第11章 延长食品的贮藏期限(5)

由于羧基的酯化，尼泊金酯在较宽的pH值范围内可以保持分子状态，因而其有效的抑菌范围为pH值在3～8之间。Moir和Eyles比较了尼泊金甲酯和山梨酸钾对4种嗜冷病原菌生长的影响，包括嗜水气单胞菌（A.hydrophila）、单核细胞增生李斯特菌（ListeriaMonocytogenes）、恶臭假单胞菌（PseudomonasPutida）和小肠结肠炎耶尔森菌（YersiniaEnterocolitica），结果发现，在pH=5时，两者对4种嗜冷菌的MIC几乎没有差别；但在pH=6时，尼泊金甲酯能在更低的浓度下，对除嗜水气单胞菌（A.hydrophila）以外的病原菌显示抑菌性。

尼泊金酯比苯甲酯的毒性低，其ADI值为0～10mg/kgbw（FAO/WHO，1985），而苯甲酸的ADI值为0～5mg/kgbw（FAO/WHO，1994）；尼泊金酯小鼠经口LD50分别为：甲酯8g/kg、乙酯5g/kg、丙酯37g/kg、丁酯171g/kg，丙酯1318mg/kg，苯甲甲酯小鼠经口LD50为333g/kg。

中-短链脂肪酸及相关酯是一类属于天然防腐剂的抗菌物质，早在20世纪20年代就发现了中-短链脂肪酸及相关酯类的抑菌能力。Walker在20世纪20年代中期发现，肺炎球菌（Pneumococcus）对月桂酸盐、油酸盐、亚油酸盐和亚麻酸盐等脂肪酸盐非常敏感，而链球菌（Streptococci）则在更高浓度的脂肪酸盐下被杀死。1931年，Castles发现一些脂肪酸抑制淋病双球菌（gonococci）的生长，1933年，Violle研究了1∶1000的脂肪酸溶液对多种细菌的效应，发现对普通肠道菌和肠道致病菌无影响，可杀死链球菌但不能杀死葡萄球菌。1934年，Kolmer等人报道了当金黄葡萄球菌（StaphylococcusAureus）暴露在20%的蓖麻酸钠溶液中5min后可被完全杀死。脂肪酸抗真菌的作用早已被证实，许多研究者指出，脂肪酸的抗真菌作用取决于脂肪酸的链长、浓度和介质的pH值。

关于脂肪酸及其酯类的防腐作用机制，国外已经做了大量研究工作。日本的岩波等提出脂肪酸及其酯与微生物膜的关系假说，其中指出，脂肪酸及其酯首先接近作为对象的细胞膜表面，然后亲油部分的脂肪酸及其酯在细胞膜中多数呈刺透进入状态。这种状态下在物理方面细胞膜的脂质机能低下，结果其细胞机能终止。作为抗菌作用的本质，在脂肪酸代谢的中间代谢物的异常蓄积抑制了脱氢酶系说法，或酶蛋白质的-SH基与可反应的-SH基作为活性基团的酶活力全面抑制说法，还不是详细明确的。从对微生物呼吸作用的影响上来看，Miller和Calbraith对长链脂肪酸的抗菌作用机理研究表明，脂肪酸甘油酯在一定程度上可拆开基质运输和氧化磷酸化与电子传递系统的偶联，并能部分抑制电子传递系统本身。总之，它主要是通过抑制细胞对氨基酸、有机酸、磷酸盐等物质的吸收来抑制微生物的生长繁殖的。

脂肪酸的结构与抑菌活性的关系如下：

（1）除短链脂肪酸（小于8个碳原子）外，脂类不影响革兰氏阴性菌；（2）饱和脂肪酸活性最强的是C12；单不饱和脂肪酸是C16∶1，多不饱和脂肪酸为C18∶2。

（3）长链脂肪酸（＞12C）中双键的位置和数量比短链脂肪酸（＜12C）重要。

（4）顺式结构有活性，反式结构无活性。

（5）与烯式脂肪酸相比，炔式脂肪酸对真菌更具活性。

（6）酵母受到比影响革兰氏阳性菌较短的短链脂肪酸（C10～C12）的影响。

（7）酯化成单羟基醇的脂肪酸无活性；酯化成多醇的脂肪酸多醇增加活性。

脂肪酸及其酯类对各类微生物均有一定的抑制作用，且不受pH值的影响。脂肪酸酯与常用食品防腐剂的抑菌能力比较见表2-10、表2-11和表2-12。单辛酸甘油酯的使用规定见表2-13。

