戊糖乳杆菌产生的挥发性有机化合物和乳酸的抗真菌机制及其在鲜玉米中对禾谷镰刀菌的生物防治应用

《Food Microbiology》：Antifungal mechanisms of volatile organic compounds and lactic acid produced by Lactiplantibacillus pentosus and their biocontrol application in fresh corn against Fusarium graminearum

【字体：大中小】 时间：2026年08月20日 来源：Food Microbiology 5.4

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　　摘要禾谷镰刀菌会导致谷物腐败和真菌毒素的产生。目前，生物防治微生物已成为管理谷物中产毒真菌污染的一种安全且有前景的策略。主要目的是阐明分离株戊糖乳杆菌 Q11 对禾谷镰刀菌的抗真菌机制，并评估其无细胞上清液 (CFS) 在新鲜甜玉米中的保鲜效果。戊糖乳杆菌 Q11 的体外抗真

摘要

禾谷镰刀菌会导致谷物腐败和真菌毒素的产生。目前，生物防治微生物已成为管理谷物中产毒真菌污染的一种安全且有前景的策略。主要目的是阐明分离株戊糖乳杆菌 Q11 对禾谷镰刀菌的抗真菌机制，并评估其无细胞上清液 (CFS) 在新鲜甜玉米中的保鲜效果。戊糖乳杆菌 Q11 的体外抗真菌实验显示对禾谷镰刀菌、黄曲霉和扩展青霉具有强拮抗活性，以及降低玉米赤霉烯酮的能力。此外，全基因组分析显示无相关毒力和抗微生物耐药基因，且未观察到溶血活性，表明 Q11 菌株的潜在安全性。此外，戊糖乳杆菌 Q11 的 CFS 有效抑制了禾谷镰刀菌的菌丝生长，破坏了菌丝完整性，并诱导真菌细胞死亡。此外，通过 SPME-GC-MS 和 HPLC 鉴定出 Q11 菌株 CFS 中的 3 种有机酸和 38 种挥发性化合物，其中 2-壬酮、2-甲基吡嗪、乳酸、乙酸是主要化合物。CFS 和乳酸结合 2-壬酮严重破坏了禾谷镰刀菌的菌丝，通过破坏细胞膜和细胞壁，导致细胞内物质泄漏，显示出这两种重要化合物的协同抗真菌效果。随后，与对照组相比，CFS 和联合药剂处理在储存 12 天后显著降低了新鲜甜玉米中 88.05% - 89.52% 的真菌种群，以及 AFB₁ 和 DON 真菌毒素的积累。处理过的玉米中丙二醛含量降低了 29.25% - 31.50%，与 POD 和 APX 较高的活性一致，从而保留了它们的感官属性和营养质量。代谢组学分析表明，处理过的玉米中谷胱甘肽代谢通路中的 L-谷氨酸、γ-谷氨酰半胱氨酸和氧化型谷胱甘肽显著下调，表明含有乳酸和 2-壬酮的 CFS 可以抑制真菌生长并缓解新鲜甜玉米的氧化应激。总体而言，这些发现表明具有协同挥发性有机化合物和乳酸的戊糖乳杆菌 Q11 是保存新鲜甜玉米的一种有前景的生物防治剂。

引言

谷物是食品和饲料的重要原材料，其质量和安全直接关系到粮食安全。新鲜甜玉米是玉米的重要利用类型，特点是甜味、质地嫩、多汁和营养价值高。然而，新鲜甜玉米通常在乳熟期或面团早期收获，此时籽粒含水量高且呼吸代谢旺盛，使其在采后处理和运输过程中极易受到污染。真菌污染对采前和采后谷物产品构成重大威胁，导致巨大的经济损失和安全风险 (Sadiq et al., 2019)。镰刀菌属、青霉属和曲霉属是导致谷物污染的主要真菌属 (Hassan et al., 2021)。在这些真菌中，由镰刀菌属引起的 Fusarium head blight (小麦赤霉病) 是导致谷物产量下降和质量恶化的主要疾病之一，归因于其强适应性 (Zanon et al., 2024)。玉米和小麦极易受到禾谷镰刀菌的污染。此外，禾谷镰刀菌产生玉米赤霉烯酮 (ZEN) 和单端孢霉烯族真菌毒素，由于其免疫毒性、内分泌干扰和生殖效应，对食品安全和人类健康构成严重风险 (Zhu et al., 2024; Cao et al., 2021)。

