冷卻肉特定腐敗菌群體感應(yīng)的研究進(jìn)展

張玉華 孟一

摘 要：微生物引起的腐敗變質(zhì)是影響肉品質(zhì)量安全的重要因素。研究表明，細(xì)菌群體感應(yīng)（quorum sensing，QS）與肉類腐敗變質(zhì)密切相關(guān)。群體感應(yīng)抑制劑（quorum sensing inhibitor，QSI）通過(guò)阻斷QS信號(hào)的合成或傳遞，降低細(xì)菌致腐性，成為肉品保鮮技術(shù)領(lǐng)域極具應(yīng)用前景的新靶點(diǎn)。本文概述了微生物的QS現(xiàn)象、QS對(duì)肉品腐敗變質(zhì)的影響以及QSI的來(lái)源、特性和作用機(jī)制，并提出利用QS調(diào)控肉品腐敗變質(zhì)存在的問(wèn)題和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：群體感應(yīng);群體感應(yīng)抑制劑;特定腐敗菌;肉類腐敗

Abstract： Microbial meat spoilage is an important factor affecting the quality and safety of meat. Studies have shown that quorum sensing （QS） is closely related to meat spoilage. A quorum sensing inhibitor （QSI） is able to reduce bacterial spoilage by blocking the synthesis or transmission of QS signals and has become a promising target in the field of meat preservation. In this paper， bacterial QS， its influence on the spoilage of meat， and the origin， characteristics and mechanism of action of QSI are summarized. The problems and prospects in applying QS in the control of meat spoilage are also put forward.

Keywords： quorum sensing; quorum sensing inhibitor; specific spoilage organism; meat spoilage

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20190311-050

中圖分類號(hào)：TS251.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-8123（2019）04-0066-05

肉類富含水分、蛋白質(zhì)、脂肪等營(yíng)養(yǎng)成分，在加工、貯藏、運(yùn)輸和銷售過(guò)程中易受微生物污染，發(fā)生腐敗。其中特定腐敗菌（specific spoilage organism，SSO）的大量繁殖產(chǎn)生異臭味和有毒有害物質(zhì)是引起肉類腐敗的關(guān)鍵因素[1]。近年來(lái)，大量研究表明，群體感應(yīng)（quorum sensing，QS）現(xiàn)象在各類食品變質(zhì)過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)，食品腐敗菌的致腐性受QS系統(tǒng)的調(diào)控[2]，這一發(fā)現(xiàn)為食品貯藏保鮮提供了新的思路。對(duì)肉中的SSO的QS進(jìn)行調(diào)控可以控制其腐敗進(jìn)程，因此，研究肉中SSO的QS系統(tǒng)是探究肉品腐敗變質(zhì)影響因素的關(guān)鍵，對(duì)于靶向抑菌及保障肉品質(zhì)量安全具有重要意義。本文圍繞微生物導(dǎo)致的肉類腐敗問(wèn)題，介紹細(xì)菌QS系統(tǒng)，分析QS對(duì)冷卻肉腐敗的調(diào)控作用，探討群體感應(yīng)抑制劑（quorum sensing inhibitor，QSI）的研究進(jìn)展，以期為肉類新型保鮮技術(shù)提供指導(dǎo)。

1 肉類腐敗與SSO

冷卻肉在生產(chǎn)和流通過(guò)程中，一直處于0～4 ℃低溫環(huán)境下，大部分微生物，特別是致病菌和嗜溫菌的生長(zhǎng)受到抑制，但仍會(huì)受到一些嗜冷菌污染，這些微生物的大量生長(zhǎng)繁殖最終導(dǎo)致冷卻肉腐敗變質(zhì)，生成胺類、硫化物、醛、酮、酯和有機(jī)酸等，產(chǎn)生不良?xì)馕?。肉類腐敗主要由分解蛋白質(zhì)、脂肪的腐敗菌引起，肉中SSO的構(gòu)成除了受到冷卻肉初始污染菌種類和數(shù)量影響外，還與其加工、貯藏環(huán)境和包裝方式有關(guān)，在有氧冷藏條件下，肉的SSO主要為嗜冷性革蘭氏陰性菌，如假單胞菌（Pseudomonas）和腸桿菌（Enterobacteriaceae）。此外，不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter）、莫拉氏菌屬（Moraxella）也是造成冷卻肉腐敗的主要微生物[3]。低氧條件抑制了需氧菌的增殖，氣調(diào)和真空包裝冷卻肉的SSO主要包括腐化不動(dòng)桿菌（A. putrefaciens）、熱殺索絲菌（Brochothrix thermosphacta）、腸桿菌（Enterobacteriaceae）和乳酸菌（Lactobacillus）等[4]。

