大腸桿菌在食品加工貯藏中脅迫響應機制的研究進展

石 慧，陳卓逐，闞建全*

（西南大學食品科學學院，重慶 400715）

大腸桿菌在食品加工貯藏中脅迫響應機制的研究進展

石 慧，陳卓逐，闞建全*

（西南大學食品科學學院，重慶 400715）

大腸桿菌能夠感受環境信號并對環境的變化迅速做出反應。因此，在食品加工貯藏中，大腸桿菌在面對物理、化學因子脅迫時會產生應激反應，使其仍然能夠生存和保持毒力，給食品安全帶來極大的威脅。本文總結了在常見的食品加工貯藏脅迫因子下，包括熱激、冷激、干燥、高滲透壓、抗菌肽和酸，大腸桿菌的分子及生理響應機制及其在食品工業中的應用，并對大腸桿菌脅迫響應的未來研究做出展望。

大腸桿菌；食品加工貯藏；脅迫因子；響應機制

大腸埃希氏菌（Escherichia coli）簡稱大腸桿菌，廣泛分布于自然界和動物腸道，是一種極易造成食品污染的細菌。尤其是致病性大腸桿菌可通過污染飲水及食品引起疾病的暴發，例如引起嚴重腹瀉和敗血癥，病情嚴重者，可危及生命，其對兒童和老人的危害更為嚴重［1-3］。此外，大腸桿菌還能通過人與人之間的接觸進行傳播［2，4］。1982年，美國首次披露大腸桿菌O157：H7引起了疾病暴發［3］。2006年，美國又大面積暴發毒菠菜事件，2 周內有199 人確診中毒，其中3 人死亡，調查發現病人都是因食用了被大腸桿菌O157：H7污染的菠菜而中毒［5-6］。

微生物是通過與不斷變化的外界環境發生相互作用而進行生長繁殖。在外界環境條件適宜時，如豐富的營養，合適的溫度、溶氧水平、pH值、水分含量，微生物會以較快的生長速率生長。一旦環境發生改變，就會造成對微生物的脅迫，抑制其生長，甚至死亡。實際上，除了在實驗室培養條件下，微生物都長期處于環境脅迫中。因此，微生物對環境變化的感受和迅速做出反應的能力對其生存尤為重要，大多數微生物都具有這樣的能力［7］。

在食品加工貯藏過程中，加熱、冷藏、干燥、高滲透壓、酸處理、發酵、加抗菌藥物等處理方法均使大腸桿菌處于脅迫環境下。大量研究表明，大腸桿菌能對這些物理和化學脅迫因素做出迅速的應激反應，使其在不良環境下仍能夠維持生存，并且保持一定的代謝活性和致病能力。一旦環境適宜其生長，會迅速修復并且繁殖［8-12］。在食品加工貯藏過程中，如果食品中有脅迫應激后仍存活的大腸桿菌，會造成安全隱患。尤其是致病性大腸桿菌，極少含量也會對人類健康造成極大的危害。同時，由于多數脅迫應激后的大腸桿菌以特殊的生理狀態存活，如亞致死性損傷狀態或者存活但不可培養狀態（viable but not culturable，VBNC），導致對其檢測較為困難，極易發生漏檢［13］。因此，深入開展大腸桿菌在食品加工貯藏過程中的脅迫響應機制的研究，對于保障食品加工貯藏安全，建立健全食品質量安全控制體系方面具有重要意義。在理論上，可以深入理解大腸桿菌在不同的加工與貯藏條件下的脅迫響應機制，及其重要響應基因及信號傳導過程；在實踐上，理解大腸桿菌在哪些加工貯藏條件下會發生應激反應，對確定加工貯藏條件，加強安全預防措施提供重要借鑒。現在人們對食品新鮮度和營養要求越來越高，在降低滅菌對食品營養和口感造成影響的同時，又能盡量避免大腸桿菌脅迫應激反應，也成為了一個重要問題。而深入了解脅迫相應基因，對研究協同滅菌方法，開發新型的抗微生物制劑方面都有重要的意義。本文對大腸桿菌在食品加工貯藏過程中的脅迫耐受機制的研究進行綜述，并對未來的發展方向做出展望。

