水產(chǎn)品中微生物相互作用機(jī)制研究進(jìn)展

錢韻芳，林 婷

(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

我國(guó)是水產(chǎn)品生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，自20世紀(jì)90年代以來，水產(chǎn)品總量一直位居世界第一，至2018年，全國(guó)水產(chǎn)品總產(chǎn)量達(dá)6 457.7萬t[1]。水產(chǎn)品是優(yōu)質(zhì)蛋白的重要來源，不僅肩負(fù)著增加人類食物資源的重任，更擔(dān)負(fù)著提高人類健康水平的使命。中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的報(bào)告指出，與肉類相比，水產(chǎn)品是一種更有效的蛋白質(zhì)來源，具有額外的飲食益處。中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在《2018—2027年農(nóng)業(yè)展望》中預(yù)測(cè)，中國(guó)的水、海產(chǎn)品每年消費(fèi)量將增加到人均25 kg，城市地區(qū)的消費(fèi)量將增加到人均30 kg[2]。然而，水產(chǎn)品因具有高水分、高蛋白等特點(diǎn)，在貯運(yùn)過程中極易受到微生物侵染而發(fā)生腐敗變質(zhì)[3]，且該腐敗變質(zhì)過程往往是多種微生物共同作用的結(jié)果[4]。本文中，筆者闡述水產(chǎn)品中常見腐敗微生物，探討微生物之間相互作用及其對(duì)水產(chǎn)品腐敗的影響，回顧相關(guān)保鮮技術(shù)的研究現(xiàn)狀，以期加深對(duì)微生物相互作用關(guān)系的認(rèn)識(shí)，為水產(chǎn)品新型保鮮技術(shù)的開發(fā)提供參考。

1 水產(chǎn)品中的主要腐敗微生物

貯藏水產(chǎn)品的方式有很多種，最常用的就是低溫貯藏，因?yàn)榈蜏乜梢钥刂莆⑸锏纳L(zhǎng)繁殖和抑制酶的活性[5-7]，但是仍然有部分微生物能在低溫下生長(zhǎng)。在一定條件下生長(zhǎng)繁殖成為優(yōu)勢(shì)菌群并代謝產(chǎn)生腐敗產(chǎn)物、最終導(dǎo)致食品腐敗變質(zhì)的微生物即特定腐敗菌(SSO)[8-9]。低溫冷藏水產(chǎn)品中常見腐敗微生物主要有假單胞菌屬(Pseudomonas)、希瓦氏菌屬(Shewanella)、肉食桿菌屬(Carnobacterium)、沙雷氏菌(Serratia)、發(fā)光桿菌(Photobacterium)等，但不同水產(chǎn)品來源的適冷菌種類和數(shù)量差異顯著，與其種類、貯藏條件、原料來源等因素有關(guān)(表1)[10-11]。微生物菌群結(jié)構(gòu)測(cè)定結(jié)果還有可能受到檢測(cè)方法的局限和影響。通常來說傳統(tǒng)分離鑒定方法可能無法檢測(cè)到活的不可培養(yǎng)狀態(tài)的細(xì)菌，而近年來借助高通量測(cè)序等基于16S rRNA的現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用，使得人們對(duì)水產(chǎn)品中的優(yōu)勢(shì)腐敗菌及其菌群結(jié)構(gòu)有了更全面的認(rèn)識(shí)。但高通量測(cè)序技術(shù)等現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)同樣存在不能幫助分離菌株，無法區(qū)分活菌和死菌導(dǎo)致豐度偏高等問題[12-13]，因此建議結(jié)合兩種或兩種以上的分析技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

