食品防腐中群體感應及其抑制劑的研究進展

張　璐,桂　萌,李平蘭

(中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院,北京 100083)

?

食品防腐中群體感應及其抑制劑的研究進展

張璐,桂萌,李平蘭*

(中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院,北京 100083)

食品的腐敗變質是食品工業(yè)長期以來一直面對的重大問題。近年來研究表明細菌群體感應(quorum sensing,QS)現(xiàn)象與食品腐敗變質密切相關。本文簡要介紹了群體感應系統(tǒng)和信號分子的分類,重點闡述了群體感應抑制劑(quorum sensing inhibitors,QSIs)的研究進展,并討論了利用群體感應抑制劑控制食品腐敗變質的應用前景。

群體感應,抑制劑,食品腐敗變質

每年我國因食品腐敗造成的經濟損失問題十分嚴重,其中生鮮食品的腐敗變質大都是由微生物活動引起,開發(fā)新型防腐劑、開辟防腐新途徑成為關注的焦點。近年來國內外研究表明:群體感應(quorum sensing,QS)現(xiàn)象與食品腐敗變質過程密切相關,在食品腐敗變質過程中發(fā)揮重要作用[1]。QS系統(tǒng)參與食品腐敗變質的過程,與食品腐敗相關的酶系活性受QS系統(tǒng)的調控[2];此外,在變質食品中也檢測到若干QS系統(tǒng)的信號分子。因此,阻斷腐敗微生物QS系統(tǒng)對于調控影響食品腐敗變質相關的基因表達具有重要作用,加強對群體感應抑制劑(quorum sensing inhibitors,QSIs)的研究有助于新型防腐劑的研制與開發(fā)。

1　群體感應系統(tǒng)概述

1.1群體感應

在特定環(huán)境中,細菌產生并向環(huán)境中釋放信號分子,隨著細菌密度的增加信號分子積累到臨界值時,信號分子就可以調節(jié)菌體中相關基因的表達,進而調控細菌的行為以適應環(huán)境變化。這種細菌之間的信息交流稱為群體感應[3]。

1.2群體感應系統(tǒng)的分類

革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌存在不同的群體感應系統(tǒng),依據(jù)產生信號分子的不同,細菌的群體感應系統(tǒng)主要分為以下三類,下面對其進行具體闡述。

1.2.1革蘭氏陰性菌群體感應系統(tǒng)革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)中的信號分子以N-酰基高絲氨酸內酯(N-acylhomoserine lactones,AHLs)及其衍生物為主。近年來研究表明,在導致食品腐敗變質的過程中,革蘭氏陰性菌是起主要作用的微生物,因此對革蘭氏陰性菌群體感應與食品腐敗變質關系的探討更加吸引人們的注意[4]。LuxI/LuxR QS系統(tǒng)是革蘭陰性菌中群體感應調節(jié)系統(tǒng)的典型代表,研究表明,費氏弧菌的發(fā)光現(xiàn)象是LuxI/LuxR QS系統(tǒng)控制的[5]。現(xiàn)已證實,大多數(shù)革蘭氏陰性菌的QS系統(tǒng)都與費氏弧菌的LuxI/LuxR QS系統(tǒng)相似。LasI/LasR-RhlI/RhIR系統(tǒng)是存在于革蘭氏陰性菌中更復雜的調節(jié)機制,該系統(tǒng)在銅綠假單胞菌中有發(fā)現(xiàn)[6],此外,在銅綠假單胞菌中還發(fā)現(xiàn)喹喏酮信號系統(tǒng)以及群體感應輔助系統(tǒng)——GacS/GacA系統(tǒng)[7]。

