余 璐,魏 琛,張凱歌,林親錄,王青云
(中南林業科技大學食品科學與工程學院,湖南 長沙 410004)
赭曲霉(Aspergillus ochraceus)廣泛生長在糧食、水果、咖啡、油料、茶葉等[1]食品原料及其加工產品。赭曲霉產孢能力很強,其孢子散落在空氣中能夠誘導兒童哮喘[2]和人類肺病[3]。其產生的次級代謝產物赭曲霉毒素A(ochratoxin A,OTA)是一種腎毒性真菌毒素,具有致癌、致畸、遺傳毒性和免疫抑制作用[4]。OTA經由胃腸道吸收后,經血液流到腎臟,且在人或動物體內不易代謝消除,易在血液及消化組織器官中累積,可引發亞急性或慢性中毒[5]。OTA在1993年被國際癌癥研究會定為2B組致癌物質[6]。目前,物理防霉方法常用氣調控制和低溫控制,但能耗費用高,輔助設施不成熟[7];傳統的化學熏蒸法中常使用磷化鋁、氯化苦、環氧乙烷等,其對環境造成的負面影響和對人類健康的威脅問題日益突 出[8]。因此,探尋低毒高效的綠色防霉劑已成為當今食品防霉的必然需求。
芽孢桿菌(Bacillus)對真菌的抑制作用多是源于其產生的抗菌蛋白[9]、脂肽類[10]及揮發性物質(volatile compounds,VC)[11-12],其中抗菌蛋白和脂肽類的研究已比較成熟,而具有抗霉活性的VC開始成為近年來研究的熱點。研究表明,芽孢桿菌所產具有抗霉活性的揮發性復合物的主要成分有醇、醛、酮、酸、酚類化合物及硫化物等[13-14];枯草芽孢桿菌(B.subtilis)KA9產生的揮發性復合物不僅對辣椒植物生長有促進作用,還對青枯雷爾氏菌(Ralstonia solanacearum)有生防效果[15];貝萊斯芽孢桿菌(B.velezensis)所產揮發性復合物能夠抑制番茄灰霉病菌(Botrytis cinerea)等病原真菌的菌絲生長[16];解淀粉芽孢桿菌(B.amyloliquefaciens)T-5產生的揮發性復合物能顯著抑制引起番茄青枯病的青枯雷爾氏菌的生長[17]。芽孢桿菌所產揮發性復合物不僅可抑制上述田間型植物病原真菌,還可用于采后儲藏期間的生物防治。甲基營養芽孢桿菌(B.methylotrophicus)BCN2和蘇云金芽孢桿菌(B.thuringiensis)BCN10產生的揮發性復合物可以抑制從枇杷果實中分離的5 種采后病原菌生 長[18];巨大芽孢桿菌(B.megaterium)產生的揮發性復合物明顯抑制了稻谷中霉菌總數的增加,顯著降低了稻谷中黃曲霉毒素的含量[19]。然而,關于芽孢桿菌所產VC對赭曲霉的抑制作用迄今鮮見研究報道。
實驗室在前期研究中從稻谷中分離出1 株產抗霉VC的枯草芽孢桿菌PW2[20],本實驗以其所產VC為研究對象,鑒定其組分,測定所鑒定出單個化合物標準品對赭曲霉生長的抑制效果,從中篩選出關鍵抗霉揮發性物質(key antifungal volatile compound,KAVC),研究KAVC對赭曲霉生長及產毒的抑制效果,并探討其抗霉作用機理,旨在為探尋新型的食品用防霉熏蒸劑提供理論依據。
枯草芽孢桿菌PW2菌株由本實驗室在前期研究中從市售秈稻中分離、鑒定并保存;赭曲霉 中國農業微生物菌種保藏管理中心。
異辛醇(純度≥99.5%)、2-壬酮(純度99%)、異丁酸(純度99%)、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二異丁酸酯(純度98.5%)上海阿拉丁生化科技股份有限公司;十二醇(純度98%)Sigma Aldrich(上海)貿易有限公司;赭曲霉毒素酶聯免疫定量檢測試劑盒 上海恒遠生物科技有限公司;碘化丙啶(propidium iodide,PI)、瓊脂(生物試劑)北京索萊寶科技有限公司;牛肉膏、蛋白胨(均為生物試劑)北京奧博星生物技術有限責任公司;氯化鈉、葡萄糖(均為分析純)國藥集團化學試劑有限公司;氯霉素(純度98%)上海麥克林生化科技股份有限公司。
