魏斯氏菌的研究進展

劉長蕾 文宇萍 李冠洋 金 清,

(1. 延邊大學融合學院，吉林 延吉 133002；2. 延邊大學農學院，吉林 延吉 133002)

魏斯氏菌是一種乳酸菌，分布廣泛。其不僅能產生細菌素、有機酸等抗菌物質，還能產生胞外多糖，因而在醫藥、食品等行業的關注度較高[1]。研究[2]表明，魏斯氏菌能夠縮短食品發酵進程并對食品風味物質的產生起到貢獻作用，其中食竇魏斯氏菌和融合魏斯氏菌還具有抑制牙周病的潛力。魏斯氏菌還是一種潛在的益生菌[3]，但有些魏斯氏菌也會引發疾病，Flaherty等[4]研究案例顯示融合魏斯氏菌會引發心內膜炎，Liu等[5]從患病的虹鱒魚身上分離出6株魏斯氏菌。研究主要從魏斯氏菌的生物學特性、耐酸特性、抑菌特性、產胞外多糖特性、益生特性等性質進行闡述，并對其應用情況進行概括，以期為魏斯氏菌的開發應用提供理論依據。

1 魏斯氏菌的分離鑒定

魏斯氏菌屬于厚壁菌門(Firmicutes)、芽孢桿菌綱(Bacilli)、乳桿菌目(Lactobacillales)、明串珠菌科(Leuconostocaceae)、魏斯氏菌屬(Weissella)[1]。截至目前已被分離和鑒定的魏斯氏菌共有25個種，分別是獨魏斯氏菌(Weissellasoli)、Weisselladiestrammenae、Weissellakoreensis、坎氏魏斯氏菌(Weissellakandleri)、大米魏斯氏菌(Weissellaoryzae)、食竇魏斯氏菌(Weissellacibaria)、融合魏斯氏菌(Weissellaconfusa)、Weissellathailandensis、赫倫魏斯氏菌(Weissellahellenica)、類腸膜魏斯氏菌(Weissellaparamesenteroides)、鯨魏斯氏菌(Weissellaceti)、Weissellahalotolerans、綠色魏斯氏菌(Weissellaviridescens)、微小魏斯氏菌 (Weissellaminor)、葡萄魏斯氏菌(Weissellauvarum)、Weissellabeninensis、雁魏斯氏菌 (Weissellafabalis)、Weissellafabaria、Weissellaghanensis[6]、Weissellacryptocerci[7]、Weissellabombi[8]、Weissellajogaejeotgali[9]、Weissellamuntiaci[10]、Weissellasagaensis[11]和Weissellacoleopterorum[12-13]。通過查詢NCBI網站，利用MAGA軟件構建了魏斯氏菌的系統發育樹(圖1)。

圖1 魏斯氏菌的系統發育

由于魏斯氏菌與明串珠菌的生物學特性非常相似，且共同存在于多種發酵食品中，因此通過表型難以區分魏斯氏菌與明串珠菌。Zamudio-Maya等[14]通過在MRS培養基中加入2,3,5-三苯基氯化四氮唑(TTC)的方式從沿海沼澤沉積物中分離出單一菌落，并根據菌落表型進行分類鑒定，共鑒定出37個菌落，分屬7種不同的表型，其中魏斯氏菌在2種表型中具有較好的同源性。目前尚未探索出能夠精準篩選出魏斯氏菌的培養基。

現今許多學者利用分子技術對魏斯氏菌進行分類，如核糖體DNA擴增片段限制性內切酶分析(ARDRA)，隨機擴增多態性DNA標記(RAPD)，擴增片段長度多態性(AFLP)等技術[15]。Adesulu-Dahunsi等[16]通過ITS-PCR和ARDRA技術，對植物乳桿菌、戊糖片球菌和融合魏斯氏菌進行了區分，結果表明ITS-PCR和ARDRA技術可用于乳酸菌的常規鑒定和快速區分。

2 魏斯氏菌的特性

2.1 生物學特性

魏斯氏菌是一種異型發酵乳酸菌，其G+C含量為37%～47%，在顯微鏡下呈現不規則短棒狀，常以成對或短鏈形式存在，菌落形態通常表現為微隆起的光滑不透明的白色小圓點(見圖2)[17-20]。魏斯氏菌呈革蘭氏陽性、過氧化氫酶陰性，無芽孢形成，在兼性厭氧環境中生長情況最佳。大部分魏斯氏菌最適的生長pH為3.0～9.5，最適生長溫度為30～37 ℃[6,20-21]。魏斯氏菌可發酵葡萄糖、麥芽糖、蔗糖等糖類，通過磷酸己糖和磷酸酮酶途徑異型發酵葡萄糖產生乳酸[1]。并能夠以碳水化合物為發酵底物來維持生長，可產生細菌素、過氧化氫、胞外多糖和雙乙酰等生物活性物質[15,22-25]。綜上，魏斯氏菌在食品、醫藥等領域有著巨大的開發潛力。

