灭活乳酸菌作用机理系列推文之3—— 活菌型益生菌保护剂海藻糖可能是艰难梭菌爆发的罪魁祸首之一

生物源 2018-10-23 14:45:07

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下文转自创始人胡文锋博士:


撰写:胡文锋 华南农业大学食品学院

校对:雷柳琳 生物源生物技术(深圳)股份有限公司;广州柏芳生物科技有限公司

 

       海藻糖,一种常见的食品添加剂,是活菌型益生菌的保护剂。


       什么是海藻糖?

       百度百科上是这样解释的:海藻糖由两个葡萄糖分子以1,1糖苷键构成的非还原糖,对多种生物活性物质具有非特异性保护作用。在微生物、植物和动物,特别是在极端环境,如干燥、高寒、高渗透压(如高盐)、高温生存的生物体内广泛存在。如沙漠植物卷叶柏在干旱时几近枯死,遇水后却又可以奇迹般复活;高山植物复活草能够耐过冰雪严寒;一些昆虫以及水熊在高寒、高温和干燥失水等条件下不冻结、不干死,就是在它们体内的海藻糖创造的生命奇迹。海藻糖因此在科学界素有“生命之糖”的美誉。国际权威的《自然》杂志曾在2000年7月发表了对海藻糖进行评价的专文,文中指出:“对许多生命体而言,海藻糖的有与无,意味着生存或者死亡”。


       海藻糖对生物的保护作用其机理主要是,海藻糖在高温、高寒、高渗透压及干燥失水等恶劣环境条件下可以在细胞、大分子(蛋白质、核酸等)表面形成独特的保护膜,有效地保护蛋白质和核酸等大分子免于变性失活,从而维持生命体的生命活动和大分子的生物活性。许多对外界恶劣环境表现出非凡抗逆耐受力的物种,都与它们体内存在大量的海藻糖有直接的关系。而自然界中如蔗糖、葡萄糖等其它糖类,均不具备这一功能。


       这一独特的功能使得海藻糖除了可以作为蛋白质药物、酶、疫苗和其他生物制品的优良活性保护剂以外,还是保持细胞活性、保湿类化妆品的重要成分,更可作为防止食品劣化、保持食品新鲜风味、提升食品品质的独特食品添加剂。


       乳酸菌活菌型益生菌制剂常加入海藻糖以保护细胞。

      以双歧杆菌为例,在我国,双歧杆菌活菌制剂已逐步成为乳酸菌类微生态制剂主要菌种。由于双歧杆菌是一种对生存条件要求极为苛刻的厌氧菌,外界环境稍有变化就容易引起该菌的死亡,因此,如何提高双歧杆菌的存活率,保证产品的货架寿命,一直是困扰活菌制剂行业的技术难题。以前人们普遍采用脱脂牛奶作冻干保护剂,但效果不甚理想,在储存过程中,细菌的存活率下降很快。2012的研究结果表明,采用海藻糖作保护剂,双歧杆菌的存活率比脱脂牛奶提高一倍以上,特别是海藻糖能够使冻干双歧杆菌在常温下长期保持活性,大幅度延长活菌制剂的保质期。从而有效地解决活菌制剂行业所面临的产品储存性能差,货架寿命短的问题。


       海藻糖可能提高艰难梭菌毒力,即使在很低浓度。

       这似乎一切安好,然而2018年1月正式出版的国际权威期刊Nature(《自然》)发表了一篇研究论文,该论文指出,海藻糖可增强艰难梭菌毒力,海藻糖在食品与生物制剂中的使用可能是导致全球艰难梭菌疾病爆发的罪魁祸首。

什么是艰难梭菌?

