李 萌，馬永生，李 瑩，趙前程

( 1.大連海洋大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116023; 2.遼寧省水產(chǎn)品分析檢驗(yàn)及加工技術(shù)科技服務(wù)中心，遼寧 大連 116023; 3.大連工業(yè)大學(xué)，海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，遼寧 大連 116034 )

我國(guó)2018年水產(chǎn)品總產(chǎn)量達(dá)到6.457 66×107t，水產(chǎn)品人均占有量達(dá)到46.28 kg[1]。隨著水產(chǎn)品消費(fèi)量的提高，由細(xì)菌引發(fā)的水產(chǎn)品安全問題頻繁發(fā)生[2]。98%以上的細(xì)菌會(huì)黏附于有生命或無生命物體表面后，產(chǎn)生大量的多糖、脂類等多聚物基質(zhì)包裹在自身菌體外，形成細(xì)菌生物膜保護(hù)細(xì)菌在惡劣條件下生存并轉(zhuǎn)移到新環(huán)境，加速細(xì)菌的交叉污染[3]。由于細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在水產(chǎn)品加工過程中經(jīng)清洗消毒工序仍難以有效清除，因此，控制水產(chǎn)品中細(xì)菌，特別是防控其形成的生物膜交叉污染食品，是控制水產(chǎn)品中食源性疾病發(fā)生的關(guān)鍵，也是保障食品安全的重要途徑之一。

噬菌體，作為一類生物抑菌劑，在自然界中分布廣泛，能夠?qū)Ｒ恍粤呀馑拗骷?xì)菌，普遍認(rèn)為對(duì)人體、動(dòng)植物均無害[4]。目前國(guó)外已有針對(duì)食源性致病菌大腸桿菌(Escherichiacoli)、李斯特菌(Listeria)和沙門氏菌(Salmonella)的商品化噬菌體制劑[5-6]。同時(shí)，噬菌體編碼的內(nèi)溶素和胞外多糖裂解酶也能有效清除特定的食源性細(xì)菌生物膜[7-8]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)食品工業(yè)中的細(xì)菌生物膜污染問題進(jìn)行了深入研究，并針對(duì)噬菌體及其裂解酶對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的細(xì)菌生物被膜抑制效果進(jìn)行了探討分析[9-12]。然而，仍缺少針對(duì)水產(chǎn)品中常見細(xì)菌生物膜的污染問題及相關(guān)噬菌體防控作用的研究分析，因此筆者針對(duì)噬菌體在水產(chǎn)品中細(xì)菌生物膜作用的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 水產(chǎn)品中細(xì)菌生物膜的形成及調(diào)控

不同種類的細(xì)菌、真菌、病毒和寄生蟲均會(huì)導(dǎo)致水產(chǎn)品食源性疾病，而由細(xì)菌污染和細(xì)菌毒素殘留引起的水產(chǎn)品食用安全問題占據(jù)較大比例?；魜y弧菌(Vibriocholerae)、副溶血弧菌(V.parahaemolyticus)、創(chuàng)傷弧菌(V.vulnficus)、嗜水氣單胞菌(Aeromonashydrophila)、沙門氏菌和單增李斯特菌(L.monocytogenes)等為引起水產(chǎn)品污染幾率較多的食源性致病菌[13]。另外，水產(chǎn)品由于富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分，在貯藏過程中也容易受到腐敗微生物污染導(dǎo)致腐敗變質(zhì)，希瓦氏菌屬(Shewanella)中的腐敗希瓦氏菌(S.putrefaciens)、波羅的海希瓦氏菌(S.baltica)以及假單胞菌屬(Pseudomonas)中的熒光假單胞菌(P.fluorescens)、惡臭假單胞菌(P.putida)等為有氧冷藏水產(chǎn)品中常見的優(yōu)勢(shì)腐敗菌[14]。這些水產(chǎn)品中常見的致病菌和優(yōu)勢(shì)腐敗菌均會(huì)在水產(chǎn)品、加工接觸面和水環(huán)境中形成生物膜(表1)。

1.1 常見食源性致病菌——弧菌屬

弧菌特別是霍亂弧菌、副溶血弧菌和創(chuàng)傷弧菌在世界范圍內(nèi)是水產(chǎn)品，尤其是雙殼類軟體動(dòng)物等濾食性動(dòng)物中的常見致病菌，引起的水產(chǎn)品食源性疾病是許多國(guó)家面臨的公共衛(wèi)生問題。

