趙電波,王少丹,鄭凱茜,相啟森,王博華,張琪帆
(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,河南鄭州 450001;2.河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南鄭州 450001)
等離子體活化水(Plasma-activated water,PAW)又稱為等離子體處理水(Plasma-treated water,PTW),主要通過低溫等離子體放電裝置在水表面或水下放電而產(chǎn)生,富含活性氧(Reactive oxygen species,ROS)、活性氮(Reactive nitrogen species,RNS)等物質(zhì)。PAW 是一種新興的非熱殺菌技術(shù),在食品保鮮領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。但研究發(fā)現(xiàn),蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等食品組分會顯著降低PAW 對微生物的殺滅效果,因此需要和溫?zé)?、防腐劑、表面活性劑等協(xié)同使用以增強(qiáng)殺菌效果[2-7]。Choi 等[5]發(fā)現(xiàn),經(jīng)PAW和60 ℃溫?zé)釁f(xié)同處理后,腌制白菜中的菌落總數(shù)和接種的食源性致病菌數(shù)量均顯著減少。此外,PAW與尼泊金丙酯等防腐劑聯(lián)合使用時其殺菌效果也顯著增強(qiáng)[6-7]。例如,PAW 和4 mmol/L 尼泊金丙酯聯(lián)合處理10 min 后,大腸桿菌O157:H7 減少了6 lg CFU/mL,而PAW 和尼泊金丙酯單獨(dú)處理組僅分別降低了1.54 和2.18 lg CFU/mL[6]。
苯乳酸(Phenyllactic acid,PLA)又名β-苯基乳酸或3-苯基乳酸,是一種具有廣譜抑菌作用的生物防腐劑,對細(xì)菌和大部分真菌具有良好的抑制作用[8-9]。與傳統(tǒng)化學(xué)防腐劑相比,PLA 具有安全性高、來源廣泛、穩(wěn)定性強(qiáng)、親水性好等優(yōu)點(diǎn)。已有報(bào)道證實(shí)PLA 可降低乳制品、焙烤類食品中的微生物數(shù)量,其在食品保鮮領(lǐng)域的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注[10-11]。前期研究發(fā)現(xiàn),PAW 與PLA 有良好的協(xié)同殺菌效果,但其作用機(jī)制尚不明確。因此,本研究以常見的大腸桿菌O157:H7 為研究對象,評價(jià)PAW 與PLA 的協(xié)同抗菌作用,并通過評價(jià)細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞膜完整性、細(xì)胞膜電位和胞內(nèi)活性氧水平等指標(biāo)揭示其協(xié)同殺菌作用機(jī)制。研究結(jié)果將為PAW 和PLA 在食品保鮮領(lǐng)域中的應(yīng)用提供理論參考。
大腸桿菌O157:H7 中國工業(yè)微生物菌種保藏中心;胰蛋白胨大豆瓊脂培養(yǎng)基(Tryptone soy agar,TSA)、胰蛋白胨大豆肉湯培養(yǎng)基(Tryptone soy broth,TSB) 北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司;L-苯乳酸和DiBAC4(3) 上海麥克林生化科技有限公司;乙酸異戊酯和磷酸二氫鉀 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;50%戊二醛 上海阿拉丁生化科技股份有限公司;2′,7′-二氯熒光素二乙酸酯(DCFH-DA)上海源葉生物科技有限公司。
