江南大學陳衛：益生菌對重金屬的生物減除及其在乳制品中的應用

【FBIF2016演講文稿（整理）】

演講嘉賓:陳衛，食品學院院長，江南大學

圖為：陳衛

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今天跟大家分享的是益生菌對重金屬的生物減除及其在乳制品中的應用。

主要從三個方面介紹，一個是重金屬危害及其防治策略，第二個是益生菌對重金屬的生物減除；第三個介紹一下具有生物減除重金屬能力的益生菌在乳制品食品當中的應用。

重金屬是一類比重超過4.5的金屬，像鎘、鉛、汞、銅、砷等，在土壤的污染里面，重金屬污染占到85%以上。據國土資源部的數據，大概每年有1200萬噸糧食遭受污染，損失幾百個億。另外重金屬通過土壤、飲用水、食物對人體產生暴露，有的通過植物的吸收還有的通過飼料，然后最后在人體里面表現出來。除了水、土壤、食物以外，其實在我們生活里面重金屬的暴露還是很多。比如說通過大氣，包括汽車的尾氣、工業的廢氣等，另外還有生活用品，比如說電池、化妝品、玩具等。生活里面，重金屬暴露的機遇還是比較高的。看一下我國食品中的重金屬污染的情況（圖1）。從地區來看，主要在長三角、珠三角和東北工業基地。從品種上來講，它也有一個特點，吸附重金屬比較厲害的主要是稻米、花生、向日葵、煙草等。還有一組數據，我國食品里面，鎘的檢出率大概在64%，這是對2000余份樣品統計的結果，超標率7.3%。長三角地區食品的超標率是7.6%，其中水產品達到30%以上。另外重金屬對人體的危害很大，比如說重金屬鎘，國家癌癥研究中心，鎘是列為一級致癌物，美國環保署把鎘列為第7位危害人體健康的有毒物質。在我國的土壤里面，鎘也是一個點位超標率最高的污染物。如果暴露以后有急性鎘中毒，還有慢性鎘中毒，這個臨床上有一系列的癥狀，包括腎毒性，肝臟的損傷、泌尿器官的損傷等。

圖1

這幾年，特別是這種鎘大米的事件還是引起大家對鎘污染的憂慮。鉛也是在日常生活里面經常暴露風險比較高的一類重金屬。國際原子能機構有一個數據，大概全球有1.2億人暴露于含鉛過高的環境。世界衛生組織也有一個數據，中國兒童血鉛超標率大概是在10.45%。

重金屬在臨床上的治療主要是采用螯合劑，因為它對重金屬有很強的結合能力然后再把它排出來。但是一般不是達到中毒的程度，比如說是上限或者是略微輕度的中毒，就要采取很多的措施，一個是減緩重金屬暴露引起的損傷，第二個就要把重金屬降下來。實際上用螯合劑的方法也是有很多的副作用。一般治療都是治療幾天就要停一個月然后再治療，一個療程下來要有很長的時間，為什么？就是人吃不消。另外還有一個副作用，螯合劑排的時候不僅是把重金屬排掉，把一些必需營養素都排掉，就是必需礦物質的流失是非常嚴重。

我們實驗室這幾年一直做的工作是用益生菌的方案來減除重金屬。另外以生物的方法還有一個好的就是乳酸菌有一個比較強的抗氧化力，因為重金屬中毒就是對機體的氧化應激，這時候對組織器官的損傷比較大。通過我們的實驗，從體外和動物模型以及臨床上的證明，益生菌強抗氧化對體內降低它的氧化應激起的保護作用還是很有效。另外益生菌、乳酸菌進入身體以后，在腸道里面與腸上細胞的位置結合，起到調節作用。對腸道的屏障也起著很好的這樣一個調劑作用，所以這都是很好的。

圖2

第三個是益生菌對重金屬的生物減除。在我們實驗室，現在我們第一個做的是鉛，第二個是鎘，然后是銅，另外我們做了鋁，還有對砷也在做。我們實驗室最主要的手段還是動物實驗，部分菌株也做了人體的。這類研究我們有一個設想，一個假設。實際上也可以說是我們的一個研究思路，我們覺得如果要有一個好的益生菌，必須要有一系列的特質和特點。第一個我們想它一定要有比較好的重金屬離子的吸附能力；第二個要有針對這種重金屬一個比較好的耐受能力；第三個很好的抗氧化能力；第四是比較好的胃腸道環境的耐受能力。去年我們得了一個專題新獎，所以大家對這個比較感興趣，所以我舉了這個獎對應的專利菌株的研究工作。在所有的測試菌種里面，大家可以看到右上（圖2）是對鎘的吸附能力，CCFM8610。左邊的是對鎘的耐受能力，這株菌有極其強的對鎘的耐受能力，甚至是達到1000毫克每升，是其他菌種的20倍。抗氧化能力包括對羥自由基的清楚能力，對于脂質過氧化的能力。可以看到8610具有優良的活性氧自由基清除能力，還有很強的還原性。因為LGG也是在抗氧化能力上比較顯著的，大概這兩個菌在抗氧化能力上非常相似，也做了聚類和分析。胃腸道的能力，大家可以看到8610對于耐受耐酸（圖3），這是用的人工的胃液腸液，效果非常好。另外菌株的吸附特性（圖4），大家可以看到左上的圖，上面可以看到鎘的吸附不連續。而在8610上面是連續的。右邊是光譜掃描，可以明確看到這對鎘的吸附。就是說它的吸附不僅僅是物理的吸附，因為一開始我們以為是物理的吸附，它可能是有吸附蛋白。所以去年我們申請了國家的自然基金項目，就做這方面的機制。

