)试剂盒、高密度脂蛋白胆固醇(highdensity lipoprotein-cholesterol,HDL-C)试剂盒、低密度脂蛋白胆固醇(lowdensity lipoprotein-cholesterol,LDL-C)试剂盒、甘油三酯(triglyceride,TG)试剂盒,均购于南京建成生物工程研究所。

主要试剂:胃蛋白酶、胰蛋白酶、牛胆盐、巯基乙酸钠、邻苯二甲醛。

1.4 仪器与设备

DZX-50KBS型立式压力蒸汽灭菌锅,上海申安医疗器械厂;UV-4802紫外可见分光光度计,尤尼柯(上海)仪器有限公司;生物洁净工作台,苏州市华宇净化设备有限公司;Centrifμge 5418R 小型台式冷冻离心机,德国Eppendorf;DNP-9080 型生化培养箱,上海精宏试验仪器有限公司;尼康生物显微镜,南京江南光电(集团)股份有限公司;冷藏冷冻箱,青岛海尔股份有限公司;ND-100型微量紫外分光光度计,上海美析仪器有限公司;PTC-200型梯度基因扩增仪、电泳仪,美国伯乐公司;CDS8000型UPV凝胶成像分析系统,美国伯乐公司;ELX-800酶标仪,美国BIOTEK公司;DH36001B电热恒温培养箱,天津泰斯特公司;H-2050R超速冷冻离心机,湖南湘仪公司。

1.5 方法

1.5.1 试验菌株初步筛选

将活化至3代的供试菌株制成菌悬液,以2%(体积分数)的接种量接种于pH值为3.0 的新鲜配制的改良MRS液体培养基,置 37 ℃培养 24 h,观察其生长情况。选择在此条件下生长良好的菌株,以2%的接种量接种到新鲜配制的3 g/L牛胆盐培养基中,置 37 ℃培养 24 h,观察其生长情况。

1.5.2 人工胃液耐受性试验

取初步筛选出的菌株,将活化好的菌悬液,以2%的接种量接种到经过滤除菌处理的pH 2.0、pH 2.5和pH 3.0的人工胃液中,充分混匀后放置于 37 ℃培养。并在0、1、2、3 h 后分别取样,倾注平板法进行活菌计数,按照公式(1)计算其存活率。

存活率

(1)

1.5.3 人工肠液耐受性试验

取初步筛选出的菌株,将活化好的菌悬液,以2%的接种量接种到经过滤除菌处理的人工肠液中,充分混匀后放置于 37 ℃培养。并在0、2、4、6 h后分别取样,倾注平板法进行活菌计数,按照公式(2)计算其存活率。

存活率

(2)

1.5.4 降胆固醇试验

1.5.4.1 标准曲线的绘制

用无水乙醇溶解胆固醇,使其终浓度为100 μg/mL。分别准确吸取0、100、200、300、400、500 μL胆固醇溶液于10 mL试管中,然后在60 ℃水浴加热直至溶剂挥发尽,分别加入2 mL现配的邻苯二甲醛溶液,混匀,静置,加入1 mL浓硫酸,再次混匀,静置。显色后,用2 mL的邻苯二甲醛溶液与1 mL浓硫酸的混合液调零,在560 nm处测OD值。绘制胆固醇浓度标准曲线。

1.5.4.2 样品的制备与测定

取活化好的菌悬液,按2%接种量分别接种于胆固醇培养基中,同时以未接种菌体的胆固醇培养基为空白对照,37 ℃培养24 h。

取胆固醇培养基发酵液10 000 r/min离心10 min,取上清液,采用邻苯二甲醛法,测定样品在560nm处的OD值。重复试验3次求平均值[17],将OD值代入胆固醇标准曲线,求得胆固醇含量。最后和空白对照组的含量(未接种的胆固醇培养基的上清液中胆固醇的浓度)进行对比,计算胆固醇的去除率。

胆固醇去除率

(3)

式中:A为各试验菌株发酵后的培养液560 nm处OD值;A0为空白对照的OD值。

1.5.5 筛选菌株的形态学鉴定及生理生化试验

将活化好的菌株DD1-1、DQ17-2、KY1-1接种于MRS固体培养基,37 ℃培养48 h,观察并记录其菌落特征。挑取单个菌落革兰氏染色,观察记录菌体特征。

取试验菌株活化后按照常见细菌系统鉴定手册方法[18],进行生理生化试验。

1.5.6 利用16S rDNA序列分析

1.5.6.1 基因组DNA的提取及浓度的检测

采用十六烷基三甲基溴化铵(hexadecyl trimethylammonium bromide,CTAB)法提取对数生长末期的乳酸菌的基因组DNA[19]。使用微量紫外分光光度计对分离得到的乳酸菌的DNA的浓度和纯度进行测定,本研究中PCR扩增体系中DNA的浓度要求50 ng/μL,因此,只要测得的DNA浓度在50 ng/μL以上,即满足PCR扩增体系的要求。同时,DNA纯度的判断主要依据OD260/OD280的比值,正常在1.6~1.8, 提取的DNA的纯度最好。