圖2 魏斯氏菌的菌落形態和顯微狀態[20]

2.2 產酸特性

魏斯氏菌具有良好的產酸特性，有助于提高發酵制品的品質，改善發酵制品的風味。Cennet等[2]從傳統鷹嘴豆發酵面團中分離出大量的融合魏斯氏菌，并發現它產生的大量丁酸和乙酸乙酯不僅能保持面團的特性還能改善面團香氣。Lee等[26]對泡菜的微生物發酵特性進行研究，發現魏斯氏菌能利用丙酮酸和乙酰磷酸發酵碳水化合物形成乳酸、醋酸、二氧化碳和乙醇，這些物質能夠有效改善泡菜的風味。Mercha等[27]從摩洛哥駱駝奶中分離出融合魏斯氏菌、食竇魏斯氏菌等菌株，發現這些菌株均能快速酸化，對胃液和膽鹽的耐受性均較高，有助于其在乳制品行業的應用。

2.3 抑菌特性

魏斯氏菌發酵產生的某些抗菌物質能夠直接抑制病原菌的生長，如細菌素、有機酸等，還可以通過與病原菌競爭定植位點，調節細菌環境平衡等方式起到抑菌作用。單核細胞增多性李斯特菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、大腸桿菌等都是較為常見的病原菌，許多研究都將其作為指示菌進行抑菌試驗。Teixeira等[28]從巴西不同地區生產的乳制品及生產環境當中分離篩選出26株菌株，其中大多菌株對常見致病菌表現出拮抗作用，最低抑制率為60%。其中20株菌株能夠通過有機酸抑制靶標，12株能產生雙乙酰。Yu等[23]對從泡菜中分離出的2株食竇魏斯氏菌進行了益生菌特性及抗菌潛力研究，發現它們對常見病原菌也均有較高的抗黏附活性，表現出中等的生長抑制作用。趙冬兵等[29]從南京板鴨中篩選出1株希臘魏斯氏菌，在pH 2～12時均有較好的抑菌效果，對革蘭氏陽性菌有明顯的抑制作用，具有作為生物防腐劑的潛力。綜上，魏斯氏菌能通過抑制細菌生長在一定程度上保證食品安全。

細菌素主要由乳酸菌生產，被認為是安全的天然抗菌劑和防腐劑[30]。關于細菌素的研究，Fusco等[1]進行了相關總結(見表1)。Tenea等[3]分離出1株產細菌素菌株——融合魏斯氏菌Cys2-2，發現其產生的細菌素對大腸桿菌、沙門氏菌和志賀氏菌具有明顯的抑制作用，作用機理為通過破壞靶細胞膜的完整性發揮抑菌作用。Lee等[36]對食竇魏斯氏菌CMU進行研究，發現其對金黃色葡萄球菌有抑制作用，且能夠改善口腔內細菌環境，減少牙齦溝的微生物數量，降低患齲齒的風險，改善口臭，提高整體口腔健康。Xia等[37]從馬糞中分離出的4株融合魏斯氏菌對馬常用抗生素的敏感性各不相同，但均表現出耐藥性，能成功抑制腸炎沙門氏菌、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長。Dey等[38]研究發現融合魏斯氏菌DD_A7能夠限制耐多藥ESBL陽性大腸桿菌生長，且具有減少宿主細胞中炎癥細胞因子的能力。這些研究表明魏斯氏菌能夠通過產生抗菌物質，調節細菌環境，有效抑制致病菌，在食品和醫藥方面均有著很好的應用潛力。

