群體感應(yīng)對魚類腐敗的影響研究

顧清清 王彥波

(浙江工商大學(xué)食品質(zhì)量安全系，浙江省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310035)

20世紀(jì)70年代，Nealson等發(fā)現(xiàn)了兩種會發(fā)光的海洋細(xì)菌——費(fèi)氏弧菌(Vibrio fischeri)和哈氏弧菌(Vibrio harveyi)，并對其發(fā)光機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)種群都是依賴熒光素酶結(jié)構(gòu)上的luxA-E基因來編碼和調(diào)控生物發(fā)光的[1-3]，且只有在細(xì)胞對數(shù)生長中期才會發(fā)生，從而得出細(xì)菌發(fā)光與細(xì)菌密度有關(guān)，并把這種現(xiàn)象叫做“自身誘導(dǎo)作用”，即群體感應(yīng)(quorum sensing，QS)[4]。隨后 20世紀(jì) 90年代，F(xiàn)uqua等將群體感應(yīng)定義為：當(dāng)細(xì)菌的數(shù)量達(dá)到一定密度時(shí)才能發(fā)生的感應(yīng)現(xiàn)象[5]。細(xì)菌具有感受和適應(yīng)不斷變化的環(huán)境的能力，隨著自誘導(dǎo)產(chǎn)生菌數(shù)量的增長，集中釋放自誘導(dǎo)物增加，當(dāng)信號分子的濃度達(dá)到臨界閾值時(shí)，信號分子能夠與受體蛋白結(jié)合，使受體蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，從而激活靶基因的表達(dá)[6]，展現(xiàn)出新的行為特征，如：生物發(fā)光[2]、生物膜的形成[7]、抗生素的產(chǎn)生[8]、色素的合成[9]、毒力因子的表達(dá)[10]等。目前，群體感應(yīng)系統(tǒng)研究已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)。國內(nèi)外科研工作者已經(jīng)證實(shí)了在很多細(xì)菌中均存在群體感應(yīng)現(xiàn)象，并將其研究推向魚類腐敗等食品防腐領(lǐng)域。

1 群體感應(yīng)的信號分子

Nealson[11]從海洋生態(tài)(自由生活的、腐生的、寄生的、共生的)中獲得了不同的發(fā)光桿菌，并對它們進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)不同發(fā)光桿菌的發(fā)光強(qiáng)度與它們產(chǎn)生的不同誘導(dǎo)因子有著密切的聯(lián)系。經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，不同種群的細(xì)菌產(chǎn)生的群體感應(yīng)信號分子的結(jié)構(gòu)多種多樣[12]，因此科學(xué)家對于群體感應(yīng)信號傳遞系統(tǒng)的分類有所差別。根據(jù)信號分子的不同，群體感應(yīng)可以分為四類：AI-1、AI-2、AI-3 和 AIP[13]，也可以只歸納為兩類：細(xì)菌種內(nèi)的群體感應(yīng)和細(xì)菌種間的群體感應(yīng)[14]。

1.1 細(xì)菌種內(nèi)的群體感應(yīng)

1.1.1 AI-1

革蘭氏陰性菌中發(fā)現(xiàn)的最常見的信號分子是N-?；呓z氨酸內(nèi)酯 (N-acyl-homoserine lactone，AHL，AI-1)[12]，它由一個(gè)不變的高度保守的內(nèi)酯環(huán)和一個(gè)可變的?；鶄?cè)鏈組成[15]。所有以AHL為基礎(chǔ)的群體感應(yīng)系統(tǒng)的核心原理是LuxIR系統(tǒng)，LuxIR系統(tǒng)首先是在費(fèi)氏弧菌中被發(fā)現(xiàn)的，它已經(jīng)成為其他群體感應(yīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)[13，15]。

1.1.2 AIP

革蘭氏陽性菌中發(fā)現(xiàn)的最常見的群體感應(yīng)信號分子是寡肽(Autoinducing Peptides,AIP)，它首先是在金黃色葡萄球菌中被發(fā)現(xiàn)的[13]。葡萄球菌的agr位點(diǎn)編碼群體感應(yīng)系統(tǒng)根據(jù)一個(gè)經(jīng)典的雙組分模塊來控制毒力因子和其他附屬基因的表達(dá)和調(diào)控[16]。

1.2 細(xì)菌種間的群體感應(yīng)

1.2.1 AI-2

很多自誘導(dǎo)物能夠使細(xì)菌在種內(nèi)進(jìn)行交流，而現(xiàn)在又發(fā)現(xiàn)一類自誘導(dǎo)物AI-2，它是一種上下對稱的雙五圓環(huán)結(jié)構(gòu)的呋喃硼酸二酯分子，已被認(rèn)為是一種種間通用的信號分子(Furanosyl borate diester)[17-18]。具體地講，AI-2是革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌中由LuxS酶引起的代謝轉(zhuǎn)化的副產(chǎn)品，在很多病原菌中發(fā)現(xiàn)LuxS基因編碼AI-2合成酶的合成[19]。

1.2.2 AI-3

AI-3代表另一種種間信號分子，在革蘭氏陰性菌中存在，現(xiàn)今還沒有在革蘭氏陽性菌中被發(fā)現(xiàn)過[13]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，AI-3是在出血性大腸桿菌(Enterohemorrh agic Escherichia coli,EHEC)中產(chǎn)生的，LuxS酶也參與AI-3的合成[20]，且LuxS突變體也能影響AI-3自誘導(dǎo)物的合成[21]。