1.5.6.2 PCR扩增

提取的乳酸菌DNA作模板,选择通用引物进行PCR扩增,正向引物为27f(对应于Escherichia coil 8-27位碱基):5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′;反向引物为1495r(对应于Escherichia coil 1495-1515位碱基):5′-CTACGGCTACCTTGTTACGA-3′;扩增体系为25 μL:基因组DNA模板1 μL(50 ng/μL),正反向引物各0.5 μL(25 pmol/μL),10×PCR buffer 2.5 μL,dNTP MIX 2 μL,TaKaRaExTaq酶0.2 μL,ddH2O 18.3 μL。

1.5.6.3 PCR产物检测

扩增反应完毕,将PCR产物用1.0%的琼脂糖凝胶电泳进行检测,在1 500 bp有清晰的条带后测序。

1.5.6.4 测序及乳酸菌同源性分析

供试菌株PCR扩增产物测序由上海桑尼生物技术有限公司完成。利用BLAST(http://DQ17-2w.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST),将分离得到的乳酸菌的16S rDNA序列测序结果同GenBank等数据库中标准菌株的对应序列进行同源性对比,从而获得与测得的基因序列同源性最高的标准菌种[20],完成乳酸菌的分子鉴定。

1.5.7 大鼠分组及饲喂方式

将活化后的菌株,生理盐水洗涤2次,用无菌的15%脱脂乳培养基复溶成菌悬液,将菌体浓度调整至1.0×1010 CFU/mL,用于大鼠灌胃实验。32只SD大鼠12 h亮暗循环饲养,室内温度20~22 ℃,湿度60%~65%,保持动物房的通风,透光和清洁卫生。试验前大鼠自由摄食饮水,适应性饲养1周后,将大鼠按照各组之间平均体重无显著差异分为4组:A组为正常对照组饲喂基础饲料+无菌水,B组为高脂模型组饲喂高脂饲料+无菌水,C组为脱脂乳对照组饲喂高脂饲料+无菌脱脂乳,D组菌液干预组饲喂高脂饲料+菌悬液,每组8只。每只大鼠灌胃量为10 mL/kg,每天上午定时灌胃,连续灌胃12周。

1.5.8 样品采集和指标检测

每天记录各组大鼠的摄食量,每周记录体重。12周饲养结束后,称量体重,禁食过夜,静脉取血,用于血清血脂的检测。解剖取肝脏、脾脏、肾脏和心脏,用冷的生理盐水冲洗干净后滤纸吸干水分分别称重,计算脏器指数(各脏器重量/最终体重)。摘取腹部脂肪,肾周脂肪及附睾脂肪,分别称重并计算脂肪系数(各脂肪重量/最终体重)。肝脏用液氮迅速冷冻,-80 ℃冰箱保存。按照试剂盒说明书的方法分别测定血清中TC、TG、HDL-C和LDL-C的含量。

1.6 数据处理

采用SPSS 17.0系统统计软件对各实验数据进行方差分析和显著性检验。P<0.05为显著性差异,P>0.05为差异不显著。

2 结果与分析

2.1 菌株初步筛选结果

人体在进食后,胃液pH值大概在3.0左右,食物通过胃的时间大概在1~2 h,因此本试验中,以pH 3.0,胆盐浓度3 g/L设定为初筛的条件,筛选出耐酸耐胆盐的乳酸菌。菌株生长情况如表2所示。

经过耐酸试验的初步筛选,有22株菌在pH值为3.0的培养基中生长较为良好,其中前10株菌的耐酸性最强,将前10株菌接种到3 g/L牛胆盐培养基中,培养 24 h后,菌株DD1-1、DQ17-2、KY1-1的耐胆盐效果最好,因此选取此3株菌进行耐受人工胃肠液试验。

表2 部分菌株在pH 3.0及3 g/L胆盐MRS培养基中的生长情况
Table 2 Survival rates at pH 3.0 and bile salt concentration 3 g/L

菌名pH 3.03 g/L胆盐BX2-4+++++DD1-1++++++DQ17-2++++++KY1-1++++++FX1-5+++++TL3-2+++++XF3-2+++++XF4-1+++++YK1-8+++++YK4-4+++++AS1-1++NDCY5-1++NDHC1-3++NDHEB4-1++NDKY1-3++NDKY3-1++NDLY1-3++NDMDJ3-1++NDTL1-2++NDTL3-1++NDYB1-3++NDYK5-4++ND

