ε-聚赖氨酸及其复合保鲜技术在水产品保鲜中的研究进展

李秋莹，张婧阳，孙彤，谢晶，邓尚贵，林洪，郭晓华，励建荣*

1(渤海大学 食品科学与工程学院，辽宁 锦州，121013)2(上海海洋大学 食品学院，上海，201306)3(浙江海洋大学 食品学院，浙江 舟山， 316022)4(中国海洋大学 食品学院，山东 青岛， 266100)5(山东美佳集团有限公司，山东 日照， 276800)

我国是全球最大的水产品养殖与消费国之一。水产食品营养价值高，具有独特的风味，但却极易发生腐败变质而严重影响水产品的储存、运输、后续加工及销售等过程[1]。微生物的生长和繁殖是引起水产品腐败的主要因素，水产品腐败不仅会产生不良的气味和风味，还会降低营养价值和安全性，严重影响水产品的品质[2]。水产品保鲜通常有物理保鲜法、化学保鲜法和生物保鲜法。物理保鲜法不利于水产品的色泽、黏弹性等品质的保持[3]。化学保鲜剂虽然杀菌效率高、较为简便，但化学残留易造成环境污染，危害人体健康[4]。随着消费者对健康饮食和食品安全性的需求越来越大，高效、环保、安全的天然生物保鲜剂更受欢迎，逐渐成为研究热点。

ε-聚赖氨酸(ε-polylysine, ε-PL)作为一种天然抗菌肽，主要是由白色链霉菌(Streptomycesalbus)发酵葡萄糖所得[5]。ε-PL是由25～35个赖氨酸残基通过分子间α-羧基与ε-氨基缩合形成酰胺键连接而成的L-赖氨酸同型聚合物，在人体内能够降解为必需氨基酸——赖氨酸[5]。ε-PL成品是淡黄色粉末，具有较强的吸湿性；溶于水，不溶于乙酸乙酯、乙醚等有机溶剂；热稳定性强，于250 ℃开始软化；经毒药物动力学检测，对生殖系统、神经系统、免疫系统、胚胎和胎儿的发育均无毒性作用；不会对食品口感和本身的味道产生显著影响[5-6]。ε-PL因独特的理化性质、优异的抗菌活性以及高安全性被广泛应用在食品领域[7]。随着2014年ε-PL及其盐酸盐被批准成为我国食品添加剂新品种，ε-PL在各类食品保鲜中的应用研究逐渐增加。然而，关于近年来ε-PL在水产品保鲜中的研究情况缺乏系统总结。因此，本文从ε-PL的抑菌作用及机理，对水产品品质的影响，及其复合保鲜技术在水产品保鲜中的应用等方面进行概述，以期为ε-PL在水产品保鲜中的应用和研究提供参考。

1 ε-PL的抑菌作用及机理

1.1 ε-PL的抑菌作用

微生物的生长与繁殖会导致食品品质下降，是影响食品货架期的一个重要因素，因此，抑菌是食品保鲜的重要环节。ε-PL具有良好的广谱抑菌性，对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌以及酵母和霉菌均有抑制作用。但是，ε-PL对不同微生物的抑制能力不同，通常对细菌的抑菌能力更强，而对真菌(特别是霉菌)的抑制作用要弱一些。已报道的ε-PL对不同酵母菌的最小抑菌浓度(minimal inhibit concentration，MIC)大约<150 μg/mL；对其他真菌的MIC大约 <256 μg/mL，也有 > 256 μg/mL的，如荨麻青霉(Penicilliumurticae)；对细菌的MIC一般 <100 μg/mL[7]。ε-PL的广谱抑菌性极大促进了其在各类食品防腐保鲜中的应用。在水产品保鲜过程中，ε-PL对水产中各类致病菌和腐败菌均有较好抑制作用。ε-PL可以破坏冷藏鱼糜中蜡样芽孢杆菌(Bacilluscereus)的细胞膜，改变膜的通透性，从而使细胞内容物外泄，达到抗菌效果[8]。ε-PL在鳙鱼片保鲜中能有效抑制假单胞菌(Pseudomonas)、希瓦氏菌(Shewanella)和不动杆菌(Acinetobacter)的生长，延长鳙鱼货架期2 d[9]。ε-PL盐酸盐可通过改变病原菌的耐热性来抑制鱼丸中单增李斯特菌(Listeriamonocytogenes)的生长与繁殖[10]。因此，ε-PL是一种抑菌性能良好的生物防腐剂，在水产品保鲜中有广泛的应用前景。