1.2.2革蘭氏陽性菌群體感應系統(tǒng)革蘭氏陽性菌QS系統(tǒng)中的信號分子主要是氨基酸和短肽類,常見的是自誘導短肽AIP(autoinducing peptide)。在革蘭氏陽性菌QS系統(tǒng)中,調控的機制為依靠寡肽前體形成自誘導劑,在ABC轉移酶的協(xié)助下分泌到胞外起作用,以調控細菌基因的表達[8],代表菌株如金黃色葡萄球菌;在有些革蘭氏陽性菌中,AIP也可以被轉運至細胞質中與轉錄因子結合來調控基因表達,如蠟樣芽孢桿菌,成熟的AIP分子在細胞質中與轉錄因子結合,其復合物可以調節(jié)蠟樣芽孢桿菌毒力因子的產生[9]。

1.2.3革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌共有的群體感應系統(tǒng)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌共有的群體感應系統(tǒng)以AI-2類分子為基礎。Mok和Bassler等研究發(fā)現(xiàn),哈維氏弧菌的QS系統(tǒng)既能識別AHL分子,也能識別AI-2類分子,其中AI-2類分子存在于革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的QS系統(tǒng)中,參與革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的群體感應,細菌通過識別AI-2類分子感知周圍環(huán)境的菌量變化,進而調節(jié)自身行為[10]。

1.3群體感應信號分子

細菌之間的信息交流依靠其合成釋放的信號分子,當釋放的信號分子濃度達到臨界值時,會啟動菌體內相關基因的表達,調控細菌的行為以適應環(huán)境的變化,如形成生物膜、產生抗生素、產生毒素、產生色素、菌體發(fā)光等[11]。常見的信號分子有AHL分子、自誘導短肽AIP、AI-2類分子。

2　群體感應現(xiàn)象與食品腐敗變質的關系

在導致食品腐敗變質的諸多因素中,微生物污染是最活躍、最普遍的因素。在生鮮食品中,肉類、水產品等畜產食品,因其高營養(yǎng)價值更易受到微生物的污染而導致腐敗變質。許多與食品腐敗變質有關的革蘭氏陰性菌都會產生AHL,比如假單胞菌(Pseudomonasspp)、腸桿菌(Enterobacteriaceae)、嗜水氣單胞菌(A.hydrophila)。Gram等發(fā)現(xiàn),在由革蘭氏陰性菌腐敗作用導致的食品腐敗中檢測到AHL,當腐敗細菌達到一定數(shù)量后AHL被檢測到,這說明AHL的水平與腐敗細菌的數(shù)量具有一定的相關性[12]。Lars Ravn分離出148株與食品腐敗有關的革蘭氏陰性菌,其中146株存在明顯的群體感應效應[13]。綦國紅等從市售魚中分離出的三株假單胞菌均能產生AHL,發(fā)現(xiàn)腐敗細菌通過QS系統(tǒng)調控腐敗特性的表達[14]。Jay等研究認為假單胞菌生物膜的形成受到AHL介導的群體感應的控制[15]。另外有研究稱,在食品儲藏過程中AHL是穩(wěn)定可積累的[16]。相比于革蘭氏陰性菌,對革蘭氏陽性菌QS系統(tǒng)與食品腐敗變質過程的研究較少,多集中在食源性病原菌的致病性研究上,如抑制金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)的外毒素表達[17]。

3　群體感應抑制劑

食源性細菌的特性表達與細菌的QS系統(tǒng)密切相關,如致腐敗性。與食品腐敗有關的信號分子主要是革蘭氏陰性菌分泌產生的AHL,如胡蘿卜軟腐歐文氏菌(Erwiniacarotovora)、蜂房哈夫尼菌(Hafniaalvei)、變形斑沙雷氏菌(Serratiaproteamaculans)都可以產生AHL信號分子[18]。通過干擾食品中微生物的QS系統(tǒng),可以有效減緩腐敗變質過程,延長食品的貨架期。研究發(fā)現(xiàn),存在對細菌群體感應有抑制和干擾作用的物質,用以阻斷細菌種內或種間的信息交流。對于細菌群體感應的抑制和干擾主要有以下三種途徑:抑制信號分子的合成,促進信號分子的降解,抑制信號分子與受體蛋白的結合。利用QSIs可以抑制和干擾信號分子,但QSIs存在的一個問題是它們大多具有一定毒性且不適于在人類生活生產中應用,如鹵代呋喃酮及其衍生物雖有較強的干擾QS信號通路的活性,卻有一定誘變致癌作用[19]。因此,尋找安全無害的QSIs就顯得極為重要。作為用于食品的群體感應抑制劑,考慮到食品安全性,從食源性植物提取物中篩選QSIs是一種有效方式,且食源性植物提取物來源豐富,但其同時也存在濃度低、有毒性等缺點。根據(jù)QSIs分子的來源,在食品防腐保鮮方面考慮,作如下歸類:基于原核生物的QSIs、基于動物的QSIs、基于植物的QSIs、合成的QSIs。

