代謝組學在植物揮發(fā)性有機物生物合成機理及抗菌性研究中的應用
百趣代謝組學資訊:植物揮發(fā)性有機物生物合成機理及抗菌性研究IF14.46
食品微生物安全性一直是一個備受關注的課題。傳統(tǒng)的化學防腐劑在實際應用中仍占主導地位，隨著人們對微生物和化學安全食品的需求日益增加，傳統(tǒng)的化學防腐劑正逐漸淡出研究者和消費者的視線，因此，天然產(chǎn)物被認為是很有前途的替代品，特別是具有生物相容性、可獲取性和實用性的植物揮發(fā)性有機化合物(VOCs)，在食源性病原體和腐敗生物方面被發(fā)現(xiàn)是有效的。
2022年5月13日，Trends in Food Science & Technology（IF=14.46）雜志在線發(fā)表了浙江大學羅自生團隊發(fā)表的題為“Rethinking of botanical volatile organic compounds applied in food preservation: Challenges in acquisition, application, microbial inhibition and stimulation”的綜述文章。
本文旨在全面回顧VOCs的生物合成和抗菌機理，從應用研究和基礎研究兩方面對VOCs在食品病原體防治中的當前和潛在應用進行了總結(jié)。系統(tǒng)地描述了VOCs的生物合成和限速步驟，為VOCs產(chǎn)生的合成生物學提供了指導。同時，本文對揮發(fā)性有機化合物和精油進行了概念上的區(qū)分，其中每種揮發(fā)性有機化合物成分的協(xié)同作用和拮抗作用需要更多的研究。合成生物學技術可以取代傳統(tǒng)的提取技術，實現(xiàn)VOCs的大規(guī)模生產(chǎn)，然而，VOC生物合成及調(diào)控途徑還有待破解。氣調(diào)包裝、乳液、涂料等是VOC應用的多功能平臺，是解決影響VOC實際應用挑戰(zhàn)的解決方案。由于其潛在的毒性，需要嚴格的監(jiān)管和安全評估。
01VOCs的生物合成
根據(jù)生物合成途徑和化學結(jié)構(gòu)的不同VOCs可以分為揮發(fā)性苯丙烷類化合物(Volatile phenylpropanoids/benzenoids,VPBs)、揮發(fā)性萜烯類化合物(volatile terpenoids,VTPs)、揮發(fā)性醇醛類化合物(volatile alcohols/aldehydes,VAAs)。VTPs以C5異戊二烯單元為代表化學結(jié)構(gòu)，這些基本的C5-異戊二烯構(gòu)建單元由兩個不同的途徑產(chǎn)生，即定位于細胞質(zhì)的MVA途徑和定位于質(zhì)體的MEP途徑。異戊烯基二磷酸(IPP)及其烯丙基異構(gòu)體二甲基烯丙基二磷酸(DMAPP)是常見的五碳萜類前體，它們是由以乙酰輔酶A為底物的MEP途徑和以丙酮酸為底物的MVA途徑生成的。用于合成揮發(fā)性倍半萜(C15)的前體主要由MVA途徑提供，而MEP途徑提供合成揮發(fā)性半萜(C5)、單萜(C10)和二萜(C20)的前體。3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶(HMGR)被認為是MVA途徑中的限速酶；丙酮酸和3-磷酸甘油醛作為MEP通路的底物，是初級代謝產(chǎn)生的代謝物，所以MEP通路受到初級代謝的速度限制。VPBs的生物合成始于必需氨基酸苯丙氨酸(Phe)作為底物。與萜類生物合成類似，初級代謝控制碳(磷酸烯醇丙酮酸)流入VPBs生物合成，而VPBs合成是由3-deoxy-d-arabino-heptulosonate 7-phosphate (DAHP)合酶(DHAPS)介導的，后者控制莽草酸途徑產(chǎn)生苯丙氨酸。與VTPs和VPBs相比，(Z)-3-己烯醇、壬醛和茉莉酸甲酯(MeJA)等VAAs是由分解代謝產(chǎn)生的，多不飽和脂肪酸(PUFAs)如C18不飽和脂肪酸、亞油酸或亞麻酸，是VAAs產(chǎn)生的源頭。PUFA的細胞含量取決于丙酮酸產(chǎn)生的乙酰輔酶A質(zhì)體池，進入脂氧合酶(LOX)途徑的部分PUFA通過α-雙氧化酶轉(zhuǎn)化為α-hydro(pero)xy PUFAs，其他部分轉(zhuǎn)化為自氧化產(chǎn)物。這些脂質(zhì)過氧化物衍生物質(zhì)將通過兩個分支途徑進一步加工：丙二烯氧合酶(AOS)支路和過氧化氫裂解酶(HPL)支路，最終通過異構(gòu)化產(chǎn)生多種多樣的VAAs。
