《食品科學(xué)》：湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院肖懷秋教授等：抗菌肽的抑菌機(jī)制及其在食品防腐保鮮中的應(yīng)用

抗菌肽是具有抑菌活性的小分子多肽，具有抑菌活性高、抑菌譜寬、熱穩(wěn)定性好、酶耐受性好、生物安全性高、毒副作用少以及不易產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)點，甚至兼具抗氧化和清除自由基等功能，有望成為潛在的新型食品抗菌保鮮劑。

食品富含蛋白質(zhì)和碳水化合物等營養(yǎng)基質(zhì)，是微生物“天然培養(yǎng)基”，在生產(chǎn)加工和儲運(yùn)等環(huán)節(jié)極易受到微生物污染，由此引發(fā)的腐敗變質(zhì)、菌落超標(biāo)和食源性疾病成為當(dāng)前食品安全領(lǐng)域關(guān)注的焦點。當(dāng)食品中的致病微生物或腐敗微生物被抗菌肽抑制后，微生物胞外蛋白酶、脂肪酶和次級代謝產(chǎn)物會顯著減少，從而減少對食品蛋白質(zhì)、脂類和碳水化合物等營養(yǎng)基質(zhì)的氧化分解，有利于食品保鮮并減少異味產(chǎn)生。

尋求安全高效的新型抗菌保鮮劑已成為當(dāng)前食品抗菌保鮮領(lǐng)域的研究熱點，湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院的李玉珍和湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院制藥與生物工程學(xué)院的肖懷秋*、王斌等探索其抑菌機(jī)理可為抗菌肽在食品抗菌保鮮領(lǐng)域應(yīng)用奠定良好理論與應(yīng)用基礎(chǔ)。

01

抗菌肽的抑菌分子機(jī)理

根據(jù)是否造成細(xì)胞質(zhì)膜損傷和損傷機(jī)理不同，抑菌機(jī)理可分為基于細(xì)胞質(zhì)膜損傷和非細(xì)胞質(zhì)膜損傷兩類 。前者主要通過抗菌肽與細(xì)胞質(zhì)膜磷脂雙分子層作用形成孔隙或通道，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)泄漏而造成菌體死亡 。部分抗菌肽與細(xì)胞質(zhì)膜作用后可形成跨膜孔道，出現(xiàn)膜間體樣結(jié)構(gòu)，核物質(zhì)濃縮并出現(xiàn)異常間隔，但并不導(dǎo)致菌體死亡，說明跨膜孔道僅是菌體死亡的必要條件而非關(guān)鍵步驟，即抗菌肽還存在非細(xì)胞質(zhì)膜靶點的抑菌分子機(jī)制 ，部分抗菌肽甚至在不破壞細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)情況下發(fā)揮抑菌活性（如pleurocidin衍生物 ），有些跨膜肽可作用于胞內(nèi)物質(zhì)，如抑制細(xì)胞壁或外膜蛋白合成、阻止細(xì)胞分裂和干擾蛋白正確折疊，或與質(zhì)粒、基因組DNA結(jié)合導(dǎo)致基因復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯等生化過程受阻 。甚至有些抗菌肽具有多靶點抑菌機(jī)制，如 β -defensin既能破壞革蘭氏陰性細(xì)菌（G － ）細(xì)胞外膜和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，也可作用胞內(nèi)生物大分子合成 ，AN5-1可同時作用于細(xì)胞內(nèi)膜與基因組DNA，在靜電吸附和疏水作用下與細(xì)胞膜結(jié)合并破壞膜結(jié)構(gòu)完整性，通過靜電吸附、疏水作用和氫鍵等非共價鍵嵌插入基因組DNA堿基平面，影響DNA解鏈和生理功能 ，人中性粒細(xì)胞肽1和血小板殺菌蛋白對細(xì)胞質(zhì)膜影響優(yōu)先于胞內(nèi)生物大分子合成 。個別抗菌肽不同濃度條件下抑菌機(jī)理不同，如indolicidin在高于最小抑菌濃度（MIC）時以細(xì)胞質(zhì)膜損傷為主，低于MIC時以影響胞內(nèi)DNA復(fù)制、mRMA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯發(fā)揮抑菌活性為主 。抗菌肽抑菌分子機(jī)理如圖1所示。

1.1 細(xì)胞質(zhì)膜損傷分子機(jī)理

在靜電吸附作用下，抗菌肽可與細(xì)胞膜上磷脂和脂多糖（LPS）等負(fù)電荷分子結(jié)合，并在疏水作用下發(fā)生積聚和破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，改變膜蛋白構(gòu)象或穿孔，增加膜通透性和導(dǎo)致膜溶解并釋放胞內(nèi)容物，損傷機(jī)理主要表現(xiàn)為桶板模型、環(huán)孔模型、毯式模型和凝聚模型4 種膜通道模型（圖2）。

1.1.1 桶板模型

Ehrenstein等提出桶板模型。抗菌肽與細(xì)胞膜靜電吸附后形成的多聚體聚集在膜表面并垂直插入磷脂雙分子層，疏水結(jié)構(gòu)朝向外部，親水結(jié)構(gòu)朝向內(nèi)部，形成類似木桶結(jié)構(gòu)的跨膜通道，常含α-螺旋（如LS3）。Melittin和Pandinin通過α-螺旋疏水中心垂直插入細(xì)胞膜內(nèi)破壞膜正常結(jié)構(gòu)。