注:“+”越多表示生长情况越好;“ND”表示未做。

2.2 菌株耐受人工胃液结果

将菌株DD1-1、DQ17-2、KY1-13分别接种到pH 2.0、pH 2.5、pH 3.0的人工胃液中,37 ℃培养0、1、2、3 h后分别取样,进行活菌计数,结果如表3。

表3 三株乳酸菌在人工胃液中存活情况(n=3x±SD)
Table 3 The survival abilities during human simulated gastric digestion(n=3x±SD)

菌株pH值0 h1 h2 h3 h存活率/%DD1-1DQ17-2KY1-12.0(4.36±0.12)×107(2.97±0.05)×107(1.41±0.14)×107(4.02±0.07)×1069.22±0.062.5(4.36±0.12)×107(3.18±0.11)×107(2.65±0.22)×107(1.14±0.14)×10726.15±0.093.0(4.36±0.12)×107(3.62±0.04)×107(3.27±0.06)×107(3.43±0.07)×10778.67±0.102.0(6.72±0.07)×107(5.68±0.05)×107(3.02±0.12)×107(5.45±0.09)×1068.11±0.042.5(6.72±0.07)×107(6.05±0.16)×107(4.54±0.28)×107(2.37±0.24)×10735.27±0.083.0(6.72±0.07)×107(6.13±0.07)×107(5.86±0.13)×107(6.06±0.10)×10790.18±0.092.0(5.28±0.15)×107(3.57±0.24)×107(8.25±0.10)×106(7.39±0.17)×1051.40±0.032.5(5.28±0.15)×107(4.14±0.08)×107(3.23±0.11)×107(1.19±0.14)×10722.54±0.053.0(5.28±0.15)×107(4.26±0.06)×107(3.71±0.23)×107(3.32±0.20)×10762.88±0.08

从表3中可以看出,在pH值为2.5和3.0的胃液中3株菌的活菌数都在107 CFU/mL以上,说明这3株菌对人工胃液都有一定的耐受性。在相同的胃液中3株菌的存活率有所不同,其中DQ17-2在pH值为3.0的胃液中存活率最高,达到90.18%,DD1-1、KY1-1的存活率相对较低。这说明菌种之间存在着对胃酸的耐受差异性。纵向对比发现随着pH值的升高,3株菌的存活率也逐渐增加,这说明胃液酸度越大,对菌株的抑制作用越明显,其中pH 2.0的人工胃液对菌株抑制作用最强。一方面,胃中盐酸酸度越大,对菌体的胁迫越强。另一方面,胃蛋白酶在pH 2.0条件下,酶活力较高,从而更加抑制了细菌的生长。

2.3 菌株耐受人工肠液结果

将菌株DD1-1、DQ17-2、KY1-1分别接种到经过滤除菌处理的人工肠液中,37 ℃培养0、2、4、6 h后分别取样,进行活菌计数,结果如表4所示。

表4 三株乳酸菌对人工肠液液中存活情况(n=3x±SD)
Table 4 The survival abilities during human simulated intestional digestion

时间/h菌株DD1-1DQ17-2KY1-10(8.33±0.06)×108(6.65±0.04)×108(8.58±0.07)×1072(7.61±0.09)×108(6.33±0.05)×108(7.62±0.02)×1074(7.22±0.11)×108(5.94±0.03)×108(7.49±0.05)×1076(6.88±0.10)×108(5.72±0.03)×108(6.41±0.04)×107存活率/%82.59±0.0586.02±0.0274.71±0.04

在人工肠液中,缺乏微生物生长必需的基础养分,细菌无法增殖,另外受胆盐与胰蛋白酶的抑制作用,细菌逐渐死亡。从表4中可以看出,3株菌在人工肠液中,随着培养时间的延长,活菌数均处于下降的趋势,但是下降的幅度不大,活菌数均在107 CFU/mL以上,由此可见3株菌对肠液均有一定的耐受性。对比3株菌株之间的存活率可以发现,DQ17-2对人工肠液的耐受性仍然是3株菌中最强的,达到86.02%,与DD1-1的存活率相差不大,KY1-1的存活率最低。

