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乳酸鏈球菌素及應用

放大字體  縮小字體 發布日期:2007-07-10
核心提示:據統計,全世界經約有10%~20%的食品損失源于各種腐敗變質。在食品工業中防腐劑是最重要的添加劑之一,食品防腐劑一般分為合成防腐劑和天然防腐劑。目前我國大量使用的還是苯甲酸及其鹽、山梨酸及其鹽、對羥基苯甲酸酯類等化學合成防腐劑。但經長期的研究發現,一些
   據統計,全世界經約有10%~20%的食品損失源于各種腐敗變質。在食品工業中防腐劑是最重要的添加劑之一,食品防腐劑一般分為合成防腐劑和天然防腐劑。目前我國大量使用的還是苯甲酸及其鹽、山梨酸及其鹽、對羥基苯甲酸酯類等化學合成防腐劑。但經長期的研究發現,一些合成防腐劑有誘癌性、致畸性和易引起食物中毒等問題。天然防腐劑具有抗菌性強、安全無毒、水溶性好、熱穩定性好、作用范圍廣等合成防腐劑無法比擬的優點。因此,近年來研究者把目光投向天然防腐劑的開發。經多年精心研究,已經發現了幾十種細菌素,已被鑒定的細菌素有Nisin、Lactacin、Lactocin、Helveticin、FerITienticin、Sakecin、Lacticin、Plantacin、Subiicin等,其中已被廣泛應用的是Nisin,也稱尼生素。乳酸鏈球菌素又稱乳球菌肽或乳鏈菌肽,英文名為Nisin,是N型血清的某些乳酸鏈球菌在代謝過程中合成和分泌的具有很強殺菌作用的小肽。
早在1928年,美國Roger等人發現乳酸鏈球菌的代謝產物能抑制保加利亞乳桿菌,在其后的20多年里,許多科學家對其結構、功能等進行了深入的研究。1989年聯合國糧食及農業組織(FAO/WHO)、食品添加劑聯合國專家委員會對Nisin給予食品防腐劑的國際承認后,迄今為止,已有英、美、法等50多個國家和地區批準Nisin作為食品防腐劑,乳酸鏈球菌素(Nisin)作為一種安全的食品防腐劑在發達國家被應用的歷史已達40余年,世界上有不少國家,如英國、法國、澳大利亞等對在食品中Nisin的添加量不做任何限制。1992年3月,我國衛生部在批準實施的文件中也指出:“可以科學地認為,乳酸鏈球菌素作為食品保藏劑是安全的。
 一、結構和特性⒈結構乳酸鏈球菌素(Nisin)的分子式為C143H228N42O37S7,由34個氨基酸殘基組成。隨著研究的深入,人們已經發現Nisin有6種類型,分別為A、B、C、D、E和Z,其中對NisinA和NisinZ的研究最活躍。Nisin的一級結構是由34個氨基酸組成的多肽,N末端為異亮氨酸,C端為賴氨酸,含兩種特殊氨基酸Dha和Dhb,有5個硫醚鍵形成的分子內環,其中一個稱為羊毛硫氨酸,其他四個是β-甲基羊毛硫氨酸。相對分子質量為3510,活性分子常為二聚體或四聚體。NisinZ和NisinA僅在27位氨基酸殘基有差別,A為His,而Z為Asp。兩者的抗菌特性幾乎無差別。
2溶解度和穩定性.Nisin的溶解度隨著pH值的下降而顯著增加,當pH=2.5時溶解度為12%,pH=5.0時為4.0%,但當pH為中性和堿性時Nisin則不溶解。Nisin的穩定性亦與溶液的pH值有關,當把Nisin溶于pH=2的鹽酸中,Nisin可經115.6℃高壓滅菌而不失活;而在pH=5時,滅菌后喪失40%的活性;當pH=6.8時喪失90%以上活性。但把Nisin加入食品后,由于受到牛奶等大分子的保護,穩定性大大提高。Nisin的穩定性與溫度亦有緊密關系,將添加250IU/gNisin的pH=5.6~6.0、含水量54%~58%的巴氏滅菌精干酪貯藏于不同溫度中,30個星期后,20℃中的Nisin殘留量為90%左右,25℃中的Nisin殘留量為55%,30℃下降到小于40%。有關研究資料表明,Nisin的穩定性與防腐的底物、熱處理條件等因素有關。   二、乳酸鏈球菌肽的防腐機理