1.2 ε-PL的抑菌机理

ε-PL的抑菌活性与其自身的肽链长度和所带氨基有关。当肽链长度少于10个赖氨酸残基，ε-PL失去抑菌活性[11]。LIU等[12]研究发现溶液中ε-PL的阳离子会增强ε-PL的抗菌活性，而ε-PL的主链骨架可能在其抑菌机制中起重要作用。温度、pH值和食品组分被认为是影响ε-PL抗菌活性的主要外部因素[7]。ε-PL的热稳定性较好，120 ℃加热30 min和60 min对ε-PL的抑菌活性没有显著影响[13]。pH对ε-PL的抑菌活性有一定影响，pH值高于等电点时，抗菌活性略有下降[12]。食品组分中蛋白含量过高会降低ε-PL的抑菌活性，ε-PL对大米和蔬菜提取物比牛奶、牛肉、香肠提取物更好的微生物抑制效果[14]。

ε-PL的高抑菌活性引起人们对其抑菌机制的研究兴趣。一方面，ε-PL可以通过静电作用与细胞膜结合，导致细胞膜破裂。近来研究发现ε-PL主链存在以某种未知方式与细胞膜的相互作用[12]。另一方面，ε-PL进入细胞后可与DNA结合，影响生物大分子的合成，最终导致细胞死亡[7]。ε-PL还会促进活性氧簇的产生引起氧化应激和DNA损伤[15]。综上，ε-PL会引起细菌细胞形态结构的改变，细胞膜通透性增加且完整性遭到破坏，胞内蛋白质和基因的表达谱发生改变，最终导致细胞死亡[16]。由于革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的细胞壁组成和结构不同，ε-PL对2种细菌细胞壁的影响也略有不同。在金黄色葡萄球菌中，带正电荷的ε-PL附在带负电荷的磷壁酸上进而嵌入细胞壁的肽聚糖层，破坏细胞壁肽聚糖结构，导致细胞壁变脆弱[13]。在大肠杆菌中，ε-PL首先作用于外膜，破坏脂多糖层，进而改变膜通透性和完整性[17]。

1.3 ε-PL抑菌活性增强技术

ε-PL具有较好的广谱抑菌活性，但对某些细菌的抑制作用较弱，为此，需要采用一些方法来提高ε-PL的活性。朱鸿伟[18]利用 Nα-Boc-L-赖氨酸为底物通过乌吉反应合成了一种含有亲水氨基和疏水亚基的两亲性改性ε-PL，与商业化ε-PL相比，改性ε-PL具有更强的抑菌作用，可延长冷藏大菱鲆货架期6 d。此外，利用羰基和氨基的美拉德反应对蛋白质进行改性，所得美拉德反应产物的抗菌能力、抗氧化性、热稳定性及乳化性等理化性质可以得到提升[19]。ε-PL与壳聚糖的美拉德反应产物对细菌和真菌具有更强的抗菌活性，而且增加了细菌的外膜和内膜的通透性[19]。ε-PL与还原糖(葡萄糖、果糖和木糖)的美拉德反应产物比ε-PL的抗氧化活性提高了40.5%～69.4%[20]。ε-PL与葡聚糖复合物在温度60 ℃时可较好保留抑菌性，乳化性在反应6 h达到最佳水平[21]。尽管ε-PL的美拉德反应产物具有较好的抗氧化性和抗菌性，但是目前这一保鲜剂在水产品保鲜中尚未见报道。

2 ε-PL对水产品品质的影响

2.1 ε-PL对水产品菌落总数的影响

菌落总数(total viable counts，TVC)是一定条件下生长出的细菌总数，是评价水产品质量的一个指标，造成水产品腐败的微生物根据水产品所处的环境不同而有所不同[1]。GB 10136—2015《食品安全国家标准 动物性水产制品》中规定，水产品中TVC>106CFU/g时表明鱼体腐败。高乾坤等[22]报道0.1%ε-PL处理的带鱼在冷藏6 d时，仍未超过这一标准，但其他保鲜剂处理组TVC均已超标。0.1%ε-PL处理的白虾在冷藏条件下储藏8 d时，也未超过腐败的标准[23]。0.5%ε-PL处理的草鱼的TVC在7 d仍未超标，但其他等浓度保鲜剂处理组均已超过这一数值[24]。ε-PL对淡水产品以及海水产品中的菌落总数的抑制，主要是因为ε-PL对水产品优势腐败菌具有良好的抑制作用，并且作用效果高于其他保鲜剂。

