整合的转录组学和代谢组学分析揭示了乳清发酵粉对抗蜡样芽孢杆菌L18的抗菌机制及其在凉皮保存中的有效性

《Food Research International》：Integrated transcriptomic and metabolomic analyses reveal the antibacterial mechanism of whey fermentation powder against Bacillus cereus L18 and its efficacy in Liangpi preservation

凉皮易受枯草芽孢杆菌污染，本研究通过乳清发酵粉（WFP）抑制该菌的转录组与代谢组学分析，发现WFP通过破坏细胞膜完整性、干扰脂代谢、耗竭能量、扰乱代谢途径及抑制应激反应等多靶点协同作用抑制细菌生长，并验证了0.10% WFP延长凉皮保质期10小时的效果。

　　

范世佳|王杰|周洁月|邓志敏|彭沛|王晓洁|张泽群|李振|索彪

河南农业大学食品科学与技术学院，郑州，中国

摘要

梁皮是一种高水分、富含营养的以小麦淀粉为基础的食品，容易受到产孢细菌（如Bacillus cereus）的污染，从而带来显著的食物安全风险。乳清发酵粉（WFP）具有天然的抗菌特性和广泛的应用性，但其抑制Bacillus属细菌的机制尚不清楚。本研究采用整合转录组学和代谢组学分析方法，阐明了WFP对B. cereus L18的抗菌机制。B. cereus L18是一种从梁皮中分离出的具有显著淀粉分解活性的菌株。WFP表现出强烈的抗菌活性，有效抑制了细菌生长并对细胞完整性造成了严重破坏。多组学分析显示，WFP通过多种途径发挥抗菌作用：它通过过度激活鞭毛合成/组装和细胞壁合成/修复途径引发急性能量耗竭，同时干扰脂质代谢破坏细胞膜完整性。此外，WFP还导致代谢紊乱，表现为嘌呤代谢紊乱、氨基酸供应受限、TCA循环和氧化磷酸化受抑制以及戊糖磷酸途径异常激活。这些综合因素导致核苷酸、氨基酸和能量代谢严重受损。此外，关键的细菌适应性应激反应途径也受到显著抑制。我们的研究结果表明，WFP通过多种协同机制发挥抗菌效果。在应用研究中，添加0.10%的WFP可使新鲜梁皮的保质期延长约10小时，且不会影响其感官品质。这项研究为控制基于淀粉的食品中的微生物污染提供了新的见解，并为优化工业生产和延长保质期提供了科学依据。

引言

梁皮是一种淀粉凝胶食品，其高水分含量和丰富的营养成分使其在适宜条件下极易受到微生物的繁殖和污染（Fan等人，2025年）。Bacillus cereus是一种普遍存在的食源性病原体，能够轻易在各种食品中定殖，是导致食品腐败和疾病爆发的主要原因（Zhao、Xie等人，2025年）。某些Bacillus属菌株通过分泌α-淀粉酶等水解酶在富含淀粉的食品中快速繁殖，加速腐败过程，并可能产生肠毒素和催吐毒素（Dong等人，2023年）。尽管传统的化学防腐剂和物理杀菌方法可以部分抑制病原微生物，但人们对抗菌素耐药性、化学残留物、环境影响以及食品质量下降的担忧日益增加，促使人们转向使用天然抗菌剂（Davies等人，2021年；Mesías等人，2021年）。已有研究表明B. cereus能够迅速在多种富含淀粉和蛋白质的食品中定殖，包括熟香肠（Tan等人，2025年）、牛肉（Li、Luo等人，2024年）、炒饭（Leong等人，2023年）和湿米粉（Dong等人，2023年），通常会导致感官品质下降和pH值降低。我们之前的研究发现Bacillus属菌株是湿梁皮中的主要腐败微生物，其中淀粉分解菌株B. cereus L18的腐败潜力特别强，会导致产品出现糊状变质（Fan等人，2025年）。因此，控制B. cereus L18对于确保梁皮在生产、储存和分销过程中的安全与质量至关重要。