TS-PL200 型等離子表面處理機(jī) 深圳東信高科自動化設(shè)備有限公司;MJ-54A 型高壓滅菌鍋 施都凱儀器設(shè)備(上海)有限公司;TGL-16M 型臺式高速冷凍離心機(jī) 上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司;SW-CJ-1FD 型超凈工作臺 蘇凈安泰設(shè)備有限公司;Tecan Spark 20 M 型多功能微孔板讀數(shù)儀 瑞士Tecan 公司;JSM-7001F 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡 日本JEOL 公司;Nano Drop 2000 型超微量分光光度計(jì) 美國Thermo 公司。
1.2.1 菌懸液制備 從-80 ℃冰箱中取出甘油管保存的大腸桿菌O157:H7 菌種,挑取一環(huán)菌液在TSA培養(yǎng)基上活化培養(yǎng)后,挑取活力旺盛的單菌落接種于TSB 培養(yǎng)基中,于37 ℃、180 r/min 恒溫振蕩培養(yǎng)12 h。取7 mL 培養(yǎng)物于10 mL 離心管,于3500×g離心5 min,棄上清液,所得菌體用0.85%無菌生理鹽水洗滌2次,離心同上。將所得菌體重懸于無菌生理鹽水中并混勻,制成活菌數(shù)約為7~8 lg CFU/mL的菌懸液,備用。
1.2.2 PAW 的制備 參考Zhang 等[12]的方法,采用等離子表面處理機(jī)制備PAW,冷等離子體與液面的距離為0.35 cm,功率為750 W,工作氣體為壓縮空氣(0.18 MPa)。將200 mL 無菌去離子水(Sterile distilled water,SDW)經(jīng)APPJ 裝置處理60 s 得到PAW,備用。
1.2.3 PLA 殺菌活性評價(jià) 將PLA 溶解于去離子水并經(jīng)0.22 μm 微孔濾膜過濾除菌,并稀釋到1.25、2.5、5 和10 mg/mL。然后將100 μL菌懸液、800 μL 0.85%無菌生理鹽水和100 μL PLA溶液充分混勻,PLA 最終濃度分別為0.125、0.25、0.5 和1.0 mg/mL,于室溫反應(yīng)8 min。取100 μL 處理后的樣品,用無菌生理鹽水進(jìn)行梯度稀釋后,吸取100 μL 稀釋液涂布于TSA 平板并于37 ℃培養(yǎng)24 h,進(jìn)行菌落計(jì)數(shù),結(jié)果表示為lg CFU/mL。
1.2.4 PAW 協(xié)同PLA 殺菌活性評價(jià) 研究PAW協(xié)同PLA 處理對大腸桿菌O157:H7 的影響。根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分組如下:
a. 對照組:將100 μL 菌懸液、100 μL SDW 與800 μL 無菌生理鹽水混合均勻,于室溫反應(yīng)8 min;
b. PAW 單獨(dú)處理:將100 μL 菌懸液、100 μL無菌生理鹽水與800 μL PAW 混合均勻,于室溫反應(yīng)8 min;
c. PLA 單獨(dú)處理:將100 μL 菌懸液、100 μL PLA溶液和800 μL 無菌生理鹽水混合均勻,PLA 最終濃度分別為0.125、0.25、0.5 和1.0 mg/mL,于室溫反應(yīng)8 min;
d. PAW 協(xié)同PLA 處理:將100 μL 菌懸液、100 μL PLA 溶液和800 μL PAW 混合均勻,PLA 最終濃度分別為0.125、0.25、0.5 和1.0 mg/mL,于室溫反應(yīng)8 min。
1.2.5 場發(fā)射掃描電鏡觀察 參考劉驍?shù)萚13]的方法,采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Field emission scanning electron microscope,F(xiàn)ESEM)觀察PAW 協(xié)同PLA 處理對大腸桿菌O157:H7 細(xì)胞形態(tài)的影響。菌懸液經(jīng)PAW、PLA(1.0 mg/mL)或PAW 協(xié)同PLA(1.0 mg/mL)處理8 min 后,于12000×g 離心2 min,收集菌體,加入500 μL 預(yù)冷的2.5%戊二醛溶液并于4 ℃固定4 h;離心收集菌體,用濃度為0.1 mol/L 的無菌磷酸鹽緩沖液(pH7.2)洗滌樣品三次,離心同上;分別用30%、50%、70%、80%、90%和100%(v/v)乙醇溶液對樣品逐級洗脫10 min,其中100%乙醇溶液洗脫2次;最后用乙酸異戊酯置換乙醇2次,每次10 min,離心條件同上,制備菌懸液,混勻之后滴加到載玻片上,自然晾干,采用HVBGB 型真空蒸鍍儀噴金150 s,通過JSM-7001F 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察并拍照。
