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东北农业大学孔保华|陈倩教授团队基于一氧化氮合酶活性与 nos 基因表达分析凝固酶阴性葡萄球菌在发酵肉制品发色过程中的作用

2026-07-29 10:54:01

导读：食品加工行业长期依赖化学亚硝酸盐赋予发酵肉制品标志性粉红色泽，但亚硝酸盐衍生的亚硝胺存在致癌风险，清洁标签肉类产品开发成为行业刚需。不少研究证实部分发酵微生物可内源合成一氧化氮完成天然发色，其中凝固酶阴性葡萄球菌是潜力菌种，但菌株产色对应的基因、酶活完整关联证据仍存在空白。该原创实验并非综述类文章，是一篇机制探究型 SCI 基础研究，团队筛选三株本土腐生、牛源凝固酶阴性葡萄球菌，搭建液体模拟体系与真实猪肉糜两套试验平台，结合生化酶活检测、分子基因鉴定、细胞荧光成像多维度手段，完整验证 nos 基因表达、一氧化氮合酶活性、胞内一氧化氮生成与肉制品腌色之间的连锁作用关系，同时设置无 NOS 活性的戊糖片球菌作为阴性参照，对比不同菌株的发色能力差异，证实腐生葡萄球菌 HRB1 综合产色效果最优，为无 / 减亚硝酸盐发酵肉制品发酵菌种筛选提供完整分子理论依据与试验数据支撑。

研究背景

化学亚硝酸盐的产业刚需与健康安全矛盾

发酵香肠、风干发酵肉是国内外消费规模庞大的特色肉制品，均匀稳定的粉红外观是消费者评判产品品质的第一标准。数百年来食品加工领域均依靠亚硝酸盐作为核心发色助剂，亚硝酸盐分解产生一氧化氮，与肌红蛋白结合形成耐热亚硝肌红蛋白，赋予肉制品持久色泽，同时亚硝酸盐还能抑制肉毒梭菌繁殖、延缓脂肪氧化，是多功能加工辅料。但伴随食品安全研究持续深入，学界明确肉制品中残留亚硝酸盐可与肉中仲胺发生反应，生成具有强致突变、致癌特性的 N - 亚硝胺类物质。当下消费者健康认知持续升级，商超、餐饮渠道对无人工合成添加剂的清洁标签发酵肉需求快速增长，肉类加工企业亟需不依赖化学亚硝酸盐的天然发色替代方案。

第二段：微生物天然发色技术的研究进展与现存短板

近年科研人员发现，部分发酵微生物体内存在一氧化氮合成代谢通路，可以精氨酸为原料自主生成一氧化氮，无需外源添加亚硝酸盐即可实现肉制品天然发色，这条技术路线具备绿色安全、贴合传统发酵工艺的优势。现有研究大多仅观测发酵成品外观红度，仅单一证实部分菌株具备发色效果，缺少从基因层面到酶活、胞内产物、成品色素的完整验证链条。多数研究无法区分菌株发色差异的内在成因，不清楚菌株是否携带功能性 nos 基因、基因转录水平如何调控一氧化氮合酶活性，也缺少多株同源本土菌株的平行对比试验，难以支撑发酵菌种定向筛选与改良工作落地。

第三段：凝固酶阴性葡萄球菌的独特应用价值与研究缺口

凝固酶阴性葡萄球菌是发酵肉制品天然优势菌群，在传统风干肠、发酵香肠自然发酵体系中广泛存在，适配肉类发酵酸碱、温度环境，同时兼具改善风味、抑制杂菌的附加功能。过往少量研究仅零散证实个别葡萄球菌菌株存在产一氧化氮能力，但缺乏统一、标准化多维度验证体系，未系统证明 nos 基因是菌株产一氧化氮、实现腌色的核心调控靶点，不同菌种、同种不同菌株之间发色性能差异机制也未得到清晰阐释。基于现有研究存在的断层，该文章团队针对性开展分层验证试验，补齐基因 - 酶 - 产物 - 成品品质全链条研究空白。

核心内容

（一）双层平行试验平台与多元化检测体系搭建

研究没有仅依靠单一肉糜样品开展试验，而是设计液体培养基模拟体系 + 真实猪肉发酵肉糜两套独立试验载体，规避肉类基质复杂成分对检测结果的干扰。试验设置清晰对照组，选取无 nos 基因、无一氧化氮合酶活性的戊糖片球菌作为阴性空白，同时增设化学亚硝酸盐阳性参照组，直观对比微生物发色与传统亚硝酸盐发色的差距。检测手段覆盖表观色泽定量、肌红蛋白衍生物光谱分析、NOS 酶活定量、NOS 抑制剂干预试验、PCR 基因鉴定、荧光定量基因表达检测、激光共聚焦胞内一氧化氮成像、发酵过程理化与微生物动态监测，从宏观成品到微观分子、细胞层面完成全方位论证，跳出单一外观评价的传统研究局限。