Nisin能抑制大部分G+菌及其芽孢的生長和繁殖,如葡萄球菌屬、鏈球菌屬、梭狀芽孢桿菌屬和芽孢桿菌屬的細菌,特別是對金黃色葡萄球菌、溶血鏈球菌、肉毒桿菌作用明顯。另外,Nisin還可以和某些絡合劑(如EDTA或檸檬酸)等一起作用,可是只有部分G-菌對之敏感。從分子水平上探尋Nisin的抑菌機理一直是研究的熱點,所持觀點不一,但Nisin吸附在生物的細胞質膜上是殺菌的前提,這已為人們的共識,分歧在于Nisin如何進一步作用。有的研究認為,Nisin可以抑制營養細胞的肽聚糖等物質的生物合成,是細胞膜和磷脂化合物的合成受阻,導致細胞內物質外泄,細胞裂解;有的研究認為Nisin單體中的DHA(脫氫丙氨酸)和DHB(β-甲基脫氫丙氨酸)可以與敏感型細胞膜中的某些酶的巰基發生作用;有的研究認為,Nisin能消耗敏感細胞的質子驅動力;還有的研究顯示,Nisin屬于“孔道形成蛋白”,導致K+從胞漿中流出,ATP泄漏,胞外水分子進入,引起細胞自溶。也有人認為,Nisin對微生物的作用機理是Nisin對細胞膜的吸附,然后在細胞膜上形成孔洞。Nisin是一個帶正電荷的陽離子分子,在缺乏陰離子膜磷脂的情況下,Nisin起陰離子選擇載體的作用;當存在陰離子膜磷脂時,Nisin吸附在膜上,利用離子間相互作用,其分子的C末端和N末端對膜結構產生作用形成穿膜“孔道”,從而引起胞內物質泄漏,導致細胞解體死亡。最近研究表明,Nisin與EDTA聯合使用對沙門氏菌和革蘭氏陰性菌也有抑制作用。Nisin對營養細胞的作用點是細胞質膜,它能抑制細胞壁中肽聚糖的生物合成,使細胞壁質膜和磷脂化合物合成受阻,引起細胞內含物和ATP外泄,使細胞裂解。有人認為Nisin具有潛在的跨膜序列及高的偶極矩,能使膜產生孔道,同時使膜內外電位差和梯度喪失,破壞細胞通過電子傳遞鏈產生能量的能力。Nisin對芽孢的作用可能是殺死芽孢。據研究,Nisin的作用方式是殺菌。事實表明,當殺菌過程完成后,混合物中的Nisin仍保持一定的活力。在通常情況下,由于芽孢具有強烈的對熱敏感性,這些殘留的Nisin能抑制芽孢的發芽。微生物對抗菌肽會產生適應性,最主要的原因可能是微生物的分泌蛋白酶。推測桿菌對Nisin的適應至少部分是由于其分泌一種可降解Nisin的蛋白酶。最近的研究表明,適應性產生原因可能是防止微生物吸收抗菌肽。此外,在與有膜活性抗菌肽的接觸中,細胞可能改變其膜組成,因為不同膜磷脂組成會導致抗菌肽和細胞膜的親和性不同,從而使微生物對藥物的敏感性發生變化。研究發現對Nisin有抗性的單核細胞增生的李斯特菌菌株ScottA,相對于Nisin敏感株有不同的膜磷脂組成,Nisin抗性菌株膜中兩性離子磷脂酰乙醇胺有顯著增加,而陰離子二磷酸甘油的質量分數則降低。對作用于細胞壁的抗菌物質,微生物同樣也會產生一系列應激反應。
三、乳酸鏈球菌素在食品中的應用
Nisin它是一種多肽,進入人體后可降解為氨基酸,因此具有無毒、安全的特性。Nisin被加入到食品中,能有效地抑制引起食品腐敗的許多革蘭氏陽性細菌,如乳桿菌、明串珠菌、小球菌、葡萄球菌、李斯特菌等,特別是對產芽孢的細菌,如芽孢桿菌、梭狀芽孢桿菌有很強的抑制作用。在包裝食品的生產過程中添加Nisin,可以降低滅菌溫度,縮短滅菌時間,從而減少營養成分的損失,改進食品的品質,同時有效地延長了食品的保藏時間,還可以取代或部分取代化學防腐劑、發色劑(如亞硝酸鹽),以滿足生產健康食品、綠色食品的需要。Nisin作為一種新型的天然防腐劑,在國際上已得到認可,已廣泛應用于鮮乳和乳制品、液體蛋、沙拉醬、高水分或低脂的食品、罐頭食品、魚貝類海產制品、肉制品、植物蛋白食品、糕點食品和含酒精的飲料等。
1.乳制品.Nisin已成功應用于硬質干酪、巴氏滅菌干酪、巴氏滅菌奶、罐裝濃縮牛奶、高溫滅菌牛奶、高溫處理風味奶、酸奶、乳制甜點等制品中。在鮮乳中添加50ppmNisin,即可抑制造成鮮乳和乳制品腐敗的耐熱性細菌,使產品保存期延長2~3倍。研究顯示,添加Nisin能使低脂的牛乳、無鹽的奶油、無脂肪的牛乳、調味乳保存期延長至6周;添加80~100ppmNisin于罐裝無糖煉乳中,可抑制耐熱性孢子的生長,減少熱加工時間10分鐘。在干酪的加工過程中Nisin是最有效的保護劑。干酪原料經80~100℃巴氏消毒后,梭菌芽孢仍能存活,乳酪中的微生物為丁酸梭菌、酪丁酸梭菌、生孢梭菌,尤其是肉毒梭菌在加工的乳酪中產生毒素。研究表明經巴氏處理的干酪中加入500~1000IU/mlNisin能阻止梭菌的生長和毒素的形成,同時還能降低食鹽和磷酸鹽的用量。
