來(lái)源：食品科學(xué)雜志       時(shí)間：2022-01-14

       由食品中有害微生物造成的食品腐敗和安全問(wèn)題一直受到廣泛關(guān)注。為了有效抑制有害微生物的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)食品保質(zhì)期，提高食品安全性，食品工業(yè)中常通過(guò)物理保鮮、添加化學(xué)防腐劑或使用新型包裝方式等來(lái)抑制有害微生物。近期研究發(fā)現(xiàn)，雖然化學(xué)防腐劑按照規(guī)定添加量單一添加時(shí)不會(huì)對(duì)人體造成損害，但防腐劑與增味劑和色素等多種添加劑混合添加時(shí)，會(huì)影響人體代謝，增加發(fā)生慢性病的風(fēng)險(xiǎn)。另外，隨著生活水平的提高，消費(fèi)者希望食品行業(yè)減少塑料等包裝材料的使用。因此尋找天然、安全的保鮮方法成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)“生物保護(hù)菌”的提出滿足了消費(fèi)者的這一需求。 

        生物保護(hù)菌是指可以添加到食品中的具有延長(zhǎng)食品貨架期和（或者）抑制有害微生物生長(zhǎng)的活的微生物。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院的呂懿超、李香澳、陳 倩*等人將主要從乳酸菌產(chǎn)生的抑菌物質(zhì)、微生物群體感應(yīng)以及競(jìng)爭(zhēng)作用等方面介紹乳酸菌的抑菌原理，同時(shí)綜述了近些年乳酸菌作為生物保護(hù)菌在乳制品、肉制品、水產(chǎn)品和果蔬產(chǎn)品中的應(yīng)用，并對(duì)生物保護(hù)菌未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。 

        乳酸菌代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸，如乙酸、乳酸、碳原子數(shù)較多的脂肪酸和苯乳酸等可通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)作用（圖1機(jī)制一）、增加細(xì)菌外膜通透性（圖1機(jī)制二）、改變胞內(nèi)滲透壓（圖1機(jī)制三），以及抑制大分子的合成（圖1機(jī)制四）等方式來(lái)抑制有害微生物生長(zhǎng)。 

       競(jìng)爭(zhēng)作用： 

        1）   能量競(jìng)爭(zhēng)：乳酸菌代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸屬于弱酸，這些弱酸在細(xì)胞外液中以解離和未解離兩種狀態(tài)存在，而未解離的有機(jī)酸分子可以通過(guò)自由擴(kuò)散進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)。由于細(xì)胞內(nèi)處于偏堿性環(huán)境，使得有機(jī)酸解離平衡向產(chǎn)生氫離子和酸根離子方向移動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生兩種離子。但是這兩種離子不能通過(guò)自由擴(kuò)散的方式擴(kuò)散到細(xì)胞外，所以為了維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，細(xì)胞需要消耗ATP，通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞綄潆x子轉(zhuǎn)運(yùn)到胞外。然而這是一個(gè)額外耗能過(guò)程，需要同細(xì)菌正常代謝所需能量產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。 

        2） 營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)：除了對(duì)能量競(jìng)爭(zhēng)外，有機(jī)酸還可以與微生物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)發(fā)生作用，造成同微生物的營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)。 

        增加膜通透性：由于有機(jī)酸具有一定的脂溶性，可以作用于細(xì)胞膜，使得膜脂多糖和磷脂大量釋放造成細(xì)胞膜穩(wěn)定性降低。同時(shí)有機(jī)酸還可以通過(guò)膜表面的孔道蛋白，進(jìn)入細(xì)胞外膜和細(xì)胞內(nèi)膜之間的周質(zhì)，并導(dǎo)致脂多糖羧基和磷酸基團(tuán)質(zhì)子化，從而使得細(xì)胞外膜被破壞，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)泄漏。參與競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制模式的氫離子在被轉(zhuǎn)運(yùn)到胞外的同時(shí)，鉀離子被泵入到細(xì)胞內(nèi)，造成細(xì)菌跨膜質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)能被破壞，胞內(nèi)滲透壓升高，從而破壞細(xì)菌細(xì)胞膜，導(dǎo)致內(nèi)容物外泄，從而起到抑制微生物生長(zhǎng)的作用。 