圖1. 植物揮發(fā)性有機化合物（包括VTP，VPB和VAAs）的生物合成途徑概述
02VOCs抵御病原體的機制對病原細胞的直接細胞毒性
VOC對細菌和真菌膜結(jié)構(gòu)的直接破壞是普遍公認的，這會影響膜的完整性和病原體的通透性。膜的破壞導致離子泄漏，電位降低，質(zhì)子泵崩潰和ATP生產(chǎn)停止。酚類萜類化合物的羥基已被假定為作為一價陽離子跨膜載體起作用，將H攜帶到細胞質(zhì)中并將K轉(zhuǎn)運出去（Ben Arfa等人，2006）。VTPs的結(jié)構(gòu)分化決定了它們的抗菌活性。對不同VTP在控制一系列病原體（包括模型細菌和真菌）方面的比較研究表明，特定結(jié)構(gòu)和游離酚羥基的存在對于抗菌活性至關重要。VPB還能夠改變多糖，脂肪酸和磷脂層的構(gòu)象，從而凝固細胞質(zhì)并破壞病原體細胞增生膜和細胞膜的功能。此外，發(fā)現(xiàn)VPB可以誘導釀酒酵母的細胞死亡，釀酒酵母是一種模式微生物。然而，細菌對VOC的敏感性可能受到pH，蛋白質(zhì)，脂肪，鹽，溫度和條件等因素的影響，這些因素在各種食品中大致不同。因此，需要各種方法、治療方法和適用方式來減少不利影響，這為今后揮發(fā)性有機化合物的應用提供了指導。
宿主免疫的調(diào)節(jié)
揮發(fā)性有機化合物是源自植物來源食物的代謝物，在其宿主的多種生物途徑中具有多功能功能，包括宿主免疫調(diào)節(jié)。代謝組學這些發(fā)現(xiàn)對于了解VOC如何增強宿主對病原體的抵抗力的潛在機制是必要的，并表明VOC可以成為特別是植物來源食物的預處理方法。為了響應病原體相關分子模式(PAMPs)，如鞭毛蛋白，細胞壁降解酶和病原體分泌的其他毒素，植物來源的宿主進化出一種相對保守的免疫，稱為PAMPS觸發(fā)的免疫(PTI)。同樣，針對植物PTI，病原體已經(jīng)進化出一種III.型分泌系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供類似效應的蛋白質(zhì)以抑制植物PTI信號傳導并促進入侵。植物來源的宿主可以識別致病效應器并誘導信號通路，導致效應器觸發(fā)的免疫(ETI)，這可以觸發(fā)超敏反應(HR)并最終抑制病原體生長。
參與病原性代謝
一些對致病細胞具有致死性的揮發(fā)性有機化合物對宿主細胞也是有毒的。因此，在自然中，許多這些VOC以化學修飾的形式儲存，對宿主細胞沒有毒性。為了發(fā)揮抗菌作用，這些修飾的VOC能夠參與致病性代謝，并在病原細胞的修飾去除時進行，致病細胞釋放毒性并導致病原體致死。VPB是廣泛分布在植物中的防御化學物質(zhì)，已被證明對昆蟲，真菌和細菌有效，缺乏類苯胺生物合成的突變體導致抗病性不足，然而，一些防御類苯胺也對植物細胞有毒。為了避免對宿主細胞的毒性，類苯甲醚被修飾成葡萄糖基化形式，這對宿主細胞無害。一旦組織被破壞，類苯胺的葡萄糖基化形式將被病原體攝入，并通過β葡萄糖苷酶代謝水解，從而去除葡萄糖基化，在致病細胞中產(chǎn)生有毒的阿葡萄糖酮。這些結(jié)果表明，VOCs可以間接參與病原代謝，并通過化學修飾發(fā)揮毒性。
圖2. 揮發(fā)性有機化合物的抗菌機制包括直接破壞、誘導宿主免疫和參與致病性代謝
03揮發(fā)性有機化合物在食品病原菌防治中的實際應用及候選
在基礎代謝組學生物學研究和應用研究中，揮發(fā)性有機化合物的抗菌作用得到了廣泛的研究。本摘要基于揮發(fā)性有機化合物的效率、機理、劑量和應用方式。我們總結(jié)了VTP，VPB和VAAs的不同特征，以進行比較并提出VOC作為抗菌劑的潛在候選者，這些候選藥物在食品以外的領域進行了研究。