2.肉制品.使用Nisin的肉制品有罐裝火腿、熏豬肉、咸豬肉、香腸、真空包裝新鮮牛肉等。造成肉制品腐敗的耐熱性細菌如桿菌屬、乳酸菌屬和鏈球菌屬等,對Nisin相當敏感,因此添加Nisin可使經熱加工的肉制品延長保存期2~3倍。使用的方法是將Nisin配制成150~200ppm的溶液再倒入肉制品中一起加工或噴涂在制品的表面再進行包裝。但也發現,經Nisin處理的樣品存在液汁流失過多和口味偏酸等缺點。Nisin在一定程度上能延長紅腸的保質期,但單獨使用效果不是很理想,最好能與其他方法結合使用。有人認為從生產成本和防腐效果考慮,Nisin(400mg/kg)和NaCl(3.5%,質量分數)對鹽水鴨腿做浸泡處理,并經真空包裝后的微波(915MHz,400W微波間歇照射兩次)處理,能使鹽水鴨腿的貨架期達20天以上。
3.在酸性罐頭食品中的應用在酸性條件下,Nisin的穩定性、溶解度、活性均提高,因而它可成功地應用于高酸性食品(pH<4.5)防腐。低酸或非酸性罐頭食品添加了Nisin,也能起到減輕熱處理強度的作用。許多研究顯示,添加Nisin于蔬菜罐頭中,能有效抑制耐熱性細菌的腐敗,且能降低熱加工時間,在米制清酒罐頭中,添加Nisin可使熱加工時間減少90%,且品質沒有改變。碗豆罐頭在55℃下存放7天就有敗壞現象發生,添加Nisin于相同條件下,保存期可長達兩年。Nisin作為一種天然食品防腐劑應用于瓶裝醬菜,能夠降低醬菜中食鹽用量,效果優于化學防腐劑苯甲酸鈉和山梨酸鉀。它能有效地抑制乳酸菌再發酵和葡萄球菌、芽孢菌的生長繁殖。Nisin其自身安全性可靠Nisin的LD50值與食鹽相當,是新一代的食用防腐劑。由于某些國家在食品中不準使用苯甲酸鈉,所以Nisin的瓶裝醬菜其衛生質量符合國家標準,并對產品風味無影響。
4.魚貝類等海產制品中的應用海鮮制品因腐敗速度快,且大多冷食,故產品的細菌數控制相當重要,如李斯特菌也曾于海鮮中檢出,對人體造成危害。添加100~150ppmNisin可抑制革蘭氏陽性菌,延長保存期和新鮮度,使用方法與肉制品相同。
5.沙拉醬和調味用醬汁添加Nisin于沙拉醬中,可有效抑制乳酸菌和孢子的生長,使低脂低鹽產品的腐敗性降低,可延長保存期達4倍之多,建議使用量為50~200ppm。
6.高水分或低脂的食品此類產品雖經熱處理,因水分含量高,常有耐熱性細菌或孢子殘留造成產品腐敗,如FHMHPP產品中,常有耐熱孢子Bacilluscereus產生的毒素。使用Nisin能抑制此孢子的生長和繁殖,使保存期延長兩倍或更高,在FHMHPP的產品中,Nisin的添加量為150~250ppm。
7.罐頭湯類由于有些湯類會有極易破壞的香料,充分的熱處理會變得復雜,乳鏈菌肽的用量100~200mg/kg即可有效地抑制嗜溫細菌的芽胞。
8.經低溫熱處理的密閉包裝產品.在食品加工過程中,存在高強度的殺菌影響產品品質,低溫熱處理而不能殺滅耐熱孢子而達不到產品保質期的矛盾,如蛋白質、水果汁、布丁、茶、飲料等。Nisin能有效地抑制引起食品腐敗的革蘭氏陽性菌,從而很好地解決了食品加工中的矛盾,一般使用量在100~200ppmNisin就足以解決這一食品加工難題。 
四、發展前景  Nisin是一種天然、高效、安全的天然食品添加劑符合未來食品防腐劑的要求,它能有效地抑制引起食品腐敗的革蘭氏陽性菌,特別對耐熱芽孢桿菌、肉毒梭菌及李斯特氏菌有強烈的抑制作用,可降低食品滅菌溫度、縮短滅菌時間、改善食品風味、外觀和提高食品營養價值、延長保藏時間,符合國家農業行業標準NY/T392-2000綠色食品食品添加劑使用準則。在我國天然防腐劑的研究、開發雖比較晚,但隨著食品工業的發展和人民生活水平的提高,天然防腐即將會在21世紀的中國大展宏圖,必將對人類健康發揮巨大的作用。
 
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