1.2.6 細(xì)胞膜完整性評價(jià) 大腸桿菌O157:H7 菌懸液分別經(jīng)PAW、PLA(終濃度分別為0.125、0.25、0.5 和1.0 mg/mL)或PAW 協(xié)同PLA(終濃度分別為 0.125、0.25、0.5 和 1.0 mg/mL)8 min 后,在12000×g 和4 ℃條件下離心2 min,采用Nano Drop 2000 型超微量分光光度計(jì)測定上清液在280 nm 處的吸光度[14]。
1.2.7 細(xì)胞膜電位測定 大腸桿菌O157:H7 細(xì)胞分別經(jīng)PAW、PLA(1.0 mg/mL)或PAW 協(xié)同PLA(1.0 mg/mL)處理8 min 后,離心收集菌體。處理后所得菌體與100 μL(25 μg/mL)DiBAC4(3)溶液和900 μL EDTA 溶液(4 mmol/L)混合均勻,置于37 ℃暗處培養(yǎng)15 min,離心,棄上清液。菌體用PBS 洗滌2次并重懸,采用多功能微孔板讀數(shù)儀測定熒光強(qiáng)度,激發(fā)波長為488 nm,發(fā)射光波長為525 nm,以未處理的樣品為空白對照[15]。
1.2.8 胞內(nèi)ROS 水平測定 采用DCFH-DA 熒光探針檢測大腸桿菌O157:H7 細(xì)胞內(nèi)ROS 水平[16]。菌懸液分別經(jīng)PAW、PLA(終濃度分別為0.125、0.25、0.5 和1.0 mg/mL)或PAW 與PLA(終濃度分別為0.125、0.25、0.5 和1.0 mg/mL)協(xié)同處理8 min 后,于4 ℃,12000×g 離心2 min,棄上清,收集菌體并用SDW 洗滌兩次,后重懸于無菌生理鹽水,加入DCFHDA 儲備液(終濃度為50 μmol/L)于37 ℃避光反應(yīng)30 min;然后于12000×g 離心2 min,棄上清,收集菌體并用PBS 洗滌兩次,重懸后采用多功能酶標(biāo)儀測定熒光強(qiáng)度,激發(fā)波長為488 nm,發(fā)射波長為525 nm。
每次試驗(yàn)均重復(fù)3次,試驗(yàn)結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。采用Prism 軟件(Graphpad 7.0)繪圖,采用SPSS 24.0 進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA),各組間采用LSD 多重比較進(jìn)行差異顯著性(P<0.05)。
通過平板計(jì)數(shù)法評價(jià)不同濃度PLA 處理對大腸桿菌O157:H7 細(xì)胞活力的影響。如圖1所示,大腸桿菌O157:H7 初始菌量為7.41 lg CFU/mL;經(jīng)終濃度為0.125~1.0 mg/mL 的PLA 處理后,大腸桿菌O157:H7 活細(xì)胞數(shù)未發(fā)生顯著變化(P>0.05)。與對照組相比,經(jīng)終濃度為1.0 mg/mL 的PLA 處理后,大腸桿菌O157:H7 菌落數(shù)僅下降0.18 lg CFU/mL。上述結(jié)果與Ning 等[17]的發(fā)現(xiàn)一致。Ning 等[17]發(fā)現(xiàn),經(jīng)濃度為1.25 mg/mL 的PLA 處理2 h 后,大腸桿菌僅下降了約1 lg CFU/mL。以上結(jié)果表明,低濃度(0.125~1.0 mg/mL)的PLA 未對大腸桿菌O157:H7細(xì)胞活力造成顯著影響(P>0.05)。