2.4 菌株降胆固醇情况

2.4.1 胆固醇标准曲线的建立

通过标准胆固醇的浓度与对应的OD550nm值建立一种线性关系,即胆固醇标准曲线如图1所示。

图1 胆固醇标准曲线
Fig.1 The standard curve of cholesterol concentration

2.4.2 菌株降胆固醇结果

邻苯二甲醛法测定3株菌发酵上清液胆固醇去除情况如表5所示。

表5 三株乳酸菌降胆固醇情况(n=3x±SD)
Table 5 Results of cholesterol-reducing test

菌种名称胆固醇降低量胆固醇去除率/%DD1-125.11±1.5627.12±0.02DQ17-232.00±1.3734.56±0.01KY1-127.04±1.6929.20±0.02

由表5中可以看出3株菌都具有一定的降低胆固醇的能力,其中DQ17-2的胆固醇去除率最高,达到34.56%。植物乳杆菌体外降胆固醇的机理尚未完全被阐明,目前研究中同化吸收作用,以及共沉淀作用得到了大部分学者的认同[21-22]。因此该菌株体外降胆固醇的机理还有待进一步研究。

2.5 形态学鉴定结果

如图2所示,菌种在MRS固体培养基上菌落较小,表面有光泽,凸起,微白色,湿润,边缘整齐,菌落呈圆形。经过革兰氏染色后(图3),在油镜下观察发现,菌株DD1-1、DQ17-2、KY1-1菌体均呈紫色,属于革兰氏阳性菌,短杆状,呈规则性的并排排列。

图2 三株乳酸菌菌落形态学特征
Fig.2 Colony morphological characteristics of 3 LAB strains
注:从左到右依次为菌株DD1-1; DQ17-2; KY1-1

图3 三株乳酸菌株的革兰氏染色菌体形态
Fig.3 Morphology after gram stain of 3 LAB strains
注:从左到右依次为菌株DD1-1; DQ17-2; KY1-1

2.6 供试菌株的生理生化鉴定结果

按照常见细菌系统鉴定手册方法进行生理生化试验,结果如表6所示。

表6 三株菌株生理生化结果
Table 6 Physiological and biochemical characteristics of 3 LAB strains

生理生化反应DD1-1DQ17-2KY1-1葡萄糖产酸+++葡萄糖产气+++乳糖产酸+++蔗糖产酸+++

续表6

生理生化反应DD1-1DQ17-2KY1-1半乳糖产酸+++麦芽糖产酸+++甘露糖产酸---山梨酸发酵---阿拉伯糖产酸+++甘露醇产酸---石蕊胨化---石蕊产酸---石蕊凝固---MR试验+++V-P试验---淀粉水解试验---明胶液化试验---厌氧生长试验+++柠檬酸试验---厌氧硝酸盐产气---酪素水解试验---吲哚试验---氧化酶试验---

注:“+”为阳性反应;“-”为阴性反应。

由供试菌株生理生化试验结果,参照《常见细菌系统鉴定手册》,对3株供试菌株进行鉴定,结果表明为乳杆菌属(Lactobacillus sp.)。为了使鉴定结果更精准,需要结合16S rDNA序列分析分子水平的鉴定,进一步对供试菌株DD1-1、DQ17-2、KY1-1的种属进行确定。

2.7 PCR产物检测结果

用CTAB法提取供试菌株的总基因组DNA,测得菌株DD1-1、DQ17-2、KY1-1的DNA浓度分别为345.1、282.9、274.7 ng/μL,此外,3株乳酸菌DNA的OD260/OD280值分别为1.78、1.64、1.69,因此,满足PCR扩增体系的要求,可以进行PCR扩增。

将提取的供试菌株的DNA进行PCR扩增,用1%的琼脂糖凝胶电泳方法对PCR产物进一步进行检测。供试菌株DNA的PCR扩增产物检测结果见图4。

M-DL2000 Markers;1-菌株DD1-1; 2-菌株DQ17-2; 3-菌株KY1-1
图4 16S rDNA PCR扩增后的琼脂糖凝胶电泳图
Fig.4 Agarose gel electrophoresis map of 16S rDNA amplification products

结果表明,在1 500 bp附近,电泳图中呈现出明显的发亮荧光条带,证明供试菌株DNA的PCR结果较理想,可以进行下一步测序。

2.8 乳酸菌16S rDNA序列同源性对比结果

利用BLAST(http://DQ17-2w.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST),将所测定的3株菌株的16S rDNA序列,与GenBank/EMBL/DDBJ数据库中已知细菌的16S rDNA/rRNA序列进行比较鉴定。详细结果请见表7。

表7 乳酸菌16SrDNA序列同源性对比结果
Table 7 The results of lactic acid bacteria 16SrDNA sequence homology comparison

菌种编号鉴定结果最大分值总评分覆盖率标识号DD1-1L. plantarum1 6531 653100%97%DQ17-2L. plantarum2 6602 66099%99%KY1-1L. plantarum2 6212 62199%99%

