nisin

乳酸菌抗菌機理

乳酸菌的抗菌機理涉及其產生的各種代謝產物，包括酸性物質、

乳酸菌素、二氧化碳和過氧化氫等。其中酸性物質可以消耗大量細胞

能量并影響細胞膜的穩定性；乳酸菌素可作用于細胞膜，造成膜內物

質和能量的泄漏。

乳酸菌是一類可發酵碳水化合物產生大量乳酸的細菌的通稱，

在自然界和食物中廣泛存在。乳酸菌是最早被人類用于食品儲藏加工

的微生物之一，早在公元前6000年，人們就懂得利用乳酸菌發酵食

物。他們發現食物經過一定的處理和儲存就可改善風味、延長儲存期

和增加食物的安全性。迄今人們已明確了許多乳酸菌在生產安全優質

食品中所起重要作用的生物學工會活動主題 機理[1～2]:乳酸菌可以發酵食物中碳水

化合物，分泌乳酸菌素，產生有機酸、酒精和二氧化碳等，來抑制一

些腐敗菌或致病菌的生長及改善食品的品質和風味，同時經過發酵，

乳酸菌可以增加食品的可消化性并產生一些維生素、抗氧化劑。近幾

年，乳酸菌抑制食品中一些腐敗菌和致病菌的作用引起人們的極大關

注。雖然現代生物技術和安全體系(如HACCP)已被普遍的引入食品加

工行業，但食品的安全問題仍然威脅著人類，每年都有許多關于食物

中毒和食源性疾病散發或爆發的報道，同時，人們正力圖追求不含化

學防腐劑及各種添加劑的天然的安全食品。解決這問題需要發展新的

食品保鮮技術來控制食品中腐敗菌和致病菌的生長。國內外學者對之

開展了大量的研究并建立了許多方法，其中最引人注目的就是利用乳

酸菌來加強食品安全性和延長儲存期。

1乳酸菌產生的酸性物質及其抑菌作用

1.1乳酸菌產生的酸性物質乳酸菌可產生對食品中微生物具有抑制

作用的酸性物質，主要是乳酸菌的代謝終產物及中間產物，包括乳酸、

乙酸、乙醇等。

1.2酸性物質對食品微生物的抑制作用一般細菌生長的最適pH

值為6～7，若低于該值，細菌的生長速率將大大降低或不生長甚至

死亡，這在腐敗性微生物上尤為可見。乳酸菌產生的酸性物質對食品

中微生物的抑制作用已在許多實驗中得到證實，這種抑菌作用取決于

3個相互影響的因素:1.介質的pH值；2.酸的離解程度；3.酸的種類。

從20世紀70～80年代，國內外學者就開始建立pH值對食品中

各種腐敗菌和致病菌抑制作用的預測模型。但在這些模型中都是用無

機酸如鹽酸、磷酸來降低pH值，而乳酸菌產生的多是一些含羧基的

弱有機酸。只有未離解的弱有機酸進入細菌細胞才能有效的發揮抑菌

作用。這些有機酸的離解度取決于其pKa和pH值，可以用

Henderson-Haslbach公式計算:pH=pKa+log([A-]/[HA])。從中不難看

出介質的pH值影響酸的離解，若在pH值固定條件下酸的pKa決定

了其離解度。因此乳酸菌產生的弱酸的抗菌能力取決于介質的pH值

及酸的種類(pKa)。由于胞質的pH值相對較高，當非離解的酸通過細

胞膜進入胞質，就發生離解使細胞質酸化并釋放酸性陰離子。這山雨主要內容 就給

微生物帶來兩種后果:首先，若微生物要維持其胞內的pH值，就得動

用ATP酶來清除質子，這將消耗大量細胞能量，加重細胞的代謝負擔；

其次，細胞內陰性酸離子的積聚可影響細胞膜的穩定性并抑制其傳遞

功能。但Cherrington等[3]認為離解的酸亦可影響細胞膜的穩定性和傳

遞功能。除了pH值、pKa的影響外，不同酸的混合使用可加強對微

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單獨使用[4]。這是由于兩者混合后，乳酸

除了其本身的抗菌作用外還降低了介質的pH值，這就減少了乙酸離

解，使得更多非離解狀態的乙酸進入細菌細胞發揮抑菌作用。這也解

釋了雖然異型發酵的乳酸菌產生酸的總量比同型發酵的乳酸菌少，但

前者對細菌的抑制作用卻大于后者的原因。為了有效抑制食品中腐敗

菌和致病菌的生長，必須需要有一定數量的乳酸菌來產生足夠量的酸

性物質。只有當食品中的乳酸菌達到一定數量，pH下降至一定程度，

方可有效的抑制一些致病菌的生長。但Yusof[5]把乳酸菌(乳酸乳球菌)

產生的酸性物質與大腸桿菌一起接種到一類嬰幼兒食品中培養發現，

雖然介質的pH明顯下降，但大腸桿菌仍可生長并達到102CFU。這說

明僅靠乳酸菌產生酸性物質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謝過程中合成并分泌到環境中的一類對