2 QS現(xiàn)象與QS系統(tǒng)

QS現(xiàn)象是1970年由Nealson等[5]在一種海洋發(fā)光細(xì)菌費(fèi)氏弧菌（Vibrio fischeri）中發(fā)現(xiàn)的，并由Fuqua等[6]在1994年最早提出QS的概念?，F(xiàn)已證明，QS普遍存在于微生物中，是微生物之間密度依賴性的信息交流傳遞機(jī)制[7]，這種機(jī)制由細(xì)菌自行分泌的小分子信息素，即自誘導(dǎo)物（autoinducer，AIs）調(diào)控。當(dāng)細(xì)菌數(shù)量達(dá)到一定密度時(shí)，能夠自發(fā)地產(chǎn)生并釋放AIs，菌體自身能夠感知這種物質(zhì)濃度的變化，并控制基因表達(dá)，從而調(diào)節(jié)微生物的群體行為[8]。AIs是一類特殊、微小、可擴(kuò)散的化學(xué)分子，又被稱為信號(hào)分子。在某一特定的環(huán)境中，若細(xì)菌的數(shù)目迅速增多，其分泌的AIs濃度也會(huì)隨之增高，因此AIs的濃度通常反映了細(xì)菌細(xì)胞的密度。當(dāng)AIs的濃度達(dá)到一定閾值時(shí)，菌體中相關(guān)基因的表達(dá)啟動(dòng)，從而調(diào)控一些生物行為，如被膜產(chǎn)生、毒素分泌、生物熒光和抗生素合成等[9]，表明該微生物群體已具備了足夠的能力進(jìn)行集體“作戰(zhàn)”，QS系統(tǒng)不僅能指導(dǎo)某一群體的生命活動(dòng)，還可以調(diào)節(jié)某些微生物與其他微生物之間的關(guān)系，這也是該系統(tǒng)備受關(guān)注的原因之一。

QS系統(tǒng)不是一套單一的系統(tǒng)，其包括多種不同的類型。不同菌體的QS系統(tǒng)不同，調(diào)控基因表達(dá)的自體誘導(dǎo)物也不同，且具有較高的特異性。依據(jù)其利用的自體誘導(dǎo)物的不同可分為以下幾種類型：1）以?；呓z氨酸內(nèi)酯（acylhomoserine lactone，AHLs）介導(dǎo)的革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)，革蘭氏陰性菌主要以AHLs為信號(hào)分子（AI-1）[9];2）寡肽類（autoinducing peptides，AIPs）介導(dǎo)的革蘭氏陽(yáng)性菌QS系統(tǒng)，革蘭氏陽(yáng)性菌一般通過(guò)AIPs進(jìn)行信息交流[2];3）呋喃硼酸二酯（furanosyl borate diester，AI-2）介導(dǎo)的種間QS系統(tǒng)，在革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌中均存在，通過(guò)其細(xì)菌可感知其他細(xì)菌的數(shù)量進(jìn)而調(diào)控自身行為，是不同種類細(xì)菌間進(jìn)行“交流”的媒介[10];4）其他類信號(hào)分子介導(dǎo)的QS系統(tǒng)，這些信號(hào)分子主要包括喹諾酮信號(hào)（pseudomonas quinotone signal，PQS）分子、擴(kuò)散信號(hào)因子（diffusible signal factor，DSF）、羥基-棕櫚酸甲酯（hydroxypalmitic acid methyl ester，PAME）等。

由于冷卻肉的SSO多為革蘭氏陰性菌，因此與之密切相關(guān)的是AHLs介導(dǎo)的QS系統(tǒng)。該系統(tǒng)由合成AHLs的LuxI蛋白和轉(zhuǎn)錄因子LuxR蛋白兩部分構(gòu)成。該系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)分子AHLs可自由穿透細(xì)胞壁與細(xì)胞膜，并在環(huán)境中累積，當(dāng)AHLs濃度達(dá)到臨界值時(shí)，與轉(zhuǎn)錄因子LuxR蛋白結(jié)合，生成的復(fù)合物L(fēng)uxR-AHLs能激活目的基因轉(zhuǎn)錄，從而引起細(xì)菌產(chǎn)生各種生理反應(yīng)[11]。目前，已在70多種革蘭氏陰性菌中發(fā)現(xiàn)LuxI/LuxR系統(tǒng)模式。AHLs是一類小分子水溶性化合物，由一個(gè)高絲氨酸內(nèi)酯（homoserine lactone，HSL）環(huán)和一個(gè)酰胺側(cè)鏈組成，其區(qū)別主要在于酰胺鏈的長(zhǎng)度不同（碳原子數(shù)為4～18 個(gè)）以及第3位上取代基（氫、羥基、羰基）不同[12]。不同種類細(xì)菌產(chǎn)生的AHLs分子不同，而同一種細(xì)菌可能產(chǎn)生多種AHLs分子。

