综述：细菌素研究的新进展：用于食品工业应用的细菌素工程化合成生物学方法

《Food Bioscience》：Recent Advances in Bacteriocin Research: Synthetic Biology Approaches for Engineering Bacteriocins in Food Industry Applications

　　摘要
细菌素是一类通过核糖体合成的抗菌肽，能够通过多种分子机制有效抑制食源性病原体，因此被视为具有前景且可持续的生物防腐剂。与化学防腐剂相比，它们为食品在加工、储存和运输过程中的营养价值及感官品质保持提供了安全有效的替代方案。本综述全面探讨了细菌素在食品保鲜中的生物学、分子学、技术及商业价值，深入分析了其抗菌机制、基因组织与调控方式，以及决定稳定性、受体识别和生物活性的保守结构特征，从而为设计出效力更强、抗菌谱更广、物理化学稳定性更高且抗性更低的新一代细菌素提供了分子框架。此外，综述还介绍了基因组挖掘、宏基因组学、合成生物学、代谢工程、重组生产平台以及发酵工艺优化等方面的最新进展，这些进展推动了新型细菌素的发现、工程化改造及大规模生产。同时，综述总结了现有的分类体系、新兴的食品保鲜应用、下游加工的创新方法、商业化策略以及市面上的各类细菌素产品。最后，综述指出了制约细菌素工业化应用的主要挑战，包括产量低、加工过程中结构不稳定、制造成本高、配方限制以及监管复杂性等。要克服这些障碍，需要在蛋白质工程、系统与代谢工程、可规模化生物加工、先进配方技术以及统一监管框架等方面取得综合进展，才能推动基于细菌素的保鲜技术得到广泛应用。

引言
随着全球人口的持续增长，食品的生产和消费量也大幅上升。根据Statista Market Insights（2025年）的数据，2025年全球食品市场的营收预计将达到9.45万亿美元，年均增长率约为6.34%[2025–2030年复合年增长率]。在此背景下，印度食品市场预计在2025年的规模将达到8694.7亿美元，年均增长率则为6.61%（高于2025–2030年的五年平均增长率）。为满足不断增长的消费需求并确保食品供应稳定，有效的食品保鲜在现代食品行业中显得至关重要。食品保鲜涉及多种策略，旨在预防、灭活或抑制可能存在的物理、化学或生物性质污染物，其中包括微生物、农药、灰尘（颗粒物）以及化学残留物（Zapa?nik等人，2022年）。无论是天然还是合成的防腐剂，都是被添加到各种产品中——包括食品、药品、木材和涂料——以抑制微生物生长、杀死食品病原体或防止可能导致食品变质的不良化学变化（Antony & Narayanaswamy，2026年；Dwivedi等人，2017年）。从历史上看，化学防腐剂已被使用数个世纪，其中氯化钠（盐）和糖是食品工业中最常用的防腐剂。近年来，丙酸（E280）、山梨酸（E200）、苯甲酸（E210）和醋酸（E260）等有机酸也被广泛用于保护低pH值的食品（Afraei等人，2025年；Sorathiya等人，2025年）。尽管化学防腐剂在食品保鲜中发挥着重要作用，但它们也可能带来不良健康影响。长期摄入某些合成化学防腐剂与多种不良健康后果密切相关。越来越多的证据表明，长期摄入这类防腐剂可能导致过敏和过敏反应、神经行为障碍（如多动症和注意力缺陷/多动障碍），代谢紊乱（如肥胖），以及由于累积性毒性作用而增加患癌风险（McCarthy，2021年；Sen，2021年；Seto等人，2025年；Warner，2024年）。此外，许多化学防腐剂难以降解，可能在生态系统中积累，进而造成长期的环境污染。

