Nisin及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用

龐瑞霞，宗楠

（1.天津市乳品食品監(jiān)測(cè)中心，天津 300381；2.北京林業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

乳酸鏈球菌肽（Nisin），又稱乳酸鏈球菌素，是從乳酸鏈球菌發(fā)酵產(chǎn)物中提取的一類(lèi)多肽化合物。Nisin生產(chǎn)菌株無(wú)毒，能抑制各種革蘭氏陽(yáng)性菌及其芽孢，不改變腸道內(nèi)正常菌群、不產(chǎn)生抗藥性，食入胃腸道后易被蛋白酶所分解，因而是一種安全的天然食品防腐劑。

FAO（世界糧農(nóng)組織）和WHO（世界衛(wèi)生組織）已于1969年給予認(rèn)可，是目前唯一允許作為防腐劑在食品中使用的細(xì)菌素。從而廣泛應(yīng)用于奶油、干酪等乳制品，松脆餅、糕點(diǎn)等糧油加工產(chǎn)品，果蔬產(chǎn)品、啤酒飲料及調(diào)味料等，現(xiàn)已被50多個(gè)國(guó)家應(yīng)用于熱加工食品、酸度中性食品，來(lái)抑制細(xì)菌引起的腐敗。但在我國(guó)的食品行業(yè)中還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。

1 Nisin 的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1.1 分子結(jié)構(gòu)

乳酸鏈球菌素屬于羊毛硫抗生素線型分子的一種。1970年，Gross和Morell已闡明Nisin的完整分子結(jié)構(gòu)，它是一種新型的低聚肽，成熟的Nisin分子由34個(gè)氨基酸殘基組成，分子式為C143H228N42O37S7，分子量為3510。Nisin分子結(jié)構(gòu)中包含5種稀有氨基酸，分別為雙脫氫丙氨酸、雙脫氫丁氨酸、羊毛硫氨酸、3-甲基羊毛硫氨酸和氨基丁酸，它們通過(guò)硫醚鍵形成5個(gè)內(nèi)環(huán)，其活性分子常為二聚體或四聚體。二聚體分子量為7000，四聚體分子量為14000[1-2]。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，人們已發(fā)現(xiàn)Nisin分子有6種類(lèi)型，它們分別是A、B、C、D、E、Z，其中以Nisin A和Z兩種類(lèi)型的研究最為活躍。Nisin A與Nisin Z的差異僅在于氨基酸順序上第27位氨基酸的種類(lèi)不同，Nisin A是組氨酸（His），而Nisin Z是天冬酰胺（Asn）[2]。

1.2 理化性質(zhì)

Nisin是一種白色的粉末，使用時(shí)需溶于水或液體中。Nisin的溶解度主要取決于溶液的pH，在pH較低的情況下，溶解性較好。Nisin在中性和堿性條件下幾乎不溶解，所以在應(yīng)用時(shí)，一般先用0.02 mol/L鹽酸溶解，再加入到食品中。Nisin的熱穩(wěn)定性與其溶解性有關(guān)，在pH2.0或低于2.0的稀鹽酸中可經(jīng)115.6℃滅菌而不失活，但在pH5.0時(shí)滅菌失活40%，pH6.8時(shí)將喪失90%的活力，在高pH時(shí)其分子內(nèi)部的脫氫殘基易發(fā)生反應(yīng)形成多分子共聚物。所以在使用時(shí)盡量保持較低pH并避免高溫加熱。Nisin加入食品后，其熱穩(wěn)定性會(huì)大大提高。

2 Nisin的抑菌機(jī)制

在天然狀態(tài)下，Nisin有Nisin A和Nisin Z兩種形式，后者的抑菌能力比前者強(qiáng)。Nisin只有在一定的濃度范圍下才能起抑菌作用，因此食品中所含細(xì)菌數(shù)量越多，則添加Nisin的量也越大。研究認(rèn)為，Nisin分子首先與LipidⅡ結(jié)合，在微生物細(xì)胞膜表面形成通透孔道，繼而將目標(biāo)細(xì)胞殺死，其作用表現(xiàn)為殺菌，并非抑菌或溶菌；而Nisin對(duì)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的作用主要是在細(xì)胞膜上，通過(guò)抑制細(xì)菌細(xì)胞壁中肽聚糖等的生物合成，使細(xì)胞膜和磷脂化合物合成受阻，最終導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)外泄，引起細(xì)胞裂解，芽孢經(jīng)熱處理?yè)p傷愈嚴(yán)重，應(yīng)用Nisin的效果愈好，此過(guò)程受到H2S調(diào)控[3]。雖然Nisin抑菌譜較窄，僅對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌起作用，但Nisin處理與冷凍、加熱、低pH、EDTA及表面活性劑處理結(jié)合，也對(duì)部分革蘭氏陰性菌有致死作用[4]。

