胡思嘉,李新福,熊 強
(南京工業(yè)大學(xué)食品與輕工學(xué)院,江蘇南京 211800)
近些年來,由于濫用食品防腐劑所引起的食品安全事故頻發(fā),消費者對相關(guān)問題的關(guān)注和擔(dān)憂日益增長[1]。因此,天然防腐劑的研究和應(yīng)用逐漸成為相關(guān)研究人員關(guān)注的重點。天然防腐劑有多種來源,包括植物、動物、微生物(細(xì)菌、藻類和真菌)[2]。植物源防腐劑包括迷迭香、丁香提取物、綠茶和姜黃等,其含有的活性物質(zhì)已被證實具有抗氧化性和抗生物活性[3],在食品保存上能發(fā)揮關(guān)鍵作用;動物源防腐劑包括溶菌酶、乳過氧化物酶、乳鐵蛋白、卵轉(zhuǎn)鐵蛋白、抗菌肽和殼聚糖[4];微生物源防腐劑主要包括細(xì)菌素和有機酸兩大類,其中細(xì)菌素因其良好的抗菌活性且不影響食品感官品質(zhì)的特性[5],在食品防腐領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛。
ε-聚賴氨酸(ε-polylysine,ε-PL)是一種天然生物防腐劑,是白色鏈霉菌以葡萄糖作為碳源發(fā)酵得到的代謝產(chǎn)物之一[6]。ε-PL是由25~35個賴氨酸殘基通過分子間羧基與氨基縮合形成酰胺鍵連接而成的L-賴氨酸同型聚合物,作為一種無毒、安全、可生物降解的多氨基聚合物,廣泛用于醫(yī)用抑菌和食品保鮮[7],對致病性病原體如枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、乳酸菌、金黃色葡萄球菌、酵母和霉菌有抗菌活性[8]。2003年,ε-PL被美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)為安全食品添加劑,此后在日本得到廣泛應(yīng)用,常見于米飯、面條、壽司、生魚片和沙拉等食品中[9]。2014年,我國正式批準(zhǔn)ε-PL作為食品添加劑新品種[10],可用于焙烤食品、熟肉制品和果蔬汁類制品,其中果蔬汁類制品的最大使用量為0.2 g/L。ε-PL不僅能作為天然防腐劑在食品加工中發(fā)揮極為重要的作用,還能應(yīng)用于食品包裝。研究發(fā)現(xiàn)將ε-PL參入到明膠基質(zhì)中制成的明膠/ε-PL活性可食用膜用于食品包裝,能有效抑制食源性病原微生物的生長,防止食品貯藏中的氧化變質(zhì)[11]。目前,國內(nèi)外有許多關(guān)于ε-PL的綜述,大多集中于其在不同食品中的防腐作用,關(guān)于抑菌機理方面缺乏系統(tǒng)總結(jié)。本文論述了近年來部分學(xué)者對ε-PL的抑菌機理研究,同時對ε-PL作為天然防腐劑在食品保鮮的應(yīng)用進(jìn)行介紹,并簡單討論了ε-PL在食品領(lǐng)域存在的問題,以期為ε-PL的抑菌機理研究和在食品工業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。
ε-PL是一種聚酰胺,由25~35個L-賴氨酸殘基通過ε-氨基和α-羧基縮合形成的酰胺鍵連接而成[12],結(jié)構(gòu)如圖1所示[13],分子量2~5 kDa[14],作為天然防腐劑應(yīng)用食品保鮮的ε-PL通常由30個賴氨酸單體構(gòu)成,分子式為C180H362N60O31[15]。
圖1 ε-PL 分子結(jié)構(gòu)[13]Fig.1 Molecular structural formula of ε-polylysine [13]
