ε聚赖氨酸的用途及研究进展

ε-聚赖氨酸的用途及研究进展

摘要：本文从ε-聚赖氨酸的发现、性质和用途、ε-聚赖氨酸产生菌的筛选和生物合成机理的研究、改造以及发酵生产做了简单介绍，让读者从以上几方面综合了解了ε-聚赖氨酸的各个用途和国内研究发展现状。

关键字：ε-聚赖氨酸、生物合成、用途、食品防腐、研究进展

1 引言

ε-聚赖氨酸的用途很广泛，例如可以作为广谱食品防腐剂，作为药物载体、作为细胞融合中的促融剂、作为人工合成抗原的载体、化妆品中的增白剂等。ε-聚赖氨酸作为食品防腐剂，具有广谱、高效、无毒、受pH值影响小等特点,这些特点是目前普遍使用的各种防腐剂所欠缺的,符合食品防腐剂的发展要求。目前使用的食品防腐剂主要是人工合成防腐剂，找到一种抗菌谱广、高效、无毒、不受pH值影响的防腐剂是食品工业迫切需要解决的一个问题。

2 ε-聚赖氨酸的发现

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(ε- PL)。

ε-聚赖氨酸由赖氨酸单体组成，进入人体后可以完全被消化吸，不但没有任何毒副作用，而且可以作为一种赖氨酸的来源；另外，ε-聚赖氨酸的抗菌谱广，对革兰阳性和革兰阴性细菌、酵母、霉菌&、病毒等都有明显的杀灭作用；抑菌效率高，在浓度很低时就起作用；它还不受食品pH值的影响。ε-聚赖氨酸在日本已经作为食品防腐剂广泛使用，而在世界范围内也只有日本才有这种产品。

研究开发这种新型食品防腐剂具有十分重要的理论意义和应用价值。但是，从1977年发现ε-聚赖氨酸开始直到2002年为止对于菌种的筛选和生物合成机理的研究一直没有取得突破，尽管通过对菌种的诱变以及控制发酵条件，目前已经可以获得较高的ε-聚赖氨酸产量，但是这些研究都不是定向的。直到2002年以后，有关ε-聚赖氨酸产生菌的筛选，以及生物合成机理的研究才取得突破。

3 ε-聚赖氨酸的性质和用途

ε-聚赖氨酸在日本已经作为食品防腐剂广泛使用，它抗菌作用强，低浓度就有明显的抗菌作用；抗菌谱广，对革兰阳性和革兰阴性细菌、酵母、霉菌、病毒等都有明显的杀灭作用；同时聚赖氨酸也具有一定的抗噬菌体的能力，刘慧等利用圆滤纸片抑菌试验法研究了聚赖氨酸单独作用及其与醋酸混合使用时对微生物的抑制效果，表明，聚赖氨酸对革兰阳性的微球菌,保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌，革兰阴性的大肠杆菌、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。

ε-聚赖氨酸的热稳定性高，聚赖氨酸的水溶液在80℃处理60min、100℃处理30min、120℃处理20min对大肠杆菌的最小抑制浓度不变；刘慧等的实验也表明经高温处理后的聚赖氨

酸对微球菌仍有抑菌活性。

ε-聚赖氨酸抑菌的最适pH为5~8，pH范围正是其他常见食品防腐剂如苯甲酸、山梨酸等不起作用的范围，也是多数食品的pH范围。ε-聚赖氨酸无毒，Hiraki J等以老鼠为实验对象研究了，ε-聚赖氨酸的药物动力学和代谢途径，摄入高达5g/kg时无死亡；在细菌回复突变实验中，也没有发现，ε-聚赖氨酸有诱变作用。因此他们认为，ε-聚赖氨酸作为食品防腐剂是安全的。

聚赖氨酸由于其抗菌性和安全性已广泛应用到食品工业的各个领域，但是，ε-聚赖氨酸易于与食品中的蛋白质、酸性多糖等成分相互作用，导致抗菌活性丧失，因此，ε-聚赖氨酸目前主要用于淀粉含量较高的食品的防腐中。

ε-聚赖氨酸用于食品防腐时，可单独使用或与其他食品添加剂配合使用。常用的食品添加剂有甘氨酸、酒精、醋、磺酸月桂脂。复配使用可大大提高ε-PL的防腐性能。例如，当ε-聚赖氨酸与甘氨酸复配用于浓缩牛奶的防腐时，可观察到协同抑菌效果，使添加到食品中的防腐剂的总量得以降低。

ε-聚赖氨酸在工业食品应用中的一个实际问题是ε-聚赖氨酸与蛋白或酸性多糖相互作用，可能导致其抗菌活性的丧失。而且，其乳化能力较差，其应用基本局限于淀粉类食品。近来，利用美拉德反应将ε-聚赖氨酸与葡聚糖共价结合以提高其乳化能力，所得到的PL-葡聚糖优于那些商业化的乳化剂葡萄糖-脂肪酸酯和聚甘油酯，特别是在中性pH值范围内其乳化能力极佳，在高盐浓度下（1.0M）、pH＞7时其乳化能力不受影响。而且，PL-葡聚糖几乎完全保留了ε-聚赖氨酸的初始抗菌能力，因此，PL-葡聚糖在食品加工可用作功能食品添加剂，即乳化剂和抗菌剂。

ε-聚赖氨酸还可以作为化妆品的增白剂药物载体等。

4 ε-聚赖氨酸产生菌的筛选和生物合成机理的研究

ε-聚赖氨酸产生菌的筛选和生成合成机理的直到2003年以前，有关生物合成ε-聚赖氨酸的研究，一直有两个问题没有很好地得到解决：（1）对于ε-聚赖氨酸产生菌的筛选一直没有理想的方法，所以一直不能进行大规模筛选；对于ε-聚赖氨酸的生物合成机理一直没有搞清楚。

直到2002年，日本学者Masanobu Nishikaw找到了一种颇为有效的筛选方法，通过在培养基中加入一种酸性染料PolyR-478，可以在ε-聚赖氨酸产生菌的菌落周围看到明显的颜色变化，因而可以进行大规模筛选，克服了盲目性。Masanobu Nishikaw采用这种方法，对各地土壤样品进行了大规模的筛选，获得了许多可以产生，ε-聚赖氨酸的菌株，并且发现这些菌株大部分属于链霉菌。

2002年，Mitsuaki Kito等人发现在Streptomyces albulus以及另外一些产生ε-聚赖氨酸的菌株中，如Streptomyces virginiae IFO 12827和Streptomyces norsei IFO15452等，它们的细胞膜上紧密吸附着一种降解ε-聚赖氨酸的酶，该酶是一种外切酶，由N-末端依次切下一个赖氨酸残基。这一现象提示细胞膜上存在的降解ε-聚赖氨酸的酶与细胞产生ε-聚赖氨酸的活性之间存在着相关关系。

在2003年，对于ε-聚赖氨酸生物合成机理的研究取得突破，Takahiro Kawai等将Streptomyces albulus的细胞破碎后离心去除细胞碎片，上清液经先后2次高速离心分级，和一次离子交换柱层析后，得到了催化活性较强的组分，这一组分可以在细胞外以赖氨酸为底物催化合成ε-聚赖氨酸。这一研究表明，ε-聚赖氨酸不是在DNA指导下转录出mRNA，再以mRNA为模版通过核糖体的翻译作用合成的，而是通过细胞内的某一种或者某几种酶催化合成。该研究还阐明了催化合成,ε-聚赖氨酸的酶促反应条件，发现合成作用需要ATP