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本文聚焦产细菌素乳酸菌（LAB），详细阐述其分类、作用机制、生物合成等，探讨其在食品发酵、保鲜、包装方面的应用，分析对肠道健康的潜在价值、毒性及生产策略，并对比 LAB 与细菌素的食品应用审批指南，极具科研与实践参考价值。
1. 引言
在食品工业中，产细菌素的乳酸菌（LAB）作为一种前沿的天然食品保鲜和安全增强手段备受关注。LAB 广泛应用于乳制品、肉类、蔬菜和饮料等产品的发酵过程，不仅有助于提升产品的风味、质地和营养价值，其产生的细菌素还能提供抗菌保护。细菌素可有效对抗多种腐败微生物和食源性病原体，如乳链菌肽（nisin）、片球菌素（pediocin）和明串珠菌素（sakacin）等在商业上被用于防止食品被单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和肉毒梭菌（Clostridium botulinum）等病原体污染，保障食品安全的同时，契合了清洁标签产品的发展趋势。
随着消费者对少加工、无合成防腐剂食品需求的增加，细菌素作为天然衍生的替代品，在延长食品保质期和维持食品质量方面极具吸引力。此外，一些产细菌素的 LAB 菌株还具有益生菌特性，可促进肠道微生物群平衡，带来健康益处。目前，LAB 产生的细菌素已被广泛研究，涉及分类、作用机制及在食品保鲜、医学、兽医学和农业等领域的应用，但 LAB 对食品安全的潜在风险及后续监管流程仍需进一步审视。
2. 乳酸菌产生的细菌素的分类和作用机制
2.1 乳酸菌细菌素的分类
LAB 因其益生菌特性和产生多种有益化合物的能力而受到高度重视，其被美国食品药品监督管理局（FDA）认定为一般认为安全（GRAS）的物质，且具有天然抗菌特性，这使得 LAB 及其代谢物在各种应用中备受关注。目前，已从多种发酵食品中分离出许多细菌素，如 nisin、乳链菌素（lactocin）、植物乳杆菌素（plantaricin）、pediocin、肠球菌素（enterocin）和枯草菌素（subtilin）等，这些细菌素主要来源于乳酸杆菌属（Lactobacillus）和明串珠菌属（Leuconostoc）等 LAB 菌株，常见于泡菜、中式蔬菜制品、腌菜和发酵豆制品等发酵食品中。
LAB 产生的细菌素通常分为几类：
- I 类：是热稳定的肽，经过翻译后修饰（PTMs），分子量小于 5kDa ，也被称为核糖体合成并经翻译后修饰的肽（RiPPs）。根据结构和修饰方式的不同，又可细分为 Ia、Ib、Ic 和 Id 四个亚类。其中，Ia 类细菌素是羊毛硫抗生素，含有羊毛硫氨酸和（或）β - 甲基羊毛硫氨酸等不寻常氨基酸，如Lactococcus lactis产生的 Nisin A 和 Nisin Z；Ib 类细菌素是头尾环化肽，N 端和 C 端相连形成环状分子，如肠球菌属（Enterococcus）产生的 Enterocin AS - 48；Ic 类细菌素是含唑啉的肽，如链球菌属（Streptococcus）产生的链球菌溶血素 S（Streptolysin S）；Id 类细菌素是糖基化肽，如Lb. plantarum产生的 Glycocin F。
- II 类：是热稳定、未经修饰的肽，分子量小于 10kDa ，通常带正电荷且具有疏水性，由 30 - 60 个氨基酸组成。根据结构和氨基酸序列，可分为 IIa、IIb、IIc 和 IId 四个亚类。IIa 类细菌素具有 pediocin 样结构，N 端区域有二硫键连接和 YGNGVXC 的保守序列，如Pediococcus acidilactici PAC1.0 产生的 Pediocin PA - 1；IIb 类细菌素是异源二聚体，需要两个肽协同作用，如L. lactis产生的 Lactococcin G；IIc 类细菌素是无 leader 肽，合成后立即具有活性，如Lb. acidophilus产生的 Acidocin B；IId 类细菌素是与 pediocin 不相似的未修饰线性细菌素，来源广泛，如L. lactis产生的 Lacticin Q。