1.1.2 毯式模型

Pouny等提出毯式模型。抗菌肽以單體或低聚形式與細(xì)胞膜平行排列，并以地毯形式覆蓋在磷脂雙分子層表面，疏水區(qū)域與膜接觸，親水區(qū)域則朝向水溶液，當(dāng)積聚到特定閾值時，膜穩(wěn)定性變差并發(fā)生彎曲形變導(dǎo)致膜“瓦解”，常含β-折疊（如Cecropin A、Collagencin），magainins和dermastin等線性α-螺旋抗菌肽類似于地毯模型。與α-螺旋肽不同，β-折疊肽由于有穩(wěn)定二硫鍵橋，與細(xì)胞膜互作時不會發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)變。

1.1.3 環(huán)孔模型

Matsuzaki等提出環(huán)孔模型。抗菌肽接觸細(xì)胞膜后，疏水區(qū)域與磷脂膜疏水頭部結(jié)合，抗菌肽移動誘導(dǎo)膜磷脂分子層移動，膜表面疏水區(qū)域產(chǎn)生裂縫并在膜疏水中心形成“裂口”造成膜磷脂單分子層逐漸向內(nèi)流動，彎曲形成孔道。如lacticin Q、Arenicin、Piscidin-1和Piscidin-3是環(huán)狀孔道模型代表。

1.1.4 凝聚模型

插入細(xì)胞膜的抗菌肽與膜磷脂雙分子形成膠束狀復(fù)合物，以聚集物形式跨膜形成動態(tài)通道，抗菌肽結(jié)合能破壞膜結(jié)構(gòu)并形成通道，促使其進(jìn)入胞內(nèi)發(fā)揮抑菌活性。抗菌肽還能促進(jìn)小分子陰離子穿透磷脂雙分子層，膜表面聚集能提高膜電勢并改變膜電位，達(dá)到閾值后形成分子電穿孔，形成的瞬時通道有助抗菌肽介入胞內(nèi)。膜磷脂雙分子層厚度對抑菌活性有直接影響，氧化磷脂質(zhì)可增強(qiáng)抗菌肽與細(xì)胞膜表面吸附。

1.2 抗菌肽非細(xì)胞質(zhì)膜損傷機(jī)理

1.2.1 細(xì)胞壁損傷機(jī)理

細(xì)胞壁肽聚糖是抗菌肽主要效應(yīng)靶點，可通過破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和影響細(xì)胞壁合成實現(xiàn)抑菌活性，如RMR26以α-螺旋結(jié)構(gòu)穿透細(xì)胞壁并破壞結(jié)構(gòu)完整性，β-defensin 3能抑制細(xì)胞壁合成并造成細(xì)胞壁穿孔，sarcotoxins II能抑制正在形成的細(xì)胞壁，破壞細(xì)菌正常結(jié)構(gòu)形態(tài)。

肽聚糖是革蘭氏陽性細(xì)菌（G＋）細(xì)胞壁主要成分，關(guān)鍵成分是lipid II。lipid II是肽聚糖的合成前體，由輔酶A合成。辣木籽抗菌肽MOp2作用于金黃色葡萄球菌后，對肽聚糖生物合成相關(guān)蛋白質(zhì)差異表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，與細(xì)胞壁合成的相關(guān)基因及與蛋白（MrcA、DacC、PbpA、BacA和MecA）發(fā)生了差異表達(dá)，它們在肽聚糖合成過程中上調(diào)表達(dá)，這是菌體對lipid II生成減少的適應(yīng)調(diào)節(jié)。Nisin和Plectasm可與lipid II發(fā)生特異性反應(yīng)，可從細(xì)胞壁合成位點或隔膜移除細(xì)胞壁前體中的lipid II或直接吸附到lipid II上影響細(xì)胞壁合成。抗菌肽也可與壁脂磷壁酸結(jié)合干擾和破壞細(xì)菌細(xì)胞壁完整性，如Scy-SpCrus5可結(jié)合金黃色葡萄球菌脂磷壁酸發(fā)揮抑菌活性破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)。LP315可通過氫鍵與疏水作用結(jié)合S. aureus肽聚糖糖基轉(zhuǎn)移酶/轉(zhuǎn)肽酶破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)完整性。

LPS是革蘭氏陰性細(xì)菌（G－）細(xì)胞壁外壁的一層較厚的多糖類物質(zhì)，是抗菌肽主要非膜損傷靶點，如金屬抗菌肽SIF4和LPS最大結(jié)合量可達(dá)到256 mg/L，能通過靜電吸附作用破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)發(fā)揮抗菌活性。AP16-A可與LPS結(jié)合，在質(zhì)量濃度為100 μg/mL時，抑菌活性達(dá)到最大。GW4A在8 μmol/L時表現(xiàn)出與LPS較高的中和作用，表現(xiàn)出很強(qiáng)的抑菌活性。Cecropin衍生物可與革蘭氏陰性細(xì)菌LPS通過靜電和疏水相互作用結(jié)合并解離LPS層，導(dǎo)致菌體裂解和死亡。

1.2.2 抗菌肽非細(xì)胞質(zhì)膜損傷分子機(jī)理

抗菌還可通過與基因組DNA結(jié)合、影響基因轉(zhuǎn)錄翻譯代謝網(wǎng)絡(luò)、影響物質(zhì)與能量代謝、破壞細(xì)胞周期、結(jié)合或影響胞內(nèi)生物大分子等途徑發(fā)揮抑菌活性（圖3）。