乳清是乳制品加工的主要副产品，富含生物活性化合物（Ceruso等人，2021年）。Propionibacterium属细菌和乳酸菌（LAB）对乳清进行发酵后，会产生多种抗菌代谢产物，包括有机酸和细菌素（Dopazo等人，2023年；Xie等人，2022年）。Propionibacterium属细菌具有独特的代谢能力，能够利用廉价的工业或农业副产品高效合成丙酸——这是一种在食品工业中广泛使用的防腐剂（Bezirci等人，2023年）。同时，LAB会产生一系列代谢产物，如有机酸（例如乙酸、乳酸、柠檬酸、琥珀酸和丙酸）和抗菌肽，共同抑制腐败和病原菌（de Souza等人，2023年）。值得注意的是，LAB产生的乳酸是Propionibacterium生长的关键底物，因此LAB和Propionibacterium的共培养是一种广泛采用的策略，可以协同增强抗菌效果（Bezirci等人，2023年）。本研究中开发的乳清发酵粉（WFP）是通过Lactiplantibacillus plantarum和Propionibacterium freudenreichii对乳清、葡萄糖和酵母提取物进行共发酵制成的新型食品成分，具有抗菌和保味性能，并符合“绿色产品”认证标准。先前的研究表明，这种WFP能有效抑制基于淀粉的基质中的微生物生长（Fan等人，2025年）。然而，作为一种有效的天然抗菌剂，其抑制B. cereus生长的具体机制仍有待阐明。

近年来，整合多组学方法被广泛用于解析复杂的微生物调控网络（Ferrocino等人，2022年；Xu，2017年）。转录组学分析能够全面评估抗菌处理下病原基因的表达动态，而代谢组学则能捕捉代谢途径和小分子代谢物的全局变化（Wang等人，2024年）。Xu等人（2023年）的比较转录组学和代谢组学分析阐明了Lactobacillus acidophilus在酸胁迫下的全局响应机制，揭示了信号转导、氨基酸脱羧、尿素分解增强和能量供应等关键途径。同样，Liu等人（2020年）使用整合多组学方法发现柿子单宁通过干扰细胞内pH平衡、氨基酸生物合成和代谢、糖酵解、TCA循环和铁代谢来抑制耐甲氧西林的Staphylococcus aureus。然而，目前关于WFP的研究主要集中在表型生长抑制实验上，对其抗菌活性的分子基础的系统研究仍不足。

本研究旨在系统探讨WFP对B. cereus L18的抗菌效果，并评估其在梁皮保鲜中的实际应用。首先，通过测定最小抑制浓度（MIC）和杀菌曲线来量化其抑菌效果。进一步通过研究其对细菌细胞膜完整性、生物大分子合成、运动能力和生物膜形成的影响来阐明其作用机制。此外，还利用整合转录组学和代谢组学分析揭示了WFP处理对B. cereus L18基因表达和代谢过程的全球变化。最后，验证了WFP在梁皮中对B. cereus L18的抑制效果，并评估了其对产品保质期和整体质量的影响。本研究结果为利用WFP预防和控制梁皮中的B. cereus污染提供了科学依据。

试剂和菌株

本研究中使用的B. cereus L18菌株是从商业梁皮生产线中分离得到的（Fan等人，2025年）。抗菌剂乳清发酵粉（WFP）由上海银农生物技术有限公司提供，产品型号为BDX-H。培养基（包括LB琼脂、LB肉汤和平板计数琼脂PCA）购自青岛Hope生物技术有限公司。所有检测试剂盒——即CellTiter-Lumi?荧光细胞活力检测试剂盒

WFP中抗菌物质的分析

如图1A所示，WFP中的主要有机酸为丙酸、乙酸和丁酸，含量分别为481.09 mg/g、41.80 mg/g和5.368 mg/g。色谱结果显示，组分22、23和24在215 nm处具有最大吸收峰，并且均表现出抗菌活性（图1B）。总有机酸与抗菌组分T23的联合处理产生了约30.00 mm的抑制圈直径

结论

本研究表明，WFP是一种针对B. cereus L18的强效天然抗菌剂。其主要抗菌机制涉及对细胞完整性和功能的多靶点攻击，首先通过破坏细胞膜通透性开始，导致ATP耗竭、核酸泄漏和基因组DNA损伤。此外，还有效抑制了与毒力相关的行为，包括运动能力和生物膜形成。

CRediT作者贡献声明

范世佳：撰写——初稿、方法学设计、实验研究。王杰：实验研究。周洁月：软件处理。邓志敏：数据验证。彭沛：资源准备。王晓洁：数据整理。张泽群：数据可视化。李振：数据可视化。索彪：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金筹集、概念构思。

未引用参考文献

Zhao, Li, Jiang等人，2025

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2021YFD2100200/2021YFD2100201）、国家自然科学基金（32272441）、河南省自然科学基金重点项目（242300421201）以及河南农业大学实践教学基地项目（2025SJJD11）的支持。