《Food Microbiology》：Electrochemical identification of riboflavin-mediated redox adaptation in
Escherichia coli under mild heat stress
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摘要了解大肠杆菌（Escherichia coli，E. coli）的应激反应机制对于控制其在食品系统中的污染至关重要。本研究从电化学角度研究了大肠杆菌对温和热处理（MHT）的适应性反应，重点关注能量代谢和电子传输过程。通过差分脉冲伏安法（DPV）、高效液相色谱（HPLC）和
摘要
了解大肠杆菌（Escherichia coli，E. coli）的应激反应机制对于控制其在食品系统中的污染至关重要。本研究从电化学角度研究了大肠杆菌对温和热处理（MHT）的适应性反应，重点关注能量代谢和电子传输过程。通过差分脉冲伏安法（DPV）、高效液相色谱（HPLC）和液相色谱串联质谱（LC–MS/MS）分析，识别出一个在 -0.45 V（vs Ag/AgCl）处的明显氧化峰，并将其归因于核黄素（RF）。在 MHT 条件下，与 RF 相关的电化学信号显著增强。结合菌落计数和形态观察，确认这种增加源于应激诱导的代谢适应，而非细胞死亡。细胞内 ATP 和 ROS 水平的变化进一步支持了这一结论。转录组分析显示 RF 生物合成基因（ribA，ribD，ybjI，ribE）及相关能量代谢途径的上调。ribA 敲除实验表明，缺乏外源 RF 补充时，RF 缺陷型突变体无法在热应激下存活。总体而言，本研究为了解细菌适应 MHT 的潜在代谢机制提供了新的电化学见解，并确定 RF 介导的氧化还原调节（特别是 ribA）是食品加工中抗菌控制的潜在靶点。
引言
食源性细菌病原体仍然是全球食品安全的主要担忧，其中大肠杆菌（E. coli）是与新鲜和轻加工食品相关的最重要的污染物之一。由于其强大的环境适应性和潜在的致病性，大肠杆菌可以存活于各种加工和储存条件中，对公共健康构成持续风险（Li 等，2025）。温和热处理（MHT）被广泛应用于食品工业作为一种重要的微生物控制策略，特别是在水果和蔬菜等新鲜和轻加工食品的加工和储存中。与严重的热杀菌相比，MHT 通常在略高于微生物最佳生长温度的温度下操作，一般在 40 至 65°C 之间（Li 等，2018；Kim 等，2021；Chen 等，2022；Zhang 等，2022）。MHT 具有多项优势，包括降低能耗和改善食品营养质量、质地和感官特性的保存。然而，越来越多的证据表明，MHT 作为一种亚致死热应激，并不一定能确保有效的微生物灭活。相反，暴露在温和热条件下的细菌可以通过激活适应性反应而存活，这随后可能导致处理失败并对食品安全构成持续风险（Zhang 等，2022；Zhang 等，2023）。
在亚致死热条件下，微生物启动复杂的生理调整以维持细胞稳态。这些反应包括激活热休克系统、调节蛋白质折叠和降解途径、增强抗氧化防御、改变膜结构以及与毒力相关的性状（Aaliya 等，2021）。先前的研究表明，受热应激的大肠杆菌可以保留致病潜力，甚至表现出毒力相关基因表达的增加。Singh 等（2025）报告称，在 47.5°C 下对大肠杆菌 O157:H7 进行 10 分钟的热处理导致毒力基因 stx1 和 fliC 的上调，这与增强的细胞粘附或毒力因子产生有关。此外，在热应激下也观察到了生物膜形成的增加（Adnan 等，2010）、外膜囊泡的分泌（Eberlein 等，2018）以及其他生理适应（dos Santos Rosario 等，2021）。这些适应性行为表明，MHT 可能诱导深刻的细胞内代谢重编程，而不仅仅是生长抑制。因此，了解细菌在热应激期间存活的代谢适应对于改进食品加工策略和识别新的抗菌干预靶点至关重要。
能量代谢在细菌应激适应中起中心作用，因为细胞存活取决于维持氧化还原平衡和高效的电子转移过程（Kundu 等，2025；Murphy 和 Chouchani，2022）。由电化学活性蛋白质和可扩散电子载体组成的电子传递链，主导着细胞内能量转换和氧化还原稳态。越来越多的关注被集中在参与细胞外电子转移和应激抵抗的电化学活性代谢物上。例如，据报道，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、细胞色素和黄素等电活性化合物通过调节电子流和氧化平衡，促进细菌在环境压力下的存活（Li 等，2021；Liu 等，2020；Saunders 等，2020）。这些发现表明，氧化还原活性代谢物的变化可作为代谢适应的敏感指标。然而，大肠杆菌在热应激期间如何动态重塑其氧化还原代谢仍知之甚少。