1）結(jié)合胞內(nèi)核酸或影響其生物合成

部分跨膜肽穿透細(xì)胞膜后可與基因組DNA結(jié)合，可通過靜電結(jié)合、溝區(qū)結(jié)合和嵌插結(jié)合等方式與胞內(nèi)核酸互作。靜電結(jié)合是抗菌肽與核酸分子中帶負(fù)電荷的磷酸骨架以靜電引力形成非特異性結(jié)合，無選擇性，溝區(qū)結(jié)合是抗菌肽與DNA雙螺旋大小溝結(jié)合并使二級結(jié)構(gòu)發(fā)生微弱變形，而嵌插結(jié)合是抗菌肽通過π-π作用、疏水作用嵌插到堿基平面間，從而影響復(fù)制轉(zhuǎn)錄。如Tachyplesin I能與基因組DNA雙螺旋小溝緊密結(jié)合，抑制DNA復(fù)制轉(zhuǎn)錄。Buforin II可與大腸桿菌胞內(nèi)核酸結(jié)合，抑制基因復(fù)制轉(zhuǎn)錄并導(dǎo)致菌體死亡，magainin2也可與胞內(nèi)核酸結(jié)合，Indolicidin優(yōu)先抑制DNA合成，影響RNA轉(zhuǎn)錄和蛋白翻譯并引發(fā)應(yīng)急修復(fù)，阻止細(xì)胞分裂并誘導(dǎo)細(xì)菌絲狀化，引起細(xì)胞死亡。Lfcin有較強(qiáng)的DNA結(jié)合能力，能與GGCACTT（G/A）C、TAGA（A/G）GATCAAA、ACTACA GTCTACA 3 種不同特異DNA序列結(jié)合并抑制基因轉(zhuǎn)錄。BF2-A可結(jié)合胞內(nèi)核酸，削弱堿基堆積力，松散核酸結(jié)構(gòu)，干擾核酸合成并導(dǎo)致菌體死亡。F1可與金黃色葡萄球菌基因組DNA發(fā)生嵌插結(jié)合。抗菌肽也可影響核酸相關(guān)基因表達(dá)，如P7可下調(diào)大腸桿菌DNA復(fù)制相關(guān)基因中的ssb、dnaG、ligB和rnhA基因表達(dá)水平，并顯著上調(diào)DNA損傷修復(fù)相關(guān)的recA和recN基因表達(dá)水平。

2）結(jié)合胞內(nèi)蛋白質(zhì)或影響其生物合成

部分跨膜肽可影響胞內(nèi)蛋白質(zhì)功能或干擾蛋白質(zhì)合成或錯誤折疊導(dǎo)致菌體死亡。如富含Pro和Arg的抗菌肽PR-39對多種革蘭氏陰性菌和化膿鏈球菌、芽孢桿菌、大腸桿菌等部分革蘭氏陽性菌有較強(qiáng)抗菌活性，跨膜介入胞內(nèi)后能抑制大腸桿菌蛋白質(zhì)和氧化酶復(fù)合物合成，影響正常代謝并引起菌體死亡，α-螺旋乳鐵蛋白素可抑制大腸桿菌胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成，如indolicidin可影響胞內(nèi)蛋白質(zhì)生物合成。部分抗菌肽可靶向作用于核糖體蛋白，阻礙蛋白質(zhì)合成造成菌體死亡。DnaK是一種伴侶蛋白，可保證蛋白亞基正確組裝和正確構(gòu)象形成，PRAMPs特異性與DnaK結(jié)合致使蛋白構(gòu)象錯位，影響酶活并造成菌體死亡。NCR247是一種具有二硫鍵的螺旋型抗菌肽，可與伴侶蛋白GroEL結(jié)合而影響細(xì)胞正常代謝。Apidaecins能競爭性結(jié)合大腸桿菌細(xì)胞膜蛋白異構(gòu)體，抑制細(xì)胞分裂蛋白酶活性并增強(qiáng)胞漿蛋白UDP-3-O-酰基-N-乙酰氨基葡糖脫乙酰酶活性，致使菌體凋亡。

3）影響物質(zhì)與能量代謝生成

物質(zhì)代謝將糖類等能量底物脫氫氧化產(chǎn)生能量（主要是ATP）并產(chǎn)生簡單代謝中間產(chǎn)物，葡萄糖代謝途徑主要包括糖酵解（Embden-Meyerhof-Parnas，EMP）途徑、三羧酸循環(huán)（TCA）途徑和磷酸戊糖代謝支路途徑（HMP）。金屬抗菌肽SIF4可通過抑制大腸桿菌糖酵解途徑實現(xiàn)良好抑菌活性，對EMP途徑和TCA關(guān)鍵酶均有不同程度抑制作用，主要通過抑制已糖激酶活性調(diào)控葡萄糖氧化效率而發(fā)揮抑菌活性。大鯢肽-鋅螯合物對Enterobacter aerogenes、Bacillus subtilis、Shewanella putrefaciens和Staphylococcus aureus呼吸代謝均有不同程度抑制，主要通過抑制E. aerogenes的HMP途徑，B. subtilis、S. putrefaciens和S. aureus的EMP途徑實現(xiàn)抑菌。辣木籽抗菌肽MOp2對金黃色葡萄球菌EMP和TCA關(guān)鍵代謝有明顯抑制，參與EMP和TCA的相關(guān)基因（即crr、pfkA、gltA、sdhA、sdhB和sdhC）被下調(diào)。crr表達(dá)下調(diào)直接導(dǎo)致α-D-葡萄糖-6P減少，MOp2處理S. aureus可導(dǎo)致EMP和TCA中斷。抗菌肽P-1抑制T. roseum的EMP和TCA途徑并使菌體處于ATP缺乏和代謝紊亂狀態(tài)，轉(zhuǎn)錄基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，琥珀酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶基因下調(diào)，ATP酶基因先上調(diào)后下調(diào)，6-磷酸果糖激酶基因上調(diào)，表明P-1通過調(diào)控與能量代謝相關(guān)基因、線粒體復(fù)合酶活性，抑制呼吸代謝，造成線粒體結(jié)構(gòu)損傷，引起線粒體膜電位下降和導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。