        改變胞內(nèi)滲透壓：有機(jī)酸在胞內(nèi)解離，以氫離子和酸根陰離子形式存在于細(xì)胞內(nèi)。因此有機(jī)酸進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，不僅會(huì)導(dǎo)致胞內(nèi)滲透壓升高，還會(huì)導(dǎo)致陰陽(yáng)離子濃度升高。為了恢復(fù)胞內(nèi)滲透壓，保持內(nèi)外有機(jī)酸分子和陰陽(yáng)離子濃度平衡，細(xì)胞需要釋放陰陽(yáng)離子。但是釋放沒(méi)有選擇性，一些帶有負(fù)電的細(xì)菌生長(zhǎng)所需前體物質(zhì)及輔助因子會(huì)同酸根離子一起被釋放到胞外，導(dǎo)致微生物生長(zhǎng)受阻。 

        抑制大分子合成：有機(jī)酸可以通過(guò)影響微生物DNA的合成影響轉(zhuǎn)錄過(guò)程，進(jìn)而影響合成相應(yīng)蛋白質(zhì)來(lái)抑制微生物生長(zhǎng)。由于乳酸菌產(chǎn)生乳酸并在胞內(nèi)聚集，原本糖酵解的中間產(chǎn)物丙酮酸由于反饋抑制不能繼續(xù)轉(zhuǎn)化成乳酸，而使得丙酮酸在細(xì)胞中積累。為了減少丙酮酸在細(xì)胞中的積累，細(xì)胞通過(guò)增強(qiáng)磷酸戊糖途徑所需要酶的轉(zhuǎn)錄能力，提高酶的含量，減少丙酮酸的積累，同時(shí)降低了細(xì)胞產(chǎn)能，從而抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。 

      羊毛硫抗生素：A型羊毛硫抗生素對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌具有較好的抑制作用，但對(duì)革蘭氏陰性菌、真菌和酵母基本沒(méi)有效果。通過(guò)體外模擬A型羊毛硫抗生素對(duì)磷脂雙分子層的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜表面的孔道主要經(jīng)過(guò)4 步形成（圖2）：1）細(xì)菌素通過(guò)靜電相互作用與靶細(xì)菌的細(xì)胞膜相結(jié)合；2）細(xì)菌素氮端與細(xì)菌細(xì)胞膜結(jié)合；3）細(xì)菌素碳端跨過(guò)細(xì)菌細(xì)胞膜；4）在細(xì)菌細(xì)胞膜上形成孔道，造成細(xì)胞膜通透性增加。 

      肽類細(xì)菌素：II類細(xì)菌素是一類熱穩(wěn)定、未修飾的小肽，分為4 類：IIa類（類乳酸片球菌素細(xì)菌素）是一類熱穩(wěn)定性小肽，是通過(guò)兩個(gè)甘氨酸殘基加工形成的前體合成的，對(duì)單核細(xì)胞增生李斯特菌有強(qiáng)烈的抑菌活性，氮端具有共有序列YGNGVX-C；IIb類（雙肽、未修飾細(xì)菌素）是由兩個(gè)不同的肽組成一個(gè)具有抗菌活性的絡(luò)合物；IIc類（環(huán)狀細(xì)菌素）和IId類（未修飾、線性、非類乳酸片球菌素細(xì)菌素）。 

       熱敏感大分子蛋白：III類細(xì)菌素是一種熱敏感大分子蛋白，分子質(zhì)量一般大于30 kDa。這類細(xì)菌素也是通過(guò)在細(xì)菌細(xì)胞膜上形成孔道，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性增加，達(dá)到抑菌目的。但是與A型羊毛硫抗生素相比，III類細(xì)菌素有較好的廣譜性，可以有效抑制革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌的生長(zhǎng)。 

       大分子復(fù)合物：IV類細(xì)菌素是由碳水化合物、蛋白質(zhì)和類脂基團(tuán)組成的大分子復(fù)合物，可以有效抑制真菌和革蘭氏陰性菌的生長(zhǎng)。趙娜等發(fā)現(xiàn)瑞士乳桿菌AJT（Lb. helveticus AJT）可以產(chǎn)生對(duì)大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌和青霉有抑制作用抗菌物質(zhì)。排除酸性物質(zhì)和過(guò)氧化氫的影響后，抗菌物質(zhì)經(jīng)蛋白酶處理，發(fā)現(xiàn)抗菌活性下降但依然具有抗菌活性，從而表明抗菌物質(zhì)是由蛋白和非蛋白物質(zhì)復(fù)合而成，屬于IV類細(xì)菌素。

