魚(yú)精蛋白的抑菌特性及作為食品抑菌劑的應(yīng)用

張青

上海輝文生物技術(shù)股份有限公司（上海 201318）

一直以來(lái)，水產(chǎn)品加工中魚(yú)精一般作為生產(chǎn)廢棄物或者同內(nèi)臟一起被加工成魚(yú)飼料使用，對(duì)魚(yú)精的利用價(jià)值非常低。隨著我國(guó)水產(chǎn)漁業(yè)的不斷發(fā)展，提高魚(yú)精廢棄產(chǎn)物的綜合利用可以有效提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能。

魚(yú)精蛋白是一類存在于成熟雄性魚(yú)類的精巢內(nèi)的天然陽(yáng)離子抗菌肽[1-2]，在精巢內(nèi)與脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）分子以1∶2的比例緊密結(jié)合，以脫氧核糖核蛋白（deoxyribose nucleoprotein，DNP）的形式存在。相對(duì)分子量較小，基本都在一萬(wàn)以下，由30個(gè)左右的氨基酸組成，其中約2/3是精氨酸，可溶于水和稀酸溶液，具有耐高溫的特性，等電點(diǎn)在pI 10～12[3-5]。

近年來(lái)，大量研究揭示了魚(yú)精蛋白具有廣譜高效的抑菌特性。在食品工業(yè)方面，魚(yú)精蛋白的抑菌活性自1937年被報(bào)道以來(lái)一直備受關(guān)注[6]，與化學(xué)合成防腐劑相比，魚(yú)精蛋白具有安全性高、防腐性好、耐高溫等有優(yōu)點(diǎn)，因此有望作為一種天然的食品防腐劑，作用于食品的貯藏保鮮。

1 魚(yú)精蛋白的分類及組成

與其他蛋白質(zhì)相較而言，魚(yú)精蛋白的堿性氨基酸含量較高[7]，根據(jù)堿性氨基酸的種類和數(shù)量，一般將魚(yú)精蛋白分為3類：（1）單魚(yú)精蛋白，其堿性氨基酸只含有精氨酸，已知的屬于單魚(yú)精蛋白的魚(yú)類有鯡魚(yú)、鯖魚(yú)、虹鱒魚(yú)、金槍魚(yú)4種；（2）雙魚(yú)精蛋白，其堿性氨基酸含有精氨酸、組氨酸或賴氨酸；（3）三魚(yú)精蛋白，其堿性氨基酸含有精氨酸、組氨酸、賴氨酸3種[3]。除堿性氨基酸以外，魚(yú)精蛋白的氨基酸組成還有甘氨酸、絲氨酸、丙氨酸、纈氨酸、脯氨酸、亮氨酸等[8]。實(shí)際上，魚(yú)精蛋白是一類成分相似的混合物，而非單一組成。相關(guān)研究表明，不同種類的魚(yú)類其魚(yú)精蛋白的氨基酸構(gòu)成也有很大差別。具體氨基酸組成如表1所示。

表1 不同魚(yú)類魚(yú)精蛋白的氨基酸組成[9-14]