生物保鲜作为一种有吸引力且可持续的替代传统食品保鲜方法，旨在减轻化学防腐剂对人类健康和环境的危害。该方法利用天然或培养的微生物群落，或是微生物产生的抗菌代谢物来延长食品的保质期，这与使用合成化学防腐剂有着本质上的不同（Eghbal等人，2022年；Kordialik-Bogacka，2022年）。乳酸菌因其自然存在于众多发酵食品中，且长期以来被用于食品发酵，而被广泛认为具有生物保鲜潜力。保护性微生物菌群已被广泛应用于各种食品体系中，作为天然生物防腐剂，用于抑制食源性病原体和腐败微生物的生长，从而提升微生物安全性、延长产品保质期并保持食品的整体品质。与传统化学防腐剂不同，这些有益微生物在发挥抗菌作用时，通常不会对食品的口感、香气、质地以及消费者接受度等感官属性造成负面影响或仅有极小的影响（Fischer & Titgemeyer，2023年；Verma等人，2014年）。随后，Zheng等人（2020年）对原有的乳杆菌属进行了重大的分类修订，通过全面的系统发育分析，将该属重新划分为25个独立的属，以更准确地反映其进化关系。为与现有文献保持一致并避免歧义，本综述中所使用的物种命名均采用相关研究中所采用的术语。

在保护性微生物所产生的众多抗菌代谢物中，细菌素因其通过核糖体合成、具有强效且往往具有物种特异性的活性，已成为研究最为广泛的天然生物活性化合物之一。由于其广谱抗菌效果、良好的安全性、易受酶解降解的特点，以及替代或减少合成化学防腐剂的巨大潜力，数十年来细菌素一直备受研究关注，被视为高效且可持续的食品生物保鲜剂（Cotter等人，2013年；He等人，2025年；Sugrue等人，2024年）。这类肽通常由30至60个氨基酸组成，由细菌分泌出来，作为生物活性物质，对包括致病菌和非致病菌在内的多种易感微生物具有杀菌或抑菌作用（Dhanam等人，2022年；Karpiński & Szkaradkiewicz，2016年；Sugrue等人，2024年；Thapar & Salooja，2022年）。细菌素可由革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌产生，涉及的菌属包括乳杆菌属、链球菌属、白乳球菌属、肠球菌属、乳球菌属、丙酸杆菌属、片球菌属、假单胞菌属、志贺菌属和沙雷菌属（He等人，2025年；Kordialik-Bogacka，2022年；Sidhu & Nehra，2021年）。

由于细菌素对食源性病原体和腐败微生物具有强大的抑制作用，食品行业对其越来越感兴趣。由于其蛋白质性质，细菌素在人体胃肠道中容易被蛋白酶分解，因此食用是安全的（Afraei等人，2025年；Gautam & Sharma，2009年；Thapar & Salooja，2022年）。此外，细菌素还被纳入抗菌薄膜包装系统中，作为智能包装的一部分，用于保持食品品质并延长保质期。除了食品保鲜之外，一些细菌素还表现出抗病毒、抗癌和抗利什曼病的作用，这表明它们有可能作为治疗药物，用来补充或替代某些抗生素（Daba等人，2022年；Demirgül等人，2025年）。细菌素也可与其他保鲜方法结合使用，例如屏障技术，即同时应用多种保鲜手段以提高效果。美国食品药品监督管理局认为，乳酸菌在食品生物保鲜中的应用属于“普遍认为安全”的范畴，欧洲食品安全局也认可这一观点（Chikindas等人，2018年；Eghbal等人，2022年；Kayalvizhi等人，2016年）。

然而，细菌素在食品保鲜中的广泛应用仍受到诸多内在生物学和技术因素的限制。这些限制包括其相对狭窄的抗菌谱、易受蛋白酶降解、在食品加工和储存过程中物理化学稳定性较低，以及在复杂的食品基质中由于与食品成分相互作用而导致抗菌效能下降。此外，低产量、大规模发酵的困难、下游纯化效率低、配方限制以及可能出现微生物抗性等问题，进一步制约了其在商业和工业领域的应用（Demirgül等人，2025年；Selvan等人，2025年）。近年来，合成生物学领域的进步为解决这些问题提供了有力手段，包括通过生物合成基因簇工程、异源表达平台、代谢途径优化、定点突变、定向进化和理性蛋白质工程等方法。这些技术共同促进了具有更高生产效率、更好结构和物理化学稳定性、更强的抗蛋白酶降解能力、更广抗菌谱以及在工业加工条件下更具优异功能表现的工程化细菌素的开发（León-Buitimea等人，2022年）。不过，要成功设计和优化新一代细菌素，就需要全面了解它们的结构分类、抗菌作用的分子机制、生物合成基因的组织与调控网络、结构与功能之间的关系，以及决定其生物活性的保守序列和功能基序。

