嗜冷菌的嗜冷機(jī)制及其對(duì)乳品質(zhì)量影響研究進(jìn)展

張陽(yáng)旸　吳正鈞　劉景　王淵龍　任婧

摘要：從嗜冷菌細(xì)胞膜流動(dòng)性、產(chǎn)冷休克蛋白、冷適應(yīng)酶3個(gè)方面詳細(xì)闡述了嗜冷菌的嗜冷機(jī)制，并介紹了乳制品中嗜冷菌的種類及其對(duì)乳品質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞：嗜冷菌；嗜冷機(jī)制；乳制品；水解酶

中圖分類號(hào)： TS201.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）02-0012-03

收稿日期：2013-06-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家“973”計(jì)劃（編號(hào)：2012CB723706）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2012BAD12B08）。

作者簡(jiǎn)介：張陽(yáng)旸（1989—），女，江蘇無(wú)錫人，碩士研究生，研究方向?yàn)槲⑸飳W(xué)與分子生物學(xué)。E-mail：zhyy_1018@sina.com。

通信作者：任婧，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槿樗峋肿由飳W(xué)。E-mail：renjing@brightdairy.com。嗜冷微生物（psychrophilic microorganism）廣泛分布在極地、高山、冰川、深海、凍土、冷庫(kù)等低溫環(huán)境中。1887年，F(xiàn)orster 首次發(fā)現(xiàn)了在低溫下生長(zhǎng)的微生物，這種微生物能夠在冰點(diǎn)溫度下生長(zhǎng)繁殖。此后，科學(xué)家從自然界生物中陸續(xù)分離出了不同種類的嗜冷微生物。Morita根據(jù)嗜冷微生物各自不同的生長(zhǎng)溫度將它們細(xì)分為2類，將最高生長(zhǎng)溫度不超過(guò)20 ℃、15 ℃以下生長(zhǎng)旺盛、能夠在0 ℃生長(zhǎng)繁殖的微生物定義為專性嗜冷菌（psychrotrophile），從極端低溫環(huán)境中分離出的嗜冷菌通常為專性嗜冷菌；將在低于5 ℃下能夠生長(zhǎng)，最高生長(zhǎng)溫度在20 ℃以上的嗜冷微生物定義為兼性嗜冷菌（psychrotroph），食品中的腐敗菌大部分為兼性嗜冷菌[1]，這種分類方法已被生物界廣泛認(rèn)可。 目前，已有不少關(guān)于嗜冷菌檢測(cè)研究，但從分子水平對(duì)嗜冷菌嗜冷機(jī)制研究較為少見(jiàn)。本研究從細(xì)胞表層結(jié)構(gòu)、冷休克蛋白、酶3個(gè)方面系統(tǒng)闡述近年來(lái)國(guó)內(nèi)外嗜冷菌嗜冷機(jī)制的研究進(jìn)展，并討論嗜冷菌對(duì)乳品質(zhì)量的影響。

1嗜冷菌的嗜冷機(jī)制

1.1細(xì)胞表層結(jié)構(gòu)

