安全天然食品防腐劑細(xì)菌素

1、食品添加劑安全天然食品防腐劑細(xì)菌素細(xì)菌素(bacteriocin)是某些細(xì)菌產(chǎn)生的具有抗菌活性的多肽、蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)復(fù)合物[1]，某些細(xì)菌通過核糖體機(jī)制產(chǎn)生的一類具有抑菌生物活性的蛋白質(zhì)，大多數(shù)細(xì)菌素只對(duì)親緣關(guān)系較近的細(xì)菌有毒害作用，產(chǎn)生菌對(duì)其產(chǎn)生的細(xì)菌素具自身免疫性。雖然細(xì)菌素是抵抗諸如單核細(xì)胞增生李斯特氏菌(L.monnocytogenes)等食品病原菌的抑菌劑，它們并不同于青霉素等抗生素；傳統(tǒng)的多肽抗生素是由細(xì)胞多酶復(fù)合體催化形成

2、的，不存在結(jié)構(gòu)基因[2]，而細(xì)菌素由基因編碼可以通過基因工程的手加以改造。它們的合成及作用模式與臨床使用的抗生素亦不同。此外，對(duì)抗生素顯示抗性的微生物通常不對(duì)細(xì)菌素顯示交叉抗性，且與抗生素的抗性不一樣，細(xì)菌素抗性通常不是由遺傳決定的。雖然尼生素是商業(yè)上使用的唯一的純化的細(xì)菌素，別的如小球菌素(pediocin)，已經(jīng)在食品中應(yīng)用。由于食品安全問題正越來越受到國際社會(huì)的關(guān)注，來源于乳酸菌的能抵抗食品病原菌且無毒性或其它不利影響的抗菌肽的應(yīng)

3、用已經(jīng)引起很大的關(guān)注。美國每年花在與空腸彎曲菌(Campylobacterjejuni)、韋氏梭菌(Clostridiumperfringens)、大腸桿菌(EscherichiacoliO157:H7)、單核細(xì)胞增生李斯特氏菌(Listeriamonocytogenes)、沙門氏菌(Salmonella)和金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)等有關(guān)的食品引發(fā)的疾病的費(fèi)用在6.5~34.9億美元之間[3]。隨著對(duì)含

4、有化學(xué)防腐劑的食品消費(fèi)的增多，消費(fèi)者對(duì)食品安全更加關(guān)注，出現(xiàn)了對(duì)更“天然“或“盡量少的加工”食品更大的需求。因此，人們對(duì)天然的防腐劑細(xì)菌素產(chǎn)生了濃厚的興趣。文章以尼生素為重點(diǎn)對(duì)細(xì)菌素與抗生素的區(qū)別、活性細(xì)菌素分子的形成以及其在食品中的應(yīng)用進(jìn)行了較詳細(xì)的討論，比較了這兩種類型的分子的合成、作用模式及抵抗力和安全性。1細(xì)菌素的來源及分類為了維持自身的生存或其生態(tài)小環(huán)境，許多真核生物形成了對(duì)抗競(jìng)爭(zhēng)者或傳染者的抗菌防御系統(tǒng)[4]。從許多種類的真

5、核生物中均發(fā)現(xiàn)，抗菌肽的產(chǎn)生是其第一層防御，也是其先天免疫性的一部分。有時(shí)這些多肽對(duì)特定的競(jìng)爭(zhēng)菌群起作用，有時(shí)它們的廣譜活性可作為更一般的防御機(jī)制?？咕耐ㄟ^不同的機(jī)制保護(hù)寄主，但最常見的是通過增加靶細(xì)胞膜的通透性，導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)的不可逆泄漏及隨后的細(xì)胞死亡。來源于真核細(xì)胞的抗菌肽具有不同程度的毒性。例如，防御素(defensins)，由人類的嗜中性粒細(xì)胞產(chǎn)生，在高濃度時(shí)對(duì)生產(chǎn)其的細(xì)胞有細(xì)胞毒素的作用。雖然從真核細(xì)胞中分離出了許多種類的抗

6、菌肽，但它們的細(xì)胞毒素限制了其在食品中使用。細(xì)菌素最先發(fā)現(xiàn)于G—菌中。大腸桿菌素由多種抗細(xì)菌蛋白組成，它們可以通過各種機(jī)制：比如抑制細(xì)胞璧的合成，增加靶細(xì)胞膜的通透性，或抑制RNA或DNA的活性，殺死親緣關(guān)系較近的細(xì)菌[5]。在G細(xì)菌中，乳酸菌已經(jīng)成為抗菌肽的巨大來源庫。如前所述，由細(xì)菌產(chǎn)生的抗菌蛋白或多肽稱為細(xì)菌素(bacteriocins)。它們是核糖體合成的，能殺死親緣關(guān)系較近的細(xì)菌。由于細(xì)菌素是從諸如肉及膳食產(chǎn)品等食品(通常都含

7、有乳酸菌)中分離得到的，它們已經(jīng)被人們不自覺地消費(fèi)了數(shù)世紀(jì)。一個(gè)對(duì)乳酸細(xì)菌的40種野生型菌株的研究表明其中的35種產(chǎn)生尼生素[6]。有超過40個(gè)的國家允許使用尼生素，并且已經(jīng)作為食品防腐劑使用。人們常將細(xì)菌素與抗生素混淆。從法制的角度來說這將限制它們?cè)谑称分械膽?yīng)用，因?yàn)榘ㄎ覈趦?nèi)的因?yàn)樵S多國家禁止抗生素應(yīng)用于食品中。所以有必要正確區(qū)分細(xì)菌素與抗生素。它們的主要區(qū)別見表1，細(xì)菌素可明顯地區(qū)別于臨床抗生素，可以安全及有效地使用以達(dá)到控制食

