刘佳宜,李婷婷*,励建荣,*,谢 晶,林 洪,王 轰,申照华,郭晓华
(1.渤海大学食品科学与工程学院,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁 锦州 121013;2.大连民族大学生命科学学院,辽宁 大连 116600;3.上海海洋大学食品学院,上海 201306;4.中国海洋大学食品科学与工程学院,山东 青岛 266100;5.蓬莱京鲁渔业有限公司,山东 烟台 265600;6.山东美佳集团有限公司,山东 日照 276800)
微生物是在加工、运输和贮存过程中引起食物腐败的重要因素,食品中的微生物利用食物营养物质促进自身的生长繁殖,从而导致食品的腐败变质[1-2]。Gram等[3]将微生物的腐败潜力定义为纯培养条件下产生与特定产品腐败相关代谢物的能力。许多细菌能够在自身分泌的化学信号分子即自诱导分子的调控下,以细菌种群密度来调节表型特征,当自诱导分子水平随着细菌密度逐渐增高至某一阈值后,会与一些转录调节子结合,从而诱导或抑制某些基因的表达,这种细菌行为被称为群体感应(quorum sensing,QS)[4]。这些自诱导分子在革兰氏阳性菌中被鉴定为寡肽,在革兰氏阴性菌中被鉴定为酰基化高丝氨酸内酯(N-acyl-homoserine lactones,AHLs)[5]。研究表明,细菌的许多生理功能均由QS系统调节,如生物发光、毒力因子、能动性、生物被膜的形成等[6]。
我国作为水产品生产和销售大国,水产品养殖产量占全世界的70%,其出口额已连续6 年位居世界第一[7]。水产品中含有大量的水分和丰富的优质蛋白,这使其较一般生鲜食品更易受到微生物侵染[8],因此QS系统在水产品腐败变质过程中起着重要作用。气单胞菌属(Aeromonassp.)为革兰氏阴性、兼性厌氧菌,以运动型杆菌为主。该属迄今已确认30 个种,其中嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)、豚鼠气单胞菌(Aeromonas caviae)、杀鲑气单胞菌(Aeromonas salmonicida)等与人类和动物感染及食品腐败关系密切[9],相关研究较多。杀鲑气单胞菌是多种养殖鱼类的主要水产养殖病原菌,同时也是冰藏鱼类中的腐败菌,其腐败活性受自身分泌AHLs介导的QS系统调控。因此,抑制QS系统成为水产品保鲜研究的新方向。
QS抑制剂是以QS系统为靶点竞争性抑制该系统,在不杀死或不干扰细菌正常生命活动的前提下有效调控菌群的结构和功能,抑制细菌生物被膜和毒力因子的产生以及其他致腐、致病基因的表达,具有更好的生态安全性和环境友好性[10]。与传统抗菌剂相比,QS抑制剂不会杀死细菌或阴滞细菌的生长,被认为不会导致耐药菌株的形成。据报道,肉桂醛挥发油成分及其类似物对多种细菌具有QS抑制作用,通过降低LuxR家族蛋白的DNA结合能力抑制受QS调控的毒力因子[11]。李晴等[12]报道花椒提取物对嗜水气单胞菌生物被膜、胞外蛋白酶活性和泳动现象的抑制作用呈浓度依赖性,且能显著抑制嗜水气单胞菌AHLs的产生,推测花椒提取物可能通过降低AHLs水平抑制嗜水气单胞菌QS系统调控基因的表达。但是天然QS抑制剂提取率差、操作过于复杂,并且提取所得单体物质在一定剂量下的安全性有待商榷,因此还没有得到广泛应用。
乙基麦芽酚是一种人工合成的广谱高效增香剂,常用于肉制品、罐头、糖果、饼干、面包、调味品等食品。乙基麦芽酚不但可以通过与肉中的氨基酸相互作用提高鲜味,而且可以与肌红蛋白中的铁离子发生络合反应,保持肉色。一些研究还表明,乙基麦芽酚具有抑酸、抑苦、去腥、防腐等功效[13]。因此,本研究以乙基麦芽酚为QS抑制剂,探究乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌QS现象的抑制作用,以期拓宽乙基麦芽酚的应用范围,使其成为以QS为靶点的新型水产品保鲜剂,同时为水产品保鲜提供新思路。