基于合成生物学、蛋白质工程和微生物生物技术方面的最新进展，本综述对细菌素进行了全面评估，涵盖了它们的结构与功能多样性、生物合成机制、工程化策略、生产技术，以及作为下一代天然生物防腐剂在可持续食品保鲜和工业应用中的潜力。尽管已有许多研究探讨了细菌素的抗菌活性，但对其在食品保鲜系统中的功能多样性和商业可行性的整体评估仍然有限。为弥补这一不足，本综述首先根据细菌素的作用机制和结构特征对其分类，随后分析了支持其活性的遗传和结构决定因素，如基因簇、保守的氨基酸残基以及各类别中固有的重复序列基序。此外，还通过元数据分析评估了当前细菌素在食品工业中的应用趋势，重点介绍了提高其应用效率的创新方法。综述的大部分内容聚焦于商业化前景，包括对近期专利、市面上的药品形式以及规模化、配方稳定性、监管审批等技术障碍的分析。通过整合现有文献并明确主要研究空白，尤其是关于结构与功能关系以及保守基序的优化方面，本综述旨在为未来针对可持续食品保鲜而设计的新一代细菌素研究提供指导。最终，本综述强调了细菌素作为化学防腐剂天然替代品的潜力，符合全球向“清洁标签”和生物基食品保鲜技术发展的趋势。

章节节选

细菌素的分类
“细菌素”这一术语最早是由Konisky在1982年提出的，用于描述一类由细菌产生的高度特异性的抗菌蛋白和肽。细菌素通常具有阳离子性、疏水性或两亲性，多为小型肽，由20至60个氨基酸残基组成（Akhter & Miller，2023年；Arumugam等人，2019年）。有些细菌素会与其他大分子如蛋白质、脂质和碳水化合物形成复合物，而这些复合物对其功能至关重要。

不同类别细菌素的机制作用
不同类别的细菌素作用机制各不相同，可分为抑菌型或杀菌型，可能伴有或不伴有细胞裂解，通常通过形成膜通道或孔隙来实现作用（Pérez-Ramos等人，2021年）。杀菌机制主要涉及膜破坏、孔隙形成或对细菌关键成分的酶解降解，而抑菌机制则通过抑制DNA复制、蛋白质合成和代谢等关键细胞功能来发挥作用。

细菌素合成中的基因簇
作为由核糖体合成并经过翻译后修饰的肽类，细菌素在细菌竞争中的作用在于抑制与其密切相关的其他细菌菌株的生长（Cao等人，2021年）。通常，负责细菌素生物合成的基因，包括编码细菌素的基因，在细菌基因组中被组织成生物合成基因簇（BGCs）（McAuliffe等人，1999年；Sharma等人，2022年）。这些基因簇包含前体肽的开放阅读框。

细菌素中的保守基序和氨基酸
根据结构、氨基酸组成和作用机制的不同，细菌素被分为不同的类别，但它们都具有一些对生物活性至关重要的保守氨基酸基序。这些保守残基通常有助于维持结构稳定性、与膜结合或识别受体，从而决定了每类细菌素的特异性和效力。为阐明细菌素多样性背后的保守结构特征，本文选取了具有代表性的案例进行分析。

合成生物学正在重塑细菌素
虽然自然界中存在多种由微生物产生的细菌毒素，但由于其功能有限，难以在更多领域得到应用。合成生物学方法则为提高细菌素的产量和功能提供了有力的解决方案（Jaumaux等人，2020年）。通过基因改造乳酸乳球菌和枯草芽孢杆菌等微生物宿主，使其表达细菌素基因，科学家们能够显著提高细菌素的产量。

