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3-蒈烯對銅綠假單胞菌的抑菌活性及機理初探

2019-06-11 09:40:02劉雪何英蘭胡月英陳衛軍陳海明
熱帶作物學報 2019年3期

劉雪 何英蘭 胡月英 陳衛軍 陳海明

摘? 要? 為了開發一種新的食品防腐保鮮劑,本文初步研究了3-蒈烯對銅綠假單胞菌的抑菌活性及機理。通過肉湯稀釋法測定最小抑菌濃度(MIC)和最小殺菌濃度(MBC),評價了3-蒈烯的抑菌活性,考察了3-蒈烯對細菌生長曲線、細胞形態、細胞膜通透性、膜電位及呼吸鏈脫氫酶等的影響。結果表明:3-蒈烯對銅綠假單胞菌的MIC為20 mL/L,MBC為40 mL/L。3-蒈烯可以抑制銅綠假單胞菌的生長,破壞細胞的正常形態,提高細胞膜的通透性,造成蛋白質、電解質的外泄。3-蒈烯能夠降低銅綠假單胞菌菌體的膜電位,干擾細胞正常代謝活動,還能抑制細胞內呼吸鏈脫氫酶的活性。綜上所述,3-蒈烯通過破壞銅綠假單胞菌細胞膜,抑制細菌正常生長,導致細菌細胞死亡。

關鍵詞? 3-蒈烯;銅綠假單胞菌;抑菌活性;抑菌機理;細胞膜

中圖分類號? TS205.9? ? ? 文獻標識碼? A

近年來,隨著社會的發展和生活水平的提高,食品安全開始受到人們廣泛的關注。食源性疾病是中國食品安全的頭號問題,也是世界重要的公共衛生問題,致病微生物的污染是造成食源性疾病的主要原因[1-2]。銅綠假單胞菌,又名綠膿桿菌,食源性致病菌之一,革蘭氏陰性屬,主要存在于肉制品和飲用水中,能產生外毒素、腸毒素等,容易造成食品腐敗污染,危害人們身體健康,很多城市已經對其開展監測[3]。

目前,為了減少食源性疾病的發生,延長食品貨架期,防腐劑被廣泛使用。精油作為一種植物源天然防腐劑,可以從多種芳香植物中提取,主要由萜類、倍半萜類化合物等組成[4]。已有大量報道證明,精油具有良好的抑菌活性,但是具體是哪種成分主要發揮作用,還鮮有研究[5-6]。

3-蒈烯是許多植物精油的主要揮發性成分,包括松節油、胡椒油、當歸油等。分子式為C10H16,是一種單萜烯,呈無色液體狀態[7]。由于3-蒈烯本身的松木樣香氣,在食用香精中有廣泛應用,《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》(GB 2760-2014)中規定3-蒈烯為允許使用的食品用合成香料[8]。此外,3-蒈烯可用于農藥、藥物和化妝品,還是增塑劑等化學品中重要的原料之一[7]。吳桂蘋等[9]通過氣相色譜-質譜法(GC-MS)測得白胡椒精油中3-蒈烯的含量在21.94%~24.64%之間。Lomarat等[10]研究表明δ-3-蒈烯是黑胡椒油的主要成分(30.75%)。Zhang等[11]研究發現黑胡椒精油對肉中的致病菌——大腸桿菌具有明顯的抑制效果。

目前,有關3-蒈烯對銅綠假單胞菌的抑菌機理的探討鮮有報道。本研究主要通過測定3-蒈烯的最小抑菌濃度(MIC)和最小殺菌濃度(MBC)確定抑菌活性,通過銅綠假單胞菌掃描電鏡觀察和生長曲線、電導率、蛋白泄漏等指標的測定, 初步分析3-蒈烯的抑菌機理,為3-蒈烯應用于食品的防腐保鮮提供理論依據。

1? 材料與方法

1.1? 材料

銅綠假單胞菌(ATCC 9027),廣東省微生物菌種保藏中心。

(+)-3-蒈烯(>90.0%),日本東京化成工業株式會社(TCI);無菌磷酸鹽緩沖液(PBS,濃度為0.1、0.01 mol/L,pH 7.4)、2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC)、牛肉膏、蛋白胨,北京索萊寶科技有限公司;羅丹明123,上海源葉生物科技有限公司;堿性磷酸酶(AKP)測試盒,南京建成生物工程研究所。

