综述：食品系统中的细菌表面界面：一种可编程的调控层

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Bacterial surface interfaces in food systems: a programmable regulatory layer

　　摘要
背景：在食品系统中，微生物的表现通常通过基因型、存活率及代谢产物生成来解读，但这些参数无法解释为何同一菌株在不同加工条件、食品基质或胃肠道环境中的功能存在差异。这一功能差异表明存在一个被忽视的调控层面——微生物表面界面，它能够直接感知并响应食品环境。

范围与方法：本综述提出将微生物表面界面作为连接分子结构与食品相关功能的整合框架。它总结了微生物表面的主要结构成分，并探讨了这些成分如何共同决定电荷、疏水性、通透性及黏附性等物理化学特性。此外，综述还分析了环境和工艺因素如何动态重塑表面界面，以及由此产生的界面状态如何影响微生物的存活、种间相互作用、流变行为、胶体稳定性以及食品系统中后生物制剂的功能。

关键发现与结论：越来越多的证据表明，通过应力调控或工艺控制实现非基因层面的界面调节，可能为提高菌株的稳健性和功能性提供一种比基因工程更实用的替代方案。应力诱导的界面状态可通过异步的大分子更新在应力消除后持续存在，这一所谓的结构记忆假说或许可以解释后续发酵过程中的功能延续现象，尽管目前直接的分子证据仍较为缺乏。为了从定性描述迈向定量预测，需要结合快速筛选工具、结构分析及消化模型来标准化界面表型分析。将微生物表面界面视为可测量且可调控的质量属性，有助于实现合理的菌株选择、工艺优化以及下一代功能性食品的设计。

引言：过去二十年来，微生物研究已从16S rRNA分析发展到对遗传和代谢潜力的多组学分析。然而，这些方法仍无法解释为何基因型相同的菌株在不同环境或宿主体内会表现出不同功能（Walter等人，2020）。这一问题在食品发酵领域尤为明显，同一菌株在不同底物上的表现可能差异很大，而具有相似遗传潜力的菌群在消费者体内的反应也可能各不相同（Zmora等人，2018）。这些观察结果表明存在一个被忽视的调控层面，即细菌表面界面——它是细胞最外层的结构，能够直接感知并响应食品基质和宿主环境。

在本综述中，细菌表面界面被明确定义为构成微生物细胞最外层功能边界的动态整合型大分子结构，它负责介导环境感知、信息编码及适应性反应。这一概念与若干相关术语有所不同：细胞包膜指的是包括细胞质膜以及周质或细胞壁成分在内的整个分层结构，它为细胞提供机械支撑和形状；细胞表面和表面组学则通常指细胞外部所有分子的集合，但不一定强调其整合调控功能或对环境的响应能力；生物膜基质则是包裹菌群中多个细胞的共有胞外聚合物网络；而微生物-宿主界面则描述的是微生物与宿主组织之间的更广泛接触区域。相比之下，微生物表面界面是以细胞为中心的适应性调控层，其组成、电荷分布及空间构象会不断根据食品基质条件和宿主信号发生改变。本综述以细菌为主，仅在涉及酵母和霉菌与细菌的直接界面相互作用时予以简要讨论。

为避免定义过于宽泛，此处将与该界面相关的成分分为三类。内在界面结构包括共价或紧密非共价结合在细胞壁或外膜上的大分子，它们共同构成了核心的结构和功能边界。这类成分包括壁磷壁酸、脂磷壁酸、表面层蛋白、荚膜多糖、脂多糖以及整合在外膜上的蛋白质。界面衍生物则是由界面生成但释放到细胞外的结构，如外膜囊泡和脱落的外多糖。界面调控因子则是那些不构成结构要素却能影响界面组成、构象或组装的可溶性分子，例如金属离子、自诱导物及某些有机酸。这种三分法确保后续讨论以内在界面结构作为主要调控层面，同时承认界面衍生物和调控因子是其功能的延伸或调节因素。基于这一结构框架，后续章节将探讨内在界面结构不仅作为物理边界，还如何通过其大分子成分的多样性来编码和传递信息。许多内在界面成分在病原体中被视为毒力因子，在益生菌中被视为结构成分，但这些标签掩盖了它们的更广泛功能。表面大分子的结构变异，包括脂磷壁酸的丙氨酸化及聚合度差异，以及多糖糖基化的细微变化，可能形成一种化学编码系统，从而扩展细胞表面传递的信息量（Sandeep等人，2026；Smith & Bharat，2024）。因此，表面组成并非简单的静态特征，而是一种可被食品基质及邻近微生物感知的信息层。

