摘 要：本文详细说明了天然肽类防腐剂的抗菌机理和研究与应用的现状，综述了果胶分解物等其他高安全性 生物型天然防腐剂的研究动态，分析了天然防腐剂的发展方向。
关键词：天然肽类防腐剂；生物型天然防腐剂；抗菌机理；研究进展
食品的防腐问题是食品保存的关键，因而一直是食品科学领域的研究热点和难点。由于食品本身含有大量的水分和丰富的营养成分，是微生物天然的良好培养基，只要条件适宜，微生物就会大量繁殖，导致食品腐败变质。为防止腐败，向食品中添加防腐剂是比较普遍采用的方法。长期以来，在食品工业中都习惯于使用化学合成品作为食品的防腐剂，如苯甲酸及其盐类、山梨酸及其盐类和对羟基苯甲酸酯类等，但这些化学合成的食品防腐剂在使用过程中或多或少地会对食品的风味产生一定的不良影响。同时，这些防腐剂在食品加工中的添加量都比较大，容易超标使用而对人体产生毒副作用，致使这些防腐剂难以满足现代食品加工和提高食品卫生安全性的需要。随着社会经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，对健康的日益关注以及对食品的卫生安全性的日趋重视，人们对防腐剂之类的食品添加剂的要求也越来越高，不但在安全性上提出了更高的要求，而且追求添加剂的营养化和功能化，因而极大地促进了高安全性的生物型防腐剂的研究、开发和应用。
1 天然肽类防腐剂
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的广泛关注，成为防腐剂的研究热点。
1.1 天然肽类防腐剂的种类
1.1.1 溶菌酶
溶菌酶（Lysozyme）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，所以是一种高安全性的天然防腐剂。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pH 3时能耐100℃加热40min，在中性和碱性条件下耐热性较差，pH 7时100℃处理10min 失去活性。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pH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：此酶可破坏细菌细胞壁肽聚糖中的β-1，4糖苷键；②酰胺酶：能切断细菌细胞壁肽聚糖中NAM（N-乙酰胞壁酸）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；④β-1，3、β-1，6-葡聚糖和甘露聚糖酶：此酶分解酵母细胞的细胞壁；⑤壳多糖酶：分解霉菌细胞壁。因为革兰氏阳性菌细胞壁几乎全部由聚多糖组成，因此主要对革兰氏阳性菌起作用。
1.1.2 昆虫抗菌肽
抗菌肽的一个典型特征是在一个长的疏水片段后面连有一个强碱性的N-端区域。昆虫抗菌肽（Cecropin）由37个氨基酸残基组成，N端呈碱性，带正电荷，亲水；C端酰胺化，中性或微酸性，不带电荷或少量负电荷，疏水；第5～12位和25～37位构成2个螺旋区域。抗菌肽的抗菌机理是在微生物细胞膜上形成通道，引起细胞质溢流。关于通道形成的具体过程有不同的几种假说。Chistensen等认为通道的形成可分为三个步骤：①抗菌肽分子通过静电作用被吸附到膜表面；②抗菌肽分子中的疏水尾巴插入细胞膜；③抗菌肽分子的α-螺旋插入膜中，多个抗菌肽分子共同作用形成离子通道。而Fik等认为抗菌肽作用于细胞膜时，N端的亲水螺旋区结合在膜表面，只有C端的疏水螺旋插入膜中，进而形成离子通道。Clague等认为抗菌肽通过作用于膜蛋白，引起蛋白质凝聚而失活，细胞膜变性而形成离子通道。
1.1.3 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，具有广谱抑菌活性，能抑制枯草杆菌、巨大芽孢杆菌、地衣形芽孢杆菌等的生长，分子富含赖氨酸和精氨酸。从分子组成上看，鱼精蛋白不具有两亲性，因为分子中的32个氨基酸中21个为精氨酸，由于其为多聚阳离子，并非两亲性质，因而无法插入细胞膜内形成膜通道。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。鱼精蛋白适用于在较宽的pH范围内使用，在中性和偏碱性条件下防腐效果更好。目前应用最广的防腐剂多为酸型防腐剂，只在酸性条件下有效，而在中性乃至偏碱性的食品中使用，效果明显下降。鱼精蛋白的开发使用就可拓宽防腐剂使用的pH范围，而且不需调整对象食品的pH。鱼精蛋白的热稳定性高，使它可以与食品热处理过程并用。但是它的抗菌活性受食品中无机盐的影响而略有下降，尤其是二价金属离子影响较大，主要营养成分蛋白质、脂肪、糖类对鱼精蛋白的抗菌活性影响较小，这使它在富含糖类和蛋白质类的食品中应用成为可能。但根据国外报道，在含核酸较多的食品或含酸性多糖类较丰富的食品中其抗菌效果相对较低。
1.1.4 乳酸链球菌素
乳酸链球菌素（Nisin）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，活性分子常是二聚体或是四聚体。