無菌超凈工作臺,蘇州佳寶凈化工程設備有限公司;高壓滅菌鍋,致微(廈門)儀器有限公司;SPX型生化培養箱,寧波江南儀器廠;SHA-2型恒溫振蕩器,常州澳華儀器有限公司;TGL-16M型高速冷凍離心機,上海盧湘儀離心機儀器有限公司; 5804R型臺式高速冷凍離心機,德國Eppendorf公司;S-3000型掃描式電子顯微鏡,日本日立(Hitachi)工機有限公司;DDS-307型電導率儀,上海儀電科學儀器股份有限公司;TU1810型分光光度計,北京普析通用儀器有限責任公司;F-280型熒光分光光度計,天津港東科技發展股份有限公司。

1.2? 方法

1.2.1? 菌種活化? 將銅綠假單胞菌在營養瓊脂培養基中置于37 ℃培養箱培養18~24 h進行傳代恢復活性,培養后的細菌用無菌生理鹽水(0.9% NaCl)將其從斜面上洗脫下來,采用麥氏比濁法把菌懸液的濃度進行稀釋。

1.2.2? 最小抑菌濃度(MIC)和最小殺菌劑濃度(MBC)的測定? 參照Huang等 [12]的方法做適當調整,將3-蒈烯溶于70 %乙醇中,稀釋成800、400、200、100、50、25 mL/L的抑制液,在平板中先加入1 mL抑制液,再倒入降溫至50 ℃左右的營養肉汁培養基19 mL,混合均勻,使其終濃度為40、20、10、5、2.5、1.25 mL/L。待培養基凝固之后,在每個平板中加入200 μL濃度為107~108 CFU/mL的供試菌懸液,用涂布棒涂布均勻。空白對照和陰性對照分別為無菌水和70%乙醇,平板倒置培養,于24 h后進行觀察,3-蒈烯的最小抑菌濃度(MIC)為完全不長菌的最小稀釋濃度。然后,將濃度大于或等于MIC的平板在37 ℃下再培養24 h。仍然沒有可見細菌生長的濃度定義為最小殺菌劑濃度(MBC)[13]。

1.2.3? 細菌生長的測定? 采用干重法[14],按照1 %(V/V)的接種量將稀釋至106~107 CFU/mL的銅綠假單胞菌菌懸液接種到液體培養基中,在37 ℃、150 r/min振蕩培養12 h后,加入3-蒈烯使其終濃度為MIC、MBC,取樣間隔為1 h,取出的菌液在 8000 r/min離心10 min,棄上層液體,下層菌體用無菌水重懸洗滌,將菌體置于80 ℃下烘干至恒重,測得菌體干重。對照組為無菌水。

1.2.4? 掃描電鏡(SEM)觀察? 為了觀察銅綠假單胞菌的形態變化,參照Tang等[15]的方法對供試菌進行SEM觀察。銅綠假單胞菌培養至對數期,分別加入3-蒈烯使其終濃度為MIC、MBC,空白對照和陰性對照分別為無菌水和70 %乙醇,在培養4 h和8 h后將菌懸液取出,6000 r/min離心10 min收集菌體。菌體先用0.1 mol/L的PBS緩沖液洗滌3次,再依次用20%、40%、60%、80%的乙醇溶液進行梯度脫水,最后用無水乙醇進行洗脫。樣品置于20 ℃預凍,再于真空冷凍干燥器中干燥12 h。取出干燥完全的菌體、上樣、通過陰極噴涂將菌體金覆蓋,在掃描電子顯微鏡上觀察銅綠假單胞菌的細胞形態。

1.2.5? 菌液電導率的測定? 參照張新虎等[16]的方法并做一些改動,銅綠假單胞菌培養至對數期,用無菌PBS緩沖液 (0.1 mol/L)洗滌3次并重懸,分別加入3-蒈烯使其終濃度為MIC、MBC,70 %乙醇作為對照組,電導率測量時間間隔為15 min,連續3 h。

1.2.6? 蛋白質泄漏的測定? 采用考馬斯亮藍法測定。銅綠假單胞菌培養至對數期,在菌懸液加入MIC、MBC濃度的3-蒈烯溶液,無菌水作為空白對照組。分別在加入3-蒈烯的第0、2、4、6、8、10、12 h取出菌懸液,將菌懸液置于離心機中4000 r/min離心10 min。在上清液中加入5 mL配置好的考馬斯亮藍試劑,混勻靜置5 min后在595 nm下測量其吸光度。