營養瓊脂(nutrient agar,NA)培養基:牛肉膏3 g,蛋白胨10 g,NaCl 5 g,瓊脂15~20 g,蒸餾水1000 mL,pH 7.4~7.6;營養肉湯(nutrient broth,NB)培養基:NA配方中不加瓊脂;馬鈴薯葡萄糖瓊脂(potato dextrose agar,PDA)培養基:去皮馬鈴薯200 g,葡萄糖20 g,瓊脂15~20 g,氯霉素0.3 g,蒸餾水1000 mL,自然pH值;馬鈴薯葡萄糖液體(potato dextrose broth,PDB)培養基:PDA配方中不加瓊脂;沙氏葡萄糖肉湯(sabouraud dextrose broth,SDB)培養基:蛋白胨10 g,葡萄糖40 g,蒸餾水1000 mL。以上培養基均在121 ℃滅菌20 min后備用。
MJ-54 A 型滅菌鍋 施都凱儀器設備(上海)有限公司;Airtech SW-CJ-1 FD 型超凈工作臺 蘇州安泰空氣技術有限公司;DVB/CAR/PDMS(50/30 μm)型萃取頭 美國Supelco公司;7890B-5977B型氣相色譜-質譜聯用儀 美國Agilent公司;MJX-250B型霉菌培養箱 上海博訊實業有限公司;SpectraMax i3x型多功能酶標儀 美國Moleculer Devices公司;Quanta FEG250型掃描電子顯微鏡 美國FEI公司;Ni-U型正置熒光微分干涉顯微鏡 尼康儀器(上海)有限公司。
1.3.1 赭曲霉孢子菌懸液制備
用含0.05%(V/V)吐溫80的無菌水沖洗PDA斜面上的赭曲霉孢子,4 層無菌擦鏡紙過濾,調節孢子懸液濃度至1×106個/mL,于4 ℃冰箱保存備用。之后提到的赭曲霉孢子懸液,如無特殊說明,均為按此方法制備的孢子懸液。
1.3.2 PW2所產VC成分鑒定
取1 環PW2斜面菌種接到裝有10 mL NB培養基的頂空瓶中,以相同條件下不接菌的培養基為對照,30 ℃、150 r/min培養3 d。采用固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用技術[21]對PW2菌株所產VC進行成分鑒定。采用峰面積歸一法計算各成分的相對含量。
1.3.3 VC中抑制赭曲霉生長的KAVC篩選
根據VC成分鑒定結果,選取鑒定出的單個成分并購買標準品,采用平板對扣法[22]測定各標準品對赭曲霉生長的抑制作用。平板對扣法的操作為:取5 μL赭曲霉孢子懸浮液接種于PDA平板中央,另一平板中放入含20 μL單個待測化合物的濾紙片,立即用保鮮膜繞皿口3 圈進行密封。以相同條件下不加化合物的處理作為對照。30 ℃恒溫培養箱內培養7 d,對照組的菌落生長完全,便停止培養。觀察記錄平板中赭曲霉的生長情況,測量菌落直徑(cm),按下式計算各標準品對赭曲霉菌落生長的抑制率。對比分析抑制率的高低,找出抑制赭曲霉生長的KAVC。
1.3.4 倍半稀釋法測定KAVC在接觸條件下對赭曲霉的最低抑菌濃度(minimum inhibitory concentration,MIC)
取1 mL赭曲霉孢子懸液加到含有9 mL PDB培養基的錐形瓶中并搖勻,取190 μL加入96 孔板的第1列孔中,第2~9列孔中均加入100 μL,然后在第1列孔中加入KAVC 10 μL,采用倍半稀釋法[23]進行連續稀釋。在第10列孔中加入不含孢子的PDB培養基100 μL,第11列孔中加入含孢子的PDB培養基100 μL,蓋上蓋子用保鮮膜纏繞3 圈封口,置于30 ℃,培養5 d后對照組菌絲正常生長并產孢。在每孔加入1 mg/mL刃天青溶液10 μL,混勻,30 ℃孵育12 h,霉菌生長較多的孔中刃天青藍色褪去,轉變為粉紅色甚至無色。通過目視觀察,將刃天青顏色無明顯變化的孔對應的KAVC的最低濃度定義為MIC值。在后續機理研究的實驗中異辛醇的劑量均基于此實驗結果。
