群體感應(yīng)在發(fā)酵食品中的研究進(jìn)展

王文悅,余帆,易弛,張霖,肖柯,樊鑫,肖俊鋒,朱曉青,穆楊,汪超,周夢舟

(湖北工業(yè)大學(xué),發(fā)酵工程教育部重點實驗室,工業(yè)發(fā)酵省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,細(xì)胞調(diào)控與分子藥物“111”引智基地,湖北 武漢,430068)

早在20世紀(jì)60年代,科學(xué)家們就觀察到了海洋中的費氏弧菌(Vibriofischeri)的發(fā)光現(xiàn)象,并發(fā)現(xiàn)其發(fā)光強度與種群密度密切相關(guān)[1]。隨后,在1994年,“群體感應(yīng)(quorum sensing,QS)”這一術(shù)語由FUQUA等[2]首次提出,用來描述細(xì)菌中依賴于細(xì)胞密度的細(xì)胞間信號傳遞,并表現(xiàn)出細(xì)菌群體的合作行為模式。目前已發(fā)現(xiàn)許多受到QS調(diào)控的微生物群體行為,如生物發(fā)光、生物膜的形成、毒力因子的表達(dá)、次級代謝產(chǎn)物的生成和抵抗惡劣環(huán)境的能力等[3]。

QS不僅僅只存在于單種微生物間,在復(fù)雜微生物群落中,QS也發(fā)揮著積極的調(diào)控作用。發(fā)酵食品就是由微生物群落在適宜的條件下,食品基質(zhì)經(jīng)過特定代謝途徑產(chǎn)生風(fēng)味得到的一類食品。發(fā)酵食品的風(fēng)味、質(zhì)地和安全性極大程度上取決于發(fā)酵過程中微生物群落的代謝活性和相互作用,除營養(yǎng)代謝產(chǎn)物的交換外,基于QS的細(xì)胞-細(xì)胞交流是另一微生物互作的重要方式。研究QS有助于建立發(fā)酵食品中微生物化學(xué)信號物質(zhì)與其生理行為之間的聯(lián)系,還能通過人為干擾或促進(jìn)特定微生物的發(fā)酵性能,使其具有實際應(yīng)用價值[4]。本文綜述了近些年發(fā)酵系統(tǒng)中微生物QS的研究進(jìn)展,以期為拓展QS在食品發(fā)酵工業(yè)中的開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 群體感應(yīng)信號分子的定義及分類

微生物間的信號傳遞是指群體感應(yīng)信號分子(quorum sensing molecules,QSMs)的濃度積累到一定閾值時,能被胞內(nèi)的目標(biāo)受體識別,進(jìn)而觸發(fā)同步的相關(guān)基因的表達(dá),更好地適應(yīng)生長過程中的環(huán)境條件的變化[5]。因此,QSMs是觸發(fā)微生物群體行為的關(guān)鍵。但事實上,在生長過程中任何細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間的代謝物都有可能是潛在的QSMs,QSMs的產(chǎn)生是否只用于細(xì)胞間的信號傳遞,而區(qū)別于維持生命活動的代謝物?首先,QSMs應(yīng)能被細(xì)胞識別,且細(xì)胞內(nèi)存在對其特定的感知和響應(yīng)機制;其次,細(xì)胞積累的QSMs對其本身無毒害作用,并能在達(dá)到閾值后誘導(dǎo)同步的群體行為,外源添加的QSMs能以同樣的方式實現(xiàn)調(diào)控作用;最后,QSMs應(yīng)更適應(yīng)于群體進(jìn)化,群體行為將更利于群體發(fā)展而非單個細(xì)胞[6-9]。

1.1 細(xì)菌群體感應(yīng)信號分子

1.1.1 細(xì)菌種內(nèi)信號分子

N-?；呓z氨酸內(nèi)酯類(acyl-homoserine lactones,AHLs)是革蘭氏陰性菌中最常見的一種信號分子。基于AHLs的QS系統(tǒng)是第一個被發(fā)現(xiàn)的QS系統(tǒng)[10],最早對它的研究是費氏弧菌中的生物發(fā)光現(xiàn)象,LuxI是胞內(nèi)調(diào)節(jié)AHLs合成的一種蛋白酶,由于AHLs是一類水溶性的小分子,因此可跨越細(xì)胞膜分泌至細(xì)胞外環(huán)境中,隨著種群密度的增加,AHLs的濃度也隨之達(dá)到閾值,并能與胞內(nèi)的LuxR蛋白形成AHL-LuxR復(fù)合物,該復(fù)合物將與下游的熒光素酶基因簇luxCDABE基因的啟動子結(jié)合,激活轉(zhuǎn)錄過程,由此誘導(dǎo)費氏弧菌的生物發(fā)光現(xiàn)象[11]。