- III 类：是大的热敏感蛋白，分子量大于 10kDa ，根据水解酶活性可分为 IIIa 和 IIIb 两个亚类。IIIa 类细菌素具有水解酶样活性，称为溶菌素，如Lactobacillus spp. 合成的 Zoocin A；IIIb 类细菌素无水解酶活性，为非溶菌性细菌素，如Lactobacillus spp. 产生的 Helveticin M。
2.2 作用机制
LAB 产生的细菌素通过多种方式和靶点发挥抗菌活性。大多数细菌素通过破坏细菌细胞膜来发挥作用，一些还可通过抑制关键细胞过程来抑制细菌生长。其破坏细胞膜的机制主要包括与特定受体结合形成膜孔，导致细胞内关键离子（如 K+）和代谢物泄漏，膜电位丧失，最终细菌死亡。此外，细菌素还可通过非膜靶向机制抑制细菌生长，如 Nisin 可干扰肽聚糖合成中的关键成分脂质 II，从而破坏细胞壁生物合成；瘤胃球菌素 C（Ruminococcin C）可在维持细胞膜完整性的同时阻止核苷酸产生；一些细菌素还可通过降解 DNA 或抑制 16S rRNA 切割及相关蛋白质合成来阻止细菌芽孢萌发和生长。
不同类别的细菌素作用机制有所差异。I 类细菌素（如 Nisin）通常通过与特定受体（如脂质 II）结合，形成膜孔并抑制肽聚糖生物合成，其双抗菌功能由 N 端环结构域和 C 端环铰链区介导；II 类细菌素（如 pediocin 样细菌素）常与细菌细胞膜上的特定受体（如甘露糖磷酸转移酶系统 Man - PTS）结合，随后插入膜内形成孔道；III 类细菌素作用模式较为复杂，通常涉及干扰 DNA、RNA 或蛋白质合成，以及细胞壁裂解。
3. 乳酸菌产生的细菌素的生物合成机制
LAB 产生细菌素的生物合成是一个高度有序且受调控的过程，包括基因转录、前体肽翻译、PTMs、分泌以及建立免疫机制保护产生菌株等多个阶段。细菌素的生物合成基因簇编码多种对生物合成过程至关重要的成分，如结构基因编码无活性的前体肽，经加工后成为成熟有活性的细菌素；修饰酶基因负责某些细菌素（如羊毛硫抗生素）的 PTMs；转运蛋白基因编码负责将细菌素分泌到细胞外的蛋白质，许多细菌素利用特定的 ABC 转运蛋白进行分泌；免疫基因编码免疫蛋白，防止细菌素杀死产生细胞本身，提供自我抗性。
细菌素生物合成通常从前体肽翻译开始，前体肽包含额外的 N 端序列（leader 肽），在肽的跨膜分泌过程中被切割，C 端序列编码细菌素的抗菌区域，经 PTMs 和 leader 肽切割后激活。不同类别的细菌素 PTMs 不同，I 类细菌素（如 Nisin）经历广泛的 PTMs，包括丝氨酸和苏氨酸残基的酶促脱水形成脱氢丙氨酸或脱氢丁氨酸；II 类细菌素（如 Pediocin PA - 1）通常不需要广泛的 PTMs，但仍需去除 leader 序列来激活核心肽，一般通过与转运机制相关的特定肽酶分泌实现。
细菌素的分泌是生物合成的关键步骤，涉及专门的分泌系统，主要包括 sec 依赖的分泌途径和 ABC 转运蛋白系统。sec 依赖的分泌途径利用 sec 转位酶将蛋白质转运穿过细胞质膜，常用于运输未经 PTMs 的 II 类细菌素；ABC 转运蛋白系统则用于许多细菌素的输出和 leader 肽的去除，对于 I 类细菌素（RiPPs），leader 肽引导前体肽通过 ABC 转运蛋白复合物，在复合物中被切割，释放出活性细菌素到细胞外。
LAB 必须具备自我免疫机制以保护自身免受产生的细菌素的伤害，这通常涉及特定的免疫蛋白和膜修饰。此外，细菌素的产生受环境信号和内部反馈机制的调控，如营养限制、pH 变化或存在竞争细菌等条件可触发细菌素产生。
4. 产细菌素乳酸菌及其细菌素的应用
由于产细菌素 LAB 的发酵能力、对食品中微生物的广泛抗菌活性以及安全性，它们在食品工业中具有广泛的应用潜力。产细菌素 LAB 通常作为发酵剂促进食品发酵过程，其产生的细菌素在食品工业中的应用形式主要包括直接作为食品防腐剂，以及添加到食品包装或包装涂层中。
4.1 产细菌素乳酸菌作为发酵剂的应用