2.2 ε-PL对水产品感官的影响

感官评定是水产品质量评价的一个重要手段，水产品的色泽、质构、风味等均是重要的感官指标。何丽等[24]研究发现草鱼鱼腩经0.5%ε-PL处理后可保持正常颜色和原有鱼香味，并且对其组织形态和弹性无不好影响，避免了大多数有机酸保鲜剂处理后的酸味残留、颜色泛白、弹性变差等问题，有效延长草鱼鱼腩的货架期。0.15%ε-PL可以延缓鲢鱼鱼糜泛黄，延长鱼糜货架期[25]。添加ε-PL还能够小幅提升鱼糜凝胶制品的凝胶强度，可在后续制成鱼丸时增加鱼丸的咀嚼口感，但不同添加量的ε-PL对鱼糜制品凝胶强度无显著影响，ε-PL最佳添加量为0.1%。此外由于ε-PL本身是一种淡黄色粉末，高添加量(0.1%、0.2%)会影响鱼糜制品的白度，较低添加量(0.025%、0.05%)则不会产生影响[26]。以上研究表明ε-PL对保持水产品感官品质具有积极作用。

2.3 ε-PL对水产品鲜度化学指标的影响

在水产品贮藏过程中，化学指标的变化主要受到水产品体内微生物酶和內源酶等多种因素的影响，是评定水产品鲜度的依据[27]。ε-PL可有效抑制微生物酶的产生，进而对水产品的鲜度化学指标产生影响。挥发性盐基氮(total volatile base nitrogen，TVB-N)和硫代巴比妥酸值(thiobarbituric acid reactive substance，TBARS)是评价水产品新鲜度变化的2个主要化学指标。TVB-N指标反映水产品蛋白质分解产生的氨及胺类等碱性含氮物质含量的高低，含量越高，表明蛋白质分解程度越大，对水产品中营养成分影响越大[27]。GB 2733—2015《食品安全国家标准 鲜、冻动物性水产品》中规定海水鱼虾可接受的TVB-N应不超过30 mg N/100g。0.1%ε-PL可使太平洋白虾的TVB-N值在0 ℃冷藏8 d后仍未超过20 mg N/100g[23]。这表明ε-PL可以有效抑制水产品中蛋白质的分解，从而保持水产品鲜度和营养价值。TBARS指标主要反映脂质的氧化程度。0.1%ε-PL保鲜液浸泡处理带鱼能有效的降低带鱼贮藏过程中的TBARS值[22]。但该研究也表明ε-PL在抑制带鱼冷藏过程中脂质氧化方面弱于茶多酚，这主要是因为ε-PL虽然具有较强的广谱抗菌性，但是抗氧化性较差，这在一定程度上阻碍了ε-PL的应用。因此，在ε-PL应用过程中应进一步考虑如何弥补和提高其抗氧化性，开发基于ε-PL的复合保鲜技术。

3 ε-PL复合保鲜技术在水产品保鲜中的应用

复合保鲜技术是将2种或2种以上的化学保鲜、物理保鲜及生物保鲜手段相结合对食品进行保鲜的技术[28]。单一保鲜技术因为难以全面杀灭食品中所有微生物，往往难以达到理想的保鲜效果。发挥不同保鲜技术的协同作用，既可以更好地延缓食品腐败，又可以降低单一保鲜剂或保鲜技术的用量，保证食品质量和安全。目前ε-PL复合保鲜技术多集中于制备复合保鲜剂、复合可食性涂膜、复合纳米材料以及与超高压技术复合使用。本文总结了近几年以上几种ε-PL复合保鲜技术在水产品保鲜中的研究与应用。

3.1 ε-PL复合保鲜剂

ε-PL常用于复合的保鲜剂的制备，在各类食品中具有广泛的应用。常用于与ε-PL进行复配的保鲜剂包括天然多糖类(如壳聚糖)、酚类物质(如茶多酚)、其他抗菌肽(如乳酸链球菌素)等。这些保鲜剂或与ε-PL有协同抑菌作用，或在抗氧化性能上可互补。0.02%纳他霉素+0.06%ε-PL复合保鲜剂能有效抑制白虾冷藏过程中黑变的发生[29]。ε-PL、迷迭香酸与壳聚糖复合保鲜剂能显著降低半滑舌鳎鱼片中丙醛、己醛、辛醛等异味物质的相对含量[30]。不同浓度火龙果皮提取物与1.2%明胶、0.1%ε-PL复合可食性涂膜使低冷藏无壳小龙虾的TVB-N值在7 d才超过30 mg/100g，但对照组在6 d就已经超过了阀值，同时K值和游离氨基酸的含量也被显著抑制[31]。0.05%乳酸链球菌素与0.03%ε-PL盐酸盐复合保鲜剂较单一保鲜剂增加了抑菌广谱性，使复合处理组的TVC始终低于单一处理组，TVB-N、TBA值也被显著抑制，这表明复合处理能更有效地延缓鱼片中蛋白质分解和脂肪氧化[32]。乳酸链球菌素、ε-PL与山梨酸钾复合防腐剂能有效抑制鱼糕中微生物的生长，将鱼糕货架期从3周延长至10周[33]。多种研究表明ε-PL与其他保鲜剂复合使用在抑制水产品微生物生长、质构品质及色泽方面比单独使用某种保鲜剂效果好，因此，ε-PL复合保鲜剂具有良好的水产品保鲜应用前景。

