《Food Microbiology》：Matrix Matters: Context-Driven Metabolic Shifts in
Bacillus cereus and
Bacillus subtilis
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為了理解蠟樣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌在不同食品基質中的代謝行為及其對食品安全和產品穩定性的影響，研究人員將等溫微量熱法(IMC)與靶向代謝組學相結合，表征了這兩種細菌在五種營養源（BHI培養基、燕麥飲、牛奶、豌豆水解物及燕麥-豌豆混合基質）中的代謝活性。研究發現，蠟樣芽孢桿菌延滯期更短，但枯草芽孢桿菌總產熱量更高；燕麥-豌豆混合基質支持最高的量熱生長率，并伴隨顯著的糖消耗和有機酸積累；不同基質對游離氨基酸釋放和蠟樣芽孢桿菌毒素cereulide的產生具有特異性影響。這項研究首次將熱量測定與代謝組學結合應用于植物基和乳基質中芽孢桿菌活性的評估，為改善食品安全和產品設計提供了新視角。
在食品工業中，微生物污染一直是令人頭疼的核心問題。這其中，能夠形成頑強孢子的革蘭氏陽性菌——蠟樣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌尤為“難纏”。前者是重要的食源性病原體，可能產生致腹瀉的腸毒素或導致嘔吐的強耐熱、耐酸毒素cereulide；后者則是許多傳統發酵食品（如豆類、種子發酵產品）的關鍵驅動者，但也與米飯制品“拉絲”、面包“發粘”等腐敗現象相關。然而，盡管它們在食品中常常共存，但在不同食品基質中，它們的特定代謝行為和生長動態仍未被充分闡明。隨著植物基原料在食品生產中的廣泛應用，了解這些微生物在復雜食品環境中的具體表現，對于精確評估風險、預測腐敗、以及控制發酵過程變得至關重要。
那么，如何才能實時、無創地“窺探”這些細菌在食品中的代謝活動呢？傳統的光學方法在渾濁或復雜的食品基質中常常“失靈”。而等溫微量熱法（Isothermal Microcalorimetry, IMC）則提供了一種強大的解決方案。IMC通過監測微生物代謝活動產生的熱流，可以實時反映其生物量的變化。但是，IMC雖然能給出一個綜合的代謝活性“總信號”，卻無法告訴我們背后具體的生化過程是怎樣的——比如，糖分消耗了多少？產生了哪些有機酸？氨基酸的動態變化如何？而這些信息，恰恰是理解微生物如何利用營養、以及評估安全風險（例如毒素產生）的關鍵。因此，研究人員獨辟蹊徑，將IMC與靶向代謝組學（Targeted Metabolomics）結合起來，期望獲得一個關于蠟樣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌在食品基質中生理活動的“全景圖”。
這項研究被發表在《Food Microbiology》雜志上。研究人員采用了一種創新的整合方法，首先利用等溫微量熱法實時監測了24小時內兩種芽孢桿菌在五種不同基質中的代謝產熱。他們研究了16株蠟樣芽孢桿菌群菌株和8株枯草芽孢桿菌菌株，以涵蓋不同的毒力、遺傳背景和來源。關鍵的樣本包括來自非洲傳統發酵調味品和乳制品環境的菌株。在IMC的指導下，研究選取了代謝活動的峰值點和終點對代表性菌株進行采樣，并運用高效液相色譜-示差折光檢測器（HPLC-RID）和液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）等技術，對樣品中的糖類、有機酸、游離氨基酸以及蠟樣芽孢桿菌的嘔吐毒素cereulide進行了精確定量。