单辛酸甘油酯山梨酸钾苯甲酸钠

细菌酵母霉菌细菌酵母霉菌细菌酵母霉菌

5100100100625817487778640375

695944973442057426510541

792592597255581010220

892592597000000

乳酸链球菌素（Nisin）和纳他霉素（Natamycin）是目前广泛使用的两种微生物菌素类食品防腐剂。

乳酸链球菌素是在1928年首先由Rogers和Whittier确认的，1947年被Mattick和Hirsh分离、特性化和命名。该化合物是由一株乳品发酵剂Lactococcuslactisssp.lactis产生的肽。Gross和Morell于1971年确定了乳酸链球菌素的结构和氨基酸含量。乳酸链球菌素的相对分子质量是3500，但Jarvis等人认为它通常是相对分子质量为7000的二聚物形式。乳酸链球菌素是一种含有脱氢丙氨酸（Dehydroalanine）、脱氢酪氨酸（Dehydrobutyrine）、羊毛硫氨酸（Lanthionine）和β-甲基羊毛硫氨酸（β-methyl-lanthionine）4个特殊氨基酸的由34个氨基酸构成的肽（图2-4）。Nisin有6种类型，分别为A、B、C、D、E和Z，其中对NisinA和NisinZ的研究最活跃。两者仅在27位氨基酸残基有差别，A为His，而Z为Asp。两者的抗菌特性几乎无差别。

纳他霉素是1955年首次从南非纳塔尔（Natal）的土壤中发现的微生物纳塔尔链霉菌（StreptomycesNatalensis）培养分离出的。世界卫生组织批准的通用名称为纳他霉素（Natamycin），与早期文献中的pimaricin同义。纳他霉素（C33H47NO13；相对分子质量为6657）是一种多烯大环内脂类抗菌素（图2-4）。纳他霉素是两性的，拥有一个碱性和一个酸性基团。纳他霉素在水（30~100mg/L）和极性有机溶剂有较低的溶解性，几乎不溶于非极性溶剂。Raab报道了纳他霉素的等电点为65。

乳酸链球菌素和纳他霉素具有不同的抑菌机理。

乳酸链球菌素和纳他霉素的化学结构

微生物营养细胞的细胞质膜是乳酸链球菌素的主要作用位置，其作用机理是在细胞质膜上形成穿孔，从而导致质子运动力的消耗及细胞离子、氨基酸和ATP的流失。此外，乳酸链球菌素可以抑制受影响的膜泡对脯氨酸和谷氨酸盐的吸收。Garcera等提出了由三个步骤构成乳酸链球菌素在膜上通过“桶壁”产生毛孔的机制：①乳酸链球菌素单体结合到目标膜上；②乳酸链球菌素插入到膜中；③乳酸链球菌素分子聚合，在填满水的孔周围形成像桶一样的空穴。乳酸链球菌肽的分子也可能在插进膜之前聚集。乳酸链球菌素对带电细胞的影响与成孔机理是一致的。一些研究表明，乳酸链球菌素诱导质子动力的消耗对带电细胞比饥饿的细胞或低能量的细胞更有效，这表明乳酸链球菌素活性可能依赖于膜电位。Kordel等人也报道乳酸链球菌素跨越脂质体膜需要膜电位。在进一步研究乳酸链球菌素机制，Gao等报道膜电位和/或pH梯度（具有较碱性的内部pH值）对于增加由各种磷脂构成的模型脂质体的渗透率是必要的。外部pH值越低，消耗质子动力所需的ΔΨ越低。因此有可能的随着pH梯度的增加，乳酸链球菌素活性对ΔΨ的依赖变低。Sahl等人发现乳酸链球菌素在黑脂膜上诱导02~1nm直径的气孔，允许500大的溶质通过但将拒绝更大的化合物。在大多数情况下乳酸链球菌素是抑制芽孢而不是杀死芽孢。Hitchens等人确认乳酸链球菌素可以抑制芽孢的发芽后肿胀，防止芽孢的分枝。芽孢膜的巯基基团可能乳酸链球菌素的目标。乳酸链球菌素上的脱氢丙氨酸可以与膜巯基基团反应。事实上脱氢丙氨酸基团在乳酸链球菌素抑制芽孢活性中可能起到非常重要的作用。