3 QS對(duì)冷卻肉腐敗的調(diào)控

研究表明，QS對(duì)冷卻肉SSO的調(diào)控主要在胞外蛋白酶、生物膜等致腐因子的形成中起作用[13]。胞外蛋白酶是肉類SSO主要的代謝產(chǎn)物之一，也被認(rèn)為是肉類重要致腐因子，微生物對(duì)肉類腐敗變質(zhì)的作用很大程度上是由于蛋白質(zhì)不斷被微生物降解利用而引起的。腐敗菌蛋白酶的分泌受QS系統(tǒng)的調(diào)控，如產(chǎn)氣單胞菌（Aeromonas）分泌的AHLs可以與AhyR蛋白結(jié)合，調(diào)控胞外蛋白酶的生成[14]。微生物形成生物膜，黏附于物體表面且難以清除，可以抵抗逆性環(huán)境，增強(qiáng)自身對(duì)抗生素、環(huán)境及宿主免疫系統(tǒng)的耐受能力，是導(dǎo)致腐敗菌持續(xù)污染肉品的重要因素之一。Fazli等[15]發(fā)現(xiàn)，銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）、蜂房哈夫尼亞菌（Hafnia alvei）等多種微生物的成膜過(guò)程受QS系統(tǒng)的調(diào)控。

研究者從冷藏牛肉、豬肉、雞肉等的腐敗變質(zhì)過(guò)程中檢測(cè)出AIs。Mellor等[16]從雞肉中分離出的熒光假單胞菌（P. fluorescens）能夠產(chǎn)生生物表面活性劑，有助于腐敗菌更好地利用高脂肪肉中的營(yíng)養(yǎng)成分。Jay等[13]研究表明，在5～7 ℃條件下有氧貯藏的鮮牛肉中SSO為假單胞菌屬（Pseudomonas），且腐敗變質(zhì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了QS現(xiàn)象。Bruhn等[17]從真空包裝腐敗肉中提取出AHLs，證明蜂房哈夫尼亞菌（H. alvei）能夠分泌C6-HSL，并通過(guò)QS系統(tǒng)調(diào)控同一環(huán)境中其他菌種的生長(zhǎng)代謝，進(jìn)而影響肉的腐敗。Liu等[18]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)假單胞菌（Pseudomonas）數(shù)量達(dá)到8～9 （lg（CFU/g））、腸桿菌（Enterobacteriaceae）達(dá)到3～4 （lg（CFU/g））時(shí)，牛肉和雞肉中可檢出C4-HSL、C6-HSL、C6-3-oxo-HSL、C8-HSL、C12-HSL等信號(hào)分子，且AHLs的活性與假單胞菌（Pseudomonas）蛋白酶的活性之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性。Blana等[19]從牛肉、雞肉和火雞肉中均測(cè)到AI-2活性，氣調(diào)包裝牛肉源乳酸菌（Lactobacillus）可用自身分泌的AI-2調(diào)控氣調(diào)包裝牛肉中的SSO。Gram等[20]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)肉制品中腸桿菌（Enterobacteriaceae）達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，AHLs分子可以促使腸桿菌酶的產(chǎn)生，從而加速肉制品品質(zhì)劣變。Skandamis等[21]發(fā)現(xiàn)，肉源莓實(shí)假單胞菌（P. fragi）能分泌AI-2，但不能產(chǎn)生AHLs。

4 肉類腐敗菌QS的抑制

QSI是指能夠抑制微生物QS現(xiàn)象，而不干擾細(xì)菌正常生理活動(dòng)的生物活性物質(zhì)。通過(guò)干擾腐敗菌的QS系統(tǒng)阻斷細(xì)菌細(xì)胞的信息交流，使之所調(diào)控的腐敗基因不表達(dá)，從而在不造成生長(zhǎng)壓力的情況下降低腐敗菌的致腐能力，從而達(dá)到防腐保鮮的目的[22]，這種基于QS抑制的策略為食品保鮮技術(shù)研究開(kāi)辟了一條新的思路。