自誘導(dǎo)肽類(autoinducing peptides,AIPs)只存在于革蘭氏陽性菌中,是一類氨基酸和寡肽類信號分子。由于AIPs分子不能通過自由擴散的方式跨越細(xì)胞膜,因此需要ATP binding cassette(ABC)轉(zhuǎn)運系統(tǒng)才能被釋放至胞外并發(fā)揮作用。以金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)中的Agr QS系統(tǒng)為例,積累的信號分子將激活雙組分系統(tǒng)(two component signaling system,TCS),并與組氨酸激酶AgrC結(jié)合隨后進(jìn)行磷酸化,磷酸聯(lián)級反應(yīng)使得調(diào)控因子AgrA也發(fā)生磷酸化,磷酸化后的產(chǎn)物將與主要靶啟動子P2和P3結(jié)合,激活下游基因RNAII和RNAIII轉(zhuǎn)錄,這些基因的表達(dá)將參與金黃色葡萄球菌自身QS系統(tǒng)的循環(huán)和毒力因子的產(chǎn)生[12-13]。

1.1.2 細(xì)菌種間信號分子

自誘導(dǎo)物-2(autoinducer-2,AI-2),廣泛存在于革蘭氏陽性和陰性菌中,是一類種間信號分子。AI-2主要由LuxS蛋白催化合成,因此AI-2介導(dǎo)的QS系統(tǒng)又常被稱為LuxS/AI-2 QS系統(tǒng)。與AIPs類似,AI-2在細(xì)胞中的調(diào)控作用也需要TCS和ABC轉(zhuǎn)運蛋白的參與。以哈氏弧菌(Vibrioharveyi)響應(yīng)AI-2介導(dǎo)的QS系統(tǒng)為例,在高種群密度時,信號分子與受體蛋白LuxP結(jié)合并被檢測到,再與傳感器激酶LuxQ作用,進(jìn)一步促進(jìn)磷酸轉(zhuǎn)移蛋白LuxU和LuxO的磷酸聯(lián)級反應(yīng)以調(diào)控QS系統(tǒng)所介導(dǎo)的各種功能基因的表達(dá)[14-15]。

自誘導(dǎo)物-3(autoinducer-3,AI-3)被認(rèn)為是一類維持種間交流的QSM[14]。有研究證實了腸出血性大腸桿菌(EnterohemorrhagicEscherichiacoli,EHEC)中的存在AI-3介導(dǎo)的QseBC QS系統(tǒng),且腎上腺素(epinephrine,Epi)和去甲腎上腺素(norepinephrine,NE)能行使AI-3的功能。qseBC基因形成的操縱子所表達(dá)QseB和QseC形成了一個TCS。胞外的AI-3會首先被TCS識別,與細(xì)胞膜上的QseC蛋白結(jié)合后,導(dǎo)致其自磷酸化,緊接著QseB被激活并引發(fā)下游復(fù)雜的傳導(dǎo)通路[15]。

此外,哈氏弧菌產(chǎn)生的第三類QSM霍亂自誘導(dǎo)物-1(cholerae autoinducer-1,CAI-1)[4]和黃單胞菌(Xanthomonasspp.)產(chǎn)生的擴散信號因子(diffusible signaling factor,DSF)[16]也參與細(xì)菌的種間交流。

1.1.3 細(xì)菌其他信號分子

其他QSMs還包括喹諾酮類(pseudomonas quinolone signal,PQS)和二酮哌嗪類(diketopiperazines,DKPs)等[17]。隨著細(xì)菌QS研究的深入,新的QSMs將在不同物種中被進(jìn)一步挖掘。

1.2 真菌群體感應(yīng)信號分子

真菌作為發(fā)酵食品中一類重要的微生物,隨著近些年來對真菌中QS系統(tǒng)研究的深入,也發(fā)現(xiàn)了眾多真菌中的QSMs(表1),已有的QSMs主要分為醇類、脂氧合物、α-(1,3)-葡聚糖、信息素和揮發(fā)性化合物及氣體等[18],其中又以法尼醇、酪醇和苯乙醇研究得最為深入。法尼醇作為真菌的QSMs對其他微生物和宿主也存在作用及聯(lián)系[19],但真菌的QSMs種類繁雜,且真菌的QS研究仍處于起步階段,具體的信號合成及傳導(dǎo)機制尚未有較為詳盡及全面的研究。