1 大腸桿菌熱應激機制

熱處理是目前食品工業中經常使用的重要滅菌方法，為了降低高溫對食品營養及風味的影響，很多食品熱加工中需要采取低溫滅菌，如水果、蔬菜的漂燙，罐頭的殺菌，牛乳、啤酒、果汁的巴氏殺菌［11，17-18］。微生物如果突然面對環境溫度的變化，其生理也要發生變化。例如，當溫度突然由30 ℃上升到42 ℃時，大腸桿菌會迅速做出熱激應答，如誘導相關基因的表達，大量合成熱休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）［14-15］。熱休克蛋白大多數是分子伴侶和蛋白酶，具有以下功能：協助蛋白質的折疊、降解未準確折疊的蛋白質、在高溫下保持蛋白質和膜的穩態、在高溫下保持核酸的拓撲結構、與σ32翻譯過程有關［15-17］。許多熱休克蛋白是提高大腸桿菌的耐熱性所必需的，其中包括DnaK、DnaJ、GrpE、GroES、GroEL［18］。

在大腸桿菌中，熱應激反應受到σ32調控。σ32是由rpoH（htpR）基因編碼的次級σ因子，大小為32 000 D。它可以指導核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）聚合酶與特定的啟動子結合，調控相關熱休克基因的表達。當環境溫度由30 ℃迅速上升到42 ℃時，σ32的含量由大約為10～30 拷貝/細胞在4～6 min內增加到原來的17 倍，合成超過20 種熱休克蛋白，這些熱休克蛋白可以幫助大腸桿菌獲得對熱的抗性［18］。

大腸桿菌能夠在不同水平（σ32的轉錄、翻譯及降解）對σ32進行調控［19］。首先，在σ32的轉錄水平，rpoH至少有4 個啟動子，3 個啟動子可被σ70-RNA聚合酶所識別，另一個啟動子（P3）可被σ24-RNA聚合酶所識別（圖1）。σ70是一個由σ32誘導產生的熱休克蛋白，因此，σ32含量的增多導致σ70的增多，反過來又增加σ32的合成［20］。其次，外界脅迫特別是熱激誘導會影響rpoH mRNA的翻譯，σ32的合成在42 ℃要比30 ℃提高約12 倍［20］。rpoH mRNA開放閱讀框（open-reading frames，ORFs）5'端的220nt序列可以形成對溫度敏感的次級結構。在正常溫度下，這些次級結構是閉合的，而在較高溫度下，次級結構打開，使得rpoH mRNA能夠更有效的翻譯成σ32，進而迅速地誘導熱休克蛋白的表達［20］。最后，σ32的降解也受到調控。σ32在大腸桿菌穩態生長時是一個極其不穩定的蛋白質，其半衰期少于1 min。然而，當溫度由30 ℃上升到42 ℃時，σ32的半衰期時間延長了8 倍，變得具有暫時的穩定性［20］。σ32可被細胞內膜上的ATP依賴型蛋白酶FtsH所降解，其降解機制在于這些游離的σ32是否與RNA聚合酶核心酶（RNA polymerase core）相結合，如果它們緊密結合，σ32則免遭FtsH降解［20-21］。DnaK、DnaJ、GrpE等熱休克蛋白（都是由σ32調控合成）也調控σ32降解，抑制rpoH mRNA的翻譯（圖1）。在30 ℃或更低溫度，DnaK、DnaJ、GrpE等熱休克蛋白可與σ32相互作用，使之不能與RNA聚合酶核心酶結合，加速σ32被FtsH降解；在42 ℃或更高的溫度下，細胞內產生大量非折疊或變性蛋白，DnaK、DnaJ、GrpE優先與變性蛋白作用，因此能與σ32結合的游離分子伴侶減少，保證σ32能充分和RNA聚合酶核心酶結合（圖1）［22］。σ32的大量合成調控熱休克蛋白的表達，然而熱休克蛋白含量的增加會反饋調節σ32的含量，σ32與熱休克蛋白之間的相互制約關系，使它們的含量能在熱激響應過程中保持相對穩定的高水平。σ32調控成員除了合成分子伴侶保護蛋白質免遭降解，還涉及保護其他大分子和細胞過程免受危害，如有些蛋白質可以保護細胞內脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和RNA［7］。