由表7可以看出,菌株DD1-1、DQ17-2、KY1-1的16S rDNA序列与植物乳杆菌的同源性分别为100%、99%、99%,因此鉴定3株菌均为植物乳杆菌(L. plantarum)。将菌株DQ17-2命名为植物乳杆菌WW(L. plantarum WW)。

2.9 L. plantarum WW对大鼠体质量和摄食量的影响

在大鼠12周饲养期间未出现异常体征,试验结束后大鼠的体重增加量,总摄食量的记录结果如表8所示。

表8 各组大鼠的体重增加量总摄食量 单位:g
Table 8 Body weight gain and total food intake of rats in each group n=8)

组别初始体重最终体重体重增加量总摄食量A126.38±5.85a387.00±12.83b260.63±13.72b18 444±31.53bB127.50±5.68a447.13±41.83a319.63±41.50a21 689±50.78aC127.50±5.40a445.63±40.84a318.13±37.89a22 153±66.93aD129.75±6.41a432.13±18.32a302.38±17.44a19 419±49.38b

注:同列字母不相同表示组间的差异显著(P<0.05),字母相同表示差异不显著(P>0.05)。下同。

在4组大鼠12周的饲养过程中,每组大鼠体征正常,没有死亡现象。由表8可知,4组大鼠初始体重没有差异,在12周饲养结束后,相对于正常对照组,高脂模型组的最终体重显著增加(P<0.05),体重增加量也显著升高(P<0.05),总摄食量显著增加(P<0.05),这说明高脂饮食能够引起大鼠体重的增加,初步确定高脂模型构建成功;相对于高脂模型组和脱脂乳对照组,菌液干预组的摄食量和体重有所降低但差异不明显(P>0.05),说明饮食中的L. plantarum WW能够抑制体重的增加。

2.10 L. plantarum WW对大鼠脏器指数和脂肪系数的影响

解剖取肝脏、脾脏、肾脏和心脏,用冷的生理盐水冲洗干净后滤纸吸干水分分别称重,计算脏器指数(各脏器重量/最终体重)。摘取腹部脂肪,肾周脂肪及附睾脂肪,分别称重并计算脂肪系数(各脂肪重量/最终体重)。计算结果如表9所示。

表9 各组大鼠的脏器指数脂肪系数 单位:%
Table 9 Indexes of organ and fat of rats in each group n=8)

组别肝脏指数心脏指数肾脏指数脾脏指数腹部脂肪系数肾周脂肪系数附睾脂肪系数A3.01±0.36b0.36±0.04a0.92±0.10a0.25±0.03a0.32±0.08c0.42±0.06b0.49±0.09bB3.48±0.24a0.36±0.04a0.90±0.08a0.24±0.02a0.75±0.16a0.68±0.15a0.80±0.11aC3.31±0.48a0.34±0.06a0.91±0.12a0.24±0.06a0.71±0.21a0.64±0.08a0.83±0.12aD2.92±0.50b0.32±0.06a0.86±0.09a0.22±0.03a0.45±0.09b0.44±0.07b0.59±0.08b

从表9中脏器指数可以看出,4组大鼠的心脏指数、肾脏指数和脾脏指数差异不明显(P>0.05),这说明L. plantarum WW对大鼠的心脏、肾脏和脾脏无毒副作用。从肝脏指数情况来看,高脂模型组和脱脂乳对照组肝脏指数明显高于正常对照组和菌液干预组(P<0.05),而且菌液干预组的肝脏指数略低于正常对照组,但差异不明显(P>0.05),这说明高脂饮食引起了脂肪在肝脏的堆积,而L. plantarum WW能够有效的降低脂肪在肝脏的堆积,进而缓解肝脏的损伤。从脂肪系数来看,相对于正常对照组,高脂模型组和脱脂乳对照组大鼠的腹部脂肪系数、肾周脂肪系数和附睾脂肪系数明显升高(P<0.05),而灌胃L. plantarum WW菌悬液后,腹部脂肪系数、肾周脂肪系数和附睾脂肪系数均明显降低(P<0.05),说明L. plantarum WW能够有效降低高脂大鼠体内的脂肪。

2.11 L. plantarum WW对大鼠血清血脂水平的影响

根据试剂盒说明书的方法测定每组大鼠血清中的TC、TG、LDL-L和HDL-C的含量,结果如表10所示。

表10 L. plantarum WW对大鼠血清血脂水平的影响(x±SD, n=8) 单位:mmol/L
Table 10 Effect of L. plantarum WW on serum lipid level in rats (x±SD, n=8)