纳他霉素的作用方式是结合到真菌细胞膜的麦角固醇和其他甾醇基团。通常，纳他霉素通过结合甾醇类而抑制麦角固醇的生物合成原因，使细胞膜变形并产生渗漏。纳他霉素也可以抑制糖酵解及呼吸作用而对细胞膜产生效应。

乳酸链球菌素具有较窄的抑菌谱，仅对革兰氏阳性菌有效，通常不能抑制革兰氏阴性菌、酵母和霉菌（表2-14）。乳酸链球菌素在抑菌方面的一个突出特点是对芽孢杆菌具有较强的抑制作用。例如，在脑心浸出物（BrainHeartInfusionBHI）肉汤培养基中抑制肉毒杆菌（ClostridiumBotulinum）A、B、C型营养细胞所需的浓度分别为200μg/mL，80μg/mL和20μg/mL。乳酸链球菌素在pH值为65~66的猪肉中对产芽孢梭状芽孢杆菌（ClostridiumSporogenes）的抑制浓度为5~75μg/mL。当乳酸链球菌素与螯合剂如EDTA或三聚磷酸钠组合使用时，抑菌谱可以拓展到革兰氏阴性菌。Stevens等人报道了20mM的螯合剂如EGTA、柠檬酸盐和磷酸盐增强了乳酸链球菌素对革兰氏阴性菌的活性。

细菌对乳酸链球菌素的敏感性

微生物敏感菌株/

实验菌株数MIC（μg/mL）

链球菌组A-Mexc.C.D.L

StrepiococcigroupsA-Mexe.C.D.L肺炎球菌17/17000625~01Pneumococcus葡萄球菌4/4000625~25

微生物敏感菌株/

实验菌株数MIC（μg/mL）

Staphylococcus酿脓葡萄球菌33/33ND

Staphylococcuspyogenes肠球菌6/625

Enterococcus奈瑟氏菌属26/26ND

Neisseria芽孢杆菌3/3005~125

Bacillus梭状芽孢杆菌6/6005~01

Clostridium棒状杆菌8/8000625~2

Corynebacterium放线菌12/1201~3

Actinomyces结核杆菌6/60025~025

Mycobacteriumtuberculosis单核细胞增生红斑丹毒丝菌6/625~125Erysipelothrixmonocytogenes单核细胞增生李斯特氏菌3/3005Listeriamonocytogenes片球菌属9/9185~2950Pediococcus明串珠菌属30/30ND

Leuconostoc乳杆菌属18/18ND

Lactobacillus31/35ND

纳他霉素对几乎所有的霉菌和酵母都有活性，但对细菌或病毒无效。05~6μg/mL的纳他霉素可抑制大多数霉菌，但有些霉菌则需要10~25μg/mL才能抑制。对于大多数酵母菌，抑制所需的纳他霉素浓度为10~50μg/mL。纳他霉素不仅可以抑制霉菌的生长，还可以抑制霉菌产毒。Ray和Bullerman报道，10μg/mL纳他霉素对黄曲霉（AspergillusFlavus）产生黄曲霉毒素B1的抑制率为620%和可以消除由赭曲霉（AspergillusOchraceus）产生的赭曲霉素。同一浓度的纳他霉素对由圆弧青霉（PenicilliumCyclopium）产生青霉酸的抑制率为988%和消除展青霉（PenicilliumPatulum）产生的棒曲霉素。据报道纳他霉素对霉菌产生毒素的抑制效果大于菌丝体生长。

乳酸链球菌素的溶解度取决于溶液的pH值。pH=22的溶解度是56mg/mL，pH=50的溶解度是356mg/mL，pH=11的溶解度是156mg/mL。pH=3的乳酸链球菌素溶液在115℃以下加热20min保留最大的活性（975%）。pH值低于或高于该值，活性都将下降。pH值为70时室温下会发生失活。