在理解了大腸桿菌的熱脅迫應激的基礎上，近年來一些研究者開始進一步研究如何在低溫滅菌中使其快速失活，避免大腸桿菌由于脅迫應激而維持生存。如Sung等［23］研究了在25、45、50、55 ℃下，使用3.0 L/min流速及質量濃度為2.0～3.0 g/m3的氣體臭氧聯合對蘋果汁中的大腸桿菌O157：H7進行滅菌處理。結果顯示，在這些溫度下加入臭氧聯合滅菌，都會顯著提高大腸桿菌滅活效率。在50 ℃條件下，臭氧和熱處理產生了協同滅菌效果。另外，也有研究證實大腸桿菌在雞胸肉等固體食品中，比其在液體中的熱抗性更強［24］。這些為食品加工提供了借鑒，但是其中涉及的機制，如不同的殺菌方式是如何產生協同作用，大腸桿菌脅迫應激基因如何對協同作用做出響應，食品介質對大腸桿菌的脅迫響應產生怎樣的影響，還沒有清楚的解釋，需要進一步探索。

2 大腸桿菌冷應激機制

冷凍貯藏或冷鏈運輸是食品產業鏈中經常使用的保藏或運輸方式，如肉類、果蔬、速凍食品等食品的保鮮。在冷凍貯藏過程中，大腸桿菌會遭受低溫的脅迫，溫度降低會造成細胞內酶活性降低（影響胞內新陳代謝），膜的流動性降低（影響營養物質的運輸），RNA結構趨于穩定（影響翻譯過程）［25-26］。當溫度突然降低時，細胞中會產生一種冷休克反應，通過一些特殊基因的表達產生一大類特殊的蛋白質（冷休克蛋白）使細胞適應這一急劇降低的低溫環境，冷休克蛋白（cold shock proteins，CSPs）可以保持細胞膜的完整性和促進有效轉錄和翻譯［25-27］。

研究表明，將大腸桿菌從37 ℃突然轉移至10 ℃時，很多蛋白質立即被誘導表達。這些蛋白質大多數直接或間接與轉錄和翻譯過程有關，如典型的冷休克蛋白、RNA解旋酶（DeaD）、DNA旋轉酶（GyrA）、轉錄因子NusA和翻譯因子InfBD等［27-28］。冷休克蛋白是高度保守的核苷酸結合蛋白，一般由68～74 個氨基酸構成，都存在5 個反平行B折疊的B桶狀片層結構。冷休克蛋白分子質量大約為7.4 kD，含有典型的冷休克區域（cold shock domain，CSD），通過RNP1和RNP2基元（motif）與單鏈RNA或單鏈DNA結合，但不能與DNA結合［27-30］。在大腸桿菌中已經發現9 種同源冷休克蛋白，分別命名為CspA～CspI。其中，CspA、CspB、CspE、CspG、CspI只在冷激條件下誘導產生， CspC升溫或降溫條件下都會誘導其表達，而 CspD在穩定期，營養饑餓，氧化應激時產生［30-31］。

