发布时间：2025-09-12 21:33:57 人气：
乳酸菌作为重要的工业微生物，在食品发酵领域中占据核心地位，对食品产业的发展具有重要影响。 短促生乳杆菌（
Levilactobacillus brevis）是一类广泛存在于植物表面和发酵食品（如酸菜、酸面团、奶酪等）中的乳酸菌，其独特的代谢途径和潜在的益生性能引起了研究者的广泛关注。研究表明，短促生乳杆菌在发酵过程中能够有效降低食品中氰化物和亚硝酸盐的含量，并表现出显著的硫化物降解能力，从而有助于提高食品的感官品质和食用安全性。此外，部分L.brevis菌株还展现出良好的抗氧化活性、 。
L. brevisPL6-1菌株作为泡菜发酵剂使用时，展现出在发酵体系中迅速占据优势、快速增殖产酸、有效维持产品质地以及显著降低二甲基二硫等刺激性气味物质含量的特性，使发酵后产品的消费者接受度得到提升。为深入解析L.brevisPL6-1的碳水化合物代谢机制，并评估其在食品应用中的安全性，本研究对其全基因组进行测序，评估该菌株的安全性，分析其碳水化合物代谢途径与抗氧化能力；并结合表型验证，探究该菌株对不同碳水化合物的利用特性。
鲁东大学食品工程学院的李娅馨、刘文丽*，国科大杭州高等研究院生命与健康科学学院的刘小平*等研究旨在扩充异型发酵乳酸菌的基因组资源库，促进我国本土植物源乳酸菌进行深入挖掘与有效利用，为
L. brevisPL6-1在食品工业中的应用提供理论依据，并为进一步开发和利用该菌株奠定基础。
利用非冗余蛋白质（NR）、Swiss-Prot、Pfam、COG、基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库对2 623 个预测编码基因进行功能注释和分类。有2 618 个编码基因在NR数据库被注释，Swiss-Prot数据库中注释的编码基因数量为1 814 个，在Pfam、COG、GO、KEGG数据库被注释的编码基因数量分别为2 093、1 993、1 843 个和1 375 个（表1）。
L. brevisPL6-1的COG数据库功能注释信息如图2所示，共有1 993 个基因被注释到23 个功能分类中，占总基因数的75.98%。注释到的J类别（翻译、核糖体结构与生物合成）中的编码基因占比最大，共有203 个，占比10.19%，其次是K类别（转录，199 个基因，占比9.98%）、G类别（碳水化合物转运与代谢，175 个基因，占比8.78%）。
L. brevisPL6-1在GO数据库的注释信息如图3所示，866 个基因注释到生物过程，906 个基因被注释到细胞组分，1 483 个基因注释到分子功能。在生物过程的二级功能分类中，被注释到DNA整合（59 个）以及翻译（59 个）的编码基因数量最多；在细胞组分包含的二级功能类别中，被注释到膜的整体成分（527 个）编码基因数量最多，其次是细胞质（211 个）；在分子功能包含的二级功能类别中，被注释到ATP结合（232 个）的编码基因数量最多，其次为DNA结合（189 个）。
L. brevisPL6-1在KEGG数据库可得注释信息如图4所示。在KEGG代谢通路一级分类中，细胞过程、环境信息处理、遗传信息处理、人类疾病、代谢和生物系统中分别注释到78、145、164、95、934 个和35 个基因。