产细菌素的 LAB 菌株在各种食品发酵中作为起始培养物的作用日益受到认可。它们不仅赋予食品独特的风味和色泽，其产生的细菌素还能有效抑制腐败细菌和病原体的生长，提高发酵效率。在欧洲、中国、日本、加拿大、美国、澳大利亚和新西兰等国家和地区，多种产细菌素的 LAB 菌株被批准用于食品工业。
研究表明，产细菌素 LAB 菌株可显著提高发酵食品的质量和保鲜性能。例如，在香肠发酵中添加从泡菜中分离的Lactobacillus sakei C2 作为发酵剂，可显著减少单核细胞增生李斯特菌和肉毒梭菌等病原体，降低香肠中丙二醛、亚硝酸盐等有害物质水平，提高香肠质量；产细菌素的P. acidilactici和Lb. sakei菌株可通过降低污染和腐败风险延长香肠保质期；在奶酪发酵中使用产细菌素菌株可延长奶酪保质期，减少经济损失并维持产品质量；Lb. acidophilus作为发酵剂可抑制酸奶中腐败酵母和霉菌生长，延长酸奶保质期，改善酸奶发酵、降低腐败细菌数量，提高酸奶的酸化现象、粘度和保水性；在泡菜发酵中引入产细菌素的Leuconostoc citreum GJ7 作为发酵剂，可有效抑制酵母生长，改善泡菜质地、风味和口感。
随着消费者对清洁标签和少加工食品需求的增加，产细菌素 LAB 作为发酵剂的应用符合这一趋势，可在不依赖合成化学品的情况下延长发酵食品保质期。与传统化学防腐剂相比，LAB 及其产生的细菌素具有天然来源的优势，且细菌素抗菌谱相对特定，能维持发酵食品中微生物生态系统的平衡，对食品风味、质地和营养益处的发展至关重要。
4.2 乳酸菌产生的细菌素作为食品防腐剂的应用
食品工业中常用的防腐剂多为化学合成，成本高且对人体健康有潜在风险，因此开发具有生物活性的新型安全防腐剂至关重要。LAB 产生的细菌素已被广泛用作多种食品（如乳制品、蛋类、水果、蔬菜和肉类）的天然防腐剂，有望替代化学防腐剂和抗生素。
目前，L. lactis产生的 Nisin 是唯一被联合国粮食及农业组织（FAO）批准的食品防腐剂，对食源性病原体和腐败微生物（尤其是革兰氏阳性菌）具有强大的抑制作用。除 Nisin 外，越来越多分离鉴定的 LAB 细菌素展现出广泛的活性谱，并逐渐应用于食品防腐剂领域，部分已进入商业评估阶段。例如，商业产品 Bactoferm? F - LC 含有产 Sakacin A 的Lb. curvatus和产 Pediocin PA - 1 的P. acidilactici，可有效控制香肠产品中李斯特菌的生长；产 Leucocin A 的Leuconostoc carnosum菌株已被 Chr. Hansen 商业化，用于降低发酵肉制品中李斯特菌数量；产 Pediocin 的P. acidilactici被用于开发商业产品 ALTA 2341? 和 CHOOZIT?FLAV 43，用于控制切达干酪和半硬质干酪中单核细胞增生李斯特菌的生长；研究阶段的 Lacticin 3147 和 481 等细菌素不仅可作为食品防腐剂，还可用于食品包装以抑制致病微生物生长，提高食品质量。
然而，尽管 LAB 产生的细菌素种类繁多且具有抗菌能力，但实际应用的数量有限，这主要是由于食品成分的物理性质和加工条件（如 pH、温度和微生物群相关因素）会影响细菌素的抗菌活性。例如，Nisin 在 pH 大于 7 的环境中抗菌效力显著降低，其两亲性会通过与食品成分相互作用影响活性，且抗菌活性因食品产品类型而异。因此，未来研究应重点关注提高 LAB 来源细菌素抗菌效力的策略，以推动其在食品防腐剂领域的应用。
4.3 乳酸菌产生的细菌素在食品包装中的应用
尽管食品工业技术不断进步，但控制食品腐败和致病微生物仍需要更天然、安全和环保的方法。直接将 LAB 产生的细菌素作为防腐剂添加到肉制品中，可能导致其与食品中的营养成分反应，降低肉制品营养价值并影响细菌素活性，食品添加剂（如乳化剂、调味剂、抗氧化剂和稳定剂）也会影响细菌素活性。食品微生物污染主要发生在表面，因此开发智能食品包装（如含有抗菌剂的可食用涂层）备受关注，LAB 细菌素在抗菌包装中的应用是一个有前景的方向。