VTPs在食品保鮮中的應用及潛力
VTPs廣泛應用于肉制品的保鮮，肉制品總是富含脂類化合物，易受食源性病原體的污染。VTPs對食源性病原體的有效致死率是將其用于肉制品的好處之一；此外，在儲存階段，脂質(zhì)化合物的氧化會產(chǎn)生意想不到的味道，許多萜類化合物具有較強的抗氧化能力，能夠挽救貯存過程中的異味狀況。對于植物性宿主而言，VTPs能夠激發(fā)植物源寄主的免疫，增強其對微生物的抵抗力，同時可以直接破壞其膜結(jié)構(gòu)，造成直接殺傷，但對非植物源腐殖物寄主病原菌的直接致死能力有限。
VPBs在食品保鮮中的應用及潛力
VPBs對食源性病原體和微生物毒素的產(chǎn)生均具有良好的抗致病菌作用。許多VPBs的MIC低于VTPs和VAAs，這表明VPBs作為一種抗食源性病原體的抗菌藥物具有廣闊的應用前景。雖然許多VPBs具有強大的抗菌和抗氧化能力，但VPBs使用在肉產(chǎn)品時容易產(chǎn)生不良風味，而乳液等封裝技術的結(jié)合將是一種解決方案。對于植物源性食品而言，VPBs具有突出的適用性，因為許多VPBs屬于植物源性食品的揮發(fā)性氣味和味道的組成部分。此外，對于一些深加工產(chǎn)品，如奶酪，VPBs可以增強其風味，這表明VPBs可以作為食品添加劑，既增強風味，又解決微生物問題。
VAAs在食品保鮮中的應用及潛力
許多研究普遍證實了VAAs及其衍生物對植物病原菌的直接破壞作用，但在食品領域少被研究，這表明VAA是一種尚未開發(fā)的天然抗菌劑。許多VAA因其高揮發(fā)性而具有強烈的氣味，這可能會影響食品的風味，然而，由于其同源性，它們與植物源性食品相容。對于一些加工過的植物源性食品，如果汁，可以添加VAAs作為一種風味添加劑，同時也具有抗菌作用。雖然醛類是最具抗菌作用的VAA化合物，但由于其氧化性，不適合用于富含脂質(zhì)的產(chǎn)品。
04揮發(fā)性有機化合物在食品微生物控制中的應用挑戰(zhàn)：重新思考視角
雖然根據(jù)目前的綜述，揮發(fā)性有機化合物在控制食品病原體方面具有顯著的活性，并且作為食品防腐劑具有廣闊的應用前景，但在食品工業(yè)中的實際應用仍然存在挑戰(zhàn)。
對于食品品質(zhì)的潛在風險
通過代謝組學研究發(fā)現(xiàn)，雖然揮發(fā)性有機化合物具有良好的生物相容性，但其局限性包括：（1）對感官特性的影響；（2）破壞果蔬產(chǎn)品組織；（3）氧化富含脂類產(chǎn)品中的脂類，這些都是揮發(fā)性有機化合物對食品品質(zhì)的潛在副作用。由于揮發(fā)性高，揮發(fā)性有機化合物表現(xiàn)出強烈的氣味，影響感官特性，但有時有些揮發(fā)性有機化合物與所使用的食品是相容的，有些甚至有助于改善味道，因為揮發(fā)性有機化合物本來就存在于這些食品中，對其感官性質(zhì)的影響很小。然而，對于非植物性食品尤其是肌肉類食品和部分植物性食品而言，VOCs對風味的影響為其實際應用設置了障礙，需要進行全面的感官評價。不適當?shù)闹参镌磽]發(fā)性有機化合物的濃度或類型往往會對食品造成嚴重的傷害。封裝VOCs可以避免VOCs與食物基質(zhì)的直接接觸，控制其釋放，減少其對食物風味的影響。此外，封裝揮發(fā)性有機化合物可以保護其化學特性，減少其暴露于環(huán)境條件和控制其流動性。包封可以通過乳液和涂層/生物膜的結(jié)合來完成。乳劑可將揮發(fā)性有機化合物封裝成液滴，為揮發(fā)性有機化合物的長期利用提供了可能的載體。
微生物對VOCs毒性的逃逸機制
