微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)在食品腐敗過程中的應(yīng)用

張倩

摘 要：在食品的整個腐敗過程中，微生物的細菌群體感應(yīng)發(fā)揮著極為重要的作用，它是導(dǎo)致食品變質(zhì)的主要原因之一，也是當前食品保鮮技術(shù)領(lǐng)域的科研新“靶點”。本文以微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)為主要研究方向，簡要概述了微生物群體感應(yīng)對食品腐敗過程的潛在性影響，重點分析了食品腐敗中細菌群體感應(yīng)現(xiàn)象的主要作用，并深入探究了微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)的具體應(yīng)用策略與手段，以期為食品食用與品質(zhì)安全提供良好的理論依據(jù)保障。

關(guān)鍵詞：細菌;腐敗;微生物群體;感應(yīng)系統(tǒng)

Application of Microbial Quorum Sensing System in Food Spoilage Process

ZHANG Qian

（Hebei Academy of Product Quality Supervision and Inspection， Shijiazhuang 050000， China）

Abstract： In the whole process of food spoilage， the bacterial quorum sensing of microorganisms plays an extremely important role， it is one of the main causes of food spoilage， but also a new scientific research “target”in the field of food preservation technology. Based on the microbial quorum-sensing system as the main research direction， and provided a brief overview of microbial quorum sensing the potential influence of the process of food corruption， analyzed food bacterial quorum sensing in the corruption phenomenon， the main function of and delves into the microbial quorum-sensing system concrete application strategy and method， so as to provide a good theoretical basis for food safety and quality assurance.

Keywords： bacteria; corruption; microbial community; sensing system

我國作為一個人口大國，食品資源極為豐富，且隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對食品的質(zhì)量要求也越來越嚴格。近年來，在信息技術(shù)的高速發(fā)展中，腐敗食品微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)系統(tǒng)能夠通過自主產(chǎn)生的信號分子，誘導(dǎo)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(diào)控微生物的發(fā)育過程[1]。從微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)的研究角度出發(fā)，探究其在食品腐敗過程中的具體應(yīng)用，進而用深層次的理論解釋微生物群體導(dǎo)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(yīng)對食品腐敗過程的潛在性影響

在食品學(xué)領(lǐng)域中，微生物活動是最終導(dǎo)致食品出現(xiàn)腐敗與變質(zhì)的主要原因[2]。而食品的營養(yǎng)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(chǎn)生差異的主要原因。細菌在能夠促進自身生長的環(huán)境中，可以很輕松地感受到自身周圍相關(guān)細菌的密度，群體感應(yīng)在細菌繁殖中占據(jù)重要的作用。細菌可以利用群體感應(yīng)系統(tǒng)來監(jiān)控自身的群體密度變化情況，并在不斷的繁殖過程中，生產(chǎn)或分泌特定的群體感應(yīng)信號。這些信號會從細菌的細胞內(nèi)滲透到細胞外，當群體感應(yīng)信號達到一定的臨界值時，就會與受體的蛋白產(chǎn)生一定的化學(xué)反應(yīng)，并在結(jié)合中感受或激活某些群體感應(yīng)基因。在研究中發(fā)現(xiàn)，不同的細菌所使用的群體感應(yīng)類型是不同的，它所對應(yīng)的信號傳達方式與傳導(dǎo)能力也有所不同[3]。因此，微生物群體感應(yīng)將會以信號的方式對食品腐敗過程產(chǎn)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(yīng)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(yīng)系統(tǒng)

在食品中常見群體感應(yīng)系統(tǒng)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(yīng)的有效調(diào)控，而且都極具有代表性，在食品發(fā)酵工程中起到了動態(tài)調(diào)節(jié)的作用。因此，對這兩種細菌的研究中，能夠看出群體感應(yīng)系統(tǒng)的主要基因調(diào)控特點。

2.1 費氏弧菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)分析

費氏弧菌是一種來自于海洋的發(fā)光細菌，它作為革蘭氏陰性菌的一種，主要通過高絲氨酸內(nèi)脂實現(xiàn)群體感應(yīng)介導(dǎo)并調(diào)節(jié)生物發(fā)光。在費氏弧菌中，主要的群體感應(yīng)系統(tǒng)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(yīng)中發(fā)生結(jié)構(gòu)改變后，就會產(chǎn)生一定量的熒光素酶。海水中的費氏弧菌群體感應(yīng)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(chǎn)生量少，合成的熒光素酶量極少，細菌無法形成發(fā)光的群體感應(yīng)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(yīng)上呈現(xiàn)另一效果，菌體周圍的信號產(chǎn)生量會增多，且合成的熒光素酶也會增加，當群體感應(yīng)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(chǎn)生熒光效果。從群體感應(yīng)的密度特點來看，費氏弧菌利用宿主的主體營養(yǎng)實現(xiàn)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(xiàn)。

2.2 銅綠假單胞菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)分析

在具有代表性的群體感應(yīng)系統(tǒng)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(nèi)脂實現(xiàn)群體感應(yīng)介導(dǎo)，并在群體感應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)控下，展開其生命活動的全過程。從理論的發(fā)展角度來說，銅綠假單胞菌是費氏弧菌的一種感應(yīng)系統(tǒng)的延伸，它和費氏弧菌有著極為相似的感應(yīng)源。

