乳酸菌细菌素应用研究进展

徐炳政，王颖，，梁小月，张东杰，张桂芳

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，大庆 163319；2.国家杂粮工程技术研究中心）

乳酸菌是一类能从葡萄糖或乳糖的发酵过程中产生乳酸的无芽孢、革兰氏染色阳性细菌的总称，主要包括乳杆菌（Lactobacillus）、乳球菌（Lactococcus）、链球菌（Streptococus）与片球菌（Pediococcus）等18 个菌属，它们广泛存在于人和畜禽肠道以及多种食品中。乳酸菌在代谢过程中等够产生多种抑菌物质，其中细菌素属于这些抑菌物质的一种，它是由细菌在代谢过程中通过核糖体合成机制产生的一类具有抑菌活性的多肽或前体多肽，该类物质具有广泛的抑菌谱，能够对多种细菌产生抑制效果[1]。

乳酸菌细菌素是由乳酸菌代谢产生的一类具有抗菌作用的天然蛋白质或多肽类物质，将乳酸菌细菌素作为抑菌物质掺入食品系统已被广泛研究，并已有大量资料证实乳酸菌细菌素对腐败微生物具有一定的控制能力。目前乳酸菌细菌素在食品保鲜和健康保健等方面的潜在应用引起了国内外学者极大的兴趣，其中对nisin[2]的研究最为深入，过去30年间，其在食品应用中的安全性和有效性已得到反复证明[3]。近年来，随着对乳酸菌及乳酸菌细菌素研究的深入，乳酸菌细菌素在安全性、抑菌性等其他活性研究方面逐渐被认识，并成为蛋白质研究的一个热点[4]，重点对乳酸菌细菌素的研究及其应用进展进行了综述。

1 乳酸菌细菌素的分类

细菌素通常是结合不同的标准进行分类，主要有生产细菌属、细菌素分子量和最后的氨基酸序列或基因簇组织同源性[5]。目前乳酸菌细菌素的分类主要是基于细菌素氨基酸结构及理化性质，可将乳酸菌细菌素大致分为4 类，即羊毛硫抗生素（Ⅰ类）、小分子热稳定肽（Ⅱ类）、大分子热不稳定蛋白（Ⅲ类）及环形乳酸菌细菌素（Ⅳ类）。

Ⅰ类细菌素的典型特点就是在成熟的分子中含有一个或多个羊毛硫氨酸残基或甲基羊毛硫氨酸残基。由于该类细菌素结构复杂，通常根据结构可将其再分为：ⅠA 类线型羊毛硫细菌素，以Nisin 为主要代表；ⅠB 类球型羊毛硫细菌素，如细菌素Mersacidin[6]；ⅠC 类双（多）组份羊毛硫细菌素，以细菌素Lacticin 3147 为代表。小分子热稳定肽与大分子热不稳定蛋白主要是根据蛋白质分子大小及热稳定性进行区别，二者在生物活性方面差异性较小，两者细菌素主要来源于乳酸杆菌及乳酸球菌。羊毛硫抗生素根据蛋白质二级结构可分为A 型和B 型，该类细菌素具有极强的稳定性，nisin 是其最具有代表性的一种。近几年，还有一种由两个小肽构成的肽类物质被发现，这种肽类经过研究发现其抑菌体系及物理化学性能与其他三类都有很大的区别，但具体作用机制尚不明确，因此被列为第四类细菌素[7]。

2 乳酸菌细菌素的应用

2.1 乳酸菌细菌素在肉制品中的应用

由于乳酸菌通常在肉制品中发现，已经能从这些细菌中生产乳酸菌细菌素，因此乳酸菌细菌素在肉制品的保藏中得到了广泛应用，研究最为清楚的是nisin 在肉制中的应用。传统肉制品加工过程中，通常加入一定量的硝酸盐作为抑菌物质，用以肉制品防腐，为避免或减少亚硝胺类物质对人体健康的威胁，寻找安全的硝酸盐替代剂或佐剂引起越来越多的的关注。乳酸菌细菌素因其广泛的抑菌性能及安全性越来越多的引起了国内外学者的重视，是否可将其应用于食品中代替传统的防腐剂类物质成为了乳酸菌细菌素在食品中研究的焦点。目前被商业许可的乳酸菌细菌素只有nisin 一种，已经被50 多个国家允许添加入食品[8]。

