生物类防腐剂：乳酸链球菌素与纳他霉素的作用与应用

1.乳酸链球菌素（Nisin）

乳酸链球菌素又称乳链球菌素、乳链菌肽，是由乳酸链球菌产生的小肽，由34个氨基酸组成，分子式为C₁₄₃H₂₃₀N₄₂O₃₇S₇，相对分子质量3354，结构式见图2-5。

图2-5 乳酸链球菌素

1928年，Rogers等美国研究人员发现金黄色葡萄球菌的代谢物能抑制乳酸菌的生长；1933年，Withead提出这种抑菌物的本质是一种多肽；1947年，英国的Mattick从乳酸链球菌的发酵物中制备出了这种多肽，命名为乳酸链球菌肽（Nisin）；1951年，Hiish等首先将其用于食品防腐，成功地控制了由肉毒梭菌引起的干酪膨胀腐败；1953年，一种名为Nisapin的商品化产品在英国面世；1969年，FAO/WHO确认乳酸链球菌素为食品防腐剂。这是第一个被批准用于食品中的细菌素，至1990年，已有中国、美国和英国等50多个国家和地区批准其作为一种天然型的食品防腐剂。

（1）理化性质 乳酸链球菌素为白色或略带黄色的结晶性粉末或颗粒，略带咸味，使用时需溶于水或液体中。不同pH下溶解度不同，pH 2.5溶解度为12%，pH 8.0溶解度为4%，在0.02mol/L HCl中溶解度为118.0mg/L。乳酸链球菌素的分子结构复杂，它是一种多肽类细菌素，成熟分子中含有34个氨基酸残基，其单体含有五种稀有氨基酸：氨基丁酸（ABA）、脱氢丙氨酸（DHA）、羊毛硫氨酸（ALA—S—ALA）、β-甲基羊毛硫氨酸（ALA—S—ABA）通过硫醚键形成五元环。乳酸链球菌素在天然状态下主要有两种形式，分别为Nisin A和Nisin Z。由乳酸链球菌发酵培养精制而成。

（2）防腐机理 乳酸链球菌素对微生物作用首先是分子对细胞膜的吸附，在此过程中，分子能否通过细胞壁是一个关键因素。同时，pH、Mg²⁺、乳酸浓度、氮源种类等均可影响它对细胞的吸附作用。带有正电荷的乳酸链球菌素吸在膜上后，利用离子间的相互作用及其分子的C末端、N末端对膜结构产生作用，形成“穿膜孔道”，从而引起细胞内物质泄漏，导致细胞解体死亡。

（3）毒性 乳酸链球菌素是肽类物质，食用后可被体内蛋白酶消化分解成氨基酸，无微生物毒性或致病作用，因此其安全性较高。大鼠经口LD₅₀为7000mg/kg体重，ADI值为0～0.875mg/kg体重。

（4）应用与限量 乳酸链球菌素具有很好的应用前景，它是一种高效无毒的天然防腐剂，能抑制大部分革兰阳性菌及其芽孢的生长和繁殖，包括产芽孢杆菌、耐热腐败菌、产胞梭菌等，而对酵母菌和霉菌等无作用。还可和某些络合剂（如EDTA或柠檬酸）等一起作用，可使部分细菌对之敏感。它可与化学防腐剂结合使用，从而减少化学防腐剂的用量。乳酸链球菌素主要用于蛋白质含量高的食品的防腐，如肉类、豆制品等，不能用于蛋白质含量低的食品中，否则，反而被微生物作为氮源利用。乳酸链球菌素在牛乳及其加工产品和罐头食品中的应用意义特别大，因为这些食品加工中，往往需采用巴氏消毒法进行消毒。由于杀菌温度较低，虽能杀菌，但往往残留耐热性孢子，而乳酸链球菌素具有很强的杀芽孢能力，在牛奶中加入10IU/mL的乳酸链球菌素，使用较低的温度处理后，便可久放而不变质。我国GB 2760—2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》规定：食用菌和藻类罐头、杂粮罐头、饮料类（包装饮用水除外）、酱油、酱及酱制品、复合调味料，最大使用量为0.2g/kg；乳及乳制品、预制肉制品和熟肉制品，最大使用量为0.5g/kg。乳酸链球菌素用于乳制品，如干酪、消毒牛乳和风味牛乳等，用量为1～10mg/kg；用于酒精饮料，如直接加入啤酒发酵液中，控制乳酸杆菌、片球菌等杂菌生长；用于葡萄酒等含醇饮料，以抑制不需要的乳酸菌。另外，乳酸链球菌素也可用于发酵设备的清洗。(www.xing528.com)

