地衣素及其在養(yǎng)豬上的應(yīng)用潛力

張吉鹍

（1.湖北博大生物股份有限公司動物繁殖與營養(yǎng)工程技術(shù)中心，湖北 黃石 435000；2.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，江西 南昌 330200）

芽孢桿菌在其代謝中會產(chǎn)生種類繁多的脂肽類化合物，主要有枯草（菌）素（Surfactin）、伊枯草（菌）素（Iturin）、豐原（菌）素（Fengycin）和Kurstakin?等四大家族[1-6]。其中，枯草素家族的種類最多，而地衣（菌）素（Lichenysin）又是枯草素家族中重要的一員[6]。張榮[7]從國產(chǎn)白酒中分析出地衣芽孢桿菌固態(tài)發(fā)酵代謝組分的特征產(chǎn)物地衣素。

1 地衣素的理化性質(zhì)

1.1 地衣素的物理性質(zhì)

地衣素同枯草素一樣，其晶體呈淺黃色的薄片，類似非結(jié)晶型殘渣[8]，分子量在 993 ～ 1?049?Da 之間。

1.2 地衣素的化學(xué)性質(zhì)

地衣素是由地衣芽胞桿菌產(chǎn)生的一類脂肽生物表面活性劑，同枯草素一樣為酸性物質(zhì)，溶于堿性溶液以及包括甲醇、二氯甲烷、氯仿、乙醇、乙酸、乙酸乙酯以及丙酮等有機(jī)溶劑，不溶于己烷、石油酯這類有機(jī)物，也不溶于水[8]。

1.3 ?地衣素的結(jié)構(gòu)及其與枯草素結(jié)構(gòu)的區(qū)別

1.3.1 地衣素的結(jié)構(gòu)

芽孢桿菌代謝產(chǎn)生的天然地衣素是由具有不同長度脂肪酸側(cè)鏈的同系物組成的混合物。其典型結(jié)構(gòu)為7個氨基酸通過肽鍵連接而成的一種呈馬鞍型的肽鏈，這7個氨基酸的順序為L-Gln1?→?D-Leu2?→?L-Leu3?→?L-Val4?→?L-As p5?→?D-Leu6?→?L-Ile7，肽鏈的第 7 位氨基酸與?-羥基脂肪酸以內(nèi)脂鍵結(jié)合成環(huán)狀，形成環(huán)肽化合物，其脂肪酸碳鏈長度在C12～C17之間。所選用的芽孢桿菌菌種與培養(yǎng)基組分的差異以及培養(yǎng)條件的改變，都會在一定程度上影響地衣素肽鏈氨基酸的組成及脂肪酸鏈的結(jié)構(gòu)[9]。圖1為張榮[7]基于色譜、質(zhì)譜以及核磁相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，測定的國產(chǎn)白酒中所含地衣素的結(jié)構(gòu)式。

1.3.2 地衣素與枯草素的結(jié)構(gòu)比較

地衣素與伊枯草素、豐原素、枯草素的化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，差異主要體現(xiàn)在氨基酸的組成上。如地衣素與枯草素的化學(xué)結(jié)構(gòu)就高度相似，區(qū)別僅在地衣素肽鏈第1位氨基酸為L-谷氨酰胺殘基（L-Gln），而枯草素肽鏈的第1位氨基酸則為L谷氨酸殘基（L-Glu）[10]。這點(diǎn)細(xì)微的結(jié)構(gòu)差異卻對二者的生理活性功能造成顯著影響。

1.3.3 地衣素比枯草素具有更強(qiáng)的生理活性功能

地衣素比枯草素具有更強(qiáng)的生理活性功能，表現(xiàn)在：1）由于地衣素的Gln取代了枯草素相應(yīng)位置的Glu，使得地衣素分子的側(cè)鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，羧基對陽離子的親和性顯著增加，這樣地衣素就比枯草素表現(xiàn)出更強(qiáng)的表面活性[9]；2）地衣素的溶血活性比枯草素顯著提高，濃度為15?μmoL/L的地衣素即可百分之百地溶血，而相應(yīng)地枯草素的濃度則需提高到200?μmoL/L；3）地衣素對革蘭氏陽性（G＋）和革蘭氏陰性（G－）細(xì)菌的抑菌活性較之枯草素亦明顯增強(qiáng)[11]。總之，盡管地衣素與枯草素的結(jié)構(gòu)相似，但是地衣素具有更強(qiáng)的表面活性、螯合活性與溶血活性。