1.3.5 平板對扣法測定KAVC在揮發條件下對赭曲霉的MIC和最低殺菌濃度(minimum bactericidal concentration,MBC)
平板對扣法操作如1.3.3節所述,濾紙片上KAVC添加量設置為0、10、20、30、40、50、60 μL,對應的頂空含量分別為0、56、112、169、225、281 μL/L和337 μL/L(皿內徑為9 cm,高2.8 cm,容積為0.178 L)。30 ℃培養7 d后以肉眼觀察PDA平板上赭曲霉無生長,轉接至新鮮PDA平板上,30 ℃培養5 d后可以恢復生長處理對應的最低濃度為MIC,不能恢復生長處理對應的最低濃度為MBC。
1.3.6 KAVC對赭曲霉產毒的影響
在10 mL PDB培養基中接入100 μL赭曲霉孢子懸液,30 ℃、150 r/min培養48 h后,在無菌條件下加入KAVC,使之劑量分別為0、1/4 MIC、1/2 MIC和MIC,相同條件下繼續培養5 d。培養結束后用Whatman No.1濾紙過濾,采用酶聯免疫吸附法[24-25]測定濾液中OTA的含量。
1.3.7 KAVC抑制赭曲霉生長作用機理分析1.3.7.1 掃描電鏡觀察
用SDB培養基替代1.3.1節無菌水制備含1×107個/mL赭曲霉孢子的SDB培養基,取3 mL加入EP管中,再加入KAVC使之劑量分別為0、1/2 MIC、MIC、2 MIC,于30 ℃、150 r/min培養10 h,將孢子培養物5000×g離心5 min,棄去上清液,收集赭曲霉孢子,通過掃描電鏡[26]觀察KAVC對赭曲霉孢子形態的影響。
1.3.7.2 KAVC對細胞膜完整性的影響
赭曲霉孢子培養方法、KAVC 劑量分別為0、MIC、2 MIC、4 MIC,培養時間為12 h。將孢子培養物5000×g離心5 min,棄去上清液,用磷酸鹽緩沖液洗滌2 次,用5 μg/mL PI對孢子樣品染色,37 ℃、150 r/min孵育30 min,再用磷酸鹽緩沖液洗滌3 次,除去未進入細胞內的PI后,吸取20 μL在干凈的載玻片上,蓋上蓋玻片,用正置熒光微分干涉顯微鏡[27]拍照觀察。
1.3.7.3 麥角甾醇含量的測定
取15 mL赭曲霉孢子懸液加入135 mL PDB培養基中,30 ℃、150 r/min培養3 d,收集菌絲,稱取1 g菌絲球分別放入異辛醇劑量為0、1/4 MIC、1/2 MIC、MIC的無菌水中,于30 ℃、150 r/min培養12 h,過濾,將菌絲球放入試管中,加入5 mL 25 g/100 mL KOH-乙醇溶液,混合3 min,在85 ℃水浴中孵育4 h,冷卻,加入5 mL正庚烷和2 mL無菌水,然后強力旋流攪拌3 min,靜置1 h,取上層正庚烷用掃描分光光度計在230~300 nm范圍內掃描,計算菌絲球中麥角甾醇含量[23]。
式中:A282nm、A230nm分別為樣品在282、230 nm處的吸光度;290和518分別為麥角甾醇和24(28)DHE% 的E值。
1.3.7.4 胞內物質泄漏測定
如1.3.7.3節收集菌絲,稱取1 g菌絲球分別放入異辛醇劑量為0、1/4 MIC、1/2 MIC、MIC的無菌水中,于30 ℃、150 r/min分別培養2、4、6、8 h,過濾,取濾液。用紫外-可見分光光度計[28]分別在260 nm和280 nm波長處檢測吸光度。
每個實驗3 個平行,實驗數據采用Excel軟件整理,并用SPSS Statistics 26對數據進行Duncan檢驗,分析各組數據之間的差異顯著性(P<0.05,差異顯著),用Origin 2021軟件作圖。
