水产品中微生物相互作用机制研究进展

钱韻芳，林 婷

(上海海洋大学 食品学院 上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306)

我国是水产品生产和消费大国，自20世纪90年代以来，水产品总量一直位居世界第一，至2018年，全国水产品总产量达6 457.7万t[1]。水产品是优质蛋白的重要来源，不仅肩负着增加人类食物资源的重任，更担负着提高人类健康水平的使命。中国农业农村部的报告指出，与肉类相比，水产品是一种更有效的蛋白质来源，具有额外的饮食益处。中国农业农村部在《2018—2027年农业展望》中预测，中国的水、海产品每年消费量将增加到人均25 kg，城市地区的消费量将增加到人均30 kg[2]。然而，水产品因具有高水分、高蛋白等特点，在贮运过程中极易受到微生物侵染而发生腐败变质[3]，且该腐败变质过程往往是多种微生物共同作用的结果[4]。本文中，笔者阐述水产品中常见腐败微生物，探讨微生物之间相互作用及其对水产品腐败的影响，回顾相关保鲜技术的研究现状，以期加深对微生物相互作用关系的认识，为水产品新型保鲜技术的开发提供参考。

1 水产品中的主要腐败微生物

贮藏水产品的方式有很多种，最常用的就是低温贮藏，因为低温可以控制微生物的生长繁殖和抑制酶的活性[5-7]，但是仍然有部分微生物能在低温下生长。在一定条件下生长繁殖成为优势菌群并代谢产生腐败产物、最终导致食品腐败变质的微生物即特定腐败菌(SSO)[8-9]。低温冷藏水产品中常见腐败微生物主要有假单胞菌属(Pseudomonas)、希瓦氏菌属(Shewanella)、肉食杆菌属(Carnobacterium)、沙雷氏菌(Serratia)、发光杆菌(Photobacterium)等，但不同水产品来源的适冷菌种类和数量差异显著，与其种类、贮藏条件、原料来源等因素有关(表1)[10-11]。微生物菌群结构测定结果还有可能受到检测方法的局限和影响。通常来说传统分离鉴定方法可能无法检测到活的不可培养状态的细菌，而近年来借助高通量测序等基于16S rRNA的现代分子生物学技术在食品领域的应用，使得人们对水产品中的优势腐败菌及其菌群结构有了更全面的认识。但高通量测序技术等现代分子生物学技术同样存在不能帮助分离菌株，无法区分活菌和死菌导致丰度偏高等问题[12-13]，因此建议结合两种或两种以上的分析技术进行检测。

2 腐败微生物对水产品品质的影响

研究表明在水产品贮藏后期，其腐败变质主要由微生物活动所引起[33]。微生物对水产品产生的影响主要归纳为3个方面：①微生物代谢产生的蛋白酶、酯酶等分解水产品中的蛋白质、脂质等营养物质，导致肌肉质构特性及营养价值的改变[30-32]；②微生物形成被膜等物质，导致水产品发黏；③微生物进一步代谢氨基酸、寡肽产生H2S、三甲胺(TMA)、腐胺、尸胺等小分子挥发性气味物质[30]，其中异味物质的形成是微生物介导的水产品品质下降的主要因素。不同微生物对水产品气味的形成影响不尽相同[3]。Jaffrès等[34]研究了单独接种6种腐败菌的去壳熟虾气味成分变化情况，发现热死环丝菌(B.thermosphacta)产生酸奶酪味，液化沙雷氏菌(S.liquefaciens)贡献烂卷心菜样氨臭味，而麦芽肉食杆菌(C.maltaromaticum)使虾产生了酸奶酪黄油的气味。刘爱芳等[35]研究了假单胞菌(Pseudomonasspp.)、不动杆菌(Acinetobacterspp.)和热死环丝菌(B.thermosphacta)对冷藏金枪鱼品质的影响，结果表明假单胞菌的蛋白酶水解、腐败产物挥发性盐基氮(TVB-N)的产生能力强于其他两株菌。毕伟伟等[36]对比研究了波罗的海希瓦氏菌(S.baltica)和杀鲑气单胞菌(A.salmonicida)分别接种于灭菌鱼汁中的TVB-N产量情况，发现波罗的海希瓦氏菌具有更强的致腐败能力。黄佳奇等[37]分别对冷藏小黄鱼3种优势腐败菌致腐能力进行评价并对其对挥发性成分分析，结果发现希瓦氏菌属(S.glacialipiscicola)产生的气味物质量最大，致腐能力与变形杆菌属(P.hauseri)相当，均强于普罗威斯登菌属(P.heimbachae)。Qian等[38]对比分析接种腐败希瓦氏菌、气单胞菌和肉食杆菌的南美白对虾品质变化时发现，腐败希瓦氏菌更容易产生硫臭味，对虾品质劣变起主要作用。这些文献报道侧重单一腐败菌对水产品品质的影响，然而在实际冷藏过程中，水产品的品质变化则可能受到多种微生物的共同作用。

表1 水产品中常见的特定腐败菌Table 1 Specific spoilage organisms of different aquatic products in different situation

3 微生物之间的相互作用与群体感应

李婷婷等[39]研究发现腐败希瓦氏菌(S.putrefaciens)与蜂房哈夫尼亚菌(H.alvei)共培养可明显加速无菌大菱鲆鱼块的腐败变质。S.putrefaciens与假单胞菌同样存在相互促进作用并加速虾汁中腐败代谢产物的生成[40]，还能促进温和气单胞菌(A.sobria)的生长和代谢[41]。Mejlholm等[42]将肉杆菌(C.maltaromaticum)和热死环丝菌(B.thermosphacta)混合接菌，对虾上产生了单一接菌组所没有的腐败异味物质，说明微生物间的相互作用对食品气味的形成具有重要影响[43]。这些研究说明这几种微生物之间存在促进作用，共培养下加速了水产品腐败进程。

