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超高压对食品中微生物的影响

文档作者：李仁杰王永涛廖小军文档来源：中国农业大学食品科学与营养工程学院, 国家果蔬加工工程技术研究中心, 农业部果蔬加工重点实验室,		点击数：	更新时间： 2025年06月28日
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第5 卷 第8 期 食品安全质量检测学报 Vol. 5 No. 8
2014 年8 月 Journal of Food Safety and Quality Aug. , 2014
基金项目: 农业部“948”重点项目(“引进国际先进农业科学技术”项目)(2011-G20)
Fund: Supported by the Project “Recommend International Advanced Agricultural Science and Technology Plan” (2011-G20 (4)) of the “948”
project of Ministry of Agriculture of China
*通讯作者: 廖小军, 博士, 博士生导师, 教授, 主要研究方向为农产品加工及贮藏。E-mail: liaoxjun@hotmail.com
*Corresponding author: LIAO Xiao-Jun, Professor, College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, No.17,
Qinghua East Road, Beijing 100083, China. E-mail: liaoxjun@hotmail.com
超高压对食品中微生物的影响
李仁杰, 王永涛, 廖小军*
(中国农业大学食品科学与营养工程学院, 国家果蔬加工工程技术研究中心,
农业部果蔬加工重点实验室, 北京 100083)
摘要: 超高压是一种新型食品加工技术, 已广泛应用于食品的非热加工。本文详细综述了超高压对食品中微
生物的影响。在超高压条件下微生物的细胞壁、细胞膜被破坏, 引起细胞形态结构的改变; 微生物细胞内的结
构蛋白、酶等在超高压条件下被钝化, 导致微生物正常的代谢功能和增殖能力被破坏; 在超高压条件下微生物
的蛋白组和基因组也产生了一定的变化, 许多与抗逆有关的蛋白质和基因表达上调, 许多抗逆基因过量表达。
这些都是微生物在超高压作用下死亡的主要原因。
关键词: 超高压; 微生物; 细胞膜; 酶; 蛋白组; 基因组
Effects of high hydrostatic pressure on microorganisms in foods
LI Ren-Jie, WANG Yong-Tao, LIAO Xiao-Jun*
(National Engineering Research Center for Fruit and Vegetable Processing, Key Laboratory of Fruit and Vegetable
Processing, Ministry of Agriculture, College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University,
Beijing 100083, China)
ABSTRACT: As a novel non-thermal food processing technology, high hydrostatic pressure (HHP) is now widely
used in food industry. This article reviewed the effect of high hydrostatic pressure on microorganisms. The cell
wall and cell membrane of microorganisms are destroyed by HHP which induces the changes of morphology. The
inactivation of structural protein, enzymes and other functional proteins by HHP induces the damage of
metabolism and multiplying of microorganisms. The proteomics and genome of microorganisms are also
influenced by HHP. The amount of proteins and gene expressing involved in stress response areup-regulated.