PW2所產VC共鑒定出41 種組分(表1),主要有酯、醛、烷烴、醇、酮、酸、烯烴等化合物。所鑒定出揮發性成分中,2-壬酮已被報道可有效抑制水果中灰葡萄孢菌(B.cinerea)等腐敗真菌的生長,且已被作為水果的抗真菌劑使用[29];十二醇能有效防治黃瓜霜霉病(Pseudoperonospora cubensis)[30];異辛醇能降低柑橘采后被指狀青霉(Penicillium digitatum)感染的機率[31];異丁酸可有效抑制尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporumfsp.lactucae)菌絲生長[32]。雖然這些成分已被證明對植物病原菌具有抗霉活性,但其對赭曲霉的抑制作用鮮見報道。選取上述4 種成分和在VC中含量相對較高的2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二異丁酸酯,購買這5 種化合物的標準品進一步研究其對赭曲霉的抑制作用。

表1 PW2所產VC的固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用技術鑒定結果Table 1 SPME-GC-MS identification of VC produced by strain PW2
通過平板對扣法測定5 種化合物標準品對赭曲霉生長的抑制作用,結果如圖1所示。30 ℃培養7 d后,對照組赭曲霉菌落生長正常,十二醇對赭曲霉菌落生長的抑制不顯著(P>0.05),其他4 種化合物對赭曲霉生長都有顯著抑制作用,其中異辛醇對赭曲霉的抑菌活性最強。因此,將異辛醇確定為KAVC并進行下一步的研究。

圖1 不同揮發性化合物處理對赭曲霉菌落形態(A)和菌落直徑、生長抑制率(B)的影響Fig.1 Effects of different volatile compound treatments on colony morphology (A),colony diameter and growth inhibition rate (B) of A.ochraceus
2.3.1 倍半稀釋法測定異辛醇在接觸條件下對赭曲霉的MIC
如圖2所示,能維持刃天青不變色的異辛醇最低劑量為1562.5 μL/L,在此劑量下對應的孔中未見赭曲霉菌絲生長。當劑量低于1562.5 μL/L時,對應孔中指示劑變為淺粉色或無色,肉眼可觀察到孔內有菌絲體長出。因此,接觸條件下異辛醇對赭曲霉生長的MIC為1562.5 μL/L。

圖2 倍半稀釋法測定異辛醇對赭曲霉生長的MICFig.2 Determination of the MIC of isooctanol against A.ochraceus by the sesqui-dilution method
2.3.2 平板對扣法測定異辛醇在揮發條件下測得異辛醇對赭曲霉的MIC和MBC
如圖3A所示,對照皿中赭曲霉正常生長,劑量為56 μL/L的異辛醇處理組赭曲霉有少量生長,而其他處理組中赭曲霉均未見生長,將未見生長的赭曲霉孢子轉接至新鮮PDA平板上培養。轉接后的生長情況如圖3B所示,觀察到112、169、225 μL/L的處理組均恢復生長,而281 μL/L和337 μL/L的處理組均未恢復生長,可知異辛醇對赭曲霉的MIC和MBC分別為112 μL/L和281 μL/L。


圖3 平板對扣法測定異辛醇對赭曲霉生長的MIC(A)和MBC(B)Fig.3 Determination of MIC (A) and MBC (B) of isooctanol against A.ochraceus by plate buckling method
由圖4可知,與對照組相比,各處理組的OTA產量均顯著降低(P<0.05)。當異辛醇劑量為MIC時,赭曲霉產生OTA量最低,與對照組相比其抑制率為23.67%。異辛醇可以有效降低OTA的產生,其抑制率隨異辛醇劑量增加而增高。