表1 魏斯氏菌細菌素的類別、名稱、對細菌素具有活性的生物體

2.4 產胞外多糖特性

胞外多糖具有凝膠、增稠、乳化等多種功能，還可以用作穩定劑[39-40]。魏斯氏菌能產生大量的胞外多糖[41]，但胞外多糖的產量可能會受到環境因素的影響。

魏斯氏菌產生的胞外多糖具有良好的黏度、增稠、穩定等性能, 因而在食品應用中具有良好的前景。Kim等[42]從泡菜中分離出赫侖魏斯氏菌SKkimchi3，其產生的胞外多糖中的β-葡聚糖可以用作安全的食品添加劑。Galli等[22]從鷹嘴豆酸面團中分離出1株融合魏斯氏菌Ck15，其產生的胞外多糖能夠提高面團的黏度，為提高豆類面粉在烘焙產品中的利用提供了一種潛在的途徑。有學者研究環境因素對胞外多糖產量的影響，以此優化胞外多糖制備條件。Hu等[43]研究了溫度對食竇魏斯氏菌10M產胞外多糖的影響，發現在20 ℃時寡糖產量較高，在15 ℃時葡聚糖產量最大。陳媛等[44]采用響應面法對食竇魏斯氏菌SJ-02產胞外多糖的發酵條件進行優化，結果表明以MRS為基礎培養基，用1.5%大豆蛋白胨替代蛋白胨，同時菌株接種量為3%、在37 ℃下培養34 h為最優條件，產量可提高17%。Lakra等[45]研究發現食竇魏斯氏菌MD2產生的果聚糖有助于提高線蟲的抗氧化能力和延長線蟲的壽命，為開發功能性乳酸菌食品提供了思路。

此外，魏斯氏菌產生的胞外多糖還具有抑菌、益生等特性。姜靜等[46]從自制水果發酵液中得到高產胞外多糖的融合魏斯氏菌H2，產量為(40.21±3.63) g/L，且產生的胞外多糖具有良好的乳化性、抑菌性能和抗氧化活性。Zhao等[47]發現融合魏斯氏菌XG-3產生的胞外多糖為葡聚糖，該胞外多糖具有良好的抗氧化活性、熱穩定性以及刺激益生菌生長的能力。Kibarab等[48]研究結果表明由食竇魏斯氏菌EIR/P2產生的葡聚糖具有抗氧化、抗菌特性，對生物膜的形成有70%的抑制作用，能提高人類牙周韌帶成纖維細胞(hPDLFCs)的活力。基于以上特性，食竇魏斯氏菌EIR/P2產生的葡聚糖有可能成為促進牙周愈合和再生的天然藥物。

魏斯氏菌屬在產胞外多糖方面有著突出的表現，對于食品以及醫藥方面均有很大的應用潛力，但目前對胞外多糖產量的提高及胞外多糖理化性質的研究相對較少。

2.5 益生特性

益生菌是一類通過合理攝取后能夠對機體產生有益作用的微生物，其主要功能是調節腸道穩態，保持人體腸道環境健康[49]。魏斯氏菌因其抗菌活性及對胃腸道的耐受性，成為一種潛在益生菌[50-51]。

Yu等[52]發現，食竇魏斯氏菌JW15有較好的胃腸道耐受性，且對腸上皮細胞有黏附性，對病原體具有抑制活性，還能夠通過提高自然殺傷細胞(NK)活性增強人體免疫功能，是一種優良的益生菌。李文等[53]研究結果表明綠色魏斯氏菌ZY-6和希臘魏斯氏菌WS-419均顯示出較好的耐酸性和膽鹽耐受性。Kinjal等[54]從不同水果中分離出的2株菌株FX5和FX9能在低pH環境下存活，且表現出很強的抗菌活性，具有潛在的益生菌特性。Lakra等[55]從發酵面糊中分離得到的融合魏斯氏菌MD1和食竇魏斯氏菌MD2在人工胃腸道環境中均表現出較強的生存能力、抑菌活性和抗氧化活性，對常規抗生素均無溶血活性和敏感性。Anandharaj等[56]從發酵的黃瓜中分離出3株魏斯氏菌，它們能夠降低膽固醇含量。以上研究均說明魏斯氏菌具有成為益生菌的潛力。

目前對魏斯氏菌益生作用的研究和應用相對較少，但現有研究表明魏斯氏菌是一種潛在的益生菌，存在很大的研究空間。

2.6 其他

Li等[57]研究發現綠色魏斯氏菌ZY-6具有解毒性，可以通過吸附去除3種蔬菜和水果汁中69.45%～79.91% 的鎘，因此綠色魏斯氏菌ZY-6可作為環境、人類飼料和動物飼料中鎘的有效生物吸附劑。農藥的過度使用會對生態系統以及人類健康造成影響，Hamoud等[58]探究了融合魏斯氏菌對毒死蜱農藥的耐受力和降解能力，該菌株對200 μg/mL毒死蜱的耐受性良好，在含不同濃度毒死蜱的無葡萄糖MRS培養基中能夠顯著生長。該菌株還能夠耐受胃腸道環境，對病原菌有較好的抑菌活性，對毒死蜱農藥具有解毒作用。Lee等[59]發現食竇魏斯氏菌生物轉化的乳清蛋白顯著降低了3T3-L1細胞中甘油三酯的積累。魏斯氏菌不僅在食品和醫藥上有著良好的前景，在農業等方面的研究前景也非常廣闊。