2 魚(yú)精蛋白抑菌研究

已有大量文獻(xiàn)報(bào)道魚(yú)精蛋白的抑菌活性，相關(guān)的抑菌特性也在不斷得到驗(yàn)證。外國(guó)學(xué)者研究魚(yú)精蛋白對(duì)多種致病菌的抑菌作用，證實(shí)魚(yú)精蛋白對(duì)細(xì)菌、霉菌、酵母均有一定抑菌效果[15]，有報(bào)道稱魚(yú)精蛋白對(duì)李斯特菌、金黃色葡萄球菌、副溶血性弧菌、沙門菌、綠膿桿菌等致病菌均有很好的抑制效果[16-18]。國(guó)內(nèi)對(duì)魚(yú)精蛋白的研究起步較晚，1997年，鐘立人等[5]以鯉魚(yú)魚(yú)精蛋白為原料，在對(duì)比鮭魚(yú)和鯉魚(yú)魚(yú)精蛋白抑菌特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，鮭魚(yú)的魚(yú)精蛋白對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的抑菌作用更強(qiáng)，并且發(fā)現(xiàn)鮭魚(yú)魚(yú)精蛋白對(duì)某些革蘭陰性菌和酵母也有抑制作用。魯健章等[19]在國(guó)外研究基礎(chǔ)上討論鮭精蛋白對(duì)霍亂弧菌、副溶血性弧菌、創(chuàng)傷弧菌的抑菌作用，結(jié)果表明3 000 μg/mL的鮭精蛋白可在48 h內(nèi)完全殺死3種弧菌。一般情況下，魚(yú)精蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)1 000 mg/kg時(shí)可達(dá)到抑菌效果，不同魚(yú)精蛋白對(duì)菌種的生長(zhǎng)抑制作用不同。張合文等[20]測(cè)定魷魚(yú)和鮭魚(yú)2種魚(yú)精蛋白對(duì)食品污染微生物的最小抑菌濃度，得出2種魚(yú)精蛋白對(duì)各種細(xì)菌、霉菌、酵母的生長(zhǎng)均有一定抑制作用，但是魷魚(yú)魚(yú)精蛋白的抑菌作用較弱。謝小保等[21]研究鯉魚(yú)魚(yú)精蛋白對(duì)革蘭陽(yáng)性和革蘭陰性菌的生長(zhǎng)均有較強(qiáng)的抑制作用。相關(guān)報(bào)道也不斷證實(shí)其他魚(yú)類（石斑魚(yú)、大馬哈魚(yú)、鰱魚(yú)、魷魚(yú)、東方鲀）的魚(yú)精蛋白均具有一定抑菌作用[22-26]。

然而，魚(yú)精蛋白作為一種蛋白質(zhì)，其活性易受環(huán)境的影響，如溫度、pH、金屬離子、有機(jī)成分等因素均可影響魚(yú)精蛋白的抑菌活性。

2.1 溫度

相關(guān)研究表明，魚(yú)精蛋白有一定熱穩(wěn)定性，鐘立人等[27]、欒金水等[28]、上官新晨[14]分別研究溫度對(duì)魷魚(yú)和鯉魚(yú)2種魚(yú)精蛋白的抑菌活性的影響，證實(shí)魚(yú)精蛋白即使在121 ℃處理30 min后，仍可以達(dá)到試驗(yàn)要求的較高水平的抑菌率。這一特性也給魚(yú)精蛋白在熱加工食品生產(chǎn)中的應(yīng)用提供可能。

2.2 pH

環(huán)境pH在6.0以上時(shí)，魚(yú)精蛋白的抑菌性有明顯效果，并隨著pH的增加，其抑菌活性也得到提升。魚(yú)精蛋白在中性到堿性的條件下具有最低的最小抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）和最小殺菌濃度（minimum bactericidal concentration，MBC）。相關(guān)研究表明，在高pH條件下魚(yú)精蛋白和細(xì)菌外膜的靜電作用增強(qiáng)[29]，魚(yú)精蛋白對(duì)細(xì)菌表面的親和力增加，從而達(dá)到抑菌作用[30]。對(duì)這一結(jié)論在上官新晨[14]、鐘立人[27]、胡曉璐等[10]的研究中也得到相應(yīng)證實(shí)。

2.3 金屬離子

食品中的鹽類的存在也會(huì)對(duì)魚(yú)精蛋白的抑菌活性有一定影響，其無(wú)機(jī)鹽中鹽離子濃度越高，魚(yú)精蛋白的抑菌活性越低，并且鹽離子化學(xué)價(jià)越高，對(duì)魚(yú)精蛋白的抑菌活性影響越大。上官新晨通過(guò)在培養(yǎng)基中添加不同價(jià)位的金屬離子和魚(yú)精蛋白抑菌液以觀察其對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的生長(zhǎng)影響，其試驗(yàn)證實(shí)3價(jià)的金屬離子（Fe3+、Al3+）對(duì)魚(yú)精蛋白的抑菌活性影響最大，因此在某些強(qiáng)化鐵、鈣、鎂、鋅等高價(jià)金屬元素的食品中，應(yīng)避免使用魚(yú)精蛋白作為抑菌劑，生產(chǎn)加工中盡量減少使用鋁制器械[27]。