圖4 不同劑量異辛醇處理對赭曲霉產OTA的抑制作用Fig.4 Inhibitory effects of different doses of isooctanol on the production of ochratoxin A by A.ochraceus
2.5.1 異辛醇對赭曲霉孢子形態的影響
由圖5可知,未經異辛醇處理的赭曲霉孢子形態完整、表面光滑,而經異辛醇處理后部分孢子出現凹陷,隨著異辛醇劑量的增加出現凹陷孢子增多,凹陷程度也在增加,且當異辛醇為2 MIC時孢子還出現干癟,褶皺的現象。推測可能是異辛醇處理導致孢子內容物流失,從而在外形上出現干癟和凹陷。

圖5 不同劑量異辛醇處理對赭曲霉孢子形態的影響(×20000)Fig.5 Effects of different doses of isooctanol on the morphology of A.ochraceus spores (× 20000)
2.5.2 異辛醇對細胞膜完整性的影響
PI是一種核酸染料,不能透過正常完整的細胞膜,當細胞膜破損時,PI能透過破損的細胞膜繼而與DNA結合產生紅色熒光,從而用于檢測細胞膜的完整性[33]。如圖6所示,明場下觀察,對照組的孢子體積明顯膨大,而異辛醇處理組的孢子未出現體積膨大;暗場下觀察,對照組孢子沒有產生紅色熒光,而異辛醇處理組產生紅色熒光,還觀察到異辛醇劑量為4 MIC時大量孢子被異辛醇包裹著且產生紅色熒光。結果說明異辛醇處理后的赭曲霉孢子細胞膜完整性喪失。

圖6 不同劑量異辛醇對赭曲霉孢子細胞膜完整性的影響Fig.6 Effects of different doses of isooctanol on cell membrane integrity of A.ochraceus spores
2.5.3 異辛醇對赭曲霉麥角甾醇含量的影響
麥角甾醇是真菌中一種獨特的甾醇,是細胞膜的主要成分,主要保持細胞完整性和膜流動性[34]。如圖7所示,與對照組相比較,在1/4 MIC、1/2 MIC和MIC的異辛醇作用下各處理組赭曲霉的麥角甾醇含量分別降低了42.68%、65.08%和65.40%。說明異辛醇導致赭曲霉細胞膜中麥角甾醇含量降低,細胞膜的結構和功能受到破壞。這與2.5.2節中PI染色的觀察結果一致。


圖7 不同劑量異辛醇對赭曲霉的麥角甾醇紫外吸收圖譜(A)及 含量(B)的影響Fig.7 Effects of different doses of isooctanol on the ultraviolet spectrum (A) and content (B) of ergosterol from A.ochraceus
2.5.4 異辛醇對赭曲霉胞內物質泄漏的影響
如圖8所示,隨處理時間的延長,培養液中的核酸和蛋白含量均增加,且處理組與對照組之間差異也隨著時間的延長而逐漸顯著(P<0.05)。說明異辛醇對赭曲霉核酸和蛋白泄漏情況受處理時間的影響,且其作用效果存在劑量依賴性。異辛醇可能通過改變細胞膜的通透性[22],使赭曲霉的核酸和蛋白泄漏,從而導致赭曲霉的生長被抑制。

圖8 不同劑量異辛醇處理不同時間對赭曲霉核酸(A)和蛋白(B)泄漏的影響Fig.8 Effects of different doses of isooctanol on nucleic acid (A) and protein leakage (B) from A.ochraceus at different treatment times