1.2.7? 堿性磷酸酶的測定? 參照肖香[17]等的方法并做一些改動,銅綠假單胞菌培養至對數期,在菌懸液中加入MIC、MBC濃度的3-蒈烯溶液,無菌水作為空白對照組。分別在加入抑菌物質的0、2、4、6、8 h取出菌懸液,4000 r/min 離心 10 min,按照試劑盒說明書測定上清液中堿性磷酸酶(AKP)的含量。

1.2.8? 膜電位的測定? 采用羅丹明123熒光染色法[18]。銅綠假單胞菌在液體培養基培養 24 h,將菌液濃度調整為106~107 CFU/mL。加入3-蒈烯使其終濃度為MIC、MBC,無菌水作為空白對照組,于37 ℃、150 r/min 振蕩培養 3 h后,離心棄上清,再用PBS(0.01 mol/L )洗滌。羅丹明123溶解在PBS緩沖液(0.01 mol/L)中得到濃度為1 mg/mL的母液,加入菌液中使其終濃度為2 ?g/mL,在黑暗中孵育30 min。將菌液用PBS緩沖液(0.01 mol/L)充分洗凈,重懸。使用熒光分光光度計在480和530 nm的激發和發射波長處使用熒光分光光度計測定平均熒光強度,狹縫寬度設置為10 nm, 數據用平均熒光強度(MFI)表示。

1.2.9? 呼吸鏈脫氫酶的測定? 參照陶文卿[19]的方法并做一些改動,銅綠假單胞菌培養至對數末期,取1 mL菌懸液加入試管中,然后依次加入 Tris-HCl緩沖液(0.05 mol/L,pH 8.6)2 mL、0.1 mol/L葡萄糖溶液2 mL和1 mg/mL的TTC溶液2 mL并搖勻。加入3-蒈烯使其終濃度為MIC、MBC,無菌水作為空白對照組,將試管置于37 ℃培養箱中孵育5 h后,在各試管中滴加2滴濃H2SO4終止反應,然后分別加入5 mL正丁醇萃取,使產物完全進入上層,靜置分層后取上層液體4000 r/min離心10 min,以正丁醇作為參照在490 nm處測量其吸光度。

1.3? 數據處理

所有實驗重復3次,數據采用DPS軟件的單因素方差分析進行差異顯著性分析(p<0.05),并使用 Origin 9.0軟件繪圖。

2? 結果與分析

2.1? 最小抑菌濃度和最小殺菌濃度

3-蒈烯對銅綠假單胞菌具有抑菌作用,且抑菌作用較強。實驗結果表明,最小抑菌濃度(MIC)為20 mL/L,最小殺菌濃度(MBC)為40 mL/L,為MIC的2倍。空白對照和陰性對照組24 h后均觀察到有菌生長,說明無法抑制銅綠假單胞菌。

2.2? 3-蒈烯對銅綠假單胞菌生長的影響

在研究3-蒈烯抑菌活性的基礎上,測定了銅綠假單胞菌的生長曲線。由圖1可知,3-蒈烯對銅綠假單胞菌生長的影響。隨著培養時間的延長,對照組細菌持續生長、增殖,細菌的干重總體呈上升趨勢,從(0.470.02)mg/mL增長至(1.120.01)mg/mL。當加入終濃度為MIC和MBC的3-蒈烯后,銅綠假單胞菌的生長曲線發生顯著變化,菌體干重在前2 h內發生明顯下降,之后下降速度趨緩。生長曲線可以部分反映細菌在一定的生長環境中生長繁殖的規律。結果表明,3-蒈烯對銅綠假單胞菌的生長存在較好的抑制效果,能夠減緩甚至完全阻止細胞增殖。

2.3? 3-蒈烯對銅綠假單胞菌形態的影響

3-蒈烯對銅綠假單胞菌的形態影響如圖2所示。由圖2A1、圖2A2可知,空白對照組的銅綠假單胞菌菌體細胞結構完整,表面光滑,大小分布均勻。根據圖2B1和圖2B2,經乙醇處理4 h和8 h后,銅綠假單胞菌的形態沒有明顯變化,表明乙醇對細菌形態沒有影響。相比之下,使用3-蒈烯處理的銅綠假單胞菌發生明顯的形態學損傷。如圖2C1、圖2D1,在加入濃度為MIC和MBC的3-蒈烯培養4 h后,部分細胞變短、斷裂,細胞發生堆疊、粘附現象。3-蒈烯處理8 h后,細胞發生明顯變化,其形態受到嚴重破壞。大部分細胞發生彎曲、凹陷、畸形,細胞破裂(圖2C2、圖2D2)。此外,添加MBC的3-蒈烯的細菌損傷更嚴重,更多的細胞發生堆積和粘附,失去其原有形態。該結果與蛋白質泄漏的測試結果一致。