微生物在低溫條件下能否生長(zhǎng)，取決于其細(xì)胞在低溫條件下能否轉(zhuǎn)運(yùn)外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞參與一系列反應(yīng)。細(xì)胞膜的作用就是參與細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)交換，它通過(guò)膜上的鑲嵌蛋白來(lái)吸收外部營(yíng)養(yǎng)、交換電子、傳輸信號(hào)，從而保證細(xì)胞內(nèi)正常的生化反應(yīng)。鑲嵌蛋白的功能與膜的流動(dòng)性息息相關(guān)，細(xì)胞膜的流動(dòng)性以及相結(jié)構(gòu)又是由膜脂組成決定的。因此在嗜冷菌眾多適應(yīng)低溫環(huán)境的機(jī)制中，最為重要的一個(gè)就是調(diào)節(jié)膜脂的組成。當(dāng)溫度改變時(shí)，微生物需要調(diào)節(jié)其細(xì)胞膜脂類的組成，保證其胞膜的流動(dòng)性，來(lái)適應(yīng)環(huán)境溫度的變化。有學(xué)者通過(guò)對(duì)嗜冷菌P.arcticusstrain 273-4的基因組進(jìn)行測(cè)序，發(fā)現(xiàn)了有關(guān)脂肪酸合成的基因、控制鏈長(zhǎng)的基因，表明不飽和脂肪酸的生成是P.arcticusstrain 273-4在低溫下生存的一個(gè)重要原因。Diaz等發(fā)現(xiàn)，處于低溫環(huán)境下的枯草芽孢桿菌能利用脂肪酸去飽和酶將胞膜中的飽和脂肪酸轉(zhuǎn)變成不飽和脂肪酸，改變了支鏈脂肪酸的含量，同時(shí)，枯草芽孢桿菌的胞膜流動(dòng)性也隨之增長(zhǎng)[2]。此外，同分異構(gòu)的脂肪酸也會(huì)影響胞膜的流動(dòng)性。與相應(yīng)的異式支鏈脂肪酸比較而言，反異式支鏈脂肪酸在增加膜流動(dòng)性方面的作用更為明顯[3]。因此，類似枯草芽孢桿菌這樣的革蘭氏陰性菌在受到低溫刺激時(shí)，能夠通過(guò)增加膜脂組分中的不飽和脂肪酸、反異式脂肪酸的量來(lái)維持、修復(fù)胞膜的流動(dòng)性。藍(lán)藻細(xì)菌在寒冷環(huán)境下，能夠通過(guò)消耗單不飽和脂肪酸來(lái)增加多元不飽和脂肪酸的量，從而保證了細(xì)胞在低溫下的正常生長(zhǎng)，這說(shuō)明膜脂中的多元不飽和脂肪酸、脂肪酸脫飽和酶對(duì)于藍(lán)藻細(xì)菌適應(yīng)低溫環(huán)境是很必要的[4]。嗜冷菌Pseudomonas syringae Lz4W在 28 ℃ 下測(cè)得的飽和脂肪酸、反式結(jié)構(gòu)的單一不飽和脂肪酸的量與5 ℃時(shí)所測(cè)的量相比有一定增加[5]。此外，嗜冷菌也能夠通過(guò)調(diào)節(jié)膜上極性頭、類胡蘿卜素類型、脂肪酸鏈長(zhǎng)度、正式反式脂肪酸的比例來(lái)對(duì)其細(xì)胞膜流動(dòng)性進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]。例如，Jagannadham 等在對(duì)嗜冷菌Sphingobacterium antarcticus MTCC 675的研究中發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞在5 ℃下生長(zhǎng)時(shí)，其不飽和脂肪酸、支鏈脂肪酸含量有所增加，這引起了胞膜流動(dòng)性的增加。同時(shí)，胞膜堆積的極性類胡蘿卜素能夠促進(jìn)膜穩(wěn)定并能夠克服脂肪酸的液化作用，嗜冷菌在5 ℃時(shí)能夠合成大量極性類胡蘿卜素，這些色素很有可能根據(jù)溫度的改變來(lái)穩(wěn)定膜的流動(dòng)性[7]。近年來(lái)一些研究結(jié)果表明，上述機(jī)制并不全部有效。Suutari等研究發(fā)現(xiàn)，極性頭的改變?cè)谡{(diào)整膜流動(dòng)性上并沒(méi)有太大效果[8]。Denich等認(rèn)為，脂肪鏈長(zhǎng)度的改變可能只會(huì)影響細(xì)胞的生長(zhǎng)[9]。Epand研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)雖然能和脂肪相互作用從而影響膜流動(dòng)穩(wěn)定性，但這個(gè)互相作用的過(guò)程依然要依賴膜流動(dòng)性與厚度[10]。脂肪酸的異構(gòu)化、飽和度變化是低溫下影響膜流動(dòng)性的主要因素。