3.1基于原核生物的QSIs

原核生物產生的QSIs有AHL-內酯酶、AHL-酰基轉移酶、脫氨酶、脫羧酶等。首次被報道的群體感應淬滅酶是從芽孢桿菌Bacillus240b1中篩選得到的AiiA酶,它可以有效減弱胡蘿卜軟腐歐文氏菌的致病性。研究表明若將AHL內酯水解酶的基因轉入煙草、馬鈴薯中,就可以獲得抗軟腐病能力較強的菌株[20]。希瓦氏菌屬屬于革蘭氏陰性菌,主要腐敗魚、蝦等海產品,它是少數(shù)已知的同時具有AHL產生及降解能力的菌種,QS系統(tǒng)所調控的基因表達會在AHL降解過程中自行關閉,推測其依靠產生的AHL-酰基轉移酶降解信號分子[21]。

3.2基于動物的QSIs

在發(fā)酵牛奶中發(fā)現(xiàn)了部分銅綠假單胞菌產生的群體感應信號分子能夠被2(H)-呋喃酮阻斷,從而延長發(fā)酵牛奶的貯藏期[22]。豬的腎酰轉移酶被發(fā)現(xiàn)能使兩種QS信號分子失活,這對減少嗜水氣單胞菌的生物膜形成在一定程度上有減緩效果[23]。研究表明,在牛肉中含有可以抑制哈維氏弧菌中AI-2介導的生物發(fā)光的化合物,同時家禽肉中的長鏈脂肪酸對V.harveyiBB170的AI-2具有很強的抑制能力[24]。也有學者初步研究發(fā)現(xiàn),蜂蜜中的提取物對AHL介導的群體感應有顯著的抑制作用,并提出蜂蜜的防腐作用可能和這種化合物的性質有密切關系[25]。

3.3基于植物的QSIs

海洋紅藻產生的溴化呋喃酮是具有群體感應抑制活性的天然產物,它能夠抑制細菌的群體感應,溴化呋喃酮也可以抑制AI-2介導的群體感應[26]。在對鼠傷寒沙門氏桿菌(Salmonellatyphimurium)、大腸桿菌(E.coli)和銅綠假單胞菌(P.aeruginosa)的研究中發(fā)現(xiàn),葡萄柚汁中所含的呋喃香豆素可有效抑制AI-1、AI-2活性和被膜的形成。漿果中的香豆素可以抑制V.harveyiBB886和BB170的AI-1和AI-2活性并且可以抑制致病菌如大腸桿菌O157∶H7,對鼠傷寒沙門氏桿菌和銅綠假單胞菌的生物膜形成也有抑制作用[27]。檸檬苦素類似物對于AI-2介導的生物發(fā)光具有非常有效的抑制作用[28]。這些香豆素和檸檬苦素類似物共同具有呋喃結構,這部分結構具有QSIs的能力[29]。研究發(fā)現(xiàn),食用植物素對人體有益并具有抗菌活性,在非致死量濃度下呈現(xiàn)對群體感應的抑制作用[30]。又有研究表明黃酮類化合物能夠抑制群體感應信號受體并在體外抑制被膜形成[31]。Juanmei Zhang等研究發(fā)現(xiàn),茶多酚(RTP)提取物,含有豐富的多酚類和類黃酮,能夠特異性抑制QS系統(tǒng)控制的紫色桿菌的生長繁殖,對生物膜的形成有抑制作用,可作為QSIs用于延長貨架期[32]。研究者們在豌豆、水稻、番茄和大豆等高等植物中發(fā)現(xiàn)了細菌QS系統(tǒng)信號分子的類似物,而且已經證實這些植物提取物可以影響由 AHL介導的某些基因的表達,其他的高等植物例如番茄、野豌豆、水稻等也可分泌QSIs,影響細菌AHL介導的QS系統(tǒng)[33]。

