Study on inhibitory activity and mechanism of chitosan oligosaccharides on Aspergillus Flavus and Aspergillus Fumigatus
壳寡糖对黄曲霉和烟曲霉的抑菌活性及抑菌机理研究
Abstract:
Chitosan oligosaccharides (COS) are a derivative of low molecular weight chitosan and are potent natural antimicrobial agents. The antimicrobial activity of COS against Aspergillus flavus and Aspergillus fumigatus was evaluated by minimum inhibitory concentration (MIC) and inhibition of mycelial growth. The MICs of COS against these two fungi were 31.2 and 15.6 mg/mL, respectively. COS treatment rendered fungal mycelia wrinkled and deformed with a fractured appearance. COS also increased cellular permeability leading to a significant leakage of cellular components indicating membrane damage. This compound also dose-dependently reduced chitin production and enhanced chitinase activity while enhancing the accumulation of reactive oxygen species (ROS). These characteristics suggested that COS has inhibitory effects against food spoilage fungi and acts on the cell wall and membrane and alters cellular metabolism. COS shows promise for food industry applications since it is non-toxic to higher organisms.
中文摘要：
壳寡糖（COS）是低分子量壳聚糖的衍生物，是一种有效的天然抗菌剂。通过最低抑菌浓度（MIC）和菌丝生长抑制率揭示COS的抑菌活性，结果表明COS能够显著抑制腐败真菌的生长，对黄曲霉和烟曲霉的最小抑菌浓度值分别为31.2 和15.6 mg/mL。经COS处理后，真菌的菌丝产生凹陷褶，细胞通透性增大，细胞成分大量泄漏，表明细胞膜受损；COS还剂量依赖性地减少几丁质的产生，增强几丁质酶活性，同时增加活性氧（ROS）的积累。这些特征表明 COS对食品腐败真菌具有抑制作用，并作用于细胞壁和细胞膜，改变细胞代谢。此外，COS对高等生物无毒，在食品工业中具有广阔的应用前景。
论文简介：
近日，武汉轻工大学食品学院谷物团队以“Study on inhibitory activity and mechanism of chitosan oligosaccharides on Aspergillus Flavus and Aspergillus Fumigatus”为题在Carbohydrate Polymers（Carbohyd. Polym. 275 (2022) 118673）上发表最新研究成果，报道了壳寡糖（COS）对腐败真菌的抑菌活性及抑菌机理的研究工作，为COS在食品贮藏领域的开发和应用提供理论和技术支撑。
曲霉属在自然界分布极广，是引起多种物质霉腐的主要微生物之一，广泛存在于谷物及谷物产品中, 具有很强的毒性，严重危害动物和人类的健康。食品行业通常使用化学合成的抗菌药物控制谷物食品中曲霉菌的生长，防止食品腐败。然而，这些药物的广泛使用导致耐药性增加，在很大程度上限制了临床治疗选择，而且由于食品中存在药物残留，直接影响人类健康。因此，开发具有生物降解特性的无毒、高效的抗菌剂对于保持食品品质和保护人类健康是十分必要的。
COS是壳聚糖的降解产物，由2~20个氨基葡萄糖通过β-1,4糖苷键链接而成的寡聚糖，具有良好的水溶性及生物活性，在食品、医药、农业等领域有广泛的应用前景。研究表明壳聚糖能提高几丁质酶的活性，影响细胞壁的形成，并且聚集孢子，造成形态异常，使胞内物质渗漏，甚至导致微生物死亡，是一种极有潜力的天然抗菌防腐剂。该工作通过最低抑菌浓度和菌丝生长抑制率考察COS的抑菌活性，研究真菌细胞微观结构、浆膜损伤、细胞膜透性、几丁质含量和酶活性及活性氧积累变化评估细胞壁和细胞膜的完整性，明晰COS对黄曲霉和烟曲霉的抑菌活性及抑菌机制。结果表明，COS对黄曲霉和烟曲霉的抑菌浓度范围分别为31.2和15.6 mg/mL，COS处理导致真菌菌丝体变形、细胞膜通透性增加、浆膜损伤和细胞质内容物渗漏，COS还呈剂量依赖性地减少几丁质的产生，增强几丁质酶的活性，并导致细胞内ROS的积累。因此，COS主要通过破坏细胞壁和细胞膜影响细胞代谢来抑制食物腐败真菌生长，该工作极大地拓展了COS在食品贮藏领域的应用。
Fig. 1. Effects of COS on serosal membrane injury of A. flavus and A. fumigatus. (A–C) A. flavus treated with 0, 1 × MIC and 2 × MIC COS, respectively. (D–F) A. fumigatus treated with 0, 1 × MIC and 2 × MIC COS, respectively. The numbers 1 and 2 represent bright field and fluorescence images, respectively.
武汉轻工大学食品学院硕士研究生柯媛为该论文第一作者，武汉轻工大学食品学院丁贝贝博士和王学东教授为该论文共同通讯作者。该研究工作得到了大宗粮油精深加工教育部重点实验室开放课题(2019GYBQGDKFA02)和武汉轻工大学校立项项目(2020Y02)的资助。
作者简介：
王学东，现任武汉轻工大学食品科学与工程学院教授，常务副院长，湖北省农产品加工与转化重点实验室主任，教育部大宗粮油精深加工重点实验室副主任，中国粮油学会面条制品分会副秘书长，曾被评为全国优秀粮油科技工作者。主要研究方向为谷物食品的研究与开发。已在国内外学术期刊发表科研论文40余篇。曾主持国家十三五重点研发计划任务、国家农业科技成果转化资金项目、国家星火项目、国家863项目子课题、湖北省自然基金项目、武汉市重大成果转化项目等各类科技计划30余项，3项科技成果获湖北省科技进步奖。
丁贝贝，武汉轻工大学食品学院副教授，主要从事天然多糖的开发与应用研究。相关研究成果在国际高水平期刊（如Adv. Mater., J. Mater. Chem., ACS Appl. Mater. Inter.等）发表SCI论文30余篇，他引达500余次，其中第一作者文章单篇最高他引120余次，已获授权国家发明专利5项，主持在研国家自然科学基金 1 项，主持完成山东省自然科学基金和中国博士后面上基金各1项。现为国际学术刊物审稿人。
柯媛，武汉轻工大学食品学院2021届硕士研究生，专业为食品科学，硕士期间以第一作者在《Food & Function》、《Food Science and Biotechnology》和《Carbohydrate Polymers》期刊发表论文3篇，以第二作者在《Foods》期刊发表论文1篇，累计影响因子超过22。
论文原文：