2 地衣素的表面活性

2.1 生物表面活性劑簡介

圖1 地衣素的結(jié)構(gòu)式（A, n=7, 8, 9;B, n=7, 8, 9,10 ）

所謂生物表面活性劑（Biosurfactant）就是由微生物在正常培養(yǎng)條件下產(chǎn)生的具有一定表面活性的代謝物[12]。生物表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)相似，其分子中亦同時含有極性的親水基和由脂肪烴鏈構(gòu)成的非極性憎水基，因而亦具有降低表/界面張力、增溶、乳化等性能[13]。此外，生物表面活性劑較之化學(xué)表面活性劑還具有如下優(yōu)勢：1)環(huán)境相容性更好，綠色環(huán)保，無毒或低毒；2)生物降解力更強(qiáng)；3)結(jié)構(gòu)功能更具多樣性；4)極端環(huán)境下（溫度、pH以及鹽度）的耐受性與有效性更長[14]。隨著環(huán)保法的實施以及人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，生物表面活性劑將在醫(yī)藥、環(huán)境工程、化妝品以及采油工業(yè)等領(lǐng)域逐漸替代化學(xué)合成的表面活性劑，有著廣泛的應(yīng)用前景。

2.2 生物表面活性劑的分類

根據(jù)生物表面活性劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將其分為：脂肽/脂蛋白（Lipopeptides/Lipoproteins）、 糖 脂（Glycolipids）、中性脂（Neutral?lipids）、磷脂（Phospholipids）、 脂多糖（Lipopolysaccharides）以及取代脂肪酸（Substituted?fatty?acdis）6 大類[15]。當(dāng)前，有關(guān)生物表面活性劑的研究，主要（約70%的工作）集中在芽胞桿菌屬（Bacillusspp）合成的脂肽類化合物上[16]，涉及枯草素、伊枯草素和豐原素這樣3大家族。其中枯草素家族（Surfactin?family）包括枯草素（Surfactin）、地衣素（Lichenysin）、望菌素（Esperin）等[17]。而枯草芽胞桿菌（Bacillus?subtilis）代謝產(chǎn)生的枯草素與地衣芽胞桿菌（Bacillus?licheniformis）代謝產(chǎn)生的地衣素這樣兩類重要的環(huán)脂肽化合物又是表面活性劑研究中的重中之重[18]。

2.3 地衣素的表面活性

2.3.1 有關(guān)地衣素表面活性的最早報道

有關(guān)地衣素及其表面活性的報道最早見于1983年：Javaheri等發(fā)現(xiàn)地衣芽胞桿菌JF-2代謝產(chǎn)生的脂肽類物質(zhì)地衣素B具有較強(qiáng)的表面活性，可將水的表面張力降至26～27?mN/m，對辛烷的界面張力達(dá)到 10-2mN/m[19]。隨后，研究人員又陸續(xù)在地衣芽胞桿菌的代謝物中發(fā)現(xiàn)了地衣素A、B、C、D、G以及表面活性劑BL86，并對它們進(jìn)行了分離純化與結(jié)構(gòu)分析[9]。

2.3.2 地衣素是極強(qiáng)的生物表面活性劑

自1968年Arima等發(fā)現(xiàn)生物表面活性劑以來，地衣素是迄今為止發(fā)現(xiàn)的表面活性最強(qiáng)的生物表面活性劑之一[14]，20μmoL/L的地衣素即可將水的表面張力降低至27?mN/m，遠(yuǎn)勝于相同濃度的月桂酰硫酸鈉溶液，而枯草素作為一種強(qiáng)力生物表面活性劑，也只能將水的表面張力從70?m?N/m降低至36?m?N/m[20-21]。地衣素除了具有強(qiáng)的表面活性外，還具有抑菌、抗病毒、抗癌、溶纖以及溶血等生理活性功能。

3 地衣素的生理活性功能

3.1 地衣素的抑菌活性及其抑菌機(jī)理

3.1.1 地衣素的抑菌活性最強(qiáng)

