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        李斯特屬細(xì)菌特征揮發(fā)性代謝物的鑒定分析

        2013-08-07 09:04:10喻勇新潘迎捷
        食品科學(xué) 2013年10期
        關(guān)鍵詞:二甲基電子鼻李斯特

        陳 雪,倪 鵬,喻勇新,潘迎捷,趙 勇,*

        (1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306;2.上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心,上海 201306;3.南通出入境檢驗檢疫局,江蘇 南通 226018)

        2010年的食品安全問題中,由食源性致病菌引起的事件數(shù)和中毒人數(shù)分別占總數(shù)的36.82%和62.10%[1]。最近,在美國暴發(fā)李斯特屬細(xì)菌(Listeria spp.)感染疫情,截至2011年10月2日,致17人死亡,84人染病。因此,對食源性致病菌的檢測己迫在眉睫。微生物氣味指紋技術(shù)作為一種快速、簡便和無損的方法,在微生物的分類、鑒別和檢測上的研究逐漸興起。微生物在生長過程中利用了環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì),在酶的作用下產(chǎn)生了揮發(fā)性代謝產(chǎn)物,由于個體不同,其代謝方式和途徑也不盡相同,所釋放的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的時間、數(shù)量、種類也有差別,這些差別構(gòu)建了微生物的氣味化學(xué)條碼。此條碼可以潛在的被用來作為微生物鑒定與檢測的依據(jù)[2-3]。

        近年來越來越多的研究者報道了基于氣味指紋技術(shù)在微生物檢測中的應(yīng)用,但是系統(tǒng)的分析揮發(fā)性代謝產(chǎn)物鮮有報道。在國外,有學(xué)者對一些細(xì)菌所產(chǎn)生的類似馬鈴薯氣味進(jìn)行了研究[4];結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析大腸桿菌的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物[5];用手提式電子鼻系統(tǒng)識別了牛肉中培養(yǎng)的沙門氏菌[6];建立了一種快速預(yù)測包裝的新鮮蔬菜中食源性致病菌的含量的方法[7]。比起細(xì)菌更早的是用于對真菌的研究[8-10]。在國內(nèi),氣味指紋技術(shù)在微生物檢測上的應(yīng)用相對較少,僅用于分析一些細(xì)菌的代謝產(chǎn)物及特定物質(zhì)的含量[11-14]。本實驗室對氣味指紋技術(shù)的研究以及在微生物檢測上的應(yīng)用具有一定的實驗基礎(chǔ)。實驗人員通過電子鼻技術(shù)成功區(qū)分3種細(xì)菌(蠟樣芽孢桿菌、單增李斯特菌、緩慢葡萄球菌)[15],且進(jìn)一步對單增李斯特菌培養(yǎng)不同時間后的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)該菌在生長8h后產(chǎn)生特有的揮發(fā)性物質(zhì)[16];還對一株分離自南美白對蝦的副溶血性弧菌與3株分離自豬肉中的假單胞菌進(jìn)行研究。結(jié)果顯示副溶血性弧菌經(jīng)純培養(yǎng)后,產(chǎn)生了明顯區(qū)別于空白純培養(yǎng)液的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物;3株假單胞菌的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物之間存在著差異,并列出相對應(yīng)的特有物質(zhì)[17-18]。以上結(jié)果均能證實氣味化學(xué)條碼可以被用來鑒定與檢測微生物。

        本實驗采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)與電子鼻技術(shù)對5種常見李斯特屬細(xì)菌的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物進(jìn)行了定性及相對定量的分析研究,得到5株細(xì)菌特有的氣味化學(xué)條碼,輔以電子鼻驗證其區(qū)分結(jié)果。實驗結(jié)果有望為今后微生物氣味指紋庫的建立提供數(shù)據(jù)支持,從而建立一種快速、簡便、無損的食源性致病菌新型檢測系統(tǒng)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與儀器

