抗菌肽应用于食品中的研究现状及面临的挑战

孟德梅，孙雪晴，石林玥，刘泽松，代姝函，生吉萍，樊振川

（1.省部共建食品营养与安全国家重点实验室，天津科技大学食品科学与工程学院，天津 300457；2.中国人民大学农业与农村发展学院，北京 100872）

“民以食为天，食以安为先”，食品安全问题一直以来是人们广泛关注的焦点。在严格的食品生产规范和安全监管下，微生物污染是引发食品安全问题的重要原因[1-2]。微生物在食品的生产、加工和流通过程中极易滋生，导致食物腐败变质，对人类健康和社会经济造成损失[3]。根据世界卫生组织的报道，7 种国际关注的常见病原菌（大肠埃希氏菌、肺炎克雷伯菌、金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌等）对相应抗菌药物的敏感性持续下降，耐药性增强，若用其他药物治疗，还会涉及到药物成本的提高以及有可能加速病原菌对另一种药物产生耐药的问题，形势十分严峻[4]。因此，人们在当前迫切寻求高效、无毒、绿色天然的抗菌剂。抗菌肽普遍具有广谱抗菌特性、稳定性好、无毒副作用以及不易产生耐药性等特点，部分抗菌肽还具有抗氧化和清除自由基等功能[5-6]，由此可见，抗菌肽有望成为抗生素替代品以及新型食品保鲜剂，应用前景广阔。本文总结了抗菌肽的生物学功能，并对近年来国内外关于抗菌肽在食品中的应用情况和存在问题进行综述，以期为抗菌肽在食品工业中的应用提供借鉴。

1 抗菌肽简介

抗菌肽（antimicrobial peptides，AMPs）是一类具有抗菌活性的小分子短肽，广泛存在于多种生物体之中，参与宿主防御系统的构建。20 世纪70年代，Boman[7-8]等最早在惜古比天蚕蛹（Hyalophora cecropia moth）中发现抗菌肽，并将其命名为天蚕素（cecropins）。至目前，已有3000 余种抗菌肽被人们发现并收录于抗菌肽库中，其中有2000 多种抗菌肽来源于动物，少部分来源于植物、细菌、真菌、古细菌和原生生物。抗菌肽分子一般质量较小（＜10 kDa），大都由12～60 个氨基酸构成，等电点大于7，具有阳离子性和两亲性等特点，并且耐酸、耐碱、热稳定性好[9]。由于抗菌肽带正电荷，细菌细胞膜带负电荷，因此抗菌肽通过静电引力的作用而结合到细菌细胞膜上，使细胞膜穿孔，细胞内容物大量流出，致使菌体死亡，这与抗生素的杀菌机制不同，因此不易使细菌产生耐药性，并且由于哺乳动物细胞膜主要以中性磷脂为主，抗菌肽不易结合到哺乳动物细胞膜上，对其危害性很小。因抗菌肽具有以上诸多优势，其在医药、食品以及农畜牧业上均有巨大的应用前景[10]。

2 抗菌肽的功能

2.1 抗细菌功能

目前已发现的抗菌肽大部分具有广谱抗菌特性，单一一种抗菌肽便可抑制多种细菌，包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。但是，不同抗菌肽的生物活性存在明显差异。例如抗菌肽MP1106[11]、Defensing-TK[12]和Hydramacin-1[13]分别对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度为 3、0.06 μg/mL 和大于 100 μg/mL，活性差异显著。此外，不同种抗菌肽之间以及抗菌肽与其他物质之间具有一定的协同效应，两者或多者联用可提高抗菌肽或其他物质的抑菌效果，拓宽抗菌谱，提高效用[14]。如Hu 等[15]将微生物肽乳酸链球菌（Nisin）与壳聚糖（Chitosan）制成微胶囊，可有效抑制枯草芽孢杆菌的繁殖，在 pH 值为 5.0～6.0 时，1%CS-Nisin 的抗菌活性最高，相比于单者使用，活性得到了有效提高。

