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本文全面综述了细菌素在食品工业中的应用。细菌素（bacteriocins）是由细菌产生的具有抗菌活性的蛋白质，能抑制食源性病原体和腐败微生物，保障食品安全。文中介绍了多种细菌素的特性、作用机制、生产及应用，也探讨了面临的挑战和监管要求，对食品保鲜研究有重要参考价值。
引言
微生物活动是导致食品变质的关键因素，会降低食品的质量、安全性和保质期。据世界卫生组织（WHO）估计，食源性疾病（FBDs）每年在全球造成约 6 亿例发病和 42 万人死亡，还带来巨大经济损失。为应对这一挑战，国际食品安全当局网络（INFOSAN）等组织发挥着重要作用。
近年来，乳酸菌（LAB）作为天然生物防腐剂受到关注，其产生的细菌素（bacteriocins）具有抑制食源性病原体和腐败微生物的能力，且安全性高，有望替代传统抗菌剂。细菌素是核糖体合成的抗菌肽，通过多种机制发挥抗菌作用，但大规模应用面临产量低、纯化困难等挑战。目前，美国食品药品监督管理局（FDA）已批准部分细菌素作为食品添加剂，其他细菌素也有潜在应用价值。
产生细菌素的微生物
大多数细菌素主要由革兰氏阳性菌产生，革兰氏阴性菌也能合成类似的抗菌肽。研究表明，多数细菌种类能产生至少一种细菌素，但许多尚未被鉴定。肠杆菌产生的细菌素通常称为大肠杆菌素（colicins） ，而 LAB 产生的细菌素在食品保鲜方面具有重要研究价值。细菌素具有高度特异性，能选择性地与靶病原体的表面蛋白结合，干扰其细胞过程。
乳酸菌
LAB 是革兰氏阳性微生物，以产生乳酸为发酵主要产物。其形态多样，为非芽孢形成、过氧化氢酶阴性，可作为兼性厌氧菌或微需氧菌。LAB 营养需求高，在多种环境中自然存在，分类上属于厚壁菌门（Firmicutes）、芽孢杆菌纲（Bacilli）、乳杆菌目（Lactobacillales），包括乳杆菌属（Lactobacillus）、乳球菌属（Lactococcus）等多个属。
发酵特性
LAB 的代谢通过细胞外电子转移整合发酵和呼吸过程。根据发酵终产物，LAB 可分为同型发酵和异型发酵两类，异型发酵又可进一步细分。同型发酵 LAB 通过糖酵解途径（EMP）将己糖几乎完全转化为乳酸，而异型发酵 LAB 则通过磷酸戊糖途径代谢己糖，产生乳酸、乙醇或乙酸以及二氧化碳等副产物。
乳酸菌的分离和鉴定方法
LAB 的培养依赖富含蛋白质的培养基，合适的碳氮比和氮源对其生长和代谢产物合成至关重要。常用的分离培养基有 MRS 琼脂、Rogosa 琼脂（LBS）等，可根据目标菌株选择合适培养基。
LAB 的鉴定方法包括表型鉴定和基因型鉴定。表型鉴定通过传统生化测试或微方法进行，后者更为高效。基因型鉴定则利用分子技术，如 16S rRNA 基因测序等，可准确鉴定 LAB 的种类。
乳酸菌产生的抗菌成分
LAB 产生多种抗菌化合物，包括有机酸、过氧化氢、双乙酰、乙醇、细菌素等。这些物质通过不同机制抑制微生物生长，如有机酸降低细胞内 pH，过氧化氢产生自由基导致氧化损伤，双乙酰干扰蛋白质和核酸合成，乙醇破坏细胞膜等。
细菌素
细菌素是一类核糖体合成的肽，在特定浓度下具有强抗菌活性。其前体分子通常无生物活性，经翻译后修饰和前导序列切割后才具有活性。细菌素对相关细菌具有抑菌或杀菌作用，产生菌通过免疫蛋白等机制避免自身受到伤害。LAB 产生的细菌素对多种病原体有抗菌活性，具有安全、高效、耐热等特性，但应用受到成本和技术要求等限制。
细菌素的生产
细菌素分为三类：I 类为羊毛硫抗生素（lantibiotics） ，II 类为非羊毛硫抗生素或未修饰肽，III 类为热稳定且大分子的细菌素。细菌素的产生与生长条件相关，其基因位于染色体、质粒或转座子上，合成后需经修饰才具有活性，前导肽在这一过程中起重要作用。
细菌素的分类
根据生物合成机制、遗传特征和结构特点，细菌素可分为三大类。I 类细菌素分子量小于 5kDa，热稳定，含有特殊氨基酸；II 类细菌素分子量小于 10kDa，分为 IIa、IIb 和 IIc 三个亚类；III 类细菌素分子量大于 30kDa，可分为具有溶菌活性的 IIIa 亚类和非溶菌性的 IIIb 亚类。
I 类：羊毛硫抗生素