地衣素同枯草素、伊枯草素與豐原素一樣，作為能夠滲透所有細(xì)菌細(xì)胞膜的脂肽化合物，具有顯著的抑菌活性，是自然界中非常重要的抗菌肽，但以地衣素的抑菌活性最強(qiáng)，其濃度只要達(dá)到12～50?μg/mL，就能發(fā)揮有效的抑菌作用，也就是說地衣素的最低抑菌濃度（MIC）為12～50?μg/mL。然而，具體到菌種，地衣素、枯草素、伊枯草素與豐原素的抑菌活性的強(qiáng)弱還是有些差異，體現(xiàn)在：1)枯草素在抑制飼料、食品中的致病菌如使單核細(xì)胞增多的李斯特氏菌（Listeria?monocytogenes）[5]、臘樣芽孢桿菌（Bacillus?cereus）[22]和黃曲霉（Aspergillusflavus）[23]的效果較地衣素好；2)伊枯草素是一種抑菌活性較強(qiáng)的抗生素，對真菌中的酵母和霉菌的抑菌功能比枯草素的相應(yīng)抑菌功能強(qiáng)[2]；3)豐原素是一種抑制霉菌（真菌）的抗生素，抗真菌的作用則較強(qiáng)，尤其是對真菌菌絲的抑制作用特別明顯，主要用于植物中的抑制致病霉菌，已廣泛用于如灰葡萄孢菌（Botrytis?cinerea）、尖孢鐮刀菌（Fusarium?oxysporum）、水稻紋枯病菌（Rhizoctorzia?solani）[17]等農(nóng)業(yè)有害菌的防治，是一種綠色環(huán)保而又高效的生物農(nóng)藥。

3.1.2 地衣素的抑菌機(jī)理

地衣素、枯草素、伊枯草素與豐原素等脂肽化合物主要是通過破壞細(xì)胞膜的完整性來發(fā)揮抑菌作用的，如豐原素與真菌細(xì)胞膜表面的甾醇結(jié)合而破壞細(xì)胞膜的完整性，從而抑制真菌的生長。

3.2 地衣素的抗病毒活性及其作用機(jī)理

地衣素與枯草素作為脂肽化合物，均呈現(xiàn)出一定的抗病毒活性，但其抗病毒作用有別于其他抗生素：地衣素是通過瓦解被包圍的病毒來發(fā)揮其抗病毒作用的，而枯草素則不僅能夠瓦解被包圍病毒的油脂層，而且能夠通過形成離子渠道來破壞病毒的衣殼。但是，枯草素只對無細(xì)胞病毒有效。當(dāng)枯草素暴露在高濃度的蛋白質(zhì)或油脂媒介中時，其抗病毒活性會受阻，這種現(xiàn)象被稱為緩沖效應(yīng)，是枯草素抗病毒活性的一個致命缺點(diǎn)[24]。

3.3 地衣素的溶纖活性

血纖維蛋白是一種蛋白質(zhì)，是由凝血酶作用于血纖維蛋白原而形成的，血纖維蛋白聚合而成血凝塊。血纖維蛋白分為可溶的單體形式和不溶的多聚體形式。地衣素與枯草素都能夠抑制血纖維蛋白凝塊，具有較好的溶纖活性。

3.4 地衣素的抗癌活性

自韓國豆醬中分離的地衣素、枯草素等類脂肽化合物能夠通過誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡來實現(xiàn)對人體乳腺癌腫瘤細(xì)胞的抑制[1]。

3.5 ?地衣素是養(yǎng)豬生產(chǎn)中最具潛力的替代抗生素產(chǎn)品之一

上述地衣素的生理活性功能表明，地衣素是當(dāng)今養(yǎng)豬生產(chǎn)中最具潛力的綠色環(huán)保型替代抗生素產(chǎn)品之一。

4 地衣素生理活性功能小結(jié)及其增產(chǎn)策略

4.1 地衣素生理活性功能小結(jié)

地衣素比枯草素等具有更強(qiáng)的表面活性、抑菌活性、抗病毒活性和溶血活性，是目前世界各國競相開發(fā)的新產(chǎn)品，無毒、無副作用，是養(yǎng)豬生產(chǎn)中最具潛力的、綠色環(huán)保型替代抗生素產(chǎn)品之一。但由于利用地衣芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)地衣素的工藝不夠成熟，其生產(chǎn)得率低且成本較高，限制了它的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用推廣。因此，地衣素的開發(fā)研究及其抑菌機(jī)制仍需加強(qiáng)研究。

4.2 地衣素增產(chǎn)策略

為提高地衣素的產(chǎn)量，可采取如下措施：首先，菌種方面的，一是查明地衣素產(chǎn)生菌（芽孢桿菌）的多樣性，明確其產(chǎn)地衣素代謝途徑；二是構(gòu)建地衣素高產(chǎn)工程菌株，可利用重組菌株或高產(chǎn)突變菌株，對現(xiàn)有菌種進(jìn)行改造進(jìn)行。其次，發(fā)酵原料方面的，可利用農(nóng)業(yè)廢棄物等廉價原料。再次，工藝方面的，可采用包括優(yōu)化的發(fā)酵工藝、高效的分離與回收技術(shù)在內(nèi)的高效生產(chǎn)工藝。