CspA是大腸桿菌主要的冷休克蛋白，是分子質量為7.4 kD的細胞質蛋白。正常情況，CspA幾乎不存在，而且半衰期只有10～47 s，但是當大腸桿菌所處溫度驟然降低時，它被大量誘導合成，可占細胞蛋白質總量的13%，其穩定期提高，半衰期大大延長（＞10 min）。CspA能結合冷誘導基因，如染色體結合蛋白基因h-ns的110 bp的啟動子區域，可以對h-ns基因進行轉錄激活。CspA還可以結合到DNA旋轉酶A亞基基因（gyrA）的啟動子上激活其轉錄。一般認為，DNA旋轉酶含量的增加有助于細胞對低溫的適應［29-31］。

冷休克蛋白除了可以結合冷誘導基因的啟動子區域激活這些基因的轉錄外，還能清除不必要的二級結構來促進這些基因的轉錄和翻譯。例如，冷誘導的RNA解旋酶CsdA能與CspA相互作用并清除mRNA上的二級結構，使其免受RNase E的切除從而穩定mRNA；另外，mRNA上的二級結構的清除有利于夏因-達爾加諾序列（Shine-Dalgarno sequence，SD）序列的暴露，翻譯得以順利進行［27-30］。

研究證實，將大腸桿菌污染的雞胸肉過夜4 ℃冷藏，會提高大腸桿菌在沸水加熱中的熱抗性［24］。近年來的研究證實，致病菌大腸桿菌O157比模式菌株大腸桿菌K12的耐低溫能力更強［32］。由于低溫冷藏是一種常見的保藏方式，我國的研究者也開始研究冷凍脅迫下，其他致病菌如金黃色葡萄球菌的亞致死性損傷及失活規律［33］。

3 大腸桿菌干燥及高滲透壓應激機制

為了延長食品的保質期和貨架期，干燥以及高鹽高糖的高滲透壓處理，是非常常見的食品加工方法，它們都能夠盡可能降低食品的含水量，抑制微生物的生長。一方面，各種微生物都有其生長最適宜的水分活度（water activity，aw）下降，微生物的生長率也隨之下降。而研究表明，大腸桿菌能夠在低水分活度食品中長期存活［34］。在食品干燥過程中，水分活度未下降到大腸桿菌致死的水平前，其對水含量的減少會做出應激響應，誘導相關基因的表達，合成一些特殊的物質，降低由于水分活度下降對其生長造成的影響，并且進入休眠期長時間存活。另一方面，高滲透壓環境會導致水分子單方向地從細胞質向細胞內膜外移動，和干燥過程類似，都會造成細胞失水。據報道［35-40］，大腸桿菌有以下2 套相似的調節機制應對干燥及高滲透壓脅迫。

第一是胞外抵抗機制，糖被（glycocalyx）起著關鍵作用。在干燥和高滲透壓環境下，大腸桿菌都會調節產生糖被來應對脅迫［35-36］。糖被是包被于大腸桿菌細胞壁外的一層厚度不定的透明膠狀物質，主要由胞外多糖和蛋白質構成。糖被的有無、厚薄除與大腸桿菌的遺傳性相關外，還與環境尤其是營養條件密切相關。糖被的成分一般是多糖，少數是蛋白質或多肽，也有多糖與多肽復合型的。糖被除了貯藏養料和給大腸桿菌提供表面附著力外，還起著保護作用，其上大量極性基團可保護大腸桿菌菌體減少水分流失造成的損傷［36］。Alpert［37］認為糖被由于其膠凝結構，能夠與大量的水分緊密結合，降低細胞水分在干燥或高滲環境中流失的速率，對大腸桿菌在干燥脅迫下維持生存起著重要作用。