L. brevisPL6-1在CAZy数据库的注释结果见图5。L. brevisPL6-1共注释到70 个碳水化合物活性酶，其中糖基转移酶31 个，在5 个分类中数量最多。糖基转移酶可以催化糖从活化的供体分子转移到特定受体（例如蛋白质、脂质或其他多糖），并且在形成可被宿主免疫系统识别并大量表达糖基转移酶的表面结构中起关键作用，可促进菌株中潜在的病原体防御和免疫激发。在预测的糖基水解酶家族中，GH30和GH43家族可作用于木聚糖结合位点，可以将木聚糖水解为木二糖或者木三糖等寡聚木糖及少量木糖。GH13家族基因主要编码支链淀粉酶和-淀粉酶等淀粉水解酶。基因组中丰富的GH家族意味着该菌株具有高效利用多种碳水化合物的能力，反映了L. brevisPL6-1在发酵富含木糖或淀粉等植物基质时更高的竞争优势。
L. brevisPL6-1无潜在耐药基因及毒力基因，说明L. brevisPL6-1不具有水平传播致病基因的潜力。L. brevisPL6-1的耐药表型与已报道的益生菌耐药性相似。如表2所示，L. brevisPL6-1对卡那霉素、庆大霉素和万古霉素耐药，对红霉素敏感，对四环素、青霉素和氯霉素中介敏感。研究发现，乳杆菌对氨基糖苷类抗生素（包括链霉素、卡那霉素及庆大霉素等）的耐药表型普遍存在，通常体现为对至少一种此类药物的敏感性缺失。另外，异型发酵乳杆菌对糖肽类抗生素（如万古霉素）也普遍耐药。L. brevisPL6-1的全基因组预测未发现耐药基因，但该菌株表现出了耐药表型，表明在评估L. brevis的抗生素耐药性时，必须结合基因组预测和表型实验，以获得更准确的结论。
发酵菌株的安全性直接影响到发酵食品的安全性，溶血性常用来评价菌种的安全性。金黄色葡萄球菌菌落周围显示出
-溶血的清晰区域，而L. brevisPL6-1在菌落周围没有显示任何变浅或透明的区域，表明L. brevisPL6-1无溶血现象（-溶血），并且这一结果与已报道的短促生乳杆菌不溶血的结论相符。
L. brevisPL6-1全基因组进行碳水化合物代谢途径重构。如图6所示，L. brevisPL6-1基因组中存在从果糖、甘露糖、纤维二糖、葡萄糖、海藻糖、麦芽糖、半乳糖、葡萄糖酸、核糖、阿拉伯糖、木糖和葡糖醛酸等多种碳水化合物向乳酸、乙醇、乙偶姻、丁醛和二氧化碳等代谢产物转化的基因。基因组注释到L-岩藻糖通透酶，推测L. brevisPL6-1可能具备转运岩藻糖的能力。另外，代谢途径重构还表明L. brevisPL6-1具有甘露糖-磷酸转移酶系统和纤维二糖-磷酸转移酶系统，甘露糖和纤维二糖通过磷酸转移酶系统从细胞外转运到细胞内，在细胞内磷酸化，分别产生6-磷酸甘露糖和6-磷酸纤维二糖，然后通过相关酶转化为6-磷酸 果糖和6-磷酸葡萄糖，最终参与后续的代谢过程。
L. brevisPL6-1缺乏磷酸果糖激酶和1,6-二磷酸果糖醛缩酶，无法通过糖酵解途径将葡萄糖、果糖、半乳糖等己糖转化成丙酮酸，而是利用磷酸酮醇酶途径发酵葡萄糖。异型发酵乳酸菌主要通过磷酸酮醇酶途径获取能量，该途径会产生大量还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），为维持细胞内氧化还原稳态，L. brevisPL6-1利用甘露醇脱氢酶，以果糖为底物，催化NADH的氧化，生成甘露醇和氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD + ）。生成的甘露醇是一种功能性糖醇和低热量甜味剂，具有抗氧化、利尿等功能。
