《Food Science & Nutrition》：Biopreservative Potential of Indigenous Lactic Acid Bacteria From Fermented Dacryodes edulis Seeds: A Novel Approach for Sustainable Food Safety in West African Traditional Foods
編輯推薦：
本文是一項開創(chuàng)性的研究，系統(tǒng)地分離并表征了源自尼日利亞科吉州發(fā)酵香芋（Dacryodes edulis）種子的本土乳酸菌（LAB）。研究發(fā)現(xiàn)了一株名為DE-LAB-23的植物乳桿菌（Lactiplantibacillus plantarum）新菌株，其產(chǎn)出的新型細(xì)菌素展現(xiàn)出卓越的廣譜抗菌活性和驚人的熱穩(wěn)定性（100°C處理15分鐘仍保留85%活性）。通過基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組學(xué)等多組學(xué)驗證，該菌株在傳統(tǒng)非洲粥模型中的應(yīng)用，實現(xiàn)了對多種食源性病原體（如大腸桿菌O157:H7、鼠傷寒沙門氏菌）顯著的3.2個對數(shù)值（log）削減，并將保質(zhì)期延長72小時。該研究為開發(fā)可持續(xù)、天然且高效的食品生物防腐劑提供了強有力的科學(xué)證據(jù)，對應(yīng)對西非地區(qū)因冷鏈設(shè)施有限而面臨的食品安全挑戰(zhàn)具有重要意義。
引言：應(yīng)對傳統(tǒng)食品安全的挑戰(zhàn)
食源性疾病每年影響全球數(shù)億人，在冷鏈基礎(chǔ)設(shè)施有限的發(fā)展中國家尤為嚴(yán)重。西非傳統(tǒng)發(fā)酵食品代表了尚未被充分探索的微生物生態(tài)系統(tǒng)。非洲香芋（Dacryodes edulis，又稱非洲面包果）在傳統(tǒng)加工過程中會發(fā)生自然發(fā)酵，可能蘊藏著具有生物防腐潛力的新型微生物。乳酸菌（LAB）作為公認(rèn)安全的微生物，能夠產(chǎn)生包括細(xì)菌素在內(nèi)的多種抗菌化合物，為應(yīng)對日益嚴(yán)峻的食源性病原體（如大腸桿菌O157:H7、沙門氏菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌）提供了環(huán)境友好且高效的化學(xué)或抗生素干預(yù)替代方案。
材料與方法：從田間到實驗室的系統(tǒng)探索
研究團隊在尼日利亞科吉州的三個不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)（幾內(nèi)亞稀樹草原、次生稀樹草原、森林-稀樹草原過渡帶）采集了處于發(fā)酵高峰期的香芋種子樣本。從最初的187個疑似LAB菌落中，依據(jù)抗菌活性、地理代表性等多項標(biāo)準(zhǔn)，最終篩選出45株LAB進(jìn)行深入表征。分子鑒定（16S rRNA基因測序）揭示了五個物種，其中植物乳桿菌占主導(dǎo)地位。
研究采用了一系列現(xiàn)代技術(shù)手段：通過瓊脂孔擴散法評估抗菌活性；利用蛋白酶處理、熱和pH穩(wěn)定性實驗來表征抗菌化合物的性質(zhì)；采用RNA測序（RNA-seq）、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（LC-MS/MS）和蛋白質(zhì)印跡（Western blot）等多組學(xué)方法，從基因表達(dá)、蛋白質(zhì)鑒定和驗證三個層面確認(rèn)新型細(xì)菌素的產(chǎn)生；通過全基因組測序（WGS）和antiSMASH分析，挖掘潛在的生物合成基因簇；最后，在一種標(biāo)準(zhǔn)化的傳統(tǒng)非洲粥模型中評估了優(yōu)選菌株的生物防腐功效。