Nisin中含有5个不同于其它蛋白质的二硫键（胱氨酸和甲硫氨酸），另外还含有脱氢丙氨酸（DHA），甲基脱氢丙氨酸（DHB）等不饱和氨基酸。Nisin的溶解度和稳定性与溶液的pH值有关，pH值越低，稳定性越高，溶解度也提高，如：pH 2.5时溶解度为12%；pH 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0.02N盐酸溶解，然后加入到食品中，在pH 2.0时或更低的稀盐酸中可以经115.6℃灭菌而不失活，但在pH 5.0灭菌时失活40%，pH 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。Nisin加入食品后，稳定性大大提高，食品中的大分子与小分子物质对Nisin有防护作用。因此，用 Nisin来防腐的食品必须具有稳定的酸性。而Nisin与热处理杀菌作用是互相促进的，加入少量的Nisin（0.24～10ppm）可以大大提高腐败性微生物的对热敏感性。同样，热处理也提高了细菌对Nisin的热敏感性，因而可以降低热处理强度，保证良好品质。另外，辐射处理和Nisin相结合，山梨酸与Nisin配合使用等可以弥补抗菌谱不宽的缺点，而发挥广谱的防腐作用。人们已经发现Nisin有6种同系物，分别为A、B、C、D、E和Z。其中对Nisin A和Nisin Z两种物质的研究最为活跃，二者性质基本相同，仅在结构上有一个氨基酸差异，Nisin A第27位氨基酸残基是组氨酸（His），Nisin Z则是天冬酰胺（Asn）。从分子水平上探寻Nisin的抑菌机理一直是研究的热点。Nisin作用的位点主要是细胞膜。Palmeri等对Nisin存在下双层脂膜电流和电势测量后，证实了Nisin有形成膜通道的能力。细胞质内小分子和离子通过管道流失，导致细胞溶解而达到杀菌防腐目的。Nisin不能抑制革兰氏阴性菌、酵母菌和霉菌，专一抑制革兰氏阳性菌，特别是细菌芽孢。
1.2 天然肽类防腐剂研究趋势
1.2.1 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，而且溶菌酶、鱼精蛋白等对人体还有一定的保健与药理作用，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的方法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，以原生质体融合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。
1.2.2 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，具有抗菌谱窄、抗菌效果差和成本高等缺点。所以，人们试图通过分子修饰来提高其抗菌性能。例如对昆虫抗菌肽结构效应关系的研究表明，螺旋与抗菌肽的活性密切相关，改变两亲分子螺旋的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度倾向低的残基，抗菌肽的活性将明显提高，相反，降低抗菌肽两亲分子α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革兰氏阴性菌的生长，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，使用性能大为增强。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。
1.2.3 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以增强其抗菌效果，例如螯合剂EDTA（乙二氨四乙酸二钠）。EDTA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、Nisin等一般只能作用于革兰氏阳性菌，但与EDTA配合使用时他们对革兰氏阴性菌的抑制能力也大为增强。
2 其他高安全性生物型天然防腐剂
2.1 纳他霉素
纳他霉素又称匹马菌素，是由纳塔尔链霉菌产生的多烯烃大环内酯类化合物，能有效地杀死和抑制酵母、霉菌等真菌，但对细菌无效。纳他霉素毒性低，使用安全。其抗菌谱与乳链球菌素正好互补，二者可共同使用。
2.2 曲酸
曲酸的化学名称为5-羟基-2-羟甲基-毗哺-4-酮，是由微生物有氧发酵产生的一种有杀菌活性的有机酸，在酱油、豆瓣酱和酒类等酿造过程中都能产生。曲酸为无色晶体，熔点151～154℃，曲酸具有易溶于水、丙酮、醇类，热稳定性高，不为细菌利用，抗菌谱广，pH值对其抗菌效果影响小等特点。曲酸对人体无毒，可不限量添加使用，是一种优良的食品防腐剂。曲酸添加到食品中同时还有抗氧化作用和护色作用。
2.3 壳聚糖
甲壳素经脱乙酰基后成为壳聚糖，它是由葡萄糖胺单体及N-乙酰基葡萄糖胺单体按不同比例（这一比例取决于脱乙酰度）组成的直链分子。由于葡萄糖胺单体上有游离的氨基，故带正电荷，它可以干扰细胞表面的负电荷，导致细胞物质外泄，使微生物死亡；分子较短的壳聚糖可以进入细胞内，并与DNA结合，抑制mRNA的转录，因而起到抑制微生物细胞生长活动的作用。壳聚糖对细菌、酵母菌、霉菌都有效。
2.4 果胶分解物
果胶主要存在于柠檬、橙、柚、柑桔、葡萄等果皮中或甜菜、苹果等废渣中，果胶的酶解产物--果胶分解物，对食品有很强的抗菌作用，特别是对大肠杆菌有显著的抑制增殖作用，但是目前它的防腐机理尚不清楚。20世纪90年代中期，日本一家公司将果胶分解物作为天然防腐剂开发成功。目前，国外以果胶分解物为主要成分，配合其它天然防腐剂，已广泛应用于酸菜、咸鱼、牛肉饼等食品的防腐。果胶分解物在酸性条件下有效，在中性及碱性下抗菌效果明显下降。
2.5 氨基葡萄糖盐酸盐
有关氨基葡萄糖盐酸盐的抗菌作用已进行了很多研究，发现氨基葡萄糖盐酸盐对所测试的21种常见食品腐败菌均有抗菌作用，最小抑菌浓度对细菌为0.5g/L，对霉菌为2g/L，对酵母菌为1g/L。此外，将氨基葡萄糖盐酸盐作为防腐剂应用于马蹄原汁保藏时显示了很好的防腐效果。
2.6 其他
甘氨酸和富马酸一钠已在日本作为天然食品防腐剂用于食品的保鲜或作为复配型防腐剂的配料使用；甘氮酸作为延长食品保质期的添加剂经常同醋酸钠一起配合使用。甘氨酸除了用作酱菜、咸菜的调味料以外，有一大半用作食品防腐剂。富马酸一钠兼有防腐、螯合金属离子、抗氧化和缓冲pH等多种功能，因而也广泛用于复配型防腐剂的配料。近年来，日本和韩国已开发成功了以甘氨酸和富马酸一钠为主要成分的水产品复合天然防腐剂。
生物型防腐剂尽管安全性高，但同化学合成防腐剂相比，存在有效抑菌浓度较高、用量大和价格贵以及成本高等不利因素。开展生物型防腐剂的复配应用研究，以提高防腐效果、拓宽抗菌谱和降低成本，是今后生物型防腐剂研究的重要方向。