天然存在的ε-PL是水溶性的,但不溶于乙酸乙酯、乙醚等有機溶液[16];具有良好的熱穩(wěn)定性,其水溶液在120 ℃高溫滅菌處理20 min不會發(fā)生分解作用[17];具有廣譜抑菌性,對革蘭氏陽性細(xì)菌、革蘭氏陰性細(xì)菌和真菌的生長繁殖具有良好的抑制作用[18]。Hiraki等[19]等對ε-PL進(jìn)行了毒藥物動力學(xué)檢測,證實了其對人體生殖系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、胚胎和胎兒的發(fā)育均不存在毒性作用,而且ε-PL在人體內(nèi)可被降解成賴氨酸,作為必需氨基酸被人體吸收[20]。因此,鑒于ε-PL優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、抗菌活性和無毒性,可作為防腐劑廣泛用于食品保鮮防腐工業(yè)。此外,在食品工業(yè)中應(yīng)用得更加廣泛的是聚合度不超過36的天然ε-PL,原因在于聚合度低的ε-PL對某些微生物的抑制作用要好于聚合度較高的,且前者苦味較不明顯,能夠改善食品的感官品質(zhì)[21]。
目前關(guān)于ε-PL抑菌機理的研究主要集中在金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌以及單核細(xì)胞增生增李斯特菌等,大部分是從ε-PL對微生物細(xì)胞壁和細(xì)胞膜系統(tǒng)、遺傳物質(zhì)、酶或功能蛋白的破壞三方面闡述其抑菌機制[22]。
細(xì)胞壁和細(xì)胞膜系統(tǒng)是隔絕細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的重要屏障,營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝廢物的排放均離不開這兩大屏障。作為陽離子表面活性劑,ε-PL可以通過靜電吸附在微生物細(xì)胞表面上,破壞了細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的完整性,導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)分布異常[23]。
據(jù)推測,聚陽離子能夠抑制膜受體的活性,在脂質(zhì)膜中形成脂質(zhì)結(jié)構(gòu)域(筏),影響脂質(zhì)分子在兩層脂質(zhì)的小葉之間的分布,誘導(dǎo)融合和破壞生物膜,所有這些現(xiàn)象改變了生物膜的結(jié)構(gòu)組織和特性,從而影響了細(xì)胞的功能[24]。王梓源等[25]以大腸桿菌作為模式菌株,研究了ε-PL作用下E.coli的生長曲線、存活率,以及ε-PL對E.coli細(xì)胞表面疏水性、內(nèi)膜及外膜穿透活性的影響,發(fā)現(xiàn)E.coli的生長在ε-PL存在時受到明顯抑制,且抑制效果和ε-PL濃度呈現(xiàn)正相關(guān);此外,ε-PL的處理能夠明顯增大E.coli細(xì)胞的表面疏水性以及電導(dǎo)率,從而導(dǎo)致細(xì)胞膜流動性降低,穩(wěn)態(tài)遭到破壞,達(dá)到抑菌效果。同時,Blachechen等[26]在噴涂薄膜的抗菌性能實驗中發(fā)現(xiàn)ε-PL對大腸桿菌的抑制效果要好于金黃色葡萄球菌,這是由于以大腸桿菌為代表的革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁外膜組分為脂多糖,ε-PL與帶負(fù)電的脂多糖可以通過靜電作用結(jié)合,破壞脂多糖結(jié)構(gòu),從而破壞細(xì)菌外膜,抑制生長。