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安全天然食品防腐剂细菌素的应用上

2021-07-09 来源:莆田农业机械网

安全天然食品防腐剂细菌素的应用(上)

细菌素(bacteriocin)是某些细菌产生的具有抗菌活性的多肽、蛋白质或蛋白质复合物[1],某些细菌通过核糖体机制产生的一类具有抑菌生物活性的蛋白质,大多数细菌素只对亲缘关系较近的细菌有毒害作用,产生菌对其产生的细菌素具自身免疫性。虽然细菌素是抵抗诸如单核细胞增生李斯特氏菌(L. monnocytogenes)等食品病原菌的抑菌剂,它们并不同于青霉素等抗生素;传统的多肽抗生素是由细胞多酶复合体催化形成的,不存在结构基因[2],而细菌素由基因编码,可以通过基因工程的手加以改造。它们的合成及作用模式与临床使用的抗生素亦不同。此外,对抗生素显示抗性的微生物通常不对细菌素显示交叉抗性,且与抗生素的抗性不一样,细菌素抗性通常不是由遗传决定的。虽然尼生素是商业上使 用 的 唯 一 的 纯 化 的 细 菌 素 , 别 的 如 小 球 菌 素(pediocin),已经在食品中应用。由于食品安全问题正越来越受到国际社会的关注,来源于乳酸菌的能抵抗食品病原菌且无毒性或其它不利影响的抗菌肽的应用已经引 起 很 大 的 关 注 。美 国 每 年 花 在 与 空 肠 弯 曲 菌(Campylobact er jejuni ) 、韦氏梭菌(Clost ridiumperfringens)、 大肠杆菌(Escherichia coli O157:H7)、单核细胞增生李斯特氏菌(Listeria monocytogenes)、 沙门氏菌(Salmonella)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)等有关的食品引发的疾病的费用在 6.5~34.9亿美元之间[3]。随着对含有化学防腐剂的食品消费的增多,消费者对食品安全更加关注,出现了对更“天然 " 或“尽量少的加工”食品更大的需求。因此,人们对天然的防腐剂细菌素产生了浓厚的兴趣。文章以尼生素为重点对细菌素与抗生素的区别、活性细菌素分子的形成以及其在食品中的应用进行了较详细的讨论,比较了这两种类型的分子的合成、作用模式及抵抗力和安全性。

1 细菌素的来源及分类

为了维持自身的生存或其生态小环境,许多真核生物形成了对抗竞争者或传染者的抗菌防御系统[4]。从许多种类的真核生物中均发现,抗菌肽的产生是其第一层防御,也是其先天免疫性的一部分。有时这些多肽对特定的竞争菌群起作用,有时它们的广谱活性可作为更一般的防御机制。抗菌肽通过不同的机制保护寄主,但最常见的是通过增加靶细胞膜的通透性,导致胞内物质的不可逆泄漏及随后的细胞死亡。来源于真核细胞的抗菌肽具有不同程度的毒性。例如,防御素(defensins),由人类的嗜中性粒细胞产生,在高浓度时对生产其的细胞有细胞毒素的作用。虽然从真核细胞中分离出了许多种类的抗菌肽,但它们的细胞毒素限制了其在食品中使用。

细菌素最先发现于 G—菌中。大肠杆菌素由多种抗细菌蛋白组成,它们可以通过各种机制:比如抑制细胞璧的合成,增加靶细胞膜的通透性,或抑制 RNA 或DNA 的活性,杀死亲缘关系较近的细菌[5]。在 G+ 细菌中,乳酸菌已经成为抗菌肽的巨大来源库。如前所述,由细菌产生的抗菌蛋白或多肽称为细菌素(bacteriocins)。它们是核糖体合成的,能杀死亲缘关系较近的细菌。由于细菌素是从诸如肉及膳食产品等食品(通常都含有乳酸菌)中分离得到的,它们已经被人们不自觉地消费了数世纪。一个对乳酸细菌的40种野生型菌株的研究表明其中的35 种产生尼生素[6]。有超过40 个的国家允许使用尼生素,并且已经作为食品防腐剂使用。

人们常将细菌素与抗生素混淆。从法制的角度来说这将限制它们在食品中的应用,因为包括我国在内的因为许多国家禁止抗生素应用于食品中。所以有必要正确区分细菌素与抗生素。它们的主要区别见表1,细菌素可明显地区别于临床抗生素,可以安全及有效地使用以达到控制食品中目标病原体生长的目的。在此以合成作用模式、抗菌谱、毒性及抵抗机制为基础来区别细菌素与抗生素。

通常将细菌素分为三或四种类型[7]。第一类(class1)细菌素称为羊毛硫抗生素( lantibiotics)。通常第一类细菌素典型地具有19~50 多个氨基酸不等。第一类细菌素以它们的稀有氨基酸为其主要特征,如羊毛硫氨酸(ALA-S-ALA),β - 甲基羊毛硫氨酸(ALA-S-ABA),脱氢丙氨酸(DHA)和脱氢丁氨酸(HBD)。第一类又可再分为class 1a 和class 1b。class 1a 细菌素,包括发现于 1928 年的尼生素(nisin),由阳离子及疏水性多肽组成,可以在靶细胞膜上形成孔道,还含有柔性的结构,而class 1b 类的多肽含有比较刚性的结构。发现于 1948 年的枯草菌素(subtilin)是一种尼生素的类似物,在12 位氨基酸残基上与尼生素不同,亦属于此类。class 1b 细菌素,属于球型多肽。第二类(class II)细菌素指那些细菌生产的小的热稳定的不经修饰的多肽,可以进一步划分。class IIa 包括小球菌素状的李斯特氏活性多肽,具有保守的N端序列 Tyr-Gly-Asn-Gly-Val 及在多肽N端半部有两个半胱氨酸形成的双硫桥键。class IIb 包括由两个不同的多肽组成的细菌素,对其活性来说两个多肽都是必需的。这些多肽的主要氨基酸系列是不同的。那些大的、热不稳定的细菌素组成第三类(class III)。第四类由能够与其它大分子形成大复合物的细菌素组成,其带正电荷及疏水性的特点致使之与粗提物中的其它大分子形成复合物。然而,到目前为止,对第一、第二类细菌素了解得较多,并且是最有可能在食品中应用的,文章将重点讨论这两类细菌素。

(待续)

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