2 腐敗微生物對(duì)水產(chǎn)品品質(zhì)的影響

研究表明在水產(chǎn)品貯藏后期，其腐敗變質(zhì)主要由微生物活動(dòng)所引起[33]。微生物對(duì)水產(chǎn)品產(chǎn)生的影響主要?dú)w納為3個(gè)方面：①微生物代謝產(chǎn)生的蛋白酶、酯酶等分解水產(chǎn)品中的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致肌肉質(zhì)構(gòu)特性及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的改變[30-32]；②微生物形成被膜等物質(zhì)，導(dǎo)致水產(chǎn)品發(fā)黏；③微生物進(jìn)一步代謝氨基酸、寡肽產(chǎn)生H2S、三甲胺(TMA)、腐胺、尸胺等小分子揮發(fā)性氣味物質(zhì)[30]，其中異味物質(zhì)的形成是微生物介導(dǎo)的水產(chǎn)品品質(zhì)下降的主要因素。不同微生物對(duì)水產(chǎn)品氣味的形成影響不盡相同[3]。Jaffrès等[34]研究了單獨(dú)接種6種腐敗菌的去殼熟蝦氣味成分變化情況，發(fā)現(xiàn)熱死環(huán)絲菌(B.thermosphacta)產(chǎn)生酸奶酪味，液化沙雷氏菌(S.liquefaciens)貢獻(xiàn)爛卷心菜樣氨臭味，而麥芽肉食桿菌(C.maltaromaticum)使蝦產(chǎn)生了酸奶酪黃油的氣味。劉愛芳等[35]研究了假單胞菌(Pseudomonasspp.)、不動(dòng)桿菌(Acinetobacterspp.)和熱死環(huán)絲菌(B.thermosphacta)對(duì)冷藏金槍魚品質(zhì)的影響，結(jié)果表明假單胞菌的蛋白酶水解、腐敗產(chǎn)物揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)的產(chǎn)生能力強(qiáng)于其他兩株菌。畢偉偉等[36]對(duì)比研究了波羅的海希瓦氏菌(S.baltica)和殺鮭氣單胞菌(A.salmonicida)分別接種于滅菌魚汁中的TVB-N產(chǎn)量情況，發(fā)現(xiàn)波羅的海希瓦氏菌具有更強(qiáng)的致腐敗能力。黃佳奇等[37]分別對(duì)冷藏小黃魚3種優(yōu)勢(shì)腐敗菌致腐能力進(jìn)行評(píng)價(jià)并對(duì)其對(duì)揮發(fā)性成分分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)希瓦氏菌屬(S.glacialipiscicola)產(chǎn)生的氣味物質(zhì)量最大，致腐能力與變形桿菌屬(P.hauseri)相當(dāng)，均強(qiáng)于普羅威斯登菌屬(P.heimbachae)。Qian等[38]對(duì)比分析接種腐敗希瓦氏菌、氣單胞菌和肉食桿菌的南美白對(duì)蝦品質(zhì)變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，腐敗希瓦氏菌更容易產(chǎn)生硫臭味，對(duì)蝦品質(zhì)劣變起主要作用。這些文獻(xiàn)報(bào)道側(cè)重單一腐敗菌對(duì)水產(chǎn)品品質(zhì)的影響，然而在實(shí)際冷藏過程中，水產(chǎn)品的品質(zhì)變化則可能受到多種微生物的共同作用。

表1 水產(chǎn)品中常見的特定腐敗菌Table 1 Specific spoilage organisms of different aquatic products in different situation

3 微生物之間的相互作用與群體感應(yīng)

李婷婷等[39]研究發(fā)現(xiàn)腐敗希瓦氏菌(S.putrefaciens)與蜂房哈夫尼亞菌(H.alvei)共培養(yǎng)可明顯加速無菌大菱鲆魚塊的腐敗變質(zhì)。S.putrefaciens與假單胞菌同樣存在相互促進(jìn)作用并加速蝦汁中腐敗代謝產(chǎn)物的生成[40]，還能促進(jìn)溫和氣單胞菌(A.sobria)的生長(zhǎng)和代謝[41]。Mejlholm等[42]將肉桿菌(C.maltaromaticum)和熱死環(huán)絲菌(B.thermosphacta)混合接菌，對(duì)蝦上產(chǎn)生了單一接菌組所沒有的腐敗異味物質(zhì)，說明微生物間的相互作用對(duì)食品氣味的形成具有重要影響[43]。這些研究說明這幾種微生物之間存在促進(jìn)作用，共培養(yǎng)下加速了水產(chǎn)品腐敗進(jìn)程。

