凤凰益生菌,开启粘膜免疫新时代

Phoenix probiotics, opening a new era of mucosal immunity

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益生菌在降低食物农药残留毒性中的作用

食品污染是全球食品安全和健康的一个主要问题。食品行业广泛开展安全食品生产工作,尽管为此作出了很大的努力,但是食品仍可能会因为受过污染的原材料和/或各种食品加工过程产生的各种有害物质而受到污染,这可能会对长期健康产生不利影响。食品生产过程中产生的多环芳烃、杂环胺和丙烯酰胺等有毒化合物以及食品原料中残留的霉菌毒素、邻苯二甲酸酯、重金属和农药等都可能最终存在于我们所吃的食物中。因此,食品监管部门对这些有毒化合物在各种食品中的残留限量制定了严格的规定,并不断修订。但是,即便如此,长期低剂量的接触仍有可能对人体健康造成危害。

农药是一种有毒化合物,可能存在于未加工的和加工过的食品中,特别是谷物和蔬菜水果产品。农药是一种被广泛用于提高农产品产量的化合物,这也因此可能对水、土壤造成污染,人们对水、土壤和农产品中存在的农药残留物感到担忧。尽管农药对害虫有杀灭作用,但它们可能对人类和动物的健康产生不利影响。据报道,人体长期接触低剂量农药对内分泌和神经功能有负面影响。因此,人们越来越关注食品中农药的残留,尽可能消除或减少食品中农药的使用是至关重要的。

除了减少农药使用和防止农药污染以外,各种预处理和加工工序,包括清洗、浸泡、脱皮、修剪、研磨、烘烤、发酵等,都可以有效降低农药水平。除此以外,人们越来越重视食品中农药等有毒化合物的生物降解和生物解毒。据介绍,一些益生菌可以代谢和利用杀虫剂作为碳源和能量来源。由于益生菌的健康促进作用,它们被广泛用于各种发酵食品和膳食补充剂,近年来益生菌在农药解毒方面的应用也受到人们的关注。

食品中的农药残留及其毒性效应

常见的农药包括杀虫剂、除草剂、杀菌剂、灭鼠剂、除螨剂和其它生长调节剂,用于农业和食品生产,以控制昆虫、杂草、植物病原体和微生物污染。它们是根据其化学结构、工作原理、作用方式和可能的毒性来分类的。农药中含有不同的有机(比如碳)和无机(比如硫酸铜、硫酸亚铁、铜、石灰、硫等)活性成分。它们被分为四大类,包括有机磷、有机氯、氨基甲酸酯和拟除虫菊酯。

作物、水果、蔬菜和谷物在收割前、收割后和贮藏期间使用农药处理,会导致这些食品受到污染。为了增加食品的安全性,各个国家都对食品中可接触到的农药最大残留水平设置了一个上限。然而,农药是脂溶性物质,可在生物体内累积,长期低剂量摄入也可能造成严重的健康危害。

根据农药的健康风险,世界卫生组织将其分为四类,包括极危险、高度危险、中度危险和轻度危险。国际癌症研究机构评估了五种有机磷农药的致癌性,宣布除草剂草甘膦以及杀虫剂马拉硫磷与二嗪磷对人类可能致癌(2A级,此类致癌物对人类致癌性证据有限,对实验动物致癌性证据充分),宣布杀虫剂杀虫威和对硫磷一样可能对人类致癌(2B级,此类致癌物对人类致癌性证据有限,对实验动物致癌性证据也不充分)。

接触农药主要是通过食物链、空气、水和土壤,它们通过皮肤、口腔、眼睛和呼吸道进入人体。农药对人体健康的影响可分为急性和慢性两类:头痛、皮疹、头晕、腹泻、认知能力受损、肌肉无力、昏迷甚至死亡等症状都与急性反应有关;农药的慢性毒性可引起各种癌症、神经退行性疾病、心血管疾病、生殖疾病和呼吸系统疾病。

农药产生有害作用的机制有以下几个方面:1)干扰内分泌系统,与不同受体结合,导致这些受体的正常作用被抑制,以及作为激素激动剂;2)遗传损伤;3)活性氧自由基的产生。

有机氯类农药被认为是内分泌干扰物,可以增加癌症风险,包括乳腺癌、前列腺癌、胃癌和肺癌,并诱发肝脏疾病。最著名的有机氯类农药滴滴涕(DDT)及其代谢物DDE具有内分泌干扰和致癌的作用。

 

