借助机器学习的代谢组学解析巴氏灭菌胁迫下芽孢杆菌生物膜的适应性重塑

奶类消费者为何应关心

巴氏灭菌的目的是让牛奶更安全、保质期更长，但有些顽强的细菌能够耐受热处理，并在加工设备内悄悄形成黏稠的群落——即生物膜。本研究提出了一个令人不安却切实的问题：巴氏灭菌有时会使这些生物膜变得更严重吗？如果会，细菌内部哪些隐蔽的化学变化是罪魁祸首？

现代乳厂里的顽固微生物

牛奶富含营养，为低温冷藏乳制品产业提供了沃土。但它也为芽孢杆菌提供了栖息地，这类细菌能形成耐受力强的孢子并黏附在金属表面。它们构建生物膜——由细胞和胶状物质组成的保护层——抵抗清洗、降低热传导，并增加腐败或食源性疾病的风险。作者从中国农场的生乳中分离出14株芽孢杆菌，并在模拟巴氏灭菌（75 °C，15秒）前后测试了它们形成生物膜的能力。令人惊讶的是，尽管许多菌株经加热后生物膜变弱，但也有若干菌株反而变得更强、更黏。

对某些生物膜有利的热处理，对另一些则有害

为模拟真实乳品设备，研究者在浸泡于无菌牛奶的304不锈钢片上培养了选定菌株，随后染色并测量留在金属上的总残留物——包括细菌和牛奶残渣。两株菌——一种芽孢杆菌属的 Bacillus cereus（BC01）和一种 Bacillus subtilis（BS01）——在巴氏灭菌后由弱附着转为强附着，而其近缘菌株（BC02 和 BS02）则呈相反趋势。电子显微镜图像显示了生物膜结构的变化：在受热增强的菌株中，通常的纤维状、稀薄的胞外聚合物网络融合为厚实、块状的聚集体，更多地捕获细胞与牛奶蛋白，形成更坚固、更广泛的覆层；而在受热削弱的菌株中，基质变得稀疏且断裂。

表面黏附性打破常规

传统观点认为，孢子越疏水（越排水），附着性越强，生物膜越容易形成。团队用水油体系测试了孢子疏水性，结果与教科书预测相反：经巴氏灭菌后，生物膜增强的菌株实际上显示出较低的孢子疏水性，而生物膜能力下降的菌株则变得更疏水。即便在生物膜内部，强形成者的孢子也比游离状态的孢子更不疏水。这一矛盾指向更深层的驱动因素：热诱导的代谢与基因活动变化，可以压倒像表面黏性这样的简单物理特性。

热胁迫下的化学重编程

作者结合非靶向代谢组学（一种对细胞内小分子进行广泛扫描的方法）与机器学习分析，绘制出热处理如何重塑各菌株生物膜化学图谱。四个菌株均在数百种代谢物上出现大幅变化，尤其涉及运输系统和氨基酸通路，但具体细节差异显著。在 BC01 中，加热似乎激活了一种称为谷氨酰胺酶的酶，消耗了牛奶营养物 L-谷氨酰胺和氨基酸组氨酸的储备。这一变化既为生物膜基质提供了构件，又解除了一些自然抑制生物膜形成的制约。另一种通常会促使细菌远离生物膜的化合物黄嘌呤核苷（xanthosine）含量也下降，可能有利于稳定的附着生活方式。在 BS01 中，热处理降低了精氨酸和若干 D-氨基酸、多巴胺与花生四烯酸的水平——这些分子在其他研究中被证明能破坏或阻止生物膜的形成。抑制性分子含量降低，加之能量代谢的改变，共同使生物膜向更健壮的方向倾斜。相比之下，BC02 和 BS02 则出现了关键多糖前体和能量循环成分的短缺，且在 BS02 中，诸如 D-色氨酸和 D-阿拉伯糖等抗生物膜代谢物增加，整体上削弱了生物膜生长。

翻转生物膜开关的基因

为把化学变化与行为联系起来，团队检测了关键的生物膜相关基因。在受热增强的菌株 BC01 和 BS01 中，促进生物膜形成的主调控因子（Spo0A、TasA 和 EpsA）表达上调，而通常抑制生物膜基因的 SinR 表达下调。BC02 和 BS02 则呈相反模式。代谢数据与基因表达一起支持这样一个模型：巴氏灭菌作为一种胁迫信号被某些芽孢杆菌谱系利用——它们重编程代谢、减少某些天然的抗生物膜分子，并翻转遗传开关以产生更多基质和更厚的覆层，即使总体活性下降。

对更安全牛奶的启示

对消费者来说，结论并不是说巴氏灭菌牛奶不安全，而是存活下来的微生物比预期更具适应性。巴氏灭菌不仅仅是让孢子更坚韧，有时还会促使部分芽孢杆菌进入“蜷缩坚守”模式，在管道和罐体内部构建更强的生物膜。通过精确定位驱动这一转变的特定代谢物和基因通路，该研究提出了新的应对途径：与其仅仅依赖更高温度或更长时间的加热，未来加工者可能会加入无害的代谢阻断剂或制定定向的清洗策略，破坏这些生物膜的化学支撑系统。归根结底，理解热如何重塑细菌化学反应，为制定更聪明的乳品安全与清洁策略打开了大门。

引用: Liang, L., Wang, P., Zhao, X. et al. Metabolomics aided by machine learning decodes adaptive remodeling of Bacillus biofilms in response to pasteurization stress. npj Sci Food 10, 62 (2026). https://doi.org/10.1038/s41538-026-00712-y

关键词: 巴氏灭菌牛奶, 芽孢杆菌生物膜, 食品安全, 乳制品加工, 细菌代谢