抗菌肽對食品腐敗菌抑制效果的研究進展

金 紅，葉 銳，徐 晶，陳麗嬌，梁 鵬，姜 珊，程文健

（福建農林大學食品科學學院，福建福州 350002）

0 引言

抗菌肽又叫肽抗生素、抗微生物肽，是指具有抵御外界微生物侵害、清除體內突變細胞的一類小分子肽。天然抗菌肽是由小于50個氨基酸殘基組成的堿性小分子肽，分子質量一般在500～5 000，是先天性免疫防御系統的重要組成部分[1]。它們廣泛存在于細菌、真菌、植物、昆蟲、魚類、鳥類、甲殼類、兩棲動物和哺乳動物等生物體內。傳統抗生素通常只對細菌有效，而抗菌肽具有廣譜抗細菌活性，能殺死革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌，如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門桿菌等[2]；有些抗菌肽還可抗病毒、抗原蟲、抗真菌、抑制或殺傷腫瘤細胞等。1981年瑞典科學家Boman從昆蟲惜古比天蠶蛹中誘導分離出天蠶素，這是第1個被發現的抗菌肽。此后，研究者陸續從不同種屬的生物中發現并提取出2 000多種具有抗菌活性的多肽[3]。

目前，科研工作者對抗菌肽的研究主要包括分離純化、氨基酸序列分析、作用機理、轉基因工程、藥物開發、食品工業及畜牧業中的應用等。抗菌肽作為一種非特異性免疫分子，絕大部分是陽離子肽，具有兩親性、較好的水溶性、熱穩定性、不易產生耐藥性、安全無毒副作用等優勢[4]，在食品工業、農業、養殖業、醫藥業等領域存在著潛在應用價值。

化學防腐劑對人體會產生一定程度的毒害作用，人們對天然防腐劑的需求不斷增加。抗菌肽可抑制微生物的生長，對食品中的多種革蘭氏陰性細菌和革蘭氏陽性細菌都有很強的殺滅作用。它易被人體消化水解且無毒副作用，是一種新型的生物防腐劑，已經成為食品添加劑中研究的一項熱點。有研究證明，抗菌肽在橙汁、冷鮮肉、牛奶、水果中保鮮效果良好[5]。在食品加工中添加抗菌肽可減少化學防腐劑的使用量，減輕熱處理等食品加工處理的程度，從而保證食品的營養與風味。綜述了動物源、植物源和微生物源抗菌肽對不同食品腐敗菌的抑制效果及其在抗菌活性包裝中的應用。

1 抗菌肽對不同食品腐敗菌的抑制效果

1.1 動物源抗菌肽

1.1.1 昆蟲抗菌肽

昆蟲是世界上最大的生物種群，無淋巴系統、免疫球蛋白和補體，但具有非細胞免疫系統、超強的適應和防御能力。大量研究表明，昆蟲在感染病原菌后，脂肪體能迅速合成抗菌肽，殺滅已侵入的病菌，并阻止病菌的繼續侵染[6]。昆蟲抗菌肽存在于血液淋巴系統中，迄今為止已經從不同昆蟲體內發現200多種抗菌肽。

昆蟲防御素能夠殺傷革蘭氏陽性菌，對真菌沒有作用，不同來源的抗菌肽抑菌效果也不同[7]。近年來，昆蟲抗菌肽逐步在食品防腐中廣泛應用。在肉制品加工過程中添加昆蟲抗菌肽，只需nmol/g級劑量就可以抑制細菌的生長繁殖，保持食品的風味及色澤，同時還可以顯著降低肉制品中亞硝酸鹽的含量，減少亞硝胺對人體健康的危害[8]。