表1 真菌的群體感應(yīng)信號分子

2 群體感應(yīng)對發(fā)酵體系微生物的調(diào)控

發(fā)酵食品作為復(fù)雜體系,是多種微生物共同作用的產(chǎn)物,因此,為探究QS對發(fā)酵食品的調(diào)控作用,應(yīng)先明晰QS對單個微生物各類性狀的調(diào)控作用,尤其應(yīng)關(guān)注發(fā)酵體系中的優(yōu)勢菌種。根據(jù)近幾年相關(guān)文獻(xiàn)研究,QS對微生物的調(diào)控作用可大致歸為以下四類:細(xì)胞行為(生物膜、運動性能、黏附、菌絲形態(tài)變化等),應(yīng)激耐受性(耐酸、耐鹽、耐乙醇等),次級代謝物如細(xì)菌素、胞外多糖(exopolysaccharide,EPS)等的生成和與其他微生物及宿主間的相互作用。

2.1 細(xì)胞行為

生物膜的形成對于絕大多數(shù)微生物來說是面臨復(fù)雜環(huán)境的一種最有利的生活策略,它們常常出現(xiàn)于固態(tài)食品基質(zhì)和食品加工環(huán)境中。ZHANG等[44]在內(nèi)蒙古發(fā)酵乳制品中篩選出了一株舊金山乳桿菌(Lactobacillussanfranciscensis)并比較了不同濃度的內(nèi)源性AI-2和外源合成AI-2對其生物膜形成能力的影響,實驗結(jié)果表明外源合成的AI-2在40 μmol/L的添加量下,表現(xiàn)出最為顯著的促進(jìn)效果,同時生物膜相關(guān)基因ftsH的表達(dá)量也增加。2-苯乙醇(2-phenylethanol,2-PE)被認(rèn)為是釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)中的QSMs,ZHANG等[25]通過構(gòu)建ARO8、ARO9和ARO10基因的敲除菌株來研究合成2-PE的關(guān)鍵基因?qū)︶劸平湍干锬ば纬傻挠绊?發(fā)現(xiàn)ΔARO8和ΔARO9菌株在發(fā)酵前期2-PE含量減少,EPS的形成和參與細(xì)胞黏附的FLO基因家族的表達(dá)顯著降低,從而影響了生物膜的形成能力。這些結(jié)果都證實了QS對微生物生物膜形成有積極的影響。

QS對細(xì)胞運動性能的影響在哈氏弧菌[45]、大腸桿菌(Escherichiacoli)[46]和銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)[47]中均有報道,這主要依賴于調(diào)控鞭毛蛋白相關(guān)基因的表達(dá)。在變形鏈球菌(Streptococcusmutans)中,外源添加AI-2能影響其黏附相關(guān)基因spaP的表達(dá)[48];在真核生物中,苯乙醇作為QSMs同樣促進(jìn)了檸檬形克勒克酵母(Kloeckeraapiculate)的黏附特性[28]。在酵母菌和霉菌中,常常發(fā)生QS誘導(dǎo)的菌絲形態(tài)變化,以人類條件致病菌白色念珠菌(Candidaalbicans)為例,法尼醇作為在真菌中最早被發(fā)現(xiàn)的QSMs,其能夠控制白色念珠菌酵母相和菌絲相形態(tài)的轉(zhuǎn)換[18]。

從以上結(jié)果中可以看出,QS對細(xì)胞行為的調(diào)控極大程度上與細(xì)胞的運動能力及其代謝活性相關(guān)。而對于發(fā)酵體系而言,細(xì)胞行為又意味著菌株在發(fā)酵過程中的主要作用和功能,與食品的發(fā)酵周期、感觀品質(zhì)、細(xì)菌毒素的產(chǎn)生和腐敗菌控制密切相關(guān)[49]。

