细菌素的研究及其在食品工业上的应用

细菌素的研究及其在食品工业上的应用摘要：细菌素是一类具抑菌活性的蛋白质，可以抑制许多革兰氏阳性菌。

本文概述了细菌的分类、与抗生素的区别、细菌素合成、其抗菌机制以及在食品工业中的应用。

关键词：细菌素；食品防腐剂；分类；合成；抑菌机制；应用Research on bacteriocins and its Application in FoodLIU Wen-duo(Zhongkai University of Agriculture and Engineering College of light industry and food science, GuangdongGuangzhou 510225)Abstract: Bacteriocins are antibacterial produced by bacteria that can kill or inhibit the growth of some ba cteria.This article gave an overview of the classification,difference with antibiotics,synthesis mechanisms and antibacterial mechanisms,and its application in the food industry has done a classification description.Finally,through the analysis of the current situation this paper also discussed the future development of bacteriocins.Key words: bacteriocin;food preservative;classification;synthesis;antibacterial mechanism;application 细菌素（bacteriocin）是由某些细菌在代谢过程中通过核糖体合成机制产生的具有抗菌活性的多肽、蛋白质或蛋白质复合物，其抑菌范围不局限于同源菌，产生菌及其细菌素有自身免疫性。

其中有些作为发酵菌种的细菌素对动物无毒副作用，无抗原性。

其抑菌范围广，可以杀死或抑制食品中的一些腐烂菌和病原菌，并有一定的热稳定性，延长了食品的保质期，同时不破坏食品的风味和组织状态[1]。

细菌素最早是在20世纪中期Gratia（1946）对大肠杆菌V菌株抑制Φ菌株现象进行研究时发现的。

以后Gratia和Fredericq对大肠杆菌V菌株产生的这种抑制物质进行了分离，并称为大肠杆菌素。

以由于很多细菌都可以产生类似物质，Jacob（1953）将这类物质称为细菌素[2]。

细菌素具有无毒、热稳定性强、水溶性好、抗菌性强、不影响食品风味等优点。

细菌素用作食品保存和医疗工程具有巨大潜力，因为它们可以补充或取代目前使用的抗生素[3]。

细菌素在分子遗传、基因工程、蛋白质工程、食品添加剂和微生态制剂等方面有很好的应用前景，尤其在食品工业中越来越受到重视并且陆续被许多国家所接受。

1 细菌素的化学成分细菌素是一种成分非常复杂的物质。

其化学成分复杂多样，但它们都有一个相同的构件，一种必需的蛋白质。

确定细菌素分子化学组成的常用方法是用特定的酶做敏感性试验是。

检测出的streptocin STH1被认为是一种由必需蛋白、脂质和磷酸基团组成的复杂分子[4]。

化学分析表明，许多细菌素可能就是简单的蛋白质。

但是很多其他的细菌（葡萄球菌，梭菌和乳酸菌）的细菌素，在纯化状态下，它们是十分复杂的分子，除了蛋白质外还包括一些脂质和糖类等。

丁酸梭菌素和产气荚膜梭菌素表现出两亲性蛋白，已经有报道说明它们的疏水基团能够促进它们与靶细胞膜的接触[5]。

2 细菌素的分类[6]细菌素按其化学结构和热稳定性可分为3大类：第一类（classⅠ）定义为羊毛硫抗生素（lantibiotics）。

这类细菌素分子量小于5 ku，属于多肽分子，具有19～50多个氨基酸不等，并且在分子活性部位有大量稀有氨基酸。

classⅠ还可以分成两个亚类：classⅠa和classⅠb。

前者具有结构柔软、带正电和具有疏水肽的特点，可在目标细胞膜上形成孔洞而起作用；后者是一种球状多肽，结构刚硬并且不带电或带负电荷。

第二类（classⅡ）指那些细菌生产的小的热稳定的非修饰肽（SHSP），classⅡ还可进一步的划分为classⅡa和classⅡb，classⅡa 包括小球菌素状的抗李氏杆菌活性多肽，具有保守的N端序列Tyr-Gly-Asn-Gly-Val及两个半胱氨酸在肽的N末端形成S-S桥；classⅡb是由两个必需的不同多肽结合而成的寡聚体，能被硫醇激活,活性基团要求有还原性半胱氨基残基。

第三类（classⅢ）细菌素是那些大分子的不稳定性蛋白（LHLP），它们的分子量大多都大于10 ku。

除此之外，还有一些复合细菌素，它们是由多肽与其他非肽类基团结合而形成的细菌素。

3 细菌素与抗生素的区别抗生素（antibiotics）是微生物在代谢过程中产生的，在低浓度下就能抑制它种微生物的生长和活动，甚至杀死其它微生物的化学物质[7]。

过去人们经常会把细菌素和抗生素混为一谈，由于我国明确规定禁止在食品中添加抗生素，因此，这样会在一定程度上影响了细菌素在食品工业上的合法应用。

传统的多肽抗生素是由细胞多酶复合体催化形成的，不存在结构基因，而细菌素由基因编码，可以通过基因工程的手段加以改造。

它们的合成及作用模式与临床使用的抗生素亦不同。

此外，对抗生素显示抗性的微生物通常不对细菌素显示交叉抗性，且与抗生素的抗性不一样，细菌素抗性通常不是由遗传决定的[8]。

两者的具体区别见表1。

表1 细菌素与抗生素的区别特性细菌素抗生素应用领域食品、农业临床产生机制染色体编码、核糖体合成次级代谢产物抑菌机制在靶细胞膜上形成孔道，导致细胞内容物外泻影响菌类某一种或多种代谢机能抑菌谱窄谱变动谱免疫原性有无毒性未发现有靶细胞耐受性无有抗药性4 细菌素的合成通过对细菌素基因序列的测定发现，编码活性细菌素的基因分布在操纵子簇上。