3.4合成的QSIs

天然QSIs已經被大量發(fā)現(xiàn),然而天然QSIs的應用限制在于它們濃度太低并且往往伴有毒性。在特定情況下,可以通過化學合成繞開這些限制,但目前QSIs的合成十分匱乏。現(xiàn)有的許多合成QSIs的嘗試,主要包括信號分子合成、AHL側鏈修飾、AHL環(huán)部分修飾、受體配體相互作用的拮抗、AIP-2信號修飾等。Morohoshi 等合成了一系列具有不同酰基鏈長的N-酰基環(huán)戊胺,發(fā)現(xiàn)N-九酰-環(huán)戊胺(C9-CPA)對粘質沙雷菌(Serratia marcescens)的QS介調的致病基因表達具有抑制活性[34]。此外,合成的C-30化合物是也一種有效的QS抑制劑,能特異性抑制QS控制基因的表達[35]。

4　展望

食品的腐敗變質與微生物的QS系統(tǒng)密切相關,在很多腐敗變質食品中都有檢測到群體感應信號分子。群體感應的研究在生物、制藥、醫(yī)療等領域已經取得一定的進展,但是在防止食品腐敗變質的方面還處在起步階段。隨著細菌群體感應信號分子機制研究的不斷深入和完善,越來越多安全有效的新型QSIs將被研制與開發(fā)出來,對于天然QSIs的提純降毒以及合成QSIs的設計將成為未來研究的熱點。安全穩(wěn)定的QSIs將為解決食品腐敗變質問題,延長食品貨架期,保障食品安全提供一種新的途徑。

[1]高宗良,谷元興,趙峰,等. 細菌群體感應及其在食品變質中的作用[J]. 微生物學通報,2012,39(7)：1016-1024.

[2]Nychas G J E,Skandamis P N,Tassou C C,et al. Meat spoilage during distribution[J]. Meat Science,2008,78(1):77-89.

[3]Czajkowski R. Quenching of acyl-homoserine lactone-dependent quorum sensing by enzymatic disruption of signal molecules.[J]. Acta Biochimica Polonica,2009,56(1).

[4]趙麗珺,謝晶. 冷卻豬肉特定腐敗微生物與群體感應現(xiàn)象研究進展[J]. 食品工業(yè)科技,2012,33(22):395-399.

[5]Nealson K H,Platt T,Hastings J W. Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system[J]. Journal of bacteriology,1970,104(1):313-322.

[6]Gobbetti M,De Angelis M,Di Cagno R,et al. Cell-cell communication in food related bacteria[J]. International journal of food microbiology,2007,120(1):34-45.

[7]von Boehmer H. Mechanisms of suppression by suppressor T cells[J]. Nature immunology,2005,6(4):338-344.

[8]Rutherford S T,Bassler B L. Bacterial quorum sensing:its role in virulence and possibilities for its control[J]. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine,2012,2(11):a012427.

[9]Pomerantsev A P,Pomerantseva O M,Camp A S,et al. PapR peptide maturation:role of the NprB protease in Bacillus cereus 569 PlcRPapR global gene regulation[J]. FEMS Immunology &Medical Microbiology,2009,55(3):361-377(17).

[10]Mok K C,Wingreen N S,Bassler B L. Vibrio harveyi quorum sensing:a coincidence detector for two autoinducers controls gene expression[J]. The EMBO journal,2003,22(4):870-881.