1.2冷休克蛋白和抗凍蛋白的合成

Jones等在培養(yǎng)大腸桿菌時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)培養(yǎng)溫度急劇下降時(shí)，細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生冷休克反應(yīng)[11]。這種反應(yīng)能使一些蛋白質(zhì)順勢(shì)表達(dá)從而使細(xì)菌適應(yīng)生長(zhǎng)。這種蛋白質(zhì)被稱為冷休克蛋白CSPs（cold-shock protein）。這種蛋白質(zhì)參與了細(xì)胞的很多生理活動(dòng)，如轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白折疊等[12]。冷休克蛋白包括核酸分子伴侶、 RNA解旋酶、拓?fù)洚悩?gòu)酶、促旋酶亞基A、H-NS[13]。盡管嗜冷菌中冷激蛋白作用機(jī)制研究仍處于初步階段，但是與其相似的嗜中溫細(xì)菌冷休克蛋白作用機(jī)制已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。冷休克蛋白的誘導(dǎo)生成數(shù)量及種類與溫度變化的劇烈程度密切相關(guān)，溫度變動(dòng)越大，產(chǎn)生的冷休克蛋白越多。學(xué)者普遍認(rèn)為，低溫微生物面對(duì)低溫環(huán)境時(shí)，冷休克蛋白可作為RNA的分子伴侶與mRNA結(jié)合，在低溫條件下穩(wěn)定mRNA并促進(jìn)翻譯，從而使低溫微生物適應(yīng)低溫生長(zhǎng)[14]。但是，常溫菌、嗜冷菌對(duì)冷刺激的反應(yīng)是有差異的。常溫菌中發(fā)現(xiàn)的很多冷休克蛋白的作用相當(dāng)于嗜冷菌中的冷適應(yīng)蛋白，在低溫下能夠持續(xù)表達(dá)而不是短暫的作用，因此，關(guān)于嗜冷菌冷休克蛋白的作用機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。抗凍蛋白 AFPs（antifreeze proteins）是具有提高生物抗凍能力的蛋白質(zhì)類化合物的總稱。Yamashita首次在南極地區(qū)的細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了AFPs的存在。在耐低溫生物中，AFPs 能與冰晶相結(jié)合，可以遏制體液內(nèi)冰核的形成與生長(zhǎng)，維持體液的非冰凍狀態(tài)。近年來(lái)，科學(xué)家們對(duì)嗜冷細(xì)菌中的AFPs與低溫適應(yīng)性間的關(guān)系進(jìn)行了研究。研究人員在南極湖泊中的Marinomonas primoryensis中發(fā)現(xiàn)了AFPs的存在，這種AFPs依賴Ca2+，使得Marinomonas primoryensis在南極冰湖中免受低溫的影響。

