梅邇藍, 包秋華
(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 食品科學與工程學院乳品生物技術與工程教育部重點實驗室農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶制品加工重點實驗室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)
細菌不可避免地受到不利于其生長的逆境環(huán)境條件脅迫。在逆境條件下,細菌細胞膜最先受到環(huán)境的刺激。通過掃描電鏡觀察應激細胞的形態(tài)特征,顯示細胞膜會產(chǎn)生一定程度的損傷[1-3]。細胞膜是包裹細胞質(zhì)的一層柔軟而富有彈性的半透性薄膜,由磷脂雙分子層和蛋白質(zhì)組成,是控制細菌細胞進行物質(zhì)交換的屏障,具有膜組分的不對稱分布和流動性等特點。磷脂雙分子層提供了細胞膜的基礎結構,其含有高度疏水的脂肪酸和相對親水的甘油兩部分,磷脂占膜脂質(zhì)總量的70%以上。細菌可以通過調(diào)節(jié)脂肪酸的種類和組成,調(diào)節(jié)細胞膜的流動性,維持膜的穩(wěn)定性及正常生理功能,以此來減少逆境對其造成的損傷[4-6]。有些微生物能在不良環(huán)境脅迫下進入活的不可培養(yǎng)(Viable but non-culturable,VBNC)狀態(tài)[7]。本文將從細菌逆境脅迫及誘導因子、細菌和部分VBNC態(tài)細菌在逆境脅迫下的膜脂肪酸種類及含量的變化以及脂肪酸的檢測方法等方面的研究進展做詳細介紹。
細菌逆境脅迫通常指對細菌生長和生存的各種不利環(huán)境因素的總稱,這些不利因素又稱誘導因子,如溫度、射線、鹽度或滲透壓、寡營養(yǎng)、干燥、pH的劇烈變化等[8-9],這些環(huán)境誘導因子均可以引起細菌發(fā)生一系列生理生化變化,從而產(chǎn)生應激反應。
目前VBNC 態(tài)的研究是其中一個熱點。VBNC態(tài)是指細菌在不良環(huán)境脅迫下,有些細菌僅保留很低的代謝活性但無法分裂,失去在培養(yǎng)基上形成菌落的能力,當給予合適條件時即可以恢復生長繁殖能力的狀態(tài)[7]。細菌VBNC態(tài)作為微生物學的一個全新概念,受到極大地關注,它對傳統(tǒng)的微生態(tài)學、食品安全、水質(zhì)監(jiān)測、菌種保藏及流行病學研究等均提出了新的挑戰(zhàn)[7,9-12]。目前已報道有100多種微生物可進入VBNC態(tài)[9],包括大腸埃希菌(Escherichiacoli)[9-10,12]、糞腸球菌(Enterococcusfaecalis)[9-10]以及一些致病菌如銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、沙門氏菌(Salmonella)、志賀氏菌(Shigella)[9-10]和奇異變形桿菌(Proteusmirabilis)[11]等。細菌的VBNC態(tài)細胞和活的可培養(yǎng)細胞之間存在生理和分子差異,主要表現(xiàn)在細胞壁和細胞膜組成、基因表達、黏附特性、毒力潛力、代謝、細胞形態(tài)以及物理和化學抗性。例如,大腸埃希菌在VBNC態(tài)誘導過程中細胞尺寸會減小,并且發(fā)生矮化并出現(xiàn)圓形細胞[12]。有些致病菌VBNC態(tài)在常規(guī)培養(yǎng)基檢測不到,但條件適宜又會復蘇,容易造成假陽性結果,對公共健康將造成嚴重威脅[9]。另外,食品工業(yè)中污染菌VBNC態(tài)會影響產(chǎn)品質(zhì)量,比如植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)[13]和短乳桿菌(Lactobacillusbrevis)[14]在低溫和脫氣的啤酒誘導下可進入VBNC態(tài),引起假陰性檢測,導致啤酒變質(zhì)。使得細菌逆境條件的變化研究具有重要意義。
