天然肽类食品防腐剂研究进展

取自 食品百科全书

天然肽类食品防腐剂研究进展

国内外对食品防腐剂的合成、筛选、抗菌性能和抗菌机理进行了大量的实验研究。在食品中添加高浓度食盐、食糖、醋(乙酸)、乙醇或化学防腐剂是人们保存食品的传统方法。但这些小分子食品成分可降低水分活度,使菌体蛋白变性,并影响和改变细胞形态和细胞结构,其机理主要是使菌体脱水。由于添加量大,所以通常会掩盖或破坏食品的自然风味,并且随着社会生活水平的不断提高和消费者对健康的日益关注,人们对防腐剂之类的食品添加剂在安全性能上提出了更高的要求,研究者开始把目光投向天然防腐剂的开发。在天然防腐剂中,有一大类肽类防腐剂,由于其安全无毒害,甚至有的对人体有保健作用而受到人们的广泛关注。本文将就研究最多的几种肽类防腐剂的来源、结构、抗菌性能等作一综述,以期能使读者对天然肽类防腐剂有更深入的了解,用以指导实践应用。

1 天然防腐剂的主要来源

1.1 植物性天然食品防腐剂

(1998)等对植物芳香精油的抗菌性能进行了研究,其抗菌性能则基于抗菌剂在菌体细胞膜双磷脂层中的溶解度;而精油中的类萜类能降低生物膜的稳定性并干扰能量代谢的酶促反应。佐藤昭子(1990)、马慕英(1993)、席屿芳等(1993)研究出大蒜、洋葱、生姜汁液中辛辣组份可抗青、绿霉菌。和(1994)发现不含辛辣成分的白菜汁液在酸性条件下对乳酸菌有一定抑制作用。等(1992)曾报道植物糖苷也有抗真菌活性。日本和等人发现苹果中最有效的抗菌活性物质是己稀醛,腰果中是漆树酸。

1.2 动物性天然食品防腐剂

近年来,人们发现经细菌、疫苗、某些化学物质及超声波诱导处理后,昆虫体液内产生一些杀菌的物质,其中有一类由数十个氨基酸残基组成,称为抗菌多肽。姜明等也从柞蚕中诱导出抗菌肽,在3~6,浓度2%以上时,杀菌速度大于大肠杆菌增殖速度,其作用机理是杀菌。在食品领域研究最多的则是昆虫抗菌多肽。

1.3 酶食品防腐剂

近年来，人们正研究用微生物发酵法生产溶菌酶，同时还采用酶修饰法先后合成了溶菌酶-环糊精和溶菌酶一半乳甘露聚糖，经过修饰后的溶菌酶不仅抗菌活性稳定，而且具有良好的乳化性能，应用于发酵饮料中防腐效果较好。此外，由于溶菌酶抗菌谱较窄，只对G+细菌起作用，为了加强其溶菌作用，人们常与甘氨酸、植酸、聚合磷酸盐等物质配合使用，以增强对G-细菌的溶菌作用，在食品防腐中效果显著。

2 天然肽类防腐剂的研究

在天然防腐剂中,有一大类属肽类防腐剂,由于其安全无毒害,且对人体有一定营养保健作用而受到人们广泛关注,成为防腐剂的研究热点。

2.1 溶菌酶

溶菌酶是一种专门作用于细胞壁的水解酶,存在于人的唾液、眼泪、蛋清、哺乳动物乳汁、植物和微生物中。它对人体安全无毒,无副作用,且具多种营养与药理作用,所以是一种安全的天然防腐剂。

溶菌酶是一种比较稳定的碱性蛋白质,在酸性条件下最稳定。在3时能耐100℃加热40,在中性和碱性条件下耐热性较差,7时100℃处理10就失活。研究最多的鸡蛋清溶菌酶由129个氨基酸残基组成,具有4个二硫键,分子相对质量为14000,最适为6~7,最适温度为50℃。目前发现的微生物溶菌酶大体有以下5种。(1）内N-乙酰己糖胺酶，类似于鸡蛋清溶菌酶，主要破坏细菌细胞壁肽聚糖中的β-1，4糖甘键。（2）酰胺酶，主要作用于细菌细胞壁肽聚糖中N-乙酰胞壁酸（NAM）与肽“尾”之间的N-乙酰胞壁酸-L-丙氨酸键。（3）内肽酶，使肽“尾”及肽“桥”内的肽键断裂。（4）β-1，3、β-1，6葡聚糖酶和甘露聚糖酶，主要用于分解酵母细胞的细胞壁。（5）壳多糖酶，这是分解霉菌细胞壁的一种溶菌酶。