2.2 應(yīng)激耐受性

應(yīng)激耐受性是微生物應(yīng)對環(huán)境變化的適應(yīng)性反應(yīng),DENG等[50]通過對比鼠李糖乳桿菌GG(LactobacillusrhamnosusGG,LGG)野生型和luxS敲除菌株,發(fā)現(xiàn)LGG敲除株幾乎不產(chǎn)生AI-2,且在pH 3的培養(yǎng)基中,敲除株的存活率顯著低于野生型。這一結(jié)論與JIA等[51]的研究結(jié)果類似,后者發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌KLDS1.0391(LactobacillusplantarumKLDS1.0391)在缺失luxS基因后,AI-2的產(chǎn)量明顯減少,對酸、膽鹽和胃腸道模擬消化液的耐受性也顯著降低。以上結(jié)果表明,luxS基因不僅參與AI-2的合成,還與某些乳酸菌的耐受特性存在密切的關(guān)系。LIU等[52]的研究發(fā)現(xiàn),引起食品腐敗的熒光假單胞菌(Pseudomonasfluorescens)rpoS突變株會引起AHL產(chǎn)量的減少,5個AHL相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平和胞外蛋白酶活性也顯著降低;在10 mmol/L H2O2、47 ℃高溫和12%(體積分?jǐn)?shù))乙醇條件的處理下,ΔrpoS菌株的存活率明顯低于野生型菌株,由此看來,RpoS是熒光假單胞菌抗逆性、QS和腐敗性的關(guān)鍵調(diào)控因子,未來可作為食品加工中的控制靶點。此外,也有研究聚焦于QS在醋酸菌酸脅迫[53]和釀酒酵母重金屬脅迫[54]下發(fā)揮的重要作用,這為釀造微生物的選育和發(fā)酵工藝的優(yōu)化提供了重要參考。在發(fā)酵食品中,隨著有機酸、乙醇等代謝產(chǎn)物的積累,微生物往往面臨各類不利環(huán)境,因此,QS對益生菌、腐敗菌和致病菌的不同調(diào)控機制將直接影響發(fā)酵過程中微生物群落的演替過程和產(chǎn)品的感官品質(zhì)。

2.3 次級代謝產(chǎn)物的生成

細(xì)菌素是由包括乳酸菌在內(nèi)的多種細(xì)菌產(chǎn)生的具有抑菌作用的多肽或蛋白質(zhì),基于其穩(wěn)定性和安全性,細(xì)菌素可作為天然的食品防腐劑拮抗多種病原體[55]。乳酸乳球菌(Lactococcuslactis)分泌的乳鏈菌肽(Nisin)是目前研究最多的一類細(xì)菌素,有趣的是,Nisin自身可作為QSMs被TCS識別,誘導(dǎo)自身細(xì)菌素相關(guān)基因的表達(dá)[56]。在WANG等[57]的研究中,共培養(yǎng)的植物乳桿菌KX041和面包乳桿菌MN047(CompanilactobacilluscrustorumMN047)表現(xiàn)出增強的抑菌活性,但敲除2株乳桿菌的luxS基因后,共培養(yǎng)條件下其對大腸桿菌的抑菌活性減弱,RNA測序結(jié)果進(jìn)一步揭示luxS基因的缺失影響了QS相關(guān)基因的表達(dá),這表明luxS基因及QS對某些乳酸菌抗菌物質(zhì)的生成具有調(diào)控作用。

EPS是細(xì)菌分泌到細(xì)胞外環(huán)境中的糖類化合物,也是生物膜組成的主要成分,它與細(xì)菌抵抗各類環(huán)境應(yīng)激有關(guān),同時很多細(xì)菌的EPS有抗氧化和抗腫瘤的生理活性[58]。紀(jì)亞楠[59]發(fā)現(xiàn)在面對不同酸脅迫、高溫脅迫和滲透脅迫時,植物乳桿菌5-4-1和乳酸片球菌TG1-1-10(PediococcusacidilacticiTG1-1-10)EPS和AI-2的分泌呈現(xiàn)出相同的趨勢。GU等[60]研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在植物乳桿菌培養(yǎng)基中添加不同濃度的AI-2能顯著提高EPS的產(chǎn)量。因此,這些研究表明AI-2作為QSMs所引起的QS調(diào)控也參與了細(xì)菌EPS的生成。

在發(fā)酵體系中,微生物的次級代謝產(chǎn)物之間往往存在各種交換和利用,如EPS就可充當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)作為食品基質(zhì)中的碳源,又如細(xì)菌素可抑制其他微生物的生長,因此,QS調(diào)控下的次級代謝物的生產(chǎn)與復(fù)雜體系中菌群的活動與變化有直接聯(lián)系。