组别TCTGLDL-CHDL-CA2.40±0.48c1.06±0.21c0.32±0.09c0.84±0.22aB5.67±0.71a2.67±0.46a0.69±0.14a0.33±0.09cC5.50±0.67a2.63±0.42a0.67±0.17ab0.42±0.12cD4.03±0.83b2.07±0.59b0.49±0.09b0.54±0.07b

从表10中可以看出,高脂饮食大鼠血清中的TC、TG、LDL-C的含量明显高于普通对照组(P<0.05),说明高脂模型造模成功。与高脂模型组和脱脂乳对照组相比,菌液干预组血清中TC、TG、LDL-C的含量明显降低(P<0.05),相对于高脂模型组分别降低了28.92%、22.47%和28.99%,但明显高于普通对照组(P<0.05),这说明L. plantarum WW能够有效降低高脂饮食引起的血脂水平的升高,但不能使其降低到正常水平。HDL-C主要功能是转运磷脂和胆固醇,是一种抗动脉粥样硬化的脂蛋白,能促进外周组织中胆固醇的消除,防止冠心病的发生[23]。从上表中可以看出,菌液干预组血清中HDL-C的含量明显高于高脂模型组和脱脂乳对照组(P<0.05),说明L. plantarum WW能够帮助降低患动脉粥样硬化等心血管疾病的风险。

3 结论与讨论

在豆酱的发酵过程中,乳酸菌是比较重要的微生物,与风味的形成有直接关系。对豆酱样品细菌种属水平分类分析显示,在细菌的厚壁菌门中,乳杆菌目Lactobacillales占到70%,由此可见,乳酸菌尤其是乳杆菌属在豆酱中非常丰富。其中,植物乳杆菌作为发酵食品中常见菌种,在豆酱中的分离率也非常高[24-25]。本试验选择从东北自然发酵豆酱中筛选出的285株乳酸菌作为试验菌株,通过耐酸耐胆盐试验初步筛选出3株耐受性较强的菌株,编号分别为DD1-1、DQ17-2、KY1-1,并且在人工肠液和人工胃液中均具有较强的耐受性,经过形态学观察、生理生化试验和16S rDNA鉴定,结果显示DD1-1、DQ17-2、KY1-1均为植物乳杆菌(L. plantarum)。

植物乳杆菌是一种公认的益生菌,存在于许多食品中,同时也存在于人体胃肠道中,对人体健康具有很大的促进作用[26]。植物乳杆菌具有很多生理功能,如增强机体免疫力,促进营养物质吸收,维持肠道内菌群平衡等,研究表明植物乳杆菌也具有降低人体血清胆固醇的作用[27-28]。许多学者从高粱发酵产品、发酵乳制品、泡菜等产品中分离筛选出了具有降胆固醇作用的植物乳杆菌,并通过动物试验进一步证实了筛选出的植物乳杆菌能够降低高胆固醇小鼠的血脂水平[29-32]。然而植物乳杆菌降胆固醇的机理尚未完全被阐明,目前在体外降胆固醇的机理研究中同化吸收作用,以及共沉淀作用得到了大部分学者的认同[21-22]。在体内降胆固醇的机理研究中张晓磊[33]研究发现益生菌发酵豆乳通过上调小鼠瘦素的mRNA表达水平来抑制SREBP-1的mRNA表达水平,同时促进TGH的mRNA表达水平,从而降低DGAT的mRNA表达水平,降低TG合成量的同时促进TG的分解,降低TG在肝脏和脂肪组织中的积累,从而来发挥调节血脂水平和保护肝脏的作用。LI等[34]研究结果证实植物乳杆菌NCU116可通过调节固醇调节原件结合蛋白基因的表达来控制高脂饮食大鼠体内胆固醇的升高。本试验中筛选出的植物乳杆菌DD1-1、DQ17-2、KY1-1都具有一定的降低胆固醇的能力,其中DQ17-2降胆固醇能力最强,去除率达到34.56%,耐受性效果也最佳,将其命名为植物乳杆菌WW(L. plantarum WW)并进行动物试验,进一步验证该菌株对机体的降胆固醇作用。通过高脂饲料喂养12周后成功构建高脂模型,与普通对照组相比血清TC、TG、LDL-C含量均明显升高,HDL-C含量明显降低。通过灌胃L. plantarum WW 12周后,与模型组和脱脂乳对照组相比,血清TC、TG和LDL-C的含量均明显降低,HDL-C的含量明显升高;从肝脏指数和脂肪系数方面可以看出菌液干预组的肝脏指数和各脂肪系数均明显低于高脂模型组和脱脂乳对照组。因此说明L. plantarum WW能够有效降低高脂饮食引起的血清血脂水平的升高以及脂肪在肝脏和体内的堆积,进一步说明L. plantarum WW能够帮助降低动脉粥样硬化等心血管疾病的患病率,并且对肝脏有一定的保护作用,但该菌株在体内外降胆固醇的主要机制,具体是一种机制还是多种机制共同作用,还需要进一步深入研究验证。

参考文献

[1] 徐鑫,王茜茜,王晓蕊,等. 传统农家大酱中耐盐性乳酸菌的分离与鉴定[J]. 食品与发酵工业, 2014, 40(11): 33-40.

