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牦牛Bos grunniens是中国青藏高原及其毗邻高山、亚高山高寒地区的特有珍稀牛种之一[1]。作为牦牛肉加工过程中产生的主要副产物，牦牛骨钙质丰富，是目前市面上优质的小分子骨胶原肽来源[2]。多肽螯合钙是第3代具有活性结构的生物钙补钙制剂，稳定性好，抗干扰能力强，吸收效果好，生物利用度高。甘林火等[3]发现：L-亮氨酸螯合钙的生物利用度比葡萄糖酸钙要高，具有缓释、药效时间长、不需要消耗胃酸等特点。植物来源的精油可以作为调味剂和天然防腐剂，肉桂精油具有清除自由基、抗油脂氧化的作用和较强的抗菌能力[4]，是对抗常见食源性病原体的最有效精油之一[5]，主要成分为肉桂醛，此外还含有丁子香酚、芳樟醇和α-pine烯等[6]。HUANG等[7]发现：肉桂精油抗菌活性高，能有效抑制微生物生长，延长草鱼Ctenopharyngodon idellus鱼片保质期。OJAGH等[8]发现富含肉桂油的壳聚糖涂层延长了虹鳟鱼Oncorhynchus mykiss冷藏期间的保质期。本研究利用牦牛骨资源，制备包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物，探讨其对水产品中的优势腐败菌维氏气单胞菌Aeromonas veronii的缓释抑菌作用，为水产品的防腐保鲜提供新思路。
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木瓜蛋白酶购自安琪酵母股份有限公司；维氏气单胞菌由中国农业大学食品科学与营养工程学院水产品加工实验室提供；牦牛骨购自国肽生物科技(北京)有限公司；肉桂精油购自江西恒城天然香料油有限公司。肉桂精油的添加使用遵照GB 2760−2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》的相关规定[9]。
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参考魏洁琼等[10]方法并稍作修改。破碎后的牦牛骨粒经高压灭菌锅蒸煮3.0 h；冷却后除去油脂，过滤得到骨渣和滤液。骨渣∶盐酸(1.0 mmol·L−1)以1∶50(m∶V)酸溶15 h[11]，蒸发浓缩，EDTA滴定后用去离子水稀释得到2.0 mmol·L−1的可溶性牦牛骨钙，备用。滤液浓缩，冷冻干燥，得到牦牛骨蛋白；去离子水溶解，调节至60 ℃，pH 7.0[12-13]，木瓜蛋白酶(4 000×16.67 nkat·g−1)酶解2.0 h[14]，95 ℃水浴灭酶20 min，冷却后离心，取上清液浓缩后冷冻干燥，即为牦牛骨蛋白肽。
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参照HONG等[15]方法并稍作修改。牦牛骨胶原蛋白肽用去离子水溶解成10.0 g·L−1蛋白肽溶液，离心去除沉淀。在使用均质仪(德国IKA)均质的同时向牦牛骨蛋白肽溶液中逐滴加入牦牛骨钙溶液，得到牦牛骨蛋白肽-钙螯合物。量取10 mL牦牛骨蛋白肽溶液，分别加入0(对照)、10、15、20、25、30 μL肉桂精油，在均质的同时逐滴加入1 mL 0(对照)、0.5、1.0、2.0 mmol·L−1牦牛骨钙溶液，得到包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物[16]。
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参照XIE等[17]方法，通过分子量排阻的高效液相色谱法(SE-HPLC)，使用液相色谱仪(日本岛津)测定牦牛骨蛋白肽分子量[18]。仪器参数：TSK凝胶G2000SWXL柱(7.8 mm×300 .0 mm)，进样量25.0 μL，流速0.5 mL·min−1，紫外检测器波长214 nm。以三氟乙酸-水-乙腈(体积比为0.1∶54.9∶45.0)为流动相。标准物为细胞色素C(12.362 kDa)，抑肽酶(6.5114 kDa)，杆菌肽(1.423 kDa)，Gly-Gly-Tyr-Arg(四肽，0.451 kDa)和Gly-Gly-Gly(三肽，0.189 kDa)。将混合标准溶液进样，以标准物分子量(M)的对数值为纵坐标，保留时间(t)为横坐标，建立保留时间和分子量对数之间的标准曲线。
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使用Q-Exactive高分辨质谱仪(美国赛默飞)对样品进行液相色谱串联质谱(LC-MS/MS)全扫描，质荷比为100~1 990 Da[19]。使用Peaks studio 8.0软件结合Mascot MS/MS搜索SwissProt蛋白质数据库，鉴定牦牛骨多肽序列[20]。
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根据AKBARI等[16]和ZHANG等[21]方法稍作修改，使用可见分光光度计每隔10 min测定1次牦牛骨蛋白肽原始溶液、牦牛骨蛋白肽-钙螯合物和去离子水乳化的牦牛骨蛋白肽(对照)的吸光度(600 nm)，计算相对浊度，研究蛋白肽钙螯合物的稳定性。计算公式为：相对浊度=(Ax−A0)/A0×100%。其中：Ax为不同条件下制得的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物(或对照)的吸光度，A0为牦牛骨蛋白肽原始溶液的吸光度。
每隔2 h测定1次包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物的吸光度(600 nm)[22]，以牦牛骨蛋白肽-钙螯合物为对照，研究肉桂精油对螯合物稳定性的影响。
使用ZS90纳米粒径电位分析仪(英国，马尔文)在25 ℃下通过动态光散射(DLS)测定螯合物的平均粒径和多分散指数(PDI)[21]。
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采用感官评价法和抑菌活性测定缓释效果。取包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物和去离子水稀释的等比例肉桂精油样品各1份，室温下静置24 h后，参考朱红梅等[23]进行感官评价。感官指标评分表如表1所示。参照周子雄等[24]的方法并稍作修改测定抑菌活性。活化过夜的维氏气单胞菌菌液[25-26]调整至106 CFU·mL−1，取4份25 mL受试菌菌悬液，分别加入100 μL已灭菌的包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物、牦牛骨蛋白肽-钙螯合物、肉桂精油和去离子水(对照)，震荡混匀。每隔2 h测定1次菌悬液吸光度(600 nm)，检测螯合钙的抑菌效果。抑菌率=(Ac−At)/Ac×100%。其中：Ac为对照组的吸光度，At为不同处理条件下的吸光度。
表 1 感官评价评分标准
Table 1. Standard of sensory evaluation