掃描電鏡結果可以直接反映細胞膜的形態學和超微結構變化[20]。有研究表明,精油可以影響細胞的結構,主要是其中的抑菌成分能夠穿透細胞壁并破壞細胞膜[21]。在本研究中,銅綠假單胞菌的形態學改變可能是由于3-蒈烯對細胞膜完整性和通透性的影響,這將導致細菌細胞膜的不穩定以及細胞膜和壁的分離,隨后造成細胞內部物質如蛋白的外泄。本研究結果表明,3-蒈烯改變了銅綠假單胞菌的正常形態,破壞了細胞膜結構,抑制了細菌生長,最終造成細菌死亡。

2.4? 3-蒈烯對銅綠假單胞菌電導率的影響

3-蒈烯對銅綠假單胞菌電導率的影響如圖3所示,未添加抑菌物質的對照組先上升,后期保持平穩并略有增加,這是因為細菌的正常裂解和死亡。用3-蒈烯(MIC和MBC)處理后,電導率均高于對照組,在前100 min電導率快速增加,總體呈上升趨勢,MIC組的電導率從(1514.008.19)?s/cm 上升到(1629.506.36)?s/cm,MBC組的電導率從(1520.6716.80)?s/cm 上升到(1706.007.21)?s/cm。而且,MBC組的電導率顯著高于MIC組。

細胞膜是細菌的保護屏障也是滲透屏障,用于小離子如K+,Na+和Mg2+的通過[22]。維持離子穩態在很多方面有重要作用,如溶質運輸、代謝調控等。當細菌處在含有抑菌物質的環境中,細胞膜被破壞,帶電離子泄漏到膜外,膜外環境的電導率增加,細胞膜通透性改變,對細胞代謝產生有害影響并導致細胞死亡[23]。實驗結果表明3-蒈烯能夠影響細胞膜的完整性,增加膜通透性并導致膜損傷。李婷等[24]的研究也證明姜厚樸水提物處理后可以提高大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的滲透性。

2.5? 3-蒈烯對銅綠假單胞菌蛋白釋放的影響

3-蒈烯對銅綠假單胞菌蛋白質釋放的影響如圖4所示。用MBC和MIC濃度處理的銅綠假單胞菌上清液中的蛋白質濃度均顯著高于對照組(p<0.05)。從0 h到12 h,對照組的蛋白濃度從(0.0480.001)mg/mL變為(0.0730.002)mg/mL,略有提高,MIC組的蛋白質濃度從(0.052 0.003)mg/mL 大幅增加至(0.232 0.022)mg/mL,MBC組的蛋白濃度從(0.044 0.003)mg/mL大幅增加至(0.1970.019)mg/mL。在6 h,MBC組的蛋白濃度達到最大,為MIC組的1.18倍。

蛋白質作為一種大分子物質,存在于細胞內部,是細胞關鍵的結構組件。蛋白質的泄漏可以反映細胞膜完整性的損傷情況[25]。本研究結果顯示3-蒈烯破壞了銅綠假單胞菌的細胞膜結構,引起蛋白泄漏,對細胞膜完整性造成了不可逆的損傷,和掃描電鏡結果相呼應。

2.6? 3-蒈烯對銅綠假單胞菌胞外堿性磷酸酶含量的影響

3-蒈烯對銅綠假單胞菌胞外堿性磷酸酶含量的影響如圖5所示。細胞壁位于細胞表面,具有保護細胞、保持細胞形狀、選擇性運輸大分子物質的功能。堿性磷酸酶(AKP)是一種非特異性磷酸單酯酶,作為胞內酶存在于細胞壁和細胞膜之間,在正常情況下不會向外滲透。當細胞壁被破壞,細胞壁完整性受損后,堿性磷酸酶會大量外泄到胞外環境中[26]。因此,細胞壁完整性的變化情況可以通過測定胞外堿性磷酸酶含量的變化來反映。

由圖5可知,隨著培養時間的延長,對照組和處理組的堿性磷酸酶含量都有小幅度增加,但都保持在較低水平。在2 h,MBC組和MIC組的堿性磷酸酶含量顯著高于對照組(p<0.05)。4 h之后,3組的堿性磷酸酶含量接近。結果表明,3-蒈烯對銅綠假單胞菌細胞壁的完整性影響較小,細胞壁破壞不嚴重。這與肖香等的研究結果類似,發現大蒜提取物-茶多酚復合物對3種腐敗菌的細胞壁完整性影響較弱[17]。