1.3嗜冷菌產(chǎn)生的酶

生物的生命活動(dòng)需要酶的參與，酶能夠催化細(xì)胞內(nèi)上百個(gè)化學(xué)反應(yīng)，對(duì)生物體維持生命活動(dòng)極為重要，因此嗜冷菌在低溫下生長(zhǎng)需要在寒冷環(huán)境中具有活性的酶。嗜冷菌細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的具有冷適應(yīng)性的酶被稱為嗜冷酶或者冷活性酶（cold adapted enzyme）。1975年，Morita最早報(bào)道了海產(chǎn)弧菌中分離出的蘋(píng)果酸脫氫酶，這種酶在15～20 ℃具有活性，超過(guò) 20 ℃ 會(huì)很快失去活性[1]。近年來(lái)，一些其他種類的冷活性酶陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，包括α-淀粉酶、β-半乳糖苷酶等[15]。低溫酶分子結(jié)構(gòu)一般柔性較高，在低溫條件下更容易展開(kāi)，這就為一些冷適應(yīng)酶的高活性提供了合理的解釋[16]。有學(xué)者從嗜冷菌、常溫菌中分離出冷活性酶，比較這2種酶的氨基酸組成發(fā)現(xiàn)，酶適應(yīng)低溫的條件包括較少的脯氨酸或精氨酸殘基量等[17]。此外，Brenchley等發(fā)現(xiàn)，1株嗜冷菌產(chǎn)生的β-半乳糖苷酶同工酶具有不同的最適溫度，因此，產(chǎn)生不同類型的同工酶可能也是嗜冷微生物適應(yīng)低溫的方式之一[18]。低溫菌產(chǎn)生的蛋白酶活化能、最適酶活溫度都比較低，可以在較低的溫度下催化體內(nèi)生理生化反應(yīng)。0～30 ℃條件下，嗜冷菌的酶催化速度常數(shù)、生理效率相對(duì)中溫微生物的酶來(lái)說(shuō)高出很多，這樣，由于低溫引起的細(xì)胞生化反應(yīng)速率降低就能通過(guò)酶的高催化率得到彌補(bǔ)，從而保證細(xì)胞在低溫下維持正常的生長(zhǎng)過(guò)程[19]。這些酶的應(yīng)用前景對(duì)于生物工業(yè)來(lái)說(shuō)是很可觀的，例如在清潔劑、食品工業(yè)、精細(xì)化學(xué)、生物修復(fù)領(lǐng)域都有一定的發(fā)展?jié)摿20]。

2嗜冷菌對(duì)牛乳質(zhì)量的影響

由于嗜冷菌的生長(zhǎng)繁殖不受低溫環(huán)境的限制，廣泛分布在各種各樣的環(huán)境中，從而能夠通過(guò)各種途徑進(jìn)入食品中，危害食品質(zhì)量。

2.1牛乳中的嗜冷菌

牛乳中的嗜冷菌幾乎覆蓋了牛乳中常見(jiàn)的所有類群細(xì)菌，主要包括：假單胞菌屬（Pseudomonas）、無(wú)色桿菌屬（Achromobacter）、氣單胞菌屬（Aeromonas）、沙雷氏菌屬（Serratia）、產(chǎn)堿桿菌屬（Alcaligenes）、色桿菌屬（Chromobacterium）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、梭菌屬（Clostridium）、棒狀桿菌屬（Coryncbacterium）、鏈球菌屬（Streptococcus）、乳桿菌屬（Lactobacillus）、微球菌屬（Microbacterium），其中假單胞菌屬占主導(dǎo)地位[21-22]。

2.2嗜冷菌對(duì)牛乳質(zhì)量的影響

大多數(shù)嗜冷菌能產(chǎn)生耐熱水解酶，這些水解酶能破壞牛乳的主要成分，這些酶在常規(guī)熱處理后還能夠保持30%～100%的活性。這些水解耐熱酶主要來(lái)自于假單胞菌屬、芽孢桿菌屬。嗜冷菌分泌的蛋白酶能夠水解酪蛋白，促使牛乳形成凝膠結(jié)構(gòu)，從而使其在儲(chǔ)藏過(guò)程中凝固變質(zhì)。此外，蛋白水解對(duì)牛乳產(chǎn)品的風(fēng)味會(huì)產(chǎn)生不利影響，例如苦味、異味、果味、酵母味[23]。嗜冷菌分泌的脂肪酶水解牛乳脂肪過(guò)程中，一些游離脂肪酸被釋放出來(lái)，這些脂肪酸是造成牛乳制品腐臭、異味、堿味的主要原因。這種脂肪水解產(chǎn)生的風(fēng)味缺陷在牛乳及其他一些乳制品如奶油、黃油、干酪中體現(xiàn)尤為明顯[24]。卵磷脂酵素及其他磷脂酶能夠破壞脂肪球膜，使得牛乳中的脂肪被釋放出來(lái)，被體系中原本存在的脂肪酶分解，導(dǎo)致牛乳乳化變質(zhì)。嗜冷菌分泌的脂肪酶分子量為30～50 ku，最適pH值為7～9[25]。近年來(lái)，關(guān)于嗜冷菌產(chǎn)生的耐熱酶及其對(duì)牛乳質(zhì)量的影響研究已經(jīng)有很多，但關(guān)于這些耐熱酶的合成機(jī)制，目前尚沒(méi)有完整明確的解釋。因而，從酶機(jī)制方面來(lái)解決牛乳質(zhì)量問(wèn)題仍有一定難度。