另一些微生物相互組合混合培養(yǎng)后則可能產(chǎn)生拮抗作用。Nadell等[44]提到熒光假單胞菌(P.fluorescens)分泌胞外被膜等物質(zhì)有助于提高其在菌群中的競(jìng)爭(zhēng)力。Jahid等[45]研究表明銅綠假單胞菌和熒光假單胞菌在不影響自身生物膜形成能力的情況下，能夠抑制嗜水氣單胞菌在蟹體表面的生物膜形成。南美白對(duì)蝦中篩選出的腐敗希瓦氏菌(S.putrefaciens)對(duì)嗜水氣單胞菌(A.hydrophila)也有微弱的拮抗作用[42]。這種通過產(chǎn)生對(duì)抗性代謝物，如有機(jī)酸或者細(xì)菌素等物質(zhì)可對(duì)其他物種產(chǎn)生非特異性競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象的抑制作用被稱為“詹姆遜效應(yīng)”[46-49]。

細(xì)菌之間的相互作用還可能與群體感應(yīng)(QS)[50-51]現(xiàn)象有關(guān)。群體感應(yīng)是細(xì)菌通過感知外界環(huán)境或菌群濃度的變化，自發(fā)產(chǎn)生和釋放一些特定的信號(hào)分子，從而完成細(xì)胞與細(xì)胞間的交流、調(diào)節(jié)微生物群體行為的一種方式[50]。研究發(fā)現(xiàn)，群體感應(yīng)現(xiàn)象廣泛存在，革蘭氏陽性(G+)和陰性(G-)細(xì)菌都可以進(jìn)行種內(nèi)和種間交流，從而監(jiān)測(cè)種群密度和調(diào)節(jié)基因表達(dá)[51-52]。細(xì)菌種內(nèi)和種間交流需要通過QS信號(hào)分子實(shí)現(xiàn)，而不同種類細(xì)菌的QS信號(hào)分子各不相同，根據(jù)其結(jié)構(gòu)大致可分為5類：①N-酰基-高絲氨酸內(nèi)酯(AHLs)類信號(hào)分子，常見于G-菌中；②修飾的寡肽類化合物(AIPS)，常見于G+菌；③呋喃酰硼酸二酯(furanosylborate diester)，自誘導(dǎo)物AI-2，G+菌和G-菌中均有存在；④環(huán)肽類化合物(DKPs)[53]；⑤其他信號(hào)分子，如擴(kuò)散信號(hào)因子(DSFs)、4-羥基-2-烷基喹啉類(HAQs)、羥基-棕櫚酸甲酯PAME等[3]。近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者從大黃魚、大菱鲆、南美白對(duì)蝦等腐敗水產(chǎn)品都檢測(cè)到了QS信號(hào)分子[54-58]。通過對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)情況的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)QS信號(hào)分子不僅影響了其生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)[59]，促進(jìn)被膜生成[60]，還可加快水產(chǎn)品的腐敗進(jìn)程[32,61]，進(jìn)一步證實(shí)QS對(duì)水產(chǎn)品的腐敗變質(zhì)可產(chǎn)生影響。