昆蟲抗菌肽水溶性好，可以降低殺菌溫度、縮短熱處理時間、保持食品的營養價值與風味。可食的家蠅幼蟲是抗菌肽的重要來源，Hou L等人[9]從中提取出一種新型抗菌肽Hf-1，它對食源性致病菌大腸桿菌、銅綠假單胞菌、沙門氏菌和志賀痢疾桿菌、金黃色葡萄球菌有很強的抑制作用，在鮮榨的橙汁中表現出的抗菌活性相當于苯甲酸鈉。有研究者以轉基因蠅蛆為原材料提取出可用于果蔬保鮮的抗菌肽，并成功申請抗菌肽食品保鮮劑的專利。某些昆蟲抗菌肽對食品的保鮮效果甚至比防腐劑的效果更好。康蘇等人[10]將不同濃度的新疆家蠶抗菌肽（Cecropin XJ）與防腐劑山梨酸鉀分別處理鮮榨的番茄汁和葡萄汁，發現空白組果汁變渾濁速度最快，防腐劑組與加入抗菌肽的果汁比空白組澄清。其中0.02%的Cecropin XJ對葡萄汁的抑菌效果與0.02%山梨酸鉀的抑菌效果較接近，其色澤也更接近鮮榨狀態；菌液OD值也比山梨酸鉀組低，0.1%Cecropin XJ組的菌落OD值比0.02%山梨酸鉀組還低，抑菌效果更好。

昆蟲抗菌肽與防腐劑復配可提高抑菌效果，并降低防腐劑的用量。鄭小霞[11]將抗菌肽H配合乳酸鏈球菌素、溶菌酶、EDTA 4種常用防腐劑，正交試驗顯示抗菌肽能顯著提高抑制金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、熒光假單胞桿菌、藤黃微球菌等食品中常見的腐敗菌，降低了各防腐劑的用量。將復合防腐劑最優配方用于冷鮮豬肉的保鮮，防腐效果顯著。保鮮第6天的感官品質、持水力顯著提高，菌落總數和TVB值顯著降低。朱張洪基[12]從中華稻蝗前腸提取出的抗菌肽與其他防腐劑配合用于黃梨汁保鮮，抗菌肽復配最佳組合為0.006%抗菌肽、0.5%甘氨酸、0.05%山梨酸鉀、0.03%雙乙酸鈉、0.003%EDTA，使黃梨的保鮮期延長至6 d。由此可見，此抗菌肽在食品保鮮上具有一定的作用。

1.1.2 哺乳動物抗菌肽

哺乳動物抗菌肽主要是由中性粒細胞、白細胞、黏膜和皮膚的上皮細胞產生，可分為防御素和Cathecilidins兩大主要家族[13]。Pazgier M等人[14]從豬、牛、綿羊中分別分離出至少18種、30種、30種抗菌肽，已發現人防御素達35種以上。哺乳動物防御素能殺死多種細菌和某些真菌，對真核細胞也有一定的毒性。不同哺乳動物抗菌肽在肉制品保鮮中效果不同，研究者從牛血細胞中提取的抗菌肽凍成粉末均勻涂布到新鮮豬肉的表層，每6 h抹片觀察一次，并進行細菌計數。結果發現，與未處理的肉相比，抗菌肽處理的肉產生桿菌的時間更遲緩，且貯藏時間更長。鄒沫君[15]從鴨腸道黏膜中提取的抗菌肽，對大腸桿菌、沙門氏菌和金黃色葡萄球菌的抑菌最小量分別為0.165 2%，0.312 5%，0.625 0%。在接近中性條件下，鴨小腸抗菌肽抗菌效果顯著，對G+菌抑菌效果強于G-菌。采用2倍稀釋法將不同濃度的抗菌肽應用到冷卻肉的貯藏保鮮中，結果顯示鴨小腸抗菌肽保鮮液的有效保鮮質量分數為0.8%，第9天仍可保持肉色鮮紅，第15天才出現輕微異味且彈性良好，第18天TVB值剛好超過國家鮮度標準，為各組最低。哺乳動物抗菌肽大部分來源于豬、牛、羊等家畜的體內，作為天然防腐劑安全性更高、原料更易獲取。有研究者從人們日常食用的新鮮豬血中分離純化出抗菌肽，其對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌等食源性細菌均有不同程度的抑制作用。掃描電鏡觀察到培養20 min后金黃色葡萄球菌和綠膿桿菌的形態結構發生了明顯的改變，細菌表面干癟、皺縮、粗糙不平并停止分裂繁殖[16]。