袁秋萍[9]在香肠制作过程中，以nisin 代替亚硝酸盐加入香肠中，经过菌数分析，乳酸菌细菌素的抑菌效果明显，同时对香肠的风味与口感并没有带来任何影响与破坏，这为乳酸菌细菌素在香肠中的应用提供了数据借鉴。刘国荣等[10]分别以乳酸菌细菌素（enterocin LM-2）添加量320 AU·g-1、600 MPa 超高压处理5 min 以及两者联合处理低温切片火腿，揭示乳酸菌细菌素和超高压联合处理对低温切片火腿的防腐保鲜效果。结果表明，enterocin LM-2 和超高压处理都可明显延长低温切片火腿的货架期，并对产品原有色泽、气味、质构等感官特性影响较小，其中enterocin LM-2 和超高压联合处理的防腐效果最好，在不加入任何化学食品防腐剂的情况下，低温切片火腿的货架期可达到100 d。

2.2 乳酸菌细菌素在乳制品中的应用

乳酸菌作为安全的发酵剂在乳制品生产中具有悠久的历史，在各类乳酸发酵制品中，乳酸菌细菌素广泛存在。早在5 世纪，欧洲居民就发现酸奶能够治疗多种细菌引起的疾病，随着乳酸制品工业线的出现，各国学者普遍发现一个规律，即酸奶生产线受杂菌污染程度明显低于鲜奶生产线所受杂菌污染程度，后来多项研究证明，在抑制污染菌方面，乳酸菌产类细菌素物质占据主要作用[11]。Arokiyamary A[12]从牛奶和奶酪分离出对金黄色葡萄球菌、蜡样芽胞杆菌、伤寒杆菌等具有抑菌作用的菌株，经鉴定确定为乳酸杆菌，在排除有机酸和过氧化氢的影响后，确定抑菌物质为一类乳酸菌细菌素。Tejpal Dhewa[13]同样从乳酸杆菌及乳酸球菌中分离纯化出细菌素，并证明乳酸菌细菌素对牛奶中金黄色葡萄球菌等食品致病菌具有一定的杀菌效果。这些结果表明，乳酸菌细菌素及其类似物在乳制品工业生产中作为食品生物防腐剂具有潜在的应用价值，当然，需要通过进一步研究，了解乳酸菌细菌素的分子机制，结构和功能机制。

2.3 乳酸菌细菌素在果蔬制品中的应用

果蔬制品普遍含有高营养成分，是多数菌类生长的天然培养基，且果蔬制品加工过程中为了保护其口感及营养，多数不能采用强烈杀菌方式处理，采用乳酸菌发酵处理是一种传统的果蔬保鲜方法。多项研究表明，果蔬发酵过程中，乳酸菌除产生乳酸、过氧化氢、CO2等抑菌物质外，乳酸菌细菌素作为重要副产物同样具有较强的抑菌作用，作为新型安全无毒的防腐剂已在该领域已有一些成功应用。

Vinod[14]等从乳酸杆菌发酵的胡萝卜中提取并纯化出一类乳酸菌细菌素，探讨其对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及蜡样芽胞杆菌的杀菌作用。结果显示，乳酸菌细菌素对以上几种致病菌具有良好的抑菌效果，其中对大肠杆菌的抑菌效果最好。在100 ℃、pH为4～5 时，细菌素仍然保持稳定，121 ℃以及加入木瓜蛋白酶时完全失去抑菌活性。研究同时证明，乳酸菌细菌素对不同水果产品（纸浆，果汁和葡萄酒）中蜡样芽胞杆菌也具有抑菌作用，这就证实了乳酸菌细菌素在果蔬制品领域具有潜在的生物防腐剂应用。Grande[15]等将纯化后的乳酸菌细菌素enterocin AS-48 加入到果汁中，探讨该肽类物质对果汁货架期的影响，结果发现，乳酸菌细菌素在果汁环境中具有一定的稳定性，其抑菌活性并未受影响，加入细菌素的果汁货架期明显延长，多种果汁内的致病菌菌受到一定的物质，这项研究为乳酸菌细菌素在多种果汁中的应用提供了一定的效果支持。