病原菌經(jīng)過無數(shù)年的共同進化，形成了應對逆境的反應機制，包括規(guī)避VOC的毒性。研究證實，病原菌能夠通過外排機制解毒導致細胞毒性的VOCs，此外，一些病原體已經(jīng)破譯了VOCs，并操縱它們招募盟友，一些病原體已經(jīng)發(fā)展出成熟的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，能夠?qū)OCs吸收為自己的養(yǎng)分。體外研究表明，外源萜烯處理可激活真菌中與萜烯相關的一系列基因，研究表明，一類ABC轉(zhuǎn)運蛋白可將多余的單萜泵出細胞，而這一種蛋白廣泛存在與各種微生物中。VOCs甚至可被病原菌作為營養(yǎng)源利用，在生長的早期到中期，青霉菌能夠?qū)幟氏┺D(zhuǎn)化為其他無毒的萜類化合物，如α‐松油醇，這表明青霉菌有可能通過這一途徑避開來自柑橘的檸檬烯的攻擊。
VOCs在食品工業(yè)的安全與管理標準
由于VOCs具有廣闊的利用潛力，對其進行風險評估對其未來的應用是必要的。實際上，圍繞細胞毒性、代謝毒性和皮膚毒性以及蛋白質(zhì)加合物、DNA加合物和細胞骨架形態(tài)的潛在機制進行的綜合研究已經(jīng)得到了廣泛的研究。大多數(shù)VOCs的直接毒性僅在非常高的濃度下存在，表明如果嚴格控制VOCs的應用濃度，則基本安全。應嚴格考慮的第一個監(jiān)管方面是濃度。另一個方面是加工和儲存毒性：食品總是在高溫、高滲壓、酸性或堿性條件下加工或儲存。高溫或其他極端條件可能導致VOC降解，這可能會產(chǎn)生有毒的VOC衍生物。除了加工毒性外，揮發(fā)性有機化合物與食品成分之間的相互作用或化學反應也可能產(chǎn)生有毒化合物。因此，應在VOCs的最終應用前進行一系列系統(tǒng)的安全性評估。
VOCs的生產(chǎn)
微波輔助萃取、酶輔助萃取、超臨界流體萃取、超聲波輔助萃取等綠色技術已被廣泛應用于植物源食品副產(chǎn)物的生物活性物質(zhì)的提取，其中一些技術適用于從植物或植物源性食品及其副產(chǎn)品中提取具有揮發(fā)性特征的物質(zhì)，這些副產(chǎn)品提取物的再利用造就了一種低成本的生物防腐劑技術。其中，超臨界流體萃取是萃取揮發(fā)性有機化合物的最佳技術，因為在萃取條件下生物活性保持不變。分子生物學和計算機科學的快速發(fā)展為“細胞工廠”的建設提供了支持，“細胞工廠”可以大規(guī)模生產(chǎn)VOCs。
圖3. 轉(zhuǎn)化細胞外單萜烯的ABC轉(zhuǎn)運蛋白保存在微生物中（A），由高水平的d-檸檬烯引起的代表性肝細胞病變（B），挑戰(zhàn)，未來前景和潛在的解決方案，用于透視研究和植物VOC的實際利用（C）
植物揮發(fā)性有機化合物在控制食源性病原體和腐敗生物方面具有多功能性。根據(jù)化學結(jié)構(gòu)，揮發(fā)性有機化合物分為VTP，VPB和VAAs，分別受到HMGR，DAHP和LOX酶的速率限制。確定了VOCs的初步生物合成途徑，使合成生物學研究能夠大規(guī)模合成VOC。機理研究發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)性有機化合物可直接改變致病細胞膜的功能，損害能量代謝。揮發(fā)性有機化合物也能夠觸發(fā)新鮮農(nóng)產(chǎn)品的SAR。同時，揮發(fā)性有機化合物在病原體攝入后可參與或干擾病原性代謝，并產(chǎn)生有害化合物，從而優(yōu)雅地防止對宿主的毒性。許多揮發(fā)性有機化合物在基礎研究中作為天然抗菌劑具有很高的潛力，但在應用研究中卻被忽視。我們發(fā)現(xiàn)不同揮發(fā)性有機化合物具有不同的抗菌特性。
VTP在控制腐敗生物和食源性病原體方面均有效，在保護食源性病原體方面尤其突出，VAAs大多具有未開發(fā)的潛力。從未來來看，代謝組學挑戰(zhàn)仍然阻礙VOC在食品保鮮中的應用發(fā)展。適用挑戰(zhàn)涉及:（1）副作用，包括降低感官特性，對植物來源食物的傷害和脂質(zhì)的氧化；(2)逃避病原體的揮發(fā)性有機化合物的毒性或利用揮發(fā)性有機化合物作為營養(yǎng)來源；（3）揮發(fā)性有機化合物對人體的潛在毒性；（4）通過綠色提取技術和合成生物學獲取揮發(fā)性有機化合物，可以通過多樣化的輸送系統(tǒng)和對應用濃度的嚴格監(jiān)管來解決。在考慮并解決這些問題后，我們認為植物揮發(fā)性有機化合物可以成為食品微生物問題控制的“綠色解決方案”。