第二是胞內調節機制，海藻糖（trehalose）起主要作用。海藻糖是由2 個葡萄糖分子以α，α，1，1-糖苷鍵構成非還原性糖，是一種親和性溶質，自身性質非常穩定。海藻糖對包括大腸桿菌在內的多種生物體具有高效的保護作用，因為海藻糖在高滲透壓及干燥失水等惡劣環境條件下在細胞表面能形成獨特的保護膜，有效地穩定細胞膜上的蛋白質和脂質的結構和功能［38-39］。在大腸桿菌中，海藻糖由OtsAB操縱子的編碼產物合成：OtsA是海藻糖-6-磷酸合成酶，OtsB是海藻糖-6-磷酸酶。調節海藻糖合成的蛋白OtsAB受到σs的調控，因此在其他多種環境脅迫下諸如高溫、氧化等，大腸桿菌也會合成大量海藻糖［40］。

大腸桿菌除了上述兩方面應對干燥及高滲透壓脅迫的相似機制，研究者還發現其在高滲透壓環境下，雙組分系統EnvZ/OmpR會感應外界環境的變化，并且調高外膜蛋白OmpC的表達量，從而為糖、多元醇、甜菜堿、氨基酸等相容性溶質進入細胞質提供通道，維持菌體內外滲透壓平衡；同時，ProP和ProU膜轉運系統也會幫助這類相容性溶質進入細胞［41］。但是相對而言，對大腸桿菌的干燥響應機制了解甚少，這也是近年來研究的熱點。如有研究證實大腸桿菌胞內合成海藻糖的濃度與其干燥抵抗能力成正相關［42］，這也直接進一步證實了海藻糖在大腸桿菌應對干燥中的重要作用。Koseki等［34］研究了在嬰兒配方奶粉中，大腸桿菌O157：H7干燥抗性的規律，并分別在5、22、35 ℃條件下建立了數學模型，證實了在干燥環境下，隨著溫度的升高，大腸桿菌O157：H7對干燥的抗性越高。這些研究為采取有效的食品加工與貯藏方法提供了借鑒。另外，高通量測序技術的發展，為研究者深入研究微生物在干燥環境下分子響應提供了契機。如近年來有報道沙門氏菌處于不銹鋼、塑料、紙片這些不同的材質表面時，其主要脅迫響應基因是不同的［43-45］。對于大腸桿菌，暫沒有類似報道，但相信在不遠的將來會有更深入的認識。

4 抗菌肽及大腸桿菌應激機制

當前，由于抗生素的濫用、食品防腐劑的過量添加，食品安全事件屢有發生。因此，人們對天然防腐劑的關注與日俱增。抗菌肽（antimicrobial peptide，AP）抑制微生物的生長，對食品中的多種革蘭氏陰性細菌和革蘭氏陽性細菌都有很強的殺滅作用［46-47］。抗菌肽在人、畜體內易被消化水解且無毒副作用，在酸性條件下活性強，有良好的溶解性和穩定性，是一種新型的食品防腐劑，與傳統的抗生素相比具有分子質量小、抗菌譜廣、熱穩定性好、抗菌機理獨特等優點［46］。抗菌肽根據其來源的不同通常可以分為四大類：來源于動物、昆蟲、微生物基因工程菌的抗菌肽以及人工合成的抗菌肽，還可以根據是否帶電荷分為陽離子抗菌肽和非陽離子抗菌肽［46，48］。目前，大多數研究者認為抗菌肽抑制微生物的機理在于抗菌肽能夠與細胞膜表面相互作用，使膜的通透性發生改變。陽離子抗菌肽的正電荷區域與細胞膜上的負電荷區域相互作用，使抗菌肽分子的疏水端插入細胞膜的脂質膜中，形成跨膜電位，打破細胞內酸堿平衡，導致物質滲透，影響滲透壓平衡，抑制微生物的呼吸作用［46］。總之抗菌肽與膜的相互作用直接關系到抗菌肽的抗菌效果［46］。