2.4 乳酸菌细菌素在生物医药方面的应用

近年来，频繁及滥用化学药物导致的药物危机已成为严重的公共健康问题，寻找新的抗菌药物代替化学药物成为人们的迫切需求。乳酸菌素细菌能有效抑制某些病原菌的生长，使其在治疗和控制目标细菌方面表现出巨大的可能性。目前，乳酸菌细菌素用于药物开发成为一个有吸引力的焦点，因为乳酸菌细菌素抑制大多数病原体具有较好效果，且乳酸菌广泛存在于自然界中，稳定性较好，并且对人体细胞无毒性。最近，乳酸菌细菌素在生物医药方面的研究进入了一个新时代，对乳酸菌细菌素目的基因的研究有了显著进步，使人们进一步了解了它们的作用模式。目前，通过基因工程技术修饰乳酸菌细菌素编码基因从而提高乳酸菌细菌素生产量得到了广泛研究[16]，同时出现大量新的方法利用乳酸菌产生的细菌素抑制真核细胞的增殖，即治疗肿瘤及人类和动物传染性疾病[17]。

2.5 乳酸菌细菌素在畜牧养殖方面的应用

随着抗生素类及激素类药物在畜牧业中的大量使用及滥用，抗药性已经成为畜牧养殖行业不可避免的话题，由于乳酸菌细菌素为天然抗菌物质，具有较高的安全性及抑菌性能，是否可将乳酸菌细菌素作为抗菌添加剂代替抗生素类药物加入饲料中，从而达到致病抑菌的效果逐渐引起了国内外学者的兴趣，此方面已有大量研究证实了将乳酸菌细菌素添加入动物饲料中[18]，能够明显抑制致病菌增生，提高动物免疫力，减少免疫疾病的发生，并能够提高雄性动物精子数量及存活率。但是将乳酸菌添加入饲料中的剂量和其安全性仍处于研究阶段，这也限制了混合乳酸菌细菌素饲料的批量生产，我国目前在该方面仍处于研究方面，只有生物源等公司有相关产品进入市售。

3 乳酸菌细菌素的安全性

乳酸菌细菌素在自然界中广泛存在，它们是非常稳定的蛋白质类物质，对人体细胞无毒性。乳酸菌细菌素作为乳酸菌代谢产物，经过几十年的研究，乳酸菌细菌素强大的抑菌活性及其在食品生物防腐剂方面的潜在应用已被大量资料证实。尽管目前nisin是唯一纯化后商业应用的细菌素，其他乳酸菌细菌素如乳酸菌链球菌素、乳酸片球菌素已在食品及医药系统中得以应用。细菌素具有抑制食源性病原菌和腐败细菌的作用，但它们的合成与作用方式与临床抗生素不同，不属于抗生素范畴，而且对抗生素有耐受的病原菌通常和乳酸菌细菌素不发生交叉耐受。

1988年食品和药物管理局（FDA）将nisin 列为公认安全级别（GRAS），我国于1990年许可nisin 作为食品防腐剂，并列入国标GB2760-86。急性、亚急性和慢性毒性试验，以及繁殖、敏感性、体内和交叉耐受研究表明，nisin 在每日摄入量每人为2.9 mg·d-1情况下对人体是安全的。多项数据也证实其他具有在食品中应用潜力的多种乳酸菌细菌素也是安全的。

4 展望

在过去的几年中，大量的新的乳酸菌产生的细菌素已被识别和表征，乳酸菌细菌素凭借其优越的抑菌性和安全性已被广泛应用于抑菌添加剂、功能药物、保健食品及化妆品等领域。随着新的乳酸菌细菌素及产细菌素菌株的出现，相关报道及研究越来越多，主要集中在诱变筛选技术获得新菌株和高产菌株以及基因工程分析各类乳酸菌细菌素结构基因。