文/阿趣代謝組學
食品微生物安全性一直是一個備受關注的課題。傳統(tǒng)的化學防腐劑在實際應用中仍占主導地位，隨著人們對微生物和化學安全食品的需求日益增加，傳統(tǒng)的化學防腐劑正逐漸淡出研究者和消費者的視線，因此，天然產(chǎn)物被認為是很有前途的替代品，特別是具有生物相容性、可獲取性和實用性的植物揮發(fā)性有機化合物(VOCs)，在食源性病原體和腐敗生物方面被發(fā)現(xiàn)是有效的。
2022年5月13日，Trends in Food Science & Technology（IF=14.46）雜志在線發(fā)表了浙江大學羅自生團隊發(fā)表的題為“Rethinking of botanical volatile organic compounds applied in food preservation: Challenges in acquisition, application, microbial inhibition and stimulation”的綜述文章。
本文旨在全面回顧VOCs的生物合成和抗菌機理，從應用研究和基礎研究兩方面對VOCs在食品病原體防治中的當前和潛在應用進行了總結(jié)。系統(tǒng)地描述了VOCs的生物合成和限速步驟，為VOCs產(chǎn)生的合成生物學提供了指導。同時，本文對揮發(fā)性有機化合物和精油進行了概念上的區(qū)分，其中每種揮發(fā)性有機化合物成分的協(xié)同作用和拮抗作用需要更多的研究。合成生物學技術可以取代傳統(tǒng)的提取技術，實現(xiàn)VOCs的大規(guī)模生產(chǎn)，然而，VOC生物合成及調(diào)控途徑還有待破解。氣調(diào)包裝、乳液、涂料等是VOC應用的多功能平臺，是解決影響VOC實際應用挑戰(zhàn)的解決方案。由于其潛在的毒性，需要嚴格的監(jiān)管和安全評估。
01VOCs的生物合成
根據(jù)生物合成途徑和化學結(jié)構(gòu)的不同VOCs可以分為揮發(fā)性苯丙烷類化合物(Volatile phenylpropanoids/benzenoids,VPBs)、揮發(fā)性萜烯類化合物(volatile terpenoids,VTPs)、揮發(fā)性醇醛類化合物(volatile alcohols/aldehydes,VAAs)。VTPs以C5異戊二烯單元為代表化學結(jié)構(gòu)，這些基本的C5-異戊二烯構(gòu)建單元由兩個不同的途徑產(chǎn)生，即定位于細胞質(zhì)的MVA途徑和定位于質(zhì)體的MEP途徑。異戊烯基二磷酸(IPP)及其烯丙基異構(gòu)體二甲基烯丙基二磷酸(DMAPP)是常見的五碳萜類前體，它們是由以乙酰輔酶A為底物的MEP途徑和以丙酮酸為底物的MVA途徑生成的。用于合成揮發(fā)性倍半萜(C15)的前體主要由MVA途徑提供，而MEP途徑提供合成揮發(fā)性半萜(C5)、單萜(C10)和二萜(C20)的前體。3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶(HMGR)被認為是MVA途徑中的限速酶；丙酮酸和3-磷酸甘油醛作為MEP通路的底物，是初級代謝產(chǎn)生的代謝物，所以MEP通路受到初級代謝的速度限制。VPBs的生物合成始于必需氨基酸苯丙氨酸(Phe)作為底物。與萜類生物合成類似，初級代謝控制碳(磷酸烯醇丙酮酸)流入VPBs生物合成，而VPBs合成是由3-deoxy-d-arabino-heptulosonate 7-phosphate (DAHP)合酶(DHAPS)介導的，后者控制莽草酸途徑產(chǎn)生苯丙氨酸。與VTPs和VPBs相比，(Z)-3-己烯醇、壬醛和茉莉酸甲酯(MeJA)等VAAs是由分解代謝產(chǎn)生的，多不飽和脂肪酸(PUFAs)如C18不飽和脂肪酸、亞油酸或亞麻酸，是VAAs產(chǎn)生的源頭。PUFA的細胞含量取決于丙酮酸產(chǎn)生的乙酰輔酶A質(zhì)體池，進入脂氧合酶(LOX)途徑的部分PUFA通過α-雙氧化酶轉(zhuǎn)化為α-hydro(pero)xy PUFAs，其他部分轉(zhuǎn)化為自氧化產(chǎn)物。這些脂質(zhì)過氧化物衍生物質(zhì)將通過兩個分支途徑進一步加工：丙二烯氧合酶(AOS)支路和過氧化氫裂解酶(HPL)支路，最終通過異構(gòu)化產(chǎn)生多種多樣的VAAs。