I 类细菌素即羊毛硫抗生素，具有热稳定性、耐极端 pH 和抗某些蛋白酶的特性。其名称源于羊毛硫氨酸（lanthionine），含有多种修饰氨基酸，增强了肽的稳定性和抗菌活性。羊毛硫抗生素可进一步分为线性（A 型）、球状（B 型）和多组分（C 型）三种类型，其生物合成由基因簇编码。
最著名的羊毛硫抗生素是乳酸链球菌素（nisin） ，由乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）产生，是第一个被纯化的细菌素，其合成需要 11 个基因。nisin 由 34 个氨基酸组成，含有五个二硫键形成的环，具有独特的结构和抗菌机制。
作用机制
细菌素主要作用于细菌细胞质膜，破坏质子动力势。羊毛硫抗生素的阳离子特性使其能与靶细胞膜相互作用形成孔道，导致离子和小分子泄漏。某些细菌素如 nisin 还可结合脂质 II，抑制细胞壁合成。
细菌素与靶细菌的结合
细菌素通过亲水的 N 端区域与细菌细胞膜的极性表面结合，疏水的 C 端区域穿透膜的非极性内部，导致膜孔形成，使细胞内物质泄漏。nisin 具有双重作用模式，既能形成孔道，又能结合脂质 II 抑制细胞壁合成。
羊毛硫抗生素的成熟
羊毛硫抗生素的成熟需要经历一系列酶促反应，包括脱水、环化等修饰步骤，最终通过转运和蛋白酶切割激活。不同类型的羊毛硫抗生素成熟过程可能有所差异。
II 类：非羊毛硫抗生素或未修饰肽
II 类细菌素是小分子量（<10kDa）、阳离子、疏水、热稳定的肽，不经过翻译后修饰，分为 IIa、IIb 和 IIc 三个亚类。
IIa 类：类片球菌素细菌素
IIa 类细菌素是 LAB 产生的最著名的抗菌肽之一，具有抗李斯特菌活性，由 37 - 48 个氨基酸组成。研究最多的 IIa 类细菌素是片球菌素 PA - 1（pediocin PA - 1） ，其基因簇位于质粒上，包含多个功能基因。
IIb 类：双肽细菌素
IIb 类细菌素需要两种不同的肽协同作用才具有完全抗菌活性，其产生涉及至少五个基因，由一个或两个操纵子编码。例如乳酸乳球菌素 G（lactococcin G） ，其操纵子包含多个相关基因，两个肽单独作用时抗菌活性低，结合后协同发挥强大抗菌作用，且其产生受群体感应（QS）系统调控。
IIc 类：无 leader 肽细菌素
IIc 类细菌素独特之处在于缺乏 N 端前导肽，直接与带负电的细菌膜相互作用形成孔道，导致细胞死亡。
II 类细菌素的作用机制
II 类细菌素通过破坏靶细菌的细胞质膜或细胞壁发挥抗菌作用。不同亚类的作用机制有所不同，如 pediocin 通过与甘露糖磷酸转移酶渗透酶系统（Man - PTS）结合插入膜内，导致离子扩散和细胞死亡；IIb 类细菌素引起膜透化和孔形成，对单价阳离子具有选择性；IIc 类细菌素直接与细胞膜相互作用形成孔道。
III 类细菌素
III 类细菌素是大分子肽（>30kDa） ，分为具有溶菌活性的 IIIa 亚类（细菌溶素）和非溶菌性的 IIIb 亚类。IIIa 亚类细菌素如溶葡萄球菌素（lysostaphin） ，通过降解细菌细胞壁导致细胞裂解；IIIb 亚类细菌素则干扰细胞膜完整性，导致膜去极化和细胞功能丧失，但不破坏细胞壁。
免疫机制
产生细菌素的菌株通过产生特异性免疫蛋白保护自身免受细菌素的伤害。免疫蛋白基因通常与细菌素生产基因紧密相连，如 Lan I 和 Lan EFG 系统等，可防止孔形成，维持细菌素在细胞内的安全浓度。
对细菌素的抗性机制
细菌对细菌素的抗性可分为先天抗性和获得性抗性。先天抗性机制包括细胞壁静电电荷的改变和膜组成的改变，如革兰氏阳性菌通过酯化细胞壁的磷酸基团降低与细菌素的静电相互作用，某些细菌通过改变膜脂质组成降低细菌素的插入能力。获得性抗性机制包括基因突变、受体表达的改变和降解酶的产生，如L. monocytogenes通过 LiaFSR 信号通路的突变增加对 nisin 的抗性，B. cereus等可产生 nisinases 降解 nisin。
细菌素的纯化和鉴定
细菌素的纯化方法根据其分子量、电荷和性质选择，常用方法包括硫酸铵沉淀、离子交换色谱（IEC）、尺寸排阻色谱和亲和色谱等。鉴定细菌素可采用 PCR 分析等方法，结合生理生化标准和 16S rRNA 基因分析，研究其在不同条件下的特性。
细菌素基因和检测