2.7? 3-蒈烯對銅綠假單胞菌膜電位的影響

圖6表明,3-蒈烯對銅綠假單胞菌膜電位(MP)有顯著影響。未添加3-蒈烯的對照組的平均熒光強度是(522.1513.03)AU,添加3-蒈烯至終濃度為MIC和MBC后,熒光強度分別急劇下降至(319.4110.10)AU和(211.7717.72)AU,跟對照組比較,分別減少了38.19%和59.44%, 差異極顯著(p<0.01)。而且,MBC組和MIC組相比平均熒光強度也發生了顯著降低,降幅為34.38%。說明隨著3-蒈烯濃度增加,平均熒光強度呈下降趨勢。

膜電位是指細胞膜內部和外部之間的電位差。維持正常的膜電位對于ATP的產生和保持細胞功能有重要意義[27]。羅丹明123作為染料,可以通過跨膜電位進入細胞基質,膜電位的大小可以通過其熒光強度表示。正常情況下,膜內的電壓通常低于膜外,膜電位的降低意味著細胞膜的去極化,去極化會導致細胞代謝異常,影響ATP的產生。3-蒈烯的加入導致膜電位降低,引起細胞膜去極化,導致細胞代謝活性異常和細菌死亡。

2.8? 3-蒈烯對銅綠假單胞菌呼吸鏈脫氫酶活性的影響

3-蒈烯對銅綠假單胞菌呼吸鏈脫氫酶活性的影響如圖7所示,對照組在490 nm處的吸光值為0.3970.029。隨著3-蒈烯濃度的提高,銅綠假單胞菌在490 nm處的吸光值顯著下降。當添加MIC和MBC的3-蒈烯時,吸光值分別下降至0.0920.006和0.0580.003,分別比對照組下降76.46%和85.32%。而且,MIC組的吸光值與MBC組相比下降了37.63%。表明490 nm處的吸光值隨著3-蒈烯濃度的增加而降低。

呼吸鏈身為細胞的能量來源,對于真核生物,存在于線粒體中,對于原核生物如細菌,存在于細胞膜中。2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC)作為一種小分子無色物質,能夠透過細胞膜,被呼吸鏈脫氫酶作用還原成紅色的三苯甲酰(TF),該物質在490 nm處有最大吸收峰[28]。因此,可通過觀察490 nm處吸光度的變化來研究銅綠假單胞菌呼吸鏈脫氫酶的活性。結果表明,3-蒈烯能夠抑制銅綠假單胞菌呼吸鏈脫氫酶的活性,該抑制作用隨著3-蒈烯濃度的提高更加明顯。這說明,3-蒈烯可以通過破壞呼吸鏈的方式抑制銅綠假單胞菌的生長,進而殺死細菌。

3? 討論

本文初步探究了3-蒈烯對銅綠假單胞菌的抑菌活性及機理,表明3-蒈烯對銅綠假單胞菌有較好的抗菌活性,MIC和MBC分別為20和40 mL/L。張聞揚等[29]研究發現大葉桉葉揮發油的主要成分為3-蒈烯,該揮發油對常見致病菌包括沙門氏菌、綠膿桿菌和痢疾桿菌有良好的抑制作用。生長曲線實驗表明,加入3-蒈烯后,銅綠假單胞菌的生長受到了抑制。由掃描電鏡圖片可知,銅綠假單胞菌原有的正常細胞形態發生改變。蛋白質和電解質的外泄表明3-蒈烯可能會損壞原有的細胞膜結構,破壞細胞膜的完整性,增加細胞膜的通透性,導致細胞內大分子物質向外泄漏。王芳等[30]報道,肉桂精油可以造成成團泛菌和腐生葡萄球菌細胞內容物的泄漏,破壞細胞膜完整性。加入3-蒈烯后,細菌的膜電位(MP)降低,可能使細胞發生去極化現象,引發不規則的代謝活動。與本研究結果類似,有研究發現黑胡椒精油可以導致大腸桿菌的細胞膜發生去極化現象[11]。此外,呼吸鏈脫氫酶活性下降,說明3-蒈烯可能對呼吸鏈造成損傷。這些變化最終導致細胞走向死亡。

本研究為進一步探索3-蒈烯對銅綠假單胞菌的抗菌機理奠定了基礎,也為開發3-蒈烯為食品防腐保鮮劑提供了可能。

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