3.2 ε-PL与可食性涂膜复合保鲜技术

可食性涂膜是在可食用的脂类、多糖、蛋白质等天然大分子聚合物中加入可食性的增塑剂或交联剂，以浸泡、涂布、喷洒等方式在食品表面形成一层薄膜，可以很好地隔绝空气、水分及微生物，起到防腐保鲜作用[34]。然而，多糖和蛋白等成膜基质的抗菌、抗氧化活性是有限的，抗菌活性物质如ε-PL的添加可提高可食性膜的保鲜性能。迄今为止ε-PL被成功纳入白鲢鱼鱼糜膜、明胶膜、壳聚糖膜、纤维素膜和淀粉膜等可食性膜中，提高了这些膜的抗菌活性[35]。

ε-PL的添加会对可食性膜的理化性能产生一定的影响。李秋莹等[36]发现ε-PL盐酸盐添加量的变化会影响溶菌酶和ε-PL盐酸盐多糖可食性涂膜的气体阻隔性能和机械性能。加入ε-PL和虾青素的壳聚糖-明胶膜的水溶性降低，透水性增加，物理性质得到了很好的改善，弥补了多糖膜的缺陷，也充分利用了凡纳滨对虾副产物[37]。ε-PL与鱼肉或鱼糜复合制备的可食性膜，有良好的抗菌和机械性能。WENG等[38]制备了基于白鲢鱼鱼糜的可食性膜，发现添加ε-PL能增加膜的抗菌性，当ε-PL添加量低于0.15% 时膜的力学性能提高，但随ε-PL添加量的增加，力学性能略有下降。

添加ε-PL能显著提高可食性涂膜对水产品的保鲜性能。2%ε-PL与1.5%壳聚糖复合涂膜可显著抑制凡纳滨对虾储藏过程中嗜冷菌、假单胞菌的生长[39]。0.13% ε-PL与1.8%壳聚糖复合涂膜有效抑制了中国对虾TVC、pH、TBA、K值和TVB-N的增长[40]。0.4%ε-PL与2%海藻酸钠复合涂膜有效地保持日本花鲈在储藏期间鱼肉颜色和组织硬度，延缓了脂质氧化、蛋白质降解和核苷酸的分解[41]。ε-PL除了与单一聚合物制备复合涂膜外，还与多种活性物质和聚合物制备成成分更复杂的复合涂膜，协同各组分发挥优势。ZHANG等[40]报道0.13%ε-PL-1.8%壳聚糖-0.19%卡拉胶复合涂膜显著抑制中国对虾TVC、TVB-N和TBATS值的增长，并保持良好的质构品质和感官特征。电子鼻对0.13%ε-PL-1.8%壳聚糖-0.19%卡拉胶复合涂膜处理的中国对虾中挥发性物质(硫化物)的检测结果表示，该复合涂膜可在一定程度上减缓硫化物的生成[42]。张涵等[43]将0.5%ε-PL和2%海藻酸钠复合涂膜与气调包装结合，可显著抑制金鲳鱼中微生物增长、减缓TVB-N值、pH上升，并保持鱼肉色泽，在冷藏9 d后，各项指标表示鱼片仍能保持在一级鲜度；该复合涂膜与真空包装结合可有效抑制金鲳鱼体内微生物生长，TBA值和TVB-N值均未超过国家二级鲜度标准，鱼肉色泽、气味以及感官保持良好，在可接受范围内[44]。因此，以上研究表明ε-PL结合可食性涂膜复合保鲜技术与单一复合涂膜相比具有更好的涂膜理化性能、抗菌性能及在水产品中更好的保鲜性能。

