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食品加工過程中細菌生物被膜的危害及控制

文檔作者：陳小雪陳晶瑜韓北忠文檔來源：中國農(nóng)業(yè)大學中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院食品質(zhì)量與安全北京實驗室		點擊數(shù)： 5 1	更新時間： 2025年03月03日
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中國釀造2016 年第35 卷第1 期
總第287 期
近年來，由于生物被膜導致的安全問題越來越多的被
報道，它嚴重威脅到了人類的健康問題，因此受到科學家
們的廣泛關(guān)注。在醫(yī)學上，牙菌斑中及人體內(nèi)植入器械上
的生物被膜因其對人類健康的危害而得到了廣泛的研究。
而在食品工業(yè)中，生物被膜除了能夠腐蝕管道和金屬表面
外，更可導致動植物及人類疾病發(fā)生[1]。本綜述在介紹什
么是生物被膜的基礎(chǔ)上闡述了其對人類的具體危害，并對
當前生物被膜的控制方法和檢測方法做了概述。
1 生物被膜的定義和特點
生物被膜（biofilm，BF）是指粘附于接觸表面，分泌胞
外多聚物（extracellular polymeric substances，EPS），將自身
包繞其中而形成的微生物群落[1]，它是細菌等微生物在自
然界中存在的主要形式。20世紀30年代中期，COSTERTON
J W等[2]對口腔中牙菌斑生物被膜細菌和齲齒的關(guān)系做了
大量的研究，為深入了解生物被膜在健康和疾病中的作
用奠定了基礎(chǔ)。近年來生物被膜相關(guān)的研究在國內(nèi)逐漸
受到重視，但國內(nèi)學者對它的命名并不統(tǒng)一，唐俊妮等[3-4]
將其翻譯為“生物膜”和“生物菌膜”，韓北忠等[5-6]將其翻譯
為生物被膜。生物學上的生物膜（biomembrane）是指鑲嵌
有蛋白質(zhì)和糖類的磷脂雙分子層，起著劃分和分隔細胞和
細胞器作用，也是與許多能量轉(zhuǎn)化和細胞內(nèi)通訊有關(guān)的重
要部位，是細胞、細胞器和其環(huán)境接界的所有膜結(jié)構(gòu)的總
稱。顯然，將biofilm翻譯為生物被膜更為合適。
隨著近年來對生物被膜研究的不斷深入，學者們發(fā)現(xiàn)
自然界中的生物被膜毫無例外地是由混合微生物形成
的。生物被膜中的成分十分復雜，含有細菌、細菌分泌的
大分子多聚物（如蛋白質(zhì)、多糖、脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic
acid，DNA）、核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）、
肽聚糖、磷脂等）、吸附的營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物及細菌裂
解產(chǎn)物等[7-8]。DAVIES D G等[9]在應(yīng)用激光共聚焦掃描顯
微鏡技術(shù)研究生物被膜結(jié)構(gòu)的過程中發(fā)現(xiàn)生物被膜呈獨特
的三維立體結(jié)構(gòu)，而細菌在生物被膜總體積中只占不到
食品加工過程中細菌生物被膜的危害及控制
陳小雪，陳晶瑜，韓北忠*
（中國農(nóng)業(yè)大學中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院食品質(zhì)量與安全北京實驗室，北京100083）
摘要：生物被膜中的微生物生活在一個由胞外聚合物（EPS）形成的環(huán)境中，它的形成是微生物生長過程中的一個保護模式，允許
細胞在惡劣的環(huán)境中生存并分散到新的環(huán)境中。食品加工過程中有害菌形成的生物被膜對食品工業(yè)的危害極大，可使微生物殘存增
加，加工設(shè)備無法嚴格清洗、消毒，導致產(chǎn)品受到污染。該文在收集、研究現(xiàn)有文獻的基礎(chǔ)上歸納介紹了生物被膜的特點及其形成過
程和形成機制，概述了生物被膜的危害、控制及檢測方法，旨在提高人們對生物被膜的認識，推動該領(lǐng)域的研究發(fā)展。
關(guān)鍵詞：細菌生物被膜；形成；食品加工；危害；調(diào)控機制
中圖分類號：R155.5 文章編號：0254-5071（2016）01-0001-04 doi:10.11882/j.issn.0254-5071.2016.01.001
Hazard and control of bacterial biofilm during the food processing
CHEN Xiaoxue, CHEN Jingyu, HAN Beizhong*
(Beijing Laboratory for Food Quality and Safety, College of Food Science &amp;amp; Nutritional Engineering,
China Agricultural University, Beijing 100083, China)
Abstract: The microorganisms in biofilms live in a matrix of extracellular polymeric substances (EPS) that form their immediate environment.