评分 状态 色泽 香气 异味 协调性 7~9 分散均一，无分层、结块、沉淀 一致，无杂质、霉变 肉桂味浓郁、纯正 气味良好，
无不良风味气味协调 4~6 分散略不均一，无分层、结块、沉淀 不均，有杂质，无霉变 肉桂味较浓郁 稍有异味 气味较协调 1~3 分散不均一，有明显分层、结块、沉淀，
有油滴出现不均，有大量杂质，有霉变 肉桂味不突出 有明显异味 气味不协调 -
所有实验重复3次，数据用平均值±标准差表示。采用RStudio 1.3.1073软件对测定结果进行显著性分析，差异显著水平为0.05。
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标准曲线方程为：lgM=7.013 8+0.226 9t，计算得到不同分子量区间的蛋白肽占总蛋白的比例。由表2可知：酶解后的牦牛骨蛋白肽肽段的分子量均小于3.0 kDa，其中分子量小于1.0 kDa的牦牛骨蛋白肽占全部肽段的95.867%，说明牦牛骨蛋白肽多为小分子肽。
表 2 牦牛骨蛋白肽的分子量
Table 2. Molecular weight of yak bone peptides
t/min 分子量/kDa 占比/% ＜15.579 ≥3.0 0 15.579~＜16.363 2.0~＜3.0 0.040 16.363~＜17.688 1.0~＜2.0 4.094 17.688~＜18.508 0.5~＜1.0 34.211 ≥18.508 ＜0.5 61.656 -
LC-MS/MS测序发现：牦牛骨蛋白肽主要成分为胶原Ⅰ蛋白α1链和α2链，分别含肽段336和285条，肽段覆盖率为55%。共测得945个肽段序列信息，相对分子量为306~1 032 Da，组成肽段的氨基酸为7~37个。对其中分子量小于1.0 kDa且可信度较高的33条蛋白肽段(表3)进一步的分析，牦牛骨蛋白肽可用于制备具备缓释杀菌功能的钙螯合物。
表 3 牦牛骨蛋白肽部分多肽序列鉴定结果
Table 3. Identification of partial peptides sequences of yak bone peptides
主要肽段 可信度 分子量/Da 质核比 功能 GPVGPVG 40.23 581.317 3 582.324 1 SVPGPMG 32.33 643.299 9 644.306 6 VPGPMGP 31.42 653.320 7 654.326 5 APGPVGPAG 34.80 721.375 9 722.382 3 AP(+15.99)GPVGPAG 31.27 737.370 8 738.377 4 羟基化 FP(+15.99)GADGVA 34.14 748.339 1 749.345 7 羟基化 VP(+15.99)GPMGPS 33.76 756.347 6 757.356 1 羟基化 SDGSVGPVG 36.97 773.355 5 774.362 2 SP(+15.99)GN(+0.98)IGPAG 33.70 785.355 5 786.362 5 羟基化 GAAGPTGPIG 30.08 796.407 9 797.415 6 TPGPQ(+0.98)GIAG 30.34 797.391 9 798.399 9 脱酰胺 LPQPPQE 31.34 807.412 7 808.419 7 IQ(+0.98)GPP(+15.99)GPAG 30.19 809.391 9 810.398 9 脱酰胺，羟基化 AP(+15.99)GPQ(+0.98)GFQ 31.21 817.360 6 818.366 5 羟基化，脱酰胺 GPP(+15.99)GPVGPAG 33.96 820.407 9 821.415 4 羟基化 GP(+15.99)AGPIGPVG 34.90 836.439 1 837.445 6 羟基化 GPVGPTGPVG 37.77 836.439 2 837.445 6 TP(+15.99)GPQGLLG 31.36 854.449 8 855.456 9 羟基化 GASGPP(+15.99)GFVG 31.32 860.402 8 861.412 9 羟基化 GPQ(+0.98)GPVGPVG 31.77 864.434 1 865.440 8 脱酰胺 GIQGPP(+15.99)GPAG 30.73 865.429 3 866.436 9 羟基化 AGPSGPAGPTG 36.13 867.408 6 868.415 5 GPP(+15.99)GLQ(+0.98)GVQ 33.31 868.429 0 869.436 0 羟基化，脱酰胺 GPP(+15.99)GPMGPPG 42.39 878.395 6 879.402 2 羟基化 TGPIGPP(+15.99)GPA 41.22 878.449 8 879.457 6 羟基化 GPP(+15.99)GPIGNVG 33.95 879.445 0 880.452 9 羟基化 GPP(+15.99)GPIGN(+0.98)VG 32.42 880.429 0 881.436 0 羟基化，脱酰胺 GPP(+15.99)GFP(+15.99)GAVG 34.44 886.418 5 887.424 9 羟基化 VGPAGPN(+0.98)GFA 40.33 886.418 5 887.425 0 脱酰胺 AGPP(+15.99)GPTGPAG 31.53 893.424 3 894.431 5 羟基化 AAGPP(+15.99)GPTGPA 34.87 907.439 9 908.446 5 羟基化 VGPAGPN(+0.98)GFAG 38.51 943.439 9 944.445 9 脱酰胺 APGAPGPVGPAG 30.84 946.487 2 947.493 7 -
由图1可知：除加入去离子水并乳化的牦牛骨蛋白肽(对照)外，不同浓度牦牛骨钙溶液制成的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物的相对浊度存在显著差异(P＜0.05)。随牦牛骨钙溶液浓度增加，蛋白肽-钙螯合物相对浊度增加，但不同沉降时间下相对浊度变化不大，说明鳌合效果良好，螯合物稳定，可以用于混合乳液的制备，后续研究选用2.0 mmol·L−1牦牛骨钙溶液制备鳌合物。由图2可知：除牦牛骨蛋白肽-钙螯合物(对照)外，添加不同体积肉桂精油制成的包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物的吸光度存在显著差异(P＜0.05)。当添加的肉桂精油大于20 μL时，螯合物吸光度随时间急剧下降，稳定性较差；添加的肉桂精油小于20 μL时，螯合物吸光度变化不大，说明稳定性较好。因此后续研究以10 mL牦牛骨蛋白肽中加入20 μL肉桂精油为螯合时肉桂精油的适宜添加量。
图 1 牦牛骨钙溶液浓度对牦牛骨蛋白肽-钙螯合物稳定性的影响
Figure 1. Stability of yak bone peptides-calcium chelate prepared by different yak bone calcium solution
