سم زدایی مایکوتوکسین توسط باکتری های اسید لاکتیک

مقدمه

قارچ ها به عنوان میکروارگانیسم های قابل توجهی در فساد مواد غذایی شناخته می شوند. قارچ های ایجاد کننده­ی فساد و سموم آن ها بیش از 25 درصد از مواد خام تولید شده توسط کشاورزی در سراسر جهان را آلوده می کنند. علاوه بر ضررهای اقتصادی، حضور قارچ‌ها در مواد غذایی می‌تواند همراه با تولید مایکوتوکسین‌ها باشد که یکی از مؤلفه‌های مهم به خطر انداختن سلامت انسان است. گزارش سالانه سیستم هشدار سریع غذا و خوراک (RASFF) مایکوتوکسین ها را جزء 10 خطر اصلی محصولات غذایی در سال 2019 ذکر کرده است. گونه‌های قارچی جنس Fusarium، Penicillium و Aspergillus که فیومننسین‌ها، اکراتوکسین‌ها، تریکوتسن‌ها، پاتولین‌ها، آفلاتوکسین‌ها و زیرالنون‌ها را تولید می‌کنند، به‌عنوان تولیدکنندگان اصلی مایکوتوکسین‌ها در محصولات غذایی در نظر گرفته می‌شوند.

بهترین استراتژی جلوگیری از رشد قارچ و مبارزه با مایکوتوکسین ها، قبل از برداشت و در حین ذخیره سازی است. با این حال، آلودگی به مایکوتوکسین در این مراحل به طور ایده‌آل کنترل نمی‌شود و باید جایگزین‌هایی برای ضدعفونی، غیرفعال‌سازی و حذف مایکوتوکسین‌های موجود در خوراک  برای جلوگیری از فساد و عوارض آن استفاده شود. از سوی دیگر، استفاده از حداقل مواد نگهدارنده/افزودنی شیمیایی با کمترین اثرات جانبی با کیفیت بالا، ایمن با طولانی ترین ماندگاری ممکن پیشنهاد می­شود.

ایمنی زیستی به عنوان “استفاده از میکروارگانیسم ها یا متابولیت های آن ها برای افزایش ماندگاری و ایمنی خوراک” تعریف می شود. باکتری های اسید لاکتیک (LAB) گروهی از میکروارگانیسم های گرم مثبت هستند که برخی از آن ها توسط سازمان ایمنی غذای اروپا (EFSA) و سازمان خواربار و کشاورزی ملل متحد (FAO) به عنوان ترکیباتی ایمن (GRAS) طبقه بندی شده اند. بنابراین، واجد شرایط استفاده به عنوان پروبیوتیک ها و نگهدارنده های زیستی در محصولات غذایی هستند. مطالعات نشان دادند که کشت‌های LAB جدا شده از محصولات غذایی تخمیر شده با ویژگی‌های پروبیوتیک و تخریب مایکوتوکسین‌ها می‌توانند بعنوان کنترل کننده ی مایکوتوکسین‌ها در مواد غذایی و خوراک از ارزش زیادی برخوردار باشند.  

سم زدایی مایکوتوکسین در سیستم های غذایی

یکی از چالش برانگیزترین وظایف حوزه­ی تغذیه به حداقل رساندن مایکوتوکسین و سم‌زدایی مایکوتوکسین‌ها در مواد غذایی است. از آنجایی که مایکوتوکسین‌ها عمدتاً در برابر حرارت پایدار هستند، حرارت و سایر فرآیندهای پردازشی معمولی مورد استفاده برای حذف مایکوتوکسین‌ها از مواد غذایی آلوده کارآمد نیستند. برخی جایگزین‌ها برای تخریب مایکوتوکسین‌ها مانند استفاده از آمونیاک قلیایی به‌عنوان درمان شیمیایی وجود دارد، اگرچه دیگر مورد استفاده قرار نمی گیرند، زیرا به طور بالقوه عوارض جانبی برای سلامت انسان ایجاد می‌کنند و همچنین ممکن است خواص خوراک را تغییر دهند.