       群體感應(yīng)抑制劑就是一類通過(guò)調(diào)控微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)來(lái)抑制腐敗菌的生長(zhǎng)或者降低其對(duì)環(huán)境耐受性的物質(zhì)。群體感應(yīng)抑制劑一般通過(guò)阻斷信號(hào)分子的合成（圖3A）、降解群體感應(yīng)信號(hào)分子（圖3B）和降低或抑制信號(hào)分子受體蛋白的活性（圖3C）來(lái)抑制群體感應(yīng)的進(jìn)行，從而對(duì)腐敗菌或致病菌產(chǎn)生抑制作用。 

       乳酸菌產(chǎn)生的蛋白質(zhì)類化合物一般分為兩類：一類是由核糖體合成的抑菌肽，上述提到的細(xì)菌素類就屬于此類；另一類是通過(guò)蛋白酶酶解產(chǎn)生的肽類，而非核糖體合成，以下提及的蛋白類物質(zhì)就是通過(guò)細(xì)菌蛋白酶酶解作用產(chǎn)生的。 

        Niku-Paavola等在植物乳桿菌VTT E-78076（Lb.plantarum VTT E-78076）培養(yǎng)濾液中發(fā)現(xiàn)了具有抑制革蘭氏陰性菌成團(tuán)泛生菌（Pantoea agglomerans VTT E-90396）和燕麥鐮刀菌VTT D-80147（Fusarium avenaceum VTT D-80147）生長(zhǎng)的抗菌物質(zhì)，其中包括細(xì)菌蛋白酶酶解產(chǎn)物甘氨酸-L-亮氨酸環(huán)肽。除了對(duì)細(xì)菌的抑制作用，一些報(bào)道中也提到植物乳桿菌MiLAB 393可以通過(guò)酶解作用產(chǎn)生一種具有抑制真菌生長(zhǎng)的環(huán)肽（L-Phe-L-Pro），同時(shí)清酒乳桿菌、冠狀乳桿菌和戊糖片球菌酶解產(chǎn)生的環(huán)肽（L-Phe-trans-4-OH-L-Pro）也具有抑制真菌生長(zhǎng)的作用。 

       胞外多糖：胞外多糖是乳酸菌的一種代謝產(chǎn)物，可分為只含單一類型單糖單體的同聚多糖和含多種不同類型單糖單體的雜聚多糖。近些年的研究中發(fā)現(xiàn)胞外多糖具有抑菌活性。 

        二氧化碳：乳酸菌異型發(fā)酵可產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳可以有效抑制革蘭氏陰性需氧菌和霉菌。二氧化碳的抑菌機(jī)制通過(guò)以下途徑：二氧化碳的產(chǎn)生可以形成厭氧環(huán)境，從而使得需氧型微生物受到抑制；并且二氧化碳可以溶于細(xì)胞液中，導(dǎo)致pH值下降從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)一些酶活性下降，不僅影響了細(xì)胞代謝，還降低了細(xì)胞膜的傳遞能力。 

       過(guò)氧化氫：過(guò)氧化氫是由乳酸菌中黃素氧化酶在有氧條件下產(chǎn)生的，并且因?yàn)榇蠖鄶?shù)乳酸菌中沒(méi)有過(guò)氧化氫酶，使得過(guò)氧化氫在環(huán)境中積累，而過(guò)氧化氫可以通過(guò)氧化作用破壞羥自由基，從而抑制微生物生長(zhǎng)。 

      羅氏菌素：3-羥基丙醛又稱羅氏菌素，是羅伊氏乳桿菌（Lactobacillus reuteri）、短乳桿菌（Lactobacillus brevis）、布氏乳桿菌（Lactobacillus buchneri）等在厭氧條件下分解甘油產(chǎn)生的一種廣譜抑菌物質(zhì)，可以有效抑制革蘭氏陽(yáng)性菌和陰性菌、霉菌和酵母。 