ATP酶參與物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、能量轉(zhuǎn)化、陽離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)、信息轉(zhuǎn)導(dǎo)和維持胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)等生理過程，如離子通道Na＋K＋-ATP酶和Ca2＋Mg2＋-ATP酶是生物體內(nèi)廣泛存在的一種極為重要的膜酶。如magainin-I模擬肽、LL37-類似肽LLAP能抑制分歧桿菌ATP酶活性，GABP對單核細(xì)胞增生李斯特菌ATP酶有較強(qiáng)抑制活性，與Nisin聯(lián)用可使ATP從膜上解離并導(dǎo)致菌體死亡。金屬抗菌肽SIF4能削弱大腸桿菌Na＋K＋-ATP和Ca2＋Mg2＋-ATP兩類細(xì)胞質(zhì)膜離子通道ATP酶活性和抑制胞內(nèi)ATP合成。花尾胡椒鯛hepcidin抗菌肽處理副溶血性弧菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、腐敗希瓦氏菌、熒光假單胞菌等菌體后，Na＋K＋-ATP酶和Ca2＋-ATP酶活性均受到顯著抑制。胞內(nèi)ATP合成受阻導(dǎo)致能量代謝相關(guān)的正常生理出現(xiàn)代謝紊亂和菌體死亡，如抗菌肽BF2-A/X可影響大腸桿菌ATP合成，BF2-X對ATP合成抑制作用更顯著，實驗組培養(yǎng)40 h時ATP合成量不到對照組的10%。抗菌肽LL-1處理大腸桿菌后，1 MIC實驗組ATP含量顯著低于對照組（P＜0.05），4 MIC實驗組ATP含量與對照組有極顯著差異（P＜0.01）。

4）影響胞內(nèi)拓?fù)洚悩?gòu)酶與氧化代謝酶生物活性

拓?fù)洚悩?gòu)酶通過瞬時破壞和重連DNA催化DNA鏈斷裂和解旋，在基因復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組、表達(dá)調(diào)控及細(xì)胞分裂等方面有重要功能，分為拓?fù)洚悩?gòu)酶I和II兩類，是抗菌肽篩選的新型靶點。金屬抗菌肽SIF4對大腸桿菌拓?fù)洚悩?gòu)酶II活性抑制較弱，主要通過抑制拓?fù)洚悩?gòu)酶I活性影響DNA解鏈而發(fā)揮抑菌活性，推測其可能與DNA-拓?fù)洚悩?gòu)酶I二元復(fù)合物結(jié)合并形成拓?fù)洚悩?gòu)酶IDNA-SIF4三元復(fù)合物，在DNA鏈解鏈、斷裂DNA重連及DNA切口修復(fù)等過程中發(fā)揮作用。此外，還觀測到大腸桿菌內(nèi)源活性氧（ROS）不同程度增強(qiáng)，可能與斷裂DNA未能得到及時修復(fù)和斷裂DNA累積有關(guān)。低濃度ROS可影響信號傳導(dǎo)，濃度過高時會通過細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)損害細(xì)胞器，誘導(dǎo)細(xì)胞調(diào)亡和壞死，抑菌活性與ROS含量增加有關(guān)。過氧化氫酶（CAT）可清除胞內(nèi)過剩ROS，減輕ROS累積損傷，超氧化歧化酶（SOD）可清除胞內(nèi)過量自由基，維持胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，呼吸鏈脫氫酶活性是表征菌體呼吸代謝的關(guān)鍵酶，丙二醛（MDA）是生物體脂質(zhì)被氧化攻擊形成的產(chǎn)物，是氧化損傷和膜受損的標(biāo)志物，會引發(fā)胞內(nèi)大分子聚合并使生物膜發(fā)生不可逆損傷。抗菌肽brevilaterin對金黃色葡萄球菌呼吸鏈脫氫酶有明顯抑制作用，而ε-聚賴氨酸對金黃色葡萄球菌呼吸鏈脫氫酶無抑制作用。金屬抗菌肽SIF4可增強(qiáng)大腸桿菌細(xì)胞質(zhì)膜氧化損傷，實驗組與對照組MDA含量存在顯著差異。含色氨酸抗菌肽（I1W和L12W）處理多重耐藥銅綠假單胞菌株MRPA0108滯留菌3 h后，SOD和CAT活性發(fā)生顯著降低，ROS爆發(fā)并積累，MDA含量顯著增加，表明I1W和L12W使滯留菌發(fā)生了不可逆氧化損傷。