Biofilm formation represents a protected mode of growth that allows cells to survive in hostile environments and also disperses to colonize new
niches, causing more serious biological hazards to food industry. Biofilm would increase survival rate of microorganism, therefore, it is difficult to
clean and sterilize, causing food contamination. This paper introduced the characters and the formation process of biofilms and discussed the
formation mechanism of biofilms, summarized the hazard and control and detection methods of biofilm, in order to improve people's understanding
of biofilm and promote the research development in the field.
Key words: bacterial biofilm; formation; food processing; hazards; regulatory mechanism
收稿日期：2015-12-09
基金項目：國家自然科學基金（31371716）
作者簡介：陳小雪（1988-），女，博士研究生，研究方向為食品微生物學。
*通訊作者：韓北忠（1961-），男，教授，博士，研究方向為食品微生物學與發(fā)酵工程。
專論與綜述 · 1 ·
China Brewing 2016 Vol.35 No．1
Serial No．287
1/3，其余大部分都是由細菌分泌的胞外多糖和其他粘性
物質(zhì)等。生物被膜的分布十分廣泛，在適宜細菌生長的各
種物體表面均可發(fā)現(xiàn)，同時，生物被膜加強了微生物對于
不利環(huán)境的抗性，使其難以被酸、堿、強氧化劑及抗生素
等清除[10]。因此，對生物被膜的形成機理及去除機制的研
究尤其重要。
2 生物被膜的形成過程
近年來，越來越多的國內(nèi)外專家學者致力于研究生
物被膜形成的機制，讓我們對于生物被膜的認知也不斷
加深。現(xiàn)在，學界普遍認為生物被膜的形成經(jīng)歷了三個階
段：粘附期、發(fā)展期和成熟期。這三個階段中生物被膜經(jīng)
歷了從浮游態(tài)到粘附結(jié)構(gòu)態(tài)，從低密度到高密度的過程，
這個過程是由多種基因共同調(diào)控的結(jié)果[11]。微生物細胞從
浮游態(tài)到成熟的生物被膜態(tài)的發(fā)展過程見圖1。
2.1 粘附期
浮游態(tài)的細菌粘附到含有蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的材料
表面。此過程中細菌表面特定的粘附蛋白特異性地識別
生物材料表面的受體，產(chǎn)生的附著力讓細菌在接觸表面
固定[12-14]。根據(jù)細菌粘附在材料表面的原理不同，此粘附
過程可分為可逆粘附和不可逆粘附。浮游細菌首先在流
體或是自身鞭毛的作用下接觸到材料表面，同時其他附
著結(jié)構(gòu)識別該材料使其固定于材料表面，此時的粘附為
可逆粘附。隨后微生物通過分泌的胞外多聚物使其牢固
