《Applied Food Research》：Microbial bacteriocins as natural biopreservatives: monitoring strategies for a sustainable food system
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细菌素（Bacteriocins）是由多种细菌，尤其是乳酸菌（Lactic acid bacteria, LAB）核糖体合成的抗微生物肽，在现代食品体系中作为天然生物防腐剂已引起广泛关注。这些化合物对多种食源性病原体和腐败微生物（包括李斯特菌属（Listeri
细菌素（Bacteriocins）是由多种细菌，尤其是乳酸菌（Lactic acid bacteria, LAB）核糖体合成的抗微生物肽，在现代食品体系中作为天然生物防腐剂已引起广泛关注。这些化合物对多种食源性病原体和腐败微生物（包括李斯特菌属（Listeria）、葡萄球菌属（Staphylococcus）、芽孢杆菌属（Bacillus）和梭菌属（Clostridium）物种）表现出抗微生物活性，从而有助于提高食品安全性和延长保质期。其中，乳酸链球菌素（Nisin）是研究最广泛且商业化应用最多的细菌素，已在众多食品中获监管批准使用。本综述总结了细菌素在食品保存中的分类、机制、功能多样性及应用。其抗微生物活性通过多种机制介导，包括膜透化、抑制细胞壁合成以及干扰必需细胞内过程。细菌素在食品体系中的性能受食品成分、物理化学条件、微生物相互作用和加工环境等因素影响。在乳制品、发酵食品、肉类、家禽、海鲜和植物基食品中的应用证明了其作为合成防腐剂可持续替代品的潜力。该综述还批判性地审视了当前与细菌素使用相关的挑战，包括对某些革兰氏阴性菌活性有限、在复杂食品基质中效力降低、监管限制以及某些目标微生物中出现细菌素耐受性或抗性。此外，还讨论了新兴的监测和追溯方法，包括智能包装技术、生物传感器和数字食品链跟踪系统，作为支持基于细菌素的保存策略有效实施的工具。总体而言，细菌素代表了可持续食品体系中有前景的组成部分，尽管仍需持续研究以优化其效力、安全性、监测和商业应用。
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引言
食品体系对人类健康、经济发展和环境稳定至关重要。食品体系涵盖食品生产、加工、分销、制备和消费的所有过程与活动，及其社会、经济和环境结果。然而，当代食品体系日益与气候变化、资源枯竭、生态系统退化和社會不平等全球挑战相关联。农业停滞、自然资源过度开发、栖息地退化、生物多样性丧失以及碎片化的食品分销系统持续挑战全球食品体系的可持续性。尽管农业生产力和食品生产取得显著进步，全球仍有数百万人面临饥饿、营养不良和营养食品获取不平等问题。这些挑战凸显了对可持续策略的需求，这些策略在增强粮食安全的同时最小化环境影响。构建可持续食品体系的重要性与联合国可持续发展目标（Sustainable Development Goals, SDGs）紧密相连，特别是SDG 2（零饥饿）和SDG 12（负责任消费与生产）。食品保存的基本原理在创建可持续食品体系中不可或缺，旨在优化质量和安全的同时最小化损失。传统上，化学防腐剂被用于避免食品微生物腐败，但消费者对食品安全和健康的日益关注引发了对合成防腐剂长期影响的质疑。微生物产生的生物活性化合物，如细菌素，作为天然食品防腐剂具有潜在应用。细菌素是由某些细菌核糖体合成的抗微生物肽，因其对食源性病原体和腐败微生物的效力而备受关注。这些化合物具有强效抗微生物作用，并被普遍认为安全且环保。然而，不同细菌素的监管批准和安全状态各异，仅乳酸链球菌素等少数化合物获得广泛认可。因此，将细菌素作为天然生物防腐剂研究，是促进与人类健康和环境可持续性全球目标兼容的可持续食品体系的关键途径。细菌素主要由乳酸菌（LAB）产生，抑制密切相关微生物及多种食源性病原体的生长。与许多合成防腐剂不同，细菌素是蛋白质性质且可生物降解的化合物。几种细菌素（尤其是乳酸链球菌素）已获食品应用批准，并在既定监管框架下被视为安全；但每种细菌素的安全性需单独评估。它们通常耐热，在宽pH范围内有效，且在低浓度下不影响感官，增强了其作为食品防腐剂的应用潜力。这种延长保质期也转化为更高的食品安全，因为细菌素能限制腐败微生物和食源性病原体的生长。