《食品科學(xué)》：劉小平教授、劉文麗副教授：短促生乳桿菌PL6-1全基因組分析及其安全性和抗氧化性評價

2025-08-27 18:36:05　來源: 食品科學(xué)雜志

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乳酸菌作為重要的工業(yè)微生物，在食品發(fā)酵領(lǐng)域中占據(jù)核心地位，對食品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要影響。短促生乳桿菌（

）是一類廣泛存在于植物表面和發(fā)酵食品（如酸菜、酸面團(tuán)、奶酪等）中的乳酸菌，其獨特的代謝途徑和潛在的益生性能引起了研究者的廣泛關(guān)注。研究表明，短促生乳桿菌在發(fā)酵過程中能夠有效降低食品中氰化物和亞硝酸鹽的含量，并表現(xiàn)出顯著的硫化物降解能力，從而有助于提高食品的感官品質(zhì)和食用安全性。此外，部分

菌株還展現(xiàn)出良好的抗氧化活性、。

前期研究中，從傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜中分離得到的

PL6-1菌株作為泡菜發(fā)酵劑使用時，展現(xiàn)出在發(fā)酵體系中迅速占據(jù)優(yōu)勢、快速增殖產(chǎn)酸、有效維持產(chǎn)品質(zhì)地以及顯著降低二甲基二硫等刺激性氣味物質(zhì)含量的特性，使發(fā)酵后產(chǎn)品的消費者接受度得到提升。為深入解析

PL6-1的碳水化合物代謝機(jī)制，并評估其在食品應(yīng)用中的安全性，本研究對其全基因組進(jìn)行測序，評估該菌株的安全性，分析其碳水化合物代謝途徑與抗氧化能力；并結(jié)合表型驗證，探究該菌株對不同碳水化合物的利用特性。

魯東大學(xué)食品工程學(xué)院的李婭馨、劉文麗*，國科大杭州高等研究院生命與健康科學(xué)學(xué)院的劉小平*等研究旨在擴(kuò)充異型發(fā)酵乳酸菌的基因組資源庫，促進(jìn)我國本土植物源乳酸菌進(jìn)行深入挖掘與有效利用，為

PL6-1在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)，并為進(jìn)一步開發(fā)和利用該菌株奠定基礎(chǔ)。

全基因組序列分析

如圖1所示，

PL6-1基因組經(jīng)二代和三代高通量測序聯(lián)合組裝，獲得一個完整閉合的染色體和6 個環(huán)狀質(zhì)粒（CNCB：PRJCA024454）。該基因組大小為2 632 919 bp，GC相對含量為45.63%，包含2 623 個編碼基因，編碼區(qū)占比85.95%。非編碼RNA包括63 個tRNA和15 個rRNA。編碼基因長度主要分布于101～1 000 bp之間，其中大于1 000 bp的有803 個。與NCBI數(shù)據(jù)庫中

ATCC 367（2 291 220 bp）基因組相比，

PL6-1基因組全長略長，GC含量相似，編碼基因數(shù)量略高于ATCC367（2 338 個編碼基因），初步驗證了測序結(jié)果的有效性和完整性。

基因功能注釋

利用非冗余蛋白質(zhì)（NR）、Swiss-Prot、Pfam、COG、基因本體（GO）和京都基因與基因組百科全書（KEGG）數(shù)據(jù)庫對2 623 個預(yù)測編碼基因進(jìn)行功能注釋和分類。有2 618 個編碼基因在NR數(shù)據(jù)庫被注釋，Swiss-Prot數(shù)據(jù)庫中注釋的編碼基因數(shù)量為1 814 個，在Pfam、COG、GO、KEGG數(shù)據(jù)庫被注釋的編碼基因數(shù)量分別為2 093、1 993、1 843 個和1 375 個（表1）。

2.1 COG注釋分析

PL6-1的COG數(shù)據(jù)庫功能注釋信息如圖2所示，共有1 993 個基因被注釋到23 個功能分類中，占總基因數(shù)的75.98%。注釋到的J類別（翻譯、核糖體結(jié)構(gòu)與生物合成）中的編碼基因占比最大，共有203 個，占比10.19%，其次是K類別（轉(zhuǎn)錄，199 個基因，占比9.98%）、G類別（碳水化合物轉(zhuǎn)運與代謝，175 個基因，占比8.78%）。