圖1 PLA 對大腸桿菌O157:H7 的影響Fig.1 Influences of PLA on E. coli O157:H7 cells
PAW 協(xié)同PLA(終濃度為0.125~1.0 mg/mL)處理對大腸桿菌O157:H7 的殺滅作用見圖2。如圖2所示,大腸桿菌O157:H7 初始濃度為7.51 lg CFU/mL;經(jīng)PAW 單獨(dú)處理8 min 后,細(xì)胞數(shù)量僅下降了1.07 lg CFU/mL,表明PAW 對大腸桿菌O157:H7 的失活作用較弱。與PAW 或PLA 單獨(dú)處理相比,PAW 與PLA 協(xié)同處理能夠有效殺滅大腸桿菌O157:H7。經(jīng)PAW 與終濃度分別為0.125、0.25、0.5 和1.0 mg/mL的PLA 協(xié)同處理8 min 后,大腸桿菌O157:H7 菌落數(shù)分別減少了1.17、1.76、1.92 和5.65 lg CFU/mL(P<0.05)。此外,Liu 等[18]發(fā)現(xiàn),經(jīng)0.5% PLA 或余氯含量為30 mg/L的微酸性電解水(slightly acid electrolyzed water,SAEW)單獨(dú)處理5 min 后,產(chǎn)酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca)分別降低了5.8 和0.7 lg CFU/mL;而經(jīng)0.5% PLA 與SAEW(余氯含量為30 mg/L)協(xié)同處理5 min 后,K. oxytoca由初始的8.0 lg CFU/mL降低至1.4 lg CFU/mL 以下。以上結(jié)果表明,PAW與PLA 協(xié)同處理能夠有效殺滅大腸桿菌O157:H7,且其殺滅效能隨PLA 濃度的升高而增強(qiáng)。
圖2 PAW 協(xié)同PLA 處理對大腸桿菌O157:H7 的殺滅作用Fig.2 Inactivation of E. coli O157:H7 cells by PAW combined with PLA
采用場發(fā)射掃描電鏡評價(jià)PAW 協(xié)同PLA 處理對大腸桿菌O157:H7 細(xì)胞形態(tài)的影響,結(jié)果見圖3。從圖3可知,對照組大腸桿菌呈現(xiàn)為規(guī)則的桿狀,細(xì)胞大小較為均勻,表面完整光滑;經(jīng)PAW 或PLA(1.0 mg/mL)單獨(dú)處理后,大腸桿菌菌體均出現(xiàn)輕微的皺縮,表面變得粗糙。寧亞維等[19]也發(fā)現(xiàn)經(jīng)PLA(1.25 mg/mL)處理1 h 后,大腸桿菌細(xì)胞發(fā)生凹陷等變化。經(jīng)PAW 和PLA(1.0 mg/mL)協(xié)同處理后,大腸桿菌細(xì)胞表面出現(xiàn)明顯的褶皺和塌陷。以上結(jié)果表明,PAW 和PLA 協(xié)同處理顯著破壞了大腸桿菌的細(xì)胞形態(tài),可能進(jìn)一步影響其正常生理代謝,最終導(dǎo)致其失活。
圖3 PAW 協(xié)同PLA 處理對大腸桿菌O157:H7細(xì)胞形態(tài)的影響Fig.3 Effect of PAW treatment combined with PLA on the morphology of E. coli O157:H7 cells
細(xì)胞膜可保護(hù)細(xì)菌免受周圍環(huán)境的影響,并為細(xì)菌的生長和代謝輸送必需的營養(yǎng)物質(zhì)[20]。因此,細(xì)胞膜完整性對于維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和生長繁殖具有重要意義[21]。本研究通過測定胞內(nèi)蛋白質(zhì)的釋放評價(jià)PAW 與PLA 協(xié)同處理對大腸桿菌O157:H7 細(xì)胞膜完整性的影響,結(jié)果見圖4。