[2] KIM Y, RYU B H, KIM J, et al. Characterization of a novel SGNH-type esterase from Lactobacillus plantarum[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2017, 96: 560-568.

[3] 肖仔君,钟瑞敏,陈惠音,等. 植物乳杆菌的生理功能与应用[J]. 中国食品添加剂, 2005(2): 87-89.

[4] PEREIRA, D I A, GIBSON G R. Effects of consumption of probiotics and prebiotics on serum lipid levels in humans[J]. Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology, 2002,37(4): 259-281.

[5] 王俊国,孟和毕力格,包秋华,等. 植物乳杆菌LIP-1对高脂血症大鼠血脂的调节作用[J]. 中国食品学报, 2013, 13(2): 6-12.

[6] 齐炳理,张兴昌,孙婷,等. 植物乳杆菌发酵乳对高脂血症大鼠血脂的影响[J]. 食品研究与开发, 2015, 36(20): 17-19.

[7] AHMED R M, ELSANHOTY R M, AL-SAMAN A A, et al. Hypocholesterolaemic effect of probiotic yogurt enriched with barley β-glucan in rats fed on a high-cholesterol diet[J]. Mediterranean Journal of Nutrition & Metabolism, 2017, 10(1): 1-12. DOI: 10.3233/MNM-16114.

[8] LE BLANC J G, GARRO M S, SILVESTRONI A, et al. Reduction of alpha-galactooligosaccharides in soymilk by Lactobacillus fermentum CRL 722: In vitro and in vivo evaluation of fermented soymilk[J]. Appl Microbiol, 2004, 97(4): 876-881.

[9] CHIEN Y L, WU L Y, LEE T C, et al. Cholesterol-lowering effect of phytosterol-containing lactic-fermented milk powder in hamsters[J]. Food Chemistry, 2010, 119(3): 1 121-1 126.

[10] KIM S J, PARK S H, SIN H S, et al. Hypocholesterolemic Effects of Probiotic Mixture on Diet-Induced Hypercholesterolemic Rats[J]. Nutrients, 2017, 9(3): 293.

[11] LYE H S, KATO T, LOW W Y, et al. Lactobacillus fermentum FTDC 8312 combats hypercholesterolemia via alteration of gut microbiota[J]. Journal of Biotechnology, 2017,262: 75-83.

[12] OLIVEIRA P M, BROSNAN B, FUREY A, et al. Lactic acid bacteria bioprotection applied to the malting process. Part I: Strain characterization and identification of antifungal compounds[J]. Food Control, 2015, 51: 433-443.

[13] 胡梦坤,岳喜庆. 植物乳杆菌LP1103的筛选及其降胆固醇作用机理的研究[J]. 食品科学, 2008, 29(6): 226-229.

[14] DING Wu-rong, SHI Chao, CHEN Ming, et al. Screening for lactic acid bacteria in traditional fermented Tibetan yak milk and evaluating their probiotic and cholesterol-lowering potentials in rats fed a high-cholesterol diet[J]. Journal of Functional Foods, 2017, 32: 324-332.

[15] 王友湘,陈庆森,阎亚丽. 用于乳酸菌分离鉴定的几种培养基的筛选及应用[J]. 食品科学, 2007, 28(9): 374-378.

[16] 凌代文,东秀珠. 乳酸细菌分类鉴定及试验方法[M]. 北京:中国轻工业出版社, 1999, (1): 1-25.

[17] 郭东起,侯红漫,刘阳,等. 降胆固醇益生乳酸菌的体外筛选[J]. 中国乳品工业, 2007, 8(35): 10-14.

[18] 东秀珠,蔡妙英. 常见细菌系统鉴定手册[M]. 北京:科学出版社, 2001.

[19] 冯广达,陈美标,羊宋贞,等. 用于PCR扩增的细菌DNA提取方法比较[J]. 华南农业大学学报, 2013, 34(3): 440-442.

[20] 李铁. GenBank数据库检索及其应用[J]. 中华医学图书情报杂志, 2008, 17(5): 49-51.