2 群體感應(yīng)對魚類腐敗的影響研究

2.1 魚類腐敗

魚類死后，隨著自溶作用加劇，某些微生物的生長和代謝作用加強(qiáng)，魚體中的蛋白質(zhì)、氨基酸及其他含氮物質(zhì)被分解，使得魚類本身pH值被改變，原有形態(tài)和色澤發(fā)生劣變，產(chǎn)生不良?xì)馕逗彤愇?，甚至產(chǎn)生有毒物質(zhì)，在感官上不可接受，這一過程即為腐敗[22-23]。魚類腐敗的內(nèi)在因素是物理化學(xué)反應(yīng)，魚類本身固有的結(jié)構(gòu)性能，特別是水活性、酸度、氧化還原的潛力、有效養(yǎng)分和天然抗菌物質(zhì)；外在因素是魚類貯藏的環(huán)境，尤其是溫度、濕度和大氣成分[24]。

2.2 魚類特定腐敗菌

20世紀(jì)90年代中期，Dalgaard提出了一個(gè)特定腐敗菌的概念[25]。魚體所含的微生物中只有部分菌株因適應(yīng)環(huán)境而逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，產(chǎn)生具有腐敗臭味或異味的代謝產(chǎn)物，這些菌株就是特定腐敗菌(specific spoilage organisms,SSO)[26]。在貯藏過程中，特定腐敗菌比其他微生物生長快，并且腐敗活性強(qiáng)[24]。因此，國外對魚類貨架期的預(yù)測是在模型基質(zhì)中對特定腐敗菌的生長進(jìn)行研究而得到的[27]。其中Dalgaard[27-28]研究過的生長動力學(xué)模型有：磷發(fā)光桿菌(Photobacterium phosporeum)和腐敗希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)。他是用不同濃度的CO2包裝鱈魚，從而得到磷發(fā)光桿菌是氣調(diào)包裝鱈魚的特定腐敗菌。郭全友等[29]研究表明，新鮮大黃魚冷藏初期細(xì)菌菌相復(fù)雜、種類繁多，優(yōu)勢菌為腸桿菌科細(xì)菌(6.6%)、氣單胞菌屬(14.2%)、不動桿菌屬(13.3%)、摩氏桿菌屬(11.8%)，但冷藏過程中細(xì)菌菌相逐漸變得單一，腐敗希瓦氏菌成為優(yōu)勢菌。

由此可見，不同的包裝和貯藏條件對微生物的活動和生物化學(xué)參數(shù)是有一定影響的[24]。在不同情況下，魚類的特定腐敗菌是不同的，鮮魚的SSO是弧科菌（Vibrionaceae）等發(fā)酵型革蘭氏陰性細(xì)菌；在受污染的水中捕獲的水產(chǎn)品的SSO是腸桿菌（Enterobacteriaceae）；冷藏中的 SSO 是假單胞菌（Pseudomonas）和希瓦氏菌（Shewanella）；真空或氣調(diào)包裝時(shí)的SSO是磷發(fā)光桿菌（Photobacterium phosphoreum）和乳酸菌類（Lacticacid bacteria），這對于所有魚、貝類和甲殼類都是適用的，無論是溫帶水域、亞熱帶水域還是熱帶水域[22，30]。所以，對不同貯藏情況下不同魚類特定腐敗菌的了解，有利于我們采取恰當(dāng)?shù)拇胧岣弑ｕr品質(zhì)，延長魚類的貨架期。

2.3 群體感應(yīng)對魚類腐敗的影響

如今已經(jīng)有一些科研工作者對魚類腐敗菌進(jìn)行了研究。Jesper等研究了革蘭氏陰性魚類致病菌的群體感應(yīng)信號分子，并利用兩種指示菌根癌土壤桿菌NT1和紫色色桿菌CV026對其進(jìn)行檢測，來判斷AHLs信號分子的產(chǎn)生情況[31]；綦國紅等[32]認(rèn)為，假單胞菌是一種導(dǎo)致魚類腐敗的重要腐敗菌，并利用AHLs檢測菌對3株魚源假單胞菌進(jìn)行檢測，通過AHLs降解菌株對所產(chǎn)生的AHLs信號分子進(jìn)行降解，以此來干擾群體感應(yīng)系統(tǒng)，這為魚類的防腐保鮮提供了新策略。

在不同的貯藏條件下，大黃魚的特定腐敗菌有所不同，例如：戴志遠(yuǎn)等[33]研究了在(4±1)℃氣調(diào)保鮮下的養(yǎng)殖大黃魚的特定腐敗菌為磷發(fā)光桿菌(Photobacterium phosphoreum)；郭全友等[34]研究了在冷藏條件下大黃魚的特定腐敗菌為腐敗希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)等。但是科學(xué)研究者對大黃魚在不同貯藏條件下特定腐敗菌和群體感應(yīng)的關(guān)系研究的甚少，幾乎沒有提出有效的群體感應(yīng)抑制劑來延長大黃魚的貨架期，這有待于進(jìn)一步的研究。

3 研究展望

盡管群體感應(yīng)系統(tǒng)在很多領(lǐng)域都有研究，特別是在醫(yī)療、制藥和生物防御等方面已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，但是在魚類貯藏保鮮等食品科學(xué)研究中仍鮮見。研究發(fā)現(xiàn)，海藻、農(nóng)作物、土壤等均存在部分細(xì)菌的群體感應(yīng)抑制劑，可以利用這些物質(zhì)的作用來防止魚類腐敗，延長貨架期。鑒于此，如何提取天然的典型群體感應(yīng)抑制劑，如何有效地利用群體感應(yīng)抑制劑達(dá)到魚類貯藏保鮮的目的，是迫切需要研究的問題。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)特別是分子生物學(xué)和各種組學(xué)的發(fā)展，群體感應(yīng)必將對魚類腐敗變質(zhì)的控制起到重要的作用。

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