革蘭氏陽性菌(尤其是親緣性較近的細菌)具有抑制作用的殺菌蛋白或

多肽，大多對熱穩定。近幾年，乳酸菌對其他細菌拮抗作用的機理被

研究最多的是乳酸菌素，這是由于乳酸菌產生的乳酸菌素被認為是一

種“天然”的食品添加劑而容易為人們接受。國外關于乳酸菌素的報

道很多，早在1926年Rors發現一些乳鏈球菌產生的代謝產物(后被

命名為Nisin乳鏈菌肽)可抑制其他乳酸菌的生長，1951年Hirsh提出

將Nisin用于食品保藏，1961年FHO/WHO批準將Nisin作為食品添加

劑。至此，國外學者對乳酸菌素展開了較為深入的研究，已被鑒定的

乳酸菌素數以百計。并且有許多新的乳酸菌素正不斷的被發現。

Klaen-hammer曾把乳酸菌素分為窄抗菌譜和廣抗菌譜兩類，在此基

礎上Nes等將乳酸菌素分為4類[1]:羊毛硫抗生素(Ⅰ)、肽類乳酸菌素

(Ⅱ)、蛋白類乳酸菌素(Ⅲ)、復合型乳酸菌素(Ⅳ)。乳酸菌素，主要是

Ⅰ和Ⅱ類，可有效的抑制革蘭氏陽性菌，如一些腐敗菌、致病菌和芽

孢菌，而對革蘭氏陰性菌不起作用的。但食品經UHP和PEF處理或

添加EDTA或檸檬酸鹽可以使乳酸菌素有效的抑制革蘭氏陰性菌，這

說明乳酸菌素作用的靶目標是細胞膜。不同的乳酸菌素由于結構不同，

其活性和對細胞膜的作用方式也不同。

2.1羊毛硫抗生素(Ⅰ類)這類細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)、脫氫丙氨酸(DHa)和脫氫丁氨酸

(DHb)等稀有氨基酸，其活性形式的形成必須經過翻譯后的酶修飾。

根據分子結構，這類細菌素可分成線型和環型兩類，其典型的代表就

是Nisin。Nisin是由乳酸乳球菌乳酸亞種()

