唐海峰,劉歡,戴昀峰,高騰琪,崔子杭,盤賽昆,王文彬,楊杰*
(1.江蘇海洋大學(xué) 江蘇省海洋生物資源與環(huán)境重點實驗室/海洋生物技術(shù)重點實驗室,江蘇 連云港 222005;2.江蘇海洋大學(xué) 江蘇海洋生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 連云港 222005)
海產(chǎn)品因其味道鮮香,風(fēng)味獨特,且含有豐富的蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和脂肪酸等成分,受到廣大消費(fèi)者的青睞。然而海產(chǎn)品通常水分含量高,不飽和脂肪酸的穩(wěn)定性較差,并且含有生物胺(biogenic amine,BA)、三甲胺氧化物(trimethylamine oxide,TMAO)等,這使其自身攜帶的大量細(xì)菌能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)生長,導(dǎo)致在儲存、制作、運(yùn)輸?shù)倪^程中蛋白質(zhì)降解和脂質(zhì)氧化,造成腐敗變質(zhì)[1]。
在海產(chǎn)品加工領(lǐng)域,通常采用傳統(tǒng)的冷藏、鹽漬、干燥等方法延長保質(zhì)期,然而這些過程不足以防止脂質(zhì)氧化、酸敗或細(xì)菌生長。此外,在規(guī)定范圍內(nèi)添加一些化學(xué)防腐劑可以保證食品質(zhì)量,但長期大量使用會對人體造成潛在危害[2]。乳酸菌細(xì)菌素是乳酸菌在生長代謝過程中由核糖體形成的具有抗菌活性的多肽,其作為安全、天然的食品防腐劑在海產(chǎn)品保鮮中具有巨大的應(yīng)用潛力[3]。
海洋源乳酸菌細(xì)菌素比其他來源的乳酸菌細(xì)菌素更容易適應(yīng)海產(chǎn)品的生境,能夠更自然地延長海產(chǎn)品的保質(zhì)期并為消費(fèi)者提供更優(yōu)質(zhì)的感官和營養(yǎng)價值[4]。當(dāng)前對海洋源乳酸菌細(xì)菌素的來源、特征及其在海產(chǎn)品中的應(yīng)用研究尚未有相關(guān)綜述介紹。本文根據(jù)現(xiàn)有的研究對海洋源乳酸菌細(xì)菌素的來源、海產(chǎn)品中影響乳酸菌細(xì)菌素抗菌效果的因素及其在海產(chǎn)品中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行歸納,以期為海產(chǎn)品保鮮中乳酸菌細(xì)菌素的選擇應(yīng)用提供參考。
海洋生境是一個極端的環(huán)境,一些在空間和資源高度競爭條件下生存的乳酸菌產(chǎn)生的細(xì)菌素會表現(xiàn)出與陸源細(xì)菌素不同的特征,其主要優(yōu)勢是對高鹽、低溫、寡營養(yǎng)、滲透脅迫以及各種蛋白水解酶具有很強(qiáng)的耐受性,這為發(fā)現(xiàn)新細(xì)菌素提供了可能[5-6]。例如,Sequeiros 等[7]從海水魚中分離的nisin Z 分子量約為4.5 kDa,經(jīng)基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時間質(zhì)譜(matrix-assisted laser desorption/lonization time of flight mass spectrometry,MALDI-TOF-MS)發(fā)現(xiàn)m/z 2 351.2 處有一個很強(qiáng)的信號,質(zhì)譜串聯(lián)進(jìn)一步分析其序列為STKDFNLDLVSVSKKDSGASPR,對應(yīng)不含起始蛋氨酸的nisin前導(dǎo)肽,此結(jié)果并未在陸源nisin Z 的研究中發(fā)現(xiàn)。
