聚赖氨酸的研究进展

聚赖氨酸的研究进展

食品的腐败变质主要是指由于微生物的作用而导致食品质量下降或失去食用价值的一切变化，它直接影响食品的品质和消费者的健康。全世界每年约有10％～20％的农副产品、水产品、果蔬会腐败变质，经济损失巨大。如何防止食品的腐败变质越来越引起人们的重视，有关食品防腐剂的研究也日趋完善。

目前使用的防腐剂品种很多，美国有50多种，日本有43种，中国香港特区27种，主要为丙酸及盐类、山梨酸及钾盐、苯甲酸类、噻菌灵、对羟基苯甲酸酯类、以及新型生物防腐剂聚赖氨酸、鱼精蛋白、乳酸、链球菌素等。我国允许使用的约18种，主要品种有：苯甲酸钠、山梨酸及其钾盐、丙酸钙等，生物防腐剂的开发和应用尚处于起步阶段。苯甲酸系列、山梨酸系列、丙酸盐等这些防腐剂均为化学合成的防腐剂，对人体健康有一定影响。随着人们生活水平的日益提高，迫切需要更安全的防腐剂。日本开始使用聚赖氨酸、Nisin等以微生物发酵法生产的天然防腐剂替代传统的化学合成的防腐剂。

作为新型的天然防腐剂，ε-聚赖氨酸已于2003年10月被FDA批准为安全食品保鲜剂。迄今为止，ε-聚赖氨酸的微生物发酵在日本已实现工业化，年产千吨ε-聚赖氨酸的现代化工业装置已建成投产。但该技术在国内还处于实验室阶段，ε-聚赖氨酸生物防腐剂的开发和生产还处于起步阶段，如果能重点扶持这一技术，将会在未来几年创造出可观的经济效益。

1聚赖氨酸的性质

1977年日本学者S．Shima和H．Sakai在从微生物中筛选Dragendo~Positive(简写为DP)物质的过程中，发现一株放线菌No．346能产生大量而稳定的DP物质，通过对酸水解产物的分析及结构分析，证实该DP物质是一种含有25—30个赖氨酸残基的同型单体聚合物，称为ε-多聚赖氨酸(8一 PL)。研究证明由于ε-PL比α-PL有更强的抑菌活性，而且仅一多聚赖氨酸有一定毒性，目前在国际市场上ε-多聚赖氨酸作为食品防腐剂已经取代了α-多聚赖氨酸。其分子式如下：

1．1 ε-聚赖氨酸的理化性质

ε-聚赖氨酸为淡黄色粉末、吸湿性强，略有苦味，是赖氨酸的直链状聚合物。它不受pH值影响，对热稳定(120℃，20min)，能抑制耐热菌，故加入后可热处理。但遇酸性多糖类、盐酸盐类、磷酸盐类、铜离子等可能因结合而使活性降低。与盐酸、柠檬酸、苹果酸、甘氨酸和高级脂肪甘油酯等合用又有增效作用。分子量在3600—4300之间的ε-聚赖氨酸其抑菌活性最好，当分子量低于1300时，ε-聚赖氨酸失去抑菌活性。由于聚赖氨酸是混合物，所以没有固定的熔点，250℃以上开始软化分解。￡一聚赖氨酸溶于水，微溶于乙醇。对其表征进行红外光谱分析表明：在1680～1640cm -1和1580—1520cm-1有强吸收峰。

1．2 ε-聚赖氨酸的生物学性质

ε-聚赖氨酸是一种具有抑菌功效的多肽，这种生物防腐剂在80年代初由日本学者腾井正弘，平木纯首次应用于食品防腐。ε-聚赖氨酸能在人体内分解为赖氨酸，而赖氨酸是人体必需的8种氨基酸之一，也是世界各国允许在食品中强化的氨基酸。因此8一聚赖氨酸是一种营养型抑菌剂，安全性高于其他化学防腐剂，其急性口服毒性为5g/kg。

ε-聚赖氨酸抑菌谱广，对于酵母属的尖锐假丝酵母菌、法红酵母菌、产膜毕氏酵母、玫瑰掷孢酵母；革兰氏阳性菌中的耐热脂肪芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌；革兰氏阴性菌中的产气节杆菌、大肠杆菌等引起食物中毒与腐败的菌有强烈的抑制作用。刘慧等研究也表明：ε-聚赖氨酸对革兰氏阳性的微球菌，保加利亚乳杆菌，热链球菌，革兰氏阴性的大肠杆菌，沙门氏菌以及酵母菌的生长有明显抑制效果，聚赖氨酸与醋酸复合试剂对枯草芽胞杆菌有明显抑制作用。