霍亂弧菌廣泛存在于河海口，產(chǎn)霍亂毒素的O1群和O139群菌株，會(huì)引起嚴(yán)重的腹瀉病從而引發(fā)霍亂的流行?；魜y弧菌能夠在浮游植物、浮游動(dòng)物、貝類等水產(chǎn)品以及食品加工廠不銹鋼等接觸面生成生物膜[15]?；魜y弧菌群體感應(yīng)系統(tǒng)(QS)通過抑制霍亂弧菌多糖(VPS)的生物合成對(duì)生物膜形成起到負(fù)調(diào)控作用，而3′,5′-環(huán)雙鳥苷酸(c-di-GMP)信號(hào)分子可通過促進(jìn)霍亂弧菌多糖的生長(zhǎng)，促進(jìn)生物膜的形成[16]。另外，環(huán)磷腺苷—受體蛋白(cAMP-CRP)會(huì)抑制霍亂弧菌多糖的合成以及生物膜基質(zhì)中蛋白質(zhì)的合成，抑制生物膜的形成[17]。

表1 水產(chǎn)品中細(xì)菌生物膜形成情況Tab.1 Summary of research on biofilm of foodborne and spoilage bacteria from fishery products

副溶血弧菌在水產(chǎn)品流通過程中容易產(chǎn)生交叉污染，導(dǎo)致腸胃炎甚至引發(fā)敗血癥[40]。它能夠在硅藻形成的甲殼素，長(zhǎng)牡蠣、大黃魚或其他來源的幾丁質(zhì)表面形成生物膜[18-21]。副溶血弧菌生物膜的形成機(jī)制與霍亂弧菌一致，受群體感應(yīng)系統(tǒng)和3′,5′-環(huán)雙鳥苷酸信號(hào)通路的調(diào)節(jié)。副溶血弧菌生物膜形成能力與細(xì)菌本身的細(xì)胞表面疏水性、自誘導(dǎo)因子(AI-2)生成量和蛋白酶活力呈正相關(guān)性[41]。Chung等[42]發(fā)現(xiàn)，編碼oxyR突變菌株生物膜生成量明顯低于野生菌株。黃倩等[43]研究表明，AphA蛋白能通過間接抑制scrABC和scrG基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)而促進(jìn)3′,5′-環(huán)雙鳥苷酸的合成，進(jìn)而促進(jìn)副溶血弧菌生物膜形成。

創(chuàng)傷弧菌在世界范圍內(nèi)的溫暖沿海水域和河口均有存在，且會(huì)污染蟹類、牡蠣、蝦類、蛤蜊和魚類等水產(chǎn)品[44-46]。Joseph等[22]的研究表明，創(chuàng)傷弧菌能夠在塑料、玻璃管和玻璃蓋玻片表面形成生物膜。創(chuàng)傷弧菌產(chǎn)生的莢膜多糖(CPS)、金屬蛋白酶(VVP)、脂多糖(LPS)和胞外多糖(EPS)等均與細(xì)菌的毒性作用密切相關(guān)，并對(duì)生物膜的生成具有一定的影響。有研究表明，莢膜多糖的表達(dá)會(huì)影響創(chuàng)傷弧菌在接觸物表面的吸附并抑制生物膜的形成[47]；創(chuàng)傷弧菌的2種群體感應(yīng)系統(tǒng)——LuxS/AI-2和smcR基因均對(duì)金屬蛋白酶的表達(dá)具有調(diào)控作用[23-24]；Kim等[25]發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)傷弧菌編碼的蛋白NtrC能夠通過調(diào)控脂多糖和胞外多糖的生物合成，進(jìn)而調(diào)節(jié)生物膜的生成。Park等[26]對(duì)牡蠣表面的創(chuàng)傷弧菌生物膜形成能力進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌胞外基質(zhì)蛋白CabA能夠有效促進(jìn)生物膜的形成。