海洋源乳酸菌細(xì)菌素主要來源于海洋動物腸道、海洋沉積物和海藻表面等環(huán)境中[8],已經(jīng)適應(yīng)了有利于海洋生物生存和海產(chǎn)品保存的生境,比其他來源的乳酸菌細(xì)菌素在海產(chǎn)品加工、控制海洋生物傳染病以及植物檢疫方面更具競爭力。近年來,從海洋及海產(chǎn)品中分離乳酸菌細(xì)菌素作為新型抗菌劑在海產(chǎn)品以及其他領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注,具體見表1。
表1 近5 年海洋源分離的乳酸菌細(xì)菌素Table 1 Lactic acid bacteria-produced bacteriocin isolated from narine in the last five years
由于海鮮捕獲地與加工場所之間的距離、保藏溫度和加工方法的影響,造成海產(chǎn)品中酸堿度、水分活度、溫度的變化以及其內(nèi)部各種酶或微生物進(jìn)行一系列復(fù)雜的活動,往往會影響乳酸菌細(xì)菌素在食品中應(yīng)用,從而不能達(dá)到很好的保鮮效果。例如1)細(xì)菌素與海鮮中蛋白質(zhì)和脂類的相互作用,可降低細(xì)菌素的活性;2)海產(chǎn)品的酸堿度和溫度等加工和儲存條件可增加蛋白酶活性,損害細(xì)菌素的結(jié)構(gòu)[24];3)當(dāng)海產(chǎn)品最初污染程度很高時,細(xì)菌素的抗菌效率會降低,可能無法阻止微生物的生長;4)細(xì)菌素在海產(chǎn)品基質(zhì)中的不均勻分布;5)海產(chǎn)品中通常攜帶大量革蘭氏陰性菌,乳酸菌細(xì)菌素一般不能抑制革蘭氏陰性菌生長繁殖,因為外膜中的脂多糖起到了有效屏障的作用,阻礙了細(xì)菌素的進(jìn)入,使用螯合劑可以破壞細(xì)菌外膜,使細(xì)菌素對抑制革蘭氏陰性菌的生長更有效;6)靜電的排斥作用及其自身降解也會影響其在食品中的抑菌活性[25]。
乳酸菌細(xì)菌素是由乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生,具有天然、無殘留、無副作用等特點,因此被認(rèn)為是抗生素的理想替代品。nisin 是目前可以大規(guī)模應(yīng)用的細(xì)菌素,在醫(yī)藥及食品工業(yè)中,pediocin PA-1 取得了較好的應(yīng)用效果。大多數(shù)細(xì)菌素在較低濃度時比抗生素對目標(biāo)細(xì)菌更有效。一些研究發(fā)現(xiàn),細(xì)菌素與抗生素協(xié)同作用,不僅可以提高抗生素的使用效率,防止耐藥菌的出現(xiàn),還可以通過降低抗生素的殺菌濃度來減少抗生素的副作用[26]。使用乳酸菌細(xì)菌素應(yīng)用于海產(chǎn)品,具有以下特點:1)保障消費(fèi)者的安全且對消費(fèi)者無害,其可被胃腸道中的胰蛋白酶和胃蛋白酶等酶滅活,且不會改變消化道的微生物群落;2)乳酸菌細(xì)菌素在不會對食品的感官特性產(chǎn)生有害影響的前提下對食品腐敗菌具有抑制作用,其抑菌機(jī)制大致可分為兩類,一類主要作用于細(xì)胞膜,與帶負(fù)電的細(xì)菌細(xì)胞膜靜電相互作用,經(jīng)疏水端穿過脂質(zhì)雙分子層后,肽類物質(zhì)聚合形成復(fù)合物,會使膜上的質(zhì)子動力(proton motive