        腦心浸液肉湯(BHI,每升培養(yǎng)基中含有牛腦200.0g、牛心浸出汁250.0g、蛋白胨10.0g、葡萄糖2.0g、NaCl 5.0g、瓊脂20.0g) 英國Oxoid公司;固相微萃取裝置、萃取頭(50/30μm DVB/CAR/PDMS) 美國Supelco公司。

        GCMS-QP2010 Ultra氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀 日本島津公司;Fox-4000 Sensory Array Fingerprint電子鼻(E-nose) 法國Alpha MOS公司。

        1.2 樣品處理

        實驗菌株如表1所示。

        表1 實驗菌株Table 1 Five species of Listeria

        檢測樣品制備:將斜面保藏的菌種接種到8mL BHI液體培養(yǎng)基中,于37℃、180r/min的條件下?lián)u床培養(yǎng)(種子液)備用。

        GC-MS檢測:取稀釋一定梯度的1.5mL種子液于裝有13.5mL液體培養(yǎng)基的40mL頂空樣品瓶中,置于37℃、180r/min的條件下?lián)u床培養(yǎng)8h,用于GC-MS檢測,每組樣品3個平行。

        電子鼻檢測:取20μL的種子液于裝有2mL液體培養(yǎng)基的10mL頂空樣品瓶中,置于37℃、180r/min條件下?lián)u床培養(yǎng)8h,用于電子鼻檢測,每組樣品5個平行。

        1.3 檢測方法

        1.3.1 固相微萃取進(jìn)樣

        將培養(yǎng)后的樣品瓶于37℃水浴振蕩,用固相微萃取纖維頭萃取35min后,纖維頭插入進(jìn)樣口解吸5min進(jìn)樣。

        1.3.2 色譜質(zhì)譜條件

        色譜柱:Rxi-5 Sil MS(30m×0.25mm,0.25μm);SPL進(jìn)樣口溫度:250℃;不分流進(jìn)樣,進(jìn)樣時間:1min;柱溫程序:30℃保持3min,以5℃/min升至160℃,再以13℃/min升至250℃;柱流量:1.0mL/min恒線速度方式;接口溫度:280℃;離子源溫度:230℃;采集方式:掃描m/z 30~400。

        1.3.3 電子鼻條件

        頂空樣品進(jìn)樣(由進(jìn)樣器自動完成):加熱箱溫度37℃,振蕩速度500r/min,每個樣品加熱600s;分析條件:以合成的干燥空氣為載氣,流速150mL/min,注射體積2.5mL,注射針溫度47℃,注射針總體積2.5mL,注射速度2.5mL/s,獲取時間120s,延滯時間600s[15-16]。

        1.4 數(shù)據(jù)處理方法

        利用Origin軟件作圖,并運用PAST軟件中主成分分析法(PCA)與聚類分析法。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 樣品總揮發(fā)性代謝產(chǎn)物

        5株菌的揮發(fā)性代謝物總離子流色譜圖如圖1所示。

        圖 1 5種李斯特屬菌揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的總離子流圖Fig.1 Total ion chromatograms of volatile compounds from five Listeria spp.

        由圖1可見,5種李斯特屬細(xì)菌在原始色譜圖上具有差異。通過計算其皮爾森系數(shù)(Pearson correlation coefficient)的絕對值,進(jìn)一步比較5種菌的相關(guān)性,其絕對值越大表明相關(guān)性越強,結(jié)果見表2。除了格氏李斯特菌和綿羊李斯特菌的相關(guān)系數(shù)為0.810以外,其他菌株之間的相關(guān)系數(shù)均小于0.7,可見5株李斯特屬細(xì)菌的色譜圖存在著明顯的差異。其中,格氏李斯特菌和威爾士李斯特菌之間的相關(guān)系數(shù)為0.373,兩者的差異最為顯著。

        表2 5種李斯特屬菌揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的總離子流圖相關(guān)系數(shù)表Table 2 Correlation coefficients for total ion chromatograms of volatile compounds from five Listeria spp.