3 Nisin的抑菌范圍

Nisin不抑制革蘭氏陰性菌、酵母和霉菌，專(zhuān)抑制革蘭氏陽(yáng)性菌，特別是細(xì)菌芽孢。Nisin能抑制葡萄球菌屬、鏈球菌屬、小球菌屬和乳桿菌屬的某些菌種；抑制大部分梭菌屬和芽孢桿菌屬及其芽孢。例如，桿菌屬中的嗜熱脂肪芽孢桿菌的芽孢對(duì)Nisin最為敏感，只需極少量的Nisin即可被殺死。而且Nisin能有效抑制肉毒梭狀芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌、溶血鏈球菌、李斯特氏菌、枯草芽孢桿菌、嗜熱脂肪芽孢桿菌等所引起的食品腐敗。這一特性使它被廣泛地應(yīng)用在經(jīng)熱處理的包裝食品中作為防腐劑[5-6]。Nisin與其他防腐劑聯(lián)合使用能增強(qiáng)自身的抑菌作用，并獲得較寬的抑菌譜。Nisin和乳酸合用能抑制肉中的金黃色葡萄球菌和沙門(mén)氏菌。Nisin與螯合劑合用時(shí)能有效地減少革蘭氏陰性菌的數(shù)量。Nisin與檸檬酸鹽、磷酸鹽合用也能提高其對(duì)革蘭氏陰性菌的抑制效果[7]。

4 Nisin在食品工業(yè)中的應(yīng)用

4.1 在乳制品中的應(yīng)用

Nisin最早用于干酪的防腐，也是目前奶制品應(yīng)用中的一個(gè)主要方面。在干酪加工的過(guò)程中，雖經(jīng)過(guò)高溫滅菌，但仍會(huì)有耐熱性的革蘭氏陽(yáng)性菌芽孢（如肉毒梭菌和厭氧梭菌芽孢）存在，乳鏈菌肽可有效阻止這些芽孢的萌發(fā)及其毒素的形成。

由于Nisin能抑制嗜熱耐熱細(xì)菌和芽孢的生長(zhǎng)、繁殖，因此將Nisin加入滅菌乳、煉乳、再制乳的加工中，均能抑制這些微生物的腐敗作用，從而減少高溫處理強(qiáng)度，改善產(chǎn)品品質(zhì)，有效地延長(zhǎng)產(chǎn)品的貨架壽命。也可廣泛用于巴氏殺菌乳、脫脂乳、無(wú)糖煉乳、風(fēng)味乳、罐裝牛奶點(diǎn)心、奶油制品、奶粉復(fù)原的奶制品[8]。另外，Nisin還可用于防止酸奶的后發(fā)酵。

4.2 在肉制品中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的火腿、熏肉和香腸生產(chǎn)中，普遍使用亞硝酸鹽、硝酸鹽等進(jìn)行護(hù)色，并抑制肉毒梭狀芽孢桿菌的生長(zhǎng)，其中硝酸鹽通過(guò)硝酸鹽還原菌作用轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，隨后亞硝酸鹽與肉色素反應(yīng)產(chǎn)生紅色和風(fēng)味。當(dāng)人們食用火腿的同時(shí)，也食入一定量的亞硝酸鹽，與體內(nèi)的胺類(lèi)物質(zhì)作用，生成一種強(qiáng)烈的致癌物質(zhì)——亞硝胺化合物，這是學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為的質(zhì)量安全問(wèn)題。Nisin用于魚(yú)、肉類(lèi)制品中，不影響肉的色澤和防腐效果，還可明顯降低硝酸鹽的使用量，達(dá)到有效防止肉毒梭狀芽孢桿菌毒素形成的目的。Nisin還可以應(yīng)用于鮮肉、冷卻肉、扒雞以及海鮮制品等多種肉制品的保藏中，但是目前Nisin在我國(guó)肉制品的應(yīng)用還僅限于研究階段。

4.3 在罐藏食品中的應(yīng)用

常規(guī)的罐頭殺菌消毒處理難以將耐熱芽孢菌，如嗜熱脂肪芽孢桿菌和熱解糖梭菌的耐熱芽孢徹底殺死。一旦條件適宜，這些芽孢便會(huì)導(dǎo)致罐頭食品腐敗。而添加Nisin可有效地減少這方面的損失。在酸性條件下，Nisin的穩(wěn)定性、溶解度、活性均提高，因而它可成功地用于高酸食品（pH＜4.5）的防腐。對(duì)于低酸和非酸性罐頭食品添加Nisin后，也能起到降低熱處理強(qiáng)度的作用。如添加到番茄醬、罐頭湯汁、蔬菜和蘑菇產(chǎn)品中，能減弱殺菌條件，保證食品的營(yíng)養(yǎng)風(fēng)味。Nisin應(yīng)用于醬菜罐頭可以降低醬菜中食鹽含量，而衛(wèi)生質(zhì)量與產(chǎn)品風(fēng)味不受影響，這符合低鹽腌制的發(fā)展要求。另外，Nisin還可有效控制罐頭食品在貯藏期由于高溫引起的腐敗，延長(zhǎng)貨架壽命。同時(shí)由于一些國(guó)家在食品中不準(zhǔn)使用一般用于醬菜罐頭防腐的苯甲酸鈉，所以將Nisin用于醬菜罐頭出口，具有現(xiàn)實(shí)意義。