2.3控制方法

嗜冷菌在低溫下仍能夠快速生長(zhǎng)的特性導(dǎo)致這些腐敗菌在牛乳中廣泛存在，即使是最嚴(yán)苛的加工條件，也無(wú)法完全避免牛乳中嗜冷菌造成的污染。Kumarsan等研究了牛乳在不同儲(chǔ)藏溫度下的腐敗程度，結(jié)果表明，采用2 ℃作為牛乳的儲(chǔ)藏溫度來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的4～6 ℃儲(chǔ)藏溫度能有效減緩嗜冷菌的生長(zhǎng)速度，同時(shí)也能夠降低嗜冷菌分泌的蛋白酶、脂肪酶活性[26]。但是，這種通過(guò)低溫降低嗜冷菌生長(zhǎng)速度的處理方法有一定的局限性，熱處理對(duì)嗜冷菌也有一定的抑制作用，Champagne等發(fā)現(xiàn)，巴氏殺菌前若將原料乳在65～69 ℃下處理 15 s，能夠使革蘭氏陰性嗜冷菌數(shù)量減少77%～79%，但是，這種預(yù)處理方式對(duì)產(chǎn)芽孢的革蘭氏陽(yáng)性嗜冷菌沒(méi)有作用[27]。此外，乳品工業(yè)生產(chǎn)中的灌裝設(shè)備是最常見(jiàn)的嗜冷菌污染來(lái)源，因此，對(duì)灌裝設(shè)備進(jìn)行衛(wèi)生控制是保證乳品質(zhì)量的重要手段。Eneroth曾提出假設(shè)，即產(chǎn)芽孢的革蘭氏陽(yáng)性嗜冷菌能夠存在于生產(chǎn)過(guò)程中的死角、工廠設(shè)備表面的生物膜上，它造成的產(chǎn)品污染存在于整個(gè)牛乳加工過(guò)程中。這種產(chǎn)芽孢菌相構(gòu)成非常復(fù)雜，很難將它們從牛乳中分離出并定義其生長(zhǎng)特性。在這層意義上，若將牛乳冷藏、高溫?zé)崽幚怼㈦x心除菌相結(jié)合，并使用容易清潔的乳品工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，能夠有效減少嗜冷菌對(duì)產(chǎn)品的污染。無(wú)論是革蘭氏陽(yáng)性嗜冷菌還是革蘭氏陰性嗜冷菌，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用HACCP或者其他相似的質(zhì)量控制系統(tǒng)來(lái)控制產(chǎn)品的質(zhì)量仍然是最有效的措施，但是，根據(jù)乳制品的不同種類，采用特異的控制措施也是必要的。

3結(jié)論

近年來(lái)，由于生物化學(xué)、分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們對(duì)嗜冷菌嗜冷機(jī)制有了更深入的研究。目前的研究還不能明確闡述嗜冷菌內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)與冷適應(yīng)之間的關(guān)系，這些都將是今后的研究熱點(diǎn)。對(duì)于食品工業(yè)中具有危害性的嗜冷菌，目前關(guān)于其產(chǎn)生的耐熱酶研究已經(jīng)很多，需要在基因、分子水平上對(duì)乳品中嗜冷菌的嗜冷機(jī)制進(jìn)行深入研究，從根本上減輕嗜冷菌的危害。

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