微生物群體感應系統在食品腐敗過程中的應用

張 倩

（河北省產品質量監督檢驗研究院，河北石家莊 050000）

我國作為一個人口大國，食品資源極為豐富，且隨著經濟的快速發展，人們的生活水平不斷提高，對食品的質量要求也越來越嚴格。近年來，在信息技術的高速發展中，腐敗食品微生物群體感應系統的應用為食品資源的腐敗與微生物的生長繁殖提供了新的研究方向。從當前的研究中可知，微生物群體感應系統能夠通過自主產生的信號分子，誘導細菌之間的溝通與交流，并在細菌的細胞密度變化過程中，有效調控微生物的發育過程[1]。從微生物群體感應系統的研究角度出發，探究其在食品腐敗過程中的具體應用，進而用深層次的理論解釋微生物群體導致食品腐敗的原理機制，對食品安全與食品保鮮具有重要的研究價值與意義。

1 微生物群體感應對食品腐敗過程的潛在性影響

在食品學領域中，微生物活動是最終導致食品出現腐敗與變質的主要原因[2]。而食品的營養組成、食品的品種以及食品的存儲與包裝情況都是引起食品中微生物活動和微生物種類產生差異的主要原因。細菌在能夠促進自身生長的環境中，可以很輕松地感受到自身周圍相關細菌的密度，群體感應在細菌繁殖中占據重要的作用。細菌可以利用群體感應系統來監控自身的群體密度變化情況，并在不斷的繁殖過程中，生產或分泌特定的群體感應信號。這些信號會從細菌的細胞內滲透到細胞外，當群體感應信號達到一定的臨界值時，就會與受體的蛋白產生一定的化學反應，并在結合中感受或激活某些群體感應基因。在研究中發現，不同的細菌所使用的群體感應類型是不同的，它所對應的信號傳達方式與傳導能力也有所不同[3]。因此，微生物群體感應將會以信號的方式對食品腐敗過程產生一定的影響，但這種影響程度受到多樣化的因素影響，所以對應的影響效果并不會完全相同。

2 具有代表性特點的群體感應系統

在食品中常見群體感應系統有很多類型，以費氏弧菌和銅綠假單胞菌為例，這兩種細菌都屬于革蘭氏陰性菌，都是通過有效的信號來進行群體感應的有效調控，而且都極具有代表性，在食品發酵工程中起到了動態調節的作用。因此，對這兩種細菌的研究中，能夠看出群體感應系統的主要基因調控特點。

2.1 費氏弧菌的群體感應系統分析

費氏弧菌是一種來自于海洋的發光細菌，它作為革蘭氏陰性菌的一種，主要通過高絲氨酸內脂實現群體感應介導并調節生物發光。在費氏弧菌中，主要的群體感應系統是由兩個操縱子群組成的，這兩個子群分別負責編碼分子蛋白和參與信號分子合成。而當兩個子群在群體感應中發生結構改變后，就會產生一定量的熒光素酶。海水中的費氏弧菌群體感應能力低，主要原因在于海水中的費氏弧菌濃度較低，使細菌周圍的信號產生量少，合成的熒光素酶量極少，細菌無法形成發光的群體感應效果，如圖1所示。而當費氏弧菌依附在海生動物（如魚、烏賊）身體上，就會在群體感應上呈現另一效果，菌體周圍的信號產生量會增多，且合成的熒光素酶也會增加，當群體感應達到一定程度時，熒光素酶基因就會啟動，生物的身體上就會產生熒光效果。從群體感應的密度特點來看，費氏弧菌利用宿主的主體營養實現自身的細菌菌體繁殖，進而為宿主帶來更好的保護，這正是兩者互惠互利的最佳表現。

圖1 費氏弧菌群體感應效果圖

2.2 銅綠假單胞菌的群體感應系統分析

在具有代表性的群體感應系統中，銅綠假單胞菌也是一種極為常見的細菌，這種細菌同樣屬于革蘭氏陰性菌。與費氏弧菌一樣，它也是通過高絲氨酸內脂實現群體感應介導，并在群體感應系統的調控下，展開其生命活動的全過程。從理論的發展角度來說，銅綠假單胞菌是費氏弧菌的一種感應系統的延伸，它和費氏弧菌有著極為相似的感 應源。

銅綠假單胞菌的群體感應系統在層次結構方面，呈現復雜的網絡狀層次，其細胞內部包含了兩套群體感應系統，這兩套群體感應系統相互獨立又彼此關聯密切。實驗證明，這兩套群體感應系統之間存在一定的級聯調控關系，在有效的系統調控管理狀態下，第二套群體感應系統在完整、有活性的第一套群體感應系統控制下，可以被激活，并調節多種潛在的基因表達形式。所以，在銅綠假單胞菌群中，需要對兩套群體感應進行有效控制，使其分別在適合時間運行起來，能夠控制食品的腐敗 過程。