QS生物报告菌株紫色杆菌(Chromobacterium violaceum026,CV026)为C.violaceumATCC 31532的mini-Tn5突变体。该菌株自身不产生AHLs信号分子,且对卡那霉素不敏感,当添加外源AHLs时,会产生紫色杆菌素,通过颜色变化可检测短链AHLs信号分子(N-丁酰基-L-高丝氨酸内酯(N-butyryl-L-homoserine lactone,C4-HSL)~C8-HSL)的存在。杀鲑气单胞菌由腐败大菱鲆中分离获得。上述两种菌株均由辽宁省食品安全重点实验室提供,在28 ℃、160 r/min摇床培养。
乙基麦芽酚(纯度99%) 上海阿拉丁生化科技股份有限公司;LB肉汤、LB营养琼脂 青岛高科园海博生物技术有限公司;卡那霉素、十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS) 国药集团化学试剂有限公司;AHLs信号分子(C4-HSL、C6-HSL、C8-HSL、C10-HSL、C12-HSL、C14-HSL) 美国Sigma公司;结晶紫 天津致远化学试剂有限公司;正丁醇、冰乙酸、浓硫酸、醋酸异戊酯、苯酚 天津风船化学试剂有限公司;脱脂奶粉 美国BD公司;琼脂粉、蛋白胨、胰蛋白胨、D(+)-葡萄糖 北京奥博星生物技术有限责任公司;氯化钠 天津市优谱化学试剂有限公司;锌片上海迈砷化工有限公司。
W-CJ-2FD超净工作台 苏州安泰空气技术有限公司;立式压力蒸汽灭菌锅 上海申安医疗器械厂;LRH系列生化培养箱 上海一恒科技有限公司;MS105UD电子分析天平 瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司;Czone系列抑菌圈测定及菌落计数仪 杭州迅数科技有限公司;iMark酶标仪 美国Bio-Rad公司;Biofuge Stratos冷冻高速离心机 美国Thermo Fisher公司;SS-4800场发射扫描电子显微镜 日本日立公司;7890N/5975气相色谱-质谱(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)联用仪 美国Agilent公司。
1.3.1 最小抑菌浓度测定及QS抑制剂初步检测
参考魏宇超等[14]的方法并稍加修改。利用牛津杯打孔法测定乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌的最小抑菌浓度。将菌株CV026和杀鲑气单胞菌按体积比2∶100接种于LB肉汤中,28 ℃、160 r/min摇床培养,过夜活化至二代,到达对数生长期后与LB营养琼脂混匀,用牛津杯打孔。利用体积分数50%甲醇溶液配制不同质量浓度(0~10 mg/mL)乙基麦芽酚溶液,并过0.22 μm滤膜除菌备用。待LB营养琼脂凝固后,将不同质量浓度(0~10 mg/mL)乙基麦芽酚溶液加入孔中,并添加体积分数50%甲醇溶液作为阴性对照。将平板置于28 ℃生化培养箱中静置培养1~2 d,观察CV026和杀鲑气单胞菌菌落生长情况确定乙基麦芽酚最小抑菌浓度。
将CV026按体积比2∶100接种于LB肉汤中,28 ℃、160 r/min摇床培养,过夜活化至二代,培养至对数生长期后将菌液以体积比1∶100混入200 mL含20 μg/mL卡那霉素的LB营养琼脂中,并添加20 μg/mL C6-HSL混匀后倒板,待其凝固后牛津杯打孔。将100 μL亚抑菌浓度的乙基麦芽酚溶液加入孔中,以100 μL体积分数50%甲醇作为阴性对照。将平板置于28 ℃生化培养箱中静置培养1~2 d,观察乙基麦芽酚对紫色杆菌素生成的抑制情况。
1.3.2 乙基麦芽酚处理后CV026生长情况分析及紫色杆菌素产量的测定