2.2 抗真菌功能

现如今，人们已经发现70 余万种真菌，部分真菌严重威胁着人们的生命健康。许多抗菌肽除了可以抑杀细菌外，还具有抗真菌的功能。Baek 和Lee[16]从黄蜂毒液中分离出的毒液肽OdVP2 具有较强的抗真菌活性，但抗细菌活性较低。Drosomycin 和截短的蝎毒素在微摩尔的浓度下均表现出抗真菌活性[17]。霉菌极易在果蔬和粮食的生产、加工和贮藏过程中出现，由此可见，抗真菌活性肽在食物的防霉方面有着潜在应用。

2.3 抗氧化和清除自由基功能

随着越来越多的抗菌肽的发现，以及对抗菌肽的广泛深入研究，人们发现部分抗菌肽具有较强的抗氧化能力以及清除自由基的作用。Sharma 等[18]报道了40 μg/mL 的抗菌肽Hispidalin 可清除70.8%的DPPH自由基并抑制69.5%的脂质发生氧化反应。抗菌肽temporin-TP1 具有较好的抗氧化的能力，200 mM 的抗菌肽temporin-TP1 可在30 min 内清除16.5%的ABTS自由基[19]。由此可见，将具有抗氧化功能的抗菌肽应用到食品上，不仅可杀灭食品中的微生物，还可防止物质的氧化分解，食品营养成分免遭破坏[20]。

2.4 抗菌肽的其他功能

抗菌肽除了以上3 个方面的功能外，还具有以下功能：（1）抗寄生虫功能，研究发现，部分抗菌肽可治疗因感染寄生虫而导致的疾病，有些抗菌肽则是通过基因工程法导入昆虫体内，杀死寄生虫，从而达到预防疾病传播的目的[21]；（2）抗病毒功能，病毒可通过多种方式侵染生物体，从而在体内快速增殖，部分抗菌肽可有效抑制或杀灭病毒的增殖[22]；（3）抑制肿瘤细胞的生长，抗菌肽可以通过裂解细胞膜或激活外源性凋亡途径等方式对肿瘤细胞造成破坏，致使其死亡，其中，一些阳离子抗菌肽对肿瘤细胞具有较宽范围的抑杀作用，为新型抗癌药物提供了方向[23]；（4）抗炎功能，有些抗菌肽可促进巨噬细胞非调理性吞噬功能，抑制组织纤维蛋白的溶解，防止感染扩散，对烧伤烫伤等疾病有一定的疗愈效果[24]；（5）免疫调节功能，有些抗菌肽可作为免疫效应分子启动和调节宿主免疫防御体系，中和革兰氏阴性菌的脂多糖、革兰氏阳性菌的胞壁酸和细菌未甲基化的CpG 等信号分子，以此平衡和调节机体的免疫应答[25]。

3 抗菌肽的保鲜机理

食品的腐败变质是一个复杂的生化反应进程，与食品内的酶、微生物的生长和代谢息息相关，但主要是微生物的作用[26]。抗菌肽主要是通过抑制腐败微生物的增殖，防止食品成分的氧化变质，从而达到延缓食品腐败变质的目的。

目前人们发现的大部分抗菌肽均为阳离子碱性抗菌肽，由于细菌细胞膜带有负电，抗菌肽极易吸附到细菌细胞膜上，随着越来越多抗菌肽分子在细胞膜上聚集，最终细胞膜会出现孔洞，细胞基质大量流出，致使菌体死亡；或者进入到细胞内部，与核酸、蛋白质等大分子物质相结合，影响细菌的正常代谢，导致细菌死亡。当微生物的生存受到限制后，它所分泌的一些蛋白酶、脂肪酶以及次级代谢产物会大大减少，这有利于降低食品中蛋白质、脂肪和糖类物质的分解，维护完整性，并减少不良气味的产生[27]。

此外，有些抗菌肽具有较强的抗氧化能力和清除自由基功能，可以降低物质的氧化分解。肉类和奶类中含有丰富的脂质，而脂质极易发生氧化反应，产生多种氧化产物和自由基[28]。抗氧化型抗菌肽的存在，有利于降低脂质氧化速率，减缓酸败进程，延长食品的保质期。