2.4 其他因素

杜榮茂等[31]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，魚(yú)精蛋白在富含糖類和蛋白質(zhì)而脂肪含量較少的食品中抑菌效果較好。萬(wàn)娜[32]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，魚(yú)精蛋白濃度較高時(shí)，食品中的其他組分及NaCl對(duì)魚(yú)精蛋白的抑菌活性沒(méi)有明顯影響，但魚(yú)精蛋白濃度降低至最小抑菌濃度時(shí)，食品中的大分子物質(zhì)（葡萄糖、蔗糖、脂肪）的存在會(huì)在一定程度上降低魚(yú)精蛋白的抑菌活性，5%蔗糖、5%葡萄糖及1.5%脂肪等食品中的大分子會(huì)使魚(yú)精蛋白的抑菌率降低34%～38%。上官新晨[14]研究不同蛋白酶對(duì)鯉魚(yú)魚(yú)精蛋白的抗菌性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的蛋白酶對(duì)魚(yú)精蛋白的抑菌性都有一定影響，因此對(duì)于能夠產(chǎn)生水解蛋白酶的微生物來(lái)說(shuō)，魚(yú)精蛋白對(duì)它們的抑制作用有限。

3 魚(yú)精蛋白的抑菌機(jī)理

對(duì)于魚(yú)精蛋白的抑菌機(jī)理，國(guó)內(nèi)外的專家做了大量研究，主要結(jié)論有3種：作用于細(xì)胞壁膜、作用于遺傳物質(zhì)或作用于功能性蛋白。

3.1 作用于細(xì)胞壁膜

1979年，Antohi等[33]首次報(bào)道魚(yú)精蛋白的抑菌機(jī)理，表明魚(yú)精蛋白的作用位點(diǎn)在于細(xì)菌的細(xì)胞壁，魚(yú)精蛋白分子中含有大量的精氨酸，精氨酸中的胍基能與細(xì)菌細(xì)胞壁中肽聚糖產(chǎn)生靜電作用。使得細(xì)菌細(xì)胞壁被破壞，引起胞內(nèi)物質(zhì)戊糖、磷酸鹽、核酸等泄露。鐘立人等[34]在研究L-精氨酸和多種魚(yú)精蛋白的抑菌性能時(shí)也提出魚(yú)精蛋白中某一結(jié)構(gòu)可與和細(xì)菌細(xì)胞壁相結(jié)合，從而破壞細(xì)胞壁的形成達(dá)到抑菌效果。另有研究發(fā)現(xiàn)，魚(yú)精蛋白對(duì)細(xì)胞膜的能轉(zhuǎn)換和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收有一定影響，魚(yú)精蛋白不會(huì)導(dǎo)致微生物細(xì)胞裂解也不會(huì)改變細(xì)胞通透性[35]。Johansen等[29]卻發(fā)現(xiàn)魚(yú)精蛋白能改變大腸桿菌細(xì)胞膜的滲透性，從細(xì)胞膜中釋放脂多糖卻不改變細(xì)胞膜的磷脂酶活性。也有觀點(diǎn)認(rèn)為魚(yú)精蛋白抗菌效果是通過(guò)對(duì)細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)膜共同作用而產(chǎn)生的疊加效果，即魚(yú)精蛋白既可以攻擊細(xì)菌細(xì)胞壁中的肽聚糖，又可以通過(guò)靜電引力作用影響細(xì)胞膜的質(zhì)子動(dòng)力[36]。

3.2 作用于遺傳物質(zhì)或者功能蛋白質(zhì)