2.4 與其他微生物及宿主間的相互作用

發(fā)酵食品中微生物之間的共存和相互作用普遍存在,在可可豆自發(fā)發(fā)酵的過程中,ALMEIDA等[61]通過宏基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)可可發(fā)酵過程中微生物的演替由酵母開始,隨后轉(zhuǎn)向乳酸菌,最后以醋酸菌為優(yōu)勢菌株,其中QS可能是微生物面臨惡劣環(huán)境時保持相對豐度較高的策略之一。宏基因組學(xué)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)菌群間既存在種間QS信號,也存在種內(nèi)QS信號,這表明QS在復(fù)雜生態(tài)群落中承擔(dān)重要的調(diào)控角色,且維持了不同時間節(jié)點微生物種間的交互共生。GU等[62]發(fā)現(xiàn)酸馬奶酒中篩選出的釀酒酵母YE4的無細(xì)胞上清液(cell-free supernatant,CFS)雖然抑制了糞腸球菌8-3(Enterococcusfaecium8-3)和發(fā)酵乳桿菌2-1(Lactobacillusfermentum2-1)的生長、生物膜形成和產(chǎn)酸性能,卻促進(jìn)了其AI-2的分泌和QSMs相關(guān)基因的表達(dá);當(dāng)釀酒酵母YE4與乳酸菌共培養(yǎng)時,YE4又分別抑制了糞腸球菌8-3luxS和pfs基因的表達(dá)和發(fā)酵乳桿菌2-1luxS基因的表達(dá),這說明無論是酵母菌代謝產(chǎn)物的刺激或是與乳酸菌的直接接觸,都可能誘發(fā)QS系統(tǒng)的響應(yīng),乳酸菌也會通過分泌AI-2來調(diào)節(jié)生理行為以應(yīng)對此類環(huán)境刺激。

此外,腸道菌群與宿主之間也可能存在QS調(diào)控下的潛在關(guān)系,FU等[63]探究了AI-2與壞死性小腸結(jié)腸炎(necrotizing enterocolitis,NEC)之間的聯(lián)系,發(fā)現(xiàn)NEC急性期的AI-2水平卻顯著降低,因此提出AI-2可作為早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)防NEC的潛在生物標(biāo)志物。大量研究表明,QS可調(diào)節(jié)大腸桿菌ETEC、沙門氏菌(Salmonella)、霍亂弧菌(Vibriocholerae)、艱難梭菌(Clostridiumdifficile)和銅綠假單胞菌等腸道致病菌對腸道健康的影響[64-68],主要表現(xiàn)在增強其腸道定殖的能力和毒力因子的表達(dá)。而對益生菌而言,QS的調(diào)控似乎是有利的。DENG等[69]發(fā)現(xiàn),野生型鼠李糖乳桿菌LGG與luxS敲除株相比,前者能更好的維持腸道組織形態(tài)和促進(jìn)腸道黏液分泌,因此能更有效地緩解新生仔豬由斷奶引起的腸道損傷,這些研究結(jié)果意味著通過控制QS來治療宿主某些頑固性疾病和腸道菌群失衡存在一定潛力。

3 群體感應(yīng)在食品發(fā)酵過程中的調(diào)控作用

發(fā)酵食品在我國歷史悠久,品類眾多,其復(fù)雜的微生物群落成員之間的生態(tài)分布、代謝活性和相互作用賦予了發(fā)酵食品獨特的風(fēng)味及口感。目前,人們對發(fā)酵食品中QS作用的分子機制知之甚少,但QS作為微生物種內(nèi)和種間的交流方式,無疑在發(fā)酵過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。研究發(fā)酵過程及發(fā)酵微生物不僅能選育優(yōu)良菌種更好的應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè),還為積極控制發(fā)酵過程和食品質(zhì)量提供了重要參考(圖1)。