参照Zhang Ying等[15]的方法并略加修改。取过夜活化2 次、培养至对数生长期的CV026,以体积比1∶100接种于10 mL含20 μg/mL C6-HSL的LB肉汤中,添加乙基麦芽酚使其终质量浓度分别为0.02、0.04、0.06、0.08 mg/mL。并以添加100 μL体积分数50%甲醇溶液为阴性对照,置于28 ℃、160 r/min摇床培养48 h。利用酶标仪在595 nm波长处测定菌液密度,确定乙基麦芽酚对CV026生长的影响。向1.5 mL离心管中依次添加300 μL上述培养后的菌液,加入150 μL 10 g/100 mL SDS溶液振荡裂解10 s,再加入600 μL正丁醇振荡5 s提取紫色杆菌素。最后于10 000 r/min离心5 min,依次吸取离心后上清液于96 孔板中,利用酶标仪在595 nm波长处测定上清液OD值,每处理组取3 个平行。
1.3.3 乙基麦芽酚处理后杀鲑气单胞菌信号分子产生量的测定
AHLs粗提液制备:将杀鲑气单胞菌过夜活化至对数生长期,以体积比为1∶100接种于LB肉汤中,添加终质量浓度0.02、0.04、0.06、0.08 mg/mL乙基麦芽酚溶液,并以体积分数50%甲醇溶液作为阴性对照,28 ℃、160 r/min摇床培养24 h。培养后的菌液10 000 r/min离心10 min,留上清液。加入等体积含体积分数0.1%冰乙酸的乙酸乙酯溶液提取,取乙酸乙酯层加入一定量的无水硫酸钠,于35 ℃、真空度0.1 MPa旋转蒸发去除乙酸乙酯,取适量甲醇溶解残留物,-20 ℃保存待用。
GC-MS测定:以甲醇为溶剂配制6 种AHLs的混合标准溶液,测定参数参考梅永超等[16]的方法,根据信号分子保留时间定性,以峰面积大小表示信号分子产生量。
1.3.4 乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌生物被膜的影响分析
1.3.4.1 乙基麦芽酚处理后杀鲑气单胞菌生物被膜形成率的测定
参考Bouyahya[17]和Lee[18]等的方法并稍加修改。将过夜活化至对数生长期的杀鲑气单胞菌以体积比为1∶100接种于LB肉汤,加入乙基麦芽酚溶液,使其终质量浓度为0.02、0.04、0.06、0.08 mg/mL,分别以100 μL体积分数50%甲醇溶液和终质量浓度20 μg/mL C12-HSL信号分子为阴性和阳性对照。利用酶标仪在595 nm波长处测定菌液密度,确定乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌生长的影响。
取1 mL上述培养液分装于1.5 mL无菌离心管中,28 ℃生化培养箱中静置培养48 h。取菌液于595 nm波长处测定OD值后,弃去菌液,用无菌水清洗3 次,无菌风干燥30 min,使生物被膜固定在离心管内壁后,取1 mL 0.2 g/100 mL结晶紫染色15 min。弃去染色液,无菌水清洗3~5 次至干净透明,再用体积分数33%冰乙酸溶解固定的染色液,最后用酶标仪测定595 nm波长处冰乙酸溶解后染色液的OD值,每处理组取3 个平行。生物被膜的相对形成率按下式计算。
1.3.4.2 乙基麦芽酚处理后杀鲑气单胞菌生物被膜形态的观察
参考Chang Aiping等[19]的方法并稍加修改。将经抛光机除去表面氧化层的锌片剪成10 mm×10 mm,先后置于无水乙醇和去离子水中超声30 min,烘干后灭菌备用。将10 mL含终质量浓度分别为0.02、0.04、0.06、0.08 mg/mL乙基麦芽酚的LB肉汤加入无菌培养皿中,并将经2 次过夜活化至对数生长期的杀鲑气单胞菌以体积比为1∶100接种其中,混匀后放入灭菌锌片,28 ℃生化培养箱静置培养72 h。分别以100 μL体积分数50%甲醇溶液和终质量浓度20 μg/mL的C12-HSL信号分子为阴性和阳性对照。
培养72 h后取出锌片,无菌水冲洗3~5 次,放入4 ℃预冷的2.5%戊二醛溶液中浸泡4 h,取出锌片后用不同体积分数的乙醇溶液梯度洗脱,无水乙醇脱水2 次后,经乙酸异戊酯置换2 次,无菌风干燥。喷金处理后扫描电子显微镜观察。
1.3.5 乙基麦芽酚处理后杀鲑气单胞菌胞外蛋白酶活力的测定