JOhansen等[37]研究發(fā)現(xiàn)魚(yú)精蛋白濃度降至半致死細(xì)菌濃度時(shí)，可抑制細(xì)菌細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄。Aspedon等[38]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)魚(yú)精蛋白處理的沙門菌喪失積累亮氨酸的能力，從而阻斷細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成，直至破壞能量傳導(dǎo)和營(yíng)養(yǎng)的攝取，三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）合成能力降低，導(dǎo)致胞內(nèi)質(zhì)子電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生能力遭到破壞，抑制細(xì)菌的新陳代謝能力。顧熟琴等[39]研究發(fā)現(xiàn)，黑曲霉胞內(nèi)的琥珀酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶的活性會(huì)受到魚(yú)精蛋白的影響，魚(yú)精蛋白的存在使這2種酶的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成酶活降低，黑曲霉的合成代謝途徑受阻。

4 食品抑菌劑應(yīng)用

魚(yú)精蛋白作為一種天然的成分，與化學(xué)抗菌物相比，有很高的安全性。早在20世紀(jì)80年代，日本已將魚(yú)精蛋白應(yīng)用于飯團(tuán)、乳油、馬鈴薯等食品的貯藏和保鮮[40-43]。1996年何華[44]報(bào)道國(guó)外相關(guān)研究，證明添加0.05%～0.1%的魚(yú)精蛋白的牛奶、雞蛋和布丁可以在15 ℃下保存5～6 d，李來(lái)好等[45]將魚(yú)精蛋白應(yīng)用在魚(yú)糕制品中，結(jié)果證明魚(yú)糕的保質(zhì)期隨魚(yú)精蛋白添加量的增加而增加，添加0.8%的魚(yú)精蛋白時(shí)，魚(yú)糕的保質(zhì)期可以達(dá)到添加0.3%苯甲酸鈉或0.2%山梨酸鉀等化學(xué)防腐劑的效果。李燕等[46]在新鮮的魚(yú)糜制品中添加魷魚(yú)魚(yú)精蛋白后發(fā)現(xiàn)0.5%的魚(yú)精蛋白可使魚(yú)糜制品在5 ℃冷藏條件下保質(zhì)期延長(zhǎng)3～4 d。而在面點(diǎn)類食品中較低的魚(yú)精蛋白使用量就可使面包在25 ℃時(shí)保藏17 d[47]。

之前的研究表明，魚(yú)精蛋白對(duì)某些革蘭陰性菌的抑菌效果較弱，并且成本也相對(duì)較高，因此多采用與其他抑菌劑復(fù)配添加以達(dá)到降低成本和提高抑菌特性的作用。2001年，日本學(xué)者將魚(yú)精蛋白與甘氨酸、胡椒提取物、醋酸、殼聚糖、細(xì)菌DNA等成分混合制成一種混合型的食品防腐劑[48]。我國(guó)學(xué)者王陸玲等[49]表明用1‰山梨酸鉀與1‰魚(yú)精蛋白的復(fù)合保鮮劑兩者產(chǎn)生協(xié)同作用，擴(kuò)大了抗菌效果和pH的適用范圍，對(duì)香腸中的腐敗菌抑制作用最好。謝小保等[21]將鯉魚(yú)魚(yú)精蛋白與乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）復(fù)配后添加到醬油中發(fā)現(xiàn)抑菌效果與傳統(tǒng)的防腐劑苯甲酸抑菌效果相似。

隨后，魚(yú)精蛋白復(fù)配保鮮劑開(kāi)始嘗試在食品保鮮中應(yīng)用。國(guó)競(jìng)文等[50]研究迷迭香與魚(yú)精蛋白復(fù)合保鮮劑在4 ℃冷藏條件下對(duì)白鰱魚(yú)丸保鮮效果的影響，結(jié)果表明該復(fù)合鮮劑能有效改善其貯藏品質(zhì)，延長(zhǎng)貨架期。李婷婷等[51]也嘗試用魚(yú)精蛋白與天然草本提取物香芹酚復(fù)配，得到的復(fù)配保鮮劑可使冷藏大菱鲆的貨架期延長(zhǎng)1周左右，并且魚(yú)肉的質(zhì)構(gòu)、彈性、硬度等指標(biāo)均維持良好的狀態(tài)。劉雪飛等[52]研究證明魚(yú)精蛋白、殼聚糖和大料3種材料復(fù)合時(shí)可有效抑制魷魚(yú)腐敗菌的生長(zhǎng)。徐晨等[53]研究表明將1%殼聚糖與0.5%魚(yú)精蛋白復(fù)配，在4 ℃冷藏條件下可有效延長(zhǎng)草魚(yú)保鮮期至少4 d以上，并且貯藏10 d后各項(xiàng)指標(biāo)均未超過(guò)二級(jí)鮮度范圍。錢旭等[54]、張家源等[55]在此基礎(chǔ)上制成殼聚糖-魚(yú)精蛋白復(fù)合保鮮劑，可有效抑制水產(chǎn)品種腐敗微生物的生長(zhǎng)，控制微生物和酶活，具有較優(yōu)的保鮮效果。

