Мікроорганізми, що псують морепродукти, з наявним явищем зондування кворуму

Оглядова стаття - Журнал харчової мікробіології (2017) Журнал харчової мікробіології (Спеціальний випуск-2017)

наявним

Мікроорганізми, що псують морепродукти, з наявним явищем зондування кворуму

Фейфей Ван, Лінглін Фу, Сінюе Бао та Янбо Ван *

Ключова лабораторія харчових мікробних технологій провінції Чжецзян, Школа харчових наук та біоінженерії, Університет Чжецзян Гуншан, Ханчжоу, Китай

* Автор-кореспондент: Янбо Ван
Дорога Xuezheng 18
Університетське містечко Сясі
Ханчжоу, 310018, Китай
Тел .: +86-571-28008963
Електронна пошта: [електронна пошта захищена]

Приймається 27 вересня 2017 р

Цитування: Wang F, Fu L, Bao X та ін. Мікроорганізми, що псують морепродукти, з наявним явищем зондування кворуму. J Food Microbiol 2017; 1 (1): 14-19.

Анотація

Більшість харчових продуктів дуже швидко псуються, оскільки вони є багатим джерелом поживних речовин для розвитку мікробів. Морепродукти є одними з найбільш швидкопсувних харчових продуктів через хімічну дію атмосферного кисню та зростання мікроорганізмів, що псують. Отже, псування їжі залежить від фізіологічного стану спойлерів та від їх здатності протистояти умовам переробки/зберігання. Крім того, псування залежить від щільності популяції та взаємодії між мікроорганізмами, що складають екосистеми морепродуктів, із залученням кворуму. Цей огляд в основному знайомить із ССО морепродуктів при різних умовах збереження, мікроорганізми, що псують, що використовують систему кворуму, і описує взаємозв'язок між чуттям кворуму та потенціалом псування в цих мікроорганізмах.

Ключові слова

Морепродукти, псування мікроорганізмів, зондування кворуму.

Вступ

Морепродукти є одними з найбільш швидкопсувних харчових продуктів через хімічну дію атмосферного кисню та зростання мікроорганізмів, що псують [1]. Псування морепродуктів може бути спричинене ферментами, зневодненням, окисленням, забрудненням та фізичними пошкодженнями. Запахи сірки, аміаку або риби є одними з основних органолептичних змін, що відбуваються під час розвитку псування [2].

Основною причиною псування морепродуктів є ріст мікробів та метаболічна активність, що призводить до утворення амінів, сульфідів, спиртів, альдегідів, кетонів та органічних кислот з неприємними та неприйнятними несмаками [3].

Однак лише частина початкової мікробіоти морепродуктів, відома як специфічні організми, що псують організм (SSO), якій сприяють умови зберігання (наприклад, атмосфера, температура), переважає над рештою мікробіоти, досягаючи великих популяцій і виробляючи відповідні метаболіти ( показники біохімічного псування) [4].

Зондування кворуму (QS), яке передбачає виробництво, вивільнення та виявлення позаклітинних сигнальних молекул, які називаються автоіндукторами, - це процес комунікації від клітини до клітини, що дозволяє мікроорганізмам колективно змінювати моделі поведінки при зміні щільності клітин і видового складу в оточуючих громада.

Коли досягається порогова концентрація сигнальної молекули, група виявляє та реагує на це загально популяційними змінами в експресії генів. Тому контрольовані QS процеси, такі як біолюмінесценція, секреція факторів вірулентності, формування біоплівки та виробництво суспільних благ, вимагають ефективної колективної дії групи [5].

Найбільш часто досліджувані автоіндуктори сигналів QS включають N-ацил-L-гомосеринові лактони (AHL) у грамнегативних бактерій, олігопептид у грампозитивних бактерій та автоіндуктор-2 (AI-2), що застосовуються як у грамнегативних, так і в грампозитивних бактерії [6].

Окрім цих класів, нещодавно було повідомлено, що цілий ряд циклічних дипептидів (дикетопіперазинів, DKP), що виробляються багатьма грамнегативними бактеріями, модулюють імовірно специфічну для AHL сенсорну систему [7-9].

Тому DKP було запропоновано представляти новий клас природних сигналів QS і потенційно відігравати роль як у внутрішньо-, так і міжвидовому регулюванні QS [10,11].

Фізіологічні та клінічні аспекти QS привернули значну увагу та вивчались на молекулярному рівні. Однак бракує знань про роль QS у псуванні їжі. Оскільки зв’язок між клітинами відбувається у різних видів бактерій, QS, ймовірно, відіграє роль у мікробній екології харчових продуктів [3].