分泌的一種線型多肽，對革蘭氏陽性菌(包括各種致病菌)有較廣的抑

制作用，并可使芽孢桿菌和梭狀芽孢桿菌的芽孢對熱敏感。目前，乳

酸菌素中研究最深、應用最廣的就是Nisin，國內外均有許多關于Nisin

結構與抗菌機理的綜述。Nisin是一種含34個氨基酸的小肽，分子量

約為3500D。Nisin的前體肽在核糖體上合成，由57個氨基酸組成，

N端前導序列有23個氨基酸。Nisin前體肽經翻譯后修飾加工去掉N

端前導序列后成為成熟的、有生物活性的Nisin，其中的A-L-A、A-B-A、

DHa和DHb4個稀有氨基酸通過硫醚鍵形成五環結構。Nisin的抑菌

作用最初被認為是一種表面活性劑；亦有人認為Nisin的作用是由于

其中的兩個脫水氨基酸(脫水丙氨酸和脫水丁氨酸)與細菌細胞中酶的

巰基發生反應；目前認為除了以上兩種原因外，還存在Barrel-stave

機制，即孔道形成機制[6～7]。

2.2肽類乳酸菌素(Ⅱ類)近20年來，世界范圍的食物源性李斯特

菌病不斷發生，而Ⅱ類乳酸菌素尤其是Ⅱa類可有效的抑制李斯特菌，

因此這類細菌素正越來越受到國內外學者的關注。通過對其結構的分

析和比較，Ⅱ類細菌素又可分為3類:Ⅱa，N-端具有保守序列

YGNGVXaaC的多肽；Ⅱb，由兩條不同蛋白多肽構成的聚合物；Ⅱ

c，具有硫醇活性和信號肽依賴的細菌素。其中Ⅱa類細菌素對食物源

性致病菌李斯特菌具強的抑制作用而被認為是最具前景的食品級生

物保鮮劑。

2.2.1Ⅱa類細菌素的結構:目前已發現的Ⅱa類細菌素含有37～48

個氨基酸，其N端有著保守序列YGNGVXaaC，這區域可能是膜蛋白

受體的識別位點。但Bhugaloo[8]通過比較后認為Ⅱa類細菌素N端保

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

可變，括號內的第一個氨基酸殘基可被后面氨基酸殘基取代)。也有

人認為Ⅱa類細菌素N端的兒童喝酸奶好嗎 保守序列是YGNG[9]。一直以來，人們都

認為Ⅱa類細菌素的C端序列的保守性較差。然而Ennahar等[10]認為

C端序列亦有一定的保守性，據此可將目前已有的Ⅱa類細菌素進行

再分類，并發現以C端序列進行分類的各亞類細菌素N端保守序列

前的氨基酸殘鋼鐵是怎樣煉成的讀后感50字 基亦有驚人的相似，但兩者之間是否有必然的聯系還不

甚清楚。Ⅱa類細菌素的另一重要特征就是含有兩個或兩個以上的半

胱氨酸。在N端的兩個半胱氨酸通過二硫鍵相連接，二硫鍵環繞這兩

個半胱氨酸殘基形成一環狀結構，而PA-1/AcH、enterocinA和divercin

V41具有兩對半胱氨酸并形成兩個二硫鍵結構。這些二硫鍵結構對Ⅱ

a類細菌素N端的發夾結構起穩定作用，而這發夾高血壓偏方 結構賦予Ⅱa類細

菌素N端兩性分子的特性，這種特性在這類細菌素的活性中起著重要

的作用。另外，在Ⅱa類細菌素的C端有一螺旋的結構，此結構被

認為可能是在細胞膜孔道形成時插入膜的部分。

2.2.2Ⅱa類細菌素的抗菌機理:與Nisin不同，Ⅱa類細菌素的抗菌機

理在近幾年才漸為人知，主要是由于細菌素吸附在細胞膜并在上形成

孔道，使得細胞膜的通透性增加從而引起細胞內各種離子的滲漏和能

量物質的消耗，導致細胞解體死亡。Ⅱa類細菌素N端的發夾結構

(YGNGV)可為細胞膜上的蛋白受體特異識別，隨后，發夾結構后帶正

電荷的折疊與膜上帶負電荷的磷脂以靜電引力使這類細菌素結合

到靶細胞膜上。當Ⅱa類細菌素結合到敏感細胞膜上后，其疏水性的

C端可與膜上的脂質酰基發生反應，并插入膜內聚集形成充水的膜孔

道。Fimland等人[11]認為，這種反應是發生在Ⅱa類細菌素C端一特

異性的區域(可能是N端的螺旋結構)和某種膜成分之間，并具有一

定的方向性，但具體還不明確。細胞膜上孔道的形成引起了膜內外離

子失衡和磷酸鹽的滲漏。膜內外離子的失衡直接造成PMF(質子驅動

力protonmotiveforce)的耗散，而PMF可影響跨膜電位()和pH

梯度(pH)。另外，消耗細胞內ATP和氨基酸也是Ⅱa類細菌素的活

性之一。由于其形成的膜孔道要比Ⅰ類細菌素小的多，因此Ⅱa類細

菌素不能造成ATP從膜孔道直接滲漏。因此ATP的消耗可能是由于為

維持細胞內PMF，ATP的消耗量急劇增加或由于磷酸鹽的流失造成細

胞內ATP代謝失衡。Chen和Montville[12]認為ATP消耗的最主要原因

在于PMF的耗散，而不是磷酸鹽的流失。氨基酸消耗的原因一方面

是由于氨基酸的攝取途徑被堵塞，另一方面是由于氨基酸通過膜孔道

(或和PMF轉移系統)滲漏。可以說，PMF的耗散是Ⅱa類細菌素活性

的主要原因。

3二氧化碳的抑菌作用

異型發酵的乳酸菌可發酵己糖產生CO

2以抑制霉菌和一些革蘭氏陰

性菌，但對一些酵母菌和乳桿菌則無效。CO

2的抑菌作用機制現在還

不甚清楚，但普遍認為是通過兩種途徑而實現的[2]:一是CO2吸附在食

物成分上，造成厭氧環境以抑制需氧微生物如一些酵母菌的生長；另

一是環境中CO

2濃度的增加可引起細胞內pH值和酶活性的下降以及

細胞膜傳遞功能的減弱。

4過氧化氫的抑菌作用

乳酸菌具有黃素蛋白氧化酶活性，在有氧條件下可產生過氧化氫。由

于乳酸菌不含過氧化氫酶，產生的過氧化氫可以在食物環境中不斷的

積蓄，而對其他微生物(如假單胞菌和金色葡萄球菌等)產生抑制作用。

但是這種過氧秋收起義時間地點 化氫的產生和積蓄有賴于食物介質中氧的濃度、食物的

形態和溫度等，一般以在較低溫度、具有較高氧濃度的液態或半液態

的食物環境為佳。總之，乳酸菌可以通過其代謝產物，主要是酸性物

質和乳酸菌素，有效的抑制食物中大部分致病菌和腐敗菌的生長。現

在，對乳酸菌抗菌機理的研究主要集中于乳酸菌素，尤其是Nisin和

Ⅱa類細菌素。對這方面的深入研究有助于我們更好的將乳酸菌應用

到食品的儲藏加工上。但是有一點我們應該明確，僅靠乳酸菌的作用

是不能完全抑制食物中致病菌和腐敗菌的生長，只有將之與各種食品

加工技術(如UHP和PEF)相配合才能真正做到食品的安全衛生。

參考文獻：

[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梨英語怎么說 usofRM，MorganJB，lFoodProtection，1993，56:414～417.

[6]許揚，孫紅斌.中國畜產與食品，1998，5:131～133.

[7]胡國平，葉嗣穎.中國微生態學雜志，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.