1.1.3 兩棲類動物抗菌肽

兩棲類動物的體表黏液、胃腸道、表皮中含有大量小分子抑菌肽類，目前已提取多種抗菌肽。兩棲類動物抗菌肽抗菌譜廣，殺菌速度快，大部分可以在5 min內引起細菌死亡，可以中和細菌產生的內毒素而避免膿毒癥[17]。蛙類皮膚中含有大量的抗菌肽，目前已發現255條。李蘭洲等人[18]采用超聲波方法從中國林蛙皮中提取抗菌肽物質，此多肽對大腸桿菌、金葡萄球菌、白色念珠菌、銅綠假單胞菌作用5 min，抑菌率即可達100%，相同pH值林蛙抗菌肽提取液抑菌圈直徑均達10 mm以上。林蛙抗菌肽具有很強抑菌活性，適合產業化應用。邱芳萍等人[19]從吉林林蛙干皮中提取的抗菌肽對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌有較強的殺滅作用，將分離純化后的抗菌肽噴灑于草莓表面，新鮮的草莓在室溫下能夠放置120 h，對照組只能放置72 h，該抗菌肽達到良好的保鮮防腐作用。研究表明，很多海洋抗菌蛋白對采后水果具有防腐保鮮的作用，如防治炭疽病等[20]。

1.2 植物源抗菌肽

植物來源的抗菌肽叫植物防御素，只對真菌有作用，一般不殺傷細菌。最早發現的植物防御素是硫素（Thionin），它可以在體外抑制細菌和真菌的生長，可以殺死多種病原菌，對植物也具有一定的保護功能[21]。植物中含有多種抗菌物質，研究者通過對48科139種植物花、葉、莖、根各部分抑菌活性的測定，發現植物的花抑菌活性最高，其余依次為葉、莖、根。張璞[22]從美國紅梣果實水浸提液中分離純化出抗菌肽，對革蘭氏陽性細菌和革蘭氏陰性細菌抑制作用強，對真菌的抑制作用較小。該抗菌肽在長時間高溫、極端pH值、高強度的離子濃度及某些有機溶劑條件下仍有較強穩定性與活性。可見，此抗菌肽在食品加工過程中能夠保持穩定，適合在食品生產中應用。劉冬冬等人[23]酶解紫菜蛋白提取出抗菌肽（LPAP），它能夠抑制G+菌和G-菌，對金黃色葡萄球菌的最小抑菌質量濃度為0.25 mg/mL，對金黃色葡萄球菌的抑菌效果與36 μg/mL氨芐青霉素和100 μg/mL硫酸卡那霉素的抑菌效果相當，是食品防腐劑的良好選擇。

有研究證明，枯草芽孢桿菌在生長代謝過程中能產生脂肽類抗生素和羊毛硫細菌素等多種抗菌物質，羊毛硫細菌素是一種球狀抗菌肽[24-25]。姜太玲等人[26]酶解花椒籽蛋白分離純化得到一種抗菌肽，其對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、枯草芽孢桿菌的抑制率很高，分別為96.79%，60.47%，59.32%，42.93%。結果顯示，其對枯草芽孢桿菌的抑菌能力最強，其次為大腸桿菌和沙門氏菌，對金黃色葡萄球菌的抑菌能力相對較弱。但花椒籽蛋白抗菌肽對其生長具有較強抑制作用，說明此抗菌肽不適用于含有枯草芽孢桿菌的食品中。

1.3 細菌抗菌肽

細菌能夠合成各式各樣的抗菌肽，又被稱作細菌素。細菌素主要是通過在靶細胞膜上形成孔道，從而造成內容物外泄或各種平衡機制失調，選擇性抑菌或殺菌可保護腸道優勢菌群[27]。美國新開發了一種由無害細菌產生的抗菌肽類天然食品防腐劑“Lantibiotic”，它可殺死食品中的沙門菌、大腸桿菌和李斯特菌，防止食物遭受致病菌的侵襲。“Lantibiotic”在肉類、奶酪、雞蛋與奶制品、罐頭食品、海產品、色拉醬調料、發酵飲料的加工中可能會抑制一些病菌，且對人體無毒、易消化，不會引起過敏[28]。

