脂肪含量对三维黏弹性模型中食源性细菌混合培养相互作用的影响研究

《LWT》：Investigating the interactions of foodborne bacteria in mixed cultures, as affected by the fat content in viscoelastic 3D models

本研究针对复杂食品微环境中细菌相互作用机制不清的问题，系统探讨了脂肪含量变化对三维黏弹性体外模型中食源性细菌混合培养动力学及拮抗作用的影响。研究人员通过将单核细胞增生李斯特氏菌与大肠杆菌、铜绿假单胞菌或乳酸乳球菌共培养，结合菌落计数和扫描电镜技术，发现李斯特氏菌在共培养体系中表现出最强的竞争适应能力，且脂肪浓度对共培养生长无显著影响，为食品微生物安全控制策略提供了新见解。

　　

在食品工业追求少添加、少加工的今天，如何有效控制食品中的微生物安全成为了一个重要挑战。传统的热杀菌和大量使用防腐剂的方法逐渐被更温和的"栅栏技术"所替代，这其中，利用食品自身天然微生物群落中的竞争关系来抑制致病菌生长，是一种颇具前景的策略。然而，食品是一个复杂的微环境，细菌在其中并非孤立存在，它们之间存在着错综复杂的相互作用——有的相互促进（协同作用），有的相互竞争（拮抗作用），这些相互作用又受到食品本身结构特性的深刻影响。特别是脂肪含量，作为许多食品（如奶酪、肉酱等）的关键组成成分，其变化可能会改变细菌的生长空间、营养分布以及信号分子的传递，从而影响细菌之间的"交流"与"博弈"。但目前，关于细菌在结构复杂、脂肪含量不同的三维食品模型中的混合培养行为，尤其是它们之间的拮抗作用，系统性的研究还比较缺乏。

为了填补这一空白，来自萨里大学的研究团队在《LWT》杂志上发表了一项研究，他们利用精心设计的三相黏弹性三维体外模型，模拟了真实高脂食品（如涂抹干酪、肝酱等）的结构和流变特性，深入探究了脂肪含量（10%、20%和60%）变化对几种重要食源性细菌（单核细胞增生李斯特氏菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌和乳酸乳球菌）在混合培养时生长动态和潜在拮抗作用的影响。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几项关键技术：制备了不同脂肪含量（10%、20%、60%）的三相黏弹性三维食品模型，该模型能模拟真实高脂食品的物理特性；将单核细胞增生李斯特氏菌分别与大肠杆菌、铜绿假单胞菌或乳酸乳球菌进行双菌共培养接种于模型表面；通过选择性琼脂平板计数法在不同生长阶段（延滞期、指数早期、指数晚期和稳定期）定量监测各菌群的宏观生长动力学；利用扫描电子显微镜观察稳定期时细菌在模型表面的空间分布、生物膜形成及细胞形态变化。

3.1. 细菌单一培养和共培养的宏观生长行为

3.1.1. 脂肪浓度对细菌共培养宏观生长的影响图谱

研究结果显示，对于所有测试的共培养组合，脂肪浓度（10%、20%和60%）对细菌的宏观生长动力学均未产生统计学上的显著影响。尽管在较高脂肪浓度（20%和60%）下偶尔观察到略微更高的生长趋势，但缺乏一致性。这表明，在本研究采用的三维黏弹性模型体系中，脂肪含量的变化并非驱动共培养细菌生长动态变化的主要因素。

3.1.2. 三维黏弹性模型上单一细菌培养和共培养微生物生长图谱与比较

通过系统比较单一培养和共培养条件下的生长曲线，研究人员发现了菌株依赖性的有趣差异。总体而言，除乳酸乳球菌外，其他细菌在共培养时，尤其是在指数生长晚期，其生长均受到不同程度的抑制。然而，李斯特氏菌在共培养中表现出最强的竞争力和环境适应能力。

单核细胞增生李斯特氏菌和大肠杆菌的共培养

在共培养体系中，大肠杆菌的种群数量在指数生长早期和晚期均显著高于李斯特氏菌，表明大肠杆菌在生长速度上占优。但将共培养与单一培养对比时发现，大肠杆菌在共培养中表现出的生长减损程度要大于李斯特氏菌。这说明，尽管大肠杆菌生长更快，但李斯特氏菌对其施加的竞争压力（如营养竞争或产生抗菌物质）可能更有效地抑制了大肠杆菌，反映了李斯特氏菌在面对其他病原菌时具有更强的应激适应潜力。

单核细胞增生李斯特氏菌和乳酸乳球菌的共培养

这一组合的结果尤为引人注目。乳酸乳球菌作为食品工业中常用的发酵剂，能够产生具有抗菌作用的细菌素（如尼辛），理论上对李斯特氏菌有抑制作用。然而，在本研究的模型体系中，李斯特氏菌的生长仅在指数生长晚期受到共培养的显著抑制，到了稳定期便恢复如初，而乳酸乳球菌的生长基本不受李斯特氏菌存在的影响。这表明，模型体系的固体表面结构及其可能存在的扩散限制，阻碍了乳酸乳球菌产生的潜在抗菌物质（如尼辛）与李斯特氏菌的直接接触，从而削弱了其拮抗效果。

单核细胞增生李斯特氏菌和铜绿假单胞菌的共培养

在共培养中，李斯特氏菌和铜绿假单胞菌的种群水平相当，没有明显的优势菌。然而，与各自单一培养相比，铜绿假单胞菌在所有生长阶段和所有脂肪浓度下，其在共培养中的生长均受到持续抑制。而李斯特氏菌的生长抑制主要出现在指数生长晚期以及60%脂肪浓度下的稳定期。这再次凸显了李斯特氏菌对拮抗性应激的较强抵抗力，其毒力或竞争特性对铜绿假单胞菌产生了更明显的影响。

3.2. 单一培养和共培养中细菌空间组织的微观分析

扫描电子显微镜观察结果从微观层面揭示了共培养引发的细菌应激反应。与单一培养中细菌均匀分布并形成典型生物膜相比，所有共培养组合均出现了细胞外聚合物（EPS）的过量产生，尤其是在李斯特氏菌和铜绿假单胞菌的共培养中，细菌细胞几乎被EPS完全覆盖。同时，在共培养中（特别是李斯特氏菌和大肠杆菌的组合）以及铜绿假单胞菌的单一培养（高脂条件下）中，都观察到了大量细长细胞的形成。EPS的过量产生和细长细胞的出现是细菌应对环境应激（如种间竞争）的典型标志。EPS可以形成保护性屏障，而细胞伸长则可能是细菌试图突破生物膜限制以获取更多营养和氧气的策略。这些微观特征与宏观生长数据显示的共培养生长抑制现象相呼应，共同证实了共培养环境给细菌带来了更高的应激水平。

本研究通过构建能模拟真实食品结构的三维黏弹性模型，揭示了脂肪含量变化并非影响食源性细菌共培养生长动态的关键因素，而细菌种类本身的特性（尤其是单核细胞增生李斯特氏菌强大的环境适应性和竞争能力）在种间相互作用中扮演了更重要的角色。研究结果强调了食品微观结构对细菌相互作用的潜在调节作用，例如可能通过物理阻隔影响抗菌分子的扩散。这些发现为理解复杂食品基质中微生物的竞争行为提供了新的视角，对开发基于微生物竞争原理的新型、靶向性食品保鲜和安全控制策略（如合理利用竞争性菌群）具有重要的指导意义。未来研究可进一步结合基因表达分析，从分子机制层面深入阐释这些相互作用，并探索其他食品基质特性（如pH值、水分活度）对细菌共培养行为的影响。