基于MALDI-TOF MS技術(shù)快速檢測產(chǎn)嘔吐毒素蠟樣芽胞桿菌

陳楷，黃志深，曾羲，雷燕，林秀敏，蔣佳希，陳賢馳，肖劍

（廣州市食品檢驗所，廣東廣州 511400）

蠟樣芽胞桿菌作為食品中重要防控的致病菌之一，也是食源性疾病中常見的條件致病菌。研究發(fā)現(xiàn)，蠟樣芽胞桿菌在即食肉制品、乳制品及各種生鮮食品中均有一定的檢出率，其中最為典型的是米面制品，作為主要污染源的濕粉類食品，蠟樣芽胞桿菌檢出率達到43.17%[1]。據(jù)統(tǒng)計，環(huán)境中的蠟樣芽胞桿菌僅有1%～2%的菌株會產(chǎn)生嘔吐毒素[2]，但在食品和臨床樣品中產(chǎn)嘔吐毒素菌株的流行率卻高達32.8%[3]。

蠟樣芽胞桿菌嘔吐毒素（Cereulide，以下簡稱嘔吐毒素）的結(jié)構(gòu)為[D-O-Leu-D-Ala-D-O-Val-D-Val]3，如圖1，是一種十二環(huán)形多肽，分子量為1,153.38 u[4,5]，由位于巨質(zhì)粒上的ces基因簇（Cereulide Synthetase Gene Cluster）編碼的非核糖體肽合成酶（Networked Robot Perceptual System，NRPS）合成的，該毒素由攜帶ces基因的菌株在食物中預先產(chǎn)生且非常穩(wěn)定，進入人體后在胃中與其受體結(jié)合，導致嘔吐反應(yīng)[6]。目前，國內(nèi)蠟樣芽胞桿菌的檢測方法是GB 4789.14-2014《食品安全國家標準食品微生物學檢驗蠟樣芽胞桿菌檢驗》[7]，該方法只進行蠟樣芽胞桿菌的鑒定，無法區(qū)分菌株是否產(chǎn)嘔吐毒素，而區(qū)分該菌株的方法通常用聚合酶鏈反應(yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）檢測[8]，通過檢測菌株是否攜帶ces基因進行辨別，但無法確定嘔吐毒素是否產(chǎn)生，要測定嘔吐毒素生成量還需通過液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等儀器進行檢測[9]，前處理復雜、基質(zhì)效應(yīng)大?；|(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜（Matrix Assisted Laser Desorption Ionization Time Of Flight Mass Spectrometry，MALDI-TOF MS）技術(shù)被廣泛運用于微生物鑒定，該技術(shù)通過高度復雜的統(tǒng)計軟件自動生成實驗結(jié)果，具有快速便捷、操作相對簡單、運行成本低等特點[10]。目前，Ulrich 等[11]通過MALDI-TOFMS 測量700～3 500 u 質(zhì)量范圍內(nèi)的蛋白，確定了嘔吐毒素的兩個特定生物特征峰分別為m/z1 171 和m/z1,187，Doellinger 等[12]在MALDI-TOF MS 反射模式下測得嘔吐毒素的鈉和鉀加合物信號峰為m/z1 175（[M+Na]+）和m/z1 191（[M+K]+），MALDI-TOF MS 在檢測產(chǎn)嘔吐毒素蠟樣芽胞桿菌方面的潛力得到了檢驗。

圖1 嘔吐毒素的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of cereulide

但由于嘔吐毒素的合成不僅受細菌內(nèi)部基因的調(diào)控，還受所在環(huán)境因素的影響，研究顯示，蠟樣芽胞桿菌合成嘔吐毒素的最適溫度為20～30 ℃[13]。此外，營養(yǎng)條件、pH 值、濕度和NaCl 等也會影響嘔吐毒素的產(chǎn)生[14,15]。為此，本研究通過對嘔吐毒素標準品進行分析，對特征峰進行定位并測定其靈敏度，評估國內(nèi)常用于培養(yǎng)蠟樣芽胞桿菌不同培養(yǎng)基和其他條件之間檢測結(jié)果的差別，優(yōu)化實驗方案，并采用已確定含有ces基因型的蠟樣芽胞桿菌菌株進行方法特異性驗證，建立一種能簡單、快速、高通量直接進行產(chǎn)嘔吐毒素蠟樣芽胞桿菌的鑒別方法，為食品中病原微生物靶標性監(jiān)測和食品安全事件應(yīng)急檢驗提供一種快捷鑒別技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗用菌株