地附著于材料表面，此時的粘附為不可逆粘附。當生物被
膜處于粘附期時，它的狀態(tài)相對不穩(wěn)定，可以通過沖洗、
加熱等物理方法清除生物被膜。
2.2 發(fā)展期
細菌大量分泌胞外多聚物粘附單個細胞是生物被膜
不斷壯大。此過程中細菌開始大量繁殖，同時調(diào)整基因表
達產(chǎn)生大量的胞外物質(zhì)，讓分裂產(chǎn)生的細菌及接觸到的環(huán)
境中的其他細菌一并粘附在此生物被膜中，讓生物被膜不
斷加厚成熟，增強其對于不利環(huán)境的抗性[15]。
2.3 成熟期
生物被膜中的部分細菌溶解脫落下來，重新轉(zhuǎn)移粘附
到材料表面形成新的生物被膜。此過程中，細菌產(chǎn)生了大
量的胞外多聚物，形成穩(wěn)定的致密的成熟的生物被膜。此
階段，生物被膜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成不是均勻的，而是在該結(jié)
構(gòu)中新老交替的菌落共植體。生物被膜中的細菌在時間
上和空間上的多樣性，是其均有強大的抗逆性的基礎(chǔ)之
一。同時生物被膜中的微生物菌落間可以進行水分、營養(yǎng)
物質(zhì)、代謝產(chǎn)物等的運輸[16]。此時的生物被膜已經(jīng)發(fā)育成
熟，生物被膜中的部分細菌在其內(nèi)部的調(diào)節(jié)機制或在外
部沖刷等作用下可以從生物被膜結(jié)構(gòu)中脫落出來，在適
當?shù)臈l件下重新轉(zhuǎn)移粘附到材料表面產(chǎn)生新的生物被膜
結(jié)構(gòu)。成熟期的生物被膜已經(jīng)十分穩(wěn)定，對環(huán)境中不利因
素的耐受能力也達到最強。
3 細菌生物被膜形成及主要調(diào)控機制
細菌開始形成生物被膜的重要原因之一是以其菌毛
通過非特異性的電引力或疏水作用與材料表面相結(jié)合[17]。
這個過程使細菌黏附在宿主表面是其形成生物被膜的第
一步，主要是通過細菌表面特定的粘附素蛋白識別宿主
表面受體而形成黏附，因此具有選擇性和特異性[18]。
在細菌生物被膜的形成過程中，細菌的群體感應(yīng)系
統(tǒng)（quorum sensing system，QS）發(fā)揮著重要的作用。隨著
細菌的代謝和繁殖，細菌在代謝過程中釋放自誘導物到
周圍環(huán)境中，菌體密度增加，菌體產(chǎn)生的自誘導物的濃度
也在增加。當周圍環(huán)境中自誘導物濃度達到一定閾值時，
就會激活細菌表面或內(nèi)部的受體，轉(zhuǎn)化為細菌胞內(nèi)代謝
的生化信號，從而誘導細菌特定基因表達，使細菌產(chǎn)生適
應(yīng)性的生理變化，這種適應(yīng)性變化行為包括進行DNA復
制、細胞繁殖、形成生物被膜、產(chǎn)生致病因子以及形成孢
子等，這種調(diào)控行為被稱為群體感應(yīng)[19]。
與細菌生物被膜形成有關(guān)的群體感應(yīng)系統(tǒng)主要有3
類：?；呓z氨酸內(nèi)酯（acyl-homoserine lactone，AHL）密
度感應(yīng)系統(tǒng)又稱Ⅰ型自誘導物（autoinducter-1，AI-2）密度
感應(yīng)系統(tǒng)、小分子多肽自誘導物（autoinducter peptide，AIP）
密度感應(yīng)系統(tǒng)以及Ⅱ型自誘導物（autoinducter-2，AI-2）密
度感應(yīng)系統(tǒng)[19]。在不同的密度感應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)控作用下，不
同細菌分泌的自誘導物也不同。革蘭氏陰性細菌一般利