目前，LAB 产生的细菌素在食品包装中的应用主要集中在肉制品领域。将细菌素掺入包装材料的方法包括浸泡、吹塑加工、挤出、直接接触和涂层等，在使用过程中，细菌素可实现控制或缓慢释放，以靶向和控制食品表面的食源性病原体和腐败微生物。
与直接用作食品防腐剂的细菌素不同，添加到食品包装薄膜中的细菌素需要加工处理，高温可能显著影响其活性。I 类和 II 类 LAB 细菌素因其低分子量具有较好的热稳定性，而 III 类高分子量细菌素对高温耐受性有限，不太适合用于食品包装。即使一些细菌素热稳定性良好，包装过程中的热处理仍可能降低其抗菌活性，如Lactobacillus rhamnosus产生的细菌素添加到食品包装膜中，经 92°C 处理 30 分钟后，包装膜的抗菌活性下降。在包装膜中添加生物活性化合物（如低密度聚乙烯、玻璃纸和壳聚糖）可增强细菌素的抗菌活性，采用更先进的技术（如包封）可保护和增强细菌素的生物保护性能，减少包装过程中细菌素活性损失。例如，将 Nisin 与亚硝酸盐、精油和有机酸包封在藻酸盐 - 纤维素纳米晶体微珠中用于香肠包装，7 天后可有效降低微生物数量 2.6 log cfu/g。
除了将细菌素掺入食品包装，将其作为涂层也很重要。例如，Nisin 与 EDTA 结合用作牛排包装的涂层，可有效控制腐败细菌（如Bacillus creosus）的增殖，提高肉制品质量，但包装膜材料的性质、细菌素的纯度以及与包装膜的结合条件等会影响 LAB 来源细菌素的最终应用效果。
5. 乳酸菌产生的细菌素对肠道健康的潜在价值
LAB 产生的细菌素在改善肠道健康方面具有重要潜力，通过其抗菌、增强益生菌和免疫调节特性，定期食用产细菌素的 LAB（尤其是发酵食品中的 LAB）有助于维持健康的肠道微生物群，预防感染，降低肠道相关疾病风险，在肠道健康管理和功能性食品开发中可能发挥关键作用。
5.1 改善肠道微生物群
LAB 产生的细菌素可通过影响胃肠道微生物群落的平衡和组成来改善肠道微生物群。肠道微生物群由数万亿微生物组成，对维持整体健康、消化、免疫功能和疾病预防至关重要。细菌素有助于产细菌素的 LAB 选择性抑制有害细菌，促进有益物种生长，维持或恢复肠道微生物平衡，是肠道健康管理的重要工具。
例如，产细菌素和不产细菌素的P. acidilactici菌株均可引起Blautia下调，Ruminococcus、Lactobacillus以及一些益生菌菌株（如Bifidobacterium、Coprococcus和Akkermansia）上调，但产细菌素菌株对有益细菌的上调和致病细菌的下调作用更显著；产 Plantaricin 的Lb. plantarum P - 8 可减少人类粪便细菌群落中的致病细菌数量；Lacticin 3147、Nisin A 和 Pediocin PA - 1 等产细菌素菌株也具有调节肠道微生物组的潜力；产细菌素的Lb. plantarum YRL45 可显著提高小鼠肠道中免疫球蛋白 sIgA、IgA 和 IgG 水平，上调有益细菌Muribaculaceae和Akkermansia的相对丰度，下调致病细菌Lachnoclostridium的丰度，并促进小鼠粪便中乙酸、丙酸和总短链脂肪酸等代谢物的产生。
5.2 增强胃肠道免疫和屏障功能
LAB 产生的细菌素可作为信号肽促进微生物与宿主之间的通信，主要通过影响宿主肠道屏障的完整性（如促进上皮细胞增殖和增强紧密连接）来调节宿主免疫系统。例如，Lb. plantarum NCMIB8826 产生的 Plantaricin EF 细菌素可增强肠道屏障完整性，刺激紧密连接蛋白的表达；Nisin 处理可调节小鼠免疫系统，增加外周血中 CD4 和 CD8 T 淋巴细胞数量，增加巨噬细胞 / 单核细胞群体；Nisin Z 可激活多种信号通路（如 MAPK、PKA 和 PKC 通路），诱导释放多种趋化因子，调节宿主免疫系统，但细菌素与微生物和肠道生态系统通信的机制仍需进一步研究。
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