       艰难梭菌Clostridium diffcile),中文全称为“艰难梭状芽孢杆菌”或“难辩梭状芽孢杆菌”。据百度百科描述,艰难梭菌(Clostridium difficile)是梭菌属的一种专性厌氧菌,对氧十分敏感,很难分离培养,故此得名。此菌于1935年被发现,但直到1977年,科学家发现本菌与临床长期使用某些抗生素(氨苄青霉素、头孢霉素、红霉素、氯林可霉素等)引起的伪膜性肠炎、抗生素相关型腹泻有关,方被重视。其结构如图1所示。

图1. 艰难梭菌的示意图


Nature(《自然》)杂志发表论文(2018.1):

Dietary trehalose enhances virulence of epidemic Clostridium diffcile. 膳食中的海藻糖增强了传染性艰难梭菌的毒力

Nature, 影响因子43.137,第一作者和通讯作者均来自美国德州贝勒大学医学院,分子病毒学与微生物学系。

摘要如下:

       最近,由艰难梭状芽胞杆菌引起的疾病增加,并成为北美和欧洲主要的医院病原,尽管很少有人知道导致这种疾病暴发的原因。在这里,我们展示了艰难梭菌两种流行核糖体型菌株(RT027和RT078),并发现它们已经获得了独特的机制来代谢低浓度的二糖——海藻糖。RT027菌株在海藻糖抑制因子中含有单点突变,增加了这种核糖体型菌株对海藻糖的敏感性达500倍。此外,在小鼠感染模型中,膳食中的海藻糖增加了RT027菌株的毒力。RT078菌株在海藻糖代谢过程中获得了4个基因,其中包括一种在低浓度海藻糖生长所必需和足够的PTS通透酶。我们认为在这两种流行病出现之前,将海藻糖作为食品添加剂加入到人类的饮食中,强化了这种选择压力,导致了超毒菌株的出现(见图2)。

图2. 海藻糖作为碳源增加了艰难梭菌的毒力


《自然》杂志另一篇发表文章的相关评论(2017.12):

Pathogens boosted by food additives. 食品添加剂促进病原爆发

作者Jimmy D. Ballard来自于美国俄克拉荷马大学健康科学中心的微生物学和免疫学系。


以下引自著名科学公众号“热心肠先生”:

1) 海藻糖能防止食物成分变性以保鲜,被广泛用在意大利面、冰淇淋和碎牛肉等食物中;


2) 1995年以前,海藻糖的制造成本极高,但随后新工艺让成本降低至少100倍;


3)2000年和2001年,美国和欧洲先后批准其作为食品添加剂,后在全世界范围内(包括中国)得以普及;


4)在2001-2006年间,艰难梭菌在美国、加拿大和多个欧洲国家开始爆发;


5)Collins等人的研究明确暗示,海藻糖可能是促进艰难梭菌感染爆发的罪魁祸首之一,并提醒:“无害”的添加剂可能存在危险。

图3. 海藻糖的使用与艰难梭状芽孢杆菌RT027及RT078株扩散时间轴图


作者小结

       作为近年来才开发并大量推广使用的食品添加剂以及益生菌与活性大分子的保护剂——海藻糖对食品加工与生物学产品保护的贡献有目共睹。但是,近期《自然》杂志报道指出其可以增加艰难梭菌的毒力,为其作为食品添加剂或生物学产品的保护剂等大规模使用投下了阴影。尽管这是全球首次报道,目前也还没有来自其他研究者的相似报道,但海藻糖的大量使用所带来的风险是存在的。

       我认为,在目前益生菌的产品正大行其道,活菌类产品中几乎都添加了海藻糖的情况下,减少或完全不使用海藻糖作为保护剂是最明智的做法,宁可信其有。而作为消费者,另一个选择就是改用灭活的乳酸菌制剂。因为灭活乳酸菌制剂对环境有很强的抗逆性,完全不需要添加此类保护剂,所以完全没有这种风险,可以放心使用。无论是成人还是儿童、老人,甚至免疫力低下的人群如大病初愈、患流感、饮食不规律且多饮酒等亚健康状态下的人群均可放心使用。

       另一方面,动物使用的活菌型微生态制剂基本上都会采用海藻糖作为保护剂。目前对养殖动物威胁最大的是魏氏梭菌感染以及由此造成的胀气病。由此我们联想,魏氏梭菌毒力是否与海藻糖的存在也有关呢?这也是使用灭活乳酸菌制剂的另一个理由。



参考文献

1. Collins J., A. Britton. 2018. Dietary treholose enhaces virulenceof epidemic Clostridium difficile. Nature, 553, 291-294.

2. Ballard J. 2018. Pathogens boosted by food additive. Nature, 553, 285-286.