Основні мікроорганізми, що псують різні морепродукти та морепродукти

Недавнє встановлення концепції SSO суттєво сприяло нашому розумінню псування морепродуктів [12].

Зростання різних ССО залежить від кількох параметрів: харчового продукту, типу консервації, температури, атмосфери та вмісту солі, серед інших. Під час зберігання мікрофлора змінюється внаслідок різної здатності мікроорганізмів переносити умови збереження [13].

Тут умови зберігання морепродуктів були розділені на дві основні категорії, а мікроорганізми, що переважають в обох умовах, були обговорені та перелічені в Таблиця 1, відповідно.

Бактерії, що псують морепродукти та продукти з морепродуктів Список літератури
Shewanella spp. Потрошений морський окунь [4]
Холодний морський лосось [15]
У повітрі зберігається риба-меч [17]
Креветки в холодильнику [19]
Великий жовтий качан у холодильнику [20]
Pseudomonas spp. Потрошений морський окунь [4]
У повітрі зберігається риба-меч [17]
Aeromonas spp. Холодний морський лосось [15]
Photobacterim phosphoreum MAP/VP зберігається сирий лосось [16]
Упакована мантія кальмарів VP [23]
Enterobacteriaceae MAP/VP в упаковці риба-меч [17]
Мантия кальмара під тиском VP [23]
ЛАБ MAP/VP зберігається сирий лосось [16]
MAP/VP в упаковці риба-меч [17]
Упакована мантія кальмарів під тиском [23]

Таблиця 1. Основні мікроорганізми, що псують різні морепродукти та морепродукти.

Свіжі морепродукти, що зберігаються в льоду або під MAP/VP

Злегка консервовані морепродукти

Злегка консервовані морепродукти - це сирі або м'яко приготовлені продукти з низьким рівнем консервантів, які можуть впливати на їх рівень рН, включаючи розсолену/мариновану/мариновану морепродукти, варені та очищені креветки та молюски, що зберігаються в MAP/VP або в розсолі, рибу холодного копчення, і т. д. В результаті аеробні грамнегативні бактерії пригнічуються, що дозволяє ріст інших організмів, більш стійких до зниженого шлунку [14].

Psychrobacter spp. та Pseudoalteromonas spp. були домінуючою мікробіотою варених коричневих креветок та посиленим псуванням шляхом розщеплення ліпідів та гідролізу амінокислот та білків [26]. Основними псувальними бактеріальними ізолятами зі зіпсованих варених і цілих тропічних креветок, що зберігаються під MAP, були C. maltaromaticum та S. baltica [27]. LAB та Brochothrix spp. були домінуючими бактеріями в останній період зберігання лосося холодного копчення, упакованого VP, тоді як Brochothrix spp. а не LAB відповідали за псування [28]. По-іншому, Joffraud et al. [2006] визначили L. sakei та S. liquefaciens-подібні як найбільш псуючі бактерії. Крім того, психротрофний морський вібріон та Photobacterium spp. було зареєстровано домінуючу мікрофлору [29]. Різні профілі мікроорганізмів, що псують лосось холодного копчення, можуть виникати внаслідок різних методів лікування та середовища.

На закінчення, мікрофлора змінюється внаслідок різних здібностей мікроорганізмів переносити умови зберігання. Pseudomonas spp. і кілька інших грамнегативних психротрофних організмів будуть домінувати в морепродуктах, що зберігаються аеробно при температурі холоду. Упаковка СО2 або вакуумна упаковка буде інгібувати респіраторні псевдомонади та спричиняти зсув мікрофлори до P. phosphoreum, LAB, Enterobacteriaceae та інколи B. thermosphacta. Підвищуючи збереження за рахунок зниження рН, збільшення концентрації NaCl та додаванням консервантів низького рівня, що усуває грамнегативну мікрофлору, LAB - це ті організми, що залишились у напівконсервованих рибних продуктах.

Псування морепродуктів, регульоване QS

Фізіологічні та клінічні аспекти QS привернули значну увагу та вивчались на молекулярному рівні. Однак бракує знань про роль QS у псуванні їжі, особливо в морепродуктах. Оскільки зв’язок між клітинами існує у різних видів бактерій, QS, ймовірно, відіграє роль у мікробній екології харчових продуктів [3]. За останні кілька років досліджена можлива роль QS у псуванні їжі, включаючи синтез сидерофорів, метаболічну діяльність та формування біоплівки, переважно.