2 ε-聚赖氨酸的抑菌机理

传统研究认为，食品防腐剂的作用机理主要表现在如下3个方面：(1)作用于细胞壁和细胞膜系统；(2)作用于遗传物质或遗传微粒结构；(3)作用于酶或功能蛋白。

s．Shima，H．Sakai等研究发现，防腐剂主要抑制微生物的呼吸作用，导致能量物质ATP和还原物质NADH亏缺，所有合成代谢受阻，活性的动态膜结构不能维持，代谢方向趋于水解，最后产生细胞自溶。实验表明，ε-聚赖氨酸踞留生物膜后，破坏依赖于膜结构完整的能量代谢和细胞及细胞器赖以生存的对物质的选择性，导致胞内溶酶体膜破裂而诱导微生物产生自溶作用，最终导致细胞死亡。

1984年s．Shima等对ε-PL的进一步研究发现当其浓度为1—8 mg·L -1时，即对C+、G-细菌有抑制作用，且抑菌能力强，ε-PL必须含有10个以上赖氨酸残基才具有抑菌活性，对氨基的化学修饰会降低其抑菌能力。8一PL 通过与细胞膜作用影响微生物细胞的呼吸，与胞内的核糖体结合影响生物大分子的合成。

1983年Vaara M等发现聚阳离子能破坏G一细菌的外膜，并进一步杀死这些细菌。1992年 Vaara M进一步发现，聚赖氨酸是通过吸附到G一细菌的外膜上，释放出大量的脂多糖，破坏细菌外膜，而起到抑菌作用的。

1995年N Delihas等发现分枝杆菌属的细菌对￡一PL的抑菌作用具有高度的敏感性，说明ε-PL及其衍生物可用作抗结核药物。

2000年刘慧等对聚赖氨酸的抑菌性能进行了研究，发现8一PL不仅可抑制耐热性较强的G+的微球菌，而且对其它天然防腐剂(如Nisin)不易抑制的G-的大肠杆菌、沙门氏菌抑菌效果亦非常好，同时还可抑制保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、酵母菌的生长。但是单独使用ε-PL时对枯草芽孢杆菌、黑曲霉抑制不明显，采用￡一PL与醋酸复合处理，对枯草芽孢杆菌抑制作用增强，经高温处理后的ε- PL对微球菌仍有抑菌活性。

3 ε-聚赖氨酸的生产

3．1 ε-聚赖氨酸的生物合成

ε-聚赖氨酸的生物合成途径目前还不清楚。据日本学者推测，是由L一赖氨酸聚合酶催化单体赖氨酸聚合而成，所以ε-聚赖氨酸的代谢途径可能经赖氨酸合成途径，最后由聚合酶催化合成见图2

3．2 ε-聚赖氨酸的发酵

1981年S．Shima和H．Sakai对筛选到的ε-PL产生菌进行了分类鉴定确定为白色链霉菌(strepto— myces albulus)。白色链霉菌在形态特征方面，菌孢子丝简单分枝、密螺旋，颜色为灰色或灰棕色，组成孢子丝的孢子数量有数十个，孢子是1．2～1．5μm的椭圆形，具有多刺的表面结构。生长温度15～40％(最适30℃)。

同时s．Shima等研究了ε-PL的发酵生产条件，发现碳源中甘油和葡萄糖是最好的；有机氮源中硫酸铵和酵母膏的混合使用更有利于8一PL的形成。在发酵过程中pH的下降，对于ε-PL的积累是至关重要的条件。ε-PL生产的最适温度是25—30℃，通气量的增加有利于ε-PL的积累。

姜俊云等采用5L自控式发酵罐研究了ε-聚赖氨酸分批发酵过程中搅拌转速和pH对发酵指标以及菌体细胞形态的影响。提高搅拌速率对菌体生长和ε-聚赖氨酸的合成有显著的促进作用；当搅拌转速为350r·rain -1和控制pH4．O 时可获得最大的ε-聚赖氨酸产量2．95g·L -1，这是由于当白色链霉菌形成菌丝球时，在一定的搅拌速度下，使其比较疏松，有利于聚赖氨酸的合成。

2001年P．Kahar等研究了通过控制pH增加白色链霉菌410菌株的ε-PL产量的方法，他们认为8一PL的发酵生产过程中，前阶段细胞生长期若维持pH5．0以上，利于细胞的生长；后阶段ε-PL积累期将pH维持在4．O左右，能增加ε-PL的产量，同时通过补料方式使pH不上升，这种控制pH的发酵方式使ε-PL的产量由5．7 g·L -1增加到了48．3 g·L -1。据有关方面报道，在白色链霉菌细胞膜存在一种PL裂解酶，该酶在pH5．O时才有活性，这可能就是为什么pH高于4．0时PL产量会降低。

目前，ε-聚赖氨酸的合成菌株的最高产率为50 g·L -1左右，但若要取得更大的经济效益，还必须对菌株作进一步改良。传统的方法是对出发菌株采用常规的诱变方法；随着对8一PL合成机理研究的深入和合成酶基因的定位、克隆和表达，科研人员将采用基因工程手段，构建基因工程菌应用于8一 PL的生产。