2.2 GO功能注釋和分類

PL6-1在GO數(shù)據(jù)庫的注釋信息如圖3所示，866 個基因注釋到生物過程，906 個基因被注釋到細(xì)胞組分，1 483 個基因注釋到分子功能。在生物過程的二級功能分類中，被注釋到DNA整合（59 個）以及翻譯（59 個）的編碼基因數(shù)量最多；在細(xì)胞組分包含的二級功能類別中，被注釋到膜的整體成分（527 個）編碼基因數(shù)量最多，其次是細(xì)胞質(zhì)（211 個）；在分子功能包含的二級功能類別中，被注釋到ATP結(jié)合（232 個）的編碼基因數(shù)量最多，其次為DNA結(jié)合（189 個）。

2.3 KEGG功能注釋和分類

PL6-1在KEGG數(shù)據(jù)庫可得注釋信息如圖4所示。在KEGG代謝通路一級分類中，細(xì)胞過程、環(huán)境信息處理、遺傳信息處理、人類疾病、代謝和生物系統(tǒng)中分別注釋到78、145、164、95、934 個和35 個基因。

2.4 CAZy功能注釋和分類

PL6-1在CAZy數(shù)據(jù)庫的注釋結(jié)果見圖5。

PL6-1共注釋到70 個碳水化合物活性酶，其中糖基轉(zhuǎn)移酶31 個，在5 個分類中數(shù)量最多。糖基轉(zhuǎn)移酶可以催化糖從活化的供體分子轉(zhuǎn)移到特定受體（例如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)或其他多糖），并且在形成可被宿主免疫系統(tǒng)識別并大量表達(dá)糖基轉(zhuǎn)移酶的表面結(jié)構(gòu)中起關(guān)鍵作用，可促進(jìn)菌株中潛在的病原體防御和免疫激發(fā)。在預(yù)測的糖基水解酶家族中，GH30和GH43家族可作用于木聚糖結(jié)合位點，可以將木聚糖水解為木二糖或者木三糖等寡聚木糖及少量木糖。GH13家族基因主要編碼支鏈淀粉酶和

-淀粉酶等淀粉水解酶?；蚪M中豐富的GH家族意味著該菌株具有高效利用多種碳水化合物的能力，反映了

PL6-1在發(fā)酵富含木糖或淀粉等植物基質(zhì)時更高的競爭優(yōu)勢。

安全性評價及驗證

比對VFDB和CARD，發(fā)現(xiàn)

PL6-1無潛在耐藥基因及毒力基因，說明

PL6-1不具有水平傳播致病基因的潛力。

PL6-1的耐藥表型與已報道的益生菌耐藥性相似。如表2所示，

PL6-1對卡那霉素、慶大霉素和萬古霉素耐藥，對紅霉素敏感，對四環(huán)素、青霉素和氯霉素中介敏感。研究發(fā)現(xiàn)，乳桿菌對氨基糖苷類抗生素（包括鏈霉素、卡那霉素及慶大霉素等）的耐藥表型普遍存在，通常體現(xiàn)為對至少一種此類藥物的敏感性缺失。另外，異型發(fā)酵乳桿菌對糖肽類抗生素（如萬古霉素）也普遍耐藥。

PL6-1的全基因組預(yù)測未發(fā)現(xiàn)耐藥基因，但該菌株表現(xiàn)出了耐藥表型，表明在評估

的抗生素耐藥性時，必須結(jié)合基因組預(yù)測和表型實驗，以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)論。