KEY WORDS: high hydrostatic pressure; microorganism; cell membrane; enzyme; proteomics; genome
1 引 言
超高压技术(ultra-high pressure, UHP)或高静压技术
(high hydrostatic pressure, HHP)是指将食品密封在柔性容
器内, 以水或其他液体作为传压介质, 在常温或稍高于常
温（2560 ℃）下进行1001000 MPa 的加压处理, 维持一
定时间后以达到杀菌、钝酶、改性、有效成分提取等目
的[1]。超高压只作用于对生物大分子立体结构有贡献的氢
键、离子键和疏水键等非共价键, 对维生素、色素和风味
物质等小分子化合物的共价键无明显影响, 从而使食品较
好地保持了原有的营养、色泽和风味[2]。超高压技术已广
泛应用于果蔬制品、肉制品、乳制品等食品的非热杀菌以
2524 食品安全质量检测学报 第5 卷
及牡蛎、虾等海产品的脱壳加工。
超高压通过破坏细胞膜、核糖体等细胞的外部与内部
结构以及细胞内重要蛋白质, 使细胞的物质代谢和能量代
谢失去平衡, 从而导致微生物死亡[3]。本文将从微生物的
内、外结构以及细胞膜、酶、蛋白组和基因组等方面介绍
超高压对微生物的影响。
2 超高压对不同微生物的致死效果
微生物中对超高压最敏感的是异尖线虫、隐孢子虫等
原生动物和寄生虫, 100~400 MPa 的压力可以将其完全杀
死[4,5]; 其次为霉菌和酵母, 一般需要300~500 MPa 的压力
使其死亡, 但霉菌的子囊孢子耐压能力较强, 如丝衣霉
(Byssochlamysnivea)子囊孢子在700 MPa、70 ℃条件下处
理30 min 减少了4 个对数[6]; 细菌的营养体对压力的敏感
性与细菌的种类有关, 300~500 MPa 的压力可以使革兰氏
阴性菌(G-)减少3 个对数以上, 与G-相比, 革兰氏阳性菌
(G+)细胞壁含有丰富肽聚糖, 相对较厚, 细胞外膜构造简
单, 其耐压性更高[3]; 细菌芽孢具有较厚的芽孢衣和皮层
等特殊结构, 芽孢内遗传物质水分活度和代谢活动极低,
在常温下具有极强的抗压能力, 采用多次超高压循环处理
以及超高压与其他手段如加热、辐射、超声波、脉冲电场
等结合能够有效地将细菌芽孢杀死[7,8]; 病毒的抗压能力
根据病毒的种类和结构而有所不同, 一般来说具有衣壳病
毒的抗压能力高于裸病毒, 脊髓灰质炎病毒抗压能力最强,
在450 MPa, 21 ℃的压力下处理5 min, 对其没有显著影
响[9]。超高压对不同微生物的致死效果见表1。
3 超高压对微生物细胞结构的影响
不同强度的压力对微生物细胞的伤害不同, 50~100
MPa 的压力会抑制细胞内蛋白质的合成和可逆的变性; 当
压力为100~200 MPa 时微生物的外部形态被破坏, 细胞膜
发生损伤; 大于300 MPa 时会造成微生物细胞内DNA 结
合蛋白、结构蛋白、酶等重要的蛋白质不可逆的变性[3,10]。
3.1 超高压对微生物细胞形态的影响
超高压处理会影响微生物的外部形态, 主要表现为
处理后细菌表面形成突起或凹陷, 细胞膨胀、变形甚至破
裂。未处理的L. monocytogenes 细胞表面光滑, 呈规则的椭
圆形(图1A), 经过400 MPa 处理10 min 后, 部分细胞整体
形状被破坏, 细胞表面形成突起, 甚至破裂(图1B)[11]。正
常状态下, L.mesenteroides 呈规则串珠状结构, 细胞表面光
滑(图1C), 超高压处理(500 MPa, 35 ℃, 15 min)过后, 串珠
状结构被破坏, 部分细胞表面形成突起(图1D)[12]。此外, 超
高压处理还会导致微生物细胞膨胀, 体积增大。L.
monocytogenes 经600 MPa 处理后细胞体积增加3 倍以上[13]。
Pilavtepe-Çelik 等研究发现S.aureus 和E. coli 经400 MPa 处
理后, 细胞体积明显增大[14]。黑曲霉(Aspergillusniger)的孢
子正常情况下呈规则圆形(图1E), 经200 MPa 处理后, 85%
被破坏, 孢子外壳破裂, 内部物质流出(图1F)[15]。
除外部形态以外, 超高压处理还会导致细胞内物质的
变化, 微生物细胞中的蛋白质、遗传物质等会在超高压作用
下发生变性, 在细胞内形成沉淀。透射电镜显示未处理L.