Синтез сидерофорів

Всі аеробні та факультативні анаеробні бактерії потребують заліза для росту, і лише LAB не залежать від надходження цього мінералу [30]. У м’язах риб навколишнє середовище обмежене залізом, незважаючи на багаті поживними речовинами та хелаторами високої спорідненості, так звані сидерофори виробляються для знешкодження за рахунок росту бактерій. Хоча риб’яча тканина дозволяла виробляти сидерофори більшістю ізолятів Pseudomonas та S. putrefaciens з риб, S. putrefaciens інгібувала Pseudomonas sp. особливо коли заліза було обмежено [8]. Пізніше, як повідомлялося, біосинтез сидерофору в синьогнійній паличці спочатку контролювався системою QS, мутанти lasR продемонстрували відтворюване у 2 рази зниження продуктивності катехолат-гідроксамату сидерофору піовердину під час вирощування в умовах, обмежених залізом. Подібним чином, мутанти lasI, дефектні в процесі біосинтезу автоіндуктора PAI-1, також мали в 2 рази зменшення вироблення піовердину, яке могло бути в значній мірі відновлене при додаванні екзогенного PAI-I [31].

Повідомлялося, що екзогенний АГЛ необхідний для стимульованого біосинтезу гетерологічного сидерофору у морських ізольованих бактерій, а стимульований ріст екзогенними сидерофорами та АГЛ спостерігався також у інших несидерофоропродукуючих бактерій [32]. Раш та співавт. повідомили, що на бактеріальне псування паростків квасолі впливав QS, AHL-негативний мутант Enterobacteriaceae погіршував активність сидерофорів та потенціал псування, вперше демонструючи, що хелатування заліза в Enterobacteriaceae регулюється AHL [33]. Ці звіти пропонують нову перспективу для вивчення псування морепродуктів, опосередкованого внутрішньо- та міжвидовим спілкуванням клітин-клітин (Фігура 1), хоча мало досліджень було зосереджено на регулюванні ЯК щодо зіпсованого сидерофором псування морепродуктів.

Фігура 1. Спекульована мережа того, як QS впливає на потенціал псування морських мікроорганізмів. Дослідження показали, що QS бере участь у регулюванні фенотипів, пов’язаних із псуванням, таких як синтез сидерофорів, метаболічна активність та формування біоплівки. Однак бракує знань про молекулярний механізм того, як ці фенотипи контролюються за допомогою QS, хоча і результати, що гени, що кодують TorA та ODC, транскрипційно регулювались екзогенними сигналами QS. Крім цього, залишається вивчити гени, відповідальні за деякі фенотипи, такі як синтез сидерофорів та формування біоплівки в мікроорганізмах, що псують морепродукти. Крім того, взаємозв'язок між системою QS та виробництвом інших метаболітів, пов'язаних із запахами, залишається невідомим.

Метаболічна діяльність

Як було описано раніше, мікроорганізми, що псують організм, відповідають за різні сенсорні погіршення, але ці сенсорні дескриптори нелегко пов'язані з ферментативними функціями або метаболічними шляхами. Кілька досліджень повідомляли про виявлення або вимірювання молекул (біогенних амінів та летких сполук) у морепродуктах, зіпсованих відомими мікроорганізмами. Однак складно співвіднести виробництво метаболітів, пов'язаних із псуванням, з функціями спойлерів, і дослідження, що вивчають метаболізм та фізіологію бактерій, відповідальних за псування морепродуктів, є набагато менш масштабними, не кажучи вже про дослідження цих явищ псування, спричинених спойлери, що використовують систему QS. Система QS, яка бере участь у метаболічній діяльності в мікроорганізмах морепродуктів, була перелічена в Таблиця 2.

Група бактерій/види Морепродукти Виробництво фенотипів, регульоване посиланням на QS AHL AI-2 DKP
Шеванела Креветки - + + TVB-N [19]
леткі органічні компоненти
Позаклітинні протеази
Формування біоплівки
Риба - + + TVB-N [38]
TMA
Путресцин
Формування біоплівки
Псевдомонада Риба + № № Виробництво екзоферментів [2]
Формування біоплівки [40]
Enterobacteriaceae Риба + № № Екзоферментна діяльність [2]
[39]
Nr: не повідомляється

Таблиця 2. Система QS бере участь у псуванні мікроорганізмів у морепродуктах.