2.2 昆虫抗菌肽

昆虫数量多、分布广，具有高度的适应能力和防御机制，1972年瑞典科学家Boman等首先从天蚕蛹的免疫血淋巴中分离得到最早发现的高效抗菌肽Cecropins，后又从家蚕、柞蚕、蓖麻蚕及多种昆虫中分离到抗菌肽。目前已发现的昆虫抗菌肽有170多种，研究表明昆虫抗菌肽具有广谱抗菌性，对耐药菌株有明显的杀伤作用，同时对生物体的细胞无破坏性，无免疫原性，它的生成和释放是机体炎症反应的组成部分，是宿主防御细菌、真菌等病原微生物入侵的重要屏障，应用前景十分广阔。尽管昆虫抗菌肽在分子大小和氨基酸组成上各不相同，但其共同特点也相当明显，通常其分子量小于5000，具热稳定性，为碱性肽类物质，大部分形成α螺旋结构和β片层结构或二者的混合结构。

昆虫抗菌肽的种类

经过科学工作者多年的研究，基于昆虫抗菌肽分子的成分和结构特征，通常将其分为4类。

2.2.1 天蚕素类（cecropions）

这类抗菌肽以天蚕素为代表，由31～39个氨基酸残基组成，是具有2个双亲α螺旋结构的抗菌肽，不含Cys，不具有二硫键，N-端区域强碱性，C-端一半为中性疏水区，等电点为8.9～9.5，分子量约为4000，不易被胰蛋白酶、胃蛋白酶水解。这类抗菌肽广泛存在于昆虫中，目前已在鳞翅目和双翅目昆虫分离出20多种天蚕素类似物。

2.2.2 昆虫防御素（insect defensins）

大多数防御素由38～43个氨基酸残基组成，在分子中形成两性分子的α螺旋结构，分子中含有6个Cys，可以形成3个分子内二硫键，并形成β片层结构，其中二硫键与抗菌活性密切相关。

2.2.3 富含脯氨酸残基的昆虫抗菌肽

这类抗菌肽在双翅目、膜翅目、半翅目、鞘翅目昆虫中分离得到，他们具有很高的相似性，含有15～39个氨基酸残基，分子中脯氨酸含量大于25%，与某些哺乳动物的抗菌多肽相似，其中apidaecins是一类在膜翅目中发现的富含脯氨酸的抗菌肽，包括17种，它对革兰氏阴性菌具有很强的活性，而对革兰阳性菌不起作用，apidaecins对某些革兰阴性的植物病原菌和肠杆菌科的致病菌的高杀伤力，使其在植物抗细菌病基因工程和食品工业中有着很好的应用前景。

2.2.4 富含甘氨酸的抗菌肽 这类昆虫抗菌肽在结构上与apidaecins有一定的相似性，在双翅目、鳞翅目、膜翅目、鞘翅目等昆虫中均分离出该类昆虫抗菌肽，这类抗菌肽其一级结构中富含Gly，分子大小是8000～30000，推测含G1y量很高的这类抗菌肽对提高肽链的弹性及广谱抗菌等可能起重要作用。

2.2.5昆虫抗菌肽的作用机理

2.2.5.1 细胞膜电势依赖通道

构成抗菌肽分子的氨基酸大多数带正电荷，分子通过正电荷与细菌胞浆磷脂分子上的负电荷形成静电吸附而结合在脂质膜上，然后分子中的疏水端借助分子链的柔性插入到质膜中，进而牵引整个分子进人质膜，扰乱质膜上蛋白质和脂质原有排列秩序，再通过抗菌肽分子间的相互位移而聚合形成跨膜离子通道，在质膜上形成跨膜离子通道后，使细胞内离子大量流失，最终细胞不能保持其正常渗透压而死亡。