其中，乳酸链球菌素是应用最广泛的细菌素，已在全球多种食品中获授权使用。食品安全、环境可持续性和食品安全性问题的出现，也扩大了对支持现代食品体系的创新解决方案的需求。尽管已有大量综述涉及细菌素分类和抗微生物特性，但近期在食品安全监测、可持续保存技术、细菌素分子工程以及新兴食品加工系统集成方面的进展，需要更新的综合。本综述旨在全面概述细菌素作为天然生物防腐剂，包括其生产、分类、作用机制和在食品保存中的应用。此外，还讨论了其优势、局限性以及支持其在可持续食品体系中有效实施的新兴监测、追溯和质量控制方法，特别强调基于细菌素的保存策略对食品安全、保质期延长和环境可持续食品加工实践的贡献。
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细菌素的作用机制与分类
细菌素是核糖体合成的抗微生物肽，通过抑制竞争微生物来促进微生物竞争和生态适应性。其在食品体系中的抗微生物效力取决于多种因素，包括细菌素浓度、理化性质、目标微生物的敏感性、食品成分以及pH、温度、水活度和离子强度等环境条件。此外，与食品基质成分（蛋白质、脂肪、碳水化合物）的相互作用可能降低细菌素的扩散、稳定性或生物利用度，从而影响抗微生物性能。因此，实验室条件下观察到的效力在复杂食品体系应用中可能存在显著差异。理解细菌素的固有特性和食品环境的外在特征，对于优化其作为天然生物防腐剂的应用至关重要。细菌素通过多种机制发挥抗微生物活性，包括膜透化、抑制细胞壁合成和靶向必需生物分子的细胞内作用。
目标微生物的结构特征决定细菌素的抗微生物活性。革兰氏阳性菌产生的细菌素通常对革兰氏阳性目标更有效，因为这些生物缺乏限制肽进入细胞质膜或细胞壁的外膜。相反，革兰氏阴性菌具有含脂多糖的外膜，作为许多细菌素的有效渗透屏障。因此，革兰氏阴性菌通常具有内在较低的敏感性，除非外膜被物理处理、螯合剂或协同抗微生物化合物破坏。革兰氏阴性菌产生的细菌素（如大肠菌素和微菌素）进化出专门的受体介导摄取系统，促进进入易感细胞并实现细胞内抗微生物活性。
2.1. 膜透化与孔道形成
膜透化是研究最广泛的细菌素作用机制之一。许多细菌素与易感细菌的细胞质膜相互作用，导致孔道形成、膜去极化、细胞内离子和代谢物泄漏以及质子动力势破坏。这些事件最终损害基本细胞功能并导致生长抑制或细胞死亡。在革兰氏阳性菌中，成孔细菌素可轻易到达膜靶点。例如乳酸链球菌素和类片球菌素细菌素，它们通过受体介导或直接膜相互作用破坏膜完整性。
2.2. 抑制细胞壁合成
细菌素可通过破坏细菌细胞壁正常合成来抑制细菌生长，导致细胞壁结构不完整而引起细胞死亡。一些细菌素（特别是羊毛硫抗生素如乳酸链球菌素）靶向脂质II（lipid II），这是参与肽聚糖生物合成的重要前体。与脂质II结合抑制细胞壁合成并阻止正确组装。此外，脂质II-细菌素复合物可在细胞质膜中促进孔道形成，导致膜去极化和细胞内内容物泄漏。这种双重作用模式显著贡献了多种羊毛硫抗生素的强效抗微生物活性。许多细菌素还具有肽聚糖水解酶活性，干扰细菌细胞壁关键结构成分的形成并导致细胞壁裂解。
2.3. 细胞内靶点与酶活性
一些细菌素作为核酸酶，降解目标微生物中代谢重要分子如DNA和RNA，导致重要细胞功能破坏，增强其作为食品体系抗微生物剂的能力，抑制微生物复制和存活。与革兰氏阳性菌产生的许多细菌素不同，革兰氏阴性菌产生的大肠菌素和微菌素通常利用受体介导的摄取途径，并在转位进入易感细胞后靶向DNA、RNA或蛋白质等细胞内分子。
2.4. 基于这些作用模式的分类
I类细菌素（羊毛硫抗生素，lantibiotics）包括乳酸链球菌素，表现出多种抗微生物机制。许多与细胞质膜相互作用并诱导孔道形成，而其他则通过结合脂质II抑制细胞壁生物合成。II类细菌素通常是小的、热稳定的肽，主要通过膜透化发挥抗微生物作用，导致离子泄漏、膜去极化和细胞死亡。III类细菌素是较大的、热不稳定的蛋白质，通常具有酶活性，包括肽聚糖水解，导致细菌细胞壁降解。相比之下，革兰氏阴性菌产生的细菌素（如大肠菌素和微菌素）采用不同的分泌和摄取机制。这些细菌素通常利用受体介导的转运系统进入易感细胞，并可能靶向细胞质膜、核酸或必需细胞内蛋白质。因此，其作用机制与大多数LAB产生的细菌素显著不同。尽管细菌素在实验室条件下表现出强效抗微生物活性，但在复杂食品基质中其效力可能降低。高脂肪含量、蛋白质相互作用、酶降解、吸附到食品颗粒和有限扩散等因素可降低其生物利用度和抗微生物性能。此外，目标微生物的敏感性可能因环境条件而异，某些食源性病原体已报告出现细菌素耐受性或抗性。因此，应在预期应用的特定食品基质中评估细菌素的有效性。