蠟樣芽胞桿菌標準菌株（CICC 10352）、蕈狀芽胞桿菌標準菌株（CICC 21473），來自于中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心（CICC）；蘇云金芽胞桿菌標準菌株（ATCC 10792），來自于廣東環(huán)凱微生物科技有限公司；49 株野生蠟樣芽胞桿菌菌株[16]（編號BC-1～49，其中BC-43、49 攜帶ces基因，實驗室分離）。

1.1.2 主要試劑

嘔吐毒素標準品，荷蘭Chiralix 公司；甘露醇卵黃多黏菌素瓊脂（Mannitol Yolk Polymyxin Agar Base，MYP）、胰酪胨大豆羊血瓊脂平板（Trypticase Soy Sheep Blood Agar Plate，TSSB）、胰酪大豆胨瓊脂（Tryptic Soytone Agar，TSA），廣東環(huán)凱微生物科技有限公司；乙腈（色譜純），德國Meker 公司；甲酸（色譜純），美國Fisher Scientific 公司；三氟乙酸（色譜純），美國Sigma-Aldrich 公司；α-氰基-4-羥基肉桂酸（α-Cyano-4-hydroxycinnamic acid，HCCA）、Bacterial Test Standard，德國Bruker 公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜儀（Ultrafle Xtreme），德國Bruker 公司；生化培養(yǎng)箱，賓德環(huán)境試驗設(shè)備（上海）有限公司；生物安全柜，賽默飛世爾（上海）有限公司；高壓滅菌器，致微（廈門）儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 嘔吐毒素標準品的檢測

將嘔吐毒素標準品（2 mg）用純乙腈溶解后定容至200 μg/mL 制成標準儲備液，用φ=75%乙醇進行梯度稀釋，分別制備10、5、1、0.1、0.01 μg/mL 的稀釋液，從這些稀釋液中分別吸取1 μL 至MTP 384 靶板上，在室溫下風干，覆蓋1 μL 基質(zhì)HCCA，待基質(zhì)干燥后進行MALDI-TOF MS 檢測。

1.3.2 不同培養(yǎng)條件菌株的檢測

依據(jù)GB 4789.14[7]中蠟樣芽胞桿菌分離鑒定使用的培養(yǎng)基及培養(yǎng)溫度，將攜帶ces基因的蠟樣芽胞桿菌菌株分別接種到TSA、TSSB 和MYP 三種培養(yǎng)基平板，并將每種培養(yǎng)基平板分別放置于30 ℃和36 ℃條件下進行培養(yǎng)，分別培養(yǎng)12、18、24 和48 h 后用1 μL的一次性接種環(huán)直接從培養(yǎng)基中挑取典型菌落，均勻的涂抹到MTP 384 靶板上，用1 μL 體積分數(shù)70%甲酸覆蓋菌苔，在室溫下風干，再覆蓋1 μL 基質(zhì)HCCA，待基質(zhì)干燥后上機進行MALDI-TOF MS 檢測。

根據(jù)試驗要求，試驗指標為特征峰的響應(yīng)值，不考慮交互作用，試驗因素水平如表1，其中因素A 為四水平，而因素B、C 由于受試驗條件的限制，分別只取二水平和三水平，為此把因素B 虛擬二個水平，因素C 虛擬一個水平，虛擬結(jié)果相當于把L16(43)表2作了改造，第2 列為1→1，2→2，3→1，4→2，第三列為1→1，2→2，3→3，4→1，通過正交試驗對結(jié)果進行極差分析。

表1 因素水平表Table 1 Factor level table

表2 試驗方案Table 2 Test scheme

1.3.3 方法特異性檢驗

將實驗室現(xiàn)有的49 株蠟樣芽胞桿菌野生菌株（其中2 株含ces基因）和標準菌株蠟樣芽胞桿菌（CICC 10352）、蕈狀芽胞桿菌（CICC21473）、蘇云金芽胞桿菌（ATCC10792），使用1.3.2 的最優(yōu)培養(yǎng)條件培養(yǎng)后，用1 μL 的一次性接種環(huán)直接從培養(yǎng)基中挑取典型菌落，均勻的涂抹到MTP 384 靶板上，用1 μLφ=70%甲酸覆蓋菌苔，在室溫下風干，再覆蓋1 μL 基質(zhì)HCCA，待基質(zhì)干燥后上機進行MALDITOF MS 檢測。