用?；呓z氨酸內(nèi)酯（AHL）類分子作為信號因子；革蘭
氏陽性細菌—般利用寡肽類分子（AIP）作為群體感應(yīng)調(diào)控
過程中的信號因子。另外，許多革蘭氏陰性和陽性細菌都
可以產(chǎn)生一種AI-2的信號因子，一般認為AI-2是一種不同
種間細胞交流的通用信號分子。最近有研究發(fā)現(xiàn)，在生物
被膜的形成過程中有些細菌可以同時利用兩種甚至3種
不同信號分子調(diào)節(jié)自身群體行為[20]，這說明細菌的群體感
應(yīng)機制是極為復雜的。
4 生物被膜在食品加工過程中的危害
在食品工業(yè)中生物被膜的研究主要集中在肉制品、
圖1 微生物細胞從浮游態(tài)到成熟的生物被膜態(tài)的發(fā)展模擬圖[15]
Fig. 1 Models of the development of a mature biofilm from
planktonic cells[15]
· 2 · Forum and Summary
中國釀造2016 年第35 卷第1 期
總第287 期
乳及乳制品等領(lǐng)域。研究表明，幾乎所有的細菌在一定條
件下都可以形成生物被膜。而引起食品污染機會較多的
沙門氏菌屬（Salmonella）、大腸桿菌（Escherichia coli）、李
斯特菌（Listeria monocytogenes）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus
aureus）等常見的食源性致病菌，在環(huán)境中普遍
存在，他們在一定的條件下也能形成不易去除的生物被
膜[21]。細菌黏附在食品、各種食品加工接觸面及非食品加
工接觸面（如墻壁、下水道、死角等地方）后形成生物被
膜，再經(jīng)手或空氣等途徑污染食品從而引起食物中毒[21-22]。
由于其難以去除的特性，即使在食品加工中經(jīng)過嚴格的
清洗消毒工序，微生物生物被膜還有可能逗留在食品接
觸表面并危害食品安全。因此，控制食品中各種致病菌及
條件致病菌的污染，特別是防止其形成生物被膜交叉污
染食品，是控制食源性疾病發(fā)生的重要內(nèi)容之一。
5 生物被膜的控制方法
根據(jù)生物被膜形成的過程，常見的控制生物被膜的方
法主要有三類，分別是阻止微生物粘附、抑制生物被膜的
形成以及清除已經(jīng)形成生物被膜。常見的手段包括物理
方法（刮、擦、高壓水流沖洗等）、化學方法（抗生素、殺菌劑
和天然抑菌成分等）和生物學方法（分子生物學手段等）。
去除生物被膜常見的物理方法有超高磁場、超聲波
處理、高脈沖電場、低電場等[5]，這些方法都是通過不同的
物理原理，達到去除生物被膜的目的。楊葆華等[23]用優(yōu)化
的超聲波法，利用超聲波的“空化”效應(yīng)，設(shè)定超聲波功率
135 W，處理時間14 min，處理溫度35 ℃，可將生物被膜從
接觸表面有效得充分剝離，實驗效果優(yōu)于平板擦拭法。
DEL POZO J L等[24]證明了應(yīng)用低強度的電流能夠增強抗
菌劑對生物被膜的抗菌活性。VLEUGELS M等[8]研究發(fā)
現(xiàn)，常壓等離子體技術(shù)對細菌形成的生物被膜具有殺菌
作用，該技術(shù)是利用高壓放電在低氣壓狀態(tài)下發(fā)生輝光
放電產(chǎn)生活性氧和自由基來滅活微生物，對生物被膜中
的微生物同樣有殺滅作用。NIEMIRA B A等[25]認為電離輻
射是一種有效的去除生物被膜的物理方法，對食品接觸的
衛(wèi)生設(shè)備表面生物被膜及其相關(guān)的細菌有良好的去除及
殺滅作用。
陳秋云等[26]研究了常用殺菌劑對生物被膜的作用，發(fā)
現(xiàn)生物被膜形成過程中細胞代謝產(chǎn)生的一些有機物質(zhì)對