monocytogenes 细胞质分布均一(图2A), 400 MPa 处理 6 min
后, 细胞质形成沉淀(如图2B, 箭头指向处为细胞内沉
淀)[10]。L.viridescens(图2C, 为未处理细胞), 经600 MPa 处
理5 min 以后, 细胞发生之壁分离, 细胞内的遗传物质呈丝
状纤维状(图2D 中白色箭头指向处)[16]。Kaletunç 等[12]采用
透射电镜观察发现肠膜明串珠菌经500 MPa 处理后细胞内
会形成沉淀, 并指出这些沉淀是超高压导致蛋白质变性引
起的。由于DNA 分子稳定性高, 能耐受1000 MPa 的压力,
因此细胞内沉淀可能与超高压引起的DNA 变性无直接关
系[17]。有关超高压导致细胞内物质形成沉淀的解释有多种。
DNA 与DPS 等DNA 结合蛋白结合, 形成稳定的高聚物存
在于细胞内, Mohamed 等认为超高压处理导致DNA 结合蛋
白变性破坏了遗传物质的稳定性[10]; Malone 等[18]还发现超
高压会抑制dps 基因(编码DPS 蛋白)的转录, 导致DPS 合成
量减少; Kaletunç 等[12]认为超高压破坏了细胞膜, 导致细胞
内的Mg2+浓度降低, 降低了遗传物质的稳定性。
3.2 超高压对微生物细胞膜的影响
细胞膜是微生物细胞的重要组成部分, 具有保护细
胞、能量转换、物质运输和信息专递与识别等功能, 其主
体由磷脂双分子层和具有生物活性的膜蛋白组成, 依靠分
子之间的氢键和疏水作用保持结构稳定[19]。超高压处理能
够破坏细胞膜的完整性并使膜蛋白与膜分离, 破坏细胞膜
的选择透过性和其他生理功能[20]。Manãs 等[21]发现E. coli
经600 MPa 处理8 min 后, 99.9%的细菌被杀死。同时, 细
胞膜内、外侧出现突起, 细胞失去了在高浓度盐溶液中质
壁分离的能力, 细胞内的RNA 和K+、Mn2+、Mg2+等物质
流出细胞, 碘化丙啶(PI)透过细胞膜与DNA 结合, 充分说
明E. coli 细胞膜的完整性被破坏。L. monocytogenes 和
Salm.Typhimurium 经400 MPa 处理后细胞质中K+浓度由
300 mmol/L 降低到5 mmol/L 以下, 说明超高压破坏了微
生物细胞膜维持离子平衡的能力[13]。Klotz 等[22]发现超高
压导致E. coli 细胞膜受损, 细胞内蛋白大量流出, 通过对
比超高压处理中和处理后进入细胞内部PI 的荧光强度, 发
现部分细胞能够修复超高压引起的细胞膜损伤。
膜蛋白是细胞膜上负责执行细胞内外的物质运输、能
量转换和信号识别等功能的重要单元, 超高压处理会导致
微生物膜蛋白活性降低或与膜分离。Na+, K+-ATP 酶是一个
跨脂膜的Na+, K+-泵, 通过水解ATP 提供能量主动向外运
输Na+而向内运输K+, 超过200 MPa 的超高压处理会导致
Na+, K+-ATP 酶结构不可逆的改变, α 和β 亚基分离[23]。
第8 期 李仁杰, 等: 超高压对食品中微生物的影响 2525
表1 超高压对不同微生物的致死效果
Table 1 Inactivation of HHP to microorganism
名称 缓冲液 压力(MPa) 温度(℃) 时间
(min)
致死效果
(-log10)
参考
文献
G+
金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)
UHT 奶
600
20
15
2
[24]
禽肉 3
单核细胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)
375 20 15
＜1
[24]
禽肉 2
瑞士乳杆菌(Lactobacil hushelveticus) 羊奶 500 10 10 3 [25]
肠膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroides) 磷酸盐缓冲液 500 35 10 8 [12]
G-
空肠弯曲杆菌(Campylobacter jejuni)
猪肉浆
300
25
10
6
[26]
桑夫顿堡沙门氏菌(Salmonella Senftenberg 775W) 鸡肉 340 23 10 ＜2 [27]
大肠杆菌(Escherichia coli O157:H7NCTC 12079 )
UHT 奶
600 20 15
＜2
[24]
禽肉 3
副溶血弧菌(Vibrio parahaemolyticus O3:K6) 牡蛎 300 10 3 5 [24]
荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens) 羊奶 450 10 10 4 [24]