02

抗菌肽在各類食品抗菌保鮮中的應(yīng)用

2.1 制備具有生物活性的新型食品包裝材料

抗菌肽可制備成具有生物活性的新型包裝材料用于食品抗菌保鮮。將Mytimacin-4與殼聚糖制備復(fù)合涂膜液用于豬肉保鮮可降低冷藏過程中細(xì)菌菌群豐度和種類，可較好保持肉品新鮮度并延長保質(zhì)期3～4 d。將Sm-A1裝載到富羥基聚乙烯醇/殼聚糖水凝膠并用于三文魚保鮮，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實驗組菌落總數(shù)、揮發(fā)性鹽基氮（TVB-N）和質(zhì)構(gòu)呈緩慢上升趨勢且在第14天未超過國標(biāo)限值。在糠醛明膠水解物基質(zhì)上摻入活性肽AlaGTyr用于鯖魚抗菌保鮮發(fā)現(xiàn)，長達(dá)4 個月貯存期內(nèi)樣品污染度保持相對穩(wěn)定。將靜電紡絲法制備的Piscidin 1 PG/聚乳酸納米纖維膜用于海鱸魚保鮮發(fā)現(xiàn)，其在6 h內(nèi)能顯著抑制腐敗希瓦氏菌生長，4 ℃貯藏6 d后，實驗組菌落總數(shù)低于空白組并能有效抑制樣品pH值和TVB-N升高，能延長冷藏期3 d以上。將HX-12C制備的復(fù)合有機(jī)絡(luò)合物納米噴涂于瑤山雪梨保鮮發(fā)現(xiàn)，實驗組常溫貯藏12 d能很好維持風(fēng)味，質(zhì)量損失率、可滴定酸、VC、還原糖和感官評價等指標(biāo)表現(xiàn)良好，能有效延長瑤山雪梨貨架期。將BCp12/殼聚糖/酪蛋白復(fù)合膜用于乳扇抗菌保鮮發(fā)現(xiàn)，實驗組過氧化值變化較慢，4 ℃貯藏后可使保質(zhì)期延長60 d。將明膠-殼聚糖/乳酸鏈球菌素-玉米淀粉制備的涂膜用于櫻桃番茄抗菌保鮮發(fā)現(xiàn)，其可有效延長櫻桃番茄保質(zhì)期。

2.2 在畜禽肉制品及水產(chǎn)品中的應(yīng)用

畜禽鮮肉和魚蝦極易受到L. monocytogenes、S. aureus和Salmonella等致病菌和腐敗菌污染，即使在低溫條件下，給肉制品與水產(chǎn)品帶來潛在風(fēng)險。用0.5% Nisin對冷藏草魚片保鮮發(fā)現(xiàn)，菌落總數(shù)和TVB-N值等指標(biāo)顯著低于對照組，可延長貨架期3 d且風(fēng)味無顯著改變。將400 mg/L ε-聚賴氨酸（ε-PL）浸泡處理冷鮮豬肉，菌落總數(shù)、pH值和TVB-N積累均受到顯著抑制，保質(zhì)期從2 d延長至8 d。Pediocin涂抹火腿片于12 ℃保藏15 d后，實驗組Listeria innocua、Salmonella sp.數(shù)量顯著低于對照組，保鮮效果明顯；rMytichitin-A能破壞S. aureus和E. coli細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)完整性并導(dǎo)致胞內(nèi)容物泄漏，能有效抑制腐敗微生物生長，減緩蛋白質(zhì)降解和脂質(zhì)氧化，抗菌保鮮效果較好，但高密度細(xì)菌條件下保鮮效果欠佳。多種抗菌肽協(xié)同復(fù)配使用可增強(qiáng)抗菌保鮮效果，如牡蠣源抗菌肽、海蟹源抗菌肽和帶魚源抗菌肽復(fù)配可增強(qiáng)秘魯魷魚的保鮮效果，最優(yōu)組合下組胺抑制率為74.39%，保藏第10天時，實驗組TVB-N僅為對照組47.85%，菌落總數(shù)抑制率達(dá)33.02%，抗菌保鮮效果良好。

2.3 在乳及乳制品中的應(yīng)用

牛奶生產(chǎn)加工和貯運(yùn)等環(huán)節(jié)受到Alcaligenes、Pseudomonas等腐敗微生物污染，降低乳脂和乳蛋白的氧化，添加適量抗菌肽可降低乳制品熱處理強(qiáng)度，減少高溫處理對乳品風(fēng)味和營養(yǎng)破壞并能延長保質(zhì)期。將ACWWP1用于牛乳抗菌保鮮發(fā)現(xiàn)，處理24 h后，S. aureus菌落數(shù)減少了4.8（lg（CFU/mL）），培養(yǎng)72 h細(xì)菌數(shù)量顯著下降。LCWAP（2 MIC）處理牛奶1 d內(nèi)細(xì)菌數(shù)量顯著減少，7 d時為0（lg（CFU/mL）），對照組細(xì)菌數(shù)量高達(dá)9.2（lg（CFU/mL））。乳源抗菌肽αS2-casein151-181用于奶酪保鮮發(fā)現(xiàn)，αS2-casein151-181乳清蛋白膜能顯著降低奶酪菌落總數(shù)，延長奶酪貨架期。用辣木籽抗菌肽MOp2的Pickering乳液保鮮乳餅發(fā)現(xiàn)，貯藏42 d內(nèi)未發(fā)生腐敗，含抗菌肽的Pickering乳液能將乳餅貯藏期延長1 周。

2.4 在禽蛋及其制品中的應(yīng)用

Nisin能延長禽蛋及其制品保質(zhì)期，抗菌保鮮效果較好。Necidová等對比分析了Nisin、山梨酸苯甲酸酯和三磷酸鹽在4 ℃保存45 d對巴氏殺菌全蛋液微生物指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，抗菌肽組細(xì)菌菌落總數(shù)僅為山梨酸苯甲酸酯組和三磷酸鹽的59.76%和47.64%，全蛋液保質(zhì)期明顯延長；全蛋液在Nisin和高壓處理協(xié)同作用下可顯著降低E. coli和L. innocua數(shù)量，全蛋白液品質(zhì)得到明顯改善。Nisin和有機(jī)酸復(fù)合保鮮劑能有效抑制蛋制品冷藏條件致病菌生長，即食蛋制品抗菌保鮮效果良好；以殼聚糖為涂膜基質(zhì)、Nisin和ε-PL為生物抑菌劑、茶多酚和VC為抗氧化劑制備的涂膜保鮮劑能提升鹵蛋制品品質(zhì)和延長貨架期。

