酸奶(2)

健康长寿微笔记 2019-08-27 13:46:24

调整生活方式的介入性干预对于防治2型糖尿病的重要意义(六 延伸 26 影响糖尿病的其它风险因子 – 高脂肪及高胆固醇 12)



本期要点

        

        酸奶是利用特定菌种的乳酸杆菌与嗜热链球菌进行共生培养,对于牛奶等奶类进行发酵的产物。


       在特定的生存环境之中,经过人类数千年的使用之后,乳酸杆菌在人为因素的影响之下进行着快速的遗传进化。


        在酸奶以及其它食品中添加“益生菌”,以此期待可以促进人体健康,还是一个相对模糊的概念范畴。说得更明确一些,益生菌制剂可以被用于治疗特定的疾病(例如炎性肠症),然而对于健康人群的长期作用,仍然不明确。


       


制作酸奶的科学原理

        

        在此前我所谈到的家用酸奶的制作过程之中,最关键的一步是在投放含有菌种的纯酸奶之后,在干净的容器之中进行40摄氏度条件之下的保温发酵


        纯酸奶含有保加利亚乳酸杆菌(Lactobacillus bulgaricus2014年改名为Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus;在下面的电子显微镜照片照片中,显示这种细菌的直径约为0.5至0.8微米,长度约为2至9微米),它的生长繁殖需要较高的温度(43至46摄氏度左右)和较高的酸度(pH酸度值在4.6至5.4,数值越低,则酸度越大)。

图片来源:Pinterest



        除此之外,纯酸奶还含有同样属于革兰氏阳性菌(Gram-positive bacteria;这类细菌由于具有细胞壁结构,其中的肽聚糖可以被结晶紫这种化学染料染色 – 这种染色鉴定方法是由丹麦细菌学家Hans Christian Joachim Gram发明的)的嗜热链球菌(Streptococcus thermophiles,在下面的电子显微镜照片之中,显示的单个细菌直径约为0.5至2微米)。

图片来源:Pinterest


        嗜热链球菌在合适的温度(35至42摄氏度)下进行生长繁殖,并且可以与乳酸杆菌合作共生:乳酸杆菌的细胞壁外部有一种蛋白分解酶,可以把牛奶中的蛋白质分解转变为氨基酸,提供给嗜热链球菌;而反过来,嗜热链球菌可以给乳酸杆菌提供叶酸、甲酸以及二氧化碳,用于合成嘌呤(这是组成遗传信息物质DNA或者RNA的碱基分子)。这样的协同合作,有利于菌群扩增。两种细菌都可以产生乳酸,在酸度由此被提高之后,可以抑制其它细菌的生长。这个酸度同样也会让牛奶中的蛋白质变性,增加酸奶的黏稠度,同时产生酸味。而经由乳酸杆菌发酵,产生的乙醛也是酸奶的芳香风味的重要组成分子。


        具体说到乳糖在细菌内的发酵代谢过程,基本上可以归纳为以下三种不同,然而彼此之间又有联系的生化代谢途径(如下图所示)【1】。




         可以看到,经过细菌的代谢,乳糖可以被分解其它小分子化合物,最终产生代谢产物乳酸或者乙醇(代谢终产物用绿色标注,几个重要的中间产物用紫色标注)。如同上文中所说的,乳酸可以提高酸度,抑制其它细菌生长;而乙醇经由进一步氧化反应,可以生成乙醛等其它物质。


        在大学时代学习生物化学课程的时候,认为这是最枯燥乏味且难于记忆理解的内容;然而现在看来,许多很有意思的东西其实就包埋在这些复杂的生物化学反应之中。在此我举一个例子:由西岩介绍过的“瓦尔堡效应”(Warburg effects)可以被癌症细胞利用,在低氧高糖的环境中,把葡萄糖转变成为乳酸而非是下游更具有能量代谢能力的丙酮酸分子(参见2016年10月31日的一期)。这种牺牲代谢效率的做法,是癌症细胞为了获得建造细胞所需原材料,加快细胞分裂而做出的一种选择。很多生化反应所产生的小分子化合物则可以调控它自身的生成反应,甚至还有其它属于同一途径或者不同途径的代谢反应。与我所要谈到的“益生菌”相关的,是一些细菌产生的代谢产物可以调控人体细胞,包括肠道以及脑部神经细胞的功能。还有一点,则是与下文说到的细菌分子遗传学有关 – 在适应性进化过程中,乳酸杆菌改变了自身的遗传物质,特别是与代谢有关的基因,以此与嗜热链球菌合作共生,对于牛奶进行发酵。