force,PMF)遭到破壞,影響細(xì)胞內(nèi)氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn),并通過孔的形成使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)釋放出來[27];另一類能通過細(xì)胞膜上的孔道和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),干擾DNA、RNA 和蛋白質(zhì)代謝來控制靶細(xì)菌,從而抑制腐敗菌的生長[28],作用模式見圖 1;3)在食品的整個貨架期內(nèi)保持一致以及其作用過程安全可控;4)能夠適應(yīng)食品中pH 值和鹽濃度范圍內(nèi)的熱穩(wěn)定性和活性等[29]。此外,許多乳酸菌細(xì)菌素被證實與人體健康密切相關(guān),例如能抑制多種癌細(xì)胞,并對炎癥和免疫力有調(diào)節(jié)作用。因此,乳酸菌細(xì)菌素在人類健康食品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖1 細(xì)菌素的作用模式Fig.1 Mode of action of bacteriocins
3.2.1 直接添加
將乳酸菌細(xì)菌素或者產(chǎn)細(xì)菌素的乳酸菌作為天然防腐劑直接添加到食品中是一種最簡便、廉價的方法。其優(yōu)點是能夠避免乳酸菌細(xì)菌素復(fù)雜的純化步驟,同時產(chǎn)細(xì)菌素乳酸菌在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、過氧化氫等其他抑菌物質(zhì)也有助于增加細(xì)菌素的抑菌效果。如乳酸乳球菌亞種產(chǎn)生的nisin Z 對高溫、pH 值和化學(xué)物質(zhì)具有很高的穩(wěn)定性,將其添加到尼羅羅非魚漿中,貯存20 d 的魚肉中弧菌的生長受到明顯抑制,并不會改變其感官特性[30]。Jo 等[31]在常溫下使用植物乳桿菌發(fā)酵液處理帶魚魚片,可改善食品的理化指標(biāo),延長貨架期,帶魚內(nèi)三甲胺的含量也顯著降低。因此,使用產(chǎn)細(xì)菌素乳酸菌發(fā)酵上清液直接處理新鮮魚片是一種有效的方法,可以在不影響理化特性和感官質(zhì)量的情況下延長它們的保質(zhì)期。
3.2.2 與其他天然食品防腐劑的聯(lián)合應(yīng)用
由于細(xì)菌素通常抑菌譜很窄,單獨使用細(xì)菌素往往達(dá)不到最好的保鮮效果。不同的細(xì)菌素或細(xì)菌素與具有不同結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制的其他天然抗菌物質(zhì)結(jié)合使用,能更有效地抑制食品中有害微生物,促進(jìn)它們的抑制效果。同時,在細(xì)菌素和其他天然抗菌劑的相加或協(xié)同作用中,細(xì)菌素以較低的濃度使用,降低了食品保鮮中使用細(xì)菌素的成本,也最大限度地減少了化學(xué)防腐劑的添加。Iseppi 等[32]從百里香、鼠尾草中提取的精油和細(xì)菌素bacLP17 協(xié)同作用能使李斯特氏菌成熟的生物膜顯著減少,具有開發(fā)控制海產(chǎn)即食食品中李斯特氏菌的新型防腐劑的潛力。此外,腸球菌素與殼聚糖和乳酸鈉聯(lián)合使用對李斯特氏菌、腐敗希瓦氏菌和從魚類中分離的嗜冷菌具有協(xié)同抑制作用,并有助于減少食品中添加抗菌劑的數(shù)量[33]。
3.2.3 細(xì)菌素抗菌包裝