随着分子生物学理论及技术的逐渐成熟，通过基因工程手段改良菌种，提高性能扩大产量成为可能。但是乳酸菌细菌素的抗菌蛋白/多肽是一个多元化系统，因此预计在不同的的目标细菌和不同环境下，乳酸菌细菌素作用效果不同，更加精确的确定每一类细菌素不同的作用条件仍需进一步深入研究。同时在食品保鲜方面，乳酸菌细菌素同其他技术的联合应用（如超声辐照，微波和欧姆加热，或脉冲光）仍是未开发的，因此需要进一步了解乳酸菌细菌素与食品生态系统的相互作用。同时，乳酸菌细菌素在医药及化妆品等领域仍需进一步研究和临床验证。总之，乳酸菌细菌素这种安全、有效的天然抑菌剂具有广阔的应用与市场前景。

［1］O’Shea E F，Cotter P D，Ross R P，et al.Strategies to improve the bacteriocin protection provided by lactic acid bacteria［J］.Current Opinion in Biotechnology，2013，24（2）：130-134.

［2］刘姗，高玉荣.格氏乳球菌素LG34 生物稳定性的研究［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2013，25（3）：67-70.

［3］Blanco Massani M，Morando P J，Vignolo G M，et al.Characterization of a multilayer film activated with lactobacillus curvatus CRL705 bacteriocins［J］.Journal of the Science of Food and Agriculture，2012，92（6）：1318-1323.

［4］Dobson A，Cotter P D，Ross R P，et al.Production：a probiotic trait［J］.Applied and Environmental Microbiology，2012，78（1）：1-6.

［5］Balciunas E M，Castillo Martinez F A，Todorov S D，et al.Novel biotechnological applications of bacteriocins：a review［J］.Food Control，2013，32（1）：134-142.

［6］刘宝生，张锦华，罗军荣.细菌素及其应用的研究进展［J］.中国畜牧兽医，2013（5）：123-128.

［7］叶巍，霍贵成.乳酸菌细菌素应用研究进展［J］.乳业科学与技术，2006，29（2）：56-58.

［8］Peres C M，Peres C，Hernández-Mendoza A，et al.Review on fermented plant materials as carriers and sources of potentially probiotic lactic acid bacteria with an emphasis on table olives ［J］.Trends in Food Science and Technology，2012，26（1）：31-42.

［9］袁秋萍.乳酸链球菌素在肉制品中的应用［J］.食品工业科技，1998，3（4）：27-28.

［10］刘国荣，孙勇，王成涛.乳酸菌细菌素和超高压联合处理对低温切片火腿的防腐保鲜效果［J］.食品科学，2012（6）：256-263.

［11］Scholz R，Vater J，Budiharjo A，et al.Amylocyclicin，a novel circular bacteriocin produced by bacillus Amyloliquefaciens FZB42 ［J］.Journal of Bacteriology，2014（4）：74-77.

［12］翟丽丽，雒亚洲.乳制品中乳酸菌细菌素的研究进展及其应用［J］.黑龙江科技信息，2011（10）：15.

［13］Arokiyamary A，Sivakumar P K.Antibacterial spectrum，and mode of action of bacteriocin produced by lactobacillus，isolated from traditional dairy products［J］.International Journal of Pharmtech Research，2012，4（1）：315-320.

［14］Tejpal D，Screening.Production purification and potential use of bacteriocins from lactic acid bacteria of meat and dairy food origin［J］.International Conference on Nutrition and Food Sciences，2012，39（2）：35-41.

［15］Manjulata D S.Molecular genetic studies of pediocin-like bacteriocin in pediococcus，lactobacillus and enterococcus sp［J］.Indian ETD Repository，2014，27：28-30.

［16］王涛.肠球菌属细菌素的筛选及其结构基因的表达［D］.武汉：华中农业大学，2013.

［17］刘宝生，尚雅静，张日俊.细菌素在动物疾病防治中的作用和机理研究进展［J］.中国兽医科学，2010（3）：321-326.

［18］Chen C Y，Yu C，Chen S W，et al.Effect of yeast with bacteriocin from rumen bacteria on growth performance，caecal flora，caecal fermentation and immunity function of broiler chicks ［J］.The Journal of Agricultural Science，2013，151（2）：287-297.