[21] LIONG M T, SHAH N P. Bile salt deconjugation and BSH activity of five bifidobacterial strains and their cholesterol co-precipitating properties[J]. Food Research International, 2005, 38(2): 135-142.

[22] KIMOTO H, OHMOMO S, OKAMOTO T. Cholesterol removal from media by lactococci[J]. Journal of Dairy Science, 2002, 85(12): 3 182-3 188.

[23] ZHANG X L, WU Y F, WANG Y S, et al. The protective effects of probiotic-fermented soymilk on high-fat diet-induced hyperlipidemia and liver injury[J]. Journal of Functional Foods, 2017, 30: 220-227.

[24] 武俊瑞.东北传统发酵特色食品中主要微生物多样性研究[D]. 沈阳:沈阳农业大学, 2013.

[25] 武俊瑞,岳喜庆,石璞,等. PCR-DGGE分析东北自然发酵酸菜中乳酸菌多样性[J]. 食品与生物技术学报, 2014, 33(2): 127-130.

[26] WASSENAAR T M, KLEIN G. Safety aspects and implications of regulation of probiotic bacteria in food and food supplements[J]. Journal of Food Protection, 2008, 71(8): 1 734-1 741.

[27] FAO/WHO. Guidelines for the evaluation of probiotics in food.Report of a joint FAO/WHO working group on drafting guidelines for evaluation of probiotics in food,London,Ontario. Canada. 2002.

[28] MANSON J E, TOSTESON H, RIDKER P M, et al. The primary prevention of myocardial infaction[J]. New England Journal of Medicine, 1992, 326(21): 1 406-1 416.

[29] HU Xu, WANG Tao, LI Wei, et al. Effects of NS Lactobacillus strains on lipid metabolism of rats fed a high-cholesterol diet[J]. Lipids in Health and Disease, 2013, 12(1): 67.

[30] RAO K P, CHENNAPPA G, SURAJ U, et al. Probiotic potential of Lactobacillus strains isolated from sorghum-based traditional fermented food[J]. Probiotics & Antimicrobiology Protection, 2015, 7(2): 146-156.

[31] HUANG Ying, WANG Xiao-jun, WANG Jin-feng, et al. Lactobacillus plantarum strains as potential probiotic cultures with cholesterol-lowering activity[J]. Journal of Dairy Science, 2013, 96(5): 2 746-2 753.

[32] 于平,汪晓辉. 植物乳杆菌LpT1和LpT2大鼠体内降胆固醇特性[J]. 微生物学报, 2012, 52(1): 124-129.

[33] 张晓磊. 益生菌发酵豆乳对高脂饮食小鼠降血脂及缓解肝损伤作用[D].长春:吉林农业大学, 2016.

[34] LI C, NIE S P, DING Q, et al. 2014. Cholesterol-lowering effect of Lactobacillus plantarum NCU116 in a hyperlipidaemic rat model[J]. Journal of Functional Foods, 8(8): 340-347.

Cholesterol-lowering lactic acid bacteria isolated from the naturally fermented soybean sauces and their effects on serum cholesterol levels in rats

GUO Jingjing, ZHANG Pengfei,CAO Chengxu, ZOU Tingting, WU Rina*

(College of Food Shenyang Agricaltural University, Shenyang 110866, China)

ABSTRACT Three lactic acid bacteria strains, DQ17-2, DD1-1 and KY1-1, being resistant to the artificial gastrointestinal environment and cholesterol-lowering effect (the cholesterol removal rates were 34.56%, 27.12% and 29.20%, respectively), were selected from 285 isolates of lactic acid bacteria, which were isolated from the naturally fermented soybean sauces using three different media. They were identified to be Lactobacillus plantarum by morphology, physiological and biochemical tests and 16S rDNA sequencing. The strain DQ17-2 was renamed as In order to further verify its in vivo cholesterol-lowering effect, L. plantarum WW cell suspends were fed 32 5-week-old male SD rats within randomly 4 groups [Control group (A), High fat group (B), Skim milk control group (C) and L. plantarum WW fed group (D)]. After feeding for 12 weeks, the levels of total cholesterol (TC), high density lipoprotein-cholesterol (HDL-C), low density lipoprotein-cholesterol (LDL-C) and triglyceride (TG) in serum were examined. The results showed that the model of hyperlipidemia was successfully established and the levels of TC, TG, and LDL-C in group D were significantly lower than those of group B and C (P <0.05) and the level of HDL-C was significantly increased (P<0.05). In conclusion, L. plantarum WW had both in vivo and in vitro cholesterol-lowering effect, which provides a new strategy for development of cholesterol-lowering products.

Key words Lactobacillus plantarum; cholesterol lowering; screening; identification;rats