Shao等[27]在研究ε-PL乳清蛋白復(fù)合物對大腸桿菌抑制作用的過程中,揭示了ε-PL的殺菌過程,ε-PL和細(xì)菌膜通過靜電作用彼此靠近,帶正電的氨基與膜頭部基團(tuán)的氧原子之間形成的氫鍵捕獲細(xì)菌膜的磷脂分子,隨著更多的氫鍵形成,ε-PL像毯子一樣緊貼在膜表面,最終影響膜分子之間的相互作用,并導(dǎo)致細(xì)菌死亡,如圖2所示。此外,在低pH條件下,ε-PL有更強的抑菌效果,由于在酸性條件下的氨基質(zhì)子化,具有強的正電荷,促進(jìn)ε-PL在細(xì)菌膜上的吸附。但是研究證明,即使溶液的pH為12.0,ε-PL仍能保持良好的活性,這說明它的靜電作用實際只是ε-PL抗菌機理的一部分[28]。
圖2 ε-PL乳清蛋白復(fù)合物抑菌機理[27]Fig.2 Antibacterial mechanism of whey protein-ε-PL complexes[27]
大量研究表明,ε-PL的抑菌作用可能與細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡有關(guān)。Ye等[29]采用ROS探針測量經(jīng)ε-PL處理的大腸桿菌ROS濃度,發(fā)現(xiàn)ε-PL誘導(dǎo)了ROS和SOS反應(yīng)的產(chǎn)生,同時也影響細(xì)胞死亡以及調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)水平。同時,Tan等[30]研究了經(jīng)ε-PL處理的釀酒酵母中ROS水平和核DNA變化,結(jié)果表明,ε-PL會引起酵母細(xì)胞中ROS的積累以及DNA片段化,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。此外,還有學(xué)者探討了ε-PL對腸球菌的抑制作用時,發(fā)現(xiàn)低濃度條件下,DNA在ε-PL凝膠中的遷移仍然會受到阻礙,說明ε-PL有很強的DNA結(jié)合能力,阻止DNA復(fù)制,從而影響基因在微生物體內(nèi)的表達(dá)[31]。
此外,還有部分學(xué)者研究了ε-PL對微生物的酶或蛋白質(zhì)的影響,以此解析其抑菌機理。寧亞維等[32]以金黃色葡萄球菌作為指示劑,分別以抗菌肽brevilaterin、ε-PL、抗菌肽 brevilaterin和ε-PL 的混合液處理金黃色葡萄球菌,以未添加抑菌劑的為對照組,采用十二烷基磺酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白含量,結(jié)果顯示ε-PL處理后蛋白質(zhì)條帶整體灰度變淺,且在分子質(zhì)量小于14.4 kDa處,ε-PL、聯(lián)用組處理后蛋白質(zhì)條帶灰度加深,這表明ε-PL對大分子蛋白質(zhì)的合成有抑制作用或者是能將大分子蛋白質(zhì)降解為小分子蛋白質(zhì)。在某些蛋白質(zhì)的翻譯過程中,ε-PL的存在也會影響翻譯的繼續(xù),因為帶正電荷的殘基之間的排斥力會阻止α-螺旋的形成[33]。此外,ε-PL對微生物的呼吸系統(tǒng)防御酶和三羧酸循環(huán)關(guān)鍵酶具有一定的抑制作用[34]。以腐敗希瓦氏菌為例,隨著ε-PL濃度增加,過氧化物酶和過氧化氫酶活性下降,導(dǎo)致碳水化合物的代謝受阻,進(jìn)而阻礙細(xì)胞生長,甚至引起細(xì)胞死亡,琥珀酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶的抑制機制與之相似,兩者都是通過靶向抑制的方式抑制細(xì)菌的代謝活性,如圖3所示[35]。
圖3 ε-PL對腐敗希瓦氏菌的抑制機制[35]Fig.3 Inhibitory mechanisms of ε-PL against S.putrefaciens[35]