2.纳他霉素（Natamycin）

纳他霉素又称匹马菌素（Pimaricin）、游链霉素，其商品名称为霉克（Natamaxin^TM）。一种重要的多烯类抗菌素，可以由纳塔尔链霉菌（Streptomyces natalensis）、恰塔努加链霉菌（Streptomyces chmanovgensis）和褐黄孢链霉菌（Streptomyces gilvosporeus）等多种链霉菌发酵产生。1982年6月，美国FDA正式批准纳他霉素可以用作食品防腐剂，还将其归类为GRAS产品之列。我国1996年食品添加剂委员会对纳他霉素进行评价并建议批准使用，现已列入食品添加剂使用标准，其结构式见图2-6。

图2-6 纳他霉素

（1）理化性质 纳他霉素为白色至乳白色粉末，熔点为280℃，不溶于水，微溶于甲醇，溶于稀酸、稀碱，难溶于大部分有机溶剂。纳他霉素是两性物质，分子当中含有一个碱性基团和一个酸性基团，其电离常数pK_a值为8135和416，相应的等电点为6.15，熔点为280℃。纳他霉素通常以两种结构形式存在：烯醇式结构和酮式结构，前者居多。

（2）防腐机理 纳他霉素是一种高效、广谱的抗霉菌、酵母菌、某些原生动物和某些藻类剂，能与甾醇化合物相互作用且具有高度的亲和性，对真菌有抑制活性，其抗菌机理在于它能与细胞膜上的固醇化合物反应，由此引发细胞膜结构改变而破裂，使细胞内容物渗漏，导致细胞死亡。但它没有抗细菌活性。这是由于真菌的细胞膜含有麦角固醇，而细菌的细胞膜中不含有这种物质，多烯大环内酯类抗生素能选择性地和固醇结合，结合的程度与细胞膜的固醇含量成正比，结合后形成多烯化合物，引起细胞膜结构的改变，导致细胞膜渗透性的改变，造成细胞内物质的泄漏。另外，纳他霉素对于抑制正在繁殖的活细胞效果很好，而对于破坏休眠细胞则需要较高的浓度，同时，对真菌孢子也有一定的抑制作用。

（3）毒性 根据GB 2760—2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》规定，食物中最大残留量为10mg/kg。而纳他霉素在实际中的使用量为10^-6数量级。因此，它是一种高效安全的新型生物防腐剂。

（4）应用与限量 纳他霉素用于干酪皮防止其表面发霉，它不会渗透到干酪内部，仅停留在酪皮外层，而这一部分一般不会被取食，干酪放置5～10周后，纳他霉素基本消失，此时酪皮变硬不易受到霉菌侵染。另外，把纳他霉素直接添加到酸乳等发酵制品中，抑制霉菌和酵母菌，而不杀死有益的细菌（双歧杆菌），其他防腐剂尚不具备这一功能。纳他霉素用于水果贮藏中，有效防止真菌引起的有氧降解。在葡萄汁中添加20mg/kg纳他霉素可防止因酵母污染而导致果汁发酵。在苹果汁中加入纳他霉素30mg/kg，6周之内可防止果汁发酵，并保持果汁的原有风味不变。在酱油、食醋等调味品中使用一定量的纳他霉素，可有效地抑制酵母菌的生长和繁殖，防止白花的出现，且对酱油的口感和风味无任何影响。在肉类保鲜方面，可采用纳他霉素浸泡或喷涂肉类食品，以达到防止霉菌生长的目的。