1.3.1 乳酸菌抗菌肽

乳酸菌細菌素是由乳酸菌發酵產生的，主要是酸性物質、乳酸菌抗菌肽、過氧化氫等組成，可有效抵抗食物變質和食源性病原微生物[29]。乳酸菌是益生菌，其產生的Nisin是目前唯一一個被批準在食品保鮮中應用的抗菌肽，其生產基因穩定、抑菌范圍較廣、食用安全，被認為是天然添加劑[30]。Nisin能夠抑制奶酪中肉毒梭菌芽胞桿菌芽孢的發芽，2.5 mg/L Nisin對李氏桿菌的抑制可達55 d；在巴氏殺菌奶中添加5～10 IU/mL的Nisin，于15℃條件下保藏，可延長6 d保質期。已鑒定的乳酸菌抗菌肽數以百計，有文獻報道嗜酸乳桿菌lnd-l戊糖片球菌產生的細菌素添加到消毒奶中，于4℃條件下貯藏可以延長4 d左右的貨架期[31]。片球菌素熱穩定性好，在生雞肉中可控制李氏桿菌的生長，而且烹飪后仍保留活性，但至今尚未被美國批準作為食品添加劑使用。Nisin與溶菌酶復合使用能夠有效抑制微凍保藏中雜色蛤肉細菌的增長繁殖，延緩揮發性鹽基氮、pH值、硫代巴比妥酸值的上升，減緩Ca2+-ATPase活性降低，比未經處理的對照組延長15 d以上[32]。許多研究證明，具有產抗菌肽能力的菌株可以防止和控制不良菌群引起的污染。因此，一般認為在食品中直接添加產抗菌肽的乳酸菌比直接添加抗菌肽更可取[33]。1.3.2 桿菌肽

桿菌肽是一種強殺菌劑，能明顯抑制革蘭氏陽性菌，特別對葡萄球菌、梭狀芽胞桿菌、棒狀桿菌、金黃色葡萄球菌有較強的抑制作用，對部分革蘭氏陰性菌也有一定的抑制作用[34-35]。高明燕等人[36]研究枯草芽孢桿菌產生的抗菌肽RP-07對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門桿菌3株食品腐敗菌細菌的抑菌效果，當抗菌肽質量濃度為0.5 mg/mL時，3種細菌的抑菌圈直徑分別達到9.35，10.70，8.32 mm，顯示出了較好的抑菌性。同時，此抗菌肽具有較好的熱穩定性，在堿性和酸性環境下活性也很強，對人工胃液和人工腸液都具有較好的耐受性，適合用于食品加工后期的貯藏。有報道稱，蠟樣芽孢桿菌的抗菌活性在對數期產生，在平穩期達到最大。張立娜[37]從醬渣中分離出一株產肽類抑菌物質的蠟樣芽孢桿菌，對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌及真菌都有良好的抑制作用。該肽類含有Leu，Gln，His 3種氨基酸，是一種與已發現的蠟樣芽孢桿菌脂肽抗生素類不同的新物質。芽孢桿菌是一類產生大量的不同化學結構的多肽抗菌物質的物種。

高兆建等人[38]探索了枯草芽孢桿菌菌株L-13發酵所產生的抗菌肽對食品的防腐效果，分別在草莓汁、牛奶、饅頭、豬肉中添加不同質量濃度的抗菌肽，并在20℃和4℃條件下貯藏。當添加抗菌肽質量濃度在1.2 g/L以上時，草莓汁可有效防腐，品質至少可保持20 d；當添加抗菌肽質量濃度在1.6 g/L以上時，新鮮豬肉在4℃下可貯藏9 d，豬肉感官可以接受，無明顯腐敗現象。結果顯示，抗菌肽對食品貯藏中具有明顯的防腐效果。

2 抗菌肽在包裝中的應用

大部分情況下，抗菌劑不能直接添加到食品中或涂布于食品表面。因為抗菌劑與食品直接接觸，會造成食品中某些成分的抑制和抗菌劑從食品表面向內部迅速擴散致濃度不均勻而導致抑菌活性降低。另外，抗菌劑也可能使食品中的部分活性物質失活而降低食品本身營養價值。但是在抗菌包裝中，抗菌劑通過載體緩慢持續地釋放到食品表面，能夠始終保持食品表面殺菌所需要的高濃度，顯著提高產品貨架期，保證食品安全[39]。