3.3 ε-PL与纳米材料复合保鲜技术

新型纳米无机抗菌材料，目前已用于制备活性食品包装中，如含Ag+的抗菌聚合物，以及ZnO纳米颗粒[45]。MAGORZATA等[46]报道，加入ZnO和ε-PL制成的复合甲基羟丙基纤维素膜，可以降低海鳕鱼片胶质的增加幅度和水分流失率，并且对中温细菌的抑制作用明显高于聚乙烯醇包装材料。纳米纤维具有独特的高比表面积和高孔隙率的特点，与其他纳米材料相比具有较高的安全性[47]。制备纳米纤维的方法常有相分离法、自组装法、界面聚合法和静电纺丝法。近年来，静电纺丝已成为一种经济、实用、有前途的由天然高分子材料制备活性纳米纤维的方法[47]。在食品保鲜领域，主要是将抗菌活性材料包覆在电纺纳米纤维中，制备可用于活性食品包装的高分子纳米纤维。目前已有ε-PL经过静电纺丝制备纳米纤维膜作为食品活性包装的报道。用静电纺丝法制备的明胶-甘油-ε-PL纳米纤维能有效抑制牛肉中单核增生李斯特菌[48]；载入百里香精油/β-环糊精-ε-PL的电纺纳米纤维膜可有效抑制鸡肉中空肠弯曲杆菌的生长[49]。朱鸿伟[18]将ε-PL载入聚乙烯醇制备的电纺纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有良好的抑菌效果。虽然ε-PL与纳米纤维膜复合保鲜技术在食品保鲜领域中已获得了认可，但是尚未见在水产品保鲜中应用的报道。随着静电纺丝制备纳米纤维技术的发展，未来ε-PL与纳米纤维膜复合保鲜技术在水产品保鲜领域有良好的研究潜力。

3.4 ε-PL与超高压复合保鲜技术

超高压技术(ultra-high pressure, UHP)是在常温或低温下以水或其他液体为媒介加压(100～1 000 MPa)的冷杀菌技术。UHP可以通过灭活腐败菌和组织降解相关的酶来延缓水产品在冷冻贮藏期间的货架期。但不同腐败微生物的耐压能力不同，且不适宜的UHP条件易促进水产品脂肪氧化，这限制了该技术在水产品保鲜中的应用[50]。因此，常用UHP与其他保鲜技术相结合以提高水产品在冷藏期间的整体品质。目前，ε-PL与UHP复合保鲜技术报道不多，且多采用ε-PL复合保鲜剂与UHP复合。霍健聪等[51]报道了0.06%ε-PL保鲜液与UHP(250 MPa, 20 min)综合处理可显著降低鲣鱼中微生物数量，并使TVC值在4 ℃环境中80 h未超标，同时保持鱼肉自身色泽。郭丽萍等[52]报道了与单一UHP和复合保鲜剂相比，0.15%壳聚糖+1.50%ε-PL的复合保鲜剂与UHP(200 MPa,5 min)结合能明显抑制鲈鱼冷藏过程中的菌落总数，减缓蛋白质与脂肪变质程度，保持冷藏鲈鱼的品质，延长冷藏鲈鱼货架期。邹小欠等[53]使用ε-PL复合保鲜剂(0.05%茶多酚+0.005%乳酸链球菌素+0.005%ε-PL+0.005%溶菌酶)与UHP(300 MPa, 20 min)复合处理冷藏生食泥螺, 与单一技术处理样品相比，可有效抑制TVC、TVB-N和TBARS值的增加，更好地维持了感官品质。以上报道均表明ε-PL保鲜剂与超高压技术相结合的复合保鲜技术可以发挥2种保鲜技术的协同保鲜效果，有效抑制水产品贮藏过程中的腐败变质，延长产品货架期。

4 展望

ε-PL作为一种天然生物保鲜剂，对水产品中的常见特定腐败菌具有良好的抑制作用。ε-PL在一定程度上可以有效保持水产品感官品质，有效抑制水产品贮藏过程中蛋白质降解和脂类氧化，延长水产品货架期。但单一ε-PL在水产品保鲜中的能力仍有一定的限制，不及ε-PL复合其他保鲜技术的保鲜效果。将ε-PL与其他复合保鲜剂、可食性涂膜、纳米材料以及超高压技术等保鲜技术复合，能达到更为理想的水产品保鲜效果。目前，ε-PL在水产品保鲜领域的研究多集中于复合保鲜剂和复合保鲜涂膜对水产品贮藏品质的影响研究，而与一些新型保鲜技术复合作用研究较少，并且关于ε-PL及其复合保鲜技术的协同作用机制研究有限。随着新型保鲜手段的应用，ε-PL可复合的保鲜技术会随之增加，但如何发挥ε-PL自身特点，充分利用ε-PL与其复合保鲜技术的协同优势，制备适用于水产品的安全、高效、经济的复合保鲜剂、包装材料以及节约耗能的复合保鲜技术仍是值得思考的问题。