一些可生物降解和可食用的材料(殼聚糖、明膠、海藻酸鈣、聚乙烯和纖維素等),可作為乳酸菌細(xì)菌素抗菌包裝的潛在載體,使細(xì)菌素與食品成分相互作用或蛋白水解酶失活的風(fēng)險降低。細(xì)菌素抗菌包裝一般通過兩種方法發(fā)揮其控制食品腐敗微生物的作用,一種是細(xì)菌素加入包裝材料中與食品直接接觸,另一種是通過將細(xì)菌素從包裝膜中逐漸釋放到食品表面并擴(kuò)散到食品基質(zhì)中,有助于細(xì)菌素的生物利用度和受控釋放[34]。殼聚糖-明膠復(fù)合包裝膜中加入腸球菌素CHQS 提高了薄膜的抗菌性能,CHQS 被有效釋放,薄膜中剩余的細(xì)菌素也被穩(wěn)定保存[35]。
3.2.4 細(xì)菌素納米包埋技術(shù)
細(xì)菌素-納米材料組合,即用納米脂質(zhì)體、殼聚糖、金屬納米顆粒和納米纖維等納米顆粒(直徑<100 nm)包裹細(xì)菌素,這使得顆粒與細(xì)菌素相互作用,增強(qiáng)細(xì)菌素的抗菌活性和吸收性,包埋體能對環(huán)境壓力(如溫度、pH 值、氧氣、光、酶、蛋白質(zhì)和金屬離子)的保護(hù)以及靶向釋放,增強(qiáng)細(xì)菌素的抑菌效果,有利于其在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用[36]。以殼聚糖納米顆粒為載體的nisin,能大幅增強(qiáng)其抑菌效果,同時納米顆粒也能透過細(xì)菌的細(xì)胞壁和膜內(nèi)DNA 結(jié)合從而抑制RNA 和DNA 的轉(zhuǎn)錄,具有潛在的抑菌前景[37]。用銀納米粒子包裹的乳酸菌細(xì)菌素Bac4463 和Bac22 明顯高于未包裹細(xì)菌素對金黃色葡萄球菌和福氏志賀菌抗菌活性,且穩(wěn)定性更高,因為金屬納米顆粒體積小,帶有正電荷,可以作為自由基擴(kuò)散和破壞細(xì)胞膜,加強(qiáng)了乳酸菌細(xì)菌素的作用效果[38]。納米纖維是基于生物聚合物的包埋技術(shù),納米纖維由于具有較大的比表面積、較高的穩(wěn)定性、較小的孔徑和較強(qiáng)的密封性,是細(xì)菌素包埋的理想材料。Meral 等[39]采用靜電紡絲法制備了nisin 和姜黃素納米粒子,使虹鱒魚魚片的貨架期延長了6 d,改善其硬度和感官特性。納米顆粒通過與致病細(xì)菌細(xì)胞表面接觸來發(fā)揮作用,這種接觸會對細(xì)胞造成各種結(jié)構(gòu)變化,擾亂其基本細(xì)胞功能,最終導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞死亡。納米顆粒與乳酸菌細(xì)菌素在食品和食品包裝的保鮮中有廣闊的應(yīng)用前景。
海產(chǎn)品是人類飲食中多不飽和脂肪酸的主要來源,海產(chǎn)品的消費(fèi)量逐年上漲。微生物生長是海產(chǎn)品變質(zhì)的主要原因,由于形成特定的醇類(主要是乙醇)、醛類、酸類、酮類、硫類和氮類化合物,產(chǎn)生大量魚腥味。與海產(chǎn)品有關(guān)的病原菌可分為3 大類:海產(chǎn)品中天然菌群(致病性弧菌屬、嗜水氣單胞菌屬)、由于糞便污染而存在的腸道細(xì)菌(沙門氏菌屬、志賀氏菌屬、大腸桿菌)、在加工處理、貯存或配制食用過程中受到細(xì)菌污染的細(xì)菌(蠟樣芽孢桿菌、李斯特菌、金黃色葡萄球菌)[40-41]。乳酸菌細(xì)菌素主要針對海產(chǎn)品中常見的致病菌和腐敗細(xì)菌具有抑制作用,在海產(chǎn)品中添加乳酸菌細(xì)菌素可以有效提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和延長保質(zhì)期,且對海產(chǎn)品的感官、色澤等方面均有很好的效果,乳酸菌細(xì)菌素應(yīng)用于海產(chǎn)品保鮮中的研究見表2。