[11]丁賢,孫威文,殷波,等. 細菌群體感應淬滅的幾種調控機制及其潛在應用[J]. 南方水產科學,2013,9(1):74-79. DOI:doi:10.3969/j.issn.2095-0780.2013.01.013.

[11]Whitehead N A,Barnard A M L,Slater H,et al. Quorum-sensing in Gram-negative bacteria[J]. FEMS microbiology reviews,2001,25(4):365-404.

[12]Givskov M,Rasmussen T B,Ren D,et al. Bacterial Cell-to-cell Communication(Quorum Sensing)[J]. Springer,2008.

[13]Bai A J,Rai V R. Bacterial quorum sensing and food industry[J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety,2011,10(3):183-193.

[14]張力群,田濤,梅桂英. 群體感應淬滅——防治植物細菌病害的新策略[J]. 中國生物防治,2010,26(3):241-247.

[15]Bassler B L,Wright M,Showalter R E,et al. Intercellular signalling in Vibrio harveyi:sequence and function of genes regulating expression of luminescence[J]. Molecular microbiology,1993,9(4):773-786.

[16]程古月,郝海紅,戴夢紅,等. 病原菌的群體感應及其抑制劑的研究進展[J]. 科學通報,2012,(21):1964-1977.

[17]郭嘉亮,陳衛(wèi)民. 細菌群體感應信號分子與抑制劑研究進展[J]. 生命科學,2007,19(2):224-232. DOI:doi:10.3969/j.issn.1004-0374.2007.02.024.

[18]Pesci E C,Milbank J B J,Pearson J P,et al. Quinolone signaling in the cell-to-cell communication system of Pseudomonas aeruginosa[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,1999,96(20):11229-11234.

[19]Huang T P,Wong A C L. Extracellular fatty acids facilitate flagella-independent translocation by Stenotrophomonas maltophilia[J]. Research in microbiology,2007,158(8):702-711.

[12]Gram L,Ravn L,Rasch M,et al. Food spoilage—interactions between food spoilage bacteria[J]. International journal of food microbiology,2002,78(1):79-97.

[13]Ravin L,Christensen A B,Molin S,et al. Methods for identifying and quantifying acylated homoserine lactones produced by Gram-negative bacteria and their application in studies of AHL-production kinetics[J]. J. Microbiol. Methods,2001,44:239-251.

[14]綦國紅,董明盛,陳曉紅,等. 食源假單胞菌群體感應信號分子的研究[J]. 微生物學通報,2007,34(1):72-76.

[15]Jay J M,Vilai J P,Hughes M E. Profile and activity of the bacterial biota of ground beef held from freshness to spoilage at 5-7 C[J]. International journal of food microbiology,2003,81(2):105-111.

[16]Flodgaard L R,Christensen A B,Molin S,et al. Influence of food preservation parameters and associated microbiota on production rate,profile and stability of acylated homoserine lactones from food-derived Enterobacteriaceae[J]. International journal of food microbiology,2003,84(2):145-156.

[17]羅利龍,婁瑞娟,邱健,等. 細菌群體感應及其干擾策略的研究進展[J]. 生物學雜志,2010,27(6):79-82. DOI:doi:10.3969/j.issn.1008-9632.2010.06.079.

[18]Ravn L,Christensen A B,Molin S,et al. Methods for detecting acylated homoserine lactones produced by Gram-negative bacteria and their application in studies of AHL-production kinetics[J]. Journal of Microbiological Methods,2001,44(3):239-251.

[19]Hjelmgaard T,Persson T,Rasmussen T B,et al. Synthesis of furanone-based natural product analogues with quorum sensing antagonist activity.[J]. Bioorganic & Medicinal Chemistry,2003,11(15):3261-3271.

[20]Dong Y H,Wang L H,Zhang L H. Quorum-quenching microbial infections:mechanisms and implications[J]. Philosophical transactions of the Royal Society B:biological Sciences,2007,362(1483):1201-1211.