2.2.5.2 抗菌肽的抑制细胞呼吸作用学说

Fehlbaum等（1996年）研究发现，当昆虫防御素类thanatin的浓度在0.3～0.6μmol/L时，对大肠杆菌就表现出强烈的杀菌作用，但当其浓度提高到70μmol/L时，仍然检测不到细胞内钾离子的泄漏，这表明thanatin不是通过改变细胞膜通透性来杀菌的，而当40μmol/L的thanatin处理细菌lh后，可检测到细胞的呼吸作用变弱，6h后呼吸作用完全停止，据此推断thanatin是通过抑制细胞呼吸作用来杀菌。

2.2.5.3 其他作用机制

抑制细胞外膜蛋白的合成

Carsson等（1991年）研究发现，attacin能够干扰大肠杆菌细胞外膜蛋白Omp C、Omp F、Omp A和LamB基因的转录，使这些蛋白质含量减少，从而导致细胞膜的通透性增加，细菌的生长受到抑制。

抑制细胞壁的形成

Ando等（1988年）研究认为，SarcotoxinsⅡ能够抑制细菌细胞壁的形成，使细菌不能维持正常的细胞形态而生长受阻，但对已经形成的细胞壁无作用。除此之外，有科学家认为含脯氨酸的抗菌肽与细菌的热休克蛋白结合，从而发挥抗菌作用；还有研究表明抗菌肽是通过多种因素的协同作用来完成杀菌功能的；抗菌肽还可通过促进机体的免疫功能来提高抗菌能力。

2.3 乳酸链球菌素

乳酸链球菌素是乳酸链球菌在变性乳介质中发酵生成的一种小分子多肽抗菌物质,由34个氨基酸残基组成,分子量为3510道尔顿,活性分子常是二聚体或是四聚体"中含有5个不同于其它蛋白质的二硫键(硫氨酸和甲硫氨酸),另外还含有脱氢丙氨酸,甲基脱氢丙氨酸等不饱和氨基酸。

Nisin的溶解度和稳定性与溶液的值有关,ph值越低,稳定性越好,溶解度也提高。如:2.5时溶解度为12%;5.0时下降到4%;在中性和碱性条件下几乎不溶解,应用时要先用0.02盐酸溶解,加入食品中。在2.0时或更低的稀盐酸中可以经115.6℃灭菌而不失活,但在5.0灭菌时失活40%,6.8时将丧失90%的活力。这种热稳定性与其分子中的5个硫醚桥密切相关。加入食品后,稳定性大大提高,食品中的大分子和小分子物质对有防护作用。因此,用来防止腐败的食品必须具有稳定的酸性。而与热处理杀菌作用是互相促进的,加入少量的(0.24~10)可以大大提高腐败微生物的热敏感性。同样,热处理也提高了细菌对的热敏感性,可以降低热处理强度,保证良好品质。另外,辐射处理和相结合,山梨酸与配合使用等可以弥补抗菌谱的缺点,而发挥广泛的防腐作用。

人们已经发现的6种类型,分别为A,B,C,D,和Z其中对,两种类型的研究最活跃"二者性质基本相同,仅在结构上有一个氨基酸差异,第27位氨基酸残基是组氨酸(Hia),则是天冬酰胺(Asn).

从分子水平上探寻的抑菌机理一直是研究的热点.作用的位点主要是细胞膜.等对存在下双层脂膜电流和电势测量后,证实了形成膜通道的能力.细胞质内小分子和离子通过管道流失,更严重则导致细胞溶解而达到杀菌防腐目的.

不能抑制革兰氏阴性菌、酵母菌和霉菌,专抑制革兰氏阳性菌,特别是细菌芽孢。对孢子的作用有两点值得注意:(1)大多数情况下,对细菌孢子的作用方式是抑制孢子萌发而不是杀死孢子。它对于热加工食品防腐的重要意义在于必须在整个货架期中保持足够的乳酸链球菌肽残留量,以提供对任何存在孢子的连续作用;(2)另一个重要发现是孢子越受到热损伤,就变得对乳酸链球菌肽越敏感。如经121℃热处理3后存活下来的孢子比未经加热损伤的孢子对敏感10倍以上。这也是特别适用于热加工食品防腐保鲜的重要原因。