1.2 常見食源性致病菌——沙門氏菌屬

沙門氏菌屬腸桿菌科細(xì)菌，致病能力強(qiáng)，會(huì)引起非傷寒沙門氏菌感染癥如急性腸胃炎，或是傷寒等烈性傳染病，是一種重要的食源性致病菌，在食品生產(chǎn)線的加工接觸面中均能檢測(cè)到其生物膜的存在，并引發(fā)多起水產(chǎn)品中毒事件[9]。沙門氏菌生物膜在不同的食品加工接觸面如不銹鋼、玻璃、鋁箔、聚乙烯和聚氟乙烯均存在不同程度的轉(zhuǎn)移率[31]。沙門氏菌生物膜能夠提高細(xì)菌對(duì)加熱、干燥、消毒劑和抗生素等外界環(huán)境的耐受能力，如Vestby等[32]對(duì)魚飼料廠和養(yǎng)殖廠分離的沙門氏菌生物膜形成能力的分析發(fā)現(xiàn)，在自然環(huán)境中耐受力越強(qiáng)的菌株，其形成生物膜的能力越強(qiáng)。沙門氏菌生物膜的調(diào)控機(jī)制非常精密復(fù)雜，生物膜生成受細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)中3′,5′-環(huán)雙鳥苷酸信號(hào)分子，群體感應(yīng)系統(tǒng)，基因調(diào)控系統(tǒng)如CsgD因子、RpoS因子、Crl因子、外膜蛋白OmpR、IHF因子、H-NS蛋白、CpxR系統(tǒng)、MlrA調(diào)節(jié)因子、Csr系統(tǒng)、BarA/SirA以及PhoPQ-RstA雙組分系統(tǒng)等的影響[33]。

1.3 其他常見食源性致病菌

1.3.1 嗜水氣單胞菌

嗜水氣單胞菌屬氣單胞菌屬，為一種典型的人畜共患病原菌。在水產(chǎn)品批發(fā)市場(chǎng)未經(jīng)加工的新鮮海鮮、蝦類或即食類水產(chǎn)品中，或在海水、淡水和污水環(huán)境中均檢測(cè)到嗜水氣單胞菌[48]。目前尚無嗜水氣單胞菌在水產(chǎn)品表面吸附形成生物膜的報(bào)告，但有研究表明，它能夠在不銹鋼、玻璃和生菜表面形成生物膜[27-29]。毛秀秀等[30]研究發(fā)現(xiàn)，致病性嗜水氣單胞菌能夠在聚苯乙烯酶標(biāo)板表面形成生物膜，且Cyt c4和MshQ基因與該菌的成膜性相關(guān)；同時(shí)，Jahid等[49]的研究表明，嗜水氣單胞菌生物膜的形成受培養(yǎng)條件中葡萄糖濃度的調(diào)節(jié)。

1.3.2 單增李斯特菌

單增李斯特菌是一類常見的食源性致病菌，分布廣泛，在低溫條件下仍可生長(zhǎng)繁殖，并已在淡水魚和蟹類等水產(chǎn)品原料以及熏魚，即食生鮮，蝦、貝類等水產(chǎn)加工產(chǎn)品中被檢出[50-51]。Takahashi等[52]研究表明，從即食水產(chǎn)品中分離的單增李斯特菌可形成生物膜。它可黏附在塑料和不銹鋼表面形成生物膜[34-35]。同時(shí)，常見的紫外線處理、干燥和消毒劑難以去除該類細(xì)菌的生物膜[53]。單增李斯特菌的生物膜與其致病性和耐藥性密切相關(guān)，影響其生物膜形成的關(guān)鍵因子有鞭毛糖蛋白，胞外DNA，胞外多糖，胞外結(jié)合蛋白和寡肽介導(dǎo)的Agr群體感應(yīng)系統(tǒng)等[36]。

1.4 常見優(yōu)勢(shì)腐敗菌

1.4.1 希瓦氏菌屬

希瓦氏菌能夠產(chǎn)生硫化物、胺類物質(zhì)以及引起魚臭味的特征物質(zhì)三甲胺，其中腐敗希瓦氏菌和波羅的海希瓦氏菌是海洋水產(chǎn)品中的優(yōu)勢(shì)腐敗菌。腐敗希瓦氏菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)條件需求低，可在加工廠接觸面形成纖維狀生物膜，并由于代謝產(chǎn)生的硫化物和鐵離子可對(duì)不銹鋼接觸面造成微生物誘導(dǎo)的腐敗現(xiàn)象，致使食品交叉污染的機(jī)會(huì)增多[37]。劉娜娜[38]研究表明，波羅的海希瓦氏菌可在玻璃片上黏附形成生物膜，且形成能力受群體感應(yīng)系統(tǒng)信號(hào)分子DPKs的影響。

