超声波预处理增强食品工业副产物蛋白水解效率及其功能特性的研究

本研究针对植物乳杆菌R(Lactobacillus plantarum R)在食品发酵过程中对乙醇耐受性低的瓶颈问题，通过异源表达pfs/LuxS基因构建AI-2群体感应信号分子合成通路。研究发现外源AI-2能显著提升菌株在高浓度乙醇环境下的生长能力（8%乙醇浓度下生物膜形成量提升2.4倍），多组学分析揭示磷酸转移酶系统(PTS)关键基因crr的上调及半胱氨酸/蛋氨酸代谢通路激活是增强乙醇耐受性的核心机制。该成果为食品发酵工业菌株性能改良提供了新策略，发表于《LWT》期刊。

　　

在食品发酵工业中，植物乳杆菌R(L. plantarum R)作为核心发酵菌种，其应用却受限于对乙醇的低耐受性——当乙醇浓度超过6%时，菌体生长会显著抑制。这直接影响了其在葡萄酒、泡菜等高乙醇发酵食品中的应用价值。更棘手的是，虽然生物膜形成能增强细菌抗逆性，但天然菌株的生物膜调控机制尚不明确。就像一支缺乏指挥的乐队，菌群无法协调应对环境压力。

为破解这一难题，来自湖北工业大学的Mengchen Li团队独辟蹊径，将目光投向细菌的"群体语言"——群体感应(QS)系统。研究人员巧妙构建了AI-2信号分子的体外合成体系，通过异源表达pfs/LuxS基因，使SAH在酶催化下转化为关键信号分子DPD。就像为菌群配备了"对讲机"，外源添加的AI-2让L. plantarum R在8%乙醇浓度下生物膜形成量提升2397倍，活菌率显著提高。

研究采用多组学联用策略，通过转录组测序(RNA-seq)和超高效液相色谱-质谱(UPLC-MS)技术，发现磷酸转移酶系统(PTS)中crr基因的显著上调是增强乙醇耐受性的关键开关。代谢通路分析更揭示，AI-2通过激活半胱氨酸和蛋氨酸代谢，促进S-腺苷甲硫氨酸(SAM)循环，就像为细胞建造了"防弹衣"，使膜结构在乙醇冲击下保持稳定。

关键技术包括：1) 分子克隆构建pfs/LuxS表达系统；2) 采用哈维氏弧菌BB170生物检测法量化AI-2活性；3) 静态微孔板法测定生物膜形成量；4) Illumina HiSeq 3000平台进行转录组测序；5) Q Exactive Focus质谱仪开展非靶向代谢组学分析。

【3.1 内源AI-2对乙醇耐受性的影响】

通过D-半乳糖竞争性抑制实验发现，AI-2信号阻断会导致菌株在8%乙醇中生长抑制率达68%，证实内源QS系统对乙醇应激的关键调控作用。

【3.2 外源AI-2的合成与效应】

优化表达条件获得高纯度Pfs(25 kDa)和LuxS(20 kDa)蛋白，AI-2产量达0.764 mmol/L。外源添加使菌体在10%乙醇中存活率提升3.2倍，共聚焦显微镜显示活菌比例增加82%。

【3.3 多组学机制解析】

转录组发现pts33BCA等12个PTS基因显著上调，其中crr基因表达量增加5.8倍。代谢组揭示3'-AMP等能量代谢物积累，半胱氨酸通路代谢物变化倍数达7.3。

这项研究不仅首次阐明AI-2通过PTS-crr轴增强LAB乙醇耐受性的分子机制，更创新性地建立了AI-2的体外高效合成体系。就像为工业菌株安装了"智能应激系统"，该技术可推广至其他发酵菌种改良，为高乙醇食品发酵工艺突破提供全新解决方案。研究还提示，通过代谢工程改造SAM循环可能成为提升微生物抗逆性的通用策略，这对功能性发酵食品开发具有重要指导意义。