（二）两大标志性核心试验结论

1. nos 基因是菌株合成一氧化氮、实现肉制品发色的核心必需遗传载体

阴性对照戊糖片球菌无法扩增出 nos 基因片段，检测不到一氧化氮合酶活性，体系无法生成红色亚硝肌红蛋白；三株凝固酶阴性葡萄球菌均可检出目标 nos 基因片段，且基因正常转录表达，酶活检测可测得有效一氧化氮合成能力，添加 NOS 抑制剂 L-NAME 后菌株产一氧化氮能力随抑制剂浓度升高持续下降，5mM 剂量可完全阻断产色通路，直接证明发色行为完全依托 NOS 代谢通路实现。

2. 同种葡萄球菌不同菌株发色性能存在显著分化

同为腐生葡萄球菌的 HRB1 与 HRB2 两株菌株，nos 基因转录表达水平、一氧化氮合酶活性、最终肉品红度均存在明显差距，HRB1 菌株酶活更高，胞内一氧化氮荧光信号更强，发酵肉中生成的亚硝肌红蛋白含量最高，成品色泽最均匀；牛源葡萄球菌综合发色效果介于两株腐生葡萄球菌之间，这一结果说明菌种筛选不能仅限定物种，必须细化到菌株层级。

亮点价值

（一）科学理论层面创新突破

1. 构建完整多维度证据链，打通基因到肉制品品质的关联通路

过往同类研究大多割裂分子检测与成品品质，该研究将基因存在、基因转录表达、酶活强弱、胞内一氧化氮生成、肌红蛋白衍生物、发酵肉色泽六大指标串联形成完整逻辑闭环，搭配抑制剂反向验证试验，从正向、反向双重角度证实 nos-NOS-NO 发色核心通路，完善发酵肉微生物天然发色分子理论体系，填补同源多菌株对比研究空白。

2. 建立标准化菌株性能评价成套检测方案

团队整合光谱分析、分子生物学、细胞荧光成像、理化微生物检测多类技术，形成一套可复制的发酵菌种发色能力综合评价流程，后续同类菌种筛选、菌株改良研究可直接参照这套多指标评价体系，解决过去仅靠肉眼、单一色差数据评判菌株优劣的片面问题。

（二）产业落地层面实用价值

1. 提供本土安全发酵备选菌种，适配无亚硝酸盐加工改造

试验所用三株凝固酶阴性葡萄球菌均分离自传统哈尔滨风干肠，属于肉类发酵原生安全菌群，无外源致病菌风险，可直接作为发酵剂添加至现有香肠加工体系，无需大幅度调整腌制、发酵、成熟工艺流程，中小型肉制品企业低成本即可完成减硝配方迭代，契合清洁标签产品市场发展趋势。

2. 指明菌种优化明确方向，为后续发酵剂升级提供思路

研究明确 nos 基因表达水平直接决定菌株产色能力，产业端可围绕提升 nos 基因转录量开展后续优化，例如调控发酵基质精氨酸含量、改良发酵温湿度条件，或是通过基因工程手段强化 NOS 酶活性，逐步缩小微生物发色与化学亚硝酸盐发色的差距，为完全无硝发酵肉制品产业化提供清晰优化路径。

3. 兼顾发酵体系微生物安全性，菌种不破坏发酵基础菌群平衡

接种凝固酶阴性葡萄球菌后，发酵体系乳酸菌等优势菌群稳定增殖，发酵终点 pH 维持在适宜区间，可自然抑制杂菌繁殖，不会出现游离精氨酸添加带来的酸碱失衡、肠杆菌超标等安全隐患，同步兼顾发色效果与发酵肉制品微生物稳定性。

图文赏析

图1：

结论展望

研究整体价值总结

该文章属于机制类原创试验，而非领域综述，系统性解决了凝固酶阴性葡萄球菌天然发色内在分子机制不明的行业难题，通过双重试验模型与多层次检测手段，清晰阐释 nos 基因介导一氧化氮合酶合成、内源生成一氧化氮进而生成腌红色素完整代谢通路。研究打破仅依靠物种筛选菌种的传统思路，证实同一菌种不同菌株产色性能差异巨大，筛选出综合性能最优的腐生葡萄球菌 HRB1 菌株。这套研究思路与试验数据，既丰富肉类微生物发色基础理论，也为发酵肉清洁标签配方开发提供可落地的天然菌种资源，在减硝肉制品研发领域具备重要参考意义。同时研究也客观反映，单纯依靠现有野生菌株，成品红度仍不及标准亚硝酸盐添加组，单独使用暂时无法完全替代化学亚硝酸盐全部功能。

后续科研与产业发展方向

第一，菌种性能定向优化研究。围绕上调 nos 基因表达开展试验，探究发酵基质中精氨酸添加比例、温度、pH、碳源等环境因子对 NOS 酶活的调控规律；也可开展基因改造试验，强化菌株一氧化氮合成效率，缩小与亚硝酸盐发色效果差距。第二，复合发酵剂开发与多品类验证。将优势葡萄球菌与适配乳酸菌、天然抗氧化多肽复配，同步补足菌株抑菌短板，拓宽适用产品范围，在风干火腿、发酵牛肉、低温发酵肠等多类肉制品中开展中试验证，评估不同肉类基质下菌株发色稳定性。第三，复合保鲜工艺协同开发，将该菌种发酵技术与气调包装、天然植物提取物复配保鲜体系结合，进一步延长无硝发酵肉制品货架期，同时系统开展产品毒理、亚硝胺风险评估，完善食品生产合规数据支撑。

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