圖1. 植物揮發(fā)性有機化合物（包括VTP，VPB和VAAs）的生物合成途徑概述
02VOCs抵御病原體的機制對病原細胞的直接細胞毒性
VOC對細菌和真菌膜結(jié)構(gòu)的直接破壞是普遍公認的，這會影響膜的完整性和病原體的通透性。膜的破壞導致離子泄漏，電位降低，質(zhì)子泵崩潰和ATP生產(chǎn)停止。酚類萜類化合物的羥基已被假定為作為一價陽離子跨膜載體起作用，將H攜帶到細胞質(zhì)中并將K轉(zhuǎn)運出去（Ben Arfa等人，2006）。VTPs的結(jié)構(gòu)分化決定了它們的抗菌活性。對不同VTP在控制一系列病原體（包括模型細菌和真菌）方面的比較研究表明，特定結(jié)構(gòu)和游離酚羥基的存在對于抗菌活性至關重要。VPB還能夠改變多糖，脂肪酸和磷脂層的構(gòu)象，從而凝固細胞質(zhì)并破壞病原體細胞增生膜和細胞膜的功能。此外，發(fā)現(xiàn)VPB可以誘導釀酒酵母的細胞死亡，釀酒酵母是一種模式微生物。然而，細菌對VOC的敏感性可能受到pH，蛋白質(zhì)，脂肪，鹽，溫度和條件等因素的影響，這些因素在各種食品中大致不同。因此，需要各種方法、治療方法和適用方式來減少不利影響，這為今后揮發(fā)性有機化合物的應用提供了指導。
宿主免疫的調(diào)節(jié)
揮發(fā)性有機化合物是源自植物來源食物的代謝物，在其宿主的多種生物途徑中具有多功能功能，包括宿主免疫調(diào)節(jié)。代謝組學這些發(fā)現(xiàn)對于了解VOC如何增強宿主對病原體的抵抗力的潛在機制是必要的，并表明VOC可以成為特別是植物來源食物的預處理方法。為了響應病原體相關分子模式(PAMPs)，如鞭毛蛋白，細胞壁降解酶和病原體分泌的其他毒素，植物來源的宿主進化出一種相對保守的免疫，稱為PAMPS觸發(fā)的免疫(PTI)。同樣，針對植物PTI，病原體已經(jīng)進化出一種III.型分泌系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供類似效應的蛋白質(zhì)以抑制植物PTI信號傳導并促進入侵。植物來源的宿主可以識別致病效應器并誘導信號通路，導致效應器觸發(fā)的免疫(ETI)，這可以觸發(fā)超敏反應(HR)并最終抑制病原體生長。
參與病原性代謝
一些對致病細胞具有致死性的揮發(fā)性有機化合物對宿主細胞也是有毒的。因此，在自然中，許多這些VOC以化學修飾的形式儲存，對宿主細胞沒有毒性。為了發(fā)揮抗菌作用，這些修飾的VOC能夠參與致病性代謝，并在病原細胞的修飾去除時進行，致病細胞釋放毒性并導致病原體致死。VPB是廣泛分布在植物中的防御化學物質(zhì)，已被證明對昆蟲，真菌和細菌有效，缺乏類苯胺生物合成的突變體導致抗病性不足，然而，一些防御類苯胺也對植物細胞有毒。為了避免對宿主細胞的毒性，類苯甲醚被修飾成葡萄糖基化形式，這對宿主細胞無害。一旦組織被破壞，類苯胺的葡萄糖基化形式將被病原體攝入，并通過β葡萄糖苷酶代謝水解，從而去除葡萄糖基化，在致病細胞中產(chǎn)生有毒的阿葡萄糖酮。這些結(jié)果表明，VOCs可以間接參與病原代謝，并通過化學修飾發(fā)揮毒性。
圖2. 揮發(fā)性有機化合物的抗菌機制包括直接破壞、誘導宿主免疫和參與致病性代謝
03揮發(fā)性有機化合物在食品病原菌防治中的實際應用及候選
在基礎代謝組學生物學研究和應用研究中，揮發(fā)性有機化合物的抗菌作用得到了廣泛的研究。本摘要基于揮發(fā)性有機化合物的效率、機理、劑量和應用方式。我們總結(jié)了VTP，VPB和VAAs的不同特征，以進行比較并提出VOC作為抗菌劑的潛在候選者，這些候選藥物在食品以外的領域進行了研究。
VTPs在食品保鮮中的應用及潛力