圖4 PLA 單獨(dú)(A)或PAW 協(xié)同PLA 處理(B)對大腸桿菌O157:H7 蛋白釋放量的影響Fig.4 Effect PLA alone (A) or PAW treatment combined with PLA (B) on leakage of proteins from E. coli O157:H7 cells
如圖4所示,與對照組相比,PAW 與PLA 單獨(dú)處理組大腸桿菌胞外蛋白含量均顯著升高(P<0.05)。如圖4A 當(dāng)濃度為0.125~1.0 mg/mL 時,PLA 單獨(dú)處理組大腸桿菌胞外蛋白含量隨著PLA 濃度的升高而顯著升高(P<0.05)。上述結(jié)果與Sorrentino 等[22]的研究報(bào)道一致。Sorrentino 等[22]發(fā)現(xiàn),經(jīng)終濃度為11.3 mmol/L 的PLA 處理5 h 后,李斯特菌(Listeria innocua)胞內(nèi)物質(zhì)釋放量與對照組相比顯著升高(P<0.05)。與PAW 或PLA 單獨(dú)處理相比,PAW 與PLA協(xié)同處理組大腸桿菌胞外蛋白質(zhì)含量明顯升高。經(jīng)PAW 與PLA(1.0 mg/mL)協(xié)同處理后,上清液在280 nm 處吸光度升高至0.266,顯著高于PAW 單獨(dú)處理組(A280=0.041)或PLA 單獨(dú)處理組(A280=0.107)。以上結(jié)果表明,PAW 協(xié)同PLA 處理破壞了大腸桿菌O157:H7 的細(xì)胞膜完整性并導(dǎo)致蛋白質(zhì)、DNA等胞內(nèi)組分的泄露,這可能是其殺滅大腸桿菌細(xì)胞的重要機(jī)制。
細(xì)菌膜電位在調(diào)節(jié)pH 穩(wěn)態(tài)、跨膜運(yùn)輸、鞭毛運(yùn)動、細(xì)胞分裂和ATP 合成等多種生理功能中發(fā)揮著重要作用[23]。DiBAC4(3)是一種對膜電位敏感的親脂性陰離子熒光染料,本身無熒光;當(dāng)進(jìn)入去極化細(xì)胞后與細(xì)胞內(nèi)富含脂質(zhì)成分結(jié)合而使細(xì)胞內(nèi)的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)[24],因此被廣泛用于評價(jià)細(xì)胞膜電位的變化。PAW 協(xié)同不同濃度PLA 處理對大腸桿菌O157:H7 細(xì)胞膜電位的影響見圖5。
圖5 PAW 協(xié)同PLA 處理對大腸桿菌O157:H7細(xì)胞膜電位的影響Fig.5 Effect of PAW treatment combined with PLA on the membrane potential of E. coli O157:H7 cells
由圖5可知,與對照組相比,經(jīng)PAW 與PLA(1.0 mg/mL)協(xié)同處理8 min 后,大腸桿菌O157:H7細(xì)胞中DiBAC4(3)熒光強(qiáng)度均顯著升高(P<0.05)。經(jīng)PAW 和PLA(1.0 mg/mL)協(xié)同處理后,大腸桿菌O157:H7 中DiBAC4(3)熒光強(qiáng)度較對照組提高了74.9%,顯著高于PAW 單獨(dú)處理組(僅提高了16.1%)和PLA 單獨(dú)處理組(提高了29.0%)(P<0.05)。此外,Liu 等[6]報(bào)道,經(jīng)PAW 與尼泊金丙酯協(xié)同處理10 min 后,大腸桿菌O157:H7 細(xì)胞中DiBAC4(3)熒光強(qiáng)度比對照組提高了505.6%,顯著高于PAW 單獨(dú)處理組(提高了34.6%)和尼泊金丙酯單獨(dú)處理組(提高了208.5%)。Wang 等[25]也有類似的發(fā)現(xiàn),經(jīng)PLA(1.25、2.5、5 和10 mg/mL)處理5 h 后,糞腸球菌(Enterococcus faecalis)細(xì)胞膜發(fā)生去極化,進(jìn)而影響其ATP 的產(chǎn)生和物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸。上述結(jié)果表明,PAW 和PLA 協(xié)同處理導(dǎo)致大腸桿菌O157:H7細(xì)胞膜發(fā)生去極化,進(jìn)而干擾各種新陳代謝途徑,從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。綜上所述,細(xì)胞膜可能是PAW和PLA 協(xié)同作用的主要靶點(diǎn)。