3 魏斯氏菌的組學研究

隨著技術的發展，人們利用組學技術對菌株進行了更加深入的分析。截至2021年10月，完成全基因組測序并上傳至NCBI網站的魏斯氏菌菌株有23種，基因組大小多數在2 Mb左右，GC含量為37%～47%，蛋白質基因數量為1 000～3 000。

Wang等[60]從人類糞便中分離和純化了31個菌株，利用基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(MALDI-TOF MS)和16S rRNA基因測序相結合的方法進行鑒定，對獲得的菌株進行一系列試驗，最終篩選出3株潛在的益生菌菌株，鑒定為融合魏斯氏菌。Mun等[61]通過基因組學對W.koreensisSK菌株的表型和基因組特征進行了鑒定，發現W.koreensisSK可以利用精氨酸替代碳源來獲取能量。M?nberger等[62]對食竇魏斯氏菌菌株92的基因組進行了分析，發現了與低聚木糖、阿拉伯低聚糖和β-葡萄糖苷酶運輸、水解和代謝相關的基因簇。Jeong等[63]對W.koreensis進行了基因組學、代謝組學和轉錄組學的分析，發現W.koreensis對萬古霉素具有內在抗性，并含有潛在的溶血素基因。Quattrini等[64]對23個食竇魏斯氏菌和7個融合魏斯氏菌的基因組進行了比較分析，結果發現它們沒有專門的致病基因，這項研究對今后魏斯氏菌的開發與利用提供了良好的依據。

利用各種組學手段對魏斯氏菌進行研究能夠更加深入地解析其生理和代謝機制，挖掘出與耐酸、抑菌、產胞外多糖等重要性狀相關的功能基因，為魏斯氏菌的高效利用和規模化生產提供幫助。

4 魏斯氏菌的應用

魏斯氏菌是重要的發酵菌種，可用于各種發酵蔬菜、奶酪、醬油、發酵魚制品的生產，在食品領域具有重要的應用價值。Benhouna等[30]將分離出的融合魏斯氏菌W4應用到酸奶發酵生產中，發現酸奶的凝乳質地得到了改善，且表現出與工業添加劑相同的效果。徐亞洲等[65]在滅菌后的泡菜原材料中接種了食竇魏斯氏菌NCU034005，發現該菌能使發酵泡菜具有獨特的風味，且與自然發酵泡菜風味差異顯著，可作為泡菜風味改良的菌種。曲紅葉等[66]通過溫度梯度馴化和添加相容性溶質馴化，獲得了可耐低溫的護色食竇魏斯氏菌，制備出高活力的直投式護色食竇魏斯氏菌產品，可應用在低溫腌制肉制品中。這些研究為魏斯氏菌在食品方面的應用提供了強有力的支持，將魏斯氏菌作為發酵劑應用到食品中，除了能夠縮短發酵進程，提高食品風味以外，還可作為食品添加劑和功能性食品對其進行開發。

魏斯氏菌在醫藥方面也有著良好的應用潛力。融合魏斯氏菌DD_A7具有在宿主細胞中減少炎癥細胞因子的能力[33]，Kibarab等[48]研究表明食竇魏斯氏菌EIR/P2產生的胞外多糖為葡聚糖，50 mg/mL的葡聚糖表現出殺菌效果，對生物膜的形成有70%的抑制作用。此外，通過MTT分析發現葡聚糖在提高人牙周膜成纖維細胞分化能力方面有一定功效。結合2.4中提到的研究結果可知，食竇魏斯氏菌有抗氧化、降低膽固醇、抑菌、改善口腔健康等功能。這些研究為魏斯氏菌在醫藥方面的應用提供了強有力的支持。

5 結語

魏斯氏菌具有多種生物學特性，因而成為食品、醫藥等領域的研究熱點。近年來，對于魏斯氏菌的研究多集中于分離鑒定、所產成分的特性分析和制備條件優化，對于耐酸、抑菌、產胞外多糖等相關功能基因的研究鮮有報道，魏斯氏菌作為潛在益生菌在實際應用開發方面仍有很大的空間。后續可以通過基因組學、轉錄組學以及多組學聯用的方法深入地研究相關功能的基因及機制。