4.1 QSI的作用機(jī)制

QSI主要有以下3 種作用途徑[23]：1）抑制AIs的合成。通過(guò)抑制AIs前體物合成或抑制合成酶活性來(lái)阻斷AIs的生成，如二氯苯氧氯酚被證實(shí)可以限制AHLs類分子脂酰-ACP的生物合成而干擾AHLs的組裝[24];姜油酮可抑制銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）AHLs合成酶的活性，進(jìn)而阻礙生物被膜的形成[25];2）促進(jìn)AIs的降解。利用酶類對(duì)AIs進(jìn)行降解或淬滅，已在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)許多能夠降解AHLs的淬滅酶，如AHL-內(nèi)酯酶能破壞AHLs的高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)使之失活，AHL-乙酰轉(zhuǎn)移酶使AHLs上N-?；兼溕系孽０锋I水解，氧化還原酶類降解AHLs側(cè)鏈基團(tuán)從而使AIs失活[26];3）抑制AIs與受體蛋白的結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)，吡哆醛乳酰腙可與LasR的多個(gè)活性位點(diǎn)結(jié)合，從而干擾銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）中QS相關(guān)毒力因子的表達(dá)[27]。

4.2 QSI的來(lái)源及其應(yīng)用

QSI按照來(lái)源不同可分為天然QSI和人工合成QSI，天然QSI又分為微生物源QSI、植物源QSI及海洋生物源QSI等，人工合成QSI主要有呋喃酮類、取代HSL類、內(nèi)酯類和其他類型化合物。天然QSI無(wú)毒副作用，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

4.2.1 微生物源QSI

AHL-內(nèi)酯酶、AHL-?；D(zhuǎn)移酶、脫氨酶及脫羧酶等降解AHLs的酶主要來(lái)源于原核生物。QS淬滅酶是從芽孢桿菌（Bacillus）240b1中篩選得到的N-?；呓z氨酸內(nèi)酯酶（N-acylhomoserine lactonase，AiiA），它可以有效減弱胡蘿卜軟腐歐文氏菌（E. carafavora tear）的致病性。對(duì)氧磷酶-2可水解3-oxo-C12-HSL信號(hào)分子，以抑制銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）的QS系統(tǒng)[28]。真菌類產(chǎn)生的抗生素也具有QS抑制作用，青霉菌能夠產(chǎn)生棒曲霉素和青霉酸。黑木耳產(chǎn)生的天然染料能夠抑制紫色色桿菌（Chromobacterium violaceum）紫色桿菌素的生成[29]。

4.2.2 海洋生物源QSI

多樣化的海洋生物是篩選QSI的豐富來(lái)源，研究者已從軟珊瑚、海綿、海藻、柳珊瑚、硬珊瑚、苔蘚蟲(chóng)以及海鞘中發(fā)現(xiàn)了QSI。從海洋紅藻中提取鹵代呋喃酮是最早發(fā)現(xiàn)的海洋生物產(chǎn)生的QSI，它能通過(guò)減弱轉(zhuǎn)錄過(guò)程中LuxR蛋白中DNA的結(jié)合能力抑制哈維氏弧菌（Vibrio harveyi）的AI-2活性，并且通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合AHLs受體阻斷QS系統(tǒng)，抑制生物發(fā)光[30]。紫杉狀海門冬藻產(chǎn)生的十二酸磺酰乙酯可降低AIs的活性，抑制細(xì)菌

毒力[31]。從巨大鞘絲藻中分離出的鞘絲藻內(nèi)酯干擾紫色色桿菌（Chromobacterium violaceum）和銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）的QS系統(tǒng)，鞘絲藻酸可以影響銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）毒力因子的產(chǎn)生[32]。

