微生物群体感应系统在食品腐败过程中的应用

张 倩

（河北省产品质量监督检验研究院，河北石家庄 050000）

我国作为一个人口大国，食品资源极为丰富，且随着经济的快速发展，人们的生活水平不断提高，对食品的质量要求也越来越严格。近年来，在信息技术的高速发展中，腐败食品微生物群体感应系统的应用为食品资源的腐败与微生物的生长繁殖提供了新的研究方向。从当前的研究中可知，微生物群体感应系统能够通过自主产生的信号分子，诱导细菌之间的沟通与交流，并在细菌的细胞密度变化过程中，有效调控微生物的发育过程[1]。从微生物群体感应系统的研究角度出发，探究其在食品腐败过程中的具体应用，进而用深层次的理论解释微生物群体导致食品腐败的原理机制，对食品安全与食品保鲜具有重要的研究价值与意义。

1 微生物群体感应对食品腐败过程的潜在性影响

在食品学领域中，微生物活动是最终导致食品出现腐败与变质的主要原因[2]。而食品的营养组成、食品的品种以及食品的存储与包装情况都是引起食品中微生物活动和微生物种类产生差异的主要原因。细菌在能够促进自身生长的环境中，可以很轻松地感受到自身周围相关细菌的密度，群体感应在细菌繁殖中占据重要的作用。细菌可以利用群体感应系统来监控自身的群体密度变化情况，并在不断的繁殖过程中，生产或分泌特定的群体感应信号。这些信号会从细菌的细胞内渗透到细胞外，当群体感应信号达到一定的临界值时，就会与受体的蛋白产生一定的化学反应，并在结合中感受或激活某些群体感应基因。在研究中发现，不同的细菌所使用的群体感应类型是不同的，它所对应的信号传达方式与传导能力也有所不同[3]。因此，微生物群体感应将会以信号的方式对食品腐败过程产生一定的影响，但这种影响程度受到多样化的因素影响，所以对应的影响效果并不会完全相同。

2 具有代表性特点的群体感应系统

在食品中常见群体感应系统有很多类型，以费氏弧菌和铜绿假单胞菌为例，这两种细菌都属于革兰氏阴性菌，都是通过有效的信号来进行群体感应的有效调控，而且都极具有代表性，在食品发酵工程中起到了动态调节的作用。因此，对这两种细菌的研究中，能够看出群体感应系统的主要基因调控特点。

2.1 费氏弧菌的群体感应系统分析

费氏弧菌是一种来自于海洋的发光细菌，它作为革兰氏阴性菌的一种，主要通过高丝氨酸内脂实现群体感应介导并调节生物发光。在费氏弧菌中，主要的群体感应系统是由两个操纵子群组成的，这两个子群分别负责编码分子蛋白和参与信号分子合成。而当两个子群在群体感应中发生结构改变后，就会产生一定量的荧光素酶。海水中的费氏弧菌群体感应能力低，主要原因在于海水中的费氏弧菌浓度较低，使细菌周围的信号产生量少，合成的荧光素酶量极少，细菌无法形成发光的群体感应效果，如图1所示。而当费氏弧菌依附在海生动物（如鱼、乌贼）身体上，就会在群体感应上呈现另一效果，菌体周围的信号产生量会增多，且合成的荧光素酶也会增加，当群体感应达到一定程度时，荧光素酶基因就会启动，生物的身体上就会产生荧光效果。从群体感应的密度特点来看，费氏弧菌利用宿主的主体营养实现自身的细菌菌体繁殖，进而为宿主带来更好的保护，这正是两者互惠互利的最佳表现。

图1 费氏弧菌群体感应效果图

2.2 铜绿假单胞菌的群体感应系统分析

在具有代表性的群体感应系统中，铜绿假单胞菌也是一种极为常见的细菌，这种细菌同样属于革兰氏阴性菌。与费氏弧菌一样，它也是通过高丝氨酸内脂实现群体感应介导，并在群体感应系统的调控下，展开其生命活动的全过程。从理论的发展角度来说，铜绿假单胞菌是费氏弧菌的一种感应系统的延伸，它和费氏弧菌有着极为相似的感 应源。

铜绿假单胞菌的群体感应系统在层次结构方面，呈现复杂的网络状层次，其细胞内部包含了两套群体感应系统，这两套群体感应系统相互独立又彼此关联密切。实验证明，这两套群体感应系统之间存在一定的级联调控关系，在有效的系统调控管理状态下，第二套群体感应系统在完整、有活性的第一套群体感应系统控制下，可以被激活，并调节多种潜在的基因表达形式。所以，在铜绿假单胞菌群中，需要对两套群体感应进行有效控制，使其分别在适合时间运行起来，能够控制食品的腐败 过程。