图 2 不同肉桂精油添加量对包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物稳定性的影响
Figure 2. Stability of yak bone peptides-calcium chelate prepared by different ratio of cinnamon essential oil
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由图3可知：牦牛骨蛋白肽的粒径为167.8 nm，牦牛骨蛋白肽-钙螯合物的粒径为368.2 nm，包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物的粒径为780.2 nm，三者差异显著(P＜0.05)；牦牛骨蛋白肽、牦牛骨蛋白肽-钙螯合物及包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物的多分散指数没有显著性差别(P＞0.05)，且包埋肉桂精油的螯合物多分散指数小于0.2，螯合物分散性较好。
图 3 螯合物的粒径和多分散指数
Figure 3. Particle size and polydispersity coefficient of emulsion of cinnamon essential oil and yak bone peptides-calcium chelate
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由表4可知：包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物的总体评分为7.22分，即该螯合物表观状态良好，分散均一，无分层，色泽一致，无杂质，肉桂香浓郁、风味纯正，气味较协调，无不良气味，其中“香气”项的分值显著高于肉桂精油稀释液(P＜0.05)。
表 4 感官评价结果
Table 4. Artificial sensory evaluation results
感官特性 包埋肉桂精油的牦牛骨
蛋白肽-钙螯合物/分肉桂精油稀释液/分 感官特性 包埋肉桂精油的牦牛骨
蛋白肽-钙螯合物/分肉桂精油稀释液/分 状态 7.60±0.70 b 8.65±0.47 a 异味 7.10±0.99 b 8.00±0.67 a 色泽 8.15±0.34 a 8.25±0.59 a 协调性 6.10±0.88 b 8.15±0.34 a 香气 7.15±1.00 a 4.35±0.82 b 平均 7.22 7.48 说明：不同字母表示样品间差异显著(P＜0.05) -
由图4可知：在2 h后，对照和牦牛骨蛋白肽-钙螯合物的吸光度明显上升，维氏气单胞菌大量繁殖；相比之下，牦牛骨蛋白肽-钙螯合物的吸光度值增速更快，12 h抑菌率为−13.70%，推测是牦牛骨蛋白肽为菌的繁殖提供营养。肉桂精油稀释液和包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物都表现出了良好的抑菌效果，12 h抑菌率分别为70.24%和77.33%。螯合物对维氏气单胞菌的6 h抑菌率为61.41%，且6 h后抑菌率始终高于肉桂精油稀释液，说明螯合物抑菌效果较为稳定。
图 4 肉桂精油和螯合物对维氏气单胞菌的抑菌效果
Figure 4. Bacteriostatic effect of cinnamon essential oil and yak bone peptides-calcium chelate on Aeromonas veronii
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人体从外界摄取的蛋白类营养物质被分解后多以小分子肽的形式被吸收利用，肽的螯合能力受分子量影响；相比之下，小分子肽内部活性基团和螯合位点暴露程度较大，与钙离子的接触机率也较大[27]。本研究中得到的多数牦牛骨蛋白肽分子量小于1.0 kDa，属于小分子肽，因此适用于钙螯合物的制备。
本研究发现：大量牦牛骨蛋白肽在pH小于7时带负电荷，有利于蛋白肽侧链与钙离子间的静电吸引，当负电荷被钙离子中和时，中性蛋白肽受到疏水作用影响，形成蛋白肽-钙螯合物。同时，牦牛骨蛋白肽中还存在大量的脯氨酸(P)和甘氨酸(G)；HAINES-BUTTERICK等[28]发现：脯氨酸和甘氨酸通常依次出现在β-折叠的边缘链或β-发夹中，这种蛋白质超二级结构有助于形成球形结构[29]，可被应用于药物的释放[30]。因此，牦牛骨蛋白肽可用于制备具缓释杀菌功能的钙螯合物。
浊度是评价多肽螯合钙螯合程度的重要指标之一[21]，与螯合物粒径正相关；当悬浮液浊度达到原始分散体的50%且随着钙离子浓度增加不再形成沉淀物时，被认为螯合钙形成良好[19]。AKBARI等[16]发现：随着钙离子浓度增加，螯合物的粒径增加。ZHANG等[21]发现：高浓度钙离子可以平衡肽的负电荷，形成沉淀或附聚物(肽-钙螯合物)。本研究中，随着牦牛骨钙溶液浓度增加，相对浊度显著升高，且未生成沉淀物，与AKBARI等[16]结论一致；因此，使用2.0 mmol·L−1牦牛骨钙溶液可形成螯合钙，且稳定性良好。
多分散指数(PDI)可用来表征纳米乳液粒子的分布情况，PDI越小表示乳液粒子分布越均匀[31]。本研究中，通过高速剪切法向牦牛骨蛋白肽溶液中加入牦牛骨钙溶液，粒径明显增加，PDI较小，说明有新的物质形成，即生成了肽-钙螯合物，且分散性较好；继续加入肉桂精油，乳液粒径出现显著增加，推断是形成了包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物。
人工感官评定是最基础的食品质量评价方法[32]。本研究制备的包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物在各项评价中表现良好，且“香气”项分值显著高于肉桂精油稀释液，与肉桂精油稀释液相比，静置24 h后肉桂香更浓郁，认为螯合物有一定的缓释作用。
微生物是食物腐败的主要原因，抑制微生物生长是延长保质期和提高水产品质量的有效方法，气单胞菌是水产品中的优势腐败菌[33]。本研究中，包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物对气单胞菌表现出明显的抑菌效果，与HUANG等[7]结果相符。随时间增长，螯合物抑菌效果逐渐优于肉桂精油稀释液，说明螯合物具有缓释效果，延长了抑菌时间，有助于延长水产品的货架期。
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本研究利用牦牛骨资源制备包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物；通过分析螯合物相对浊度，确定制备条件；通过测定牦牛骨蛋白肽分子量，分析牦牛骨蛋白肽序列，确认牦牛骨蛋白肽适用于螯合物的制备，并推断螯合物形成机制为牦牛骨蛋白肽的负电荷与钙离子间产生静电吸引作用，受疏水作用影响形成球形肽-钙螯合物；通过测定粒径、多分散指数和浊度，表征螯合物特性，确认螯合物的形成；通过测定抑菌率和感官评价实验，验证包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物抑菌效果良好，且具有缓释作用，为新型抑菌剂的开发提供思路。