3 食品腐敗中細菌群體感應現象的主要作用

在整個食品腐敗的發展過程中，通常來說只有一種（或幾種）細菌是促進食品腐敗的主要原因，這些細菌的最大特點是在食品中繁殖大量的有害物質，這些有害物質會散發刺鼻的味道，并給人體帶來一定的傷害[4]。在食品學中，把這些特定的腐敗細菌繁殖導致的腐敗過程稱為食品腐敗的關鍵因素[5]。所以，當前在技術上對群體感應的研究主要集中在群體感應對特定腐敗細菌繁殖的研究中。

從水產品的個體化特點來看，對水產品腐敗過程的群體感應研究主要集中在水產品中的魚類和蝦類食品上。我國對水產食品的腐敗變質研究主要集中在近20年的時間內，有專家學者在研究中發現魚源假單細胞菌能夠分泌一種可以調控自身代謝的蛋白酶，這種蛋白酶能夠激活細菌的受體基因，并控制魚類食品的致腐能力。還有專家在對海西瓦氏菌的研究中，發現它能夠調控細菌的生物膜，使海洋類食品的腐敗過程被控制與改變。在生物界中，有些信號分子能夠作為細菌的生長動力學參數，促進海洋食品的腐敗過程。因此，對群體感應系統的研究能夠改變食品的腐敗進程，并能夠對食品的腐敗速度進行有效干預。

4 微生物群體感應系統的具體應用策略與手段

4.1 利用群體感應抑制食品腐敗

在微生物的衍生與繁殖過程中，食品會受到細菌的侵蝕而在品質、營養和感官方面產生一定的不良變化，進而影響食品的食用效果，使其喪失可食用性[6]。食品的腐敗能夠為人們的身體帶來一定的不良影響，輕者傷及腸胃，重者導致生命危險。在食品衛生安全宣傳時，人們經?？吹接捎谑称犯瘮《鴮е碌木揞~損失或生命危機，這給食品的安全管控帶來更加嚴格的挑戰。多年的研究發現特定的微生物群體感應是導致食品腐敗的主要原因。

在研究中發現，細菌群體感應系統的干擾抑制途徑主要包括3類。①利用群體感應系統抑制信號合成，使信號分子無法互相傳遞。②利用群體感應系統促進細菌信號分子降解，使細菌自身產生的信號分子不足，而影響細菌的群體感應程度。③抑制信號分子與所在受體蛋白的有機融合，進而達到能夠抑制食品腐敗速度的效果。當前，由于大多的食品腐敗抑制劑都是通過對信號分子的抑制而實現降低食品腐敗速度的效果。很多人工合成的食品抑制劑雖然能夠衍生具有極強的干擾細菌群體感應能力，自身帶有一定的毒性，這給食品安全帶來了一定的隱患問題。因此，若要提取安全的食品抑制劑，還需要從食品本身的群體感應系統來考慮食品防腐 問題。

4.2 利用群體感應系統抑制食品腐敗實例研究

在果蔬類食品的腐敗過程中，最直觀的表現是果蔬會在腐敗的過程中呈現直觀的缺陷性變化。從對多種水果的研究中發現，在果蔬的微生物群體感應中，菌株生成的AHLs能夠加快水果或蔬菜的腐敗，而腐敗菌果膠蛋白酶卻能夠抑制AHLs，通過對AHLs的有效調節能夠降低蛋白酶和果膠酶在受體上的活性，從而延緩果蔬類食品的腐敗 速度。

在對黃瓜腐敗酶研究中發現，粘質沙雷氏菌也能夠有效控制黃瓜中的胞外脂酶和蛋白酶，進而能夠達到抑制黃瓜胞外果膠酸裂解酶的產生，并能夠降低黃瓜纖維素的生產速度，從而為黃瓜保鮮帶來更好的效果。在對微生物群體感應系統的研究中，越來越明顯的展示出天然群體感應抑制劑具有毒性小且濃度低的特點，所以其應用對食品而言更具有安全性、可靠性。而人工群體感應抑制劑多采用人工合成的方式進行加工制作，且濃度較高、潛在一定的毒性，不適用于食品加工制作環節。在對群體感應的研究中，可以明顯發現食品腐敗過程源于群體感應，并受到群體感應的不良影響而加速了腐敗的進程；同樣，若要為食品保鮮，降低食品的腐敗速度，也需要從群體感應系統角度出發，研究能夠有效抑制群體感應系統對外傳播信號分子的方法，進而抑制霉變的可能性，為食品帶來更加長久的保鮮期的同時，不改變食品的品質與安全性。

5 結語

信息時代的發展給群體感應系統帶來了更多的研究進展與發展方向，也給食品科學的研究帶來了更多的奇跡。在人類不斷提高的飲食要求標準中，深入探討微生物群體感應系統對食品腐敗的影響作用，并通過抑制生物群體感應系統信號傳遞的方式，降低與抑制食品腐敗現象的發展速度，不但能夠延緩食品的腐敗進程，還能夠給食品安全帶來更科學的保障。微生物群體感應系統的不斷深入研究，必將為食品科學的發展帶來更多的驚喜。