细菌芽孢热解糖热厌氧杆菌
(Thermoanaerobacteriumthermosaccharolyticum)芽孢
水
700
105
5
5
[28]
Clostridium tyrobutylicum芽孢 水 700 105 5 6 [28]
生芽孢梭状芽孢杆菌
(Clostridium sporogenes)芽孢
水 700 105 5 7 [28]
解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)芽孢 水 700 105 5 7 [28]
球状芽孢杆菌(Bacillussphaericus)芽孢 水 700 121 2 7 [24]
肉毒梭状芽孢杆菌(Clostridium botulinum)芽孢 Tris-His 缓冲液 1400 100 2 4 [29]
B. amyloliquefaciens 芽孢 Tris-His 缓冲液 1200 120 2 4 [29]
B. subtilis 芽孢 水
50 MPa &amp;amp; 450 W, 20
kHz 超声波 室温 12 99% [30]
真菌
啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)
猪肉浆
300
20
10
2
[26]
丝衣霉(Byssochlamysnivea)子囊孢子
葡萄汁aW=0.97
700 70 30
4
[6]
覆盆子汁aW=0.84 <1
费舍尔曲霉(Aspergillusfischeri)子囊孢子 葡萄汁aW=0.97 300 60 60 5 [6]
正青霉(Eupenicillium)子囊孢子 葡萄汁aW=0.97 300 60 60 3 [6]
拟青霉属(Paecilomyces)子囊孢子 葡萄汁aW=0.97 300 60 60 6 [6]
踝节菌(Talaromycesavellaneus)子囊孢子 苹果汁 pH=3.45 600 17 60 2 [31]
其他微生物
异尖线虫(Anisakis simplex)
鱼肉
300
室温
5
全部死亡
[5]
隐孢子虫(Cryptosporidium parvum) 牡蛎肉 550 室温 3 7 [4]
猪蛔虫(Ascarissuum)卵 无 276 室温 1 全部死亡 [32]
脊髓灰质炎病毒(Poliovirus) 培养基 450 21 5 无变化 [33]
A 型肝炎病毒(Hepatitis A virus) 牡蛎 400 10 1 ＞3 [33]
手足口病病毒(Foot and Mouth
Disease virus)
尿素(1 mol/L)培养基250 -15 60 ＞4 [34]
2526 食品安全质量检测学报 第5 卷
图1 超高压处理后的微生物扫描电镜照片
Fig. 1 Scanning electron micrographs of cells treated by high hydrostatic pressure
图2 超高压处理后的微生物透射电镜照片
Fig. 2 Transmission electron microscopes of cells treated by high hydrostatic pressure
E. col 等原核生物细胞中ATP 与ADP 的转换由位于细胞膜
上的F0F1-ATP 酶催化进行[19]。Wouters 等[35]发现植物乳杆
菌(Lactobacillus plantarum) F0F1-ATP 酶活性在250 MPa 时
开始降低, 350 MPa 处理10 min 后降低了80%。Tholozan
等也发现L. monocytogenes 和Salm.Typhimurium 经400
MPa 处理后, 细胞内的ATP 浓度分别降低了90%和50%以
上[13]。600 MPa 改变了类球红细菌(Rhodobactersphaeroides)
和嗜酸红假单胞菌(Rhodopseudomonasacidophila)细胞膜上
光合作用蛋白的三级结构, 导致色素与蛋白分离, 失去了
光和作用的能力[36]。Ritz 等[37]研究发现Salm.Typhimurium
经400 MPa 和600 MPa 处理后细胞膜上的12 种膜蛋白除
了LamB、OmpC 和OmpA 三种仍然与膜结合外, 其他9
种蛋白与膜分离。
3.3 超高压对微生物细胞内部结构的影响
超高压处理会引起微生物细胞内部结构的变化, 如
核糖体解离、细胞骨架解聚等[38,39]。55 MPa 的压力会导致
枯草芽孢杆菌和大肠杆菌核糖体的50 S 和30 S 亚基分
离[40,41]。70 MPa 的压力会使大肠杆菌细胞合成过程中的多
肽链与核糖体分离, 造成多肽的合成被中断[42]。Niven 等[39]