結(jié)果：新型菌株的卓越表現(xiàn)
- •
菌株鑒定與多樣性：從發(fā)酵香芋種子中成功分離出45株LAB，隸屬于5個物種。其中，植物乳桿菌最為常見（占42.2%）。一株名為DE-LAB-23的植物乳桿菌菌株，盡管在16S rRNA序列上與已知菌株高度相似，但表現(xiàn)出獨特的表型特征。
- •
卓越的抗菌活性：菌株DE-LAB-23對所有測試的食源性病原體均表現(xiàn)出最高的抗菌活性，尤其是對大腸桿菌O157:H7（抑菌圈直徑：28.4 ± 1.2 mm）和鼠傷寒沙門氏菌（26.8 ± 0.9 mm）。其活性顯著高于其他分離株。
- •
新型細(xì)菌素的特性：DE-LAB-23的抗菌活性可被蛋白酶K完全消除，證實其抗菌物質(zhì)為蛋白質(zhì)類（即細(xì)菌素）。這些細(xì)菌素具有卓越的熱穩(wěn)定性（100°C處理15分鐘后活性保留85%）和廣泛的pH耐受性（pH 3.0–9.0）。
- •
多組學(xué)驗證：
- •
轉(zhuǎn)錄組學(xué)：RNA-seq分析顯示，DE-LAB-23中一個新型細(xì)菌素基因簇（BGC-1）的基因在發(fā)酵過程中顯著上調(diào)。
- •
蛋白質(zhì)組學(xué)：LC-MS/MS直接鑒定出細(xì)胞培養(yǎng)上清液中存在預(yù)測的細(xì)菌素肽段（分子量~4287.3 Da），序列覆蓋率達(dá)85%，并檢測到翻譯后修飾。
- •
蛋白質(zhì)印跡：使用定制抗體進(jìn)行的Western blot分析，在培養(yǎng)上清液中檢測到約4.3 kDa的單一條帶，其強度隨時間增加，與抗菌活性曲線一致。
- •
全基因組分析：對DE-LAB-23的全基因組測序揭示了四個新型的生物合成基因簇（BGCs），其中BGC-1編碼一種新型的III類細(xì)菌素，與已知序列同源性低，表明其屬于一個新的抗菌肽家族。
- •
生物防腐應(yīng)用效果：在傳統(tǒng)非洲粥模型中，接種108CFU/mL的DE-LAB-23菌株，可在24小時內(nèi)使總病原菌數(shù)量減少3.2個對數(shù)值（log），并將食品在環(huán)境溫度下的保質(zhì)期延長72小時，同時保持良好的感官品質(zhì)。
討論：意義與展望
本研究首次系統(tǒng)揭示了發(fā)酵香芋種子中LAB的多樣性及其生物防腐潛力。DE-LAB-23菌株展現(xiàn)出的超越以往報道的抗菌活性和熱穩(wěn)定性，使其成為一種極具前景的天然生物防腐劑來源。多組學(xué)技術(shù)的整合應(yīng)用，為細(xì)菌素的功能性表達(dá)提供了確鑿證據(jù)。在傳統(tǒng)食品模型中的成功應(yīng)用，驗證了其在實際食品保藏中的可行性和有效性。這些發(fā)現(xiàn)不僅為提升西非傳統(tǒng)食品安全提供了可持續(xù)的解決方案，也彰顯了將本土傳統(tǒng)知識與現(xiàn)代生物技術(shù)相結(jié)合，發(fā)掘新型生物活性資源的巨大價值。未來的研究可聚焦于大規(guī)模生產(chǎn)工藝優(yōu)化、安全性評估以及在不同食品體系中的拓展應(yīng)用。
結(jié)論
本研究證實，發(fā)酵非洲香芋種子是蘊藏具有卓越生物防腐潛力乳酸菌的寶貴資源。特別是菌株DE-LAB-23，其產(chǎn)生的熱穩(wěn)定、廣譜抗菌的新型細(xì)菌素，在提升傳統(tǒng)食品安全和延長貨架期方面表現(xiàn)出巨大潛力。基因組學(xué)揭示了獨特的生物合成能力。這項研究為推動基于本土資源的可持續(xù)食品保藏技術(shù)發(fā)展、保障區(qū)域食品安全、以及融合傳統(tǒng)智慧與現(xiàn)代科學(xué)提供了重要的科學(xué)依據(jù)和實踐路徑。