电化学技术提供了一种强大且非破坏性的方法来实时监测微生物代谢活性。与通常依赖终点测量的传统微生物学或组学方法不同，电化学分析能够直接检测活细胞释放的氧化还原活性物质，从而为微生物能量代谢提供独特的见解。最近的研究证明了使用电化学方法表征细菌呼吸、细胞外电子转移和代谢物分泌的可行性。例如，Chen 等（2019）报告称，枯草芽孢杆菌分泌电化学活性分子，包括烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和细胞色素 c，这些分子有助于在环境压力条件下测量与细胞代谢活性相关的氧化还原信号。类似地，Xiao 等（2017）发现希瓦氏菌 MR-1 释放黄素和细胞色素 c，促进细胞外电子转移并产生可检测的电化学反应。然而，大肠杆菌在食品相关压力条件（特别是温和热应激）下的电化学行为尚未得到系统研究，且应激诱导电化学信号的分子起源在很大程度上仍未知。
在本研究中，我们从电化学代谢的角度研究了大肠杆菌对热应激的适应性反应（方案）。在大肠杆菌培养物中检测到 -0.45 V 处的明显氧化峰，电化学信号与细菌生长动态表现出强相关性。通过差分脉冲伏安法（DPV）结合高效液相色谱（HPLC）和液相色谱串联质谱（LC-MS/MS）分析，氧化信号被鉴定为核黄素（RF）。我们进一步检查了 MHT 下与 RF 相关的电化学行为的变化，并使用菌落计数、透射电子显微镜以及细胞内三磷酸腺苷（ATP）和活性氧（ROS）分析评估了细菌生理反应。转录组分析显示参与 RF 生物合成的基因显著上调，通过 ribA 敲低的功能验证确认了 RF 在热应激条件下细菌生长中的关键作用。总之，这项工作为了解细菌对 MHT 的代谢适应提供了新的电化学视角，并突出了 RF 介导的氧化还原调节作为食品加工期间控制微生物存活的潜在靶点。
章节片段
细菌培养条件
E. coli ATCC 25922 购自广东省微生物菌种保藏中心（GDMCC，中国广东）。在本研究中，采用了三种不同的培养基用于不同的实验目的。M9 最小培养基是一种营养有限的化学成分确定培养基，用于代谢物分析，以排除复杂培养基成分的外源干扰，并确保检测到的代谢物来源于细菌细胞本身（Laganenka 等，2023）。
大肠杆菌在低电位下的电化学响应
近年来，电化学分析揭示微生物电化学活性高度依赖于细胞代谢状态和环境条件。虽然大肠杆菌传统上被视为非电化学活性微生物，但新兴证据表明，营养限制和环境压力可诱导与细胞内电子转移途径相关的条件依赖性氧化还原活性（Mayton 等，2019；Simoska 等，2019）。这些发现提出了一个
结论
在本研究中，识别出大肠杆菌在 -0.45 V（相对于 Ag/AgCl）处的明显氧化峰，计时电流分析确认相关物质积极参与细菌电子转移。通过整合 DPV、HPLC 和 LC–MS/MS 分析，RF 被鉴定为负责观察到的信号的主要氧化还原活性化合物。在 MHT 下，增强的与 RF 相关的电化学响应，结合细胞内 ATP 水平降低
CRediT 作者贡献声明
Xinfang Zhang: 写作 – 审查与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，数据管理。Xian Mao: 验证。Xiya Liu: 方法论，调查。Yawen He: 验证。Chun Xu: 验证。Qiao Yang: 验证。Hang Deng: 验证。Jiali Ren: 写作 – 审查与编辑，监督，资源，资金获取，概念化。Ying Xiong: 写作 – 审查与编辑，形式分析
未引用参考文献
Anand and Akhter, 2022; Jastroch et al., 2010; Singh and Jiang, 2015; Wu et al., 2024; Zhang et al., 2023.
竞争利益声明
√ 作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。
致谢
我们衷心感谢本研究部分受到 国家自然科学基金（U25A20730，U24A20466 和 32302226）、湖南省重点研发计划（2024JK2158）、湖南省科技创新平台与人才计划（2019TP1029）、木质油资源利用国家重点实验室（SKL-CSUFT202503）、湖南省自然科学基金（2025JJ40029）以及湖南省创新基金会（For）的支持
Xinfang Zhang|Xiya Liu|Xian Mao|Chun Xu|Yawen He|Hang Deng|Qiao Yang|Ying Xiong|Jiali Ren
木质油资源利用国家重点实验室，湖南省林业食用资源安全与加工重点实验室，长沙市食品功能配料技术创新中心，中南林业科技大学食品科学与工程学院，中国湖南省长沙市 410004