當大腸桿菌處于含有抗菌肽的環境時，細胞會發生相應的生理生化變化，并誘導一批新蛋白質或者已存在的蛋白質的合成，構建防御體系，抵抗抗菌肽與細胞膜作用。這種反應即為抗菌肽脅迫反應（antimicrobial peptide-stress response，APSR）。大腸桿菌對抗菌肽的脅迫響應主要包括兩方面：膜表面物質被修飾，減少膜整體所帶的負電荷；外膜的一些相關蛋白酶水解抗菌肽［48-49］。首先，膜表面物質特別是脂多糖被修飾，減少其整體負電荷，細胞膜結合位點隨之減少，影響抗菌肽與細胞膜的結合作用。脂多糖有3 個部分（圖2）：O-抗原，含有重復的碳水化合物單位，微生物抵抗不利因素的重要部分，也是微生物的毒力因子；核心區域，由一個內核心和外核心組成；脂質A（lipid A），是D-葡萄胺二糖單位鏈組成的鏈，其中所有的羥基都被取代，取代物可以是多糖，也可以是脂肪酸［50］。當面對抗菌肽脅迫時，大腸桿菌的一些基因被激活，如pmrE、pmrC，它們直接或間接地受到PhoPQ、PmrAB等雙組份系統的調控。pmrE調控合成4-氨基-阿拉伯糖（4-amino-arabinose，Ara4N），pmrC調控合成磷酸乙醇胺（phosphoenthanolamine，pEtN）。然后，4-氨基-阿拉伯糖或磷酸乙醇胺添加到脂多糖的脂質A部分上，使之磷酸化，中和負電荷（圖2）［49］。

其次，外膜的一些相關蛋白酶能夠降解抗菌肽［50］。大腸桿菌外膜蛋白酶T（outer-membrane protease T，OmpT）由10 條反向平行的β片層折疊而成中空的桶狀結構，屬于革蘭氏陰性菌omptin外膜蛋白家族［51］。大腸桿菌外膜蛋白酶T由編碼基因ompT合成，可水解抗菌肽，促纖溶等［51-53］。大腸桿菌外膜蛋白酶T在細胞質產生并被運輸到內膜，再通過外周胞質到達外膜，定位于大腸桿菌外膜，鑲嵌在脂質雙層中，形成孔道［51］。大腸桿菌外膜蛋白酶T 的活性受到其結構頂端天冬氨酸的極大影響，同時，也受到脂多糖的影響，外膜蛋白酶T與脂多糖結合后，才能恢復酶活性。屈婭榮等［53］證明人防御素（human β-defensin-4，HBD-4）對大腸桿菌野生菌株和OmpT突變體的最小抑菌濃度有顯著差異，野生株為10 μg/mL，敲除株為6 μg/mL。劉小露等［51］通過體外實驗發現，重組蛋白OmpT能水解抗菌肽魚精蛋白和兔肌肉肌酸激酶，而OmpT突變體則無上述功能。

5 大腸桿菌酸脅迫應激機制

酸脅迫發生在發酵食品或添加如有機酸等作防腐劑的食品中。食品酸處理過程中，微生物也面臨著酸脅迫，國外常用1%～2.5%的乳酸洗滌牛肉，但是Dickson等［54］發現用1%的乳酸或醋酸洗滌牛肉，并不能殺死全部微生物，存在亞致死沙門氏菌和大腸桿菌。酸性食品檢測出大腸桿菌O157：H7的報道屢見不鮮。大腸桿菌具有較強的耐酸能力，特別是其處于穩定期的細胞能夠耐受pH≤2.5的酸性環境數小時，這主要是由于其具有葡萄糖-阻礙耐酸系統、氨基酸依賴型耐酸系統、伴侶蛋白抗酸作用以及保持膜電荷穩定等耐酸機制（圖3）［55-56］。大腸桿菌對酸的應激響應非常復雜和多變，在不同成分或不同pH值的食品里，大腸桿菌發揮主要抗酸作用的機制會不同。例如葡萄糖-阻礙耐酸系統受到葡萄糖的抑制，氨基酸依賴型耐酸系統需要特定的氨基酸存在時才能產生耐酸作用。