溫度是對微生物生長最具影響的環(huán)境因素,在高于或低于最適生長溫度時,微生物會產(chǎn)生一系列應激機制來抵抗這種溫度變化。脅迫環(huán)境能夠誘導多種脅迫相關基因的表達,提高菌體適應脅迫環(huán)境的能力[15]。低溫微生物可以通過改變細胞膜脂肪酸組成及含量調(diào)節(jié)細胞膜的流動性和基本功能,比如提高膜脂中脂肪鏈雙鍵的數(shù)目,在低溫條件下多不飽和脂肪酸含量的增加會降低低溫對細胞膜流動性的影響[16]。熱脅迫會引起蛋白質(zhì)的變性和聚集,菌體內(nèi)產(chǎn)生一系列熱休克蛋白來提升菌體的耐受能力,有研究發(fā)現(xiàn)干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei) Zhang在43 ℃恒溫培養(yǎng)箱中連續(xù)傳代60 d,隨著熱脅迫時間的增加,耐熱性也呈現(xiàn)一定的增長趨勢,此外連續(xù)熱脅迫處理后的菌株生長性能較強,對熱脅迫的耐受性也較強,可見熱脅迫可使一些細菌產(chǎn)生熱應激反應,對細菌抵御逆境機制具有重要影響[15]。
改變細菌培養(yǎng)的營養(yǎng)底物、富營養(yǎng)化培養(yǎng)或者饑餓脅迫均會使細菌產(chǎn)生逆境脅迫機制,甚至進入VBNC態(tài)[17]。有研究表明外源脂肪酸的添加有助于巴氏醋桿菌(Pasteurellamultocida)應對乙醇的脅迫,添加不飽和脂肪酸會增強細胞膜流動性及透性,而添加飽和脂肪酸卻減弱細胞膜流動性及透性[18]。聚-β-羥丁酸酯(poly-β-hydroxybutyrate,PHB)是一種存在于許多細菌細胞質(zhì)內(nèi)屬于類脂性質(zhì)的碳源類貯藏物。Ralstoniaeutropha(富養(yǎng)羅爾斯通氏菌)H16的可培養(yǎng)性與溫度、營養(yǎng)物積累有很大關系,不能富集PHB的R.eutrophaΔphaC(PHB synthase gene,聚羥基丁酸酯合成酶基因)缺陷型菌株在PBS中從30 ℃降到5 ℃,24 h內(nèi)很快進入VBNC態(tài);正常細菌富集PHB后阻止其進入VBNC態(tài)[19]。
細菌在實際應用中遇到的脅迫條件是復雜和交叉的,各種脅迫往往同時發(fā)生,相互影響。Salmonellasenftenberg(山夫頓堡沙門氏菌 )CECT 4384受酸和冷應激組合后會提高其對熱(63 ℃)的耐受性[20]。發(fā)狀念珠藍細菌(Nostocflagelliforme)細胞具有一定的自我保護系統(tǒng),在高溫、鹽堿、重金屬以及兩兩交叉脅迫處理后,被發(fā)現(xiàn)可以抵御不良環(huán)境造成的輕度傷害[21]。干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei) ATCC 393酸脅迫預適應能夠顯著提高細胞對熱處理及氧處理的交互脅迫抗性,可能是因為酸脅迫改善細胞內(nèi)pH以及與細胞膜脂肪酸不飽和度相關[22]。