4 应用于不同食品中的研究现状

4.1 在肉及水产品上的应用

畜禽鲜肉以及鱼虾等水产品中含有丰富的优质蛋白，营养丰富，因而极易受到单增李斯特氏菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌以及假单胞菌属等致病菌和腐败菌的污染[29-30]。大多数的细菌均可以在低温条件下缓慢繁殖，从而引起食品的腐败变质，由此可见，传统的低温冷藏方式并不能很好的保证食品贮藏安全。为解决此问题，有研究者们将抗菌肽应用到食品的防腐保鲜上，并且取得了较好的效果。

在冷鲜肉及鱼类的贮藏过程中，抗菌肽可通过抑制微生物的生长，减缓食品品质的下降，延长货架期。Zhang 等[31]中国传统发酵食品宣威火腿中成功分离戊糖乳杆菌31-1，作者发现由戊糖乳杆菌31-1 分泌的小肽Pentocin 31-1 具有抑菌能力，将其添加到4 ℃冷藏的鲜猪肉上，可显著抑制挥发性盐基氮的积累，并能较好的抑制猪肉中微生物特别是李斯特菌和假单胞菌的生长，鲜猪肉在80 AU/mL 的Pentocin 31-1 处理后，可延长保质期15 d，猪肉的感官品质也保持良好。Enterocin AS-48 可大大降低生鳕鱼和鲑鱼中单增李斯特菌的数量，延长保质期[32]。

抗菌肽是一种小分子多肽，具有一定的护色功能，维护感官品质。Hisako 等[33]发现昆虫防御素类抗菌肽对细菌和真菌具有显著抑制作用，将其应用于肉制品加工中，发现添加nmol/g 级剂量的肽就可有效保持食品的风味及色泽，并降低了亚硝酸盐的含量，提高安全性。

目前，单一的使用某种保鲜剂很难达到预期的防腐要求，可将两种或两种以上的具有不同防腐特性的保鲜剂按一定的配比制成复合保鲜剂，根据前人的经验来看，这有利于提高对食品的防腐保鲜能力，并可在一定程度上降低单一使用某保鲜剂的剂量。抗菌肽与其他物质联用后，可发挥协同效应，抑菌效果得到提升。Govaris 等[34]将牛至精油（oregano essential oil，EO）和Nisin 用于羊肉的保鲜，研究发现0.6%的EO具有较好的保鲜效果，而随着EO 剂量的加大，保鲜效果并不再显著；用500 IU/g 或1 000 IU/g 的Nisin 处理羊肉，发现均不能有效抑制羊肉中的肠炎沙门氏菌；将0.6%的EO 和500 IU/g 的Nisin 复合后，发现其对肠炎沙门氏菌有较好的抑制作用，保鲜效果明显优于0.6%的EO 和1 000 IU/g 的Nisin 单一处理时的效果。也有人将Lactocin 705、Nisin 以及肠道菌素CRL35 三者复配，研究复合保鲜液对牛肉的保鲜效果，结果表明复合处理组中单增李斯特菌的生长相比于某单一处理组得到了显著抑制[35]，有利于牛肉的贮藏保鲜。因此，将不同种类的保鲜剂复配到一起具有协同作用，能够有效地增强抑菌能力，消除单一保鲜剂因保鲜范围有限而引起的肉类品质变化，提高的保鲜效果。

4.2 在乳及乳制品上的应用

乳品中含有丰富的矿物质，其中钙磷比例非常适当，有利于人体对钙的吸收，在人们的日常饮食中占有重要地位。在生产、加工和贮藏过程中，乳与乳制品很容易发生微生物污染，其中，腐败型微生物如产碱杆菌、假单胞菌属，通过分解脂肪和蛋白质，生成醛、酮、甲胺以及硫化氢等物质，降低营养价值，产生臭味或其他怪异的味道，导致乳制品腐败变质；致病性微生物在牛乳中大量繁殖后，也会导致牛乳变质，但更重要的是，容易引发以消化道症状为主的食物中毒和疾病传播，尤其是针对于老人和小孩[36-37]。

