Nisin及其在食品工业中的应用

庞瑞霞，宗楠

（1.天津市乳品食品监测中心，天津 300381；2.北京林业大学 生物科学与技术学院，北京 100083）

乳酸链球菌肽（Nisin），又称乳酸链球菌素，是从乳酸链球菌发酵产物中提取的一类多肽化合物。Nisin生产菌株无毒，能抑制各种革兰氏阳性菌及其芽孢，不改变肠道内正常菌群、不产生抗药性，食入胃肠道后易被蛋白酶所分解，因而是一种安全的天然食品防腐剂。

FAO（世界粮农组织）和WHO（世界卫生组织）已于1969年给予认可，是目前唯一允许作为防腐剂在食品中使用的细菌素。从而广泛应用于奶油、干酪等乳制品，松脆饼、糕点等粮油加工产品，果蔬产品、啤酒饮料及调味料等，现已被50多个国家应用于热加工食品、酸度中性食品，来抑制细菌引起的腐败。但在我国的食品行业中还没有得到广泛的应用。

1 Nisin 的结构与性质

1.1 分子结构

乳酸链球菌素属于羊毛硫抗生素线型分子的一种。1970年，Gross和Morell已阐明Nisin的完整分子结构，它是一种新型的低聚肽，成熟的Nisin分子由34个氨基酸残基组成，分子式为C143H228N42O37S7，分子量为3510。Nisin分子结构中包含5种稀有氨基酸，分别为双脱氢丙氨酸、双脱氢丁氨酸、羊毛硫氨酸、3-甲基羊毛硫氨酸和氨基丁酸，它们通过硫醚键形成5个内环，其活性分子常为二聚体或四聚体。二聚体分子量为7000，四聚体分子量为14000[1-2]。经过几十年的研究，人们已发现Nisin分子有6种类型，它们分别是A、B、C、D、E、Z，其中以Nisin A和Z两种类型的研究最为活跃。Nisin A与Nisin Z的差异仅在于氨基酸顺序上第27位氨基酸的种类不同，Nisin A是组氨酸（His），而Nisin Z是天冬酰胺（Asn）[2]。

1.2 理化性质

Nisin是一种白色的粉末，使用时需溶于水或液体中。Nisin的溶解度主要取决于溶液的pH，在pH较低的情况下，溶解性较好。Nisin在中性和碱性条件下几乎不溶解，所以在应用时，一般先用0.02 mol/L盐酸溶解，再加入到食品中。Nisin的热稳定性与其溶解性有关，在pH2.0或低于2.0的稀盐酸中可经115.6℃灭菌而不失活，但在pH5.0时灭菌失活40%，pH6.8时将丧失90%的活力，在高pH时其分子内部的脱氢残基易发生反应形成多分子共聚物。所以在使用时尽量保持较低pH并避免高温加热。Nisin加入食品后，其热稳定性会大大提高。

2 Nisin的抑菌机制

在天然状态下，Nisin有Nisin A和Nisin Z两种形式，后者的抑菌能力比前者强。Nisin只有在一定的浓度范围下才能起抑菌作用，因此食品中所含细菌数量越多，则添加Nisin的量也越大。研究认为，Nisin分子首先与LipidⅡ结合，在微生物细胞膜表面形成通透孔道，继而将目标细胞杀死，其作用表现为杀菌，并非抑菌或溶菌；而Nisin对营养细胞的作用主要是在细胞膜上，通过抑制细菌细胞壁中肽聚糖等的生物合成，使细胞膜和磷脂化合物合成受阻，最终导致细胞内物质外泄，引起细胞裂解，芽孢经热处理损伤愈严重，应用Nisin的效果愈好，此过程受到H2S调控[3]。虽然Nisin抑菌谱较窄，仅对革兰氏阳性菌起作用，但Nisin处理与冷冻、加热、低pH、EDTA及表面活性剂处理结合，也对部分革兰氏阴性菌有致死作用[4]。

3 Nisin的抑菌范围

Nisin不抑制革兰氏阴性菌、酵母和霉菌，专抑制革兰氏阳性菌，特别是细菌芽孢。Nisin能抑制葡萄球菌属、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及其芽孢。例如，杆菌属中的嗜热脂肪芽孢杆菌的芽孢对Nisin最为敏感，只需极少量的Nisin即可被杀死。而且Nisin能有效抑制肉毒梭状芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、溶血链球菌、李斯特氏菌、枯草芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌等所引起的食品腐败。这一特性使它被广泛地应用在经热处理的包装食品中作为防腐剂[5-6]。Nisin与其他防腐剂联合使用能增强自身的抑菌作用，并获得较宽的抑菌谱。Nisin和乳酸合用能抑制肉中的金黄色葡萄球菌和沙门氏菌。Nisin与螯合剂合用时能有效地减少革兰氏阴性菌的数量。Nisin与柠檬酸盐、磷酸盐合用也能提高其对革兰氏阴性菌的抑制效果[7]。

4 Nisin在食品工业中的应用

4.1 在乳制品中的应用

Nisin最早用于干酪的防腐，也是目前奶制品应用中的一个主要方面。在干酪加工的过程中，虽经过高温灭菌，但仍会有耐热性的革兰氏阳性菌芽孢（如肉毒梭菌和厌氧梭菌芽孢）存在，乳链菌肽可有效阻止这些芽孢的萌发及其毒素的形成。

由于Nisin能抑制嗜热耐热细菌和芽孢的生长、繁殖，因此将Nisin加入灭菌乳、炼乳、再制乳的加工中，均能抑制这些微生物的腐败作用，从而减少高温处理强度，改善产品品质，有效地延长产品的货架寿命。也可广泛用于巴氏杀菌乳、脱脂乳、无糖炼乳、风味乳、罐装牛奶点心、奶油制品、奶粉复原的奶制品[8]。另外，Nisin还可用于防止酸奶的后发酵。

