nisin

乳酸菌抗菌机理

乳酸菌的抗菌机理涉及其产生的各种代谢产物，包括酸性物质、

乳酸菌素、二氧化碳和过氧化氢等。其中酸性物质可以消耗大量细胞

能量并影响细胞膜的稳定性；乳酸菌素可作用于细胞膜，造成膜内物

质和能量的泄漏。

乳酸菌是一类可发酵碳水化合物产生大量乳酸的细菌的通称，

在自然界和食物中广泛存在。乳酸菌是最早被人类用于食品储藏加工

的微生物之一，早在公元前6000年，人们就懂得利用乳酸菌发酵食

物。他们发现食物经过一定的处理和储存就可改善风味、延长储存期

和增加食物的安全性。迄今人们已明确了许多乳酸菌在生产安全优质

食品中所起重要作用的生物学工会活动主题 机理[1～2]:乳酸菌可以发酵食物中碳水

化合物，分泌乳酸菌素，产生有机酸、酒精和二氧化碳等，来抑制一

些腐败菌或致病菌的生长及改善食品的品质和风味，同时经过发酵，

乳酸菌可以增加食品的可消化性并产生一些维生素、抗氧化剂。近几

年，乳酸菌抑制食品中一些腐败菌和致病菌的作用引起人们的极大关

注。虽然现代生物技术和安全体系(如HACCP)已被普遍的引入食品加

工行业，但食品的安全问题仍然威胁着人类，每年都有许多关于食物

中毒和食源性疾病散发或爆发的报道，同时，人们正力图追求不含化

学防腐剂及各种添加剂的天然的安全食品。解决这问题需要发展新的

食品保鲜技术来控制食品中腐败菌和致病菌的生长。国内外学者对之

开展了大量的研究并建立了许多方法，其中最引人注目的就是利用乳

酸菌来加强食品安全性和延长储存期。

1乳酸菌产生的酸性物质及其抑菌作用

1.1乳酸菌产生的酸性物质乳酸菌可产生对食品中微生物具有抑制

作用的酸性物质，主要是乳酸菌的代谢终产物及中间产物，包括乳酸、

乙酸、乙醇等。

1.2酸性物质对食品微生物的抑制作用一般细菌生长的最适pH

值为6～7，若低于该值，细菌的生长速率将大大降低或不生长甚至

死亡，这在腐败性微生物上尤为可见。乳酸菌产生的酸性物质对食品

中微生物的抑制作用已在许多实验中得到证实，这种抑菌作用取决于

3个相互影响的因素:1.介质的pH值；2.酸的离解程度；3.酸的种类。

从20世纪70～80年代，国内外学者就开始建立pH值对食品中

各种腐败菌和致病菌抑制作用的预测模型。但在这些模型中都是用无

机酸如盐酸、磷酸来降低pH值，而乳酸菌产生的多是一些含羧基的

弱有机酸。只有未离解的弱有机酸进入细菌细胞才能有效的发挥抑菌

作用。这些有机酸的离解度取决于其pKa和pH值，可以用

Henderson-Haslbach公式计算:pH=pKa+log([A-]/[HA])。从中不难看

出介质的pH值影响酸的离解，若在pH值固定条件下酸的pKa决定

了其离解度。因此乳酸菌产生的弱酸的抗菌能力取决于介质的pH值

及酸的种类(pKa)。由于胞质的pH值相对较高，当非离解的酸通过细

胞膜进入胞质，就发生离解使细胞质酸化并释放酸性阴离子。这山雨主要内容 就给

微生物带来两种后果:首先，若微生物要维持其胞内的pH值，就得动