抗菌肽具有较好的抑菌能力，可以从微生物污染角度解决乳品加工过程中存在的一些问题。有人将抗菌肽 Surfactin 和 Fengycin 按质量比 1∶1 复配，添加到牛奶中，结果表明致病性微生物大肠杆菌得到了有效抑制，因此也使得牛奶的保质期限延长[38]。从Enterococcus faecalis 中分离出来的微生物肽Enterocin AS-48 具有广谱抗菌特性，Ananou 等[39]将 Enterocin AS-48以5%的浓度添加到脱脂牛奶中，发现可以将单增李斯特菌在早期时完全杀灭，添加浓度为10%时，金黄色葡萄球菌可以得到部分抑制。由此可见，抗菌肽可通过控制微生物的增殖而对乳制品起到延长货架期的作用。

抗菌肽还具有较好的热稳定性，部分抗菌肽在100 ℃的条件下，加热10 min 仍能保持一定活性，因此抗菌肽在热加工食品的防腐保鲜以及防止巴氏消毒后的再污染等方面有着广阔的应用前景。胡志和等[40]将实验室制备的Lactoferrin 置于沸水浴中1min 和恒温65℃水浴中30 min，发现Lactoferrin 的抗菌活性基本未受到影响，在巴氏消毒奶中添加0.1 mg/mL 剂量的Lactoferrin 时，研究发现，常温23 ℃下和冷藏4 ℃下，可将巴氏奶的有效期延长14 h 和22 h。目前在国家标准GB 1903.17-2016《食品安全国家标准食品营养强化剂乳铁蛋白》明确规定了乳铁蛋白肽可作为营养强化剂在食品中使用。

此外，在乳制品的加工过程中，添加适当的微生物抗菌肽，可以降低热处理强度，从而减少高温处理对食品风味和营养的破坏[29]。

Nisin 对芽孢杆菌具有良好的抑制能力，其主要是通过抑制孢子发芽的过程来抑制芽孢杆菌的繁殖。Nissen 等[41]报道了含有奶油的即食食品经热处理后，依然会有大量的芽孢杆菌存活下来，通过添加Nisin可提高即食食品的安全性。但是，脂肪含量的高低对Nisin 的活性有一定影响，在乳制品中应用Nisin，存在着一定程度上的限制。

4.3 在果蔬及饮料上的应用

果蔬中含有大量人体所需的维生素以及纤维质，而果蔬在采收前后却极易发生病害，从而影响果蔬的品质与收成。人们通常在采前选育具有优良抗病能力的植株预防病虫害，Osusky 等[42-44]分别将3 种抗菌肽MsrA 1、MsrA 2 和 MsrA 3 成功表达于马铃薯体内，试验证明，这3 种肽均提高了马铃薯对晚疫病和腐烂等病害的抵抗能力。

果蔬在采后容易受到各类病原菌的污染，导致果蔬品质下降，经济效益受损。由于杀菌剂的不安全因素以及病原体耐药性的形成，人们迫切寻求一种高效、无毒的新型杀菌保鲜剂，而抗菌肽所具有的优良特性，吸引了诸多学者的目光。Molinos 等[45]将Enterocin AS-48 用于预先被单增李斯特菌污染过的草莓等水果的保鲜。结果发现，草莓、黑莓和覆盆子在Enterocin AS-48 处理后，单增李斯特菌得到较好抑制，在15 ℃和22 ℃条件下的贮藏期可达2 d，草莓和黑莓中在6 ℃条件下贮藏期可长达7 d。张素琴等[46]使用Nisin 对白玉枇杷的进行保鲜处理，在200 mg/L Nisin的处理下，保鲜效果达到最佳。与对照组相比，Nisin 处理后的枇杷的失重率和总酸均显著下降，腐烂程度也显著下降。抗菌肽具有良好的溶解性和稳定性，并且耐酸耐碱性能好，在低pH 值条件下依然可保持较好的抗菌活性，极其适用于饮料的防腐。Hou 等[47]发现昆虫抗菌肽Hf-1 对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、鼠伤寒沙门氏菌以及志贺氏菌等诸多致病菌、腐败菌具有很好抑制能力，在含有乙二胺四乙酸（ethylenediaminetetraacetic acid，EDTA）溶液中，可增强其对革兰氏阴性菌的抗菌活性，将其应用于橙汁的防腐保鲜中，发现其防腐能力与化学防腐剂苯甲酸钠相差无几。Molinos等[45]将Enterocin AS-48 添加到西瓜汁中，使西瓜汁的保质期得到了有效延长。Komitopoulou 等[48]在苹果汁、葡萄汁中添加一定量的Nisin，发现Nisin 对在果汁中易滋生的嗜酸菌具有一定的抑制活性，保证了果汁的安全性。