پیامد تقاضا برای جایگزین‌های طبیعی‌تر برای نگهداری مواد غذایی، کارشناسان را بر آن داشته تا به رویکردهای بیولوژیکی برای مبارزه با رشد قارچ و آلودگی مایکوتوکسین روی آورند. نگهدارنده­های طبیعی، به ویژه آن هایی که پایه زیستی دارند مانند پروبیوتیک ها به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند. در این میان میکروارگانیسم‌های بالقوه مختلف،LAB  به عنوان یکی از قدیمی‌ترین و امیدوارکننده‌ترین نگهدارنده‌های زیستی طبیعی به‌ویژه در غذاهای تخمیر شده در نظر گرفته شده است. اصطلاح “LAB” برای طیف گسترده ای از باکتری های گرم مثبت، کاتالاز منفی، غیر متحرک و تشکیل دهنده اسپور استفاده می شود که اسید لاکتیک را به عنوان محصول نهایی اصلی تخمیر تولید می کنند. LAB، با توجه به وضعیت GRAS  خود و وضعیت پیش فرض ایمنی واجد شرایط (QPS) ارائه شده توسط FDA  و EFSA، به شدت از محققان خواسته است تا پتانسیل خود را به عنوان نگهدارنده زیستی بررسی کنند.

اتصال به مایکوتوکسین ها  

از آنجایی که LAB به دو شکل مرده و زنده به مایکوتوکسین‌ها متصل می‌شود، مکانیسم حذف مایکوتوکسین در بسیاری از تحقیقات از طریق دیواره سلولی LAB گزارش شده است. کاهش آفلاتوکسین M1 در سه نمونه آلوده حاوی بافرفسفات سالین، شیر پس چرخ و خامه کامل مستقل از زنده ماندن سلول های LAB یافت شد. بعدها، سلول‌های LAB که با گرما کشته شدند، آفلاتوکسین M1 را به طور موثرتری نسبت به سلول‌های زنده در هر دو زمان 15 دقیقه و 24 ساعت انکوباسیون حذف کردند. دلیل این امر به این صورت گزارش شد که کشتنLAB  باعث می شود که نقاط اتصال دیواره سلولی را در معرض دید بیشتر قرار می دهد که منجر به تسهیل اتصال می شود. تیمارهای حرارتی و اسیدی بر محل‌های اتصال در دیواره سلولی نظیر پلی‌ساکاریدها و پروتئین‌ها تأثیر می­گذارند. این تیمارها با شکستن پیوندهای سولفات آمونیوم، پروتئین ها را دناتوره می کنند و آن ها را به پپتیدهای کوچکتر تجزیه می کنند. همچنین آنها پپتیدوگلیکان مونوساکارید شل کننده باند گلیکوزیدی پلی ساکارید را تجزیه می کنند که منجر به در معرض قرار گرفتن مکان های اتصال بیشتری می شود. هاسکارد و همکاران (2001) مشاهده کردند که چندین بار شستشو با آب منجر به حفظ 38 و 50 درصد سموم متصل به سلول های زندهLb rhamnosus LGG   و LC105 شدند. این در حالی بود که سلول های تیمار شده با حرارت و اسید درصد بالاتری از سم را بین 66 تا 71 درصد حفظ کردند.

نشان داده شد که حذف مایکوتوکسین ها توانایی چسبندگی سویه LAB را کاهش می دهد که شواهدی برای این است که مکانیسم سم زدایی LAB  از طریق اتصال مایکوتوکسین به دیواره سلولی آن است. کانکانپا و همکاران (2000) معتقدند که استفاده از LAB می تواند آفلاتوکسین ها را در روده کاهش دهد زیرا آن ها مشاهده کردند که بعد از استفاده از آفلاتوکسین B1، باکتری Lb. rhamnosus توانایی چسبندگی خود را از 30٪ به 5٪ از دست داد که نشان می دهد آفلاتوکسین ها ممکن است بر خواص چسبندگی پروبیوتیک ها تأثیر بگذارند. اتصال مایکوتوکسین توسط LAB یک واکنش سریع و وابسته به تراکم باکتری گزارش شده است. نشان داده شده است که rhamnosus و LC 705 زیرالنون و مشتقات آن را تا 55٪ جذب می کنند. این در حالی بود که انکوباسیون همزمان زیرالنون و مشتقات آن باعث کاهش مقدار سموم محدود شده می شود که نشان می دهد مکان های اتصال روی دیواره سلولی بین سموم مشترک است، بنابراین تراکم سلولی کمتری برای هر یک در دسترس است.

