食品微生物安全性一直是一個備受關注的課題。傳統的化學防腐劑在實際應用中仍占主導地位，随着人們對微生物和化學安全食品的需求日益增加，傳統的化學防腐劑正逐漸淡出研究者和消費者的視線，因此，天然産物被認為是很有前途的替代品，特别是具有生物相容性、可獲取性和實用性的植物揮發性有機化合物(VOCs)，在食源性病原體和腐敗生物方面被發現是有效的。

2022年5月13日，Trends in Food Science & Technology（IF=14.46）雜志在線發表了浙江大學羅自生團隊發表的題為“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。系統地描述了VOCs的生物合成和限速步驟，為VOCs産生的合成生物學提供了指導。同時，本文對揮發性有機化合物和精油進行了概念上的區分，其中每種揮發性有機化合物成分的協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的提取技術，實現VOCs的大規模生産，然而，VOC生物合成及調控途徑還有待破解。氣調包裝、乳液、塗料等是VOC應用的多功能平台，是解決影響VOC實際應用挑戰的解決方案。由于其潛在的毒性，需要嚴格的監管和安全評估。

01VOCs的生物合成

根據生物合成途徑和化學結構的不同VOCs可以分為揮發性苯丙烷類化合物(Volatile phenylpropanoids/benzenoids,VPBs)、揮發性萜烯類化合物(volatile terpenoids,VTPs)、揮發性醇醛類化合物(volatile alcohols/aldehydes,VAAs)。VTPs以C5異戊二烯單元為代表化學結構，這些基本的C5-異戊二烯構建單元由兩個不同的途徑産生，即定位于細胞質的MVA途徑和定位于質體的MEP途徑。

異戊烯基二磷酸(IPP)及其烯丙基異構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途徑提供合成揮發性半萜(C5)、單萜(C10)和二萜(C20)的前體。

3-羟基-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，是初級代謝産生的代謝物，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，後者控制莽草酸途徑産生苯丙氨酸。

與VTPs和VPBs相比，(Z)-3-己烯醇、壬醛和茉莉酸甲酯(MeJA)等VAAs是由分解代謝産生的，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産生的源頭。PUFA的細胞含量取決于丙酮酸産生的乙酰輔酶A質體池，進入脂氧合酶(LOX)途徑的部分PUFA通過α-雙氧化酶轉化為α-hydro(pero)xy PUFAs，其他部分轉化為自氧化産物。這些脂質過氧化物衍生物質将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，最終通過異構化産生多種多樣的VAAs。

圖1. 植物揮發性有機化合物（包括VTP，VPB和VAAs）的生物合成途徑概述

02VOCs抵禦病原體的機制對病原細胞的直接細胞毒性

VOC對細菌和真菌膜結構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。膜的破壞導緻離子洩漏，電位降低，質子泵崩潰和ATP生産停止。酚類萜類化合物的羟基已被假定為作為一價陽離子跨膜載體起作用，将H攜帶到細胞質中并将K轉運出去（Ben Arfa等人，2006）。VTPs的結構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，特定結構和遊離酚羟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象，從而凝固細胞質并破壞病原體細胞增生膜和細胞膜的功能。此外，發現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，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緻不同。因此，需要各種方法、治療方法和适用方式來減少不利影響，這為今後揮發性有機化合物的應用提供了指導。

宿主免疫的調節

揮發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，包括宿主免疫調節。代謝組學這些發現對于了解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可以成為特别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觸發的免疫(PTI)。同樣，針對植物PTI，病原體已經進化出一種III.型分泌系統，該系統提供類似效應的蛋白質以抑制植物PTI信号傳導并促進入侵。植物來源的宿主可以識别緻病效應器并誘導信号通路，導緻效應器觸發的免疫(ETI)，這可以觸發超敏反應(HR)并最終抑制病原體生長。

參與病原性代謝

一些對緻病細胞具有緻死性的揮發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。為了發揮抗菌作用，這些修飾的VOC能夠參與緻病性代謝，并在病原細胞的修飾去除時進行，緻病細胞釋放毒性并導緻病原體緻死。VPB是廣泛分布在植物中的防禦化學物質，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緻抗病性不足，然而，一些防禦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将被病原體攝入，并通過β葡萄糖苷酶代謝水解，從而去除葡萄糖基化，在緻病細胞中産生有毒的阿葡萄糖酮。這些結果表明，VOCs可以間接參與病原代謝，并通過化學修飾發揮毒性。