采用DSC 研究发现250 MPa 处理20 min 导致E. coli 核糖
体变性。
细胞骨架(cytoskeleton)是指细胞中的蛋白纤维网络结
构, 在维持细胞形态、承受外力、细胞分裂和保持细胞内
部结构的有序性等方面起着重要的作用。E. coli 等原核
第8 期 李仁杰, 等: 超高压对食品中微生物的影响 2527
生物的细胞骨架由FtsZ、MreB 和CreS 三种蛋白组成,
FtsZ 能在细胞分裂位点装配形成环状结构, 并通过该
结构参与细胞分裂; MreB 能形成螺旋丝状结构, 其主
要功能是维持细胞形态; CreS 存在于新月柄杆菌
(Caulobactercrescentus)中, 在细胞凹面的细胞膜下面
形成弯曲丝状或螺旋丝状结构, 该结构对维持
C.crescentus 细胞的特殊形态具有重要作用[11]。Ishii
等[38]发现40 MPa 的压力条件下, E. coli 细胞内FtsZ 蛋
白合成被抑制, 无法形成完整的细胞骨架, 导致细胞
无法正常分裂呈细丝状存在, 无法形成菌落; 在30
MPa 压力条件下E. coli 细胞内FtsZ 蛋白合成量开始减
少, 部分变性解聚, 长度小于3 μm(0.1 MPa 时FtsZ 蛋
白纤维的长度为5 μm); 当压力升高至50 MPa 时FtsZ
蛋白的合成被完全抑制; 但当压力恢复为常压时, FtsZ
蛋白的合成恢复正常, 细胞分裂正常, 细丝状细胞逐
渐恢复为正常状态。
3.4 超高压对微生物细胞内酶活性的影响
超高压处理会降低微生物细胞内酶的活性, 甚至使
酶完全变性失活。酯酶活性的高低是微生物细胞代谢是否
旺盛的标志, L. monocytogenes 经400 MPa 的压力处理10
min 后, 酯酶活性降低了70%[11]。23 ℃、448 MPa 条件下
处理30 s, S.cerevisiae 的脂肪酶、胱氨酸芳基酰胺酶、缬氨
酸芳基酰胺酶、α-葡萄糖苷酶和E. coli 的酯酶、脂肪酶、
胱氨酸芳基酰胺酶、缬氨酸芳基酰胺酶、胰蛋白酶、α-葡
萄糖苷酶、β-葡萄糖醛酸酶被完全钝化, E. coli 的亮氨酸芳
基酰胺酶部分钝化, 而两种微生物的磷酸水解酶活性变化
不大[43]。HorA 是L. plantarum 细胞内由质粒编码并依靠
ATP 提供能量的转运蛋白, 能够提高细胞在啤酒中对酒精
和二氧化碳的耐受力, 600 MPa 会使HorA 完全钝化, 此时
微生物也完全被杀死[44]。Simpson 等发现550 MPa 的压力
会导致L. monocytogenes 细胞内6-磷酸葡萄糖脱氢酶、葡
萄糖-6-磷酸脱氢酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢
酶等多种代谢酶失活[45]。Chilukuri 等发现87 MPa 的超高
压处理会完全抑制E. coli DNA 螺旋酶的活性, 从而抑制
DNA 超螺旋结构的形成[46]。
4 超高压对微生物蛋白组和基因组的影响
4.1 蛋白组
超高压处理能够通过诱导微生物合成一些列特殊的
压力诱导蛋白(pressure-induced proteins, PIPs)影响微生物
的蛋白组[47]。PIPs 的包括热休克蛋白( heat shock proteins,
HSPs)、冷休克蛋白(cold shock proteins, CSPs)、核糖体蛋
白、转录因子和其他功能因子等[47-51]。50 MPa 的压力能够
诱导嗜热产甲烷球菌(Methanococcus thermolithotrophicus)
产生一系列HSPs, 分子量介于38~70 kDa[49]。E. coli 在55
MPa 处理后能产生55 种PIPs, 其中大部分为CSPs 和
HSPs[47]。HSPs 是微生物体内应激反应中一类重要的蛋白,
可以作为伴侣蛋白与刚合成、错误折叠和受损的多肽结合,
恢复或维持其正常的构象[52]。Aertsen 等通过热处理E. coli
细胞诱导产生大量的HSPs, 并对这些细胞进行超高压处
理(250 MPa, 15 min), 发现这些细胞中的耐压性显著提高
了[53]。Lactobacillus sanfranciscensis 在150~200 MPa 的压
力下CSPs 和核糖激酶合成量增加, GMP 合成酶的合成量
降低[51]。L. monocytogenes 经100~200 MPa 的压力处理后,
细胞内CSPs1 和CSPs2 的含量提高了2~3.5 倍[48]。CSPs
是微生物在适应低温条件下, 细胞诱导合成的一系列蛋白
质, 他们的主要功能是作为RNA 分子伴侣与mRNA 结合,
阻止mRNA 二级结构的合成, 提高核糖核酸酶的催化效率
和促进翻译的进行[54,55] 。10 ℃ 低温培养的L.