دیواره سلولی LAB، به عنوان باکتری گرم مثبت، شامل شبکه پپتیدوگلیکان است که اسید تیکوئیک، لیپوتیکوئیک اسید و لایه S را به عنوان دیگر مواد اصلی موجود در دیواره سلولی در خود جای داده است. عملکرد اتصال دیواره سلولی توسط این اجزای اصلی، به تنهایی یا با همکاری یکدیگر است. بررسی مکانیسم اتصال دیواره سلولی Lb. Rhamnosus به آفلاتوکسین با استفاده از تیمارهای آنزیمی نشان داد که اتصال از طریق محتوای کربوهیدرات و پروتئین دیواره سلولی رخ می دهد. همین مطالعه سهم برهمکنش های آبگریز را در اتصال برجسته کرد زیرا تیمار با اوره باعث کاهش اتصال شد. با این حال لاتینن و همکاران (2004)، بر نقش بیشتر کربوهیدرات های پپتیدوگلیکان یا ساختارهای نزدیک با پپتیدوگلیکان در فرآیند اتصال آفلاتوکسین B1 تأکید کرد.

خاصیت اتصال مایکوتوکسین به LAB بسیار خاص سویه ی مورد استفاده مرتبط است. بسیاری از مطالعات نشان داده اند که سویه های LAB مایکوتوکسین ها را با قدرت های مختلف جذب می کنند. Rhamnosus، LC 705 و Propionibacterium freudenreichii به طور موثر برخی از سموم رایج فوزاریوم مانند deoxynivalenol، nivalenol، -acetyldeoxynivalenol3، diacetoxyscirpenol، fusarenon، توکسین T-2 و HT2 را جذب می کنند. نشان داده شده است که سویه های Rhamnosus LGG و LC 705 توانایی اتصال بالاتری نسبت به آفلاتوکسین B1 در مقایسه با آفلاتوکسین B2 و G1 دارند.  

شتی و جسپرسن (2006) نیز همین واقعیت را گزارش کردند که در آن 15 سویه LAB مورد آزمایش قرار دادند و نشان دادند که Lb plantarum و Lb fermentum در میان سایرین بالاترین میزان (60٪) جذب آفلاتوکسین B1 را به خود اختصاص دادند. در مطالعه ­ی دیگر، دروبنا و همکاران (2017)، گزارش داد که 5 سویه LAB  به میزان 10.8–66.7% از آفلاتوکسین B1 موجود در نمونه ها را در شرایط آزمایشگاهی متصل کردند. بهترین نتایج در مورد کاهش آفلاتوکسین B1 و تکرارپذیری فرآیند کاهش از سویه Lb reuteri KO4b (66.7% ± 1.0%) و به دنبال آن Lb plantarum KG4 (59.4% ± 1.6%) پس از 24 ساعت انکوباسیون بود. 

عوامل موثر بر فعالیت اتصال LAB به مایکوتوکسین

اثربخشی سویه های LAB در اتصال مایکوتوکسین ها توسط عوامل متعددی مانند تراکم سلولی، غلظت سموم، مقدارpH، زنده ماندن و دما تعیین می شود. هاسکارد و همکاران (2001) توانایی اتصال آفلاتوکسین B1 را توسط سه شکل لاکتوباسیلوس رامناسوس زنده، کشته شده با حرارت و اسید بررسی کردند. آن ها گزارش کردند که هیچ تفاوت معنی داری بین هر سه شکل سلول از نظر توانایی اتصال وجود ندارد. از آنجایی که تیمار با periodate منجر به بالاترین اتصال آفلاتوکسین B1 شد، آن ها به این نتیجه رسیدند که اتصال عمدتاً از طریق کربوهیدرات های سلول های باکتریایی اتفاق می افتد. همچنین، اوره باعث کاهش اتصال آفلاتوکسین B1 برای هر سه شکل باکتری شد، که نشان می دهد فعل و انفعالات آبگریز نیز تا حد زیادی به اتصال کمک می کند. در نهایت، افزایش غلظت NaCl یا CaCl2 به طور قابل توجهی بر اتصال آفلاتوکسین  B1تأثیری نداشت که دلالت بر میانجی‌گری برهمکنش‌های الکترواستاتیکی دارد. برهمکنش‌های پیوند هیدروژنی در توانایی اتصال LAB نقش دارند زیرا افزایش pH از 2.5 به 8.5 بر توانایی اتصال آفلاتوکسین B1 لاکتوباسیلوس تأثیر نمی‌گذارد در حالی که اتصال آفلاتوکسین B2a را کاهش می‌دهد.  