4.4 在米面及其制品上的应用

大米、小麦、玉米及其制品等是人们日常生活中必不可少的主食，在加工之前，大米、小麦等原材料容易被霉菌污染，而制作成半成品或食物后，又易被金黄色葡萄球菌等细菌污染，导致腐败变质。韩玉竹等[49]经研究发现，不同剂量的辣椒籽抗菌肽均可不同程度的抑制霉菌生长，0.3 g/kg 的辣椒籽抗菌肽的应用效果与丙酸钙和那他霉素标准添加量无显著性差异，在玉米防霉变中具有很大的应用潜力。Rahnamaeian 等[50]报道了通过转基因技术在大麦中表达抗菌肽Metchinkowin 基因，可以增强大麦对白粉病的抗害性，提高大麦的产量。

微生物污染更易出现在米、面制品中，米饭在低温贮藏一夜后便会滋生金黄色葡萄球菌，极易变质。汪水呈等[51]将 Nisin 和 Surfactin 分别按 500 mg/kg 的剂量加到米饭中，放于25 ℃的环境下保存，对照组米饭在保存24 h 后即出现异味，而Nisin 处理组和Sur－factin 处理组则分别在36 h 和60 h 后出现异味，有利于米饭的保存，在面包中按200 mg/kg～500 mg/kg 的剂量添加Surfactin，则有利于保质期的延长。Thery 等[52]发现豇豆素thionin II 的衍生物KT43C 对革兰氏阳性菌和真菌具有良好的抑制能力，将其应用于面团的防腐中，发现其可有效抑制面团中霉菌的滋生，使面团的保质期延长了2 d，同时KT43C 对热具有稳定性，为开发焙烤食品的新型防腐剂提供了可能性。

4.5 在食品包装上的应用

由于食物环境的复杂性，并不能保证所有抗菌肽在直接添加到食物中后依然可以完整的保持抗菌活性。因此，在二十年前便有人研究如何将抗菌性物质添加到包装材料上，开发出具有抗微生物特性的包装膜，以此达到食品防腐保鲜的目的[53]。其中，Nisin 是抗微生物薄膜制备中最常用的抗菌剂[54]，将Nisin 涂抹在薄膜表面或掺入薄膜基质中，均可有效延长食品的贮藏期。Espitia 等[55]将Pediocin 和氧化锌纳米粒子添加到可降解甲基纤维素纳米复合薄膜中，制成食品包装材料，发现可以有效抑制金黄色葡萄球菌和单增李斯特菌的繁殖，Quintieri 等[56]将乳铁蛋白肽涂抹在奶酪包装材料上，可有效抑制假单胞菌等腐败菌的生长，延长食品货架期。此外，Enterocins 和Bacteriocins 也在复合保鲜膜上有较好的应用。以上研究表明，将抗菌肽添加到包装材料中也可发挥较好的抑菌活性，延长食品的保质期，并且抗菌包装是现如今活性包装中最重要的一种，具有较大的开发价值。由此可见，这种由添加抗菌肽制成的抗菌包装在食品工业中具有巨大的应用潜力。