2.5 在罐頭食品中的應(yīng)用

Nisin用于雞汁鮑魚罐頭抗菌保鮮發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)條件下產(chǎn)品感官評分最高，內(nèi)容物（鮑魚）失水率為23%，罐頭口感較好，抗菌保鮮效果明顯。Nisin和bovicin HC5協(xié)同使用可顯著抑制罐裝芒果果肉中Clostridium tyrobutyricum生長和產(chǎn)氣，可延長果肉罐頭保質(zhì)期和增強(qiáng)產(chǎn)品安全性。Nisin可抑制B. stearothermophilus、C. thermosaccharolyticum和C. pasteurianum等腐敗微生物生物，可用于罐裝蔬菜抗菌保鮮。

2.6 在果蔬及果蔬制品中的應(yīng)用

抗菌肽應(yīng)用可增強(qiáng)果蔬保存性和新鮮度。Nisin可用于果蔬及其制品抗菌保鮮，且不影響風(fēng)味和產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)。在蘋果汁和葡萄汁中添加Nisin，果汁嗜酸菌受到顯著抑制；EnterocinAS-48用于黑莓保鮮發(fā)現(xiàn)，22 ℃安全儲藏期可延長至2 d，6 ℃條件下可延長至7 d，25 μg/mL時能抑制甜瓜切片、西瓜汁中L. monocytogenes生長，可用于多種果汁抗菌保鮮。海蟹源抗菌肽、牡蠣源抗菌肽、帶魚源抗菌肽和鰹魚源抗菌肽復(fù)配用于草莓保鮮能較好保持草莓品質(zhì)并延長貨架期。Melittin能減緩黃油桃室溫和冷藏條件下腐爛速率，保持黃油桃色澤和品質(zhì)，減少質(zhì)量損失和減緩氧化，延長其貨架期。B. subtilis抗菌肽用于鮮切山藥保鮮能延長貯藏期2 d；人源抗菌肽LL-37牛奶用于鮮榨果汁保鮮能顯著抑制牛奶和鮮榨果汁微生物生長，保鮮效果明顯。乳源抗菌肽與殼聚糖復(fù)合膜用于水果黃瓜保鮮發(fā)現(xiàn)，21 d貯藏后，1%抗菌肽復(fù)合膜處理組失水率僅4.97%，腐爛率16.67%，硬度由9.53 kg/cm3降至6.43 kg/cm3，比對照組高42.50%，VC含量比貯藏前僅下降1.40%，保鮮效果很好。

2.7 在米面及其制品中的應(yīng)用

Nisin對米飯和面包等米面制品腐敗與致病微生物抑制效果明顯，能延長米面及其制品保質(zhì)期。將Nisin和Surfactin分別以500 mg/kg添加到米飯中并于25 ℃貯藏，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對照組24 h后就出現(xiàn)異味，實驗組則分別在36 h和60 h后才出現(xiàn)異味，研究還發(fā)現(xiàn)，添加200～500 mg/kg能有效預(yù)防面包變質(zhì)；KT43C能顯著抑制面包霉菌生長和延長面團(tuán)保持期2 d，且具有較好熱穩(wěn)定性，可作為新型面包抗菌防腐劑。辣椒籽抗菌肽能抑制霉菌生長，0.3 g/kg辣椒籽抗菌肽應(yīng)用效果與丙酸鈣和那他霉素標(biāo)準(zhǔn)添加量無顯著差異，可用于玉米防霉。

2.8 在保健食品中的應(yīng)用

抗菌肽除具有抗菌作用外，還具有免疫調(diào)節(jié)、抗氧化、抗炎等功能，可作為保健功能性食品或膳食補(bǔ)充劑的生物活性成分。趙澤等應(yīng)用16S rRNA測序方法研究了抗菌肽KSL口香糖對口腔細(xì)菌的抑菌效果，在門水平上，KSL對變異菌門、擬桿菌門和厚壁菌門抑制作用明顯，在屬水平上，對擬桿菌屬、奈瑟氏菌屬、嗜血桿菌、韋永氏球菌屬、普氏菌屬、卟啉單胞菌屬、鏈球菌屬抑制作用明顯。LL-37是由37 個氨基酸殘基組成的兩親性螺旋肽，具有較好抗菌和免疫調(diào)節(jié)活性，可作為保健食品功效成分。

抗菌肽在各類食品中的應(yīng)用總結(jié)如表1所示。

結(jié) 語

抗菌肽在食品抗菌保鮮領(lǐng)域有良好應(yīng)用前景，但也存在一些需亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，主要有：

1）構(gòu)-效關(guān)系尚未完全明確，安全性評價標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)與體系亟待完善。由于抗菌肽氨基酸組成、序列及生物功能存在多樣性，系統(tǒng)研究抗菌肽構(gòu)-效關(guān)系可為抗菌肽定向改造提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指引。食品領(lǐng)域應(yīng)用較多的抗菌肽主要有Nisin和ε-PL，其他具有較好抗菌保鮮作用的抗菌肽可能存在潛在細(xì)胞毒性、溶血性等不足，需構(gòu)建安全評價體系和標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)系列新型生物抗菌保鮮劑；此外，抗菌肽添加到食品或作為生物活性包膜材料用于食品抗菌保鮮存在市場準(zhǔn)入問題，當(dāng)前能安全用于食品抗菌保鮮的抗菌肽較少，亟需完善相關(guān)食品法規(guī)。