本研究結果表明枯草芽孢桿菌PW2所產具有抗霉活性的VC中含有酯、醛、烷烴、醇、酮、酸、烯烴類等41 種成分,從這些成分中初步篩選出5 種單體化合物,購買其標準品并測定它們對赭曲霉的抗霉活性,發現異辛醇對赭曲霉的抗霉活性最強。異辛醇,又名2-乙基己醇,是GB 2760—2014《食品添加劑使用標準》中允許使用的一種食品用合成香料。異辛醇還作為一種風味物質廣泛存在于小麥面包[35]、初榨橄欖油[36]、白酒大曲[37]和發酵泡菜[38]等食品中。亞慢性吸入毒性研究表明,質量濃度為120 mg/L的異辛醇對實驗大鼠在體質量、死亡率、器官質量、臨床生化和血液學參數方面均未觀察到不良反應[39]。早在2009年就有研究報道了芽孢桿菌產生的異辛醇可以完全抑制黃瓜菌核病菌的菌絲生長[40],后續也有研究表明異辛醇可以參與植物生長調控及病害防治[41],可以防治甘蔗的紅腐病[42],還能抑制草莓灰霉病菌的分生孢子萌發和菌絲生長[43]。最近研究發現水稻根際細菌釋放的包含異辛醇在內的VC對引起水稻紋枯病的病原菌生長有抑制作用[44]。說明異辛醇具有抗真菌活性和值得信賴的安全性,其揮發性質易于擴散到食物中,有望成為食物防霉的新資源,但其抗霉的作用機制還有待研究。
本研究測得異辛醇對赭曲霉有顯著抗菌活性,且呈劑量依賴關系,不管是在揮發條件下還是接觸條件下,赭曲霉的生長隨著異辛醇劑量的增高而逐漸被抑制。異辛醇在接觸條件下對赭曲霉的MIC值遠高于揮發條件。這一結果與有些研究結果一致,Li Yanjun等[45]在研究山蒼子精油對黃曲霉的抑制實驗中發現,在揮發條件下抑制菌絲生長和黃曲霉毒素B1合成所需要的用量比接觸條件下低;Wang Yanzhen等[46]發現,橙花醇在揮發條件下對黑曲霉菌絲生長的抑制效果大于接觸條件;Niu Ajuan等[47]也發現肉桂醛在揮發條件下的MIC遠小于接觸條件。異辛醇在揮發條件下對赭曲霉生長的MIC值為112 μL/L,與互葉白千層精油(2.5 mL/L)[48]和檸檬醛(200 μL/L)[49]對赭曲霉生長的MIC值相比較,異辛醇對赭曲霉生長的MIC值低得多。因此與直接加入原料中相比,揮發條件下的抑制效果更好,異辛醇更適合以熏蒸劑的形式使用。使用熏蒸處理是防止食品腐敗的理想方法,快速有效,而且殘留少[47]。
本研究異辛醇處理后的赭曲霉孢子外形出現干癟和凹陷,赭曲霉細胞膜完整性被破壞,麥角甾醇含量降低以及胞內物質泄露均可推測異辛醇對赭曲霉的作用機制可能是與破壞其細胞膜有關[50-51],目前的研究報道中丙酮酸乙酯通過破壞草酸青霉(Penicillium oxalicum)孢子的細胞膜結構從而抑制草酸青霉的生長[52];橙花醇對黑曲霉(A.niger)的抑制研究表明,橙花醇抑制了黑曲霉麥角甾醇的合成,從而破壞了黑曲霉的膜完整性,引起膜的通透性發生變化,導致細胞死亡[46];ε-聚-L-賴氨酸可通過降解擴展青霉菌(P.expansum)孢子的細胞壁,破壞細胞膜的完整性,導致大量細胞物質泄露,進而減少或抑制孢子萌發和菌絲生長[53]。異辛醇作為親脂性化合物可能會聚集在細胞膜上,可以推測異辛醇很可能與細胞膜的磷脂雙分子層結合,破壞細胞膜的正常結構及功能[46],從而影響赭曲霉正常生長和代謝并殺死赭曲霉。
由于VC具有高揮發性在應用中會受到限制,目前對VC用于防霉的應用研究中基本是將VC包埋在載體上,有將精油通過殼聚糖納米乳劑的包埋[54],有將反式肉桂醛、甲基丁香酚和雌二醇等VC復合包埋在殼聚糖納米生物聚合物中[55],也有將茴香精油包埋在殼聚糖納米聚合物中[56],提高VC的穩定性和有效性以應用于食品防腐。
枯草芽孢桿菌PW2所產具有抗霉活性的VC中異辛醇對赭曲霉生長抑制作用最強,異辛醇作為熏蒸劑使用時具有更低的MBC,其抑殺赭曲霉的作用機理與破壞細胞膜完整性有關。目前還鮮見對于異辛醇應用于防霉的研究,而異辛醇作為VC,具有高揮發性和不穩定性,后續研究可以將其采用納米包埋的方式,提高異辛醇的穩定性和有效性,以此開發安全、高效的新型防霉熏蒸劑。異辛醇用于食品熏蒸防霉其殘留量、安全性及系統的抗霉機理等問題有待進一步研究探討。