将过夜活化至对数生长期的杀鲑气单胞菌以体积比1∶100接种于含终质量浓度分别为0.02、0.04、0.06、0.08 mg/mL乙基麦芽酚的肉汤中,分别以100 μL体积分数50%甲醇溶液和100 μL终质量浓度20 μg/mL的C12-HSL信号分子为阴性和阳性对照,28 ℃、160 r/min振荡培养12 h以产生胞外蛋白酶。培养结束后用无菌滤器过滤菌液,取滤液待用。根据Abinaya等[20]的方法配制牛奶琼脂固体培养基,待其凝固后用预先灭菌的牛津杯打孔,取200 μL上述滤液于孔中,平板置于28 ℃生化培养箱静置培养24 h,每处理组制作3 个平行,观察并测量透明圈直径。
杀鲑气单胞菌是一种运动细菌,能在软表面、微硬表面和成群半固体表面泳动[21]。参考文献[22]的方法配制群集、泳动培养基。群集培养基配方:1 g/100 mL蛋白胨、0.5 g/100 mL氯化钠、0.5 g/100 mLD(+)-葡萄糖、0.5 g/100 mL琼脂粉。泳动培养基配方:1 g/100 mL胰蛋白胨、0.5 g/100 mL氯化钠、0.3 g/100 mL琼脂粉。将5 μL过夜活化至二代、培养至对数生长期的杀鲑气单胞菌分别加入含终质量浓度0.02、0.04、0.06、0.08 mg/mL乙基麦芽酚的群集、泳动培养基中,在超净工作台内用无菌风吹干后放入28 ℃生化培养箱培养48 h,每处理组取3 个平行,测量其运动迁移直径。分别以100 μL体积分数50%甲醇溶液和终质量浓度20 μg/mL的C12-HSL信号分子为阴性和阳性对照。
使用Excel软件进行数据分析;运用Origin 9.0软件作图。
通过观察不同质量浓度(0~10 mg/mL)乙基麦芽酚对菌株CV026和杀鲑气单胞菌生长情况发现,乙基麦芽酚对CV026的最小抑菌浓度为0.1 mg/mL。由图1A可看出,经0.1 mg/mL乙基麦芽酚处理后的孔周围出现不透明、浑浊的白色抑制圈,表明在不抑制CV026正常生长的前提下,乙基麦芽酚能够抑制CV026紫色杆菌素的产生。这说明乙基麦芽酚能通过干扰QS报告菌株CV026的QS系统,进而影响紫色杆菌素的产生。同时,如图1B所示,质量分数为0.1 mg/mL的乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌的生长同样无抑制作用。因此,选取0.02、0.04、0.06、0.08 mg/mL作为乙基麦芽酚对CV026和杀鲑气单胞菌的亚抑菌质量浓度进行后续实验。
图1 乙基麦芽酚对CV026产紫色杆菌素(A)和杀鲑气单胞菌生长(B)的抑制活性Fig.1 Inhibitory effect of ethyl maltol against violacein production in strain CV026 (A) and growth of Aeromonas salmonicida (B)
由图2可知,在亚抑菌质量浓度下,随着乙基麦芽酚质量浓度增加,CV026的紫色杆菌素产生量逐渐下降,并且对CV026菌液OD595nm几乎无影响。与阴性对照相比,乙基麦芽酚质量浓度为0.08 mg/mL时,CV026紫色杆菌素产生量下降约71.55%,且下降幅度呈现剂量依赖性。结果表明,亚抑菌浓度下乙基麦芽酚不会干扰CV026的正常生长,其降低CV026产生紫色杆菌素的能力是通过干扰CV026的QS系统实现的。
图2 乙基麦芽酚对CV026菌株菌液OD595 nm和紫色杆菌素产生量的影响Fig.2 Effect of ethyl maltol on bacterial density and violacein production of strain CV026
图4 GC-MS测定杀鲑气单胞菌信号分子AHLs类型Fig.4 GC-MS profile of AHLs from Aeromonas salmonicida