4.2.3 植物源QSI

多種蔬菜、水果、香草及香辛料提取物在亞抑菌濃度下均有抗QS活性，目前在冠花、大豆、大蒜、睡蓮、番茄、豆苗、豆芽、甘菊、香草和中藥材等植物中已提取出QSI，其主要成分為酚、醌、皂苷、單寧、香豆素、萜與生物堿類等[33]。例如，丁香酚具有良好的抗銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）的las群體感應(yīng)系統(tǒng)與抗紫色色桿菌（Chromobacterium violaceum）QS活性[34]。肉桂醛及其衍生物可干擾大腸桿菌（Escherichia coli）生物膜的形成，并抑制不同弧菌屬中AI-2介導(dǎo)的QS[35]。百里香精油能明顯抑制熒光假單胞菌（P. fluorescens）KM121的運(yùn)動(dòng)性及生物膜形成能力[36]。茶多酚在3.125 mg/mL條件下對(duì)紫色色桿菌（Chromobacterium violaceum）、銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）表現(xiàn)出QS抑制作用[37]。Vasavi等[38]研究發(fā)現(xiàn)，用白藜蘆醇處理過(guò)的銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）PAO1菌株的生物被膜對(duì)抗生素的敏感性增強(qiáng)。Vikram等[39]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黃酮類化合物，如柚皮素、山奈酚和槲皮素能抑制哈維氏弧菌（Vibrio harveyi）BB886菌株生物發(fā)光。槲皮素和柚皮素還能抑制哈維氏弧菌（Vibrio harveyi）BB120和大腸桿菌（Escherichia coli）O157：H7菌株生物被膜的產(chǎn)生。香芹酚可干擾銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）生物被膜的形成和綠膿菌素的產(chǎn)生，3.9 mmol/L的香芹酚對(duì)綠膿菌素的抑制率為60%[40]。

其中，植物源QSI因其具有來(lái)源廣泛、安全無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。但植物源QSI與化學(xué)保鮮劑相比價(jià)格高、穩(wěn)定性差，且有效成分尚不明確，因此目前QSI僅限于實(shí)驗(yàn)研究，并未真正應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。研究者通常將植物源QSI與氣調(diào)包裝、紫外殺菌、輻射保鮮等其他保鮮技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮不同保鮮技術(shù)之間的協(xié)同效用，并與現(xiàn)代冷鏈物流技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到較好的保鮮效果。此外，由于肉類SSO、貨架期及貨架期內(nèi)品質(zhì)與初始微生物種類、數(shù)量等密切相關(guān)，因此應(yīng)加強(qiáng)原料肉生產(chǎn)加工衛(wèi)生管理，并結(jié)合多種保鮮技術(shù)，才能保障肉品質(zhì)量安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

由微生物引起的腐敗變質(zhì)是影響冷卻肉質(zhì)量安全的重要因素，減緩冷卻肉腐敗變質(zhì)、延長(zhǎng)貨架期是肉類企業(yè)的迫切需求。對(duì)肉類腐敗菌的QS機(jī)理進(jìn)行深入探究，通過(guò)各種信號(hào)干擾阻斷QS信息的傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物致腐現(xiàn)象的靶向抑制，己成為肉品保鮮領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，QS相關(guān)研究還存在一些問(wèn)題亟待解決：

1）目前，對(duì)腐敗菌QS的研究主要是利用單一細(xì)菌進(jìn)行純培養(yǎng)，然而由于肉品體系復(fù)雜，菌相呈多樣性，腐敗菌的種類、數(shù)量和生長(zhǎng)狀態(tài)受其他微生物的影響，且細(xì)菌產(chǎn)AIs的特性與環(huán)境、培養(yǎng)條件等因素有關(guān)，其產(chǎn)生的AIs的種類及活性與單一菌體純培養(yǎng)時(shí)存在較大差異。因此，應(yīng)進(jìn)一步研究肉品在不同加工、貯藏環(huán)境中腐敗菌的消長(zhǎng)規(guī)律以及環(huán)境條件、共生菌對(duì)腐敗菌產(chǎn)AIs特性的影響。2）由于肉類腐敗過(guò)程伴隨pH值的上升，導(dǎo)致AHLs穩(wěn)定性下降甚至降解，從而使QS對(duì)腐敗菌致腐性的調(diào)控能力降低。此外，Smith等[41]發(fā)現(xiàn)，肉中某些細(xì)菌，如銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、希瓦氏菌屬（Shewanella）和大腸桿菌（Escherichia coli）等能夠降解或竊取AI-2和AHLs。因此，深入探究冷卻肉貯藏條件對(duì)腐敗菌及AIs的影響對(duì)理清肉品腐敗與QS之間的關(guān)系非常重要。3）截至目前，人們對(duì)于QS抑制機(jī)制的研究尚處于初級(jí)階段，QSI作用于一種或多種QS系統(tǒng)的控制位點(diǎn)仍不清楚，有待進(jìn)一步研究。此外，由于QSI的復(fù)雜性和多樣性，仍需深入解析不同來(lái)源QSI分子的結(jié)構(gòu)及其作用，從而為QSI的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供依據(jù)。

隨著人們對(duì)肉類腐敗菌QS及其調(diào)控作用研究的深入，基于QS的靶向抑菌技術(shù)將成為生物防控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)提升肉類品質(zhì)具有重要的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)價(jià)值。

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