FSHW | 基于小鼠肠道功能和菌群的谷氨酸钠安全评估

Introduction

谷氨酸钠（MSG，C 5H 8NO 4Na）是从谷氨酸（自然界中含量最丰富的氨基酸）中提取的钠盐。1908年发现谷氨酸的独特鲜味后，MSG就被逐渐用于改善食物的口味，常在罐头制品、汤和商业加工食品中作增味剂。美国食品药品管理局将其归类为安全食品成分。FAO和WHO则表示MSG的可接受每日摄入量（ADI）不应超过120 mg/kg/d。2017年7月欧盟食品安全局（EFSA）发布的最新评估报告中安全摄入量为30 mg/kg/d。而人体摄取的谷氨酸盐主要来源于天然高蛋白食品（如鱼、蛋、肉和奶酪）和蔬菜（西红柿、青豆和蘑菇），从MSG调味品中摄取的只有很少一部分。

在对MSG的研究中发现了如肝脏和下丘脑损伤、脂肪代谢紊乱以及皮下或静脉注射引起的生殖器和大脑损伤等异常，但事实上，在正常MSG摄入的研究中未观察到组织损伤或损害，肥胖或体质量变化与MSG使用无关。所以，其安全性和全身副作用尚未完全阐明。

肠道菌群是消化道内一个复杂的微生态系统，有时被称为消化系统的隐形器官。肠道菌群的组成和多样性所创造的平衡与宿主代谢、免疫发育、认知神经发育和某些疾病的发生密切相关。迄今为止的研究表明，膳食组成可以通过影响肠道微生物的生存和活动来影响肠道内环境的稳态。例如，人工甜味剂可以改变与人类Ⅱ型糖尿病相关的几个细菌类群，并以微生物依赖的方式诱导葡萄糖耐受不良，从而减少有益菌群。因此，对肠道菌群的分析可以帮助我们更好地理解食品中微量成分和食品添加剂的安全性。 东北农业大学的Jinzhao Xu、Xiaoxi Xu*等 为了阐明MSG对健康的潜在威胁，评估了不同剂量的MSG对小鼠疾病相关生物标志物、肠道功能和肠道菌群的影响。以食盐（NaCl）为阳性对照，比较钠离子的影响。本研究为MSG的健康使用提供了见解，并为肠道菌群的作用建立了新的视角，从而有助于探索食品添加剂与健康之间的关系。

Results

不同剂量的MSG对小鼠疾病相关生物标志物、肠道功能和肠道菌群的影响

MSG摄入后会分解成钠离子和谷氨酸。钠离子增加血压负担和肾脏维持渗透压的负荷，增加高血压和心脑血管疾病的风险。作为动物健康的总体衡量标准，C反应蛋白（CRP）、三甲胺N-氧化物（TMAO）和血管紧张素 II（Ang II）的浓度被评估为关键生物标志物。如图1所示，与对照小鼠相比，M-MSG组仅Ang II分泌量高于对照组。H-MSG组血清中所有3种生物标记物的浓度均显著升高。此外，NC-NaCl组的血清CRP和TMAO水平高于M-MSG组。结果表明，过量补充MSG导致血清中CRP、TMAO和Ang II水平升高。MSG中的钠离子可能是导致生物标记物水平升高和心血管疾病风险增加的主要因素。因此，适量摄入MSG不会增加高血压和心血管疾病的风险。

图1 小鼠的（A）CRP、（B）TMAO和（C）Ang II

通过对小鼠粪便中的白蛋白漏出量来观察MSG对肠道通透性的影响，白蛋白漏出的任何增加都表明肠道通透性增加。如图2A所示，与对照组小鼠相比，L-MSG和M-MSG组小鼠粪便中的白蛋白漏出量没有差异，NC-NaCl组的白蛋白漏出显著高于M-MSG组的小鼠，表明钠离子对肠道通透性有显著影响。H-MSG组小鼠的粪便白蛋白含量也显著增加。如图2C所示，对照组小鼠和M-MSG组小鼠的回肠组织学形态正常，没有水肿、炎症细胞浸润和其他病理变化。在L-MSG组的小鼠，回肠显示出健康的组织学形态，但绒毛高度/隐窝深度的比率（V/C比率）显著增加（图2B）。H-MSG组的上皮细胞结构和回肠绒毛严重受损表明肠屏障功能障碍，上皮屏障损伤允许脂多糖和内毒素进入血流，V/C比率呈显著下降趋势。此外，与M-MSG组相比NC-NaCl组的V/C比率显著降低，伴有轻微的绒毛上皮细胞水肿和炎性细胞浸润。这些数据表明，低水平的MSG补充促进了小肠发育，高含量MSG内过量的钠离子可能会破坏肠道渗透压平衡，导致肠道屏障结构受损，从而导致白蛋白漏出增加和肠通透性降低。

图2 添加MSG对（A）粪便白蛋白漏出量、（B）V/C比率和（C）回肠末端形态的影响

IL-1β、IL-6和TNF-α是主要的促炎症细胞因子，SIgA是肠道先天免疫和适应性免疫反应的主要防御机制，为了阐明MSG对肠道免疫的影响，在小鼠回肠组织中评估了IL-1β、IL-6、TNF-1和SIgA的水平。与对照组相比，如图3所示，L-MSG组无明显变化，M-MSG组小鼠的TNF-α表达仅略有增加（图3C），H-MSG组小鼠回肠中的细胞因子显著增加。与M-MSG组相比，NC-NaCl组的IL-1β和lL-6水平显著升高（图3A，3B）。此外，M-MSG和H-MSG组小鼠回肠中的SIgA分泌减少，NC-NaCl组显著低于MSG组（图3D）。