葡萄糖-阻礙耐酸系統（acid resistance system 1，AR1）需要選擇性信號因子σ38、總調控蛋白CRP（cAMP receptor protein）和F0F1-ATP酶（F0/F1proton-translocating ATPase）參與［57-58］。選擇性信號因子σ38又稱σs，由RpoS編碼，RpoS是細菌一般脅迫反應的主要調控因子。碳源和氮源饑餓、滲透壓升高、低pH值、溫度升高等一些脅迫條件可以誘導RpoS表達，另外，一些細胞內信號如ppGpp含量的變化會誘導RpoS表達。AR1的結構組分和保護機制仍不明確，但是研究者發現酸性環境可以直接作用RpoS，誘導RpoS的翻譯、抑制RpoS的降解，從而增加RpoS的含量，PhoP/PhoQ、ArcB/RssB等雙組分系統也將影響RpoS的含量和活性［59］。因此，在酸性環境下RpoS的量將明顯提高并產生一定量的酸休克蛋白（acid shock proteins，ASPs），酸休克蛋白與熱休克蛋白功能類似，能保護和修復大分子［14］。

氨基酸依賴型耐酸系統包括谷氨酸依賴型耐酸系統（acid resistance system 2，AR2）、精氨酸依賴型耐酸系統（AR3）、谷氨酰胺依賴型耐酸系統（AR4）［55-56］。谷氨酸依賴型耐酸系統是在谷氨酸存在的情況下，依賴于2 個谷氨酸脫羧酶（GadA和GadB）的異構體和谷氨酸-γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）反轉運體（GadC）共同發揮耐酸作用。谷氨酸在谷氨酸脫羧酶的作用下脫羧生成γ-氨基丁酸并消耗細胞內的一分子H+，轉運蛋白GadC將γ-氨基丁酸轉運到細胞外并交換新的底物谷氨酸（glutamate，Glu）（圖3）。精氨酸依賴型耐酸系統則需要精氨酸存在，由精氨酸脫羧酶（AdiA）參與脫酸反應，使精氨酸脫羧生成胍丁胺（agmatine），反轉運體（AdiC）參與轉運，泵出胍丁胺并交換精氨酸（圖3）［55-56］。谷氨酰胺依賴型耐酸系統（AR4）是2013年由我國施一公教授等［56］發現的新型大腸桿菌氨基酸依賴耐酸系統，其與谷氨酸依賴型耐酸系統、精氨酸依賴型耐酸系統調控機制略有不同，其在谷氨酰胺（glutamine，Gln）存在的條件下，依賴于谷氨酰胺酶（YbaS）和氨基酸反向轉運蛋白（GadC）共同發揮對酸的抵抗能力（圖3）大腸桿菌利用谷氨酰胺酶將L-谷氨酰胺（L-Gln）轉化為L-谷氨酸（L-Glu）并釋放氣態氨，游離氨中和質子，使細胞內的pH值不至于降低到致死的水平［56］。另外，研究者也發現一些起輔助作用的耐酸機制，如在酸性條件下，大腸桿菌周質空間分子伴侶HdeA和HdeB可與蛋白質結合并防止其聚集沉淀對細胞造成毒害作用［60］。HdeA和HdeB發揮抗酸作用的pH值不同，HdeA在pH 2.0～3.0都具有抗酸能力，然而HdeB只有在pH 3.0左右才能發揮抗酸性；而通過改變細胞膜成分和保持膜電荷穩定也會增強大腸桿菌的耐酸能力［61］。

6 結 語

大腸桿菌是一種極易感染肉類、乳制品、果汁、發酵食品等食品的腸道致病菌。在食品加工及感染宿主等過程中，需要相應的應激調控因子調節相關基因的表達，啟動脅迫反應，以適應各種脅迫條件。因此，了解脅迫反應有助于全面了解微生物生理，有助于開發新的抗微生物制劑以及制定新的食品安全措施。然而，隨著對脅迫反應逐漸深入了解，發現脅迫反應的復雜性和關聯性，尚有很多未知機制有待于揭示。