一旦被宿主或其他生物解码，表面界面便成为通信枢纽。宿主通过模式识别受体解读其化学和空间特征，从而触发特定的免疫和代谢反应（de Vos等人，2022；Geva-Zatorsky等人，2017；Lavelle & Sokol，2020；Sorbara & Pamer，2022）。功能输出不仅取决于组成，还取决于分子的构象和呈现方式（Melia等人，2021）。因此，界面通信是由化学性质和结构共同决定的。

该界面还具有高度的可塑性。在环境信号的作用下，微生物可以改变表面多糖的分泌、蛋白质的组装密度以及电荷修饰模式，以此增强屏障功能（Flemming等人，2023；Isbilir等人，2025）。由于界面大分子通常通过局部修复而非同步替换来实现更新，因此在环境条件恢复正常后，应力诱导的状态仍可能持续存在。这一结构记忆假说或许可以解释微生物行为的滞后现象以及菌群动态的变化（Herdman等人，2024；Afonso等人，2025；von Kügelgen等人，2023）。这一观点目前仍属于基于间接证据的工作假设。这种时间上的可塑性在食品发酵过程中尤为重要，因为历史上的应力条件可能会继续影响菌株在成熟期和保质期内的表现。

在菌群层面，表面界面通过静电排斥、电荷屏障、空间阻碍以及受体介导的信号传导来调节菌群的定植、竞争与合作行为（B?hning等人，2024；Doloman & Sousa，2024）。pH值和溶解氧等工艺参数能够定向改变界面特性，而合成生物学和后生物策略则为界面设计提供了更多工具，这些事实进一步体现了该界面的应用价值（Salminen等人，2022；Sogues等人，2023；Sonnenburg & Sonnenburg，2019）。食品及活体生物治疗应用中的基质效应和宿主特异性因素也会影响界面状态、功效稳定性、定植情况以及安全性（Marco等人，2021；Kolodziejczyk等人，2019；O'Toole等人，2017；Paone & Cani，2020）。

为确保研究的全面性和透明度，我们在PubMed、Web of Science和Scopus中检索了截至2026年3月发表的相关文章。关键词包括与微生物表面结构相关的术语（如“外多糖”“表面层”“磷壁酸”“胞外囊泡”），以及“食品”“宿主相互作用”“应激反应”和“界面工程”等词。我们还手工检索了相关综述的参考文献列表。纳入标准要求研究经过同行评审、以英文发表，且直接涉及食品或宿主环境中的表面暴露大分子。相反，非英文文献以及仅关注细胞内机制而不涉及界面的研究则被排除。两位作者分别根据这些标准对文章的标题、摘要及全文进行了筛选。以往的多数综述将包膜应激、表面组学及生物膜形成视为独立主题，而本综述则将它们整合在界面可塑性、结构记忆和非基因编程这一统一框架之下，并进一步提出将界面表型分析作为连接表面结构与发酵功能的可测量纽带。

因此，本综述将微生物表面界面视为一个可测量且可工程化调控的层面，它将微生物的组成与其功能输出联系起来。首先，本文探讨了表面结构的化学多样性如何支持信息编码，宿主免疫系统如何解码这些信号，以及空间构象和上下文如何影响信号输出。接着，本文分析了界面如何在微生物菌群中调节合作与竞争关系，并介绍了生态编程、合成生物学及后生物制剂三种工程策略及其应用前景。最后，本文探讨了从物种控制转向界面控制的趋势，并强调了建立可测量、可预测且标准化的界面表型分析系统对于合理设计和精确调控微生物生态系统的必要性。