ε-PL因其具有良好的抑菌功能和安全性能,在日本、韓國和世界其他地區(qū)已被普遍用作食品添加劑[36],在日本多應(yīng)用于米飯、面條、魚類/壽喜燒、沙拉等食品中。近年來,國內(nèi)外對ε-PL防腐保鮮應(yīng)用的研究大多集中于果蔬、鮮乳及乳制品、肉制品以及水產(chǎn)品,相關(guān)學(xué)者不僅探究了ε-PL的單獨抑菌作用,還進(jìn)一步探討了ε-PL與其他防腐劑或防腐技術(shù)的聯(lián)用效果。
果蔬產(chǎn)品富含維生素和礦物質(zhì),可提高人體免疫力并預(yù)防疾病的發(fā)生,是人們?nèi)粘o嬍持胁豢扇鄙俚奈镔|(zhì)[37]。新鮮果蔬極易腐爛,在運輸和銷售過程中易發(fā)生化學(xué)變化和微生物降解,會導(dǎo)致香氣、味道和顏色等特征質(zhì)量的下降以及有害病原體的生長[38]。為了提高果蔬產(chǎn)品的存儲時間,研究者提出了許多物理、化學(xué)等保存手段,但出于安全性以及對食品營養(yǎng)價值和風(fēng)味的考慮[39],研究人員逐漸關(guān)注天然防腐劑在果蔬保鮮中的應(yīng)用。
研究發(fā)現(xiàn)了ε-PL能有效降低冰溫條件下櫻桃和藍(lán)莓的腐爛程度[40-41],保持新鮮率,隨著濃度升高,保鮮效果越好,濃度分別為500 mg/L、300 μL/g時兩者能達(dá)到最佳的保鮮效果,而且適當(dāng)?shù)摩?PL處理對抑制維生素C、花色苷的減少也有很明顯的效果。ε-PL還能作為一種控制水果采后病害的有效策略?;颐共∈枪咧凶罹咂茐男缘募膊≈?,由灰葡萄孢菌引起,能嚴(yán)重影響果蔬采后的儲存[42]。目前已經(jīng)證實石蒜堿[43]、殼聚糖[44]對灰霉病有一定的抑制作用,而在Li等[45]的實驗中,當(dāng)ε-PL濃度達(dá)到150 mg/L,灰葡萄孢菌菌絲體的生長也會受到了顯著的抑制,通過研究,發(fā)現(xiàn)ε-PL處理的灰葡萄孢菌的細(xì)胞中的ROS水平較高,并且與ε-PL的濃度呈正相關(guān),這也說明ε-PL抑制灰葡萄孢菌生長繁殖的原因在于ROS積累的誘導(dǎo),同時ε-PL還會破壞細(xì)胞質(zhì)膜的完整性。
除此之外,ε-PL能與其它防腐技術(shù)聯(lián)合作用,包括非熱處理的物理方法[46](紫外線、超聲波、脈沖電場等)以及與一些天然保鮮劑的復(fù)配。如使用適當(dāng)?shù)腢V-A光照結(jié)合ε-PL處理鮮切菠菜,能夠延緩腐敗菌的生長以及維持菠菜本身良好的抗氧化性能[47]。研究還發(fā)現(xiàn)ε-PL結(jié)合殼聚糖處理蘋果,不僅能延緩貯藏期間蘋果品質(zhì)的變化[48],而且能降低青霉病的發(fā)生[49]。Song等[50]證實了乳酸鏈球菌素、殼聚糖和聚賴氨酸復(fù)配涂膜對鮮切胡蘿卜的白化現(xiàn)象能表現(xiàn)出積極的抑制作用。
相比于其他物理、化學(xué)等果蔬保鮮方法,ε-PL是一種更加安全、健康、綠色的保存手段,在延緩腐敗的同時,也維持了果蔬的營養(yǎng)價值和風(fēng)味。
乳制品營養(yǎng)豐富,含有鈣、鐵、鋅、銅等豐富的礦物質(zhì),如今許多乳制品需要長期保存,因此需要進(jìn)行殺菌處理以防止變質(zhì)并延長其保質(zhì)期[51]。目前食品工業(yè)中大多采用巴氏殺菌、超高溫瞬時殺菌對乳制品進(jìn)行滅菌處理,但都存在蛋白質(zhì)變性、風(fēng)味變化等問題[52],ε-PL的出現(xiàn)為解決這些問題提供了新思路。