有机磷农药对血液和神经系统中的胆碱酯酶有抑制作用,导致胆碱能神经元过度活跃。此外,神经和肝脏疾病、膀胱癌、白血病以及心血管疾病都与接触这些物质有关。

氨基甲酸酯类农药比如涕灭威、克百威、福美锌等具有免疫毒性、致癌性、生殖毒性以及扰乱内分泌系统和线粒体功能。

益生菌在解毒农药中的作用

益生菌是摄入足够数量对宿主健康具有促进作用的活性微生物。越来越多的证据表明,益生菌可以通过平衡肠道菌群、增加营养物质的生物利用率以及产生细菌素、短链脂肪酸、胞外多糖、酶和维生素等各种生物活性物质,在包括胃肠道功能紊乱、肥胖、糖尿病、乳糖不耐症、高血压、不同类型的癌症和精神疾病中发挥有益作用。此外,益生菌也可以解毒外源性物质,并通过与这些毒物结合和利用酶促反应来阻碍它们的毒性。近年来,益生菌对霉菌毒素、重金属、多环芳烃、杂环胺、亚硝胺和农药的解毒特性被广泛研究。

虽然农药在农业和粮食生产中发挥着重要作用,但应注意的是,不恰当的使用和过度施用农药会导致其在生态系统中积累,并对人类健康构成严重威胁。人们认为,采用对环境无害的农业实践和创新可以减少对化学品的需求。使用微生物是降解农药最经济、最划算的方法之一。众所周知,细菌可以通过一种称为生物降解的过程分解环境污染的土壤和水中的农药,并将它们作为碳源、氮源和能量来源。近年来,利用益生菌等微生物作为解毒工具,为毒物减量策略开辟了新的前景。

1、 发酵是一种古老的食品制备工艺,也是一种降低农药水平的有效方法。

植物乳杆菌在小麦发酵过程中能够降解其中81%的农药虫螨磷,而这种农药对细菌的生长和发酵活性没有影响。

同样,植物乳杆菌在发酵过程中也可以降解小麦中的拟除虫菊酯类杀虫剂联苯菊酯,联苯菊酯是通过羧基酯键的水解而代谢的。

此外,植物乳杆菌也可以降解腌制大白菜中96.2-99.7%的毒死蜱、敌敌畏、甲拌磷和敌百虫等四种有机磷农药。

受毒死蜱和甲拌磷污染的全玉米中加入植物乳杆菌,在青贮10周内农药水平下降25-33%

同样,在稻草中接种干酪乳杆菌经地窖青贮作饲料后,可以减少毒死蜱的数量。

有研究人员调查了酸奶和奶酪生产过程中的有机氯农药的残留水平,发现由嗜酸乳杆菌、保加利亚乳杆菌、植物乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、干酪乳杆菌、嗜热链球菌和两歧双歧杆菌组成的酸奶发酵剂对这些农药的减少效果显著。

2、 一些体外研究也提供了益生菌的农药降解能力的证据,不同的益生菌也表现出不一样的能力。

研究人员在脱脂牛奶中加入五种有机磷农药(二嗪磷、甲基对硫磷、毒死蜱、杀螟硫磷和马拉硫磷)并使用10种不同的益生菌发酵(涉及4种不同的植物乳杆菌、2种瑞士乳杆菌、1种短双歧杆菌、1种保加利亚乳杆菌、1种乳酸乳球菌和1种嗜热链球菌),结果发现短乳杆菌具有最强的农药降解能力。 

此外,研究人员在牛奶样品中加入7种有机磷农药,然后分别接种一株乳酸杆菌,包括保加利亚乳杆菌、副干酪乳杆菌和植物乳杆菌。由于细菌的降解,农药的含量呈下降趋势,其中保加利亚乳杆菌和植物乳杆菌的降解活性最大。

研究人员将两种有机磷农药(毒死蜱和甲拌磷)添加到玉米中,然后使用三种不同的植物乳杆菌及其组合在常温下降解10周,结果农药残留量明显减少,菌株组合对有机磷农药的降解效果要优于单一菌株。益生菌对有机磷农药的降解都是通过其产生的磷酸酶来实现的,该酶在有水的情况下可以将有机磷农药转化为二烷基磷酸盐和芳香醇。

也有研究人员评估了121个植物乳杆菌菌株的有机磷农药降解活性并挑选出了6个对乐果、甲拌磷和氧化乐果降解活性最高的菌株。结果表明,植物乳杆菌P9是降低三种有机磷农药效率最高的菌株,它们对模拟胃肠液和胆汁也具有较高的耐受性。

从天然发酵的黑橄榄发酵液中分离的两株植物乳杆菌(LB-1LB-2)对毒死蜱(一种有机磷农药)与溴氰菊酯(一种拟除虫菊酯类农药)也具有降解能力,三天后,LB-1LB-2分别降解96%90%的毒死蜱以及24%53%的溴氰菊酯。