細胞膜是由磷脂構成的富有彈性的半透性膜,是防止胞外物質(zhì)自由進入細胞,將細胞與外界隔離的屏障,保證了細胞內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定。磷脂雙分子層構成細胞膜基本骨架,蛋白質(zhì)分子以不同的形式鑲嵌、貫穿或覆蓋在磷脂雙分子層表面,其中載體蛋白和通道蛋白對控制物質(zhì)進出細胞有選擇性調(diào)節(jié)作用,受體蛋白能感受外界各種化學信息進行細胞間的信息交流,磷脂雙分子層對細胞與外界環(huán)境相對隔離形成穩(wěn)定環(huán)境起到重要作用,分為親水端和疏水端,是一種由甘油、脂肪酸和磷脂所組成的分子。磷脂的親水和疏水雙重性質(zhì)使其具有方向性,由雙層磷脂構成的質(zhì)膜其疏水的兩層脂肪酸鏈相對排列在內(nèi),親水的兩層磷酸基則相背排列在外,類似G-細菌細胞壁外層的雙層磷脂結構(外膜),這種排列結構使細胞膜成為有效控制物質(zhì)通透的屏障可以執(zhí)行多種生物學功能[16,23]。細胞膜磷脂的脂肪酸組成及含量對細胞膜流動性起到關鍵作用,根據(jù)雙鍵數(shù)目將脂肪酸分為飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸兩類,飽和脂肪酸結構整齊,排列緊密有序,碳鏈間容易形成氫鍵,化學性質(zhì)較為穩(wěn)定,因而細胞膜流動性小;不飽和脂肪酸常溫下呈液態(tài),其中的不飽和鍵使脂質(zhì)分子尾部形成彎曲,導致脂肪酸排列疏松而無序,從而不易集結在一起,因而對保持膜的相對流動性具有重要作用[23]。流動性鑲嵌模型(圖1)是迄今為止備受關注的生物膜結構模型。
圖1 細胞膜的流動性鑲嵌模型Fig.1 Mosaic model of cell membrane fluidity
脂肪酸合成(Fatty Acid Biosynthesis, FAS)是生命活動的基石, 是所有生命體不可或缺的基礎代謝途徑之一。細菌具有Ⅱ型脂肪酸合成系統(tǒng)(FAS-II)。FAS-II是細菌體內(nèi)進行飽和/不飽和脂肪酸合成的唯一必需途徑,它是由一系列單一基因編碼的可溶性酶組成,通過依次循環(huán)式的識別和催化由酰基載體蛋白(ACP)價攜帶的脂肪酸碳鏈底物來實現(xiàn)特定長度飽和/不飽和脂肪酸碳鏈的延長和合成[24]。通常不飽和脂肪酸/飽和脂肪酸(UFA/SFA)比率被用作膜流動性的間接指標,具有高UFA/SFA 比率的細胞膜顯示出高流動性[20,25-27]。比如,干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei) Zhang適應性進化菌株(pH 4.3 MRS 培養(yǎng)基中連續(xù)傳代70 d)在酸脅迫條件下,細胞膜脂肪酸種類及含量會發(fā)生變化,UFA/SFA 比率由1.32增加到1.74,同時還通過增加脂肪酸鏈長度等,來減少由逆境脅迫引起的對細胞造成的傷害,提升耐酸性[25]。鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium)CECT 443在不同生長溫度下培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)在45 ℃培養(yǎng)時細胞的UFA/SFA比率為0.22,明顯小于培養(yǎng)溫度為10 ℃(0.65)和25 ℃(0.61),可見UFA/SFA比率隨著生長溫度的降低而升高,這一結果是由于不飽和脂肪酸比例增加,主要是C18∶1的變化,而飽和脂肪酸的比例幾乎保持不變,可見鼠傷寒沙門氏菌CECT 443對生長溫度降低的主要反應是膜脂不飽和脂肪酸水平的顯著增加[26]。這一結論在巴氏醋酸桿菌(Acetobacterpasteurianus)CICIM B7003進行乙酸耐受性試驗也得到驗證,發(fā)現(xiàn)乙酸誘導后飽和脂肪酸主要是棕櫚酸和硬脂酸的含量逐漸降低,不飽和脂肪酸主要是油酸的比例不斷升高,其含量由24 h的21.59%上升到發(fā)酵結束前的43.58%,推斷不飽和脂肪酸的增加會導致細胞膜流動性增強,對逆境環(huán)境產(chǎn)生脅迫機制[27]。