發(fā)酵菌株的安全性直接影響到發(fā)酵食品的安全性，溶血性常用來評價菌種的安全性。金黃色葡萄球菌菌落周圍顯示出

-溶血的清晰區(qū)域，而

PL6-1在菌落周圍沒有顯示任何變淺或透明的區(qū)域，表明

PL6-1無溶血現(xiàn)象（

-溶血），并且這一結(jié)果與已報道的短促生乳桿菌不溶血的結(jié)論相符。

L. brevis PL6-1碳水化合物代謝通路預(yù)測

結(jié)合KEGG數(shù)據(jù)庫和

PL6-1全基因組進(jìn)行碳水化合物代謝途徑重構(gòu)。如圖6所示，

PL6-1基因組中存在從果糖、甘露糖、纖維二糖、葡萄糖、海藻糖、麥芽糖、半乳糖、葡萄糖酸、核糖、阿拉伯糖、木糖和葡糖醛酸等多種碳水化合物向乳酸、乙醇、乙偶姻、丁醛和二氧化碳等代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的基因。基因組注釋到

-巖藻糖通透酶，推測

PL6-1可能具備轉(zhuǎn)運巖藻糖的能力。另外，代謝途徑重構(gòu)還表明

PL6-1具有甘露糖-磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)和纖維二糖-磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)，甘露糖和纖維二糖通過磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)從細(xì)胞外轉(zhuǎn)運到細(xì)胞內(nèi)，在細(xì)胞內(nèi)磷酸化，分別產(chǎn)生6-磷酸甘露糖和6-磷酸纖維二糖，然后通過相關(guān)酶轉(zhuǎn)化為6-磷酸果糖和6-磷酸葡萄糖，最終參與后續(xù)的代謝過程。

作為專性異型發(fā)酵乳酸菌，

PL6-1缺乏磷酸果糖激酶和1,6-二磷酸果糖醛縮酶，無法通過糖酵解途徑將葡萄糖、果糖、半乳糖等己糖轉(zhuǎn)化成丙酮酸，而是利用磷酸酮醇酶途徑發(fā)酵葡萄糖。異型發(fā)酵乳酸菌主要通過磷酸酮醇酶途徑獲取能量，該途徑會產(chǎn)生大量還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），為維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)，

PL6-1利用甘露醇脫氫酶，以果糖為底物，催化NADH的氧化，生成甘露醇和氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD + ）。生成的甘露醇是一種功能性糖醇和低熱量甜味劑，具有抗氧化、利尿等功能。

PL6-1基因組中注釋到2 個谷氨酸脫羧酶基因（gadB）以及谷氨酸/

-氨基丁酸逆向轉(zhuǎn)運蛋白基因（gadC）。GadB催化谷氨酸脫羧生成

-氨基丁酸和二氧化碳，消耗細(xì)胞內(nèi)的H + ，從而提高細(xì)胞內(nèi)的pH值，提高菌株的耐酸能力，并能產(chǎn)生和釋放具有潛在生物活性的

-氨基丁酸。同時，2 個拷貝的gadB可能會帶來系統(tǒng)冗余性上升，但是，增加了谷氨酸脫羧酶系統(tǒng)的功能多樣性和穩(wěn)定性。甘露醇和

-氨基丁酸的生成為

PL6-1在功能性食品發(fā)酵中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。盡管

PL6-1的基因組中未注釋到完整的三羧酸循環(huán)酶系統(tǒng)，僅注釋到延胡索酸水合酶基因（fumC），該菌株仍然可以通過不完整的三羧酸循環(huán)途徑產(chǎn)生延胡索酸和蘋果酸等有機(jī)酸。

有機(jī)酸、谷胱甘肽和酚類物質(zhì)等代謝產(chǎn)物的合成影響乳酸菌的抗氧化活性。通過KEGG分析，在

PL6-1的基因組中注釋到24 個與抗氧化活性相關(guān)的基因（表3）。在

PL6-1的基因組中注釋到谷胱甘肽抗氧化系統(tǒng)，包括谷胱甘肽過氧化物酶基因（btuE）以及谷胱甘肽還原酶基因（gor）。同時，在

PL6-1質(zhì)粒D上也注釋到了gor和NADH過氧化物酶基因（npr），這些基因編碼的酶能夠以非酶促反應(yīng)的形式與活性氧結(jié)合達(dá)到清除活性氧的目的，推測