细菌素生物合成相关基因在细菌基因组中形成簇，包括编码前细菌素、翻译后修饰酶、免疫蛋白和转运系统的基因。检测这些基因或蛋白可指示细菌素的生物合成机制，利用分子技术和基因组测序可鉴定新的细菌素基因。
细菌素数据库
目前有多种细菌素相关数据库，如 BAGEL4 和 LABiocin。BAGEL4 用于识别和可视化原核生物 DNA 中与细菌素和核糖体合成及翻译后修饰肽（RiPPs）生物合成相关的基因簇；LABiocin 专门收录 LAB 产生的细菌素数据，提供详细的元数据和分析工具。
细菌素的应用
随着消费者对食品安全和天然食品的需求增加，细菌素作为天然抗菌剂在食品工业中的应用备受关注。细菌素可用于食品生物保鲜，抑制食源性病原体和腐败微生物的生长，延长食品保质期，且不影响食品的感官和营养品质。
食品生物保鲜
食品生物保鲜利用有益微生物或其代谢产物提高食品安全性和延长保质期。尽管食品工业采取了多种控制措施，但食源性疾病仍时有发生，细菌素作为天然抗菌剂可有效抑制病原体生长，增强食品安全性，符合消费者对清洁标签和天然食品的需求。
细菌素在食品工业中的应用
细菌素作为食品防腐剂具有多种优势，如延长保质期、在不良储存条件下提供额外保护、降低病原体传播风险、减少经济损失和允许采用更温和的加工处理等。将细菌素整合到食品中的方法包括添加纯化或半纯化的细菌素、使用发酵过的含有产细菌素菌株的成分和接种产细菌素菌株，但各方法存在优缺点。此外，细菌素还可添加到食品包装膜中抑制微生物生长。然而，细菌素的应用受到其窄谱活性、疏水性、溶解性和分布均匀性等因素的限制，可通过与其他保鲜方法结合来克服这些问题。
最具代表性的细菌素
目前，nisin 是 FDA 批准的用于食品保鲜的细菌素，在多个国家被广泛应用。其他细菌素如 pediocin 和 lacticin 也具有作为生物防腐剂的潜力，它们对多种食源性病原体和腐败微生物具有抗菌活性，且在不同加工条件下稳定。
Nisin
Nisin 历史悠久，是第一个从乳酸乳球菌中分离出来的细菌素，是研究最广泛的细菌素之一。它被 FDA 认定为一般认为安全（GRAS）的物质，在许多国家被批准为食品添加剂（欧盟编号 E234） 。Nisin 由 34 个氨基酸组成，分子量小于 5kDa，含有特殊氨基酸，使其具有稳定的结构和强大的抗菌活性。它在酸性环境中稳定，热稳定性高，能有效抑制革兰氏阳性菌。Nisin 的合成过程复杂，有两种变体 nisin A 和 nisin Z。它在肠道中能迅速被消化酶降解，不会在人体内产生系统性影响。
Pediocin PA - 1
Pediocin PA - 1 由Pediococcus acidilactici产生，是 IIa 亚类细菌素的代表。它用于蔬菜和肉类产品的保鲜，对Listeria物种具有高活性。其三级结构独特，呈两亲性。通过优化生产工艺，如使用基因工程菌株和先进发酵技术，可提高 pediocin PA - 1 的产量和纯度，使其更适用于食品保鲜。
Lacticin
Lacticin 3147 由乳酸乳球菌产生，由 Ltnα 和 Ltnβ 两条肽链组成，属于羊毛硫抗生素。两条肽链协同作用，通过抑制肽聚糖合成和在细菌膜上形成孔道发挥抗菌活性。它对多种革兰氏阳性菌有效，在奶酪等食品中能抑制L. monocytogenes等病原体的生长，且对热敏感性可通过补偿因子进行调整。
使用细菌素的缺点
细菌素作为食品防腐剂存在一些缺点，包括抗菌谱较窄，与现有防腐剂相比，对食源性病原体的抑制范围有限；部分细菌素大规模生产可行性低，生产成本和纯化成本较高；由于其蛋白质性质，一些细菌素易受蛋白水解活性和高温的影响。
监管框架
美国联邦法规第 21 章对食品添加剂包括细菌素进行监管，使用纯化细菌素作为食品防腐剂的公司需获得 FDA 的 GRAS 声明。欧盟为所有食品添加剂包括细菌素分配 “E 编号” ，新细菌素的批准需经过严格评估，包括确定其身份、化学组成、使用方法、安全性等多个方面。
结论和展望
细菌素是一种有前途的食品保鲜策略，但目前大规模生产、纯化和法规合规性等问题限制了其广泛应用。未来应致力于开发更高效可持续的生产技术，将细菌素与其他保鲜方法结合，开展长期研究评估其安全性和对食品感官性质的影响，同时获得全球更多地区的监管批准，以推动其在食品工业中的广泛应用。