L. brevisPL6-1基因组中注释到2 个谷氨酸脱羧酶基因（gadB）以及谷氨酸/-氨基丁酸逆向转运蛋白基因（gadC）。GadB催化谷氨酸脱羧生成-氨基丁酸和二氧化碳，消耗细胞内的H + ，从而提高细胞内的pH值，提高菌株的耐酸能力，并能产生和释放具有潜在生物活性的-氨基丁酸。同时，2 个拷贝的gadB可能会带来系统冗余性上升，但是，增加了谷氨酸脱羧酶系统的功能多样性和稳定性。甘露醇和-氨基丁酸的生成为L. brevisPL6-1在功能性食品发酵中的应用提供了理论依据。尽管L. brevisPL6-1的基因组中未注释到完整的三羧酸循环酶系统，仅注释到延胡索酸水合酶基因（fumC），该菌株仍然可以通过不完整的三羧酸循环途径产生延胡索酸和苹果酸等有机酸。
有机酸、谷胱甘肽和酚类物质等代谢产物的合成影响乳酸菌的抗氧化活性。通过KEGG分析，在
L. brevisPL6-1的基因组中注释到24 个与抗氧化活性相关的基因（表3）。在L. brevisPL6-1的基因组中注释到谷胱甘肽抗氧化系统，包括谷胱甘肽过氧化物酶基因（btuE）以及谷胱甘肽还原酶基因（gor）。同时，在L. brevisPL6-1质粒D上也注释到了gor和NADH过氧化物酶基因（npr），这些基因编码的酶能够以非酶促反应的形式与活性氧结合达到清除活性氧的目的，推测L. brevisPL6-1具有一定的谷胱甘肽合成潜力。另外，硫辛酸及其还原形式二氢硫辛酸可直接清除活性氧和活性氮，保护细胞免受活性氧和活性氮的损害，在L. brevisPL6-1基因组中注释到多个编码硫辛酸-蛋白连接酶的基因（lplA）、硫醇过氧化物酶基因（tpx）和二氢硫辛酸乙酰转移酶基因（aceF），这些酶可以防止活性氧损害，增强L. brevisPL6-1的抗氧化能力。基因组中还注释到过氧化氢酶基因（katE），KatE可以通过分解H 2 O 2 减少活性氧对L. brevisPL6-1造成的有害影响，因此，推测L. brevisPL6-1具有一定的氧化应激 耐受性。
L. brevisPL6-1的碳源利用情况进行分析，L. brevisPL6-1能代谢L-阿拉伯糖、核糖、D-木糖、半乳糖、葡萄糖、果糖、水杨苷、麦芽糖、海藻糖，能轻微代谢N-乙酰葡萄糖胺、5-酮基葡萄糖酸钾和葡萄糖酸钾，不能代谢其他碳源（表4）。
L. brevisPL6-1对不同碳源的利用能力，本研究根据MRS肉汤培养基配方，以植物基食品原料中常见的碳源为底物，监测该菌株24 h的生长状况。如图7所示，以葡萄糖为主要碳源时，培养24 h，OD600值达到0.83，pH值从6.24降至4.64；以麦芽糖为主要碳源时，L. brevisPL6-1可迅速进入对数生长期，在20 h时进入稳定期，此时OD600值达到1.60，在24 h时pH值降至3.95，这可能与其作为异型发酵乳酸菌优先利用二糖的特性有关。麦芽糖经麦芽糖磷酸化酶催化水解生成1-磷酸葡萄糖和葡萄糖，其中，1-磷酸葡萄糖经-磷酸葡萄糖变位酶转化为6-磷酸葡萄糖，此过程不需要消耗ATP。而葡萄糖激活为6-磷酸葡萄糖需要消耗ATP，相较于葡萄糖，麦芽糖作为碳源时产生的能量更多。因此，麦芽糖可促进L. brevisPL6-1的快速生长。L. brevisPL6-1能够利用木糖快速生长，表明该菌株在利用玉米等富含木糖的基质发酵生产乳酸、乙酸等代谢产物方面具有潜力。L. brevisPL6-1在以阿拉伯糖作为碳源的培养基中生长缓慢，发酵24 h后pH值仅从6.38下降至6.08，表明L. brevisPL6-1较难以利用阿拉伯糖生长。需指出的是，本研究未系统测定L. brevisPL6-1的最适温度、pH值及氧需求范围等，后续工作将结合其基因组中的应激基因（如热休克蛋白、酸耐受相关基因等），进一步量化其环境适应能力，为工艺优化提供依据。
由于L. brevis PL6-1无法充分利用阿拉伯糖进行快速增殖，未对其细胞上清液进行抗氧化活性的测定。如图8所示，