另一些微生物相互组合混合培养后则可能产生拮抗作用。Nadell等[44]提到荧光假单胞菌(P.fluorescens)分泌胞外被膜等物质有助于提高其在菌群中的竞争力。Jahid等[45]研究表明铜绿假单胞菌和荧光假单胞菌在不影响自身生物膜形成能力的情况下，能够抑制嗜水气单胞菌在蟹体表面的生物膜形成。南美白对虾中筛选出的腐败希瓦氏菌(S.putrefaciens)对嗜水气单胞菌(A.hydrophila)也有微弱的拮抗作用[42]。这种通过产生对抗性代谢物，如有机酸或者细菌素等物质可对其他物种产生非特异性竞争现象的抑制作用被称为“詹姆逊效应”[46-49]。

细菌之间的相互作用还可能与群体感应(QS)[50-51]现象有关。群体感应是细菌通过感知外界环境或菌群浓度的变化，自发产生和释放一些特定的信号分子，从而完成细胞与细胞间的交流、调节微生物群体行为的一种方式[50]。研究发现，群体感应现象广泛存在，革兰氏阳性(G+)和阴性(G-)细菌都可以进行种内和种间交流，从而监测种群密度和调节基因表达[51-52]。细菌种内和种间交流需要通过QS信号分子实现，而不同种类细菌的QS信号分子各不相同，根据其结构大致可分为5类：①N-酰基-高丝氨酸内酯(AHLs)类信号分子，常见于G-菌中；②修饰的寡肽类化合物(AIPS)，常见于G+菌；③呋喃酰硼酸二酯(furanosylborate diester)，自诱导物AI-2，G+菌和G-菌中均有存在；④环肽类化合物(DKPs)[53]；⑤其他信号分子，如扩散信号因子(DSFs)、4-羟基-2-烷基喹啉类(HAQs)、羟基-棕榈酸甲酯PAME等[3]。近年来国内外学者从大黄鱼、大菱鲆、南美白对虾等腐败水产品都检测到了QS信号分子[54-58]。通过对细菌生长情况的监测发现QS信号分子不仅影响了其生长动力学参数[59]，促进被膜生成[60]，还可加快水产品的腐败进程[32,61]，进一步证实QS对水产品的腐败变质可产生影响。

4 微生物拮抗作用及QS抑制剂在水产品保鲜中的应用

利用微生物菌群相互作用的原理，近年来国内外学者探索了相关生物保鲜方法，并将其应用到水产品保鲜中。谢晶等[62]研究发现温和气单胞菌(A.sobria)与嗜水气单胞菌(A.hydrophila)和P.fluorescens培养液上清(CFS)对腐败希瓦氏菌(S.putrefaciens)生长及腐败产物累积的抑制效果更明显，Ye等[63]进一步研究表明A.sobria的CFS能够延缓冷链物流过程中温度变化对南美白对虾品质的劣变作用。Zhao等[64]研究发现荧光假单胞菌(P.fluorescens)培养液上清CFS可以抑制波罗的海希瓦氏菌(S.baltica)生物被膜的增长、三甲胺和生物胺的累积，对CFS成分测定发现其中含有多种QS信号分子，其中AHLs对S.baltica的生长起抑制作用，而DKPs则促进腐败。Jahid等[45]的研究同样发现铜绿假单胞菌和荧光假单胞菌对嗜水气单胞菌在蟹体表面的生物膜形成的抑制作用与群体感应效应有关。这些研究说明：一方面，细菌可释放QS信号分子，通过菌群间信息交流促进水产品的腐败；另一方面，一些细菌释放的QS信号分子通过抑制其他竞争者微生物的生长使其能够占据种群的生存优势。这种微生物种间拮抗特性有望被进一步开发利用，形成用于食品的防腐保鲜生物拮抗保鲜剂，而目前研究开发相对较多的生物防腐剂仅以乳酸菌为主[65-67]。

此外，国内外学者也在尝试通过干预特定微生物的QS系统，阻碍微生物之间的“信息交流”，从而达到降低危害因子的表达水平或延缓腐败的目的，即群体感应淬灭(QQ)[68]，能够起到该作用效果的物质被称为群体感应抑制剂(QSI)。近年来，国内外学者研究了各种具有潜在活性的天然或合成的群体感应抑制剂[69-70]，其中也发现部分微生物能够释放QSI，部分具有代表性的化合物如表2所示。

表2 几种具有代表性的群体感应抑制剂Table 2 Representative studies on natural QSI molecules against spoilage microorganisms

目前有关微生物的QSI的研究还处于初期阶段，一些细菌产生的QSI可能仅对另一些特定物种起到抑制作用，其具体机制还有待进一步研究确认。

5 结语与展望

水产品作为一种成分复杂的基体，其腐败变质往往是多因素共同作用的结果，尤其是微生物间的相互作用对水产品腐败气味的产生和有害物质生成等具有极为重要的影响。近年来随着微生物生态学在食品领域的应用，水产品腐败过程中菌群组成和演替规律逐渐被揭示，优势腐败菌之间的相互作用也越来越受到重视。

然而，从目前已有的相关研究可知，水产品微生物群落多样，微生物间的相互作用关系复杂，受到代谢产物的相互利用、营养素竞争、群体感应等多个方面因素影响，且具体机制尚不明确。随着现代分子生物学、组学等技术的不断成熟，未来对于微生物相互作用机制有望得到更加深入的研究。这将有助于加深对水产品腐败变质发生过程及群体微生物功能的认识，为推动水产品抑菌保鲜及品质控制技术的发展提供理论依据。