Preparation and antibacterial effect of yak bone protein peptide-calcium chelate embedded with cinnamon essential oil
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摘要:
目的 为充分利用牦牛Bos grunniens骨资源，改善其利用率低下，浪费严重的现状；研究包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物的形成机制及抑菌效果。 方法 牦牛骨经高温蒸煮，分离出蛋白质和骨渣。酶解蛋白质得到牦牛骨胶原蛋白肽，酸溶骨渣得到可溶性牦牛骨钙。通过肉桂精油与牦牛骨胶原蛋白肽混合均质形成肉桂精油-牦牛骨蛋白肽乳液，乳液与牦牛骨钙通过高速剪切法获得包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物。测定螯合钙浊度、粒径、多分散指数和抑菌率，并进行感官评价。 结果 牦牛骨蛋白肽多为小分子肽(＜1.0 kDa)，适合钙螯合物的制备。pH＜7时多数牦牛骨蛋白肽带负电荷，受疏水作用影响，形成牦牛骨蛋白肽-钙螯合物。牦牛骨蛋白肽由大量的脯氨酸(P)和甘氨酸(G)组成，容易构成多肽二级结构β-转角，利于物质释放。包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物稳定性良好，平均粒径为780.2 nm；分散性良好，多分散指数小于0.2。牦牛骨蛋白肽、肉桂精油和螯合物对维氏气单胞菌Aeromonas veronii的12 h抑菌率分别为−13.70%、70.24%和77.33%，螯合物抑菌效果良好；6 h后螯合物抑菌率超过肉桂精油。感官评价结果发现：螯合物和肉桂精油的香气评分分别为7.15和4.35分，螯合物肉桂味浓郁程度显著高于肉桂精油(P＜0.05)，螯合物有一定缓释效果。 结论 牦牛骨蛋白肽和牦牛骨钙适用于研发复合氨基酸矿物质螯合钙产品，包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物可用于新型抑菌剂的开发。图4表4参33 Abstract:Objective This study aims to explore the formation mechanism and antibacterial effect of yak bone protein peptide-calcium chelate embedded with cinnamon essential oil, so as to make full use of the bone resource and improve its utilization rate and avoid serious waste. Method The yak bone was autoclaved at high temperature to separate protein and bone residue. Yak bone collagen peptide was obtained from enzymatic hydrolysis of protein, and soluble yak bone calcium was obtained from acid-dissolved bone residue. The cinnamon essential oil and the yak bone collagen peptide were mixed and homogenized to form a cinnamon essential oil-yak bone peptide emulsion, and the calcium chelate of yak bone protein peptide encapsulated in cinnamon essential oil was obtained by high speed shear method. The turbidity, particle size, polydispersity index, antibacterial activity of the chelated calcium were determined and organoleptic evaluation was conducted. Result The yak bone peptides were mostly small molecule peptides (less than 1.0 kDa), and were suitable for the preparation of chelated calcium. When pH value was less than 7, many yak bone peptides were negatively charged and were affected by hydrophobicity to form yak bone protein peptide-calcium chelates. The yak bone peptide was composed of a large number of proline (P) and glycine (G), which could easily form the β-turn, one of the polypeptide secondary structures, and facilitate the release of substances. The yak bone protein peptide-calcium chelate embedded with cinnamon essential oil had good stability, with an average particle size of 780.2 nm. The dispersibility was good and the polydispersity index was less than 0.2. The 12 h antibacterial rates of yak bone protein peptide, cinnamon essential oil and chelate against Aeromonas veronii were −13.70%, 70.24% and 77.33%, respectively. The inhibition rate of chelate to Aeromonas was higher than that of cinnamon essential oil after 6 hours. The