1.3.4 質(zhì)譜條件

正離子反射模式；檢測范圍：700～3 500 u；激光強度：30%；激光點擊數(shù)：每圖譜200 次（8 次激光累積）；激光頻率；2 000.0 Hz；離子源加速電壓：20 kV；采用速率：5.00 GS/s。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1K值和k值的計算

以第一列A 因素為例：

K1=x3+x5+x8+x15

K2=x1+x7+x10+x14

K3=x4+x6+x11+x16

K4=x2+x9+x12+x13

ki=

式中：

Ki——各因素同一水平之和；

i——第i個水平；

ki——各因素同一水平的平均值；

n——該水平的總試驗數(shù)。

1.4.2 極差R的計算

R=max(ki)-min(ki)

式中：

R——該因素在其取值范圍內(nèi)試驗指標變化的幅度。

2 結(jié)果與討論

2.1 嘔吐毒素標準品的檢測結(jié)果

分別吸取1 μL 質(zhì)量濃度為10、5、1、0.1、0.01 μg/mL的嘔吐毒素標準溶液進行MALDI-TOF MS 檢測，試驗結(jié)果如圖2所示，每個濃度均可以檢測到嘔吐毒素相應(yīng)m/z值為1 175 的[M+Na]+和1 191 的[M+K]+加合物特征峰，峰高響應(yīng)值均大于104，檢驗結(jié)果與Doellinger等[12]在MALDI-TOF MS反射模式下測得的嘔吐毒素鈉和鉀加合物信號峰位置和響應(yīng)值結(jié)果一致，均檢測到響應(yīng)值大于104的m/z值為1 175 [M+Na]+和m/z值為1 191 [M+K]+。Ulrich 等[11]在線性正模式下測得嘔吐毒素的兩個特征峰為m/z1 171 和1 187，最高響應(yīng)值均大于104，但因儀器和檢測模式條件不同，故特征峰出峰位置存在一定差異。

本次檢驗結(jié)果中，在最低質(zhì)量濃度0.01 μg/mL 的稀釋液1 μL 中仍可以檢測到相應(yīng)的加合物特征峰，響應(yīng)值大于104，說明該方法具有較高的檢測靈敏度，達到0.01 μg/mL。Ulrich 等[11]使用MALDI-TOF/TOF MS（Bruker Daltonics Gmbh）在線性正模式（m/z800～1 800）下，對不同濃度的嘔吐毒素標準溶液測量的檢出限為1.0 μg/mL；Doellinger 等[12]使用MALDITOF/TOF MS 在正離子反射模式（m/z700～3 500）下，對不同濃度的嘔吐毒素標準溶液測量精密度的為0.25 ng，均低于本次試驗結(jié)果的靈敏度0.01 μg/mL。將各個質(zhì)量濃度的嘔吐毒素特征峰響應(yīng)值與質(zhì)量濃度做折線圖，如圖2所示，從趨勢線上看，兩個嘔吐毒素特征峰m/z值為1 175 [M+Na]+和m/z值為1 191[M+K]+的響應(yīng)值與標準溶液濃度梯度不成線性關(guān)系，這也反映了MALDI-TOF MS 在定量檢測方面存在一定的局限性。

圖2 嘔吐毒素標準品的濃度曲線(n=2)Fig.2 Concentration curve of cereulide standard (n=2)