表2 乳酸菌細(xì)菌素應(yīng)用于海產(chǎn)品保鮮中的研究Table 2 Study on the application of lactic acid bacteria bacteriocin in seafood preservation
3.3.1 魚類海產(chǎn)品
海洋魚類蛋白質(zhì)含量高、飽和脂肪含量低,是ω-3多不飽和脂肪酸的主要來源。據(jù)統(tǒng)計,魚類海產(chǎn)品占海產(chǎn)品消費(fèi)總量的一半左右。新鮮捕獲的魚肌肉組織中是無菌的,但在皮膚、鰓和腸道攜帶大量革蘭氏陰性致病菌和腐敗細(xì)菌,所以海水魚在死后非常容易腐爛,腐敗細(xì)菌的繁殖是魚類品質(zhì)降低的主要原因。乳酸菌細(xì)菌素具有較高的抗菌和擴(kuò)散特性,已被用于魚類海產(chǎn)品保鮮中。Sofra 等[54]將添加nisin 的滲透液預(yù)處理冷藏真空包裝金槍魚片,能夠有效抑制微生物生長和提高感官品質(zhì),比未經(jīng)處理的真空包裝魚的貨架期延長了40 d。為研究不同產(chǎn)細(xì)菌素乳酸菌在食品保鮮中的作用效果,Aymerich 等[55]評估了3 種產(chǎn)細(xì)菌素乳酸菌(彎曲乳桿菌、沙克乳酸桿菌和麥芽香肉桿菌)對煙熏鮭魚中李斯特氏菌的抗菌活性,在8~21℃條件下貯藏21 d 后發(fā)現(xiàn),沙克乳酸桿菌處理過的煙熏鮭魚中李斯特氏菌均受到了明顯抑制,該菌株具有作為在煙熏鮭魚中抗李斯特菌保鮮劑的潛力。將乳酸菌細(xì)菌素與其他的食品保鮮劑復(fù)合使用,可以彌補(bǔ)單一生物保鮮劑在食品感官、抑菌效果和成本上的不足。AHL 內(nèi)酯酶AiiAAI96 是一種群體感應(yīng)(quorum sensing,QS)抑制劑,可以通過抑制內(nèi)酯酶的QS 系統(tǒng)來控制引起鱘魚腐敗的革蘭氏陰性菌,其與nisin 聯(lián)用能抑制鱘魚體內(nèi)微生物區(qū)系的生長,比單獨使用AiiAAI96 或nisin處理更能延緩鱘魚揮發(fā)性鹽基氮和生物胺含量增加,貨架期延長了5 d 左右[56]。同時,為研究更多高效組合,研究者不斷探索不同保鮮劑與nisin 的最佳配比。方士元等[57]利用0.04% nisin、5.92%乳酸鈉和1.06%海藻酸鈉處理大菱鲆,有效減緩揮發(fā)性鹽基氮的產(chǎn)生,提高魚肉保水性,對大菱鲆魚肉內(nèi)蛋白質(zhì)氧化也起到了抑制作用,比常規(guī)4 ℃冷藏貯藏延長了2~3 d。
3.3.2 甲殼類海產(chǎn)品
蝦和對蝦是甲殼類的主要群體,是國際海產(chǎn)品貿(mào)易中重要的商品之一。甲殼類海產(chǎn)品游離氨基酸和其他可溶氮化合物的含量較高,且含有較多的多酚氧化酶,而且甲殼類動物除了其內(nèi)源微生物區(qū)系外,由于在捕獲后與這些物種一起的海底沉積物中的細(xì)菌通常會使產(chǎn)品更快受到微生物污染,這使其在加工的過程中容易受到腐敗菌的侵入和產(chǎn)生黑變,影響了甲殼類肉的品質(zhì)[58]。一般常用亞硫酸鹽以控制蝦類黑斑的形成,并抑制微生物的生長,但它在使用過程中殘留的SO2會引起哮喘病,威脅人體健康[59]。一些研究發(fā)現(xiàn),含乳酸菌細(xì)菌素的保鮮劑添加到甲殼類海產(chǎn)品中,能夠較好的確保安全性的同時還可以延長產(chǎn)品的貨架期。胡奇杰等[60]在單因素試驗的基礎(chǔ)上,采用殼聚糖6 g/L、海藻酸鈉8 g/L、nisin 0.4 g/L 組成最優(yōu)比例的生物涂膜到南美白對蝦后冷藏12 d,比對照組保鮮時間延長了6 d。