2）制備成本相對較高。天然抗菌肽由于原料本底含量極低，制備成本高，化學(xué)合成抗菌肽很難保證其結(jié)構(gòu)與天然抗菌肽完全一致，基因表達(dá)抗菌肽在重組表達(dá)時，存在易被宿主細(xì)胞或胞內(nèi)酶降解等風(fēng)險，制備成本也相對較高。課題組調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在食品保鮮領(lǐng)域應(yīng)用較多的食品級Nisin和ε-PL價格分別為200 元/kg和2 100 元/kg，價格偏高使其應(yīng)用也受到不同程度限制。

3）部分抗菌譜較窄。在食品防腐保鮮中準(zhǔn)許應(yīng)用的Nisin和ε-PL存在抗菌譜窄、抑菌活性低、穩(wěn)定性不足等局限，如Nisin僅對G＋菌有明顯抑制作用且主要用于蛋白質(zhì)含量高的食品抗菌保鮮，亟待開發(fā)抗菌活力高、抗菌譜廣的安全抗菌肽。

4）復(fù)雜多組分食品體系中抗菌活性發(fā)揮受限。如clavanin A僅在酸性條件下表現(xiàn)抑菌活性，中性環(huán)境無抑菌活性，Nisin在酸性條件（pH 2）下的溶解度比堿性條件（pH 8）高228 倍。食品中金屬陽離子可影響抗菌肽二級結(jié)構(gòu)并影響抑菌活性，如抗菌肽[RLLR]5在200 mmol/L NaCl環(huán)境體系中，α-螺旋結(jié)構(gòu)由72%降低至13%，抗細(xì)菌和真菌活性降低至原來的1/32～1/8。此外，食品中酶對抗菌肽也有影響，如Nisin可被谷胱甘肽滅活，在富含谷胱苷肽的鮮肉中保鮮效果不理想，但在加工類肉制品（如火腿）抑菌保鮮效果較好。食品中脂肪對抗菌肽活性也有影響，脂肪含量越低，Nisin抑菌活性越高，隨著脂肪含量升高，Nisin對L. monocytogenes抑制活性呈下降趨勢。蛋白質(zhì)和糖類等組分對抑菌活性也有影響，如magainin、pediocin PA-1和sakacin A在蛋白質(zhì)含量較高的食品體系中抑菌活性下降。

為解決上述難題，可嘗試從以下幾個方面進(jìn)行突破：

1）加強(qiáng)抗菌肽構(gòu)-效關(guān)系、穩(wěn)定性、生物安全性評價與法規(guī)等系統(tǒng)研究，構(gòu)建系統(tǒng)安全評價標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)體系。鄧若竹等利用生物信息學(xué)軟件對冰魚抗菌肽Chionodracine的理化性質(zhì)、空間結(jié)構(gòu)、兩親性及修飾位點進(jìn)行預(yù)測分析，通過氨基酸位點替換對抗菌肽進(jìn)行優(yōu)化改造，改造后的抗菌肽與細(xì)胞膜之間的相互作用及穩(wěn)定性明顯優(yōu)于母肽。葛洪麟采用計算機(jī)技術(shù)輔助對天然抗菌肽Pt5進(jìn)行改造，構(gòu)建了以Pt5為模板的候選抗菌肽序列庫，分析抗菌肽理化性質(zhì)與序列結(jié)構(gòu)特點并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后抗菌肽Pt5N14抗菌活性、細(xì)胞毒性、溶血性、組織相容性等得到明顯提升，可在復(fù)雜食品體系中應(yīng)用。王曉等利用抗菌肽預(yù)測模型DeepGlap對結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)鑒別與預(yù)測，其能輔助新型抗菌肽研發(fā)并增強(qiáng)抗菌肽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

2）降低抗菌肽制備成本。抗菌肽目前生產(chǎn)工藝主要包括生物提取、化學(xué)合成及基因工程表達(dá)3 種途徑。生物提取與化學(xué)合成工序多、收率相對低，成本較高，而原核異源表達(dá)具有經(jīng)濟(jì)性好、表達(dá)過程可控且技術(shù)成熟等優(yōu)勢，通過優(yōu)化制備工藝可降低抗菌肽制備成本，如李云露采用融合表達(dá)策略構(gòu)建了抗菌肽LL-37在大腸桿菌原核異源表達(dá)系統(tǒng)，并基于啟動子、融合蛋白、誘導(dǎo)條件以及培養(yǎng)基組分多方面對表達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并將生產(chǎn)成本降低至1 mg MBP-LL-37生產(chǎn)原料成本僅為2.07 元。趙難難等對mytimacin-4進(jìn)行大腸桿菌密碼子優(yōu)化并構(gòu)建在pET-28a表達(dá)載體上，將構(gòu)建的pET-28a-mytimacin-4分別和含不同組合分子伴侶的表達(dá)載體pG-KJE8、pKJE7、pGro7、pG-Tf2和pTf16共轉(zhuǎn)化到大腸桿菌BL21(DE3)進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá)及活性鑒定，重組菌株BL21(DE3)/pET-28a-mn4/pG-KJE8優(yōu)化產(chǎn)量可達(dá)200～400 mg/L，對S. aureus、E. coli和Vibrio parahaemolyticus均有較強(qiáng)抑菌活性，制備時降本增效明顯。

3）開展抗菌譜的相關(guān)研究。趙璐等以(RP)3WW(RP)3為基本單元，將衍生自向日葵胰蛋白酶抑制劑（SFTI-1）結(jié)合環(huán)（CTKSIPPIC）添加到抗菌肽氨基端，構(gòu)建了一種能專門抑制G－菌生長，而對G＋菌生長無明顯抑制作用的新抗菌肽PC，PC對E. coli、Salmonella和P. aeruginosa等G－菌有強(qiáng)抑制活性，但對S. aureus、S. epidermidis、E. faecalis等G＋菌無抑制活性且在不同鹽離子濃度、血清濃度、溫度和蛋白酶處理條件下抑菌活性保持高穩(wěn)定性。