由图3、4可知,6 种AHLs信号分子混合标准品分离效果良好、峰形尖锐;杀鲑气单胞菌所分泌信号分子的保留时间为11.334 min,由此确定其为C12-HSL。由图5可知,随着乙基麦芽酚质量浓度的增加,C12-HSL峰面积逐渐减小,且呈现浓度依赖性。结果表明,乙基麦芽酚可以抑制杀鲑气单胞菌的长链AHLs产生量,结合2.2节中乙基麦芽酚对CV026紫色杆菌素产生量的抑制作用,推测乙基麦芽酚既可以干扰CV026由外源短链AHLs所介导的QS系统,又对杀鲑气单胞菌所分泌的长链AHLs信号分子具有抑制效果。
图3 AHLs混合标准品的GC-MS图Fig.3 GC-MS profile of mixed AHLs standard
图5 乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌AHLs产生量的影响Fig.5 Effect of ethyl maltol on the production of AHLs from Aeromonas salmonicida
2.4.1 乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌生物被膜形成量的影响生物被膜是细菌的一种自我保护性生长方式,是细菌为适应自然环境,通过分泌胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)使细菌包裹在其中,进而不断繁殖形成的大量细菌聚集膜。细菌生物被膜的形成一般分为3 个阶段:首先,细菌通过鞭毛或菌毛等初始吸附于物体表面[23];然后,当细菌附着在生物或非生物表面并稳定后,细菌开始分泌EPS,这是一个不可逆的过程,EPS连续复制直到生物被膜完全成熟,完全成熟的生物被膜呈三维塔状结构,内部由小通道组成,可输送养分、水和废物[24];最后,生物被膜内的细菌繁殖产生不同的糖化酶,并上调鞭毛形成相关蛋白的表达,帮助细菌释放[25]。肖梦圆等[26]报道了QS抑制剂能够抑制铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌信号分子合成,从而干扰细菌生物被膜的形成。
由图6可知,亚抑菌质量浓度的乙基麦芽酚在不影响杀鲑气单胞菌生长的前提下,能有效抑制其生物被膜的形成,且呈浓度依赖性。相比于阴性对照,0.08 mg/mL乙基麦芽酚处理的杀鲑气单胞菌生物被膜相对形成率仅为28.8%,抑制率达71.2%,添加信号分子C12-HSL的阳性对照生物被膜相对形成率达到128.67%。由此可以看出,乙基麦芽酚可以通过干扰杀鲑气单胞菌的QS系统调控生物被膜的形成。
图6 乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌生物被膜形成的影响Fig.6 Effect of ethyl maltol on biofilm formation of Aeromonas salmonicida
2.4.2 乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌生物被膜形态的影响
利用扫描电子显微镜观察不同亚抑菌质量浓度乙基麦芽酚处理杀鲑气单胞菌形成的生物被膜形态。由图7可知,阴性对照组的生物被膜覆盖整张锌片,且结构均匀致密,出现一定的堆叠现象;而阳性对照组中生物被膜形态不仅结构致密粗糙,而且堆叠状态加深、厚度增加,结构更为复杂;添加乙基麦芽酚的杀鲑气单胞菌形成的生物被膜逐渐稀松,表面粗糙度随质量浓度的增大而降低,并且出现不同程度的破裂。乙基麦芽酚质量浓度为0.08 mg/mL时,杀鲑气单胞菌生物被膜覆盖率大大降低,且结构简单疏松。这与上述酶标法测定生物被膜相对形成率结果一致,印证了乙基麦芽酚可降低杀鲑气单胞菌生物被膜的形成能力。
活动引导式教学模式改变了传统的“灌输式”教学模式,这种教学模式能够很好地启发学生思维,突显以学生为中心的教学理念,对现阶段我国全方位进行的教学改革具有重要意义。在倡导素质教育、创新性人才培养大形势下,应该给以足够的重视,并加以推广。