Liang 等[61]探討nisin、乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid,EDTA)和亞硫酸鹽單獨或聯(lián)合使用對冰藏太平洋對蝦的保鮮效果發(fā)現(xiàn),聯(lián)合使用對副溶血性弧菌、沙門氏菌和熒光假單胞菌均有一定的抑菌作用,低劑量的nisin、EDTA 和亞硫酸鹽的組合比高劑量亞硫酸鹽具有更高的抗菌活性,在貯藏10 d 內(nèi)對蝦中的菌落總數(shù)(total viable count,TVC)和揮發(fā)性鹽基氮顯著降低。結(jié)果表明,nisin 和EDTA 可以在未來減少亞硫酸鹽在海蝦保鮮中的使用,有效控制甲殼類海產(chǎn)品貯藏中黑斑的形成。
3.3.3 軟體動物類海產(chǎn)品及其他產(chǎn)品
軟體動物包括貽貝、扇貝、牡蠣、蛤、魷魚和章魚等,其富含礦物質(zhì)、B 族維生素和ω-3 脂肪酸,肌肉組織中水分含量高,口感細(xì)滑,是一些沿海地區(qū)居民主要的蛋白質(zhì)來源之一。當(dāng)其被捕撈后,肌肉組織開始自溶,蛋白質(zhì)被分解成氨基酸和可溶解性含氮物質(zhì),細(xì)菌得到大量繁殖,使產(chǎn)品腐敗變質(zhì)。細(xì)菌素應(yīng)用于這類產(chǎn)品的研究相對較少,Kim 等[62]將含有nisin 和細(xì)菌素NK24 的聚酰胺抗菌膜包裹新鮮牡蠣,減緩了包裝牡蠣上的微生物生長,與普通低密度聚乙烯薄膜相比,加入細(xì)菌素的抗菌薄膜能更好地抑制大腸桿菌生長,并使牡蠣保質(zhì)期延長5~12 d。利用nisin 與貝萊斯芽孢桿菌和混合草藥提取物組合添加到干魷魚樣品中,TVC顯著降低(P<0.05),這種新型混合物具有提高海產(chǎn)品生物安全性的防腐潛力,以控制干魷魚微生物污染[63]。
隨著人們海洋意識的不斷增強(qiáng),海產(chǎn)品品質(zhì)和安全問題也開始受到關(guān)注。從海洋中發(fā)掘新穎的乳酸菌細(xì)菌素并應(yīng)用于海產(chǎn)品加工領(lǐng)域成為研究熱點。然而,因為各種限制因素,如抗菌譜窄、生產(chǎn)成本高、產(chǎn)量低、作用機(jī)理不完善等,限制其在商業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用。到目前為止,只有nisin 和pediocin PA-1 被商業(yè)應(yīng)用于食品保鮮領(lǐng)域,其他乳酸菌細(xì)菌素雖已證明具有相似效果,但仍需進(jìn)一步認(rèn)證。在實際應(yīng)用中,為了更好地達(dá)到保鮮效果,通常采用直接添加、制成抗菌包裝和與其他保鮮劑聯(lián)合應(yīng)用的方法。隨著技術(shù)的發(fā)展,越來越多新的運(yùn)用形式被發(fā)明出來,如納米技術(shù)、含有nisin 生產(chǎn)/免疫的干酪轉(zhuǎn)接子等。通過選擇合適的乳酸菌細(xì)菌素和相應(yīng)的組合能更好地抑制病原菌的生長,提高乳酸菌細(xì)菌素的作用效果和利用率。
當(dāng)前,基于基因組挖掘技術(shù)的乳酸菌細(xì)菌素篩選和純化技術(shù)日益成熟,能夠深入了解乳酸菌細(xì)菌素的生化特性,提高細(xì)菌素產(chǎn)量和安全性,未來也可以篩選獲得具有專門應(yīng)用于海產(chǎn)品中的新型乳酸菌細(xì)菌素。通過運(yùn)用不同的遺傳方式或編碼它們的基因,在同源或異源宿主中合成乳酸菌細(xì)菌素用于商業(yè)化生產(chǎn),這有助于擴(kuò)大應(yīng)用范圍。隨著研究深入,海洋源乳酸菌細(xì)菌素不僅可以開發(fā)更安全的傳統(tǒng)海產(chǎn)品,還可以開發(fā)創(chuàng)新海產(chǎn)品,其作為安全、有效的保鮮劑應(yīng)用市場前景廣闊。