2.2 不同培養(yǎng)條件的檢測結(jié)果

通過表2的試驗方案進行16 次試驗，檢測分析結(jié)果如表3所示。其中，K為第j列因素m 水平所對應(yīng)的試驗指標和，k為K的平均值。由k的大小可以判斷第j列因素優(yōu)水平和優(yōu)組合。故在m/z1 175 因素A（培養(yǎng)時間）的優(yōu)水平：k4＞k1＞k3＞k2，因素B（培養(yǎng)溫度）的優(yōu)水平：k1＞k2，因素C（培養(yǎng)基）的優(yōu)水平：k1＞k2＞k3，優(yōu)組合為A4B1C1，即MYP 培養(yǎng)基30 ℃培養(yǎng)48 h 的培養(yǎng)物；在m/z1 191 因素A（培養(yǎng)時間）的優(yōu)水平：k1＞k4＞k2＞k3，因素B（培養(yǎng)溫度）的優(yōu)水平：k1＞k2，因素C（培養(yǎng)基）的優(yōu)水平：k1＞k2＞k3，優(yōu)組合為A1B1C1，即MYP 培養(yǎng)基30 ℃培養(yǎng)12 h 的培養(yǎng)物。

R為第j列因素的極差，反映了第j列因素水平波動時，試驗指標的變動幅度。R越大，說明該因素對試驗指標的影響越大。因此，根據(jù)表3中極差R的大小，判斷本次試驗各因素的影響主次順序分別是m/z1 175：因素A（培養(yǎng)時間）＞因素C（培養(yǎng)基）＞因素B（培養(yǎng)溫度）；m/z1 191：因素C（培養(yǎng)基）＞因素B（培養(yǎng)溫度）＞因素A（培養(yǎng)時間）。

表3 試驗結(jié)果及極差分析Table 3 Test results and range analysis

以上對m/z1 175 響應(yīng)值和m/z1 191 響應(yīng)值兩項指標單獨分析出的優(yōu)化條件中，除了因素A（培養(yǎng)時間）不一致，因素B（培養(yǎng)溫度）、C（培養(yǎng)基）均一致，綜合快速鑒別的時效性考慮，為了在食品監(jiān)督控制過程中盡快找出產(chǎn)嘔吐毒素蠟樣芽胞桿菌，故因素A 取A1（12 h），選定最優(yōu)培養(yǎng)條件組合為A1B1C1，即接種MYP 培養(yǎng)基在30 ℃培養(yǎng)12 h 后進行檢驗。

Ulrich 等[11]用5wt%羊血哥倫比亞瓊脂上37 ℃培養(yǎng)48 h 的培養(yǎng)物，在線性正模式下進行MALDI-TOF MS 檢測，雖然可以檢測到m/z1 171 和1 187 的兩個特征峰，但響應(yīng)值低于104；Doellinger 等[12]用Caso 瓊脂和血平板上37 ℃培養(yǎng)24 h 的培養(yǎng)物，在反射模式下進行MALDI-TOF MS 檢測，可直接檢測到嘔吐毒素相應(yīng)m/z值為1 175的[M+Na]+和1 191的[M+K]+加合物特征峰，但響應(yīng)值均小于104，只有經(jīng)過溶劑提取處理后再進行檢測，測量數(shù)據(jù)響應(yīng)值才大幅提高（＞105）。Carroll等[13]研究顯示，蠟樣芽胞桿菌合成嘔吐毒素的最適溫度為20～30 ℃。故筆者認為，使用MYP 培養(yǎng)基上30 ℃培養(yǎng)12 h 的培養(yǎng)物直接進行檢測，與CB 4789.14[7]中樣品分離培養(yǎng)使用的培養(yǎng)基及培養(yǎng)溫度高度契合，有利于產(chǎn)嘔吐毒素蠟樣芽胞桿菌的生長產(chǎn)毒，可以更快速高效的對產(chǎn)嘔吐毒素蠟樣芽胞桿菌進行區(qū)分。

2.3 方法特異性檢驗結(jié)果

將49 株野生蠟樣芽胞桿菌和3 株標準菌株，蠟樣芽胞桿菌（CICC 10352）、蕈狀芽胞桿菌（CICC 21473）、蘇云金芽胞桿菌（ATCC 10792）接種到MYP 瓊脂平板上經(jīng)過30 ℃培養(yǎng)12 h 后，挑取培養(yǎng)物進行MALDI-TOF MS 檢測，試驗結(jié)果如表4、圖3、圖4所示，其中2 株含ces基因的蠟樣芽胞桿菌均檢測到嘔吐毒素相應(yīng)的m/z值為1 175 的[M+Na]+和m/z值為1 191 的[M+K]+加合物特征峰，響應(yīng)值均大于104，其他未攜帶ces基因的菌株均未檢測到相應(yīng)的特征峰；標準菌株蠟樣芽胞桿菌、蕈狀芽胞桿菌、蘇云金芽胞桿菌均不攜帶ces基因，試驗結(jié)果均未檢測到相應(yīng)的m/z值為1 175 的[M+Na]+和m/z值為1 191 的[M+K]+加合物特征峰，特異性達到100%。