3.1. 分類學和系統發育
通過對所有菌株進行全基因組測序和基于UBCG（up-to-date bacterial core gene）方法的系統發育分析，研究人員發現蠟樣芽孢桿菌群的菌株分為三個進化枝（Clade A：副炭疽芽孢桿菌、太平洋芽孢桿菌和熱帶芽孢桿菌；Clade B：威德曼芽孢桿菌/普雷蒂奧蘇斯芽孢桿菌；Clade C：草狀芽孢桿菌），而枯草芽孢桿菌菌株則形成兩個獨立的進化枝（Clade D 和 E）。這項基于系統發育的分類，為后續分析菌株間代謝差異提供了遺傳背景。
3.2. 在BHI和食品基質中培養的芽孢桿菌代謝活性
在BHI培養基中，IMC數據顯示，雖然蠟樣芽孢桿菌的延滯期（4.3小時 ± 0.8）顯著短于枯草芽孢桿菌（7.9小時 ± 1.0），但枯草芽孢桿菌最終產生的總熱量（2732 mJ ± 462）和最大量熱生長速率（378 mJ·h-1± 140）均高于蠟樣芽孢桿菌。在進化枝內部也存在差異，例如草狀芽孢桿菌（Clade C）產生的熱量顯著低于其他蠟樣芽孢桿菌進化枝。當將菌株置于牛奶、燕麥、豌豆和燕麥-豌豆混合基質中培養時，基質成分的影響變得更為突出。枯草芽孢桿菌在所有食品基質中一致地比蠟樣芽孢桿菌產生更多熱量。特別值得注意的是，燕麥-豌豆混合基質支持了最高的量熱生長速率，超過了單獨的燕麥或豌豆基質。
3.3. 芽孢桿菌在燕麥、豌豆和燕麥-豌豆基質中生長的代謝譜分析
靶向代謝組學分析揭示了基質驅動的顯著代謝差異。主成分分析表明，基質成分是導致樣本分離的主要驅動力。研究發現，燕麥-豌豆基質中總糖含量顯著下降，同時乳酸和乙酸等有機酸水平急劇上升，表明碳水化合物代謝的增強。此外，游離氨基酸的釋放表現出物種和基質特異性：枯草芽孢桿菌在燕麥中游離氨基酸水平增加，而蠟樣芽孢桿菌則在豌豆中顯著積累游離氨基酸。在燕麥-豌豆混合基質中，總游離氨基酸水平則沒有發生顯著變化。關于食品安全關鍵指標cereulide毒素的檢測，結果顯示出強烈的基質依賴性：在燕麥基質中檢測到高濃度（47.3 ± 1.7 ng/mL），在燕麥-豌豆混合基質中含量較低（3.0 ± 0.1 ng/mL），而在豌豆基質中則未檢測到。
在討論和結論部分，本研究強調了基質在決定微生物代謝策略和安全風險方面至關重要的作用。盡管在營養豐富的BHI培養基中，兩種芽孢桿菌表現出系統發育進化枝依賴的代謝差異，但在真實的食品基質中，營養組成對生理反應的影響超過了物種身份。研究發現，燕麥-豌豆混合基質通過提供互補的碳源和氮源，促進了最高的代謝活性和有機酸生成。同時，cereulide毒素的產生與總體代謝活性并不直接相關，而是受到特定營養線索的嚴格調控，高碳水化合物環境（如燕麥）更易觸發其合成，而富含氨基酸的環境（如豌豆）可能通過提供反饋抑制或改變代謝流向而限制了毒素的產生。
此項研究的核心意義在于其方法的創新性和結論的實踐價值。它首次將等溫微量熱法與靶向代謝組學相結合，應用于評估芽孢桿菌在植物基和乳基質中的活性，提供了一種非侵入性、實時監測微生物代謝并同時解析其背后生化機制的綜合工具。研究結果表明，不能將在實驗室培養基中觀察到的微生物行為直接外推到復雜的食品體系中。對于食品工業，特別是正在快速發展的植物基食品行業，這些發現為更精準地評估特定產品配方中的微生物腐敗風險和毒素產生潛力提供了科學依據。例如，通過優化基質成分（如調整碳氮比），可能有助于抑制病原體毒素的產生，同時促進有益發酵過程，從而為開發更安全、穩定的新型食品產品奠定了理論基礎。