回顧以往的研究并結合當前研究中所遇到的問題，未來可以從以下幾個方面開展工作：1）目前對于大腸桿菌的一些脅迫響應機制和信號傳導過程還了解甚少，如其在干燥脅迫下的應激機制、在酸脅迫下的葡萄糖-阻礙耐酸系統，都需要進一步研究。另外，在大腸桿菌長期應對不同環境的過程中，會發生進化并增強其抗性，需要在不斷研究中發現并應對。2）在食品加工流通中，大腸桿菌常常受到多種逆境的共同脅迫，這些不利環境的種類和作用方式不同。對大腸桿菌產生的脅迫耐受性也各不相同。因此，僅研究大腸桿菌對某一種脅迫條件的抗性，已經不能真實地反映其在食品加工環境中所處狀態。而需要采取有效的柵欄技術對它們的控制加以系統研究，充分研究各種脅迫在時空上綜合效應，揭示和理解大腸桿菌在多種復合環境脅迫下的應激反應。3）通過構建基因缺陷株，并比較野生株與缺陷株之間生物學特性的差異，是目前研究闡明大腸桿菌在抵抗加工環境脅迫的分子機制常用技術，這種技術有很大的局限性。隨著基因組、蛋白質組及代謝組學的飛速發展，基因芯片全基因組表達譜、雙向蛋白質組表達譜等分析技術可應用于環境脅迫下大腸桿菌脅迫耐受分子機制的研究中。4）在自然界中有一些微生物嗜好極端點的pH值、溫度、滲透壓等生存條件，處于這種環境中的極端微生物的反應與大多數微生物的脅迫反應不同。比較極端微生物和普通微生物在脅迫條件下的生存機制的差異性、特殊性，對全面了解微生物生理功能有重要意義。相信在接下來幾十年里，對大腸桿菌脅迫響應的研究將繼續成為一個令人振奮的基礎性和應用型的研究領域。

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Progress in Research on Stress Response in Escherichia coli during Food Processing and Storage

SHI Hui， CHEN Zhuozhu， KAN Jianquan*
（College of Food Science， Southwest University， Chongqing 400715， China）

Escherichia coli can sense environmental signals and respond quickly to the changing environment. Therefore，during food processing and storage， the response of E. coli to physical and chemical stress enables them to survive and maintain virulence， which poses a great threat to food safety. This paper is focused on summarizing the molecular and physiological response of E. coli to common stress factors during food processing and storage and its application in the food industry， including heat shock， cold shock， desiccation， hyperosmotic stress， antimicrobial peptides and acid stress. The future research direction in this area is also discussed.

Escherichia coli； food processing and storage； stress factors； response mechanism

10.7506/spkx1002-6630-201609046

TS201.3

A

1002-6630（2016）09-0250-08

石慧， 陳卓逐， 闞建全. 大腸桿菌在食品加工貯藏中脅迫響應機制的研究進展［J］. 食品科學， 2016， 37（9）： 250-257. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201609046. http：//www.spkx.net.cn

SHI Hui， CHEN Zhuozhu， KAN Jianquan. Progress in research on stress response in Escherichia coli during food processing and storage［J］. Food Science， 2016， 37（9）： 250-257. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/spkx1002-6630-201609046. http：//www.spkx.net.cn

2015-05-17

國家自然科學基金青年科學基金項目（31401567）；中央高校基本科研業務費專項資金項目（XDJK2014B020）；西南大學博士啟動基金項目（SWU113041）

石慧（1986—），女，講師，博士，研究方向為食品質量與安全。E-mail：shi_hui_1986@163.com

*通信作者：闞建全（1965—），男，教授，博士，研究方向為食品質量與安全、食品化學。E-mail：ganjq1965@163.com