實驗證明了ε-PL能有效抑制牛乳中沙門氏菌[53]、單核細(xì)胞增生李斯特菌[54]和金黃色葡萄球菌[55]的生長繁殖。奶酪中添加適量濃度的ε-PL不僅可以控制腐敗霉菌的生長,還能保持其感官品質(zhì)[56]。韓晴[57]通過對照試驗證實ε-PL可以使牛乳中的金黃色葡萄球菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)受到損傷,其損傷程度與ε-PL濃度呈現(xiàn)正相關(guān),結(jié)果表明ε-PL還可以降低乳中乳糖及蛋白質(zhì)的減少量、抑制乳中酸度增加、推遲牛乳凝固時間,延緩了牛乳貯藏過程中的風(fēng)味變化。此外有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)月桂酰精氨酸和ε-PL聯(lián)合使用能夠更明顯地抑制全脂乳中單核細(xì)胞增生李斯特菌地生長[58],具有這種協(xié)同抗菌作用的物質(zhì)還有山梨酸鉀[59]和乳酸鏈球菌素[60]。還有學(xué)者采用高壓輔助ε-PL進(jìn)行脫脂奶滅菌,證實在相同的滅菌條件下,添加ε-PL能降低高壓處理產(chǎn)生的蛋白質(zhì)變性程度以及營養(yǎng)成分減少[61]。
盡管ε-PL的使用能在一定程度上避免傳統(tǒng)熱殺菌導(dǎo)致的蛋白質(zhì)變性等問題,但是國內(nèi)外關(guān)于ε-PL在乳制品方面的報道研究仍然比較少,尤其是將ε-PL與傳統(tǒng)乳制品殺菌技術(shù)相結(jié)合方面的研究,需要進(jìn)一步探討。
一般來說,肉制品容易受到微生物污染的原因與其水分活度和蛋白質(zhì)含量有關(guān),實驗研究中常用菌落總數(shù)、pH、揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)含量、硫代巴比妥酸(TBA)值來評價肉制品的腐敗程度[62]。
研究發(fā)現(xiàn)ε-PL可以抑制新鮮雞胸肉中的脂質(zhì)氧化、核苷酸分解和蛋白質(zhì)分解[63],還能有效抑制生鮮鴨肉儲藏過程中TVB-N含量的升高[64]。在熟肉制品中,如牛肉泥中添加ε-PL,能有效抑制大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌的生長,但三種病原菌對ε-PL的敏感性并不相同,這種差異可能是細(xì)菌細(xì)胞壁和表面電荷的差異所致[65]。此外,在一些肉制品的保鮮上,有學(xué)者將ε-PL與其它天然抗菌劑結(jié)合,研究協(xié)同抗菌能力。如ε-PL、谷胱甘肽的殼聚糖復(fù)合涂料不僅能抑制牛肉片中腐敗微生物的生長,降低冷藏過程中pH和TVB-N值增加,還能防止牛肉片產(chǎn)生褐變以及感官品質(zhì)的下降[66]。Liu等[67]將結(jié)合八角茴香精油、ε-PL、乳酸鏈球菌素的活性涂料應(yīng)用于肴肉保鮮,可以使其貯藏期由8 d變?yōu)?0 d,并很好保留樣品的顏色、氣味和整體接受度,提高易變質(zhì)即食肴肉制品的質(zhì)量和保質(zhì)期。還有研究發(fā)現(xiàn)將ε-PL或ε-PLN(?-聚賴氨酸納米顆粒)結(jié)合植物提取物(包括綠茶,橄欖葉和刺蕁麻提取物)替代亞硝酸加入到香腸中可以使其在冷藏過程中具有較高的抗菌、抗氧化和感官功效[68]。
實際上,ε-PL的單獨添加更多出現(xiàn)在一些熟肉制品的加工過程中,而對于冷鮮肉類,大多數(shù)是通過制備ε-PL與其他物質(zhì)結(jié)合形成的可食用涂膜進(jìn)行保鮮,既延長了保質(zhì)期,也不會對環(huán)境造成破壞。