圖1 微生物群體感應(yīng)與發(fā)酵食品的關(guān)系及研究方法

3.1 泡菜

泡菜是我國最知名的一類傳統(tǒng)發(fā)酵食物,主要由乳酸菌發(fā)酵而來。LIU等[70]研究了泡菜樣品在第4、31、79天的感官品質(zhì)、菌落組成和QSMs。在發(fā)酵前期,泡菜的pH值降到最低,乳桿菌屬為優(yōu)勢菌屬,其中,產(chǎn)AI-2的細(xì)菌經(jīng)鑒定為植物乳桿菌;發(fā)酵中期pH值保持在3.5以下,此時仍是乳桿菌屬為優(yōu)勢菌屬,但片球菌屬(Pediococcus)的相對豐度顯著增加,植物乳桿菌、短乳桿菌(Lactobacillusbrevis)、片球菌(Pediococcussp.)、腸桿菌(Enterobactersp.)和巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)都被檢測到具有產(chǎn)AI-2的能力;而發(fā)酵后期,隨著乳酸菌代謝分解有機酸和腐敗菌生長繁殖,發(fā)酵液的pH值逐漸上升至6.14,此時,腸桿菌屬成為了優(yōu)勢菌屬,并能檢測到其AHL活性。3個時間點提取的RNA中均能擴增出植物乳桿菌luxS基因片段,但只能在第79天的樣品中成功擴增出AHL相關(guān)基因片段,這表明,在泡菜發(fā)酵的全過程中,乳桿菌可能一直通過AI-2進(jìn)行交流;當(dāng)腐敗發(fā)生時,以腸桿菌為主的細(xì)菌還能通過AHL進(jìn)行交流。PARK等[71]報道了從不同泡菜樣品中AI-2的強度,為了追蹤AI-2的產(chǎn)生和來源,又從泡菜樣品中分離出了229株乳酸菌。他們進(jìn)一步檢測這些乳酸菌的AI-2信號強度,發(fā)現(xiàn)乳桿菌屬、魏斯氏菌屬(Weissella)和明串珠菌屬(Leuconostoc)作為其中優(yōu)勢菌屬既能產(chǎn)生又能抑制AI-2信號。以上研究表明,AI-2很可能是泡菜發(fā)酵的全過程中最活躍的一類的QSMs,乳酸菌作為代表菌種,對AI-2信號的產(chǎn)生和抑制也具有菌種特異性,泡菜的變質(zhì)過程可能受到AI-2/QS和AHLs/QS的共同調(diào)節(jié),但具體作用機制仍不明晰。

3.2 酒

酒類釀造已持續(xù)幾千年,發(fā)酵過程主要依賴于酵母菌生成乙醇。在酒體的風(fēng)味形成方面,釀酒酵母中芳香醇的生物合成受到細(xì)胞密度的調(diào)控,高細(xì)胞密度會上調(diào)ARO9和ARO10基因的表達(dá),刺激芳香醇的產(chǎn)生,此外,芳香醇的產(chǎn)生也可受到的自調(diào)控,通過激活轉(zhuǎn)錄因子Aro80p,進(jìn)一步激活和芳香族轉(zhuǎn)氨酶ARO9和脫羧酶ARO10的表達(dá),從而形成正反饋循環(huán)。因此,釀酒酵母在較高種群密度時會產(chǎn)生更多的2-PE和色氨酸[72-73]。事實上,CHEN等[74]對釀酒酵母中ARO基因進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究,他們表明ARO基因控制QSMs 2-PE、色氨酸和酪醇的生物合成,并將QS通路與環(huán)境感知聯(lián)系起來(細(xì)胞密度和營養(yǎng)環(huán)境對釀酒酵母細(xì)胞形態(tài)改變的影響)。在此基礎(chǔ)上,AVBELJ等[75]對葡萄酒發(fā)酵過程中QS動力學(xué)和ARO基因表達(dá)進(jìn)行了研究,初步證實了QSMs 2-PE、色氨酸和酪醇的峰值產(chǎn)量與負(fù)責(zé)合成的基因ARO8、ARO9和ARO10的峰值表達(dá)之間的相關(guān)性,芳香醇的濃度也依賴于細(xì)胞密度和生長階段。在啤酒釀造中,酵母絮凝現(xiàn)象十分常見,但這似乎也與QS有關(guān)。一項研究調(diào)查了2-PE、色氨酸和酪醇對二倍體酵母EM93絮凝行為的影響,結(jié)果表明,與對照組相比,不同濃度的QSMs對酵母絮凝有顯著影響。作者認(rèn)為,細(xì)胞間的相互黏附?jīng)Q定了絮凝體的形成,且只有當(dāng)微生物種群足夠大時,絮凝現(xiàn)象才會發(fā)生,而Flo黏附蛋白僅在較高種群密度下才能行使其功能,因此,釀酒酵母的絮凝行為很可能受到QSMs的調(diào)控[37]。在實際生產(chǎn)中,酵母過早絮凝可能會影響發(fā)酵周期、乙醇生產(chǎn)和啤酒風(fēng)味等[76],對QS的進(jìn)一步研究可以揭示酵母釀造過程中的行為變化,為眾多工業(yè)問題提供參考依據(jù)。