近年来，针对真菌生长和真菌毒素产生的乳酸菌 (LAB) 生物防治策略引起了越来越多的关注 (Zhang et al., 2023; Dalié, Deschamps, & Richard-Forget, 2010)。LAB 的卓越抗真菌活性归因于其快速生长导致的竞争排斥，这限制了真菌定殖所需的营养和生态位 (Shi & Maktabdar, 2022)。此外，有机酸、蛋白质化合物和挥发性有机化合物 (VOCs) 已被鉴定为 LAB 的关键代谢物，能有效抑制真菌生长 (Li et al., 2023)。LAB 分泌有机酸作为其主要代谢产物，并经 FDA 批准被认为是一般公认安全 (GRAS) 的。Adithi 等人 (2024) 报道，发酵乳杆菌属 MYSAGAM1 的无细胞上清液 (CFS) 中的有机酸诱导了马尾草镰刀菌菌丝和分生孢子的显著形态改变。此外，VOCs 也显示出抑制霉菌生长的巨大潜力。据报道，异裂丝酵母产生的 8 种 VOCs 完全抑制了真菌生长，并用这些 VOCs 熏蒸有效抑制了蓝霉病和灰霉病 (Zhao et al., 2025)。Zhang 等人 (2024) 报道，肉桂醛和壬醛协同抑制了黄曲霉的生长，从而减少了 AFB₁ 的产生。此外，LAB 还可以通过吸附和生物转化降低食品中的真菌毒素水平。鼠李糖乳杆菌 SHA113 对脱氧雪腐镰刀菌烯醇 (DON) 的降解率达到 59%，并将 DON 转化为毒性较低的代谢物 3-表-DON (Qu et al., 2019)。几种菌株如副干酪乳杆菌、植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌显示出超过 80% 的 ZEN 降解效率 (Murtaza et al., 2023)。因此，LAB 通过产生多种抗真菌化合物可以有效抑制食品和饲料中的产毒真菌，显示出生物防治应用的极大替代潜力。

最近，非靶向代谢组学分析已成为系统阐明谷物作物质量变化机制的重要分析工具 (Schütz et al., 2021)。结合代谢组学和转录组学的整合多组学分析揭示了不同栽培实践对糯玉米籽粒质量和香气相关 VOCs 形成的调节作用 (Zhao et al., 2025)。代谢组学也已应用于评估不同加工或储存条件下花生的质量变化，提供了对质量恶化过程中氧化应激相关代谢通路动态变化的见解 (Zhang et al., 2025)。因此，代谢组学与常规分析的结合将为阐明农产品中 LAB 衍生的 CFS 和抗真菌代谢物的调节机制提供有效的方法。

在本研究中，我们报道了一种有前景的生物防治 LAB 菌株戊糖乳杆菌 Q11，该菌株是在从发酵食品中分离的 91 个菌株中鉴定出的。本研究旨在 (i) 鉴定从发酵食品中分离的具有广谱抗真菌活性的 LAB，(ii) 评估戊糖乳杆菌 Q11 对禾谷镰刀菌的拮抗活性和关键抗真菌化合物，(iii) 阐明其抗真菌机制，(iv) 结合代谢组学分析，基于微生物和理化指标探索 CFS 在新鲜甜玉米中的保鲜效果。

章节片段

微生物和培养条件

真菌菌株禾谷镰刀菌 BNCC113713、黄曲霉 ACCC 32656 和扩展青霉 CMCC 3.3703 保存在我们的实验室中。三种真菌菌株在马铃薯葡萄糖琼脂 (PDA; 青岛海博生物技术有限公司，中国青岛) 上于 28 °C 培养 7 天。从泡菜中分离的戊糖乳杆菌 Q11 菌株保存在补充了 60% (v/v) 甘油的 MRS 肉汤 (青岛海博生物技术有限公司，中国青岛) 中，于 ?80 °C 保存，并通过静置

抗真菌乳酸菌的筛选、鉴定和特性

在本研究中，从包括泡菜和乳制品在内的六个样本中分离出 91 株 LAB，其对禾谷镰刀菌的抗真菌活性如图 S1A 所示。共培养 7 天后，四株菌株对禾谷镰刀菌表现出强拮抗活性 (图 1A)，尤其是 Q11 菌株 (87.00%)。同样，在四种菌株中，Q11 菌株对A. flavus (45.76%) 和P. expansum (59.32%) 表现出最强的拮抗效果 (图 S1B)，表明其

讨论

真菌病原体禾谷镰刀菌及其次级代谢产物 ZEN 对人类健康构成潜在威胁，并造成巨大的经济损失。目前，LAB 菌株被认为是腐败和产毒真菌的安全和绿色生物防治策略，归因于其产生有机酸、蛋白质化合物、VOCs 的能力 (Nazareth et al., 2023)。在本研究中，一种来自发酵泡菜的戊糖乳杆菌 Q11 菌株对多种真菌具有优异的拮抗活性，

结论

本研究证明，获得的戊糖乳杆菌 Q11 菌株表现出广谱抗真菌活性和温和的降解 ZEN 和 AFB₁ 的潜力，具有安全性和良好的益生菌特性。在体外，Q11 菌株的 CFS 通过破坏菌丝结构和细胞膜完整性，强烈抑制禾谷镰刀菌的生长，这归因于 CFS 中乳酸结合 VOCs 如 2-壬酮的协同效应。体内实验表明两者

CRediT 作者贡献声明

蒋丽：软件，调查。邱叶：调查，数据管理。张玉环：写作 – 初稿，可视化，软件，方法学，调查，形式分析，数据管理。朱俊丽：写作 – 审查与编辑，监督，资源，资金获取，概念化。赵燕：资源，调查。王海峰：资金获取

未引用参考文献

De Simone et al., 2024; Li et al., 2024; Li et al., 2023; Riolo et al., 2023; Zhang et al., 2023; Zhang et al., 2024; Zhao et al., 2025.

利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能会影响本论文中报道的工作。

竞争利益声明