魚(yú)精蛋白的抑菌作用對(duì)環(huán)境pH有一定要求，使得魚(yú)精蛋白在酸性食品中抑菌效果不夠理想，因此人們開(kāi)始嘗試對(duì)魚(yú)精蛋白的蛋白序列進(jìn)行改序，以擴(kuò)大使用范圍。王威等[56]嘗試將鮭精蛋白序列中21、22位上的精氨酸（Arg）替換成絲氨酸（Ser），并在新序列接近C端處增加1個(gè)絲氨酸簇，得到合成的魚(yú)精蛋白保留其魚(yú)精蛋白天然序列原有的熱穩(wěn)定性，在酸性介質(zhì)中也有良好的抑菌性，同時(shí)改造后的鮭精蛋白對(duì)四鏈球菌和革蘭陰性菌的抑菌活性也有所增加。鄧超[57]將改性合成的魚(yú)精蛋白添加到牛奶中時(shí)發(fā)現(xiàn)不但牛乳蛋白外周正電荷增加，使蛋白質(zhì)水化作用增強(qiáng)，保護(hù)κ-酪蛋白不易酸化水解，利于酸性牛奶的穩(wěn)定，并且對(duì)牛奶中的混合菌群有明顯抑制作用。

另外，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，魚(yú)精蛋白對(duì)多種口腔病原微生物有抑制作用，在口腔醫(yī)療器材、口腔護(hù)理產(chǎn)品或者在口腔含片、口氣清新劑中添加魚(yú)精蛋白抑菌劑可以有效護(hù)理人體口腔健康、降低齲齒發(fā)生概率[58-60]，為魚(yú)精蛋白今后作為口腔健康食品功能性原料提供一定可能性。

5 展望

隨著人們生活水平的提高，食品安全受到越來(lái)越多的關(guān)注，天然、安全和無(wú)毒的防腐劑需求越來(lái)越多。魚(yú)精蛋白是一種主要存在于魚(yú)類成熟精巢組織中的富含精氨酸的堿性蛋白質(zhì)，其具有高效、安全和廣譜的殺菌活性，具有較大的pH適用范圍、熱穩(wěn)定性好、可以與其他天然防腐劑復(fù)配使用等優(yōu)點(diǎn)。大量研究證實(shí)魚(yú)精蛋白在食品保鮮方面功能突出，可以應(yīng)用到各種食品的保鮮中，也可用于富含糖類和蛋白質(zhì)類的食品中。因此，魚(yú)精蛋白在食品工業(yè)中作為一種天然食品防腐劑具有極大的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用價(jià)值。魚(yú)精蛋白的抑菌特性及機(jī)理有待進(jìn)一步闡明，并繼續(xù)拓寬魚(yú)精蛋白在食品工業(yè)中的應(yīng)用范圍。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)魚(yú)精蛋白的分類及組成、抑菌性研究進(jìn)展、抑菌機(jī)理及作為食品保鮮劑方向的發(fā)展和應(yīng)用等四個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)地闡述，揭示魚(yú)精蛋白可作為一種新型、天然、無(wú)毒的食品防腐劑，在食品防腐及保鮮方面具有極大的開(kāi)發(fā)和研究?jī)r(jià)值，同時(shí)，也為后續(xù)魚(yú)精蛋白進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供理論支持。