用ATP酶来清除质子，这将消耗大量细胞能量，加重细胞的代谢负担；

其次，细胞内阴性酸离子的积聚可影响细胞膜的稳定性并抑制其传递

功能。但Cherrington等[3]认为离解的酸亦可影响细胞膜的稳定性和传

递功能。除了pH值、pKa的影响外，不同酸的混合使用可加强对微

生物的抑制作用，如乙酸(pKa=4.76)和乳酸(pKa=3.86)混合使用的抑菌

能力大于等量乙酸或乳酸的单独使用[4]。这是由于两者混合后，乳酸

除了其本身的抗菌作用外还降低了介质的pH值，这就减少了乙酸离

解，使得更多非离解状态的乙酸进入细菌细胞发挥抑菌作用。这也解

释了虽然异型发酵的乳酸菌产生酸的总量比同型发酵的乳酸菌少，但

前者对细菌的抑制作用却大于后者的原因。为了有效抑制食品中腐败

菌和致病菌的生长，必须需要有一定数量的乳酸菌来产生足够量的酸

性物质。只有当食品中的乳酸菌达到一定数量，pH下降至一定程度，

方可有效的抑制一些致病菌的生长。但Yusof[5]把乳酸菌(乳酸乳球菌)

产生的酸性物质与大肠杆菌一起接种到一类婴幼儿食品中培养发现，

虽然介质的pH明显下降，但大肠杆菌仍可生长并达到102CFU。这说

明仅靠乳酸菌产生酸性物质的抑菌作用是有限的。

2乳酸菌素的抑菌作用

乳酸菌素是在乳酸菌代谢过程中合成并分泌到环境中的一类对

革兰氏阳性菌(尤其是亲缘性较近的细菌)具有抑制作用的杀菌蛋白或

多肽，大多对热稳定。近几年，乳酸菌对其他细菌拮抗作用的机理被

研究最多的是乳酸菌素，这是由于乳酸菌产生的乳酸菌素被认为是一

种“天然”的食品添加剂而容易为人们接受。国外关于乳酸菌素的报

道很多，早在1926年Rors发现一些乳链球菌产生的代谢产物(后被

命名为Nisin乳链菌肽)可抑制其他乳酸菌的生长，1951年Hirsh提出

将Nisin用于食品保藏，1961年FHO/WHO批准将Nisin作为食品添加

剂。至此，国外学者对乳酸菌素展开了较为深入的研究，已被鉴定的

乳酸菌素数以百计。并且有许多新的乳酸菌素正不断的被发现。

Klaen-hammer曾把乳酸菌素分为窄抗菌谱和广抗菌谱两类，在此基

础上Nes等将乳酸菌素分为4类[1]:羊毛硫抗生素(Ⅰ)、肽类乳酸菌素

(Ⅱ)、蛋白类乳酸菌素(Ⅲ)、复合型乳酸菌素(Ⅳ)。乳酸菌素，主要是

Ⅰ和Ⅱ类，可有效的抑制革兰氏阳性菌，如一些腐败菌、致病菌和芽

孢菌，而对革兰氏阴性菌不起作用的。但食品经UHP和PEF处理或

添加EDTA或柠檬酸盐可以使乳酸菌素有效的抑制革兰氏阴性菌，这

说明乳酸菌素作用的靶目标是细胞膜。不同的乳酸菌素由于结构不同，

其活性和对细胞膜的作用方式也不同。

2.1羊毛硫抗生素(Ⅰ类)这类细菌素的活性部分含有羊毛硫氨酸

(A-L-A)、-甲基羊毛硫氨酸(A-B-A)、脱氢丙氨酸(DHa)和脱氢丁氨酸

(DHb)等稀有氨基酸，其活性形式的形成必须经过翻译后的酶修饰。

根据分子结构，这类细菌素可分成线型和环型两类，其典型的代表就

是Nisin。Nisin是由乳酸乳球菌乳酸亚种()