4.2 在肉制品中的应用

传统的火腿、熏肉和香肠生产中，普遍使用亚硝酸盐、硝酸盐等进行护色，并抑制肉毒梭状芽孢杆菌的生长，其中硝酸盐通过硝酸盐还原菌作用转化为亚硝酸盐，随后亚硝酸盐与肉色素反应产生红色和风味。当人们食用火腿的同时，也食入一定量的亚硝酸盐，与体内的胺类物质作用，生成一种强烈的致癌物质——亚硝胺化合物，这是学术界普遍认为的质量安全问题。Nisin用于鱼、肉类制品中，不影响肉的色泽和防腐效果，还可明显降低硝酸盐的使用量，达到有效防止肉毒梭状芽孢杆菌毒素形成的目的。Nisin还可以应用于鲜肉、冷却肉、扒鸡以及海鲜制品等多种肉制品的保藏中，但是目前Nisin在我国肉制品的应用还仅限于研究阶段。

4.3 在罐藏食品中的应用

常规的罐头杀菌消毒处理难以将耐热芽孢菌，如嗜热脂肪芽孢杆菌和热解糖梭菌的耐热芽孢彻底杀死。一旦条件适宜，这些芽孢便会导致罐头食品腐败。而添加Nisin可有效地减少这方面的损失。在酸性条件下，Nisin的稳定性、溶解度、活性均提高，因而它可成功地用于高酸食品（pH＜4.5）的防腐。对于低酸和非酸性罐头食品添加Nisin后，也能起到降低热处理强度的作用。如添加到番茄酱、罐头汤汁、蔬菜和蘑菇产品中，能减弱杀菌条件，保证食品的营养风味。Nisin应用于酱菜罐头可以降低酱菜中食盐含量，而卫生质量与产品风味不受影响，这符合低盐腌制的发展要求。另外，Nisin还可有效控制罐头食品在贮藏期由于高温引起的腐败，延长货架寿命。同时由于一些国家在食品中不准使用一般用于酱菜罐头防腐的苯甲酸钠，所以将Nisin用于酱菜罐头出口，具有现实意义。

4.4 在酒精饮料中的使用

Nisin不抑制酵母菌这一特性亦可应用于啤酒、果酒、蒸馏酒等含酒精饮料的酿造，在啤酒酿造中的应用，在国内已取得满意的结果。

4.5 在果汁饮料中的应用

果汁及果汁类饮料的酸败经常是由酸土芽孢杆菌（酸土脂环酸杆菌）引起的。酸土芽孢杆菌是一种耐酸且耐热的产芽孢菌，最适于25℃～60℃、pH2.5～6.0的环境中生长、繁殖。据资料报道，在花园、森林土壤以及生产饮料的用水中均有酸土芽孢杆菌。因此，酸土芽孢杆菌很容易被带入果汁及果汁类饮料的生产加工过程中，引起果汁类产品的腐败。Nisin对大多数革兰氏阳性菌，尤其是产芽孢菌有很强的抑制作用。1999年，英国学者研究了Nisin对苹果汁、橘子汁和葡萄柚汁三种果汁中酸土芽孢杆菌芽孢的抑制作用，取得了令人满意的结果[9]。

4.6 其他

Nisin还可用于对Nisin不敏感的微生物发酵过程中，以防止革兰氏阳性菌的污染。如单细胞蛋白、有机酸、氨基酸和维生素等工业发酵过程。

5 前景与展望

Nisin是一种理想的天然、高效食品防腐剂，可提高加工产品稳定性，能够保持产品的营养价值，降低冷链贮运与销售成本。我国天然食品防腐剂的研究和开发尚处于起步阶段，目前Nisin的市场价格较高、抑菌谱较窄，在实际生产中还往往与山梨酸钾、双乙酸钠、壳聚糖、EDTA等化学防腐剂混合使用，或与动植物或矿物防腐剂配合使用，才能抑制细菌、霉菌、酵母菌等微生物生长。通过基因工程方法、蛋白质定向改造技术定能构建出高产、抗菌性能强、抗菌谱更广的天然防腐剂。随着人们对无公害产品要求的提高，发展天然的、生物的食品防腐剂已是一种必然趋势，Nisin的应用前景也会更加广阔。

[1]Juan L A，Javier F，Pilar G，et al.Antimicrobial activity of reuterin in combination with nisin against food-borne pathogens[J].International Journal of Food Microbiology，2004，95:225-229

[2]Naomi E K，Eddy J S，Jan K，et al.Resistance of Gram-positive bacteria to nisin is not determined by Lipid II levels[J].FEMS Microbiology Letters，2004，239:157-161

[3]陈秀珠，何松，龙力红，等.乳链菌肽高产菌株AL2的发酵条件研究[J].微生物学通报，1995(4)：215-218

[4]HurstA.Nisin[J].Advancesin applied microbiology，1991，27：85-123

[5]李红缨.安全高效的新型食品保存剂的研究进展[J].科技进展，2001，29(4)：18-22

[6]何华.天然食品防腐剂新品概览中国[J].中国食品工业，1997(8)：36-37

[7]张春江.Nisin的特性及在肉制品中的应用[J].肉类研究，2000(3)：31-33

[8]陈秀珠.乳链菌肽在乳制品防腐保鲜中应用的研究[J].中国乳品工业，1999，27(2)：3-5

[9]朱小乔.极具潜力的天然防腐剂-Nisin[J].食品与发酵工业，2000，27(4)：67-69