4）開展抗菌機(jī)理與保鮮基礎(chǔ)理論研究。系統(tǒng)闡明抗菌肽抑菌機(jī)理可為其在食品抗菌保鮮領(lǐng)域應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，增強(qiáng)抗菌肽應(yīng)用安全；開展抗菌肽復(fù)配或抗菌肽與其他抗菌包材協(xié)同應(yīng)用也可拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，還能為廣譜抗菌保鮮劑研制提供理論指導(dǎo)。杜旭婷等研究了食品加工條件與貯藏條件對乳桿菌源抗菌肽粗提粉的影響并發(fā)現(xiàn)，乳桿菌源抗菌肽粗提粉熱穩(wěn)定性好，pH值穩(wěn)定性好，不同溫度和不同貯藏時間條件下相對抑菌活性無顯著變化，反復(fù)凍融對抑菌活性無顯著影響，安全性高，可用于食品抗菌保鮮領(lǐng)域。此外，開發(fā)抗菌肽新型應(yīng)用方式也是一個重要的研究方向。固定化抗菌肽是當(dāng)前一種新的發(fā)展趨勢，可通過物理或化學(xué)法將抗菌肽固定到特定基質(zhì)材料，如SiO2顆粒、玉米淀粉（蛋白）、凝膠涂料、藻朊酸鈣、纖維素、大豆蛋白或高分子覆膜材料。雖然目前只應(yīng)用到肉制品和乳制品保鮮中，但制備生物活性包膜材料將是極具前景的應(yīng)用方式，制備可食覆膜材料可提高食品新鮮度，降低水份流失和減緩氧化。可開展抗菌肽新型遞送體系研究增強(qiáng)抗菌肽靶向性，減少抗菌肽降解，特別是在復(fù)雜食品體系中應(yīng)用，如可設(shè)計合成更高效納米技術(shù)、脂質(zhì)體或聚合物膠束等傳遞體系提升抗菌肽的生物利用度，可偶聯(lián)其他材料增強(qiáng)抗菌肽應(yīng)用適應(yīng)性。

作者簡介

通信作者：

肖懷秋，湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院制藥與生物工程學(xué)院副院長，2006年6月，畢業(yè)于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，同年5月，進(jìn)入湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院任教。2014年8月—2015年7月在華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院趙謀明教授指導(dǎo)下開展教育部青年骨干教師國內(nèi)訪問學(xué)者研修，2015年8月赴臺灣明新科技大學(xué)開展短期訪問研修，2016年—2019年在中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院林親錄教授指導(dǎo)下開展湖南省青年骨干教師訪問研修，主要從事抗菌活性多肽制備、構(gòu)效關(guān)系與功能以及食品抗菌保鮮研究。主持湖南省自然科學(xué)基金等省部級科研項目10余項，發(fā)表SCI/EI收錄等高水平學(xué)術(shù)論文50余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利等10 項，主編《生物化學(xué)》《生物制藥工藝學(xué)》等職業(yè)教育規(guī)劃教材3 部和《生物化學(xué)》職業(yè)本科教材1 部，獲石化行業(yè)“十四五”職業(yè)教育規(guī)劃教材1 部、石化行業(yè)優(yōu)質(zhì)教材獎“一等獎”1 部。現(xiàn)為廣東省自然科學(xué)基金評審專家、《現(xiàn)代食品科技》《食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報》《中國釀造》等雜志審稿專家、全國藥品職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會生物制藥類專業(yè)委員會委員、中國輕工業(yè)聯(lián)合會技能人才評價質(zhì)量督導(dǎo)員、全國職業(yè)院校職業(yè)技能競賽國賽裁判、株洲市高層次人才（D類）、株洲市食品安全庫專家。主持湖南省“楚怡”教師教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊1 個，參與完成“楚怡”教師教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊1 個。主持生物制藥技術(shù)和生物化學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊2 個。獲省級教學(xué)成果獎“一等獎”2 項、市級科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎“三等獎”1 項。

第一作者：

李玉珍，湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院副教授，2007年6月畢業(yè)于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，2007年6月進(jìn)入湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院任教，主要從事生物活性多肽制備與功能活性、食源性致病微生物控制等方面的研究工作，主持和參與湖南省自然科學(xué)基金等省（部）級科研項目10余項，是廣東省自然科學(xué)基金基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目評審專家，發(fā)表SCI/EI收錄等高水平學(xué)術(shù)論文30余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利等10余件。主編《生物化學(xué)》《生物分離技術(shù)》《微生物學(xué)與免疫學(xué)》等職業(yè)教育規(guī)劃教材4 部，主編教材獲石化行業(yè)“十四五”職業(yè)教育規(guī)劃教材1 部、湖南省優(yōu)質(zhì)教材1 部，主要參與具有國際影響力的職業(yè)教育教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)1 項。指導(dǎo)學(xué)生參加職業(yè)院校職業(yè)技能競賽獲省級“二等獎”等獎項5 項、“互聯(lián)網(wǎng)+”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽省級“二等獎”等獎項10余項。

引文格式：

李玉珍, 肖懷秋, 王斌, 等. 抗菌肽的抑菌機(jī)制及其在食品防腐保鮮中的應(yīng)用[J]. 食品科學(xué), 2025, 46(15): 415-425. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250124-190.

LI Yuzhen, XIAO Huaiqiu, WANG Bin, et al. Mechanism of action of antibacterial peptides and their application in food preservation[J]. Food Science, 2025, 46(15): 415-425. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250124-190.

實習(xí)編輯：南伊；責(zé)任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網(wǎng)

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