与酸奶相关的细菌分子遗传学

        

        乳酸杆菌的基因组含有约180万个碱基对其规模大小只有常见微生物大肠杆菌基因组的三分之一,是人基因组的近二百分之一。根据2006年发表在《美国国家科学院院刊》上面的一篇文章,来自法国的研究小组分析了一种保加利亚乳酸杆菌的基因组序列。



        研究人员发现了一系列很有意思的特征:

  1. 大量基因被用于编码核糖体核糖核酸(rRNA,主要是细胞内蛋白质的合成场所)以及转运核糖核酸(tRNA,携带并转运氨基酸以进行蛋白质合成的一类小分子核糖核酸);

  2. 基因组含有约270个不编码蛋白质的所谓“假基因”(pseudogene);

  3. 在基因组DNA复制终点有一段反向重复序列,等等。


        这些特征似乎都支持一种假设,指出这种最早来自于植物的细菌在经过人类长达数千年的使用之后,其基因组正处于一个快速进化的阶段。不仅如此,其它一些特征,包括不完整的代谢途径、对于多胺类化合物的需求(用于适应生存环境压力)以及具有一系列叶酸合成基因等,也符合乳酸杆菌与嗜热链球菌进行所谓“原合作”(protocooperation)的共生情况。换句话来说,由于生存环境的简单化,乳酸杆菌做到“轻装上阵”,去除了很多不必要的遗传物质;而目前仍然保留的基因则让它和嗜热链球菌可以各司其职,合作利用牛奶中的乳糖及蛋白质。


        由此我们可以想到一个问题,那就是利用细菌分子遗传学对于乳酸杆菌进行人工改良,由此制造出含有更丰富的营养,具有更多风味的纯酸奶。这种遗传工程学的改良工作可以从多个角度出发进行(如下图所示)【2】。


原图来源:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4155822/



        与袁隆平先生对于水稻杂交品种所做的艰巨选择工作相比,对于乳酸菌(lactic acid bacteria,LAB)的遗传学改造可以采取一些其它手段,特别在实验室中利用自动化仪器进行快速筛选,可以达到“事半功倍”的效果。


        从传统的改良工作来看,对于菌种进行基因随机突变(random mutagenesis)在食品工业中早已被广泛运用。而由于基因随机突变,会造成菌种的性状出现变化,由此可以根据需要,筛选合适的性状。另外一个方向则是所谓的“定向进化”(directed evolution),就是在一个广大群体中,筛选那些经过自发性基因突变,逐渐适应某一种环境的个体。除此之外,也有其它重组DNA技术可供利用(甚至包括目前炙手可热的基因组编辑技术CRISPR技术),进行对于菌种的改良。不过后者需要符合食品安全的特殊管理,特别是在对于转基因食品仍然存在很大争议的情况之下。



其它乳酸杆菌       

        

        我曾经提到为了减轻“乳糖不耐受”所造成的不适感,可以选择酸奶,因为在牛奶的发酵过程之中,很多乳糖会被细菌降解利用。而在乳酸杆菌属(Lactobacillus)这个大家庭之中,除了保加利亚乳酸杆菌之外,还有至少180余种其它乳酸杆菌细菌可以利用乳糖,而其中有不少是可以致病的。根据2005年的一篇综述文章,与乳酸杆菌感染相关的疾病包括心内膜炎、菌血症、腹膜炎、脓肿以及脑膜炎等。由于乳酸杆菌感染所造成的死亡率可以高达30%,特别是多种细菌感染具有更高的危害性。




        就有害的细菌而言,在下面我们会看到一种培养皿平板,这是在上个世纪由英国细菌学家Alfred Theodore MacConkey发明的,可用于培养并检测可以利用乳糖的肠道微生物的存在。


图片来源:维基信息


        这种培养基里面含有结晶紫以及胆酸,可以抑制革兰氏阳性菌的生长。在每1升培养基里面还含有10克乳糖以及30毫克中性红,后者是一种可以显示酸碱度的化学物质。如果通过选择培养的革兰氏阴性菌可以发酵利用乳糖,则由于改变酸碱度而显示出紫红色(上图左半边);与之相反,右半边为对照,是可以在这种培养皿上生长,然而不能够发酵利用乳糖的细菌。