分泌的一种线型多肽，对革兰氏阳性菌(包括各种致病菌)有较广的抑

制作用，并可使芽孢杆菌和梭状芽孢杆菌的芽孢对热敏感。目前，乳

酸菌素中研究最深、应用最广的就是Nisin，国内外均有许多关于Nisin

结构与抗菌机理的综述。Nisin是一种含34个氨基酸的小肽，分子量

约为3500D。Nisin的前体肽在核糖体上合成，由57个氨基酸组成，

N端前导序列有23个氨基酸。Nisin前体肽经翻译后修饰加工去掉N

端前导序列后成为成熟的、有生物活性的Nisin，其中的A-L-A、A-B-A、

DHa和DHb4个稀有氨基酸通过硫醚键形成五环结构。Nisin的抑菌

作用最初被认为是一种表面活性剂；亦有人认为Nisin的作用是由于

其中的两个脱水氨基酸(脱水丙氨酸和脱水丁氨酸)与细菌细胞中酶的

巯基发生反应；目前认为除了以上两种原因外，还存在Barrel-stave

机制，即孔道形成机制[6～7]。

2.2肽类乳酸菌素(Ⅱ类)近20年来，世界范围的食物源性李斯特

菌病不断发生，而Ⅱ类乳酸菌素尤其是Ⅱa类可有效的抑制李斯特菌，

因此这类细菌素正越来越受到国内外学者的关注。通过对其结构的分

析和比较，Ⅱ类细菌素又可分为3类:Ⅱa，N-端具有保守序列

YGNGVXaaC的多肽；Ⅱb，由两条不同蛋白多肽构成的聚合物；Ⅱ

c，具有硫醇活性和信号肽依赖的细菌素。其中Ⅱa类细菌素对食物源

性致病菌李斯特菌具强的抑制作用而被认为是最具前景的食品级生

物保鲜剂。

2.2.1Ⅱa类细菌素的结构:目前已发现的Ⅱa类细菌素含有37～48

个氨基酸，其N端有着保守序列YGNGVXaaC，这区域可能是膜蛋白

受体的识别位点。但Bhugaloo[8]通过比较后认为Ⅱa类细菌素N端保

守序列为:YGNGVXaaCXaa(K/N)XaaXaaCXaaV(N/D)-(W/K/R)Xaa(G/A/S)(A/N)(Xaa表示

可变，括号内的第一个氨基酸残基可被后面氨基酸残基取代)。也有

人认为Ⅱa类细菌素N端的儿童喝酸奶好吗 保守序列是YGNG[9]。一直以来，人们都

认为Ⅱa类细菌素的C端序列的保守性较差。然而Ennahar等[10]认为

C端序列亦有一定的保守性，据此可将目前已有的Ⅱa类细菌素进行

再分类，并发现以C端序列进行分类的各亚类细菌素N端保守序列

前的氨基酸残钢铁是怎样炼成的读后感50字 基亦有惊人的相似，但两者之间是否有必然的联系还不

甚清楚。Ⅱa类细菌素的另一重要特征就是含有两个或两个以上的半

胱氨酸。在N端的两个半胱氨酸通过二硫键相连接，二硫键环绕这两

个半胱氨酸残基形成一环状结构，而PA-1/AcH、enterocinA和divercin

V41具有两对半胱氨酸并形成两个二硫键结构。这些二硫键结构对Ⅱ

a类细菌素N端的发夹结构起稳定作用，而这发夹高血压偏方 结构赋予Ⅱa类细

菌素N端两性分子的特性，这种特性在这类细菌素的活性中起着重要

的作用。另外，在Ⅱa类细菌素的C端有一螺旋的结构，此结构被

认为可能是在细胞膜孔道形成时插入膜的部分。

2.2.2Ⅱa类细菌素的抗菌机理:与Nisin不同，Ⅱa类细菌素的抗菌机

理在近几年才渐为人知，主要是由于细菌素吸附在细胞膜并在上形成

孔道，使得细胞膜的通透性增加从而引起细胞内各种离子的渗漏和能

量物质的消耗，导致细胞解体死亡。Ⅱa类细菌素N端的发夹结构

(YGNGV)可为细胞膜上的蛋白受体特异识别，随后，发夹结构后带正

电荷的折叠与膜上带负电荷的磷脂以静电引力使这类细菌素结合

到靶细胞膜上。当Ⅱa类细菌素结合到敏感细胞膜上后，其疏水性的

C端可与膜上的脂质酰基发生反应，并插入膜内聚集形成充水的膜孔

道。Fimland等人[11]认为，这种反应是发生在Ⅱa类细菌素C端一特

异性的区域(可能是N端的螺旋结构)和某种膜成分之间，并具有一