銅綠假單胞菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)在層次結(jié)構(gòu)方面，呈現(xiàn)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)狀層次，其細胞內(nèi)部包含了兩套群體感應(yīng)系統(tǒng)，這兩套群體感應(yīng)系統(tǒng)相互獨立又彼此關(guān)聯(lián)密切。實驗證明，這兩套群體感應(yīng)系統(tǒng)之間存在一定的級聯(lián)調(diào)控關(guān)系，在有效的系統(tǒng)調(diào)控管理狀態(tài)下，第二套群體感應(yīng)系統(tǒng)在完整、有活性的第一套群體感應(yīng)系統(tǒng)控制下，可以被激活，并調(diào)節(jié)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(yīng)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(yīng)現(xiàn)象的主要作用

在整個食品腐敗的發(fā)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(zhì)，這些有害物質(zhì)會散發(fā)刺鼻的味道，并給人體帶來一定的傷害[4]。在食品學(xué)中，把這些特定的腐敗細菌繁殖導(dǎo)致的腐敗過程稱為食品腐敗的關(guān)鍵因素[5]。所以，當前在技術(shù)上對群體感應(yīng)的研究主要集中在群體感應(yīng)對特定腐敗細菌繁殖的研究中。

從水產(chǎn)品的個體化特點來看，對水產(chǎn)品腐敗過程的群體感應(yīng)研究主要集中在水產(chǎn)品中的魚類和蝦類食品上。我國對水產(chǎn)食品的腐敗變質(zhì)研究主要集中在近20年的時間內(nèi)，有專家學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)魚源假單細胞菌能夠分泌一種可以調(diào)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(fā)現(xiàn)它能夠調(diào)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(xué)參數(shù)，促進海洋食品的腐敗過程。因此，對群體感應(yīng)系統(tǒng)的研究能夠改變食品的腐敗進程，并能夠?qū)κ称返母瘮∷俣冗M行有效干預(yù)。

4 微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)的具體應(yīng)用策略與手段

4.1 利用群體感應(yīng)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(zhì)、營養(yǎng)和感官方面產(chǎn)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(dǎo)致生命危險。在食品衛(wèi)生安全宣傳時，人們經(jīng)常看到由于食品腐敗而導(dǎo)致的巨額損失或生命危機，這給食品的安全管控帶來更加嚴格的挑戰(zhàn)。多年的研究發(fā)現(xiàn)特定的微生物群體感應(yīng)是導(dǎo)致食品腐敗的主要原因。

在研究中發(fā)現(xiàn)，細菌群體感應(yīng)系統(tǒng)的干擾抑制途徑主要包括3類。①利用群體感應(yīng)系統(tǒng)抑制信號合成，使信號分子無法互相傳遞。②利用群體感應(yīng)系統(tǒng)促進細菌信號分子降解，使細菌自身產(chǎn)生的信號分子不足，而影響細菌的群體感應(yīng)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(xiàn)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(yīng)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(yīng)系統(tǒng)來考慮食品防腐問題。

4.2 利用群體感應(yīng)系統(tǒng)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(xiàn)是果蔬會在腐敗的過程中呈現(xiàn)直觀的缺陷性變化。從對多種水果的研究中發(fā)現(xiàn)，在果蔬的微生物群體感應(yīng)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(diào)節(jié)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(fā)現(xiàn)，粘質(zhì)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(chǎn)生，并能夠降低黃瓜纖維素的生產(chǎn)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(yīng)系統(tǒng)的研究中，越來越明顯的展示出天然群體感應(yīng)抑制劑具有毒性小且濃度低的特點，所以其應(yīng)用對食品而言更具有安全性、可靠性。而人工群體感應(yīng)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(huán)節(jié)。在對群體感應(yīng)的研究中，可以明顯發(fā)現(xiàn)食品腐敗過程源于群體感應(yīng)，并受到群體感應(yīng)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(yīng)系統(tǒng)角度出發(fā)，研究能夠有效抑制群體感應(yīng)系統(tǒng)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(zhì)與安全性。

5 結(jié)語

信息時代的發(fā)展給群體感應(yīng)系統(tǒng)帶來了更多的研究進展與發(fā)展方向，也給食品科學(xué)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(yīng)系統(tǒng)對食品腐敗的影響作用，并通過抑制生物群體感應(yīng)系統(tǒng)信號傳遞的方式，降低與抑制食品腐敗現(xiàn)象的發(fā)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(xué)的保障。微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)的不斷深入研究，必將為食品科學(xué)的發(fā)展帶來更多的驚喜。

參考文獻

[1]安朝霞，苗雨陽，杜玉婉，等.食品腐敗變質(zhì)生物因素相關(guān)機制研究進展[J].食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報，2022，13（1）：86-93.

[2]何鵬輝，厙曉，錢楊，等.發(fā)酵蔬菜中腐敗微生物及其防控的研究進展[J].食品工業(yè)科技，2017，38（11）：374-378.

[3]楊雪.巴氏奶腐敗過程中微生物群落及腐敗微生物溯源[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2018.

[4]朱軍莉，馮立芳，王彥波，等.基于細菌群體感應(yīng)的生鮮食品腐敗機制[J].中國食品學(xué)報，2017，17（3）：225-234.

[5]張肖杰.計算機視覺技術(shù)對食品腐敗檢測的研究[J].飲食科學(xué)，2017（6）：105.

[6]周幸，阿熱愛·巴合提，李平蘭.微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)與食品防腐保鮮[J].生物加工過程，2020，18（2）：184-192.