5 抗菌肽在实际应用中存在的问题

5.1 抗菌肽的成本、安全性问题

在当前已有很多抗菌肽被人们用于食品防腐研究，并且部分抗菌肽的保鲜效果显著，但是被投入到实际应用中的肽却是少之又少，目前被国家允许用作防腐剂使用的典型代表为微生物来源的Nisin。导致形成这种状况的原因可从以下几个方面分析：（1）抗菌肽的来源问题，由于抗菌肽产量较低，生产成本远高于其他保鲜剂，因而很难将其规模化应用到工业上；（2）目前人们尚未对抗菌肽的抑菌机理、结构与功能之间的关系充分认识，有待深一步的探究；（3）抗菌肽在人体内的代谢情况尚未明确，许多抗菌肽在人体内代谢的半衰期和代谢产物是否有害均需要进一步的相关毒理实验来证明；（4）抗菌肽的安全性评价体系还有待完善。

5.2 复杂的食品环境体系

食物中含有各种有机成分和无机成分，加之各种糖、盐浓度的不同，渗透压环境也各异，因此食品的化学组成和物理环境对抗菌肽的活性有着很大的影响，也会间接的影响到抗菌肽的使用剂量，这对抗菌肽规模化的应用到食品中造成了很大的挑战性。

（1）在不同pH 值下，部分抗菌肽的活性和溶解能力具有差异性。例如，抗菌肽clavanin A 在酸性环境下具有较好的抗菌活性，而在中性环境下，完全失去活性[57]；Nisin 在pH 值为2 的环境中，其溶解度比pH值为8 的环境中高228 倍[58]。（2）高盐浓度可使阳离子抗菌肽与负电荷的结合能力下降，并且会使抗菌肽的二级结构发生一定的改变，影响抗菌活性。Park 等[59]报道了在含有200 mmol/L NaCl 的环境下，合成抗菌肽[RLLR]5的α-螺旋程度从72%降低至13%，使其对细菌和真菌的抗菌能力降低了8～32 倍。（3）有些食品中含有较高的蛋白含量和酶类，会对某些抗菌肽有一定的影响。比如在谷胱甘肽S-转移酶的催化下，Nisin 会被谷胱甘肽灭活，由于鲜肉中存在较多的谷胱甘肽，因而Nisin 对鲜肉的保鲜效果不佳，但对火腿等加工肉制品有较好的防腐作用[60]。杜坤[61]则通过试验表明了食品成分中的酪蛋白和蛋白酶对Nisin 的活性有一定的影响。（4）食品体系中脂肪含量的高低对抗菌肽的活性也有一定程度的影响。Davies 等[62]发现脂肪含量越低，体系中的Nisin 活性就越高。

有研究者也推测食品中含有的脂类、蛋白质和糖类等成分会与肽相互作用并影响其活性的高低[63]。在富含蛋白质的食品中，抗菌肽magainin、pediocin PA-1和sakacin A 的抗菌活性均有所下降；将抗菌肽dermaseptin S4 的衍生物置于在苹果汁中，发现其活性受到明显限制，而抗菌肽dermaseptin S4 的其他衍生物在相同环境下，其活性却提高了8倍；将Nisin 加入含有不同乳脂程度的牛奶中，随着乳脂含量的升高，Nisin对牛乳中单增李斯特菌的抑制能力有所下降。

6 展望

由于抗菌肽具有高效、广谱抗菌特性，耐酸耐碱耐热性能好，加之越来越多的新型抗菌肽的发现，人们对其在食品工业上的应用越来越关注。在人类发现的3 000 余种抗菌肽中，有2 000 多种抗菌肽来源于动物，若加大对动物源抗菌肽应用的研究，或许有助于发现保鲜效果更好的抗菌肽。其次，为解决抗菌肽在食品中应用的困难，可从获得高产菌株、加强抗菌肽机理研究、完善安全性评价体系以及对已应用于生活中的抗菌肽做进一步研究等方面着手解决。随着人们对食品安全问题的关注以及科学技术的发展，抗菌肽在食品中工业中的应用会有进一步的深入和完善。