تأثیر دما در سم‌زدایی مایکوتوکسین‌ها توسط بوو و همکاران (2013) بررسی شد. این محققین گزارش کردند که سویه های Lb. rhamnosus،  Lb. bulgaricus و  Bifidobacterium lactisبه ترتیب در مقادیر 13، 19 و 37 درصد در دمای 4 درجه سانتی گراد و 33، 24 و 32 درصد در دمای 37 درجه سانتی گراد به آفلاتوکسین M1 به متصل شدند. در مطالعه دیگری، شهاتا و همکاران (2019) گزارش کردند که افزایش دما از 28 به 37 درجه سانتی گراد باعث کاهش قابل توجهی در فعالیت ضد قارچی Lactobacillus sp. RM1 در برابر قارچ  A. parasiticusشد.

زمان انکوباسیون نیز در توانایی سم زدایی LAB موثر بود. دروبنا و همکاران (2017) توانایی 5 سویه LAB را برای اتصال به AB1 در شرایط آزمایشگاهی ارزیابی کردند. با توجه به نتایج آن ها، میزان توانایی اتصال مستقیماً با طول مدت انکوباسیون با آفلاتوکسین B1 برای همه سویه‌ها به جز Lb. mucosae D که با گذشت زمان کاهش فعالیت نشان داد.

نقش pH در توانایی اتصال LAB نیز در مطالعه دیگری بررسی شد. گیماراس و همکاران (2018) نشان داد که مهار Lb. پلانتاروم UM55 در برابر A. flavus وابسته به pH سوپرنتانت بدون سلول بود که با افزایش غلظت سوپرنتانت بدون سلول افزایش یافت. افزایش pH از 5 به 7 تاثیر معنی داری بر خواص ضد قارچی RM1 Lacticaseibacillus sp در برابر A. parasiticus، A. flavus و A. carbonarius نداشت. با این حال، pH بالای 7 منجر به کاهش 50 درصدی فعالیت شد.

منابع

• Nasrollahzadeh, A., Mokhtari, S., Khomeiri, M., & Saris, P. (2022). Mycotoxin detoxification of food by lactic acid bacteria. International Journal of Food Contamination, 9(1), 1-9.
• Haskard, C. A., El-Nezami, H. S., Kankaanpää, P. E., Salminen, S., & Ahokas, J. T. (2001). Surface binding of aflatoxin B1 by lactic acid bacteria. Applied and environmental microbiology, 67(7), 3086-3091.
• KANKAANPÄÄ, P., Tuomola, E., El-Nezami, H., Ahokas, J., & Salminen, S. J. (2000). Binding of aflatoxin B1 alters the adhesion properties of Lactobacillus rhamnosus strain GG in a Caco-2 model. Journal of Food Protection, 63(3), 412-414.
• Lahtinen, S. J., Haskard, C. A., Ouwehand, A. C., Salminen, S. J., & Ahokas, J. T. (2004). Binding of aflatoxin B1 to cell wall components of Lactobacillus rhamnosus strain GG Part A Chemistry, analysis, control, exposure & risk assessment.
• Shetty, P. H., & Jespersen, L. (2006). Saccharomyces cerevisiae and lactic acid bacteria as potential mycotoxin decontaminating agents. Trends in food science & technology, 17(2), 48-55.
• Bovo, F., Corassin, C. H., Rosim, R. E., & de Oliveira, C. A. (2013). Efficiency of lactic acid bacteria strains for decontamination of aflatoxin M1 in phosphate buffer saline solution and in skimmed milk. Food and Bioprocess Technology, 6(8), 2230-2234.
• Guimarães, A., Santiago, A., Teixeira, J. A., Venâncio, A., & Abrunhosa, L. (2018). Anti-aflatoxigenic effect of organic acids produced by Lactobacillus plantarum. International journal of food microbiology, 264, 31-38.