研究者对控制产生基因lantibiotic的操纵子已经有了很好的研究，在许多lantibiotic操纵子序列中发现了同源基因。

绝大多数表征lantibiotic的操纵子属于ClassⅠa。

属于ClassⅠb的mersadicin 基因序列已经被完全测定出来[9]。

许多基因转录属于ClassⅠa的蛋白质类似物。

基因编码产生细菌素既可以位于染色体上，也可以在质粒或转座子中。

具体来讲，生物体调控基因编码结构蛋白，结构蛋白可协助加工抑菌活性成分，调节蛋白还可以协助细菌素穿过细胞膜而对宿主本身免疫[10]。

所有类别的细菌素都是由核糖体合成的，只有ClassⅠ是翻译后修饰形成的活性细菌素分子。

抗生素不同于细菌素，它不是核糖体合成的，一般被认为是微生物产生的次级代谢产物。

虽然有的抗生素（vancomycin）是由氨基酸组成的，但是它们都是酶合成的[11]。

事实上，许多抗生素的合成是通过一种多载体机制合成的，通过把肽装配成氨基酸而形成抗生素分子。

因为细菌素是由一个结构基因编码，所以活性位置和结构及功能的关系可以借助基因操作而更容易测定。

现代分子技术已经能够通过增强蛋白活力或者改变特异性来构造和评估细菌素类似物。

不同于抗生素，它们必须是化学合成或者通过复杂的基因工程增加相关基因的数目来合成。

5 细菌素的抑菌范围[12]细菌素通常由革兰氏阳性菌产生并可以抑制其它的革兰氏阳性菌，如乳球菌、葡萄杆菌、利斯特氏杆菌等，对大多数的革兰氏阴性菌、真菌等没有抑制作用。

对于第一类细菌素可以抑制许多革兰氏阳性菌，如Nisin抑制葡萄球菌属、链球菌属、小球菌属和乳杆菌属的某些菌种，抑制大部分梭菌属和芽孢杆菌属的孢子；嗜酸乳杆菌和发酵乳杆菌产生的细菌素对乳杆菌、片球菌、明串球菌、乳球菌和嗜热链球菌有抑制作用。

但有研究发现，Nisin 与螯合剂(如EDTA) 连接后，改变了靶细胞壁的渗透性，可以抑制一些革兰氏阴性菌，如E．c o l i和Salmonella sp．；或将Na ~ P O与Nisin结合使用，可以提高革兰氏阴性菌对Nisin 的敏感性。

而部分非羊毛硫抗生素其抑菌范围。

6 抗菌机制只要证明一种新型的防腐剂是否安全有效，最关键的是要确定对抑制靶细胞的生长繁殖是否有较长的效力。

已经证实，细菌细胞表现出对多种抗生素的耐受性，并且能够在各代细胞之间传递。

虽然细菌素不是抗生素，但是令人担忧的是使用细菌素可能致使细菌对抗生素更具有抵御能力。

由于细菌素和抗生素的抑菌机制不同，Tchikindas[[13]已经证明使用Nisin 不会影响抗生素（氨苄西林和氯霉素）对于L.monocytogenes Scott A的抑制率。

另一项研究证明，用400 IU/mL的Nisin处理一些多重耐药的细菌，这些细菌的细胞仍然对Nisin有很高的敏感性[14]。

尽管Nisin对细菌的抑制作用和其他抗生素基本不存在交叉耐药性，但是仍然有必要搞清楚它的耐药机制以免意外发生。

细菌对抗生素的耐受性是由其基因决定的，所以这种耐受机制普遍存在于细菌的各种类系中。

与抗生素不同的是，细菌素的抗菌机制是细菌素对靶细胞的胞膜发生改变。

对于像李斯特菌那样含C15∶C17较低的坚硬细胞膜，会对Nisin产生较强的耐受性[15]。

同时也发现，Nisin能够通过其拮抗作用大量降低李斯特菌磷酸酰甘油，双磷酸酰甘油和二磷脂酸甘油的含量[16]。

从另一个层面说，细菌素是作用于靶细胞膜，导致膜通透性增大，致使细胞内容物外泻而死亡。

7 细菌素在食品工业中的应用7.1 肉类和海鲜制品发酵型肉类产品在成熟过程中发生的变化可以抑制单增性李斯特菌的生长（肉类发酵在短时间内的干燥过程可以产生少量酸而抑制李氏菌的生长）。

然而，熏肉在快速成熟过程中李斯特菌在特定的条件下还是可以使环境温度升高并且减缓酸的产生。

在熏肉中接种能产生抗李斯特菌素的细菌，经过一段时间后测定pH为5.7，李斯特菌含量水平明显降低[17]。

研究发现，在其他发酵肉类成熟的过程中加入一定量的李斯特菌和产生抗李斯特菌素的细菌，也能明显抑制李斯特菌的生长繁殖。

但是，在没有细菌素加入的条件下，很多李氏菌被抑制的主要原因是由于pH的降低。

人们利用细菌素的抑菌机理在4℃下对真空包装小熏肠和法兰克福香肠进行保藏，这两种食品的保藏方法是袋装产品和散装产品在加工后防止污染的保藏模式。

研究证明，在法兰克福香肠中加入107 cfu/g的片球菌能够延长60 d的保质期，但是如果在不添加片球菌的条件下致病菌会从104cfu/g增加到106 cfu/g[18]。