8、品中目標(biāo)病原體生長的目的。在此以合成作用模式、抗菌譜、毒性及抵抗機(jī)制為基礎(chǔ)來區(qū)別細(xì)菌素與抗生素。通常將細(xì)菌素分為三或四種類型[7]。第一類(class1)細(xì)菌素稱為羊毛硫抗生素(lantibiotics)。的免疫性是幾種蛋白質(zhì)影響的結(jié)果，因?yàn)閯h除可以編碼其它蛋白質(zhì)的基因?qū)⒏淖兗闹鞯拿庖咝訹12]。例如，不產(chǎn)尼生素的對(duì)尼生素有抗性的菌株Lac.lactis并不具有編碼Nis1免疫蛋白的基因單元，但含有類似于nisF、nisE及nisG的基

9、因序列，而這被認(rèn)為是此菌株對(duì)尼生素有抗性的原因。刪除nisG使得細(xì)胞對(duì)尼生素的抗性減小。對(duì)于第二類class11)細(xì)菌素nonlantibiotics，免疫現(xiàn)象要簡(jiǎn)單些。它們具有一種可以編碼免疫蛋白的基因。通常，此免疫蛋白是松散地與膜結(jié)合在一起的具有50~150氨基酸殘基的堿性蛋白。乳球菌素A(LactococcinA)免疫蛋白(Lcn1)是目前為止研究得最多的。2.4抑菌性及其影響因素研究得較多的是尼生素的抑菌性。尼生素主要抑制大部分

10、G菌的生長，包括產(chǎn)芽孢桿菌(如肉毒桿菌)、耐熱腐敗菌(如嗜熱脂肪芽孢桿菌)等。它在食品防腐中的重要價(jià)值在于能抑制芽孢細(xì)菌(包括嗜熱產(chǎn)氣芽孢菌)。由于多數(shù)G菌能引起食品腐敗，有些并能導(dǎo)致食物中毒等危害人健康，因此尼生素作為食品防腐劑是重要的、有效的。早期的研究認(rèn)為，尼生素一般對(duì)霉菌、酵母菌和G—菌無效。但近期的研究表明，在一定條件下(如冷凍、加熱、降低pH和EDTA處理)，一些G—菌如沙門氏菌、大腸桿菌、假單胞菌、擬桿菌、放線桿菌、克雷伯

11、氏菌，對(duì)尼生素敏感。例如，尼生素的溶解性在pH2時(shí)比pH8時(shí)要高228倍。在酸性條件下，尼生素對(duì)溫度較穩(wěn)定，隨著pH值的增加，溫度越高，尼生素活性下降越顯著，pH6和7時(shí)，121℃、20min高溫后尼生素活性完全喪失。同時(shí)，放置溫度和時(shí)間對(duì)尼生素活性也有顯著影響，放置溫度越高、時(shí)間越長，尼生素活性下降越顯著。此外，食品的化學(xué)成分和物理狀態(tài)對(duì)細(xì)菌素的活性有巨大的影響。細(xì)菌素，特別是lantibiotics，是通過在膜上形成孔，耗盡跨膜電勢(shì)

12、差(△φ)和pH梯度，導(dǎo)致細(xì)胞物質(zhì)的泄漏而抑制靶細(xì)胞。細(xì)菌素是帶疏水片段的正電荷分子，其與靶細(xì)胞膜上的帶負(fù)電荷的磷酸鹽基團(tuán)的靜電相互作用被認(rèn)為有助于其最初的與靶細(xì)胞膜的結(jié)合。最近的研究表明尼生素活性的復(fù)雜性在于，為了殺死細(xì)胞必需與細(xì)胞膜上的脂質(zhì)II結(jié)合[15]?？梢酝茰y(cè)為了接近諸DNA、RNA、酶及其它位點(diǎn)等靶以殺死靶細(xì)胞，細(xì)菌素必需首先進(jìn)入細(xì)胞?，F(xiàn)在已經(jīng)證明有一種第二類細(xì)菌素可以精確地抑制敏感細(xì)菌中的細(xì)胞質(zhì)膜的形成。細(xì)菌素對(duì)不同靶細(xì)胞

13、的作用并不相等，研究者測(cè)定了細(xì)菌素對(duì)特定的菌種及菌株的親合力，目標(biāo)菌株的磷脂成分及環(huán)境的pH值影響MIC值[16]。最近有研究表明，似乎在靶細(xì)胞膜上的‘入塢分子’(dockingmolecules)更有利于與細(xì)菌素作用并增強(qiáng)細(xì)菌素的抑制效果。其它細(xì)菌素也可以作用于靶細(xì)胞膜的特定位點(diǎn)，這些位點(diǎn)可質(zhì)。而這些相互作用可以提高細(xì)菌素的抑制活性。蛋白質(zhì)PAI及乳球菌素A都能形成不依賴于電勢(shì)的孔。乳球菌素能透過敏感細(xì)胞囊而其脂質(zhì)并不受影響。這表明一

14、個(gè)細(xì)胞表面的類似受體的實(shí)體是必需的(如脂質(zhì)II)[1516]。2.5細(xì)菌素的毒性細(xì)菌素作為乳酸菌(LAB)的產(chǎn)品已經(jīng)被人們消費(fèi)。急性、亞慢性及慢性的研究，以及繁殖、提高敏感性、體外的和交叉抗性的研究均表明尼在ADI(AcceptableDailyIntake)為2.9mg人d時(shí)消費(fèi)是安全的。包括老鼠及豚鼠試驗(yàn)得知，由于尼生素是口服的，也測(cè)定了尼生素對(duì)口腔里的微生物菌群的影響，對(duì)飲用1min之后的含尼生素的巧克力牛奶進(jìn)行化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在唾液中