monocytogenes 细胞内CSP1 和CSP3 的含量比37 ℃培养的
细胞分别增加了3.5 和10 倍, 且低温培养的细胞经超高压
处理后存活率比37 ℃培养的细胞提高了100 倍[48]。Jofrè
等[50]发现400 MPa 的压力能够诱导L. monocytogenes、
Lactobacillus sakei、肠球菌(Enterococcus faecium)产生核糖
体蛋白、转录因子、DNA-mNA 聚合酶等PIPs, 这些蛋白
具有促进微生物基因的转录翻译和稳定细胞蛋白质构象的
作用[19]。
4.2 基因组
4.2.1 抗逆相关基因
超高压会影响微生物与CSPs、HSPs 和核糖体蛋白的
表达相关的抗逆基因表达, 这些蛋白可以帮助微生物减少
或修复超高压造成的细胞损伤, 增加微生物在高压环境下
的生存能力[18,56,57]。
超高压会引起微生物细胞的氧化损伤, Aertsen 等发现
100~400 MPa 的超高压处理引起了E. coli 细胞内部的氧化
应激, 且随着压力的升高而增加[58]。Charoenwong 等、发现
各种DNA 修复酶基因(polA、recA 和xthA)缺陷型菌种也表
现出对高压处理非常敏感, 并指出超高压导致细胞产生的
各种反应氧化物(ROS)如氢过氧化物产生的羟基自由基造
成了DNA 的损伤[59]。超高压对微生物抗逆基因表达的影
响见表2。
4.2.2 细胞膜和细胞壁相关基因
超高压会造成微生物细胞膜和细胞壁的损伤, 相关
基因的表达也受到影响。这些基因包括磷壁酸、肽聚糖、
脂蛋白等各种细胞外膜组件合成基因以及与多种脂蛋白转
运相关的合成与调节基因[57,59,60]。超高压对细胞膜和细胞
壁相关基因表达的影响见表3。
4.2.3 信息加工及存储基因
超高压会抑制微生物DNA 的复制和转录, 包括造成
复制体解聚、DNA 双螺旋结构破坏、对DNA 的压缩导致
2528 食品安全质量检测学报 第5 卷
表2 超高压对微生物抗逆相关基因的影响
Table 2 Effects of HHP on the stress response genes of microorganism
名称 基因功能 压力
(MPa)
表达量变化(倍)
参考
文献
E. coli
ibpA 编码Hsps 蛋白 100 +1.9 [61]
cspA
编码CspA 蛋白, CspA 会启动一种拟核组织蛋白的翻译, 这种蛋白可以控
制E. coli 在特殊环境下许多特殊基因的表达
100 +3.9 [61]
pphA
编码一种丝氨酸/苏氨酸磷酸酶, 这种酶可以在有蛋白错误折叠时积累热
休克蛋白。
200 +2 [18]
dps
编码DPS 蛋白, DPS 蛋白可以与DNA 结合, 保护DNA 免受氧化物质的侵
害。dps 表达下调有利于受超高压损伤的DNA 在没有DPS 蛋白的干扰下
尽快修复
同上 2.5 [18]
Nrd(nrdI, nrdH,
nrdE, nrdF)
编码细胞内一类核苷酸还原酶, 这类酶含量可以保护DNA 免受反应氧化
物的伤害,
同上 +1~2.2 [18]
suf
调控细胞内铁-硫蛋白的合成, 超高压会导致铁-硫蛋白中放出铁离子, 加
剧细胞内氧化反应的伤害
同上 1.2~1.6 [18]
Grx, Trx (trxA,
grxB, trxC)
编码具有还原功能的半胱氨酸硫醇位点的小分子蛋白, 通过硫醇-二硫化
物交换反应减少细胞主要蛋白中的二硫化物受体, 减少超高压引起的细
胞内蛋白质的变性(超高压处理会导致蛋白质中的-SH 结合为S-S 使蛋白
质发生变性, 如β-乳球蛋白)
同上 1.4~2.2 [18]
L.monocytogenes