[21]Chan K G,Atkinson S,Mathee K,et al. Characterization of N-acylhomoserine lactone-degrading bacteria associated with the Zingiber officinale(ginger)rhizosphere:co-existence of quorum quenching and quorum sensing in Acinetobacter and Burkholderia.[J]. Bmc Microbiology,2011,11(1):58-62.

[22]Shobharani P,Agrawal R. Interception of quorum sensing signal molecule by furanone to enhance shelf life of fermented milk[J]. Food control,2010,21(1):61-69.

[23]Dong Y H,Zhang L H. Quorum Sensing and Quorum-Quenching Enzymes[J]. Journal of Microbiology,2005,43(1):101-109.

[24]Lu L,Hume M E,Pillai S D. Autoinducer-2-like Activity Associated with Food and Its Interaction with Food Additives[J]. Journal of Food Protection,2004.

[25]Truchado P,López-Gálvez F,Gil M I,et al. Quorum sensing inhibitory and antimicrobial activities of honeys and the relationship with individual phenolics[J]. Food chemistry,2009,115(4):1337-1344.

[26]Hentzer M,Wu H,Andersen J B,et al. Attenuation of Pseudomonas aeruginosa virulence by quorum sensing inhibitors[J]. The EMBO journal,2003,22(15):3803-3815.

[27]Girennavar B,Cepeda M L,Soni K A,et al. Grapefruit juice and its furocoumarins inhibits autoinducer signaling and biofilm formation in bacteria[J]. International journal of food microbiology,2008,125(2):204-208.

[28]Vikram A,Jesudhasan P R,Jayaprakasha G K,et al. Citrus limonoids interfere with Vibrio harveyi cell-cell signalling and biofilm formation by modulating the response regulator LuxO[J]. Microbiology,2011,157(1):99-110.

[29]L?nn-Stensrud J,Petersen F C,Benneche T,et al. Synthetic bromated furanone inhibits autoinducer-2-mediated communication and biofilm formation in oral streptococci[J]. Oral microbiology and immunology,2007,22(5):340-346.

[30]Vattem D A,Mihalik K,Crixell S H,et al. Dietary phytochemicals as quorum sensing inhibitors[J]. Fitoterapia,2007,78(4):302-310.

[31]Cushnie T P T,Lamb A J. Recent advances in understanding the antibacterial properties of flavonoids[J]. International journal of antimicrobial agents,2011,38(2):99-107.

[32]Zhang J,Rui X,Wang L,et al. Polyphenolic extract from Rosa rugosa tea inhibits bacterial quorum sensing and biofilm formation[J]. Food Control,2014,42:125-131.

[33]張素琴.微生物分子生態(tài)學[M]. 北京：科學出版社,2005:102-118.

[34]Morohoshi T. Inhibition of quorum sensing in Serratia marcescens AS-1 by synthetic analogs of N-acylhomoserine lactone.[J]. Applied & Environmental Microbiology,2007,73(20):6339-6344.

[35]Hentzer M,Wu H,J B Andersen,et al. Attenuation of Pseudomonas aeruginosa virulence by quorum sensing inhibitors[J]. Embo Journal,2003,22(15):3803-3815.

Application of quorum sensing inhibitors in food preservation

ZHANG Lu,GUI Meng,LI Ping-lan*

(College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

In food industry,food spoilage is a major problem that people have faced for a long time. Recent studies have shown that bacterial quorum sensing was closely related to food spoilage. Based on the brief introduction of the quorum sensing system and signal molecules,the research progress and application prospect of quorum sensing inhibitors in preventing food were illustrated and discussed in this paper.

quorum sensing;inhibitors;food spoilage

2015-03-27

張璐(1989-),男,碩士,研究方向:食品微生物,E-mail:luzhangcau@163.com。

李平蘭(1964-),女,博士,教授，研究方向:食品微生物,E-mail:lipinglan@cau.edu.cn。

北京市鱘魚、鮭鱒魚創(chuàng)新團隊專項(SCGWZJ20151105-2)；國家自然科學基金面上項目(31471707，31071591)。

TS201.1

A

1002-0306(2016)03-0364-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.03.068