采用DCFH-DA 探針檢測PAW 與PLA 協(xié)同處理對大腸桿菌O157:H7 細(xì)胞內(nèi)ROS 水平的影響,結(jié)果見圖6。如圖6所示,與對照組相比,經(jīng)終濃度為1.0 mg/mL 的PLA 處理8 min 后,大腸桿菌O157:H7胞內(nèi)ROS 水平僅升高了23.0%(P<0.05);經(jīng)PAW 單獨(dú)處理8 min 后,大腸桿菌O157:H7 胞內(nèi)ROS 水平僅升高了4.59 倍(P<0.05)。經(jīng)PAW 協(xié)同PLA 處理后,大腸桿菌O157:H7 細(xì)胞內(nèi)ROS 水平隨PLA 濃度的增加而逐漸升高。與對照組相比,經(jīng)PAW 與終濃度為0.25、0.5 和1.0 mg/mL 的PLA 協(xié)同處理后,大腸桿菌O157:H7 胞內(nèi)ROS 水平分別升高了7.38、7.91 和9.53 倍(P<0.05)。研究證實(shí),PAW 中含有過氧化氫(H2O2)、臭氧(O3)、過氧亞硝基陰離子(ONOO-)、NO2-、NO3-等活性物質(zhì)[26-27]。這些活性物質(zhì)誘導(dǎo)細(xì)菌細(xì)胞膜中的脂質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng),同時活性物質(zhì)還可以滲透到細(xì)胞內(nèi),對細(xì)胞內(nèi)的核酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)造成氧化損傷,誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激,進(jìn)而破壞細(xì)胞的正常生理功能[28-30]。綜上所述,經(jīng)PAW與PLA 協(xié)同處理會導(dǎo)致ROS 的過度積累,可能會對大腸桿菌O157:H7 胞內(nèi)脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA 等物質(zhì)造成氧化損傷,導(dǎo)致細(xì)胞膜和生理功能被破壞,最終造成細(xì)胞死亡。
圖6 PLA 單獨(dú)(A)或PAW 協(xié)同PLA 處理(B)對大腸桿菌O157:H7 細(xì)胞內(nèi)ROS 水平的影響Fig.6 Effect PLA alone (A) or PAW treatment combined with PLA (B) on intracellular ROS levels of E. coli O157:H7
綜上所述,PAW 與PLA 協(xié)同處理能夠有效殺滅大腸桿菌O157:H7,且其殺菌效能隨PLA 濃度的升高而增強(qiáng)。經(jīng)PAW 與終濃度為1.0 mg/mL 的PLA 協(xié)同處理8 min 后,大腸桿菌O157:H7 減少了5.65 lg CFU/mL。PAW 與PLA 協(xié)同處理后,大腸桿菌O157:H7 細(xì)胞形態(tài)發(fā)生明顯皺縮,細(xì)胞膜通透性增強(qiáng)、細(xì)胞膜發(fā)生去極化且胞內(nèi)ROS 水平顯著升高,推測PAW 與PLA 可能通過破壞細(xì)胞膜和誘導(dǎo)氧化應(yīng)激等途徑發(fā)揮協(xié)同抗菌作用。在今后的研究中應(yīng)綜合運(yùn)用代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)等方法系統(tǒng)闡明PAW 與PLA 協(xié)同處理失活微生物的分子機(jī)制;此外,還應(yīng)系統(tǒng)評價(jià)PAW 與PLA 協(xié)同處理對食品表面微生物的殺滅效果及對食品營養(yǎng)、感官及貨架期等指標(biāo)的影響。