L13, L19 编码50 S 核糖体蛋白 400 +2.91~4.7, [57]
cspB 编码冷休克蛋白。其他编码与终止和抗终止作用相关的蛋白基因表达量也
有所增加
同上 +8.6 [57]
cspL 同上 +3.53 [57]
S.cerevisiae
hsp30 编码热休克蛋白, 其他编码过氧化物岐化酶、细胞色素C、高渗透压反应
蛋白等与抗逆相关的基因表达增加2~4 倍
200 +6 [56]
hsp12 同上 +5.7 [56]
表3 超高压对微生物细胞壁和细胞膜相关基因的影响
Table 3 Effects of HHP on genes associated with the cell wall and membranes of microorganism
名称 基因功能 压力MPa 表达变化(倍) 参考文献
L.monocytogenes
gcaD, glmS,
murACEG, mraY
合成肽聚糖 400~600 +2~4.4 [57]
Upps 的同源基因 编码磷壁酸、肽聚糖和其他细胞壁组件 同上 +3 ~4.7 [57]
lmo2194–2196
OPP 寡聚蛋白转运系统和类异戊二烯化合物的合成, 为细胞壁多
肽循环利用相关基因
同上 ＞+1 [57]
E. coli
rpoE
控制细菌细胞外膜上多肽的折叠和脂多糖的生物合成和运输,
rpoE 基因缺陷型E. coli 极容易被超高压杀死
600 +1.5 [59,60]
rpoS
调节膜脂蛋白基因(cfa, osmB, osmC, osmE, osmY, ybaY)表达。rpoS
过量表达通过增加细胞外膜的弹性提高了细胞的耐压性; cfa 和
osmB 缺陷型对压力格外敏感; rpoS, osmB, nlpI 基因缺陷型失去了
细胞膜自我修复能力, rpoS 还负责调控E. coli 从对数期到稳定期
细胞外膜的变化, 包括增加肽聚糖之间连接, 磷脂由单不饱和形
式变为环丙烷基式。
同上 ＞+1 [59,60]
S. cerevisiae
ERG25 负责细胞膜中麦角固醇的合成 200 +2.73 [56]
OLE1 编码硬脂酰CoA 脱氢酶, 能提高细胞膜中不饱和脂肪酸的含量 同上 +2.4 [56]
第8 期 李仁杰, 等: 超高压对食品中微生物的影响 2529
DNA-RNA 形成被抑制[57]。超高压还会导致E. coli 的DNA
双螺旋打开, 引发SOS 反应发生[53]。超高压处理后, 微生
物与信息加工和存储的基因的表达也会发生变化, 这些基
因包括多种DNA 聚合酶、连接酶的合成基因, 以及许多与
稳定和修复DNA 损伤相关的基因, 这些基因表达的变化
都是微生物应对DNA 损伤的反应; 超高压处理还导致有
关翻译和核糖体的基因表达量上调, 这些基因负责编码核
糖体蛋白和翻译相关蛋白, 以及使tRNA 和rRNA 发挥功
能性、组装和稳定性的蛋白, 这些基因表达的变化可能与
超高压引起的核糖体解聚和对翻译的抑制有关[57,58]。超高
压对信息加工及存储基因表达的影响见表4。
4.2.4 其他功能基因
超高压还会引起微生物与运动、物质代谢、细胞分裂、
分泌蛋白等功能相关的基因的改变, 这些改变能够提高微
生物的运动能力, 降低能量代谢水平, 维持细胞形态, 帮
助细胞度过不利的生存环境等[18,57]。超高压引起其他功能
基因表达变化见表5。
5 结论与展望
作为一种重要的食品非热杀菌技术, 超高压首先破
坏微生物的细胞壁与细胞膜, 使微生物失去正常的细胞形
态, 细胞内外正常的物质平衡被打破; 其次, 在超高压作
用下微生物细胞内许多重要的结构蛋白和酶失活, 导致微