大量研究證明，利用抗菌肽制成抗菌活性包裝用于食品保鮮具有廣闊的應用前景。目前，有關乳酸鏈球菌素、地衣芽孢桿菌、枯草菌素在抗菌活性包裝中應用的研究較多。乳酸鏈球菌素可以與甲基纖維素-羥丙基甲基纖維素的混合物進行涂覆聚乙烯薄膜，還可以加入到瓊脂中制成薄膜，作為抗菌薄膜使用。殼聚糖是重要的抗菌包裝載體，張曉春等人[40]將乳酸鏈球菌素（Nisin）與殼聚糖制作成活性涂層處理鹵鵝表面后進行真空包裝。于室溫條件下貯藏，三者結合使用比單獨應用真空包裝延長了7 d貯藏期。陶煒煜從枯草芽孢桿菌R21-4提取的抗菌肽添加到1%普魯蘭多糖中制成生物膜，于10℃條件下對西蘭花涂膜處理，能有效延緩西蘭花的腐敗。Nithya等人將地衣芽孢桿菌抗菌肽分別添加到LDPE和纖維素薄膜制成抗菌包裝，2種包裝均表現出良好的抗菌活性。

3 抑菌肽在食品保鮮中應用存在的問題

抗菌肽作為一種新型食品防腐劑，其抑菌效果顯著、安全性高，符合當今綠色食品生產的要求，并可減少食品冷鏈運輸過程中的能量消耗和食品加工過程中的熱處理等。目前，新型的抗菌肽不斷被發現，它作為生物防腐劑代替化學合成防腐劑將是食品工業發展的趨勢，具有廣闊的市場前景，但真正在食品保鮮中展開規模化應用，仍有一些問題需要解決。

3.1 抗菌肽的來源問題

從生物體中直接提取抗菌肽，效率不高、提取工藝復雜且生產成本高；化學合成的抗菌肽難以保證其天然的結構與活性；利用基因工程獲得抗菌肽，雖然已經實現了在某些細菌、酵母菌等體系中表達，但小分子肽極易被蛋白酶水解，表達分泌率不高。三者都無法滿足現代工業市場對食品保鮮的需求，提高抗菌肽產量、降低生產成本是抗菌肽大規模應用面臨的一大難題。

3.2 抗菌肽在體內應用的穩定性問題

目前，有關抗菌肽機理和體外生物活性的研究較多，但對其合成肽的體內應用穩定性方面的研究鮮有報道。雖然許多研究者證明了抗菌肽在短時間對人體無毒無害，但某些抗菌肽作用機制還尚未清楚，它們具有較強溶血性且化學性質穩定，用作食品防腐保鮮劑被人體吸收后，其在體內代謝的半衰期及代謝產物是否對人體有害還不清楚。這需要研究者進行大量的相關毒理試驗，才能有足夠的說服力。

3.3 應用于包裝材料的問題

將抗菌肽制成包裝材料時，一般都是以抗菌肽滅菌效果為評價指標，而對包裝材料的加工方式、抗菌肽的影響及食品品質、外界環境的研究較少。

3.4 生物安全性問題

抗菌肽通過改變細胞膜的通透性或者作用于細胞內的其他靶標達到殺死或抑制微生物的目的，因此微生物不太可能對抗菌肽產生抗性。但是，在一項選擇性試驗中，使大腸桿菌和假單桿菌處于Pexiganan（爪蟾抗菌肽的類似物）環境中繁殖數代后，它們體內對該抗菌肽的抗性產生了進化。由于傳統抗生素的不規范使用，自然界中微生物可能通過改變細胞膜動力學結構或增強蛋白水解酶活性對抗菌肽產生抗性。為了避免這種情況的發生，抗菌肽在使用過程中應該著眼于長遠并且要使用更規范，制定出不同抗菌肽的使用量。

4 結語

抗菌肽是一種新型、高效、低毒、廣譜的食品防腐劑，與其他防腐劑配合使用可增強提高殺菌效率，拓寬抗菌范圍，還可降低化學防腐劑的使用量，提高食品的安全性，這方面的研究目前最有可能發展。大量試驗證明，EDTA能夠有效提高抗菌肽（特別是Nisin） 對革蘭氏陰性細菌的靈敏度，較少4倍的使用量。目前，市場上出現了抗菌肽與益生菌、益生元、中藥等配合應用在食品保鮮中。若抗菌肽結合其他保鮮技術（如氣調包裝、真空包裝等），或結合高流體靜壓、脈沖電場等非熱處理技術，抑菌效果可能會更佳，這需要進一步深入研究。近幾年，抗菌肽在食品保鮮防腐中成為了研究熱點，2014年國外研究人員系統的出版了抗菌肽數據庫（ADP），主要綜合了從細菌、原生動物、真菌、植物、無脊椎動物和脊椎動物中提取的抗菌肽的特性。

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