1.4.2 假單胞菌屬

假單胞菌廣泛分布在土壤、水、食品加工廠環(huán)境中，會(huì)代謝產(chǎn)生大量醛、酮、酯和有異味的揮發(fā)性產(chǎn)物。假單胞菌屬在不同類型的介質(zhì)表面均容易形成生物膜，且受群體感應(yīng)系統(tǒng)和3′,5′-環(huán)雙鳥苷酸信號(hào)通路的調(diào)節(jié)影響[39]。假單胞菌屬中的熒光假單胞菌和惡臭假單胞菌為水產(chǎn)品中常見的優(yōu)勢(shì)腐敗菌，不僅自身具有較強(qiáng)的生物膜生成能力，同時(shí)能夠顯著提高致病菌生物膜的定殖黏附能力[54]。

2 噬菌體防控水產(chǎn)品中細(xì)菌生物膜的應(yīng)用

2.1 作用機(jī)制

噬菌體為細(xì)菌病毒，根據(jù)感染裂解細(xì)菌的方式被分為烈性和溶源性。烈性噬菌體的生長(zhǎng)繁殖見圖1a。吸附和裂解為烈性噬菌體生長(zhǎng)繁殖過程中的關(guān)鍵階段，保證噬菌體能夠?qū)⒆陨磉z傳物質(zhì)注入到宿主體內(nèi)感染細(xì)菌，并在最后階段成功釋放出子代噬菌體。在這“一進(jìn)一出”的過程中，細(xì)菌生物膜成為第一道屏障，部分噬菌體會(huì)編碼裂解胞外多糖的多糖降解酶，有效降解生物膜(圖1b)[55]。烈性噬菌體在裂解細(xì)菌后期編碼釋放的一類蛋白質(zhì)，具有裂解細(xì)菌細(xì)胞壁，降解生物膜的作用，此類裂解酶又稱為內(nèi)溶素(圖1c)。根據(jù)作用于細(xì)胞壁共價(jià)鍵位點(diǎn)的不同，噬菌體獨(dú)立進(jìn)化出了至少4種不同內(nèi)溶素，其中3類為水解酶，1類為糖基轉(zhuǎn)移酶[56]。因此，利用噬菌體及其編碼的裂解酶對(duì)細(xì)菌及其胞外多糖進(jìn)行降解，達(dá)到消除或減少生物膜的目的。

圖1 烈性噬菌體及其編碼的主要裂解酶Fig.1 The lytic bacteriophage and phage-derived lyasea.烈性噬菌體生長(zhǎng)繁殖過程； b.噬菌體吸附階段降解生物膜的多糖降解酶； c.噬菌體裂解階段降解革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌細(xì)胞壁的內(nèi)溶素.a.lytic life cycle of phages; b.polysaccharide depolymerase degrading the biofilm during the adsorption of the phage particle; c.structure of gram-positive bacteria cell wall and role of the endolysin during the bacteria lysis.

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

在食品加工過程中，交叉污染尤其是固體食品與食品加工接觸面之間的接觸污染(SFC)是食品工業(yè)中污染率最高的污染途徑[57]。因此，噬菌體及其裂解酶對(duì)水產(chǎn)品中細(xì)菌生物膜的抑制研究多以常見的食品加工接觸面材質(zhì)為基礎(chǔ)。已有的研究表明，單一的噬菌體或噬菌體混合液對(duì)食品加工接觸表面上致病菌和腐敗菌形成的生物膜均有一定的消除或抑制生長(zhǎng)效果(表2)。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，噬菌體編碼的裂解酶能夠有效地消除致病菌如豬鏈球菌(Streptococcussuis)、肺炎鏈球菌(S.pneumoniae)和金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)等形成的生物膜[73-75]。Oliveira等[63]研究發(fā)現(xiàn)，鼠傷寒沙門氏菌噬菌體編碼的內(nèi)溶素Lys68對(duì)聚丙烯塑料表面生物膜中細(xì)菌的清除率可達(dá)99%。Cornelissen等[72]發(fā)現(xiàn)，惡臭假單胞菌噬菌體φ15編碼的尾部蛋白具有多糖裂解酶的活性，當(dāng)φ15和尾部蛋白共同作用時(shí)對(duì)惡臭假單胞菌生物被膜的消除率約為37%，相同情況下單獨(dú)使用尾部蛋白無顯著消除生物膜效果。