VTPs廣泛應用于肉制品的保鮮，肉制品總是富含脂類化合物，易受食源性病原體的污染。VTPs對食源性病原體的有效致死率是將其用于肉制品的好處之一；此外，在儲存階段，脂質(zhì)化合物的氧化會產(chǎn)生意想不到的味道，許多萜類化合物具有較強的抗氧化能力，能夠挽救貯存過程中的異味狀況。對于植物性宿主而言，VTPs能夠激發(fā)植物源寄主的免疫，增強其對微生物的抵抗力，同時可以直接破壞其膜結(jié)構(gòu)，造成直接殺傷，但對非植物源腐殖物寄主病原菌的直接致死能力有限。
VPBs在食品保鮮中的應用及潛力
VPBs對食源性病原體和微生物毒素的產(chǎn)生均具有良好的抗致病菌作用。許多VPBs的MIC低于VTPs和VAAs，這表明VPBs作為一種抗食源性病原體的抗菌藥物具有廣闊的應用前景。雖然許多VPBs具有強大的抗菌和抗氧化能力，但VPBs使用在肉產(chǎn)品時容易產(chǎn)生不良風味，而乳液等封裝技術的結(jié)合將是一種解決方案。對于植物源性食品而言，VPBs具有突出的適用性，因為許多VPBs屬于植物源性食品的揮發(fā)性氣味和味道的組成部分。此外，對于一些深加工產(chǎn)品，如奶酪，VPBs可以增強其風味，這表明VPBs可以作為食品添加劑，既增強風味，又解決微生物問題。
VAAs在食品保鮮中的應用及潛力
許多研究普遍證實了VAAs及其衍生物對植物病原菌的直接破壞作用，但在食品領域少被研究，這表明VAA是一種尚未開發(fā)的天然抗菌劑。許多VAA因其高揮發(fā)性而具有強烈的氣味，這可能會影響食品的風味，然而，由于其同源性，它們與植物源性食品相容。對于一些加工過的植物源性食品，如果汁，可以添加VAAs作為一種風味添加劑，同時也具有抗菌作用。雖然醛類是最具抗菌作用的VAA化合物，但由于其氧化性，不適合用于富含脂質(zhì)的產(chǎn)品。
04揮發(fā)性有機化合物在食品微生物控制中的應用挑戰(zhàn)：重新思考視角
雖然根據(jù)目前的綜述，揮發(fā)性有機化合物在控制食品病原體方面具有顯著的活性，并且作為食品防腐劑具有廣闊的應用前景，但在食品工業(yè)中的實際應用仍然存在挑戰(zhàn)。
對于食品品質(zhì)的潛在風險
通過代謝組學研究發(fā)現(xiàn)，雖然揮發(fā)性有機化合物具有良好的生物相容性，但其局限性包括：（1）對感官特性的影響；（2）破壞果蔬產(chǎn)品組織；（3）氧化富含脂類產(chǎn)品中的脂類，這些都是揮發(fā)性有機化合物對食品品質(zhì)的潛在副作用。由于揮發(fā)性高，揮發(fā)性有機化合物表現(xiàn)出強烈的氣味，影響感官特性，但有時有些揮發(fā)性有機化合物與所使用的食品是相容的，有些甚至有助于改善味道，因為揮發(fā)性有機化合物本來就存在于這些食品中，對其感官性質(zhì)的影響很小。然而，對于非植物性食品尤其是肌肉類食品和部分植物性食品而言，VOCs對風味的影響為其實際應用設置了障礙，需要進行全面的感官評價。不適當?shù)闹参镌磽]發(fā)性有機化合物的濃度或類型往往會對食品造成嚴重的傷害。封裝VOCs可以避免VOCs與食物基質(zhì)的直接接觸，控制其釋放，減少其對食物風味的影響。此外，封裝揮發(fā)性有機化合物可以保護其化學特性，減少其暴露于環(huán)境條件和控制其流動性。包封可以通過乳液和涂層/生物膜的結(jié)合來完成。乳劑可將揮發(fā)性有機化合物封裝成液滴，為揮發(fā)性有機化合物的長期利用提供了可能的載體。
微生物對VOCs毒性的逃逸機制
病原菌經(jīng)過無數(shù)年的共同進化，形成了應對逆境的反應機制，包括規(guī)避VOC的毒性。研究證實，病原菌能夠通過外排機制解毒導致細胞毒性的VOCs，此外，一些病原體已經(jīng)破譯了VOCs，并操縱它們招募盟友，一些病原體已經(jīng)發(fā)展出成熟的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，能夠?qū)OCs吸收為自己的養(yǎng)分。體外研究表明，外源萜烯處理可激活真菌中與萜烯相關的一系列基因，研究表明，一類ABC轉(zhuǎn)運蛋白可將多余的單萜泵出細胞，而這一種蛋白廣泛存在與各種微生物中。VOCs甚至可被病原菌作為營養(yǎng)源利用，在生長的早期到中期，青霉菌能夠?qū)幟氏┺D(zhuǎn)化為其他無毒的萜類化合物，如α‐松油醇，這表明青霉菌有可能通過這一途徑避開來自柑橘的檸檬烯的攻擊。