Біогенні аміни (БА) - це низькомолекулярні органічні основи, що мають біологічну активність. БА - основні азотисті сполуки, що утворюються в основному шляхом декарбоксилювання амінокислот або амінування та трансамінування альдегідів та кетонів [34]. БА можна розділити на три групи за хімічною структурою: аліфатичні (путресцин, кадаверин, спермін, спермідин); ароматичні (тирамін, фенілетиламін); гетероциклічні (гістамін, триптамін). У морепродуктах БА утворюються завдяки наявності позитивних до декарбоксилази мікроорганізмів та умов, що дозволяють ріст бактерій, синтез декарбоксилази та активність декарбоксилази [34].

Триметиламіни (ТМА) утворюються в результаті використання бактерій ТМАО, який міститься у більшості морських видів риб [35]. Pseudomonas spp. не можуть використовувати ТМАО і не виробляти ТМА на псування риби. SSO, такі як Aeromonas spp., Photobacterium phosphoreum, Shewanella putrefaciens-подібні організми, Enterobacteriaceae та Vibrio spp. всі вони здатні використовувати ТМАО як кінцевий акцептор електронів і виробляти ТМА, викликаючи «рибні» запахи, пов'язані з псуванням морепродуктів [21,36]. TMAO відновлюється до TMA за допомогою ферменту TMAO редуктази, кодованого опероном torCAD [37]. У Shewanella baltica показник SSO охолодженого великого жовтого каркаса (Pseudosciaena crocea), ТМА та путресцин значно підвищувались у присутності цикло- (L-Pro-L-Leu), рівні транскрипції torA та орнітиндекарбоксилази (ODC) були регульовані відповідно до фенотипів псування [20].

Як було описано в попередньому розділі, що DKP були запропоновані як сигнали якості, здається, що система QS була задіяна у псуванні S. baltica через регулювання виробництва ТМА та путресцину. Подібним чином, виробництво загального леткого базового азоту (TVB-N) у стерильному риб’ячому м’язовому соку, інокульованому S. baltica, було значно покращено за рахунок синтетичних добавок DKP [38]. Повідомлялося, що АГЛ та цикло- (L-Pro-L-Leu) сприяють позаклітинній протеолітичній активності в SSO холодильних креветок (Litopenaeus vannamei), а також підвищують рівні TVB-N та летких органічних компонентів у зразках креветок [ 19]. Повідомлялося про екзоферментну активність, модульовану AHL, у Serratia proteamaculans B5a, виділеному з лосося холодного копчення, а система секреції, кодована lipB, була визначена як один цільовий ген системи QS.

LipB був необхідний для продукування позаклітинної ліполітичної та протеолітичної активності, завдяки чому виробництво екзоферментів, пов'язаних з погіршенням їжі, опосередковано контролюється QS [39]. Крім того, сигнальна молекула C4-HSL, що продукується ізоляційним штамом Pseudomonas psychrophila PSPF19, зіграла певну роль у псуванні прісноводних риб, що зберігаються в охолоджуваних умовах, вдвічі збільшивши вироблення екзоферменту [40]. Однак існує недостатня кількість знань щодо взаємозв'язку між системою QS та виробництвом інших метаболітів, пов'язаних із запахами, це може бути наслідком складної послідовності ферментативних реакцій, потенційно пов'язаних з неферментативними реакціями, псування також може є результатом реакцій, каталізованих ферментами, які не є чітко визначеними (Фігура 1).

Формування біоплівки

Висновки

Багато досліджень показали, що залежні від щільності клітин сигнальні системи у бактерій контролюють цілий ряд фенотипових ознак. Однак досліджень, присвячених системі QS при псуванні морепродуктів, мало, хоча існує багато повідомлень про основні мікроорганізми, що псують морепродукти, та функціональні властивості цих спойлерів. Тут ми перелічимо мікроорганізми, що псують, що використовують систему QS та відповідні фенотипи псування, регульовані системою QS у морепродуктах у Таблиця 2. Крім того, згідно з попередніми звітами, пов'язаними з роллю системи QS у поведінці групи, включаючи ріст клітин та метаболічну активність та формування біоплівки, ми припускаємо молекулярну мережу про те, як QS впливає на потенціал псування морських мікроорганізмів у Фігура 1. Механізми псування, пов'язані з QS, на молекулярному рівні ще залишаються вивченими. Важливо мати обізнаність та розуміння механізмів, які беруть участь у зондуванні бактеріального кворуму, оскільки консерванти, спрямовані на зондування кворуму, запропонують нові засоби для контролю за розповсюдженням небажаних мікроорганізмів у морепродуктах.

Подяка

Це дослідження було фінансово підтримане Фондом природознавства провінції Чжецзян Китаю (LZ15C200001) та Національним фондом природничих наук Китаю (31571913 та 31772050). Ми вдячні доктору Ян Чжу за рекомендації та вказівки щодо рукопису.