圖3

圖4

另外也做了細胞組分的剝離和表面吸附的基團（圖5）。可以看到把它分成細胞膜、細胞壁，大部分的鎘吸附在細胞膜和細胞壁，菌體表面的氨基和羥基起到吸附的重要作用。我們也做了吸附熱力學（圖6），根據這個曲線可以做出最大的吸附量，大概每克菌體24.69毫克，我們與LGG相比，超過了2倍。而且這個吸附符合L—F雙模型的特征，這個比較復雜，但是這個模型符合以后，預示著這個吸附有兩個過程，一個是熱力吸附，一個是離子吸附的過程。這是一個二級方程，可以看到它的活性位點吸附和過程分液膜擴散吸附，活性位點就是可以看到有異性吸附。在動物實驗里面，可以看到這個菌也有很強的抑制腸道鎘的吸收的能力（圖7），而且可以看到糞便里面，第一個是鎘的，第二個是鎘+8610的，也有加活、和死的菌的，說明用了菌加速了糞便排出，但是死菌效果不明顯。在鉛的研究里面，死菌和活菌都有效果。但是右邊的是用了其他的幾株菌進行對照。確實8610是最好的一個。

圖5

圖6

圖7

再看一下8610對腸上皮細胞的影響（圖8），包括用的流式細胞儀，看它對細胞凋亡的影響。可以看到由鎘包圍以后產生大量的自由基，這個自由基導致腸上皮細胞的凋亡和加速。這個都可以看到8610有顯著地恢復腸道的屏障和通透性，這對減少它的吸收也有幫助。還有利用8610，可以恢復由鎘暴露影響的腸道菌群的結構與組成，還有調節因子水平，使腸道恢復正常。

圖8

另外我們看了一些組織，包括肝臟、腎臟里面（圖9）。可以看到左邊的圖第一個是空白，第二個是鎘的暴露，第三個是加菌進行的。同時我們可以看到特別像肝臟里面第三個加菌進行的是明顯可以降低組織里面鎘的含量。右邊也是，這個是第二個圖，可以看到這里面鎘的含量與鎘暴露比是比較低。在血液里面也有類似的結果，這是做組織病理的觀察。8610菌可以恢復相應的靶點酶的酶活，然后與第二個相比，它是大大降低這些指標，說明氧化應激會降低。然后組織侵變也是明顯降低。

圖9

最后探討一下這些具有重金屬生物減除能力的菌株在食品當中的應用。主要是談一下在乳制品的應用。

CCFM是我們實驗室所有保藏菌株的編號，這些菌株在豆制品、乳制品、糖果、巧克力以及固體飲料、咀嚼片里面都可以應用。我們CCFM也做了菌在酸奶里面的應用。特別可以看到它有一個特點，包括我們8610還有植物乳桿菌它在植物乳里面長得不是很好，但是加上生長素，微量乳生長是沒有問題。包括它在酸奶里面能夠有效地去除鎘這可能也是一個減量化的，包括類似的產品像褐色乳飲料、果味酸奶都可以用。發酵的豆乳，用這個專利菌株做豆乳，拿產品做試驗，也是可以看到肝臟、腎臟里面的含量，這是第三組，相應的是大大降低。另外包括通過這個菌的發酵，豆乳里面的一些像黃銅類的物質也會提高。這些是利用菌株發酵果蔬，我們做了黃瓜、番茄汁，發現發酵一定的時間以后，因為發酵一定的時間菌要增值，對體內的重金屬就起到減除作用，當然我們也申請了一些專利。在我們的一些米面食品里面，像米線在加工的過程中要加成粉還要浸泡，其實那里面就有乳酸菌，這些體系也可以利用。當然一些企業的研究人員跟我們交流說，現在鎘大米很嚴重，用你這個菌技術處理一下不就行了嗎？對于這種不行，一定要與水的結合，工業里面要用到泡什么的。如果一個大米，當然這里面很復雜，你最后怎樣讓它進去把內部的去除掉，還有僅僅為了這一點它會產生很多的污水，這也是很大的問題。當然現在這些東西做很多的燃料、酒精也是一個方案。米面制品有很多發酵的，還有在益生菌和巧克力，這個在我們實驗室這方面的專利也做得很多。因為益生菌存活也很嬌貴，所以我們是在低水份的環境里面，如果在液體環境里面它很容易死。巧克力這個體系可以做得比固體的粉劑還要穩定，包括在一些膳食補充劑里面。

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