PL6-1具有一定的谷胱甘肽合成潛力。另外，硫辛酸及其還原形式二氫硫辛酸可直接清除活性氧和活性氮，保護(hù)細(xì)胞免受活性氧和活性氮的損害，在

PL6-1基因組中注釋到多個編碼硫辛酸-蛋白連接酶的基因（lplA）、硫醇過氧化物酶基因（tpx）和二氫硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶基因（aceF），這些酶可以防止活性氧損害，增強(qiáng)

PL6-1的抗氧化能力?；蚪M中還注釋到過氧化氫酶基因（katE），KatE可以通過分解H 2 O 2 減少活性氧對

PL6-1造成的有害影響，因此，推測

PL6-1具有一定的氧化應(yīng)激耐受性。

碳源利用能力驗證

使用API50 CHL對

PL6-1的碳源利用情況進(jìn)行分析，

PL6-1能代謝

-阿拉伯糖、核糖、

-木糖、半乳糖、葡萄糖、果糖、水楊苷、麥芽糖、海藻糖，能輕微代謝

-乙酰葡萄糖胺、5-酮基葡萄糖酸鉀和葡萄糖酸鉀，不能代謝其他碳源（表4）。

為評估

PL6-1對不同碳源的利用能力，本研究根據(jù)MRS肉湯培養(yǎng)基配方，以植物基食品原料中常見的碳源為底物，監(jiān)測該菌株24 h的生長狀況。如圖7所示，以葡萄糖為主要碳源時，培養(yǎng)24 h，OD600值達(dá)到0.83，pH值從6.24降至4.64；以麥芽糖為主要碳源時，

PL6-1可迅速進(jìn)入對數(shù)生長期，在20 h時進(jìn)入穩(wěn)定期，此時OD600值達(dá)到1.60，在24 h時pH值降至3.95，這可能與其作為異型發(fā)酵乳酸菌優(yōu)先利用二糖的特性有關(guān)。麥芽糖經(jīng)麥芽糖磷酸化酶催化水解生成1-磷酸葡萄糖和葡萄糖，其中，1-磷酸葡萄糖經(jīng)

-磷酸葡萄糖變位酶轉(zhuǎn)化為6-磷酸葡萄糖，此過程不需要消耗ATP。而葡萄糖激活為6-磷酸葡萄糖需要消耗ATP，相較于葡萄糖，麥芽糖作為碳源時產(chǎn)生的能量更多。因此，麥芽糖可促進(jìn)

PL6-1的快速生長。

PL6-1能夠利用木糖快速生長，表明該菌株在利用玉米等富含木糖的基質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)乳酸、乙酸等代謝產(chǎn)物方面具有潛力。

PL6-1在以阿拉伯糖作為碳源的培養(yǎng)基中生長緩慢，發(fā)酵24 h后pH值僅從6.38下降至6.08，表明

PL6-1較難以利用阿拉伯糖生長。需指出的是，本研究未系統(tǒng)測定

PL6-1的最適溫度、pH值及氧需求范圍等，后續(xù)工作將結(jié)合其基因組中的應(yīng)激基因（如熱休克蛋白、酸耐受相關(guān)基因等），進(jìn)一步量化其環(huán)境適應(yīng)能力，為工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

菌株抗氧化能力

由于L. brevis PL6-1無法充分利用阿拉伯糖進(jìn)行快速增殖，未對其細(xì)胞上清液進(jìn)行抗氧化活性的測定。如圖8所示，

PL6-1細(xì)胞上清液具有較強(qiáng)的抗氧化活性，其DPPH自由基清除率為68.76%～84.10%，ABTS陽離子自由基清除率為75.92%～89.37%。在以海藻糖和葡萄糖為主要碳源時，其DPPH自由基清除率最高，分別達(dá)到84.10%和81.37%。海藻糖是海帶的主要碳源成分，采用 L. brevis PL6-1對海帶類食品進(jìn)行發(fā)酵，可能會提升產(chǎn)品的DPPH自由基清除能力。 L. brevis PL6-1在以核糖為主要碳源時，其ABTS陽離子自由基清除率最高，達(dá)到89.37%。蘆筍中含有較高比例的核糖，這表明將 L. brevis PL6-1作為發(fā)酵劑應(yīng)用于蘆筍等食品的加工中，可能會賦予這些食品更高的ABTS陽離子自由基清除能力。雖然