4 微生物拮抗作用及QS抑制劑在水產(chǎn)品保鮮中的應(yīng)用

利用微生物菌群相互作用的原理，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者探索了相關(guān)生物保鮮方法，并將其應(yīng)用到水產(chǎn)品保鮮中。謝晶等[62]研究發(fā)現(xiàn)溫和氣單胞菌(A.sobria)與嗜水氣單胞菌(A.hydrophila)和P.fluorescens培養(yǎng)液上清(CFS)對(duì)腐敗希瓦氏菌(S.putrefaciens)生長(zhǎng)及腐敗產(chǎn)物累積的抑制效果更明顯，Ye等[63]進(jìn)一步研究表明A.sobria的CFS能夠延緩冷鏈物流過程中溫度變化對(duì)南美白對(duì)蝦品質(zhì)的劣變作用。Zhao等[64]研究發(fā)現(xiàn)熒光假單胞菌(P.fluorescens)培養(yǎng)液上清CFS可以抑制波羅的海希瓦氏菌(S.baltica)生物被膜的增長(zhǎng)、三甲胺和生物胺的累積，對(duì)CFS成分測(cè)定發(fā)現(xiàn)其中含有多種QS信號(hào)分子，其中AHLs對(duì)S.baltica的生長(zhǎng)起抑制作用，而DKPs則促進(jìn)腐敗。Jahid等[45]的研究同樣發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌和熒光假單胞菌對(duì)嗜水氣單胞菌在蟹體表面的生物膜形成的抑制作用與群體感應(yīng)效應(yīng)有關(guān)。這些研究說明：一方面，細(xì)菌可釋放QS信號(hào)分子，通過菌群間信息交流促進(jìn)水產(chǎn)品的腐?。涣硪环矫?，一些細(xì)菌釋放的QS信號(hào)分子通過抑制其他競(jìng)爭(zhēng)者微生物的生長(zhǎng)使其能夠占據(jù)種群的生存優(yōu)勢(shì)。這種微生物種間拮抗特性有望被進(jìn)一步開發(fā)利用，形成用于食品的防腐保鮮生物拮抗保鮮劑，而目前研究開發(fā)相對(duì)較多的生物防腐劑僅以乳酸菌為主[65-67]。

此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也在嘗試通過干預(yù)特定微生物的QS系統(tǒng)，阻礙微生物之間的“信息交流”，從而達(dá)到降低危害因子的表達(dá)水平或延緩腐敗的目的，即群體感應(yīng)淬滅(QQ)[68]，能夠起到該作用效果的物質(zhì)被稱為群體感應(yīng)抑制劑(QSI)。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了各種具有潛在活性的天然或合成的群體感應(yīng)抑制劑[69-70]，其中也發(fā)現(xiàn)部分微生物能夠釋放QSI，部分具有代表性的化合物如表2所示。

表2 幾種具有代表性的群體感應(yīng)抑制劑Table 2 Representative studies on natural QSI molecules against spoilage microorganisms

目前有關(guān)微生物的QSI的研究還處于初期階段，一些細(xì)菌產(chǎn)生的QSI可能僅對(duì)另一些特定物種起到抑制作用，其具體機(jī)制還有待進(jìn)一步研究確認(rèn)。

5 結(jié)語與展望

水產(chǎn)品作為一種成分復(fù)雜的基體，其腐敗變質(zhì)往往是多因素共同作用的結(jié)果，尤其是微生物間的相互作用對(duì)水產(chǎn)品腐敗氣味的產(chǎn)生和有害物質(zhì)生成等具有極為重要的影響。近年來隨著微生物生態(tài)學(xué)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用，水產(chǎn)品腐敗過程中菌群組成和演替規(guī)律逐漸被揭示，優(yōu)勢(shì)腐敗菌之間的相互作用也越來越受到重視。

然而，從目前已有的相關(guān)研究可知，水產(chǎn)品微生物群落多樣，微生物間的相互作用關(guān)系復(fù)雜，受到代謝產(chǎn)物的相互利用、營(yíng)養(yǎng)素競(jìng)爭(zhēng)、群體感應(yīng)等多個(gè)方面因素影響，且具體機(jī)制尚不明確。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)、組學(xué)等技術(shù)的不斷成熟，未來對(duì)于微生物相互作用機(jī)制有望得到更加深入的研究。這將有助于加深對(duì)水產(chǎn)品腐敗變質(zhì)發(fā)生過程及群體微生物功能的認(rèn)識(shí)，為推動(dòng)水產(chǎn)品抑菌保鮮及品質(zhì)控制技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。