3.3 乳制品

乳制品在全球食品消費中占有重要的份額,也是蛋白質(zhì)來源的重要途徑。GORI等[77]從成熟干酪表面分離出多株細(xì)菌被證明具有AI-2活性,此外,研究者還探討了低pH和高NaCl脅迫下,微生物產(chǎn)AI-2活性的變化,發(fā)現(xiàn)Corynebacteriumcasei、Microbacteriumgubbeenense和Staphylococcusequorumsubsp.linens細(xì)胞外AI-2活性增加,這表明AI-2在這些細(xì)菌應(yīng)激適應(yīng)過程具有重要調(diào)控作用,同時,作為一種參與環(huán)境脅迫調(diào)控的非特異性的QSMs,AI-2很可能參與奶酪表面微生物的群落的演替過程。在另一項研究中,宏基因組和功能分析確定了來自智利的開菲爾乳品中存在編碼QSMs的基因和生物膜形成與擴散的基因[78],此情況下,還需進(jìn)一步證實開菲爾中QSMs的存在。

在發(fā)酵乳貯藏問題上,由嗜冷菌繁殖引起的腐敗變質(zhì)為乳制品行業(yè)帶來了極大的挑戰(zhàn)。YUAN等[79]認(rèn)為細(xì)菌產(chǎn)生的腐敗酶、生物膜和QS作用是牛奶腐敗的主要因素,這三者之間又存在緊密聯(lián)系。QS能積極調(diào)控生物膜的產(chǎn)生,基于生物膜的特定形態(tài)和屏障保護(hù)功能,酶的產(chǎn)生和熱穩(wěn)定性在生物膜中又進(jìn)一步得到了增強。隨后,YUAN等[80]對30份AHLs處理的牛奶樣品進(jìn)行了RNA測序,結(jié)果表明,外源AHLs的添加可增加牛奶粒徑和牛奶中的酸含量,轉(zhuǎn)錄組分析顯示,AHLs可能調(diào)節(jié)453個基因的表達(dá),大多數(shù)與細(xì)菌生長代謝、酶生成、脅迫反應(yīng)相關(guān)的基因顯著上調(diào),這一結(jié)果表明了AHLs在嗜冷菌QS引起的牛奶腐敗中的潛在參與。目前,乳制品行業(yè)保證產(chǎn)品質(zhì)量安全和保質(zhì)期的首選方法仍然是嚴(yán)格遵循衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn),防止腐敗菌的污染,但隨著QS的深入研究,這將為控制乳制品腐敗的新策略提供線索。

3.4 肉制品

發(fā)酵肉制品是一類利于長期貯藏的肉制品,在微生物及酶的發(fā)酵作用下,原料肉中的蛋白和脂肪會發(fā)生一系列的生物化學(xué)變化,使肉制品形成獨特的色澤和風(fēng)味,香腸和火腿就是最經(jīng)典的兩類發(fā)酵肉制品。LIN等[81]從中國發(fā)酵肉制品中分離了沙克乳桿菌(Lactobacillussakei)、Lactobacillussp.和植物乳桿菌并發(fā)現(xiàn)它們具有AI-2活性,為進(jìn)一步研究高亞硝酸鹽發(fā)酵環(huán)境下對AI-2活性的影響,研究者檢測了3株乳桿菌的luxS基因的轉(zhuǎn)錄水平,發(fā)現(xiàn)對于菌株而言,亞硝酸鹽濃度越高,luxS基因的表達(dá)量越高。盡管亞硝酸鹽作為食品添加劑在肉制品生產(chǎn)中的應(yīng)用極其重要,但同時它也具有很強的毒性,過量食用會對人體健康產(chǎn)生影響,此外,肉制品中微生物產(chǎn)生的腸毒素和生物胺也是潛在的毒性物質(zhì)。SUSILO等[82]比較了金黃色葡萄球菌RKI1野生型菌株和Δagr菌株在火腿表面固定化生長過程中的細(xì)胞生長、腸毒素D的形成和sed的表達(dá),結(jié)果表明,缺失agr不影響火腿上金黃色葡萄球菌RKI1的生長速度和最大細(xì)胞密度,但在生長前期至中期對腸毒素的生成有顯著影響。ZHANG等[83]從云南的三川火腿中分離出了產(chǎn)酪胺的糞腸球菌,發(fā)現(xiàn)高溫和低鹽條件都能增加了糞腸球菌酪胺的產(chǎn)量,隨后利用代謝組學(xué)工具鑒定出了糞腸球菌合成生物胺的QSMs——丙氨酰亮氨酸。這為減少火腿中生物胺的積累提供了理論依據(jù),有利于今后生產(chǎn)工業(yè)中對火腿中生物胺含量的控制。QS在肉制品中的調(diào)控作用不止于此,也有研究發(fā)現(xiàn)QS還參與發(fā)酵肉制品風(fēng)味物質(zhì)的產(chǎn)生和發(fā)酵進(jìn)程的調(diào)控[84-85]。