VOCs在食品工業(yè)的安全與管理標準
由于VOCs具有廣闊的利用潛力，對其進行風險評估對其未來的應用是必要的。實際上，圍繞細胞毒性、代謝毒性和皮膚毒性以及蛋白質(zhì)加合物、DNA加合物和細胞骨架形態(tài)的潛在機制進行的綜合研究已經(jīng)得到了廣泛的研究。大多數(shù)VOCs的直接毒性僅在非常高的濃度下存在，表明如果嚴格控制VOCs的應用濃度，則基本安全。應嚴格考慮的第一個監(jiān)管方面是濃度。另一個方面是加工和儲存毒性：食品總是在高溫、高滲壓、酸性或堿性條件下加工或儲存。高溫或其他極端條件可能導致VOC降解，這可能會產(chǎn)生有毒的VOC衍生物。除了加工毒性外，揮發(fā)性有機化合物與食品成分之間的相互作用或化學反應也可能產(chǎn)生有毒化合物。因此，應在VOCs的最終應用前進行一系列系統(tǒng)的安全性評估。
VOCs的生產(chǎn)
微波輔助萃取、酶輔助萃取、超臨界流體萃取、超聲波輔助萃取等綠色技術已被廣泛應用于植物源食品副產(chǎn)物的生物活性物質(zhì)的提取，其中一些技術適用于從植物或植物源性食品及其副產(chǎn)品中提取具有揮發(fā)性特征的物質(zhì)，這些副產(chǎn)品提取物的再利用造就了一種低成本的生物防腐劑技術。其中，超臨界流體萃取是萃取揮發(fā)性有機化合物的最佳技術，因為在萃取條件下生物活性保持不變。分子生物學和計算機科學的快速發(fā)展為“細胞工廠”的建設提供了支持，“細胞工廠”可以大規(guī)模生產(chǎn)VOCs。
圖3. 轉(zhuǎn)化細胞外單萜烯的ABC轉(zhuǎn)運蛋白保存在微生物中（A），由高水平的d-檸檬烯引起的代表性肝細胞病變（B），挑戰(zhàn)，未來前景和潛在的解決方案，用于透視研究和植物VOC的實際利用（C）
植物揮發(fā)性有機化合物在控制食源性病原體和腐敗生物方面具有多功能性。根據(jù)化學結(jié)構(gòu)，揮發(fā)性有機化合物分為VTP，VPB和VAAs，分別受到HMGR，DAHP和LOX酶的速率限制。確定了VOCs的初步生物合成途徑，使合成生物學研究能夠大規(guī)模合成VOC。機理研究發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)性有機化合物可直接改變致病細胞膜的功能，損害能量代謝。揮發(fā)性有機化合物也能夠觸發(fā)新鮮農(nóng)產(chǎn)品的SAR。同時，揮發(fā)性有機化合物在病原體攝入后可參與或干擾病原性代謝，并產(chǎn)生有害化合物，從而優(yōu)雅地防止對宿主的毒性。許多揮發(fā)性有機化合物在基礎研究中作為天然抗菌劑具有很高的潛力，但在應用研究中卻被忽視。我們發(fā)現(xiàn)不同揮發(fā)性有機化合物具有不同的抗菌特性。
VTP在控制腐敗生物和食源性病原體方面均有效，在保護食源性病原體方面尤其突出，VAAs大多具有未開發(fā)的潛力。從未來來看，代謝組學挑戰(zhàn)仍然阻礙VOC在食品保鮮中的應用發(fā)展。適用挑戰(zhàn)涉及:（1）副作用，包括降低感官特性，對植物來源食物的傷害和脂質(zhì)的氧化；(2)逃避病原體的揮發(fā)性有機化合物的毒性或利用揮發(fā)性有機化合物作為營養(yǎng)來源；（3）揮發(fā)性有機化合物對人體的潛在毒性；（4）通過綠色提取技術和合成生物學獲取揮發(fā)性有機化合物，可以通過多樣化的輸送系統(tǒng)和對應用濃度的嚴格監(jiān)管來解決。在考慮并解決這些問題后，我們認為植物揮發(fā)性有機化合物可以成為食品微生物問題控制的“綠色解決方案”。
文/阿趣代謝組學
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