organoleptic evaluation revealed that the aroma scores of chelate and cinnamon essential oil were 7.15 and 4.35 respectively, and the cinnamon flavor of chelate was significantly stronger than that of cinnamon essential oil (P＜0.05), indicating that the chelate had a certain sustained-release effect. Conclusion Yak bone protein peptide and yak bone calcium are suitable for the development of complex amino acid mineral chelated calcium products, and the yak bone protein peptide-calcium chelate encapsulated with cinnamon essential oil can be used for the development of new antibacterial agents. [Ch, 4 fig. 4 tab. 33 ref.] -
Key words:
- yak bone /
- protein peptide /
- cinnamon essential oil /
- chelate /
- bacteriostasis in vitro
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松材线虫Bursaphelenchus xylophilus病在亚洲和欧洲造成严重的生态和经济损失[1-2]，伊氏杀线虫真菌Esteya vermicola (EV菌)是松材线虫的内寄生真菌，产生的新月形孢子能侵染并杀死松材线虫，在松材线虫的生物防治方面具有良好的应用前景[3]。同时，EV菌亦可侵染拟松材线虫B. mucronatus、水稻干尖线虫Aphelenchoides besseyi等线虫。研究表明：EV真菌胞内存在共生细菌[4]，共生细菌对真菌的生物学和生态学具有重要的作用，如Rhizopus microsporus胞内的共生细菌Burkholderia能产生植物毒素根霉素，然后由宿主真菌分泌到环境中，导致水稻枯萎病[5]。菌丝内的共生微生物(细菌或病毒)是重要的能直接或间接改变真菌和宿主关系的互作生物[6-8]，提高宿主真菌的生态适应性[9-10]。存在共生细菌的真菌对碳氮源如何响应，其代谢产物发生何种变化，目前尚未见相关报道。
代谢组学是系统生物学研究中非常重要的一个环节，旨在研究生物体或组织，甚至单个细胞的全部小分子代谢物成分及其动态变化[11]。通过对代谢物质的分析，可以从生物样本中检测并筛选出具有重要生物学意义和显著差异的代谢物质，并以此为基础研究生物体的代谢过程和变化机制[12]。对EV菌在不同碳、氮培养条件下代谢物的变化进行分析，明确显著差异代谢物，特别是重要的信号分子，不仅为EV菌的应用提供重要理论基础，而且对深入研究内共生细菌在EV菌的功能亦具有重要意义。
1. 材料与方法
1.1 菌株
伊氏杀线虫真菌Esteya vermicola CBS115803购于荷兰菌物保存中心。
1.2 培养基
碳培养基为24 g 马铃薯葡萄糖肉汤培养基(PDB，Becton， Dickinson and Company，美国)和10 g琼脂溶于1 L双蒸水。氮培养基为5 g酵母粉(OXOID公司，英国)和10 g琼脂溶于1 L双蒸水。
1.3 仪器和试剂
Nano高分辨液质联用分析仪QE (Thermo Q-Exactive，德国)；赛多利斯BSA124S电子天平；真空浓缩仪(Labogene MaixVac Alpha, 丹麦)；Sigma 3-30KS高速离心机，KQ5 200DE型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司，中国)；色谱级甲醇(Fisher，美国)。
1.4 处理
配制碳、氮固体培养基，培养基凝固后放入已灭菌的尼龙膜(孔径3 μm，赛多利斯)，接种EV菌后于25 ℃培养7 d。将长满菌丝和孢子的尼龙膜用无菌镊子取出，用超纯水冲洗尼龙膜，再用无菌的吸水纸吸掉尼龙膜接触培养基面的水分，而后将菌丝和孢子刮入2 mL圆底灭菌干燥离心管，装样品前后分别称量离心管的质量，迅速将样品管放入液氮中淬灭后于−80 ℃保存。每处理设置5次生物学重复，编号依次为C1~C5和N1~N5。加入冷冻洁净无菌的直径为3 mm的钢珠2个，液氮冷冻条件下使用莱驰RETSCH MM 400研磨2 min。将研磨好的样品管置于干冰上，加入2 mL预冷的体积分数为80%甲醇于−80 ℃冰箱静置1 h，4 ℃、14 000 g离心20 min后将上清液转移至另一相同体积离心管，真空浓缩干燥样品后于−80 ℃保存。用300 μL体积分数为90%甲醇超声复溶并经0.45 μm的滤膜过滤，完成亲水代谢产物提取。
1.5 HPLC-MS分析
采用非靶标的高效液相色谱-质谱联用技术(HPLC-MS)对样品进行测定和代谢物识别。色谱柱：Waters ACQUITY UPLC®(2.1 mm×100.0 mm，1.7 μm)。流动相：0.1%甲酸-水溶液(A)，0.1%甲酸-乙腈(B)。洗脱条件：0~0.5 min，95%B；0.5~7.0 min，95%~65% B；7.0~8.0 min，65%~40% B；8.0~9.0 min，40%B；9.0~9.1 min，40%~95%B；9.1~12.0 min，95%B。质谱参数条件：鞘气，310 275 Pa；辅助气，103 425 Pa；喷雾电压，4 000 V (正)/3 500 V (负)；离子传输管温度：350 ℃。在采集软件(Xcalibur 4.0.27，Thermo)的控制下，采用一级质谱全扫描(全MS)结合自动触发二级质谱扫描(MS/MS)模式，使用阴、阳离子模式2种电离方式采集质谱数据。运行时间：0~18 min。分辨率：全MS，170000；MS/MS，17500。
1.6 代谢物注释分析
对原始数据进行基线过滤、峰识别、积分、保留时间校正、峰对齐和归一化，最终得到1个保留时间、质荷比和代谢物信号(峰面积)的数据矩阵。将处理后的代谢物信号与一级和二级数据库进行匹配，将其中二级得分＜30的化合物可信予以剔除。分析时10份样品共插入3个质量对照(QC)样本以考察整个分析过程中仪器的稳定性，QC样本每种化合物的峰面积的变异系数若＞30%，则予以剔除。未检出值设定为0，缺失值由其余重复样品的均值填补。
1.7 差异代谢物筛选