3.5 其他發(fā)酵食品

除以上四類常見的發(fā)酵食品外,在一些調(diào)味品、發(fā)酵面團(tuán)和果蔬表面的微生物群落中也存在QS現(xiàn)象[15]。在西班牙綠橄欖發(fā)酵過程中,與單獨接種植物乳桿菌NC8相比,RUIZ-BARBA等[86]發(fā)現(xiàn)NC8與2種特定的細(xì)菌素產(chǎn)生誘導(dǎo)菌株糞腸球菌6T1a-20和戊糖片球菌FBB63(PediococcuspentosaceusFBB63)共接種后,其在橄欖發(fā)酵中的生長和存活率大大提高。由此推測,特定細(xì)菌的存在可能會被植物乳桿菌NC8等菌株識別為一種環(huán)境刺激,以啟動特定的適應(yīng)性反應(yīng)。RIPARI等[87]在測定意大利酸面團(tuán)中微生物產(chǎn)揮發(fā)性化合物能力時,發(fā)現(xiàn)了酵母的QSMs,且絕大多數(shù)風(fēng)味活性化合物是由酵母和乳酸菌產(chǎn)生。魚露是我國華南地區(qū)傳統(tǒng)的調(diào)味品,因其獨特的咸鮮風(fēng)味,受到眾多消費者的喜愛,但生產(chǎn)過程常常因為生物胺的積累受到制約。吳哲銘[88]從魚露發(fā)酵液中篩選出一株降解生物胺的嗜鹽四聯(lián)球菌MJ4(TetragenococcushalophilusMJ4),并探究了外源添加AI-2對嗜鹽四聯(lián)球菌MJ4在發(fā)酵過程中對揮發(fā)性物質(zhì)和生物胺降解的影響,發(fā)現(xiàn)不同濃度AI-2的添加能夠增強其脂肪酶、氨肽酶、淀粉酶的活性、耐鹽性和生物胺降解能力,對相關(guān)基因的表達(dá)也有上調(diào)的作用。值得注意的是,當(dāng)嗜鹽四聯(lián)球菌MJ4與其他產(chǎn)胺菌株共培養(yǎng)時,AI-2的添加能進(jìn)一步抑制生物胺的積累,可見QS也在魚露發(fā)酵過程中起著積極的調(diào)控作用。

4 結(jié)語

食品相關(guān)微生物中QS系統(tǒng)和QSMs的存在已被證實,大多數(shù)研究都圍繞QS對單一菌種的行為調(diào)控,盡管許多發(fā)酵食品中也已發(fā)現(xiàn)QSMs的存在,而QS在發(fā)酵食品中的研究仍處于探索階段。發(fā)酵食品可以被看作是一個復(fù)雜多變的代謝系統(tǒng),不同食品基質(zhì)和外部環(huán)境的變化推動了微生物群落自發(fā)式演變,目前,較新的研究常用組學(xué)技術(shù)來鑒定發(fā)酵食品中微生物組成及功能潛力,挖掘QS相關(guān)基因及其表達(dá)情況,或揭示QSMs對不同菌株代謝的影響。此外,QS領(lǐng)域仍存在許多亟待解決的問題,如尋找更多天然的QS系統(tǒng)以擴寬在不同菌株間的利用;了解QSMs在復(fù)雜環(huán)境中的分子調(diào)控機制及在細(xì)胞進(jìn)化方面所發(fā)揮的作用;未來還應(yīng)著眼于QS對發(fā)酵過程的影響,研究可能存在于商業(yè)相關(guān)釀造菌株種內(nèi)或種間行為與QS之間的聯(lián)系,為QS在產(chǎn)業(yè)化中的利用奠定基礎(chǔ)。