新型防腐剂纳他霉素的研究进展

新型防腐剂纳他霉素的研究进展

纳他霉素（Natamycin）是一种多烯大环内酯类抗真菌剂[1]，也称游链霉素(Pimaricin)。它是由5个多聚乙酰合成酶基因编码的多酶体系合成[2]。由于它能够专性地抑制酵母菌和霉菌，被广泛应用于食品防腐和真菌引起的疾病的治疗。

纳他霉素首次分离得到了是在1955年的南非，产生菌是纳塔尔链霉菌（Streptomyces natalensis）。1982年6月，美国食品与药品管理局（FDA）正式批准纳他霉素可用作食品防腐剂。在美国，纳他霉素已被批准用于奶酪的保存，并且未限制其使用方式，可以用浸润，喷雾，以及和安全合适的消结块剂混合使用，但最终成品中纳他霉素的浓度必须低于20mg/kg[3]。

1997年3月，我国卫生部正式批准纳他霉素作为食品防腐剂，其商品名称为霉克(NatamycinTM)。我国现已批准使用的防腐剂有30种，除曲酸(Kojic acid)、乳酸链球菌肽(Nisin)和纳他霉素(Natamycin)外，其余均为化学防腐剂。纳他霉素在实际中的使用量为10-6数量级。因此，它是一种高效、安全的新型生物防腐剂。

目前，瑞士这样对食品安全非常重视的国家也允许在面包和奶酪产品中使用纳他霉素。纳他霉素已经在很多国家得到广泛使用，包括欧盟，大部分北美和东欧国家，以及一些中东国家。

1 纳他霉素的结构和性质

纳他霉素是近白色至奶油黄色结晶粉末，几乎无臭无味，溶点280℃（分解），分子式C33H47O13，相对分子量665.75u，结构式如图1所示。纳他霉素是一类两性物质，分子中有一个碱性基团和一个酸性基团，等电点为6.5。

纳他霉素在水中和极性有机溶剂中溶解度很低，不溶于非极性溶剂，室温下在水中的溶解度为30~50mg/l。易于溶于碱性和酸性的水溶液中。转变为胆酸盐形式后溶解度可以迅速增加。纳他霉素的低水溶性不利于它的生物利用度。因为溶解的纳他霉素必须扩散到目标物的活性部位，并且和目标物结合才能发挥作用[4]。

在大多数食品的pH值范围内，纳他霉素是非常稳定的。高温、紫外线、氧化剂及重金属等会影响纳他霉素低的稳定性[5]。但可以瞬时高温（温度可达100℃）不影响其活性。N-Natamycin(3-N-dimethylaminopropylsuccimido)的活性比较低，可能是对它的化学修饰都会降低其活性[6]，纳他霉素是经深层发酵和多步提取工艺精制而成，其制剂通常是50%纳他霉素和50%乳糖的混合物。

2 纳他霉素的抑菌作用机制

纳他霉素是26种多烯烃大环内酯类抗真菌剂的一种，多烯是一平面大环内酯环状结构，纳他霉素分子的疏水部分即大环内酯的双键部分以范德华力和真菌细胞质膜上的甾醇分子结合，形成抗生素－甾醇复合物，破坏细胞质膜的渗透性；分子的亲水部分即大环内酯的多醇部分则在膜上形成水孔，损伤膜的通透性，

从而引起菌内氨基酸、电解质等重要物质渗出而死亡[7]。但有些微生物如细菌的细胞壁及细胞质膜不存在这些类甾醇化合物，所以纳他霉素对细菌没有作用。

3 纳他霉素的生产工艺

纳他霉素的生产菌种主要有Streptomyces chattanovgensis,Streptomyces natulonso,Streptomyces gilvo-sporeus等3种链霉菌。

杨东靖等根据分子育种中链霉菌产抗生素能力与链霉素抗性基因之间的对应关系，利用链霉素抗性突变作为筛选标记，快速高效地得到了高产菌株SG56，并对其发酵工艺进行了研究[8]。研究发现SG56纳他霉素的产量比原始菌种提高了146％。在经过发酵条件优化以后，SG56的纳他霉素最终产量达到2.81g/l，是出发菌株产量的170%。

3.1 发酵工艺

美国专利报道[9]，Streptomyces gilvosporeus菌经发酵罐放大培养总发酵周期为250h，发酵在好氧条件下进行，搅拌速度在不同时期有所不同，在发酵第一阶段的搅拌速度为500r/min，到发酵第二阶段，由于产物及代谢物的积累，产物的产生速率有所下降，故应适当增加搅拌速度以保持发酵罐内足够的溶解氧水平；同时还要持续地抽去发酵罐中的旧培养液，并以与之相同的速率向发酵罐中添加新培养液，这样就避免有害代谢物在发酵罐中过度积累，及时补充新鲜的营养成分。另外，在发酵后期，添加的新鲜培养液各营养成分的浓度比原来的培养液都有所增加，这也有利于产物的生成，进一步提高产量。