        由此可以想到,在制作家用酸奶的过程之中,特别需要注意提供一个卫生的环境,经常使用肥皂洗手,并且要用开水处理用于发酵的容器,把它放凉后再行使用。如果制作出来的“酸奶”具有很奇怪难闻的味道,多半是因为受到了微生物污染,其中不排除还有其它可以利用乳糖的有害细菌。




与酸奶有关的“益生菌” 

        

        我们在购买酸奶食品的时候,经常会看到一些被标注为添加了“益生菌”的品种。从词源的角度出发,益生菌的英文单词probiotic可以被拆分为pro(为了)以及biotic(生命);很显然,这种物质与抗生素(anti-biotic)恰好是截然不同的。


        被添加于酸奶之中的常见“益生菌”包括嗜酸乳酸杆菌(Lactobacillus acidophilus,俗称“A菌”)以及双歧乳酸杆菌(Lactobacillus bifidus,俗称“B菌”)。


        嗜酸乳酸杆菌是一种革兰氏阳性菌(如下图的电子显微镜照片所示,其宽度为0.7至1.1微米,长度为2.0至4.0微米),适合在酸性环境(pH小于5)以及37摄氏度生长繁殖,可以将糖类发酵转变为乳酸。它与制造酸奶所采用的保加利亚乳酸杆菌一样,是属于乳酸杆菌属的一种细菌。

图片来源:维基信息



        

        奥地利儿科医生恩斯特·莫罗(Ernst Moro)最早在1900年分离出嗜酸乳酸杆菌,后由来自于美国及法国的科学家阿尼·汉森(Arne Hansen)及乔治·莫阔特(George Mocquot)在1970年对其进行了分类鉴定。



        而双歧乳酸杆菌则是由法国儿科医生亨利·蒂西(Henry Tissier)从母乳喂养的婴儿的粪便中分离出来的一种细菌,在显微镜下可以观察到这种革兰氏阳性菌具有英文字母“Y”的形状,由此得名。

一种双歧杆菌的电子显微镜照片。图片来源:https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/The_role_of_Bifidobacterium_longum_in_a_healthy_human_gut_community




        以上为按照丹麦化学家及细菌学家欧拉-金森(Orla-Jensen)在1924年对于乳酸细菌的分类,双歧杆菌在其中的分类地位。在这个“属”之中,含有超过30中不同种类的细菌。双歧杆菌具有一种特殊的果糖-6-磷酸磷酸酮酶代谢途径,可以发酵利用寡糖(含有3至10个单糖分子的糖类);婴儿肠道中的双歧杆菌可以利用乳糖,而成人的则可以利用来自于植物的寡糖。


        在此前的一期介绍保加利亚乳酸杆菌的部分,我曾经提到双歧乳酸杆菌可以被用于治疗溃疡性结肠炎。由此可见,从医用的角度出发,双歧杆菌的确具有“益生菌”的特征,不过这只是针对一种特定的健康状况。并且由于多数种类的双歧杆菌都是厌氧性细菌,这多少限制了它们作为“益生菌”的实际应用。


        在过去的几十年来,来自于消费者、研究领域以及工业界对于“益生菌”的关注日益增加。根据美国《妇女健康杂志》网站所提供的信息【3】,目前在美国,“益生菌”产品的市场已达370亿美元左右;在过去的3年之中,含有“益生菌”的酸奶以及液体酸奶(kefir)的销售量增加了将近30%左右。令人感到滑稽的是,无论是什么产品(包括瓶装水和玉米片),只要是贴上“益生菌”的标签,就可以有效地提高销售业绩。这背后的道理很清楚,因为“益生菌”已经被成功地包装成为一个所谓的“神奇健康子弹”(magic wellness bullet),可以治疗炎性肠症,降低过敏,也可以增加免疫力,甚至还可以对抗包括老年痴呆症以及2型糖尿病在内的重大疾病。


        然而事实上果真如此吗?与美国的做法相比,欧盟对于“益生菌”产品的管理则非常苛刻,目前基本上不允许厂家在产品商标中声称“益生菌是有利于健康的”;厂家可以说的,无非就是“活性酸奶培养,并可以改善乳糖消化”而已。归根到底,就是安全性(safety)以及有效性(efficacy)的重大问题。


        《妇女健康杂志》网站列举了在采用“益生菌”之前,有7件需要知道的事情(在此我按照原文大意将其列举出来,并且加入自己的一些理解注释):