不飽和脂肪酸根據(jù)雙鍵數(shù)目有單不飽和、多不飽和之分。竇京嬌[28]對3株北極海冰細菌進行耐低溫及耐鹽度試驗,結果表明,低溫環(huán)境使菌體質(zhì)膜單不飽和脂肪酸含量升高,較為顯著的是C16∶1和C18∶1,推斷不飽和脂肪酸可能對維持細胞膜流動性起著關鍵作用;高鹽環(huán)境下培養(yǎng),C16∶1的相對含量顯著升高,由9.42%增加到12.94%,由此推測,可能在高鹽環(huán)境下C16∶1是維持細胞正常生長的一個關鍵因素。另外,對創(chuàng)傷弧菌在冷脅迫和寡營養(yǎng)的研究中也得出了類似的結論,創(chuàng)傷弧菌(Vibriovulnificus) 在人工海水中降溫至5 ℃后會進入VBNC態(tài),正常條件時,創(chuàng)傷弧菌的棕櫚酸(C16∶0)、棕櫚油酸(C16∶1)和硬脂酸(C18∶0)為主要的脂肪酸,5 ℃低溫保持24 d后,棕櫚油酸(C16∶1)增加,棕櫚酸(C16∶0)的脂肪酸組分急劇下降了5%,其膜脂肪酸發(fā)生的變化對其存活起到關鍵作用[29]。
通過研究細菌逆境下細胞膜脂肪酸的變化,一個潛在重要應用價值被發(fā)現(xiàn)。由于不飽和脂肪酸有降血脂、預防心腦血管疾病等功能,目前獲得不飽和脂肪酸的主要途徑是從魚油和植物種籽中提取,然而這種生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足大量的市場需要。鑒于有些微生物在逆境條件下可通過增加膜中不飽和脂肪酸的組成和含量來調(diào)節(jié)膜的流動性,根據(jù)這一特點,可以利用這類微生物制備不飽和脂肪酸。在研究耐冷細菌的適冷機制中發(fā)現(xiàn),耐冷細菌為了保持細胞膜的流動性,會在細胞膜上產(chǎn)生大量的脂質(zhì)與不飽和脂肪酸,這一機制為利用耐冷細菌制備不飽和脂肪酸提供了理論依據(jù),所以耐冷細菌可能作為長鏈不飽和脂肪酸的生產(chǎn)者則成為不飽和脂肪酸新的來源[30]。
有研究表明,不飽和脂肪酸增加并不是細菌單一的抗逆境機制,相反,在逆境環(huán)境中有些細菌的不飽和脂肪酸會減少,從而抵抗環(huán)境變化。對大腸埃希菌ATCC 43889分別經(jīng)50、60和70 ℃各10次熱脅迫處理并轉接10次培養(yǎng)后,熱脅迫菌株隨著熱脅迫溫度的升高,細胞膜中飽和脂肪酸C13∶0、C16∶0、C17∶0及其飽和脂肪酸總含量由30.96%逐漸升高到58.90%,而不飽和脂肪酸C14∶1、C16∶1、C17∶1、C18∶1n9t和C18∶2n6t及不飽和脂肪酸總含量由69.04%降低到24.60%,菌體細胞膜流動性下降,生物膜生成能力增強,一些外膜蛋白表達量提高,表達種類增加,菌株耐熱性增強,這些變化有利于其適應不利的熱脅迫環(huán)境,提高生存能力[31]。不同菌株在逆境條件下脂肪酸的變化統(tǒng)計見表1。
表1 不同菌株在逆境條件下脂肪酸的變化統(tǒng)計
研究細菌在逆境脅迫環(huán)境誘導下細胞膜脂肪酸種類及含量的變化時,脂肪酸提取方法對脂肪酸種類測定結果有很大的影響,故細菌細胞膜脂肪酸的提取方法受到廣泛重視。這是由于脂肪酸是細菌細胞膜的重要組成物質(zhì)之一,受細胞遺傳物質(zhì)的控制,具有靈敏度高的特點,在細菌中已發(fā)現(xiàn)300多種脂肪酸,每種細菌都有自己獨特的碳鏈長度、雙鍵位置和不同的功能團組合;又因為脂肪酸極性較強,且揮發(fā)性和穩(wěn)定性較低,提取方法的適用范圍不同,各有優(yōu)缺點[32]。
