超高压升压速率和方式强化杀菌的分子机制研究

High hydrostatic pressure (HHP) has been investigated as a nonthermal processing technique to destroy food-borne pathogens and retain food quality. The present work of the bactericidal effect and mechanism of HHP is focused on pressure levels and holding time. However, the inactivation of microorganisms was significantly enhanced by the fast pressurization rate and linear pressurization mode in our previous studies. In order to reveal the enhanced mechanism of bactericidal effect, heat shock proteins 60 (HSP60) as the target, the effects of pressurization rates and modes on HSP60, interaction proteins and bioinformatics analysis in Escherichia coli, were evaluated in this study using targeted proteomics. Based on the above results, the differences of HSP60 interaction proteins and metabolic pathway were analyzed, and then the effects of pressurization rates and modes on stress response were clarified. Accordingly, the enhanced mechanism of pressurization rate and mode on inactivation of microorganisms by HHP were revealed. Through this research, existing theory of HHP sterilization was enriched. Moreover, the results may provide an important basis for the application of HHP in food processing.

作为新兴的非热加工技术，超高压能有效杀死食品中微生物，保留食品品质。目前超高压杀菌效果与机制研究集中在处理压力和时间，但经申请人前期研究发现，超高压升压过程中的快速升压速率和线性升压方式显著强化对微生物的杀菌效果。针对这种强化效果，本项目以大肠杆菌（Escherichia coli O157:H7）为对象，以热休克蛋白60（HSP60）为靶向目标，利用靶向蛋白质组学技术，研究升压速率和升压方式对大肠杆菌HSP60蛋白及其相互作用蛋白的影响，通过对相互作用蛋白的生物信息学分析，解析相互作用蛋白及其参与的应激代谢通路的差异性，阐明不同升压速率和方式处理对大肠杆菌应激反应的影响，进而揭示快速升压速率和线性升压方式强化杀菌效果的机制。本研究可以丰富现有的超高压杀菌理论，对指导超高压技术在食品生产中的应用具有重要实际意义。

作为新兴的非热加工技术，超高压能有效杀死食品中微生物，保留食品品质。目前超高压杀菌效果与机制研究集中在处理压力和时间，但申请人前期研究发现，超高压升压过程中的快速升压速率和线性升压方式显著强化对微生物的杀菌效果。针对这种强化效果，本项目以大肠杆菌（Escherichia coli O157:H7）为对象，以热休克蛋白60（HSP60）为靶向目标，利用靶向蛋白质组学技术，研究升压速率和升压方式对大肠杆菌HSP60蛋白及其相互作用蛋白的影响，通过对相互作用蛋白的GO和聚类分析、代谢通路和蛋白相互作用分析等，确定不同升压速率和方式调控应激反应重要代谢通路的差异性，进而揭示快速升压速率和线性升压方式强化杀菌效果的机制。研究发现，不同升压过程（线性快速、线性慢速、阶梯快速和阶梯慢速）处理中，线性快速升压处理的杀菌效果最为显著，不同升压过程均能诱导E. coli O157:H7的HSP60表达上调。应激反应代谢通路分析表明，不同升压过程处理中HSP60互作蛋白参与了42个代谢通路，主要集中在核糖体、ABC转运器、氧化磷酸化和硫酸盐同化与半胱氨酸生物合成这四个代谢通路。进一步分析后提出了线性快速升压方式强化杀菌效果的机制：线性快速升压处理增强了细胞与外界物质交换的能力，降低或抑制了E. coli O157:H7细胞的防御能力、合成氨基酸能力、细胞的增殖和迁移，整体减弱了对HHP逆境刺激的抗性，从而不利于E. coli O157:H7在超高压逆境中存活，导致细胞死亡量显著提高，呈现出最好的杀菌效果。此外，免疫共沉淀验证了与HSP60互作的关键蛋白CysD、ZnuC、RplX、NuoB和NuoF，证明了结果的可靠性。线性快速升压方式强化杀菌机制的明确，对充分发挥升压过程在强化超高压杀菌方面的潜能，丰富现有的超高压杀菌理论，以及指导超高压技术在食品生产中的应用都具有重要的意义。