        實驗中GC-MS檢測的每個樣品均有3個平行檢測對象,通過計算平行色譜圖的皮爾森系數(shù)絕對值,進(jìn)一步評價試驗結(jié)果的穩(wěn)定性,所得平均皮爾森系數(shù)絕對值見表3。由表3可知,5個樣品的平行色譜圖彼此之間的相關(guān)性很高,均在0.890~0.946之間,即相似程度較高。由此可以推斷由GC-MS測得的氣味指紋重現(xiàn)性較好,具有形成區(qū)分、鑒定李斯特菌的氣味條碼的潛在能力。

        表3 5種李斯特屬細(xì)菌揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的總離子流圖平均相關(guān)系數(shù)表Table 3 Pearson coefficients for total ion chromatograms of volatile compounds from five Listeria spp.

        通過質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫檢索,確定其化學(xué)組成。共得到115種物質(zhì),并應(yīng)用峰面積歸一化法測定了它們的相對含量,其結(jié)果見表4。揮發(fā)性成分:空白培養(yǎng)基檢測出48種物質(zhì),英諾克李斯特菌檢測出59種物質(zhì),威爾士李斯特菌檢測出53種物質(zhì),綿羊李斯特菌檢測出52種物質(zhì),格氏李斯特菌檢測出52種物質(zhì),單增李斯特菌檢測出67種物質(zhì)。5株李斯特屬菌培養(yǎng)后的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物具有一定的差異。

        2.2 樣品間共有物質(zhì)

        在對6個樣品的檢測中,共得到的揮發(fā)性物質(zhì)有11種。分別為2,3-丁二酮、2-丁酮、異戊醛、羥基丙酮、甲苯、2,5-二甲基吡嗪、甲氧基苯基肟、苯甲醛、2-羥基萘、十四烷、正二十烷。其中除去異戊醛、苯甲醛、十四烷、正二十烷4種物質(zhì)較空白培養(yǎng)基的含量有增有減外,其他共有物質(zhì)的含量均有增加。

        在5種菌培養(yǎng)液的檢測中,相對于空白培養(yǎng)基新產(chǎn)生的共有物質(zhì)有6種。分別為乙醇、丙酮、3-羥基-2-丁酮、乙酸丁酯、3-甲硫基丙醛、6-丁基壬烷。

        2.3 樣品特有揮發(fā)性代謝產(chǎn)物

        從生物分類學(xué)角度上比較,5株李斯特菌它們的遺傳信息存在一定的差異,而這種差異可能使不同細(xì)菌對培養(yǎng)基分解能力出現(xiàn)差別,代謝途徑不同從而造成其代謝產(chǎn)物不同。

        在檢測結(jié)果中也得到了每種菌培養(yǎng)后所獨有的物質(zhì)。英諾克李斯特菌特有物質(zhì):二硫化碳、D-樟腦、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚;威爾士李斯特菌特有物質(zhì):3,4-二甲基己烷、5-甲基癸烷、異十三醇、丁基壬烷、4-甲基十四烷、2-異丙基-5-甲基-2-庚醇、3-甲基十七烷、5-甲基-6-丙基壬烷;綿羊李斯特菌特有物質(zhì):反-2-庚烯-1-醇、1,3-二氫異苯并呋喃、苯乙醇、左旋樟腦;格氏李斯特菌特有物質(zhì):氯氟乙酰胺;單增李斯特菌特有物質(zhì):二甲基硫、3-甲基-2-(3-甲基-2-丁烯基)呋喃、3-甲硫基丙醇、3,9-二甲基癸烷、2-丙基-1-庚醇、10-甲基十九烷、9-己基十五烷。以這些物質(zhì)成分的保留時間及相對含量為特征,形成5種常見李斯特菌特有的氣味化學(xué)條碼具有潛在可能性。

        2.4 樣品中主要成分及含量

        在空白培養(yǎng)基中,揮發(fā)性成分中相對含量較高的10個化合物占所有化合物總含量的62.1%。分別是:氨基脲、乙酰肼、異戊醛、2,2,3,4-四甲基丁烷、二甲基二硫、2,3,3-三甲基戊烷、2,5-二甲基吡嗪、2-乙基吡嗪、苯甲醛、3-乙基-2,5-甲基吡嗪。