表2 利用噬菌體及其裂解酶消除水產(chǎn)品中細(xì)菌生物膜的特性Tab.2 Application of bacteriophage and phage lyase in biofilm removal of bacteria in fishery product

2.3 應(yīng)用尚需解決的問題

噬菌體的高度專一性以及細(xì)菌的多樣性和易產(chǎn)生抗性的特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致噬菌體的抑菌性能降低[76]。水產(chǎn)品加工過程的清洗消毒工序諸如高溫、高壓、紫外線、pH、化學(xué)消毒劑等外界條件會(huì)對(duì)噬菌體制劑清除生物膜的效果產(chǎn)生影響。因此，商品化的噬菌體制劑多采用噬菌體混合液的方式，既解決單一噬菌體裂解譜較窄的問題，也降低目標(biāo)菌株產(chǎn)生抗性的概率。開發(fā)可耐受外界環(huán)境的噬菌體或內(nèi)溶素，如內(nèi)溶素Lys68可在高溫條件下裂解沙門氏菌生物膜[63]。采用蔗糖等保護(hù)劑和微膠囊化技術(shù)對(duì)噬菌體進(jìn)行有效保護(hù)，減緩加工過程中的嚴(yán)苛條件對(duì)其裂解性能的影響[77]。

噬菌體制劑的制備和安全檢測(cè)方法均較為成熟，可采用無致病性的菌株作為宿主菌，發(fā)酵擴(kuò)增噬菌體，并通過離子交換和超濾膜過濾等技術(shù)去除溶液中的細(xì)菌碎片或其他雜質(zhì)[78]。目前，已有去除噬菌體溶液中內(nèi)毒素的成熟方法，并有商品化的試劑盒可用于檢測(cè)噬菌體溶液中的內(nèi)毒素成分[79]。然而，噬菌體裂解酶多以重組表達(dá)的形式獲得，該類方法成本高，得率低，目前進(jìn)行商品化的難度較大。同時(shí)仍需要對(duì)實(shí)際應(yīng)用過程中的噬菌體或裂解酶進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以確保其食用安全性。此外，國(guó)內(nèi)尚未有針對(duì)噬菌體生物制劑生產(chǎn)使用相關(guān)的法規(guī)，消費(fèi)者對(duì)此類產(chǎn)品的態(tài)度也并不容樂觀[80]。

3 展 望

食源性致病菌和腐敗菌在水產(chǎn)品加工接觸面，非加工接觸面(如下水道、墻壁等)以及牡蠣、蝦、蟹等水產(chǎn)品表面均可能生成生物膜，加劇水產(chǎn)品腐敗和細(xì)菌污染問題，且生物膜形成能力與細(xì)菌本身多方面如群體感應(yīng)系統(tǒng)、信號(hào)分子、編碼的特殊蛋白和基因調(diào)控系統(tǒng)等密切相關(guān)。目前，國(guó)內(nèi)外生物膜研究更偏向于致病菌，而對(duì)于腐敗菌相關(guān)研究仍較少。同時(shí)，在實(shí)際環(huán)境中，并非單一細(xì)菌獨(dú)立生成生物膜，而是多種細(xì)菌在水產(chǎn)品或加工環(huán)節(jié)中相互影響共同作用，后期應(yīng)加強(qiáng)食源性混合菌種生物被膜的形成與種間相互作用研究。目前，已有商品化的噬菌體被應(yīng)用到食品加工環(huán)節(jié)中有效抑制致病菌的生長(zhǎng)繁殖，且針對(duì)細(xì)菌生物膜的防控研究具有一定的研究基礎(chǔ)。應(yīng)用噬菌體及其裂解酶對(duì)水產(chǎn)品表面細(xì)菌生物膜的抑制應(yīng)用仍然較少，并缺乏針對(duì)水產(chǎn)品或加工環(huán)境接觸面上的混合菌種生物膜的抑制作用研究。未來有待在闡明噬菌體及其裂解酶應(yīng)用安全性的基礎(chǔ)上，建立規(guī)范的生產(chǎn)使用技術(shù)，逐步推廣其在水產(chǎn)品細(xì)菌防控中的應(yīng)用。