图7 乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌生物被膜形态的影响Fig.7 Effect of ethyl maltol on biofilm morphology of Aeromonas salmonicida
水产品富含蛋白质、脂质、游离氨基酸等,这些成分为微生物生长繁殖提供了丰富的物质基础,使得含有丰富蛋白酶的腐败微生物在其中大量繁殖,导致水产品丧失原有的风味和品质,最终腐败变质[27]。由表1可知,亚抑菌质量浓度下随着乙基麦芽酚质量浓度的增大,胞外蛋白酶分解蛋白质产生的水解圈直径逐渐减小,0.08 mg/mL时抑制率达69.1%。同时,当添加外源信号分子C12-HSL时,胞外蛋白酶水解圈直径与阴性对照组相比明显增大。由此可以看出,杀鲑气单胞菌胞外蛋白酶活性是由AHLs所介导的QS系统调控,并且乙基麦芽酚通过干扰杀鲑气单胞菌的QS系统抑制其胞外蛋白酶活性。
表1 乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌胞外蛋白酶活性的影响Table 1 Effect of ethyl maltol on extracellular protease activity of Aeromonas salmonicida
细菌的主要运动方式有群集、泳动、滑行和蹭行,且主要通过鞭毛和菌毛实现。其中,群集是由鞭毛和菌毛在半固体环境中介导的一种运动方式,而泳动是由鞭毛单独介导的一种单细胞运动方式[28]。丁莉莎等[29]报道了运动缺陷型细菌形成生物被膜的能力会下降,即细菌的运动性与生物被膜的形成能力呈正相关,并且其运动性也是由QS系统起主要调控作用。
图9 乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌泳动的影响Fig.9 Effect of ethyl maltol on swimming motility of Aeromonas salmonicida
由图8、9可知,随乙基麦芽酚质量浓度的增加,杀鲑气单胞菌群集和泳动迁移直径与阴性对照相比均呈逐渐减小的趋势。当乙基麦芽酚质量浓度为0.08 mg/mL时,杀鲑气单胞菌的群集及泳动的迁移直径均仅约10 mm,分别较阴性对照组减少80.4%和82.1%。说明在此质量浓度下杀鲑气单胞菌的运动能力极微弱。当添加C12-HSL信号分子时,杀鲑气单胞菌的迁移直径明显增大。这与2.4节中乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌生物被膜的抑制作用结果一致。
图8 乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌群集的影响Fig.8 Effect of ethyl maltol on swarming motility of Aeromonas salmonicida
本实验通过测定乙基麦芽酚对QS报告菌CV026的紫色杆菌素产生情况的影响,并探究乙基麦芽酚对鱼类腐败菌杀鲑气单胞菌QS及其腐败活性的抑制效果。GC-MS结果表明,乙基麦芽酚可以抑制杀鲑气单胞菌分泌QS信号分子C12-HSL,结合乙基麦芽酚对CV026紫色杆菌素的抑制作用,进一步确定了乙基麦芽酚对细菌QS系统具有抑制作用。同时乙基麦芽酚对杀鲑气单胞菌分泌C12-HSL所调控的腐败表型,如生物被膜形成、胞外蛋白酶活性以及细菌运动性同样存在抑制作用。0.08 mg/mL乙基麦芽酚处理杀鲑气单胞菌的生物被膜相对形成率仅为阴性对照组的28.8%。扫描电子显微镜观察结果表明,乙基麦芽酚能够有效破坏杀鲑气单胞菌生物被膜结构。由此证明,乙基麦芽酚具有良好的QS抑制性,有望成为一种以QS为靶点的安全高效的新型水产品保鲜剂。但是其作用机理还不明确,可以通过分子对接、转录组学等手段进一步验证其抑制机理。