脂肪酸組成的分析通常通過氣相色譜法進行。傳統(tǒng)上,氣相色譜法脂肪酸樣品的制備包括兩個獨立的步驟:提取和甲基化[33]。這是因為細菌細胞中的脂肪酸主要是以酯化形式存在,因此需要將脂肪酸游離出來,但是游離狀態(tài)的脂肪酸沸點一般都很高,而氣相色譜法檢測只能分析低沸點的揮發(fā)性物質(zhì)。故在分析前,需要將游離脂肪酸轉變?yōu)楦讚]發(fā)的脂肪酸甲脂[32]。脂肪酸能否成功地全部轉化成游離狀態(tài)與提取的皂化時間、添加的皂化試劑緊密相關,游離態(tài)的脂肪酸能否全部轉化為易揮發(fā)性的物質(zhì)與提取時間和所用的甲基化試劑有密切關系[32]。MIDI Sherlock細菌鑒定儀就是根據(jù)不同細菌特有的脂肪酸種類和含量的差異,通過氣相色譜儀來鑒定細菌的。MIDI提取脂肪酸的方法是先用甲醇鈉使其在堿性條件下水解,然后在酸性條件下酯化。MIDI脂肪酸提取方法有給定的試劑配方和步驟[32,34-35]。不同的細菌脂肪酸提取方案可以在此基礎上進行優(yōu)化。比如劉國紅等[32]利用MIDI Sherlock細菌鑒定儀優(yōu)化了提取芽胞桿菌脂肪酸的皂化、甲基化時間及試劑用量,探索出最佳的脂肪酸提取條件,結果表明40 mg菌體的皂化時間維持在25~30 min的脂肪酸鑒定效果較好,皂化試劑用量對脂肪酸提取效果無顯著影響,甲基化試劑量為1.5 mL時檢測結果較好。
脂肪酸提取前還可以采用超聲等方法對細胞破碎,比如亓正良等[36]將細胞懸液用超聲波破碎儀破壁20 min (240 W 55 kHz,1 s/3 s),細胞破碎液8 000×g,離心10 min,取上清100 000×g超速離心1.5 h,沉淀即為細胞膜。
脂質(zhì)通常通過使用有機溶劑如氯仿/甲醇等從細胞或組織勻漿中提取[33]。目前最常使用的方法是Bligh & Dyer法[37],是由Bligh和Dyer于1959年首次提出從生物材料中提取和純化脂肪酸的方法,簡稱BD法。將生物材料組織與氯仿-甲醇的混合物(V生物材料組織∶氯仿∶甲醇=1∶2)進行混勻震蕩,加入氯仿及無菌去離子水,再加氯仿和超純水,使得體系中V氯仿∶V甲醇∶V水=2∶2∶1,震蕩20 min后離心,下層氯仿層包含萃取的所有脂質(zhì),取下層氯仿層加1 mol/L甲醇鈉-甲醇進行甲酯化獲得脂肪酸甲酯,即為純化的脂質(zhì)提取物[37-38]。
由于Bligh & Dyer法的甲酯化方法耗時耗力,可能導致樣品丟失和污染,并產(chǎn)生有機廢物,后續(xù)進行很多革新與改進,另一個通過三氟化硼-甲醇提脂肪酸方法被廣泛應用。Kang 等[33]利用三氟化硼甲酯化制備脂肪酸甲酯,對分析各種生物樣品中的長鏈脂肪酸組成有良好效果,Guerzoni 等[39]、李寶坤[40]均利用三氟化硼-甲醇作為甲酯化試劑提取生物材料脂肪酸都取得顯著成效。
細菌脂肪酸提取后,下步需要測定其脂肪酸種類及含量?,F(xiàn)階段有氣相色譜、高效液相色譜、離子色譜、毛細管電泳、原子吸收分光光度等測定方法[41]。
氣相色譜法(GC)是目前國內(nèi)外應用最為廣泛的一種脂肪酸檢測方法,具有分離度好、靈敏度高等特點[32,35]。梅邇藍等[38]利用氣相色譜法檢測干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)Zhang在模擬人工胃液下膜脂肪酸的變化,試驗檢測出7種飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸。高效液相色譜法(HPLC)一般來說對大分子、高沸點、熱穩(wěn)定性差、極性強的化合物分離具有顯著優(yōu)勢,而且分析過程條件相對溫和,高效液相色譜法具有“四高一廣”(高壓、高速、高效、高靈敏、應用范圍廣)的特點,可以被廣泛應用于不同類型脂肪酸的檢測。離子色譜法(ICE)較多用于分析細菌終末代謝酸的分析,其色譜分離條件也會大大影響分析結果的準確性,有研究對高效液相色譜法與離子色譜法進行對比研究,發(fā)現(xiàn)高效液相色譜法雖然線性檢測范圍寬, 但是檢出限相對高,離子色譜法雖然檢出限低,但是線性檢測范圍窄,如果進樣的質(zhì)量濃度過高會使得分離效果不佳,出現(xiàn)峰重疊的現(xiàn)象,還需對樣品稀釋后進樣[42-43]。
氣相色譜條件會影響物質(zhì)的分離度,如色譜柱長度、色譜柱填料顆粒大小、柱溫、載氣長度、載氣流速等均會對物質(zhì)的分離效果產(chǎn)生影響。毛細柱一般有15、30、50、60、100 m等幾種,一般15 m的柱子用來做10種物質(zhì)以下的快速檢測,柱長越長,樣品中各物質(zhì)分離的效果越好,若柱長過短可導致有些物質(zhì)無法分離出來,有試驗發(fā)現(xiàn)60 m的毛細管柱可分離出10種化合物[44]。100 m的色譜柱可分離25種脂質(zhì),當然這也與樣品本身種類、脂肪酸種類有關[44]。梅邇藍等[38]用60 m的柱子也可以區(qū)分37種脂肪酸甲酯標品。色譜柱填料顆粒越細,分辯效果越好,因為表面積增加,分離度就越高。柱溫應考慮樣品種類,當超過一定溫度時,靜態(tài)的液體通常會從色譜柱中揮發(fā)掉,所以選擇柱溫時應考慮到樣品的沸點,Hawas 等[46]提取細菌菌株脂肪酸及其他脂類物質(zhì)時檢測器的溫度設置為310 ℃,脂肪酸分離度較好,分析了飽和脂肪酸29種、不飽和脂肪酸23種。檢測器通常包括電子捕獲檢測器(ECD)、氮磷檢測器(NPD)、火焰離子化檢測器(FID)和質(zhì)譜檢測器(MSD),這些儀器的響應特性、靈敏度、檢出限和線性范圍都不同,需根據(jù)所測化合物性質(zhì)進行選擇,否則有些物質(zhì)在不適合的檢測器上的響應值很小或無響應。
表2 不同細菌膜脂肪酸的提取方法
色譜定量分析常見的方法有內(nèi)標法、外標法和面積歸一法。內(nèi)標物的選擇取決于待分析樣品中預期富含的脂肪酸。如十七碳酸(C17∶0)可以用作內(nèi)標,只要測定內(nèi)標物和待測組分的峰面積與相對響應值,即可求出待測組分在樣品中的百分含量。外標法是用已知濃度下定量的待測組分純品作為對照物質(zhì),以對照物質(zhì)和樣品中待測組分的響應信號相比較進行定量[47]。面積歸一法是把所有出峰的組分含量之和按100%計算,某一種脂肪酸含量用組分所占百分比表示,應根據(jù)試驗需求選擇適當?shù)纳V定量方法[38]。
以上這些方法各有優(yōu)缺點,需要針對生物材料的特點選擇合適的測定方法。
細菌為了抵御不利于生長的環(huán)境脅迫,通過接收和傳遞信號來響應這些變化,包括細胞膜脂肪酸組成與含量的改變、物質(zhì)的傳遞、細胞生長和增殖、基因表達、代謝活性以及其他一系列變化,其中細胞膜脂肪酸組成與含量的改變是細菌在不利條件下保持生存能力的保障,在逆境應激反應中起著重要作用。由于自然界中99%以上的微生物因各種環(huán)境壓力的驅(qū)使而處于不可培養(yǎng)態(tài),至此國內(nèi)外對VBNC態(tài)細菌的誘導、復蘇、檢測、機理等多方面研究還在不斷深入中。鑒于細胞膜在細胞生命活動中有復雜功能的結構重要性,所以在今后的研究中,應不斷優(yōu)化細胞膜脂肪酸的提取及檢測方法,提高檢測的高效性和精準度,以便獲得更準確的結果,為進一步解析細菌逆境脅迫機制提供參考。