图3 添加MSG对肠道免疫的影响

通过16S rRNA基因的高通量测序确定小鼠的肠道菌群组成。如表1所示，M-MSG组的OTU值最高，而NC-NaCl组的OTU值最低。如表2所示，采用α-多样性。Chao1、物种、Shannon和Simpson指数4个指标对样本内多样性进行评估，结果表明MSG可以增加细菌的物种多样性，中剂量对细菌多样性影响最大，而NC-NaCl组各指标相对较低。

表1 序列统计

表2 α-多样性

由于不同菌株的耐盐性不同，MSG的高消耗可能会影响某些细菌的存活，在门水平上肠道菌群相对丰富，拟杆菌和厚壁菌在所有组中占优势（图4A）。拟杆菌与厚壁菌比率（B/F比率）的变化与某些疾病的发展有关，本实验还计算了所有组的B/F比率（图4B）。对照组和L-MSG组的B/F比值均为0.46，低于M-MSG和H-MSG组（分别为0.68和0.63），但差异不显著。与M-MSG组相比，NC-NACL组的B/F比率显著增加至1.26。 不同剂量的 MSG对小鼠的B/F值没有显著影响，而盐对小鼠的B/F值有显著影响。这表明MSG对微生物组分的影响不大。Patescibacteria可能是介导MSG对身体影响的关键因素，与对照组相比，H-MSG和NC-NaCl组的变形菌门水平降低，M-MSG组的变形菌门水平升高。这表明MSG中的谷氨酸可以提高微生物群抵抗干扰的能力。过量的钠摄入（H-MSG和NC-NaCl组）会导致某些微生物群的丰度降低。

在属水平（图4C，表3），各组小鼠的肠道菌群组成不同。与对照组相比，M-MSG组的乳酸杆菌和Candidatus Saccharimonas数量分别增加到5.07%和1.58%。此外，H-MSG组和NC-NaCl组在某些细菌丰度的变化中显示出类似的趋势。补充盐使拟杆菌属和Alistipes的数量分别增加20.34%和3.07%，厌氧菌的数量减少0.08%。这些与盐摄入量有关的异常变化在MSG组得到缓解。结果表明，低剂量和安全剂量的MSG可提高肠道菌群的丰度并改变其结构，部分细菌是由短链脂肪酸（SCFA）产生，可分解纤维素和半纤维素，并为SCFA的产生提供底物，而SCFA在改善肥胖、高血压和血脂异常方面起着关键作用。与对照组相比，补充MSG后这些类群的丰度增加从而调节细菌促进SCFA的产生。300 mg/kg MSG的施用显著增加了乳酸杆菌的丰度，这有利于免疫系统和糖尿病效应。但过量的MSG摄入会增加肠杆菌和类杆菌的数量。此外，即使在MSG含量较高的情况下，其有害影响也低于盐产生的有害影响。

图4 在门、属水平上添加MSG对肠道菌群的影响

表3 属水平的相对丰度

研究随后进行LEfSe分析探索对照、NC-NaCl和M-MSG组之间微生物群的差异，如图5所示，通过三组之间的比较，34个关键的系统类群在对照组中富集，13个关键的系统类群在NC-NaCl组中富集，M-MSG显著增加了21种具有鉴别特征的关键系统类型的数量。

图5（A）LESe分析得到的丰富类群的枝状图，（B）丰富类群的LDA评分

Conclusion

综上所述，MSG可能通过增加益生菌的丰度来促进肠道发育和调节肠道菌群结构，但高剂量可能导致微生态失调，增加疾病相关菌群的丰度。

Safety assessment of monosodium glutamate based on intestinal function and flora in mice

Jinzhao Xu, Mengqi Tang, Yini Liu, An-Jinghan Xu, Xiaoxi Xu*

Key Laboratory of Dairy Science, Ministry of Education/College of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China.

*Corresponding author.

E-mail address: xiaoxi_xu01@163.com

Abstract

Although monosodium glutamate (MSG) is a widely used food additive, its safety and systemic side effects have not been fully clarified. The intestinal flora is closely associated with human health; however, it remains unclear whether MSG consumption can affect health by acting on the intestinal flora. In this study, serum biomarkers, intestinal structure, intestinal immunity, and intestinal flora were examined to investigate the effects of different doses of sodium glutamate on the body, intestinal function, and intestinal flora of mice. The results showed that 30 mg/kg MSG had no significant effect on serum C-reactive protein, trimethylamine N-oxide, angiotensin II, intestinal interleukin (IL)-1β, IL-6, tumor necrosis factor-α, secretory IgA and fecal albumin in mice, but also promoted intestinal development and regulated the intestinal flora. Moreover, 1500 mg/kg MSG increased the risk of cardiovascular disease and damaged the intestinal structure and flora. In this study, MSG was also found to be healthier than salt at the equivalent sodium concentration. Collectively, these findings suggested that low doses of MSG were safe for mice and may have some health benefits as a probiotic by promoting intestinal development and regulating the intestinal flora.

Reference:

XU J Z, TANG M Q, LIU Y N, et al. Safety assessment of monosodium glutamate based on intestinal function and flora in mice[J]. Food Science and Human Wellness, 2022, 11(1): 155-164. DOI:10.1016/j.fshw.2021.07.016.

编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅

封面图片来源：图虫创意

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