由Metaboanalyst 4.0在线软件(https://www.metaboanalyst.ca/MetaboAnalyst/home.xhtml)完成。利用对数转换和pareto缩放对各代谢物相对含量进行标准化处理。使用主成分分析法(PCA)和偏最小二乘法判别法(PLS-DA)评估不同处理的分组情况。结合以下2个标准对2种培养基的阴阳离子模式的差异化合物进行筛选：经FDR (false discovery rate)校正的t检验的P＜0.05；正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)中变量投影重要性(variable influence on projection，VIP)得分＞1。
1.8 代谢通路分析
代谢通路分析由Metaboanalyst 4.0 (
https://www.metaboanalyst.ca/MetaboAnalyst/upload/PathUploadView.xhtml )中的代谢通路分析模块(pathway analysis module)完成。该分析将选定的差异代谢物与KEGG (Kyoto encyclopedia of genes and genomes)数据库(2019年10月)和人类代谢组数据库(HMDB)进行匹配，然后选择酵母Saccharomyces cerevisiae的代谢通路库作为参照进行富集分析和拓扑分析。富集分析中采用参数超几何法(hypergeometric test)检验每个代谢通路的显著性(P＜0.05)；拓扑分析中差异显著性检验的方法为相对介数中心性(relative-betweeness centrality)。2. 结果与分析
2.1 阴阳离子模式下鉴定的化合物
阳离子模式下鉴定到的化合物多于阴离子模式下鉴定的化合物。阴、阳离子模式分别检测出279和461种化合物，其中74种为2种模式共同检出，共计666种化合物。通过质量控制过滤处理，阴、阳离子模式分别有176和362种化合物，其中2种模式共同含有40种化合物，共计498种化合物。数据总的缺失值的比例平均为0.74%：阴离子模式下，碳和氮培养基下的代谢物缺失率均为0.23%；阳离子模式下，碳培养基下的缺失率为2.38%，高于氮培养基0.11%。
2.2 组间差异分析
阴离子和阳离子模式下EV菌菌丝体代谢物的主成分分析得分图(图1A~B)显示：前2个主成分分别解释了94.9% (主成分1为92.5%，主成分2为2.4%)和92.5% (主成分1为89.5%，主成分2为3.0%)的变异。2种离子模式下EV菌代谢谱在碳、氮培养基培养后差异大，分组明显。偏最小二乘法判别法的分组结果(图1C~D)与主成分分析法结果一致。
图 1 碳、氮培养条件下EV菌代谢物的PCA和PLS-DA分析Figure 1 PCA and PLS-DA of EV metabolites under carbon and nitrogen culture conditions2.3 差异化合物
采用火山图的形式进行差异化合物展示，见图2。t检验差异显著(P＜0.05)的化合物共有444种，占总数的89.2%；阴离子和阳离子模式分别有162和310种，28种为2种模式共有。VIP＞1的化合物共有469种，占总数的94.2%；阴离子和阳离子模式分别有167和334种，32种为2种模式共有。利用VIP＞1筛选出的化合物包含t检验法的筛选结果，表明后者更严格，且更符合统计要求。
图 2 碳、氮培养条件下EV菌的差异代谢物Figure 2 Differential metabolites of EV bacteria under carbon and nitrogen culture conditions以碳为对照组，在氮组中上调代谢物的数量是下调的3.4倍，分别为342和102种；上调和下调代谢物分别有309和86种匹配到HMDB数据库，有159和71种匹配到KEGG数据库。磷酸胍基乙酸酯和对甲酚硫酸盐是在氮培养下大量产生的特有代谢物，尿囊素、光色素、吲哚和海藻糖等是代谢物在氮培养条件下显著上调(表1)。
表 1 部分差异化合物Table 1 Part of significantly different metabolites化合物名称 质荷比 保留时间/min 二级数据库得分 变化倍数 P KEGG编号 磷酸胍基乙酸酯 198.03 9.86 62 12.46 1.13×10−13 C03166 对甲酚硫酸盐 187.01 6.17 53 12.41 8.88×10−15 邻氨基苯甲酸酯 136.04 2.00 50 9.93 1.67×10−8 C00108 尿酸 190.05 1.29 40 8.26 6.26×10−7 C01717 尼古丁 163.12 4.68 44 5.51 1.14×10−6 C16150 4-羟基-2-喹啉羧酸 188.03 5.76 30 5.48 9.62×10−8 C01717 烟酸 124.04 3.50 41 5.17 1.71×10−7 C00253 尿囊素 159.05 5.46 50 5.09 2.53×10−4 C01551 吲哚丙烯酸 188.07 7.98 98 4.20 4.68×10−8 2-吡咯烷酮 86.06 3.79 41 4.10 2.57×10−5 C11118 咪唑乙酸 127.05 9.62 69 3.54 1.56×10−7 C02835 组胺 112.09 5.74 45 3.34 2.79×10−8 C00388 谷胱甘肽 306.08 1.02 58 3.26 5.97×10−4 C00051 光色素 243.09 1.58 70 3.00 2.79×10−4 C01727 肌肽 227.11 12.66 55 2.40 3.30×10−5 C00386 甜菜碱醛 102.09 6.73 68 2.25 9.68×10−3 C00576 吲哚 118.07 8.32 57 2.12 4.40×10−3 C00463 苹果酸 133.01 0.90 43 1.90 2.86×10−5 C00711 甜菜碱 118.09 8.30 51 1.88 2.79×10−8 C00719 胍基乙酸d 118.06 8.26 38 1.87 1.19×10−3 C00581 葫芦巴碱 138.06 9.05 38 1.59 1.71×10−7 C01004 海藻糖 341.11 1.04 78 1.34 6.16×10−5 C01083 左旋肉碱 162.11 9.31 72 1.34 2.97×10−6 C00318 邻乙酰左旋肉碱 204.12 8.54 73 1.32 1.69×10−6 C02571 茶碱 181.07 2.24 55 −1.64 6.07×10−7 C07130 二乙醇胺 106.09 8.16 45 −1.73 1.42×10−4 C06772 去甲肾上腺素 170.08 5.83 57 −2.40 1.52×10−5 C00547 阿魏酸盐 193.05 5.36 32 −3.58 2.87×10−5 C01494 核糖醇 151.06 1.01 46 −4.08 3.13×10−8 C00474 甲基咪唑乙酸 141.07 9.52 41 −4.51 2.90×10−8 C05828 赤藓糖醇 121.05 1.04 75 −5.20 2.80×10−5 C00503 2.4 代谢通路分析