定的方向性，但具体还不明确。细胞膜上孔道的形成引起了膜内外离

子失衡和磷酸盐的渗漏。膜内外离子的失衡直接造成PMF(质子驱动

力protonmotiveforce)的耗散，而PMF可影响跨膜电位()和pH

梯度(pH)。另外，消耗细胞内ATP和氨基酸也是Ⅱa类细菌素的活

性之一。由于其形成的膜孔道要比Ⅰ类细菌素小的多，因此Ⅱa类细

菌素不能造成ATP从膜孔道直接渗漏。因此ATP的消耗可能是由于为

维持细胞内PMF，ATP的消耗量急剧增加或由于磷酸盐的流失造成细

胞内ATP代谢失衡。Chen和Montville[12]认为ATP消耗的最主要原因

在于PMF的耗散，而不是磷酸盐的流失。氨基酸消耗的原因一方面

是由于氨基酸的摄取途径被堵塞，另一方面是由于氨基酸通过膜孔道

(或和PMF转移系统)渗漏。可以说，PMF的耗散是Ⅱa类细菌素活性

的主要原因。

3二氧化碳的抑菌作用

异型发酵的乳酸菌可发酵己糖产生CO

2以抑制霉菌和一些革兰氏阴

性菌，但对一些酵母菌和乳杆菌则无效。CO

2的抑菌作用机制现在还

不甚清楚，但普遍认为是通过两种途径而实现的[2]:一是CO2吸附在食

物成分上，造成厌氧环境以抑制需氧微生物如一些酵母菌的生长；另

一是环境中CO

2浓度的增加可引起细胞内pH值和酶活性的下降以及

细胞膜传递功能的减弱。

4过氧化氢的抑菌作用

乳酸菌具有黄素蛋白氧化酶活性，在有氧条件下可产生过氧化氢。由

于乳酸菌不含过氧化氢酶，产生的过氧化氢可以在食物环境中不断的

积蓄，而对其他微生物(如假单胞菌和金色葡萄球菌等)产生抑制作用。

但是这种过氧秋收起义时间地点 化氢的产生和积蓄有赖于食物介质中氧的浓度、食物的

形态和温度等，一般以在较低温度、具有较高氧浓度的液态或半液态

的食物环境为佳。总之，乳酸菌可以通过其代谢产物，主要是酸性物

质和乳酸菌素，有效的抑制食物中大部分致病菌和腐败菌的生长。现

在，对乳酸菌抗菌机理的研究主要集中于乳酸菌素，尤其是Nisin和

Ⅱa类细菌素。对这方面的深入研究有助于我们更好的将乳酸菌应用

到食品的储藏加工上。但是有一点我们应该明确，仅靠乳酸菌的作用

是不能完全抑制食物中致病菌和腐败菌的生长，只有将之与各种食品

加工技术(如UHP和PEF)相配合才能真正做到食品的安全卫生。

参考文献：

[1]ElizabethC，ationalJournalofMicrobiology，1999，50:131～149.

[2]Ma韭菜怎么吃 rtinR，ntrol，1997，8:227～239.

[3]CherringtonCA，HintonM，MeadGC，robiolPhys，1991，32:87～

108.

[4]AdamsMR，ationalJournalofFoodScienceandTechnology，1988，

23:287～292.

[5]Y梨英语怎么说 usofRM，MorganJB，lFoodProtection，1993，56:414～417.

[6]许扬，孙红斌.中国畜产与食品，1998，5:131～133.

[7]胡国平，叶嗣颖.中国微生态学杂志，2001，13:115～117.

[8]BhugalooVP，DoustX，MetivierA，vironMicrobiol，1996，

62:4410～4416.

[9]EijisinkVGH，SkeieM，MetivierA，vironMicrobiol，1998，64:3275～

3281.

[10]EnnaharS，ToshihiroS，KenjiS，crobiologyReview，2000，24:85～

105.

[11]FimlandG，JackR，JungG，vironMicrobiol，1998，64:5057～5060.

[12]ChenY，acteriol，1995，79:684～690.