4.4 在酒精飲料中的使用

Nisin不抑制酵母菌這一特性亦可應(yīng)用于啤酒、果酒、蒸餾酒等含酒精飲料的釀造，在啤酒釀造中的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)已取得滿意的結(jié)果。

4.5 在果汁飲料中的應(yīng)用

果汁及果汁類(lèi)飲料的酸敗經(jīng)常是由酸土芽孢桿菌（酸土脂環(huán)酸桿菌）引起的。酸土芽孢桿菌是一種耐酸且耐熱的產(chǎn)芽孢菌，最適于25℃～60℃、pH2.5～6.0的環(huán)境中生長(zhǎng)、繁殖。據(jù)資料報(bào)道，在花園、森林土壤以及生產(chǎn)飲料的用水中均有酸土芽孢桿菌。因此，酸土芽孢桿菌很容易被帶入果汁及果汁類(lèi)飲料的生產(chǎn)加工過(guò)程中，引起果汁類(lèi)產(chǎn)品的腐敗。Nisin對(duì)大多數(shù)革蘭氏陽(yáng)性菌，尤其是產(chǎn)芽孢菌有很強(qiáng)的抑制作用。1999年，英國(guó)學(xué)者研究了Nisin對(duì)蘋(píng)果汁、橘子汁和葡萄柚汁三種果汁中酸土芽孢桿菌芽孢的抑制作用，取得了令人滿意的結(jié)果[9]。

4.6 其他

Nisin還可用于對(duì)Nisin不敏感的微生物發(fā)酵過(guò)程中，以防止革蘭氏陽(yáng)性菌的污染。如單細(xì)胞蛋白、有機(jī)酸、氨基酸和維生素等工業(yè)發(fā)酵過(guò)程。

5 前景與展望

Nisin是一種理想的天然、高效食品防腐劑，可提高加工產(chǎn)品穩(wěn)定性，能夠保持產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，降低冷鏈貯運(yùn)與銷(xiāo)售成本。我國(guó)天然食品防腐劑的研究和開(kāi)發(fā)尚處于起步階段，目前Nisin的市場(chǎng)價(jià)格較高、抑菌譜較窄，在實(shí)際生產(chǎn)中還往往與山梨酸鉀、雙乙酸鈉、殼聚糖、EDTA等化學(xué)防腐劑混合使用，或與動(dòng)植物或礦物防腐劑配合使用，才能抑制細(xì)菌、霉菌、酵母菌等微生物生長(zhǎng)。通過(guò)基因工程方法、蛋白質(zhì)定向改造技術(shù)定能構(gòu)建出高產(chǎn)、抗菌性能強(qiáng)、抗菌譜更廣的天然防腐劑。隨著人們對(duì)無(wú)公害產(chǎn)品要求的提高，發(fā)展天然的、生物的食品防腐劑已是一種必然趨勢(shì)，Nisin的應(yīng)用前景也會(huì)更加廣闊。

[1]Juan L A，Javier F，Pilar G，et al.Antimicrobial activity of reuterin in combination with nisin against food-borne pathogens[J].International Journal of Food Microbiology，2004，95:225-229

[2]Naomi E K，Eddy J S，Jan K，et al.Resistance of Gram-positive bacteria to nisin is not determined by Lipid II levels[J].FEMS Microbiology Letters，2004，239:157-161

[3]陳秀珠，何松，龍力紅，等.乳鏈菌肽高產(chǎn)菌株AL2的發(fā)酵條件研究[J].微生物學(xué)通報(bào)，1995(4)：215-218

[4]HurstA.Nisin[J].Advancesin applied microbiology，1991，27：85-123

[5]李紅纓.安全高效的新型食品保存劑的研究進(jìn)展[J].科技進(jìn)展，2001，29(4)：18-22

[6]何華.天然食品防腐劑新品概覽中國(guó)[J].中國(guó)食品工業(yè)，1997(8)：36-37

[7]張春江.Nisin的特性及在肉制品中的應(yīng)用[J].肉類(lèi)研究，2000(3)：31-33

[8]陳秀珠.乳鏈菌肽在乳制品防腐保鮮中應(yīng)用的研究[J].中國(guó)乳品工業(yè)，1999，27(2)：3-5

[9]朱小喬.極具潛力的天然防腐劑-Nisin[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2000，27(4)：67-69