生物正常的物质代谢、能量代谢、基因表达和细胞分裂无
法正常进行; 超高压还会导致微生物蛋白组和基因组的变
化, 许多抗逆基因过量表达。
目前, 应用于食品生产的超高压处理还无法彻底杀
灭或抑制低酸性食品中的细菌芽孢,超高压技术在这类食
品中的应用受到限制, 超高压结合其他手段应用于低酸性
食品的加工技术还需要进一步的研究; 利用NMR、拉曼光
谱等多种手段研究超高压对微生物的细胞膜、核糖体等结
构的破坏将更加深入地揭示超高压杀菌原理; 超高压对微
生物亚细胞结构、蛋白组和基因组的研究还需深入。
表4 超高压对微生物信息加工及存储基因的影响
Table 4 Effects of HHP on information-processing and storage genesof microorganism
名称 基因功能 压力MPa 表达变化(倍) 参考文献
L. monocytogenes
holB, dnaA, recDFNU, dinG, ruvA,
mutS, ssb, sbcC
编码多种DNA 连接酶和切除酶, 修复DNA 损伤
400~600
＞+1
[57]
hup 编码具有稳定DNA 拓扑结构功能的组蛋白, 调控
基因转录和核蛋白组装
同上 +1.7 [57]
flaR +4.0 [57]
lmo2606, lmo2560 编码RNA 聚合酶α-亚基和Delta-因子, 补偿超高压
对RNA 的合成的抑制
同上 +2.2, +3.2 [57]
drm, pdp, pnp, guaABupp, udk,
smbA, lmo1939, lmo1463
调控核酸的代谢, 包括核酸的转换反应和补救合成
途径, 此类基因表达量下降有利于超高压处理中受
损RNA 和DNA 的修复
同上 降低 [57]
表5 超高压对微生物其他基因的影响
Table 5 Effects of HHP on other genes of microorganism
名称 基因功能 压力(MPa) 表达量变化(倍) 参考文献
E. coli
otsA/B
与海藻糖的合成相关
200
+2.1 [18]
L.monocytogenes
cyoABCD
合成细胞色素b0 氧化酶
400~600
降低
[57]
lmo0088–0092,
lmo2528–2530 与多种F1F0-ATP 酶的合成相关 同上 降低 [57]
lmo2389, lm02471 合成NADH 氧化酶/脱氢酶 同上 降低 [57]
secEG, yidC, yajC, ftsY, ffh
与细胞内的蛋白分泌和转运相关, Sec 调控508 种蛋白
转运到细胞膜、细胞壁和细胞外, Sec 表达上调起到了
细胞修复作用
同上 ＞+1 [57]
lmo 1269-1271 合成信号肽I 同系物 同上 +4.3 [57]
ftsL, ftsA, ftsI, ftsQ, ftsE,
ftsX; ezrA, divIVA, minC;
mreB, mreD, mpl
合成、调控FtsZ 细胞骨架蛋白; 维持细胞形状 同上 +1~11.9 [57]
2530 食品安全质量检测学报 第5 卷
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(责任编辑:赵静)
作者简介
李仁杰, 博士研究生, 主要研究方向
为农产品加工及贮藏。
E-mail: lrjcau@gmail.com
廖小军, 博士, 博士生导师, 教授,
主要研究方向为农产品加工及贮藏。
E-mail: liaoxjun@hotmail.com

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