在发酵过程中，培养液中各成分的浓度和类型都会影响纳他霉素的生物合成，其中碳氮比是最关键的因素之一，氮源促进菌体的生长繁殖，同时要在发酵中流加补充适当的碳源(葡萄糖)。纳他霉素在以葡萄糖作为碳源时产量最高，这是因为葡萄糖能渗入纳他霉素的分子中去[10]。在发酵前期葡萄糖的浓度为40g/l，到发酵后期则为20g/l，此时菌体生长和纳他霉素的产量均达到最佳值。该生产工艺中所用的氮源是大豆蛋白抽提物与酵母抽提物的混合物。有资料表明[11]，氮源的类型对菌体生长和纳他霉素的产量有较大影响，菌体细胞生长最好的氮源是酵母抽提物，而纳他霉素产生的最佳氮源是牛肉浸出物。所以，将两种氮源混合使用则使纳他霉素的产量增加两倍。Eisenschink等[12]用非酵母蛋白和酵母蛋白的混合物作为培养基中的氮源，得到较高产量的纳他霉素。

3.2 纳他霉素的提取分离

纳他霉素不溶于水，因此它在发酵液中呈晶体状。纳他霉素晶体有针型的，圆盘型的等等。它们都是在发酵过程中形成，直径一般在0.5~20?滋m。

最初人们利用水溶性或者部分水溶性的溶剂来萃取纳他霉素。Maldonado等[13]将经过过滤的发酵液经真空浓缩或用丁醇萃取粗抗菌素混合物，从中分离到纳他霉素。这些方法都需要在预处理时先去除一部分水分，而且使用了大量的有机溶剂，因此增加了提取的成本和环境的污染。另外纳他霉素容易部分酸解，影响回收率。

Borden等[14]分二步从发酵液中提取高纯度的纳他霉素：他们首先用NaOH或KOH把发酵液的pH 调整到10~11，加入一定量的水溶性溶剂，例如异丙醇，溶解发酵液中的纳他霉素，然后用错流过滤去除上述发酵液中的不溶性固体。最后降低pH到5.5~7.5使纳他霉素沉淀。从发酵液中得到的纳他霉素在沉淀固体中的质量比可达10%到50％。为了在提取过程中提高纳他霉素的稳定性，可以加入抗氧化剂（例如BHA、BHT），抗坏血酸，异抗坏血酸等。纳他霉素通常以水合纳他霉素形式存在，它比无水纳他霉素更稳定。

Raghoenath等[9]分二步从发酵液中分离纳他霉素：①分解菌丝体；②从处理过的发酵液中分离纳他霉素。分解菌丝体的过程包括溶菌，细胞物的增溶，晶簇和纤维的断裂。菌丝体的分解程度可以通过显微镜观察或粘度的改变在检测。菌丝体的分解方法有匀浆，高速剪切力，超声波技术，热，pH（酸性），酶解，表面活性剂等等，单独或者综合使用这些方法均可。选择这些方法的依据是不影响纳他霉素的结构和生物活性，也不会分解纳他霉素。然后根据水解液中各种物质直径的大小和密度的不同，使用梯度离心技术，将纳他霉素和杂质分离开来。这样可以除去90％以上的杂质，分离效果随着加入水和盐的增加而增加。最后通过真空干燥（温度约40℃）得到含3个水分子的晶体。

4 纳他霉素的主要应用

4.1 食品中的应用

纳他霉素作为食品防腐剂，应用非常广泛。Bunger等[15]将山梨酸酯防腐剂，纳他霉素和二羟基碳酸盐组成的抗菌混合物处理饮料和其他食品的制作过程，特别是果汁饮料，钙饮料，茶饮料，含牛奶固型物和蛋白质的饮料等，可以有效防止饮料中微生物的生长。

在酱油中添加15mg/kg的纳他霉素，可有效抑制酵母菌的生长与繁殖，防止白花的出现，而且纳他霉素使用成本低，对酱油的品质和风味无任何影响[16]。John等[17]研究了把纳他霉素和环糊精形成包含络和物，不仅能极大地增加纳他霉素的水溶性，而不影响它的原始结构和抗菌活性，同时便于将纳他霉素溶液均匀喷雾于奶酪表面。

Haan Deben Rudolf等[18]发明了纳他霉素和其它抗菌素制成混合的粉剂，用来处理香肠和干酪等食品。这种方法可以将香肠在12℃下至少保存60d以上，而不发生霉变。纳他霉素还可以应用于果酱、黄油、桔汁、生肉、沙拉酱防霉方面[19-20]。

4.2 医学上的应用

最近纳他霉素在医学上，特别是在眼角膜真菌感染方面的研究和报道层出不穷。Jani等[21]报道了用纳他霉素和崔西杆菌抗生素油膏治疗真菌性眼角膜溃疡的病例。Dorocka-Bobkowska[22]研究发现纳他霉素对口腔念球菌的感染有非常明显的治疗效果。Thomas[23]将纳他霉素溶液局部使用于眼角膜，发现纳他霉素对由丝状真菌引起的角膜炎也有明显的治疗效果，并且最佳的溶液浓度是5％。Monika等[24]报道纳他霉素可以治疗由短尾帚霉（Scopulariopsis brevicaulis）引起的角膜炎。Gagandeep[25]等报道一位65岁的妇女因为白内障手术后感染黑曲酶引起的眼内炎，对玻璃体内用两性霉素B5?滋g，纳他霉素5％，同时以阿托品1％处理，效果明显。有人等用纳他霉素和其它药物综合治疗由于白内障摘除引起的巩膜脓