PL6-1在以麥芽糖為主要碳源的MRS肉湯培養(yǎng)基中表現(xiàn)出較高的菌數(shù)，但其抗氧化活性未顯著高于其他組，說明乳酸菌的抗氧化活性與菌數(shù)并非是簡單的線性關(guān)系，其活性可能與乳酸菌生長環(huán)境中可利用的碳源有關(guān)。

結(jié)論

本研究利用NovaSeq X Plus、PacBio Revio高通量測序技術(shù)，完成了對源自傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜的

PL6-1的全基因組測序，并結(jié)合功能基因注釋與表型實驗，對其潛在安全性進(jìn)行了深入評估。基因組分析和體外安全性評價結(jié)果顯示，

PL6-1不攜帶毒力基因和可轉(zhuǎn)移的抗生素耐藥基因，無溶血現(xiàn)象，對卡那霉素、慶大霉素和萬古霉素表現(xiàn)出耐藥性。此外，通過整合基因型與表型數(shù)據(jù)，本研究闡明了該菌株對不同碳水化合物的利用能力，并證實

PL6-1對海藻糖和葡萄糖的利用可提高DPPH自由基清除率，而對核糖的代謝增強(qiáng)了ABTS陽離子自由基清除能力。以上結(jié)果為

PL6-1作為潛在益生菌在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供了理論支撐，并為進(jìn)一步探究其在發(fā)酵食品中的功能特性，如改善食品品質(zhì)、延長貨架期和提高營養(yǎng)價值等方面奠定了理論基礎(chǔ)。另外，需要進(jìn)一步研究該菌株的生長和代謝特性以及其在發(fā)酵食品中的應(yīng)用評價，這將有助于深入挖掘乳酸菌資源，并推動具有益生功能食品的開發(fā)。

作者簡介

通信作者：

劉文麗，魯東大學(xué)食品工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師。韓國國立木浦大學(xué)食品工學(xué)博士，江南大學(xué)博士后。主持山東省自然科學(xué)基金面上項目1 項，山東省高?？萍及l(fā)展計劃項目1 項，煙臺市科技創(chuàng)新發(fā)展計劃1 項；校企合作項目3 項；參與國家自然科學(xué)基金、山東省重點研發(fā)計劃等10余項。發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，授權(quán)發(fā)明專利7 項。

劉小平，國科大杭高院生命與健康科學(xué)學(xué)院研究員，主要研究領(lǐng)域是基于網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜疾病機(jī)制分析、生物大數(shù)據(jù)的分析和處理、生物信息學(xué)和計算系統(tǒng)生物學(xué)等。在

等雜志發(fā)表SCI論文30余篇?，F(xiàn)為中國醫(yī)藥生物技術(shù)協(xié)會基因檢測分會委員，中國運籌學(xué)會計算系統(tǒng)生物學(xué)分會會員，生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘與計算專業(yè)組委員。SCI雜志

的學(xué)術(shù)編輯，SCI雜志

的客座編輯。

第一作者：

李婭馨，魯東大學(xué)食品工程學(xué)院2022級碩士研究生，研究方向主要為果蔬精深加工。曾獲山東省食品加工大賽二等獎、魯東大學(xué)一等獎學(xué)金，并榮獲"魯東大學(xué)優(yōu)秀研究生"、"魯東大學(xué)優(yōu)秀團(tuán)員"等榮譽(yù)稱號。碩士期間參與發(fā)表SCI一區(qū)論文1 篇，中文核心期刊論文3 篇。

本文《短促生乳桿菌PL6-1全基因組分析及其安全性和抗氧化性評價》來源于《食品科學(xué)》2025年46卷第13期115-123頁，作者：李婭馨，谷云靜，程偉燁，王璇，張清揚，貢漢生，蔣黎黎，劉文麗*，劉小平*，李華敏。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20241222-183。點擊下方閱讀原文即可查看文章相關(guān)信息。

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