由表2和图3可见：利用KEGG数据库对氮培养中上调和下调的显著差异代谢产物进行富集分析。上调代谢产物主要富集到氨基酸代谢通路，包括氨酰基tRNA的生物合成，精氨酸和脯氨酸代谢，精氨酸生物合成，牛磺酸和低牛磺酸代谢，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢。下调的显著差异代谢产物主要涉及糖类代谢通路，包括氨基糖和核苷酸糖代谢、半乳糖代谢、戊糖和葡萄糖醛酸酯的相互转化、淀粉和蔗糖代谢。
表 2 碳、氮培养条件下EV菌差异代谢物富集到的KEGG通路Table 2 Enriched KEGG pathways by differential metabolites of EV under carbon and nitrogen culture conditions代谢通路编号 代谢通路名称 匹配情况 P 影响大小 上调 sce00970 氨酰基tRNA的生物合成 18/46 4.38×10−4 0.11 sce00330 精氨酸和脯氨酸代谢 10/25 7.53×10−3 0.33 sce00220 精氨酸生物合成 8/18 8.05×10−3 0.60 sce00430 牛磺酸和低牛磺酸代谢 4/7 2.28×10−2 1.00 sce00250 丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢 8/22 3.06×10−2 0.81 下调 sce00520 氨基糖和核苷酸糖代谢 8/24 3.41×10−4 0.48 sce00052 半乳糖代谢 5/17 8.98×10−3 0.82 sce00040 戊糖和葡萄糖醛酸的相互转化 4/12 1.22×10−2 0.27 sce00500 淀粉和蔗糖代谢 4/15 2.79×10−2 0.35 说明：匹配情况为匹配化合物个数/通路化合物总数 
图 3 差异代谢产物富集到的显著代谢通路Figure 3 Significant metabolic pathways enriched by differential metabolites3. 讨论
本研究在代谢组水平探究含内共生细菌的生防真菌EV菌对不同碳氮培养基的化学响应，鉴定到一些差异显著的化合物，尤其是在氮源培养基中特有的代谢产物，并定位到重要代谢途径上。磷酸胍基乙酸酯和对甲酚硫酸盐是在氮培养下EV菌大量产生的特有代谢物，尿囊素、光色素、吲哚和海藻糖等是氮培养条件下显著上调的代谢物。对甲酚硫酸盐是细菌代谢酪氨酸的产物[13]。已有研究证实：拟杆菌科Bacteroidaceae、双歧杆菌科Bifidobacteriaceae、梭菌科Clostridiaceae、肠杆菌科Enterobacteriaceae、肠球菌科Enterococcaceae、优杆菌科Eubacteriaceae、梭杆菌科Fusobacteriaceae、毛螺菌科Lachnospiraceae、乳杆菌科Lactobacillaceae、紫单胞菌科Porphyromonadaceae、葡萄球菌科Staphylococcaceae、疣微菌科Ruminococcaceae和韦荣氏菌科Veillonellaceae等细菌是对甲酚硫酸盐的产生菌[14]。已有研究表明：细菌也可以降解对甲酚[15]，真菌Trichosporon cutaneum和Aspergillus fumigatus也可以利用对甲酚作为碳源[16-17]。因此推测：对甲酚硫酸盐可能是在高氮源培养下，由于碳源严重缺乏，EV菌胞内共生细菌代谢酪氨酸产生对甲酚或对甲酚硫酸盐，从而将其做为碳源进一步利用。
多种革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌(迄今为止共有85种)都会产生大量的吲哚。作为细胞间信号分子，吲哚控制细菌生理的多个方面，例如孢子形成、质粒稳定性、耐药性、生物膜形成和吲哚产生细菌的毒力[18]。在细菌中，吲哚由氨基酸色氨酸的降解产物产生。吲哚是细菌Ⅲ型分泌系统表达的信号分子[19]。EV真菌细菌共生体可产生吲哚，根据上述目前的研究只在细菌发现吲哚的产生，因此我们推测胞内细菌可能是吲哚的产生者，细菌可以利用吲哚这一信号分子协调两者行为，以在真菌胞内生存。
前期研究表明：EV菌基因组中含有比其他杀线虫真菌，如Arthrobotrys oligospora、Dactylellina haptotyla、Drechmeria coniospora更多的尿囊素转运蛋白[20]。此外，EV菌胞内的共生细菌属于假单孢属Pseudomonas[6]。尿囊素是腺嘌呤和鸟嘌呤代谢的中间产物，尿囊素可以被某些真菌、细菌和植物用作碳和氮的来源，尿囊素或尿囊素通路的衍生物可能有助于提高真菌向宿主植物提供氮的能力[21]。如在一些外生菌根真菌中，已鉴定出尿囊素/尿囊酸转运蛋白[21-22]。研究发现：假单孢属的细菌和酵母Saccharomyces cerevisiae也可以降解尿囊素[23-24]。在氮源充足的氮培养条件下，尿囊素代谢产物约是碳培养条件下的32倍，因此，尿囊素很可能是EV菌供给胞内共生细菌氮源的一种形式。
海藻糖在自然界中分布广泛，包括细菌、真菌、植物、无脊椎动物和哺乳动物。由于其特殊的物理特性，海藻糖能够保护细胞的完整性免受各种环境损害和营养限制。细菌可以使用海藻糖作为碳和能量的唯一来源，一些分枝杆菌中海藻糖可作为细胞壁的结构成分，而酵母细胞在很大程度上不能以海藻糖为碳源生长[25]。在根瘤菌-豆科Leguminosae植物共生期间，海藻糖在根瘤发育过程中被储存在根瘤中，并成为细菌的主要碳水化合物，而与所供应的碳源和氮源类型无关[26]。内源性海藻糖在碳缺乏或在给定培养基中碳源耗尽后被动员。海藻糖很可能是EV共生细菌的一种碳源，在碳源缺乏时作为储备能源(氮培养下产生的海藻糖是碳培养下的2.5倍)。
光色素是核黄素的光敏分解产物。关于光色素的酶促转化路径已在假单胞菌等细菌中进行研究[27]。已有研究认为：光色素是细菌群感效应的信号分子[28]，是能影响植物生长的细菌信号分子[29]，同时也是共生的信号分子[30-31]。不同的营养条件(如氮和磷)可改变细菌产生光色素的浓度[30]。本研究使用的氮源是有机氮源。在该氮培养下产生的光色素是碳培养下的8倍，氮培养条件下光色素的产量远高于碳培养条件，不同于前人报道的高浓度硝酸盐降低光色素的产量[30]。
差异最显著的代谢物多数未能富集到显著的代谢通路，原因在于这些化合物的代谢通路尚未研究透彻，或者它们是EV菌的特异化合物，尚未包括在参照数据库中。无论以真菌还是细菌数据库为参照，富集到的显著代谢通路基本一致，均与氨基酸和糖类代谢相关，而这些通路是真菌和细菌共有的，无法区分内共生细菌对其真菌宿主代谢的影响。笔者曾试图利用多种抗生素去除内共生细菌以解决该问题，并未获得成功，需要更深入的研究。
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图 1 牦牛骨钙溶液浓度对牦牛骨蛋白肽-钙螯合物稳定性的影响
Figure 1 Stability of yak bone peptides-calcium chelate prepared by different yak bone calcium solution