细菌素的产生
细菌素通常在细菌的指数生长后期或静止生长初期产生。乳杆菌属、片球菌属、芽孢杆菌属、肠球菌属和链球菌属等细菌以其产生细菌素的能力而闻名（Tian等人，2026年）。这些细菌素通常从多种环境中分离出来，包括土壤、发酵食品以及人类和动物的胃肠道。图4展示了细菌素在食品工业中传统应用的概要。延长食品的保质期仍然是一个重大挑战，这促使人们研究各种保鲜方法。这些策略包括化学、物理和生物方法。生物合成的细菌素相比化学防腐剂具有诸多优势，且符合消费者对天然及“清洁标签”食品的偏好。与化学防腐剂不同，细菌素具有针对性的抗菌活性，能够选择性地抑制有害细菌。

关于食品工业中细菌素的文献计量学分析
为研究细菌素在食品保鲜中的应用，研究人员进行了全面的文献综述。数据来源于Web of Science数据库，该数据库以涵盖各学科的广泛科学文献而著称。通过基于关键词的系统搜索策略来筛选相关出版物，并利用WoS数据库的高级搜索功能，选择特定的搜索字段进行检索。

细菌素使用的法规要求
作为天然防腐剂和抗菌剂，细菌素具有巨大潜力。然而，其商业化应用需遵循复杂的、因地区而异的监管框架（Lahiri等人，2022）。在美国，FDA负责监管细菌素的市场准入。如果某种细菌素被列为GRAS，则可能无需满足上市前的审批要求（Soltani等人，2021）。不过，也有某些细菌素被归类为食品添加剂。

专利与市面上的细菌素
根据欧洲专利局Espacenet数据库的最新数据，2000年至2024年间共有10,698项与细菌素相关的专利。其中中国拥有7,823项，美国拥有3,508项（Espacenet，2024）。当进一步筛选仅包含与食品保鲜相关的细菌素专利时，共发现1,994项专利，其中中国占1,356项，美国占505项（Espacenet，2024）。

细菌素生物学领域的当前发展趋势
生物保鲜的主要目标是改进食品保鲜技术并延长食品的保质期。在合成化学防腐剂占据主导地位的今天，生物保鲜作为一种有前景的替代方案应运而生。使用被列为GRAS的微生物产品，是提升食品安全性同时保持食品营养价值的有效手段（Verma等人，2022）。在食品工业中，通常会结合使用启动菌和保护菌来实现保鲜效果。

结论与未来展望
细菌素是由细菌核糖体合成的天然抗菌肽，为食品保鲜提供了高效且可持续的解决方案。这类化合物有助于提升食品安全性，同时保持产品的质量与感官特性。随着技术和科学的不断发展，细菌素在先进的食品保鲜策略开发中有望发挥出更大的作用。纳米技术和微囊化技术则为相关应用提供了创新解决方案。

CRediT作者贡献声明
Pranav Amane：撰写——初稿，可视化，软件，方法论，研究，数据整理。Sushant Gawali：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，软件，方法论，研究，正式分析，数据整理，概念设计。Abhishek Guldhe：撰写——审阅与编辑，指导。Nallaperumal Puvaneswari：撰写——审阅与编辑，指导。Muthukalingan Krishnan：撰写——审阅与编辑，指导。Nagarajan Kayalvizhi：未引用参考文献Carvalho等人，2007；Hwanhlem和H-Kittikun，2015；K r等人，2024；Statista，2025；Wu等人，2022；Yi等人，2022。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的成果。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究成果。

Sushant Gawali|Pranav Amane|Nagarajan Kayalvizhi|Muthukalingan Krishnan|Nallaperumal Puvaneswari|Abhishek Guldhe|Ankita Juneja|Aruni Wilson Santhosh Kumar|Neelamegam Rameshkumar
印度马哈拉施特拉邦孟买市马哈拉施特拉大学阿米蒂生物技术学院，邮编410206