圖3 49 株陽性蠟樣芽胞桿菌的MALDI-TOF MS 檢測結(jié)果Fig.3 MALDI-TOF MS detection results of 49 positive strains of Bacillus cereus

圖4 標準菌株的檢測結(jié)果Fig.4 Detection results of standard strains

表4 菌株的檢測結(jié)果Table 4 Detection results of strains

Ulrich 等[11]對產(chǎn)嘔吐毒素和非產(chǎn)嘔吐毒素蠟樣芽胞桿菌分離株的區(qū)分研究中，121 株測試菌株中有120株MALDI-TOF MS 測定結(jié)果和PCR 分析的比對結(jié)果一致，只有一株產(chǎn)嘔吐毒素菌株在MALDI-TOF MS中呈假陰性，主要是因為該菌株產(chǎn)毒能力極低，無法被檢測到，作者認為該低產(chǎn)毒菌無法構(gòu)成公共衛(wèi)生危害，故MALDI-TOF MS 對產(chǎn)嘔吐毒素蠟樣芽胞桿菌的檢測方法具有較強的特異性（＞99%）。Doellinger等[12]共測試了8 株蠟樣芽胞桿菌，包括高產(chǎn)毒菌2 株，中產(chǎn)毒菌1 株，低產(chǎn)毒菌3 株，非產(chǎn)毒菌2 株，但未給出8 株菌全部的檢測結(jié)果和譜圖，未進行特異性判斷。因此，筆者認為后續(xù)若有條件仍可增大樣本量對該方法的特異性再進一步驗證。

3 結(jié)論

蠟樣芽胞桿菌是食品生產(chǎn)過程中污染食物的一個主要來源，是食物中毒的主要致病因子之一。雖然目前有國標方法可以檢測食品中的細菌污染，但該方法不能區(qū)分產(chǎn)嘔吐毒素蠟樣芽胞桿菌。MALDI-TOF MS技術(shù)的易用性和廣泛可用性有助于在常規(guī)鑒定中檢出產(chǎn)嘔吐毒素蠟樣芽胞桿菌，實驗結(jié)果表明，運用MALDI-TOF MS 技術(shù)檢測嘔吐毒素相應(yīng)m/z值為1 175 的[M+Na]+和1 191 的[M+K]+加合物特征峰，可以有效的區(qū)分產(chǎn)嘔吐毒素蠟樣芽胞桿菌，該方法的檢測靈敏度可達到0.01 μg/mL。通過正交試驗極差分析結(jié)果，選用樣品培養(yǎng)條件為接種MYP 培養(yǎng)基在30 ℃培養(yǎng) 12 h，培養(yǎng)后直接挑取典型菌落進行MALDI-TOF MS 檢測，這與國標檢測方法GB 4789.14中對食品中蠟樣芽胞桿菌檢驗的分離條件剛好契合，且培養(yǎng)時間減少一半以上，僅需12 h，且上機檢測結(jié)果響應(yīng)值高（＞104）。該方法對產(chǎn)嘔吐毒素蠟樣芽胞桿菌檢測特異性強（100%），靈敏度高（0.01 μg/mL），因此可在食品樣品檢測過程中，使用MYP 培養(yǎng)基平板上的典型菌落直接進行MALDI-TOF MS 檢測，如果檢測到m/z值為1 175 的[M+Na]+和m/z值為1 191的[M+K]+加合物特征峰且響應(yīng)值大于104，即可判斷該菌為疑似產(chǎn)嘔吐毒素蠟樣芽胞桿菌，從而鎖定該樣品并進行進一步的傳統(tǒng)細菌鑒定和毒力基因檢測確認。該方法是一種適合產(chǎn)嘔吐毒素蠟樣芽胞桿菌的高通量篩查技術(shù)，操作簡單、靈敏，可為食品生產(chǎn)危害控制及快速監(jiān)管提供技術(shù)支持，可實現(xiàn)對消費者的保護和食品加工質(zhì)量的保障，應(yīng)用前景廣闊。