圖2. 揮發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緻病性代謝

03揮發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。本摘要基于揮發性有機化合物的效率、機理、劑量和應用方式。我們總結了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緻死率是将其用于肉制品的好處之一；此外，在儲存階段，脂質化合物的氧化會産生意想不到的味道，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構，造成直接殺傷，但對非植物源腐殖物寄主病原菌的直接緻死能力有限。

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産生均具有良好的抗緻病菌作用。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使用在肉産品時容易産生不良風味，而乳液等封裝技術的結合将是一種解決方案。對于植物源性食品而言，VPBs具有突出的适用性，因為許多VPBs屬于植物源性食品的揮發性氣味和味道的組成部分。此外，對于一些深加工産品，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是一種尚未開發的天然抗菌劑。許多VAA因其高揮發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，不适合用于富含脂質的産品。

04揮發性有機化合物在食品微生物控制中的應用挑戰：重新思考視角

雖然根據目前的綜述，揮發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，但在食品工業中的實際應用仍然存在挑戰。

對于食品品質的潛在風險

通過代謝組學研究發現，雖然揮發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）破壞果蔬産品組織；（3）氧化富含脂類産品中的脂類，這些都是揮發性有機化合物對食品品質的潛在副作用。由于揮發性高，揮發性有機化合物表現出強烈的氣味，影響感官特性，但有時有些揮發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，因為揮發性有機化合物本來就存在于這些食品中，對其感官性質的影響很小。

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。不适當的植物源揮發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，封裝揮發性有機化合物可以保護其化學特性，減少其暴露于環境條件和控制其流動性。包封可以通過乳液和塗層/生物膜的結合來完成。乳劑可将揮發性有機化合物封裝成液滴，為揮發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

病原菌經過無數年的共同進化，形成了應對逆境的反應機制，包括規避VOC的毒性。研究證實，病原菌能夠通過外排機制解毒導緻細胞毒性的VOCs，此外，一些病原體已經破譯了VOCs，并操縱它們招募盟友，一些病原體已經發展出成熟的轉化系統，能夠将VOCs吸收為自己的養分。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轉運蛋白可将多餘的單萜泵出細胞，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源利用，在生長的早期到中期，青黴菌能夠将檸檬烯轉化為其他無毒的萜類化合物，如α‐松油醇，這表明青黴菌有可能通過這一途徑避開來自柑橘的檸檬烯的攻擊。

VOCs在食品工業的安全與管理标準

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加合物、DNA加合物和細胞骨架形态的潛在機制進行的綜合研究已經得到了廣泛的研究。大多數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緻VOC降解，這可能會産生有毒的VOC衍生物。除了加工毒性外，揮發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産生有毒化合物。因此，應在VOCs的最終應用前進行一系列系統的安全性評估。

VOCs的生産

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産物的生物活性物質的提取，其中一些技術适用于從植物或植物源性食品及其副産品中提取具有揮發性特征的物質，這些副産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展為“細胞工廠”的建設提供了支持，“細胞工廠”可以大規模生産VOCs。

圖3. 轉化細胞外單萜烯的ABC轉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，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。根據化學結構，揮發性有機化合物分為VTP，VPB和VAAs，分别受到HMGR，DAHP和LOX酶的速率限制。确定了VOCs的初步生物合成途徑，使合成生物學研究能夠大規模合成VOC。機理研究發現，揮發性有機化合物可直接改變緻病細胞膜的功能，損害能量代謝。揮發性有機化合物也能夠觸發新鮮農産品的SAR。

同時，揮發性有機化合物在病原體攝入後可參與或幹擾病原性代謝，并産生有害化合物，從而優雅地防止對宿主的毒性。許多揮發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。我們發現不同揮發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大多具有未開發的潛力。

從未來來看，代謝組學挑戰仍然阻礙VOC在食品保鮮中的應用發展。适用挑戰涉及:（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的氧化；(2)逃避病原體的揮發性有機化合物的毒性或利用揮發性有機化合物作為營養來源；（3）揮發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性有機化合物，可以通過多樣化的輸送系統和對應用濃度的嚴格監管來解決。在考慮并解決這些問題後，我們認為植物揮發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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