殺菌劑的殺菌效果影響較大，這可能是導致生物被膜態(tài)
細菌比浮游態(tài)細菌對殺菌劑的抗性大的原因。CHAWK C
等[27]研究發(fā)現(xiàn)，離子狀態(tài)的銀離子可以與生物分子的供電
子基團表面結(jié)合，從而通過減小生物被膜基質(zhì)與胞外多
聚物的分子間作用力來減少生物被膜的黏附作用。
SCHLAG S等[28]證實了5 mmol/L的亞硝酸鹽能有效地抑制
金黃色葡萄球菌生物被膜的形成。孫紀錄等[29]證實了電解
水對金黃色葡萄球菌生物被膜有良好的去除作用。另外，
一些天然提取物作為新的殺菌劑也具有抑制生物被膜形
成的能力，以及醫(yī)學上使用的一些抗生素（如阿奇霉素、萬
古霉素等），都已被證明對金黃色葡萄球菌（S.aureus）生物
被膜及被膜中的菌有殺滅作用[30-31]。
6 生物被膜的檢測方法
由于生物被膜的特點，決定了其檢測方法應(yīng)快速、靈
敏、準確、簡便，這樣才能更有效地控制由生物被膜引起的
食品污染，防止食源性疾病的發(fā)生。目前檢測細菌生物被
膜的方法主要有平板法、銀染法、玻璃管法、結(jié)晶紫染色
法、生物發(fā)光法和熒光顯微鏡法等[32]。近年來，隨著分子生
物技術(shù)的迅速發(fā)展，一些新的檢測方法也逐步發(fā)展起來，
如PCR鑒定、肽核酸（peptide nucleic acid，PNA）探針熒光
原位雜交技術(shù)等[33]。由于分子生物學方法在生物被膜形成
機制方面研究上的應(yīng)用，有研究表明生物被膜的形成與
某些特定的基因相關(guān)，通過PCR技術(shù)可以快速、準確地診
斷出是否存在決定生物被膜形成的基因[34]。這些方法中
最常用的還是傳統(tǒng)的染色法和顯微鏡法。隨著顯微鏡技
術(shù)的發(fā)展，掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM），
激光共聚焦顯微鏡（scanning laser confocal microscope，
CLSM）等較為先進的顯微技術(shù)可以直接檢測生物被膜表
層的形態(tài)學，對于細胞間的連接結(jié)構(gòu)可清楚地辨別，其中
CLSM還可用于生物被膜立體結(jié)構(gòu)的形態(tài)學研究。
隨著研究的不斷深入和飛速發(fā)展，用于生物被膜形成
能力的檢測方法的種類也越來越多，但這些檢測方法仍有
許多缺陷。因此，在實際的研究過程中，一般都會結(jié)合幾
種方法對生物被膜進行檢測，從而提高檢測的準確度。
7 結(jié)語
與浮游態(tài)細菌相比，生物被膜有著更復雜的結(jié)構(gòu)、更
廣泛的信息溝通和更精密的調(diào)控機制，這就導致了其在
人們的日常生活中更難以對付。目前關(guān)于細菌生物被膜的
研究主要集中在污水處理、醫(yī)藥領(lǐng)域、生物工程材料、食品
加工與安全等學科[32]。今后的研究方向應(yīng)集中在生物膜形
成的調(diào)節(jié)機制與生物被膜的控制技術(shù)等領(lǐng)域。利用基因
芯片、基因敲除等分子技術(shù)，結(jié)合核磁共振等代謝組學分
析技術(shù)，以及原子力術(shù)、激光共聚焦等先進的顯微鏡呈像
技術(shù)等，從基因組水平、代謝組學水平及實際空間結(jié)構(gòu)等
分析，構(gòu)建生物被膜模型。通過這幾個方向的綜合研究，可
以明確不同時期生物膜形成的結(jié)構(gòu)及其形成的代謝機理，
為建立有效的生物膜去除和預防策略將奠定理論基礎(chǔ)。
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