      雖然乳酸菌可以產(chǎn)生抑菌物質(zhì)，但是生成量一般低于它們各自的抑菌濃度，所以除了產(chǎn)生抑菌物質(zhì)，推測(cè)還存在其他的抑菌途徑。營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)是一種重要的競(jìng)爭(zhēng)方式，通常是指乳酸菌同腐敗菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，其可通過(guò)較快的速度利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，造成腐敗菌失去營(yíng)養(yǎng)，進(jìn)而生長(zhǎng)受到抑制。這種營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)既可以單獨(dú)作為一種作用機(jī)制，也可以與乳酸菌產(chǎn)生的抑菌物質(zhì)協(xié)同作用。 

      乳制品因其具有較低pH值、中等水分活度和豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)極易被微生物污染而腐敗變質(zhì)，其中霉菌和酵母菌是造成乳制品變質(zhì)的主要微生物。霉菌屬中的青霉菌屬（Penicillium）、毛霉菌屬（Mucor）和枝孢菌屬（Cladosporium），酵母菌屬中的假絲酵母屬（Candida）、克魯維酵母屬（Kluyveromyces）和亞羅酵母屬（Yarrowia）都是乳制品中常見(jiàn)有害微生物。近些年的研究發(fā)現(xiàn)多種乳酸菌不僅可以作為生物保護(hù)菌抑制乳制品中真菌的生長(zhǎng)，還能作為一種發(fā)酵劑賦予乳制品特殊風(fēng)味。 

       肉及肉制品含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及大量的水分，因此在加工、貯藏和銷售環(huán)節(jié)很容易受到假單胞菌、大腸埃希氏菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌等有害微生物的污染。腸桿菌科、假單胞菌和熱殺索絲菌是真空包裝生牛肉切片在4 ℃貯藏過(guò)程中的主要腐敗菌，其中假單胞菌隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸成為優(yōu)勢(shì)腐敗菌，而Zhang Yimin等發(fā)現(xiàn)在真空包裝牛肉切片中接種清酒乳桿菌和彎曲乳桿菌可以顯著抑制腸桿菌科、假單胞菌和熱殺索絲菌3 種腐敗菌的生長(zhǎng)，并且能夠有效降低生牛肉切片微生物的多樣性及貯藏過(guò)程中揮發(fā)性鹽基氮類物質(zhì)的產(chǎn)生。 

       與肉制品類似，水產(chǎn)品富含蛋白質(zhì)和不飽和脂肪酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，易受到微生物污染發(fā)生腐敗變質(zhì)。為了防止因水產(chǎn)品的腐敗而造成的浪費(fèi)和安全問(wèn)題，乳酸菌作為生物保護(hù)菌近幾年被廣泛用于水產(chǎn)品中。其中乳酸乳球菌是一種良好的生物保護(hù)菌，Ibrahim等將乳酸乳球菌添加到真空包裝生三文魚(yú)中后發(fā)現(xiàn)乳酸乳球菌不僅可以顯著延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期，而且不會(huì)改變產(chǎn)品原有感官特性。除此之外，一株可以產(chǎn)生細(xì)菌素的戊糖乳桿菌也被應(yīng)用于生鮮三文魚(yú)片保鮮，其可以控制魚(yú)肉中嗜水氣單胞菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌的生長(zhǎng)，并且即使冷鏈遭到破壞也可以起到保護(hù)作用。 

      新鮮果蔬由于富含有益于人體健康的物質(zhì)（例如維生素、礦物質(zhì)和膳食纖維等）深受消費(fèi)者喜愛(ài)。但新鮮果蔬容易受到微生物污染，貨架期相對(duì)較短。而常用的熱加工處理和添加化學(xué)防腐的殺菌方法會(huì)破壞果蔬的感官和營(yíng)養(yǎng)特性。相比之下，將生物保護(hù)菌——乳酸菌噴涂在果蔬表面因既不會(huì)破壞果蔬品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)，又可以起到抑制有害微生物的作用，而深受研究者青睞。 

       乳酸菌作為生物保護(hù)菌可以通過(guò)多種機(jī)制抑制食品中細(xì)菌和真菌生長(zhǎng)，降低食源性微生物腐敗和致病風(fēng)險(xiǎn)，可以有效延長(zhǎng)食品保質(zhì)期。并且大量的研究已經(jīng)證實(shí)乳酸菌在食品中除了具有抑菌活性，還具有降解真菌毒素、降低不良風(fēng)味、改良食品顏色和賦予食品特殊風(fēng)味等作用。因此乳酸菌作為生物保護(hù)菌應(yīng)用于食品中日益受到研究者青睞。 

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