        英諾克李斯特菌揮發(fā)性成分中相對含量較高的10個化合物占所有化合物總含量的55.88%。分別是:氨基脲、異丁醛、異戊醛、2-甲基丁醛、二甲基二硫、2,5-二甲基吡嗪、苯甲醛、乙醇、丙酮、3-羥基-2-丁酮。

        威爾士李斯特菌揮發(fā)性成分中相對含量較高的8個化合物占所有化合物總含量的44.97%。分別是:異戊醛、二甲基二硫、2,5-二甲基吡嗪、苯甲醛、3,8-二甲基癸烷、正二十烷、6-丁基壬烷、2,3,4-三甲基戊烷。

        綿羊李斯特菌揮發(fā)性成分中相對含量較高的10個化合物占所有化合物總含量的71.17%。分別是:異戊醛、醋酸、2,5-二甲基吡嗪、苯甲醛、3-乙基-2,5-甲基吡嗪、甲硫醇、乙醇、乙酸異戊酯、奧肼、異戊醇。

        格氏李斯特菌揮發(fā)性成分中相對含量較高的10個化合物占所有化合物總含量的73.72%。分別是:異丁醛、異戊醛、2,5-二甲基吡嗪、苯甲醛、乙醇、乙酸異戊酯、奧肼、異戊醇、2-甲基丁醇、氯氟乙酰胺。

        單增李斯特菌揮發(fā)性成分中相對含量較高的9個化合物占所有化合物總含量的50.3%。分別是:異戊醛、2-甲基丁醛、2,5-二甲基吡嗪、苯甲醛、乙醇、丙酮、DL-丙氨酰-L-丙氨酸、甲酸異丁酯、二甲基二硫。

        表4 5種李斯特屬菌揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的化學(xué)組成Table 4 Chemical compositions of volatile compounds of five Listeria spp.

        續(xù)表4

        2.5 電子鼻檢測

        通過電子鼻對樣品氣味的整體指紋信息進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。電子鼻檢測原始數(shù)據(jù)的主成分分析結(jié)果見圖2。

        圖 2 電子鼻檢測結(jié)果Fig.2 Results of electronic nose detection

        從圖2可知,由于不同氣體樣本的物質(zhì)組成不同,從而得到傳感器不同的感應(yīng)信號。通過儀器模式識別系統(tǒng)對樣品氣味的整體指紋信息進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析,電子鼻能夠較好的區(qū)分5種李斯特菌,同時也說明了5種菌的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物存在一定差異。圖中5個平行能夠聚集在一起,表明電子鼻具有較好的重復(fù)性。各組樣品的整體氣味之間存在差異,由于差異程度不同,樣品之間又具有相似性。5種菌培養(yǎng)物的氣味都能夠與空白培養(yǎng)基(CK)的氣味區(qū)分開,英諾克李斯特菌、威爾士李斯特菌的氣味與綿羊李斯特菌的氣味相近,區(qū)別于格氏李斯特菌、單增李斯特菌的氣味。結(jié)果顯示基于電子鼻的氣味指紋技術(shù)能夠很好的將5種李斯特菌區(qū)分。

        表5 電子鼻5次重復(fù)檢測值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 5 Relative standard deviation from five replicates of electronic nose detection

        通過分析各樣品5次重復(fù)、18根傳感器檢測值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差,見表5,RSD范圍在0.395%~3.634%,5種樣品的平均相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.074%、1.400%、1.588%、2.571%、1.528%,表明傳感器有良好的檢測重復(fù)性。

        2.6 樣品間氣味物質(zhì)聚類分析

        以6個樣品的共有揮發(fā)性物質(zhì)和培養(yǎng)后5種菌新產(chǎn)生的共有揮發(fā)性物質(zhì)的種類以及相對含量做聚類分析,是利用樣品間歐氏距離的相似性對樣品空間進(jìn)行分類,如圖3所示。

        圖 3 樣品間的聚類圖Fig.3 Cluster analysis of five Listeria spp. and relative contents of new volatile comounds common to their metabolites