  1. “益生菌”并不见得可以在你的肠道之内永久存留。在很多情况之下,例如传染性腹泻,使用它作为医疗手段之目的只是把有害的细菌微生物从肠道内排挤出来。


  2. 很多“益生菌”被选择添加到食品之中,主要是因为它们相对安全,容易生产并且便宜,并非一定是由于它们对于维持健康或者治疗某种疾病具有最好的效力。


  3. 如果你有某一种健康问题,确认采用与之相关的正确“益生菌”菌种。还有一点,则是要确认每一份制剂含有至少10亿个活菌,而根据Consumer Lab这个消费者组织的检测结果,这个数值通常在250万至9000亿之间不等。


  4. 仔细查看保质期。按照严格定义,“益生菌”必须是活菌。尽管在商标上面标注出一个胶囊含有数十亿个细菌,并不代表当你吞服它的时候,里面仍然还有同样数量的活菌。我想指出的是,如果保管不当,包括长时间放置于过高的温度环境之中,都会降低活菌数量,甚至还有可能产生其它有害物质。


  5. 有些“益生菌”菌种不能够在胃部的酸性环境中存活,由此也无法到达肠道,所以选择服用的“益生菌”保健品需要一个胶囊包装。如果没有的话,最好与其它食物一起食用,以减少胃酸对于它们的破坏作用。我注意到,日本人解决这个问题的主要办法,是采用那些具有孢子形态的菌种(某些细菌在特定条件之下可以形成一种特殊形态,以此抵抗高温等严酷环境)。


  6. 尽管采用同一种益生菌制剂,哪怕是对于益生菌已被证明具有效力的“抗生素相关腹泻”(antibiotic-associated diarrhea,我在下一期会介绍一下相关研究),在每一个个体所表现出来的反应都不会尽然相同。每一个人的肠道微生物菌群都像指纹一样,具有独特的组成特点,这受到年龄、性别以及人体基因组成结构的影响。


  7. 自身肠道内的正常细菌也需要营养物质,以帮助它们的生长繁殖。这种营养物质被称为“益生元”(prebiotics),常见于全麦燕麦、香蕉、芦笋、洋葱及大蒜等食物。



        当我看到以上网站文章中写到,“朋友,请放下你的红茶菌,因为科学还并没有很好证明就是这么一回事儿”,忍不住笑了起来。根据对于美国内布拉斯加州食品与健康中心的Robert Hutkins博士的采访,到目前为止,对于已经发现的数百种“益生菌”,仅有十几种是经由科学医学研究鉴定,对于特定的健康状况具有益处(注:暂且不提这些研究结果的可重复性,这是我准备在下一期中将要谈到的内容)。更为重要的是,几乎没有证据表明,以上“益生菌”对于健康人群的肠道微生物菌群具有促进作用(注:某些“益生菌”制剂的确可以降低包括2型糖尿病在内的疾病风险,不过目前仍然不确定这种作用究竟是由于活菌或是代谢产物及添加物所造成的)。


        受篇幅所限,我在此仅以介绍“益生菌”酸奶以及以上网站信息作为一个契机,引入“益生菌”这个宏大的概念,在下一期中继续讨论(未完待续)。



参考文献:


1】Tsuda Harutoshi.  Exopolysaccharides of Lactic Acid Bacteria for Food and Colon Health Applications.(来自于可以制造乳酸的细菌的表多糖对于食物以及结肠健康的应用), https://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/42337.pdf(发表在INTECH开放资源文献中心上面的免费文章,DOI:10.5772/50839)。

2】Derkx, P.M., Janzen, T.,Sørensen, K.I., Christensen, J.E., Stuer-Lauridsen, B., Johansen, E..  The art of strain improvement of industrial lactic acid bacteria without the use of recombinant DNA technology.(不经由重组DNA技术对于工业用乳酸菌的菌种改良艺术),Microb Cell Fact. 2014Aug 29;13 Suppl 1:S5. doi: 10.1186/1475-2859-13-S1-S5. Epub 2014 Aug 29.  https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/articles/10.1186/1475-2859-13-S1-S5

3】Women’sHealth,by Laura Beil,“7 Things You Should Know Before Taking Probiotics”(在采用“益生菌”之前,你所应该知道的7件事情),2017年7月17日https://www.womenshealthmag.com/health/know-before-taking-probiotics


封面图片来源:http://blogs.oregonstate.edu/moore/probiotics-what-is-good-bacteria-anyway/