图 2 不同肉桂精油添加量对包埋肉桂精油的牦牛骨蛋白肽-钙螯合物稳定性的影响
Figure 2 Stability of yak bone peptides-calcium chelate prepared by different ratio of cinnamon essential oil
图 3 螯合物的粒径和多分散指数
Figure 3 Particle size and polydispersity coefficient of emulsion of cinnamon essential oil and yak bone peptides-calcium chelate
图 4 肉桂精油和螯合物对维氏气单胞菌的抑菌效果
Figure 4 Bacteriostatic effect of cinnamon essential oil and yak bone peptides-calcium chelate on Aeromonas veronii
表 1 感官评价评分标准
Table 1. Standard of sensory evaluation
评分 状态 色泽 香气 异味 协调性 7~9 分散均一，无分层、结块、沉淀 一致，无杂质、霉变 肉桂味浓郁、纯正 气味良好，
无不良风味气味协调 4~6 分散略不均一，无分层、结块、沉淀 不均，有杂质，无霉变 肉桂味较浓郁 稍有异味 气味较协调 1~3 分散不均一，有明显分层、结块、沉淀，
有油滴出现不均，有大量杂质，有霉变 肉桂味不突出 有明显异味 气味不协调 
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表 2 牦牛骨蛋白肽的分子量
Table 2. Molecular weight of yak bone peptides
t/min 分子量/kDa 占比/% ＜15.579 ≥3.0 0 15.579~＜16.363 2.0~＜3.0 0.040 16.363~＜17.688 1.0~＜2.0 4.094 17.688~＜18.508 0.5~＜1.0 34.211 ≥18.508 ＜0.5 61.656
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表 3 牦牛骨蛋白肽部分多肽序列鉴定结果
Table 3. Identification of partial peptides sequences of yak bone peptides
主要肽段 可信度 分子量/Da 质核比 功能 GPVGPVG 40.23 581.317 3 582.324 1 SVPGPMG 32.33 643.299 9 644.306 6 VPGPMGP 31.42 653.320 7 654.326 5 APGPVGPAG 34.80 721.375 9 722.382 3 AP(+15.99)GPVGPAG 31.27 737.370 8 738.377 4 羟基化 FP(+15.99)GADGVA 34.14 748.339 1 749.345 7 羟基化 VP(+15.99)GPMGPS 33.76 756.347 6 757.356 1 羟基化 SDGSVGPVG 36.97 773.355 5 774.362 2 SP(+15.99)GN(+0.98)IGPAG 33.70 785.355 5 786.362 5 羟基化 GAAGPTGPIG 30.08 796.407 9 797.415 6 TPGPQ(+0.98)GIAG 30.34 797.391 9 798.399 9 脱酰胺 LPQPPQE 31.34 807.412 7 808.419 7 IQ(+0.98)GPP(+15.99)GPAG 30.19 809.391 9 810.398 9 脱酰胺，羟基化 AP(+15.99)GPQ(+0.98)GFQ 31.21 817.360 6 818.366 5 羟基化，脱酰胺 GPP(+15.99)GPVGPAG 33.96 820.407 9 821.415 4 羟基化 GP(+15.99)AGPIGPVG 34.90 836.439 1 837.445 6 羟基化 GPVGPTGPVG 37.77 836.439 2 837.445 6 TP(+15.99)GPQGLLG 31.36 854.449 8 855.456 9 羟基化 GASGPP(+15.99)GFVG 31.32 860.402 8 861.412 9 羟基化 GPQ(+0.98)GPVGPVG 31.77 864.434 1 865.440 8 脱酰胺 GIQGPP(+15.99)GPAG 30.73 865.429 3 866.436 9 羟基化 AGPSGPAGPTG 36.13 867.408 6 868.415 5 GPP(+15.99)GLQ(+0.98)GVQ 33.31 868.429 0 869.436 0 羟基化，脱酰胺 GPP(+15.99)GPMGPPG 42.39 878.395 6 879.402 2 羟基化 TGPIGPP(+15.99)GPA 41.22 878.449 8 879.457 6 羟基化 GPP(+15.99)GPIGNVG 33.95 879.445 0 880.452 9 羟基化 GPP(+15.99)GPIGN(+0.98)VG 32.42 880.429 0 881.436 0 羟基化，脱酰胺 GPP(+15.99)GFP(+15.99)GAVG 34.44 886.418 5 887.424 9 羟基化 VGPAGPN(+0.98)GFA 40.33 886.418 5 887.425 0 脱酰胺 AGPP(+15.99)GPTGPAG 31.53 893.424 3 894.431 5 羟基化 AAGPP(+15.99)GPTGPA 34.87 907.439 9 908.446 5 羟基化 VGPAGPN(+0.98)GFAG 38.51 943.439 9 944.445 9 脱酰胺 APGAPGPVGPAG 30.84 946.487 2 947.493 7
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表 4 感官评价结果
Table 4. Artificial sensory evaluation results
感官特性 包埋肉桂精油的牦牛骨
蛋白肽-钙螯合物/分肉桂精油稀释液/分 感官特性 包埋肉桂精油的牦牛骨
蛋白肽-钙螯合物/分肉桂精油稀释液/分 状态 7.60±0.70 b 8.65±0.47 a 异味 7.10±0.99 b 8.00±0.67 a 色泽 8.15±0.34 a 8.25±0.59 a 协调性 6.10±0.88 b 8.15±0.34 a 香气 7.15±1.00 a 4.35±0.82 b 平均 7.22 7.48 说明：不同字母表示样品间差异显著(P＜0.05)
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