        從兩部分圖中均可得5種菌培養(yǎng)后的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物存在差異性。在對6組樣品的共有揮發(fā)性物質(zhì)的種類和相對含量進(jìn)行比較中(圖3A),綿羊李斯特菌與格氏李斯特菌的氣味相似;英諾克李斯特菌與單增李斯特菌的氣味相似;而威爾士李斯特菌的氣味明顯區(qū)別于其他菌。在對5種菌培養(yǎng)后新產(chǎn)生的共有的揮發(fā)性物質(zhì)的種類和相對含量進(jìn)行比較中(圖3B),綿羊李斯特菌與格氏李斯特菌的氣味相似,其次是英諾克李斯特菌和單增李斯特菌;同樣威爾士李斯特菌的氣味明顯區(qū)別于其他菌。從圖3顯示的歐式距離來看,根據(jù)共有揮發(fā)性物質(zhì)的種類和相對含量能夠更好的區(qū)分各個樣品,而它們所形成的化學(xué)條碼也更能體現(xiàn)各樣品的特征。

        為了比較6個樣品間共有揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的差異性,使用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。分析結(jié)果中所有P值均小于0.05。如表6所示,在對每一種揮發(fā)性化合物的比較上,樣品間均有顯著差異。表明以共有揮發(fā)性代謝產(chǎn)物形成的化學(xué)條碼能夠很好的體現(xiàn)出樣品間的差異特征。說明此氣味指紋有望成為區(qū)分、鑒定5種李斯特菌的化學(xué)條碼。

        表6 5種李斯特屬細(xì)菌共有揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的相對含量Table 6 Contents of volatile compounds common to five Listeria spp.

        3 討 論

        本研究所用的李斯特菌目前分為6個種,即單核細(xì)胞增生李斯特菌、英諾克李斯特菌、西爾李斯特菌、威爾士李斯特菌、綿羊李斯特菌和格氏李斯特菌,其中只有單增李斯特菌和綿羊李斯特菌有致病性[19]。單增李斯特菌是人蓄共患病病原菌[20],可以忍受較大范圍的pH值、溫度以及鹽脅迫,可在4℃繁殖生長[21]。因此,加強食源性單增李斯特菌的檢測及監(jiān)測,勢在必行。

        據(jù)報道,除少數(shù)李斯特菌病爆發(fā)的案例與4a和4c血清型有關(guān),大約有98%的李斯特菌病病例是由含1/2a,1/2b和4b這3種血清型的單增李斯特菌引起的,因此它們是引起人類疾病的主要血清型[20]。本研究得到了血清型為4b的單增李斯特菌與其他李斯特菌共有的揮發(fā)性代謝化合物及相對含量;形成的化學(xué)條碼,有望用來做為單增李斯特菌鑒定的依據(jù)。且得到了其培養(yǎng)后特有的氣味指紋化合物,形成了特有的化學(xué)條碼(二甲基硫、3-甲基-2-(3-甲基-2-丁烯基)呋喃、3-甲硫基丙醇、3,9-二甲基癸烷、2-丙基-1-庚醇、10-甲基十九烷、9-己基十五烷)。還比較了樣品的主要揮發(fā)性代謝物質(zhì)種類與相對含量,完善了化學(xué)信息,可以為今后食源性致病微生物氣味指紋庫的建立提供數(shù)據(jù)支持。但是考慮到應(yīng)用氣味指紋技術(shù)進(jìn)行鑒定、檢測是一項正在探索中的研究,想要其具有實際的應(yīng)用價值需要考慮到氣味指紋的穩(wěn)定性、重復(fù)性等。研究中得到主要信息來源于化學(xué)統(tǒng)計分析,并沒有深入到分子層面。對擁有相同致病血清型的菌株之間的化學(xué)信息進(jìn)行研究更具有意義。所以,在接下來的工作中將討論氣味指紋的穩(wěn)定性與重復(fù)性,并對擁有相同病血清型的菌株進(jìn)行指紋分析。

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