水產(chǎn)品在我們的日常飲食中隨處可見,它包含了蛋白質(zhì)、長鏈多不飽和脂肪酸、維生素、礦物質(zhì)等許多營養(yǎng)素,長期食用這些產(chǎn)品能夠提高身體機能[69]。然而,正是由于其營養(yǎng)豐富的性質(zhì),在微生物和酶的作用下,很容易引起水產(chǎn)品在貯存和銷售過程中發(fā)生變質(zhì)[70]。傳統(tǒng)的水產(chǎn)品保鮮主要有冷凍保存、化學(xué)保存、輻照保存等,冷凍保存在運輸過程中需要采取冷鏈運輸,成本較大,化學(xué)保存效果良好,但長期食用會對人體產(chǎn)生不利的影響[71]。輻照是滅活漁業(yè)產(chǎn)品中食源性病原體和腐敗細(xì)菌的有效措施,但消費者仍然擔(dān)心它的安全性[72]。因此生物保鮮技術(shù)受到了廣大研究者的關(guān)注,成為國內(nèi)外水產(chǎn)品保鮮研究的焦點。
?-PL作為安全、高效的天然防腐劑,在水產(chǎn)品保鮮方面具有良好的應(yīng)用前景。用?-PL處理黃花魚[73]、龍蝦[74]、魷魚[75],發(fā)現(xiàn)儲存過程中微生物的生長均能受到不同程度的抑制,這有利于維持良好的感官品質(zhì),延長貨架期。?-PL還能減少魚類產(chǎn)品腥味的產(chǎn)生,冷藏期間河豚中的醛類含量升高,產(chǎn)生強烈的魚腥味,經(jīng)?-PL處理后,相關(guān)化合物的含量有一定程度的降低,原因在于?-PL有效抑制了脂質(zhì)氧化[76]。此外,研究發(fā)現(xiàn),具有高聚合度(20~30 k)的?-PL 能有效地抑制魚糜制品在冷藏儲存后期出現(xiàn)的蠟狀芽孢桿菌,一方面以?-PL為代表的抗菌物質(zhì)可促進(jìn)蠟狀芽孢桿菌分泌多糖和蛋白質(zhì)類物質(zhì),從而導(dǎo)致細(xì)菌粘附和聚集;另一方面,?-PL會破壞細(xì)胞膜并改變膜的通透性,從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)和DNA等細(xì)胞成分的釋放[77]。這表明?-PL可以作為抑制蠟狀芽孢桿菌的有效試劑,從而確保魚糜產(chǎn)品的安全性和質(zhì)量。
ε-PL是良好的水產(chǎn)品保鮮劑,對水產(chǎn)品中的特定腐敗微生物均有明顯的抑制作用,同時,越來越多的研究表明ε-PL復(fù)合其他保鮮技術(shù)能達(dá)到更理想的水產(chǎn)品保鮮效果,這也為不同水產(chǎn)品的保鮮提供了更多的可能性。
?-PL作為一種優(yōu)良的天然生物防腐劑,具有廣譜抑菌性和生物相容性,能夠有效抑制食品中腐敗微生物的生長繁殖,延長食品貨架期。除此之外,?-PL在醫(yī)藥、紡織等方面也有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。雖然?-PL在食品保鮮領(lǐng)域中應(yīng)用效果較好,但是其規(guī)?;a(chǎn)和推廣仍面臨巨大的挑戰(zhàn),在國內(nèi)的應(yīng)用也沒有日本等地區(qū)那么普遍。此外,目前國內(nèi)外對其抑菌機理的研究仍然較少,大多數(shù)實驗研究是從?-PL對微生物細(xì)胞膜的破壞作用開展,而在核酸、蛋白質(zhì)方面的機理研究尚不完整,還有待進(jìn)一步的探索與拓展。同時,關(guān)于?-PL作為防腐劑單獨用于保鮮的研究較少,更多的是?-PL與其他物質(zhì)的聯(lián)合處理,例如殼聚糖、VC、植物提取物等,而在相關(guān)的實驗中,這些聯(lián)合作用確實顯示出了更優(yōu)異的抑菌效果,進(jìn)一步證明了?-PL對食品抑菌的可行性。但在?-PL和這些物質(zhì)的聯(lián)合作用機制以及原理方面,依然需要更為深入的探索。