L. brevisPL6-1细胞上清液具有较强的抗氧化活性，其DPPH自由基清除率为68.76%～84.10%，ABTS阳离子自由基清除率为75.92%～89.37%。在以海藻糖和葡萄糖为主要碳源时，其DPPH自由基清除率最高，分别达到84.10%和81.37%。海藻糖是海带的主要碳源成分，采用 L. brevis PL6-1对海带类食品进行发酵，可能会提升产品的DPPH自由基清除能力。 L. brevis PL6-1在以核糖为主要碳源时，其ABTS阳离子自由基清除率最高，达到89.37%。芦笋中含有较高比例的核糖，这表明将 L. brevis PL6-1作为发酵剂应用于芦笋等食品的加工中，可能会赋予这些食品更高的ABTS阳离子自由基清除能力。虽然L. brevisPL6-1在以麦芽糖为主要碳源的MRS肉汤培养基中表现出较高的菌数，但其抗氧化活性未显著高于其他组，说明乳酸菌的抗氧化活性与菌数并非是简单的线性关系，其活性可能与乳酸菌生长环境中可利用的碳源有关。
本研究利用NovaSeq X Plus、PacBio Revio高通量测序技术，完成了对源自传统发酵蔬菜的
L. brevisPL6-1的全基因组测序，并结合功能基因注释与表型实验，对其潜在安全性进行了深入评估。基因组分析和体外安全性评价结果显示，L. brevisPL6-1不携带毒力基因和可转移的抗生素耐药基因，无溶血现象，对卡那霉素、庆大霉素和万古霉素表现出耐药性。此外，通过整合基因型与表型数据，本研究阐明了该菌株对不同碳水化合物的利用能力，并证实L. brevisPL6-1对海藻糖和葡萄糖的利用可提高DPPH自由基清除率，而对核糖的代谢增强了ABTS阳离子自由基清除能力。以上结果为L. brevisPL6-1作为潜在益生菌在食品工业中的应用提供了理论支撑，并为进一步探究其在发酵食品中的功能特性，如改善食品品质、延长货架期和提高营养价值等方面奠定了理论基础。另外，需要进一步研究该菌株的生长和代谢特性以及其在发酵食品中的应用评价，这将有助于深入挖掘乳酸菌资源，并推动具有益生功能食品的开发。
刘文丽，鲁东大学食品工程学院副教授，硕士生导师。韩国国立木浦大学食品工学博士，江南大学博士后。主持山东省自然科学基金面上项目1 项，山东省高校科技发展计划项目1 项，烟台市科技创新发展计划1 项；校企合作项目3 项；参与国家自然科学基金、山东省重点研发计划等10余项。发表学术论文30余篇，授权发明专利7 项。
刘小平，国科大杭高院生命与健康科学学院研究员，主要研究领域是基于网络的复杂疾病机制分析、生物大数据的分析和处理、生物信息学和计算系统生物学等。在
李娅馨，鲁东大学食品工程学院2022级硕士研究生，研究方向主要为果蔬精深加工。曾获山东省食品加工大赛二等奖、鲁东大学一等奖学金，并荣获鲁东大学优秀研究生、鲁东大学优秀团员等荣誉称号。硕士期间参与发表SCI一区论文1 篇，中文核心期刊论文3 篇。
本文《短促生乳杆菌PL6-1全基因组分析及其安全性和抗氧化性评价》来源于《食品科学》2025年46卷第13期115-123页，作者：李娅馨，谷云静，程伟烨，王璇，张清扬，贡汉生，蒋黎黎，刘文丽*，刘小平*，李华敏。DOI:10.7506/spkx1222-183。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
实习编辑：刘芯；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
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