（GB-2760) 1996规定,罐头、植物蛋白饮料最大使用量为0.2/;乳制品、肉制品最大使用量为0.5g/kg。

2.4 鱼精蛋白

鱼精蛋白是一种在鱼类精核中发现的聚阳离子肽,有广谱抑菌活性,能抑制枯草杆菌、巨大芽孢杆菌、地衣形芽孢杆菌等的生长,分子富含和许多带正电荷小肽和和等的杀菌机制是在细胞膜上形成电势依赖通道,然后导致细胞内新陈代谢物质的溢流而使细胞死亡。然而并不是所有肽都是通过这种机制起杀菌作用的。从分子组成上看,鱼精蛋白不具有两亲特征,因为分子中的32个氨基酸中有21个是,由于其多为阳离子、非两亲性质,而无法插入细胞膜内而形成膜通道,所以鱼精蛋白不会引起细胞的水解或改变细胞膜的通透性。进一步的研究发现,鱼精蛋白的作用机制是抑制线粒体电子传递系统中的一些特定成分,抑制一些与细胞膜有关的新陈代谢过程。经鱼精蛋白处理后,发现细胞含量降低,氨基酸的转运受到抑制,这表明产生质子动力的能力受损,鱼精蛋白可能与磷脂头部的负电荷通过静电引力相互作用,定位在膜的表面与膜中那些涉及营养运输或生物合成系统的蛋白质作用,而使这些蛋白的功能受损,从而抑制细胞的新陈代谢而使细胞死亡。

2.5防御素

防御素是近年来发现的广泛存在于动物和植物体内的一类阳离子抗菌活性肽。它们通常都是由54个氨基酸残基组成,分子内富含精氨酸和由半胱氨酸形成的分子内二硫键。防御素具有广谱、高效的杀菌活性,能有效地杀死革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、某些真菌、螺旋、被膜病毒等微生物,因而对防御素的研究已成为当前国际食品添加剂行业中一个令人关注的热点问题。

除了抗菌防腐外,对于人体而言,防御素可起调理素的作用;在人体内分泌系统中,可抑制甾醇类激素的分泌;在体外,防御素还可增强脂蛋白与内皮细胞、脂蛋白与内层平滑肌细胞的结合能力。

3 天然肽类防腐剂研究趋势

3.1 应用基因工程方法生产

天然肽类防腐剂多为动物体正常蛋白质,故安全性很高,而且像溶菌酶、鱼精蛋白等对人体还有一定保健作用,所以是一类值得大力开发的食品防腐剂。但蛋清、鱼类精巢等原料的供应量很有限,因而妨碍了这些防腐剂的广泛使用。目前人们正尝试通过基因工程在微生物中直接表达抗菌肽基因,但这可能造成宿主微生物自杀而不能获得表达 产物,以融合蛋白质的形式表达抗菌肽基因,虽然可克服这一缺点,但仍有表达产物少的问题。

3.2 肽的分子改造

天然防腐剂与目前广泛使用的化学防腐剂相比,抗菌谱窄,抗菌效果差。所以,人们试图通过分子修饰来提高抗菌性能。例如对昆虫抗菌构效关系的研究表明,螺旋与抗菌肽的活性密切相关,改变两性分子螺旋度会影响抗菌肽的活性。如用螺旋度倾向高的氨基酸残基代替螺旋倾向低的残基,抗菌肽的活性将明显提高。相反,降低抗菌肽两性分子A螺旋度将导致抗菌活性的急剧下降,可见两性分子螺旋在维持抗菌肽活性中起着重要作用。溶菌酶被咖啡酸共价修饰后,修饰产物可强烈抑制大肠杆菌等格兰氏阴性菌的生长,大大加宽了溶菌酶的抗菌谱。溶菌酶被环糊精和半乳甘露聚糖修饰后,不仅抗菌活性稳定,而且具有良好的乳化性能,加工性能大为增强。所以,抗菌肽类分子的改造和设计已成为获得新抗菌肽的主要途径。

3.3 与其他防腐剂联合使用

天然肽类防腐剂常和其他添加剂配合使用增强其抗菌效果。例如螯合剂,可从革兰氏阴性菌中部分除去含脂多糖的外层膜,因而降低了其对其他防腐剂的抗性。例如,溶菌酶、等一般只能作用于革兰氏阳性菌,但与配合使用时他们对革兰阴性抗菌的抑制能力也大为增强。