3、益生菌对农药导致的人体毒性的保护作用还没有得到广泛的研究,但一些研究提示益生菌可以作为预防性治疗,减少人类和动物对农药的吸收,降低对人体的毒性。

研究人员使用Caco-2细胞株作为肠上皮模型,研究了鼠李糖乳杆菌GGGR-1对农药对硫磷和毒死蜱的转移。结果表明,鼠李糖乳杆菌可以通过被动结合降低农药的毒性。

干酪乳杆菌的无细胞发酵上清液可以降低二嗪磷对人血管内皮细胞的细胞毒性。

怀孕大鼠补充植物乳杆菌,可以降低对一种叫做硫丹的烈性杀虫剂诱导的肝脏和肾脏细胞凋亡,改善大鼠的生化指标。

益生菌降低农药毒性的可能机制

1、 产生降解农药的酶

益生菌产生的一些酶,包括羧酸酯酶、磷酸酶、磷酸三酯酶和有机磷水解酶,通过磷酸酯类的水解作用,参与有机磷农药的降解。酸性磷酸酶和碱性磷酸酶都可以通过水解多种磷酸酯的C-O-P键来降解有机磷农药。

益生菌携带有农药降解基因,可以编码具有降解活性的酶类,比如有机磷水解酶、甲基对硫磷水解酶和有机磷酸脱水酶;在有农药存在的情况下,益生菌的这些基因的表达也会增加。

2、 调节肠道菌群

农药可以与肠道菌群相互作用,改变肠道菌群组成,影响其代谢物的产生,包括短链脂肪酸、胆汁酸、三甲胺等,从而可能对宿主产生多种不利的影响。

例如,杀虫剂毒死蜱会减少有益细菌(双歧杆菌和乳酸杆菌)的数量,并增加肠球菌和拟杆菌的数量。一些致病性细菌,比如肠炎沙门氏菌、鸡沙门氏菌、伤寒沙门氏菌、产气荚膜梭菌和肉毒杆菌,对除草剂草甘膦高度抵抗;而大多数有益菌细菌,比如粪肠球菌、屎肠球菌、栗褐芽孢杆菌、青春双歧杆菌和乳杆菌属细菌,对草甘膦非常敏感。

越来越多的证据表明,益生菌在缓解肠道菌群失调和修复环境污染物方面的作用。益生菌会产生抑制其它微生物生长的抗菌物质或者与其它肠道微生物争夺营养和结合位点。所以,益生菌可能通过恢复农药对肠道菌群的破坏,降低农药的毒性。

3、保护肠道屏障

农药也会破坏肠道黏膜屏障,导致病理学改变,保护肠道屏障在减少农药毒性中具有重要意义。益生菌可以提高肠道屏障的完整性,减少细菌易位和调节肠道免疫。比如,某些益生菌可以增加肠道上皮细胞紧密连接蛋白的表达。

4、 降低氧化应激

农药产生有害作用的机制之一是刺激活性氧自由基的产生,导致人体氧化损伤。益生菌也具有抗氧化的活性。益生菌可以利用超氧化物歧化酶降解超氧化物、产生抗氧化代谢物(比如谷胱甘肽、丁酸和叶酸)、刺激宿主的抗氧化系统以及调节产生活性氧自由基的信号通路和酶来发挥作用。

5、 抑制炎症

益生菌可以调节接触农药相关的促炎症反应。比如,干酪乳杆菌可以通过下调肠道上皮细胞中促炎症信号通路的活性和增加肠系膜淋巴结中调节性T细胞的数量,来抑制极端炎症。

总结

农药通过控制昆虫、杂草、植物病原体和微生物污染,在农业和粮食生产中发挥着关键作用。当今农业生产中农药的使用必不可少,所以食品中的农药残留问题是不可避免的。不恰当的应用会引起各种健康问题,包括致癌性、生殖毒性、神经退行性疾病和内分泌系统紊乱等等。 

现在已经提出了各种减轻农药残留的物理和化学方法,但大多数都存在成本高、二次污染和在某些情况下甚至会提高农药残留水平的缺点。利用益生菌等微生物进行生物降解可能是解决这一问题的有效途径。很多益生菌含有降解农药的基因,能够通过分泌各种水解酶来解毒农药。此外,益生菌可以平衡肠道菌群、保护肠道屏障、降低氧化应激和抑制炎症等方式减少农药残留对胃肠道造成的伤害,降低农药残留对人体的毒性。

在日常生活中,尽可能选择有机的产品是减少农药摄入最好的方法,但很多时候可能仍不可避免。益生菌发酵可能是一种很好的降低食物中农药残留的方法,同时补充益生菌也可能减少食物中的农药残留对身体造成的毒害。

参考文献:Yousefi, M., et al. (2020). " Probiotics as potential detoxification tools for mitigation of pesticides: a mini review" International Journal of Food Science & Technology.

文章摘自--菌情观察室

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