3 食品腐败中细菌群体感应现象的主要作用

在整个食品腐败的发展过程中，通常来说只有一种（或几种）细菌是促进食品腐败的主要原因，这些细菌的最大特点是在食品中繁殖大量的有害物质，这些有害物质会散发刺鼻的味道，并给人体带来一定的伤害[4]。在食品学中，把这些特定的腐败细菌繁殖导致的腐败过程称为食品腐败的关键因素[5]。所以，当前在技术上对群体感应的研究主要集中在群体感应对特定腐败细菌繁殖的研究中。

从水产品的个体化特点来看，对水产品腐败过程的群体感应研究主要集中在水产品中的鱼类和虾类食品上。我国对水产食品的腐败变质研究主要集中在近20年的时间内，有专家学者在研究中发现鱼源假单细胞菌能够分泌一种可以调控自身代谢的蛋白酶，这种蛋白酶能够激活细菌的受体基因，并控制鱼类食品的致腐能力。还有专家在对海西瓦氏菌的研究中，发现它能够调控细菌的生物膜，使海洋类食品的腐败过程被控制与改变。在生物界中，有些信号分子能够作为细菌的生长动力学参数，促进海洋食品的腐败过程。因此，对群体感应系统的研究能够改变食品的腐败进程，并能够对食品的腐败速度进行有效干预。

4 微生物群体感应系统的具体应用策略与手段

4.1 利用群体感应抑制食品腐败

在微生物的衍生与繁殖过程中，食品会受到细菌的侵蚀而在品质、营养和感官方面产生一定的不良变化，进而影响食品的食用效果，使其丧失可食用性[6]。食品的腐败能够为人们的身体带来一定的不良影响，轻者伤及肠胃，重者导致生命危险。在食品卫生安全宣传时，人们经常看到由于食品腐败而导致的巨额损失或生命危机，这给食品的安全管控带来更加严格的挑战。多年的研究发现特定的微生物群体感应是导致食品腐败的主要原因。

在研究中发现，细菌群体感应系统的干扰抑制途径主要包括3类。①利用群体感应系统抑制信号合成，使信号分子无法互相传递。②利用群体感应系统促进细菌信号分子降解，使细菌自身产生的信号分子不足，而影响细菌的群体感应程度。③抑制信号分子与所在受体蛋白的有机融合，进而达到能够抑制食品腐败速度的效果。当前，由于大多的食品腐败抑制剂都是通过对信号分子的抑制而实现降低食品腐败速度的效果。很多人工合成的食品抑制剂虽然能够衍生具有极强的干扰细菌群体感应能力，自身带有一定的毒性，这给食品安全带来了一定的隐患问题。因此，若要提取安全的食品抑制剂，还需要从食品本身的群体感应系统来考虑食品防腐 问题。

4.2 利用群体感应系统抑制食品腐败实例研究

在果蔬类食品的腐败过程中，最直观的表现是果蔬会在腐败的过程中呈现直观的缺陷性变化。从对多种水果的研究中发现，在果蔬的微生物群体感应中，菌株生成的AHLs能够加快水果或蔬菜的腐败，而腐败菌果胶蛋白酶却能够抑制AHLs，通过对AHLs的有效调节能够降低蛋白酶和果胶酶在受体上的活性，从而延缓果蔬类食品的腐败 速度。

在对黄瓜腐败酶研究中发现，粘质沙雷氏菌也能够有效控制黄瓜中的胞外脂酶和蛋白酶，进而能够达到抑制黄瓜胞外果胶酸裂解酶的产生，并能够降低黄瓜纤维素的生产速度，从而为黄瓜保鲜带来更好的效果。在对微生物群体感应系统的研究中，越来越明显的展示出天然群体感应抑制剂具有毒性小且浓度低的特点，所以其应用对食品而言更具有安全性、可靠性。而人工群体感应抑制剂多采用人工合成的方式进行加工制作，且浓度较高、潜在一定的毒性，不适用于食品加工制作环节。在对群体感应的研究中，可以明显发现食品腐败过程源于群体感应，并受到群体感应的不良影响而加速了腐败的进程；同样，若要为食品保鲜，降低食品的腐败速度，也需要从群体感应系统角度出发，研究能够有效抑制群体感应系统对外传播信号分子的方法，进而抑制霉变的可能性，为食品带来更加长久的保鲜期的同时，不改变食品的品质与安全性。

5 结语

信息时代的发展给群体感应系统带来了更多的研究进展与发展方向，也给食品科学的研究带来了更多的奇迹。在人类不断提高的饮食要求标准中，深入探讨微生物群体感应系统对食品腐败的影响作用，并通过抑制生物群体感应系统信号传递的方式，降低与抑制食品腐败现象的发展速度，不但能够延缓食品的腐败进程，还能够给食品安全带来更科学的保障。微生物群体感应系统的不断深入研究，必将为食品科学的发展带来更多的惊喜。