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抗微生物活性的谱和性质
细菌对细菌素的反应不同，取决于所使用的细菌素以及细菌对特定细菌素的特异性。在食品体系中，特异性很重要，因为某些细菌素可影响致病细菌，而不影响有益或共生细菌。根据其作用模式和施加条件，细菌素可能表现出杀菌或抑菌活性。杀菌细菌素直接杀死易感细菌细胞，而抑菌细菌素抑制细菌生长和繁殖而不引起立即细胞死亡。观察到的抗微生物效果可能取决于细菌素浓度、目标微生物敏感性、环境条件和与食品基质成分的相互作用。在食品体系中，区分杀菌和抑菌活性尤为重要，因为它影响保质期延长和微生物安全性结果。因此，食品保存方法是指使用产生或添加纯化细菌素的方法，以预防或完全根除可能影响食品安全的致病细菌。
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细菌素在食品环境中的作用
4.1. 抗微生物和生态功能
细菌素对多种食源性病原体表现出抗微生物活性，包括金黄色葡萄球菌和李斯特菌，这些通常对许多LAB衍生的细菌素高度敏感。然而，细菌素对革兰氏阴性菌（如沙门氏菌和大肠杆菌）的抗菌谱通常较窄，因为外膜作为有效渗透屏障限制了对细胞靶点的接触。因此，增强对革兰氏阴性菌的活性通常需要破坏外膜完整性的协同处理。在乳制品中，乳酸链球菌素和片球菌素等细菌素可成功抑制致病和腐败细菌，从而提高食品安全性和保质期。细菌素通过破坏竞争微生物促进微生物竞争，使产生菌在相应环境中占优势。在食品生产体系中，细菌素产生菌抑制非期望微生物并提高食品安全性。在食品型环境中，细菌素在LAB生物膜内发挥作用，通过竞争排斥和抗微生物化合物产生帮助阻止病原微生物。为了使生物膜的抗微生物效果对病原微生物有效，生物膜将限制病原体获取营养，从而增加细菌素浓度。某些细菌素已证明对多重耐药（MDR）细菌具有活性，因此代表有前景的食品安全应用补充工具。然而，抗微生物活性因细菌素和目标生物而异，某些细菌物种已报告出现对细菌素的抗性或耐受性。因此，不应认为细菌素对所有MDR微生物普遍有效。细菌素迅速破坏细菌膜，与敏感细菌接触时间短，这在某些情况下可能减少选择压力；然而，适应性抗性和耐受机制已有记录，在设计保存策略时应予以考虑。
4.2. 食品加工条件下的性能
LAB产生的细菌素在宽pH范围和高温度下继续发挥作用，维持其在食品加工环境中的理想水平。此外，这些化合物在各种物理化学参数下保持稳定，因此可能作为多种食品体系的生物防腐剂。许多细菌素被认为是很有前景的食品防腐剂，因为它们是蛋白质性质，易被胃肠道蛋白水解酶降解。然而，摄入后的降解本身并不能保证安全性。每种细菌素在食品应用前应经过适当毒理学、致敏性和安全性评估，监管批准应逐案考虑。乳酸链球菌素仍然是批准用于食品保存的细菌素中研究最充分的例子之一，并且也是成功在实际食品体系中应用的证明。细菌素可与其他保存方法和抗微生物化合物联合使用，对其在食品体系中的防腐作用产生加性效应。在LAB生物膜中，细菌素可与其他抗微生物物质（如有机酸和过氧化氢）结合，产生多靶点抑制作用。
4.3. 实际应用和局限性
在食品体系中，细菌素可通过三种方法作为天然生物防腐剂应用于食品：1）在发酵过程中由LAB自然产生；2）向食品中添加纯化细菌素；3）将细菌素纳入抗微生物包装系统。尽管作为天然食品防腐剂潜力巨大，细菌素也存在一些可能限制其实际食品应用有效性的局限性。许多细菌素表现出相对较窄的抗微生物谱，主要对革兰氏阳性菌有效，而革兰氏阴性菌可能受其外膜保护。在复杂食品基质中，其与蛋白质、脂质和其他食品成分的相互作用可能限制扩散或降低生物利用度，从而降低其活性。环境因素（如pH、温度、离子强度和蛋白水解酶的存在）可进一步影响细菌素稳定性和效力。此外，敏感性因目标微生物而异，某些食源性病原体已报告出现细菌素抗性。大规模生产、纯化、配方和监管批准也可能增加实施成本并限制某些细菌素的商业化。因此，成功应用通常需要与互补保存技术（包括栅栏技术、抗微生物包装、基于发酵的方法或其他食品安全干预措施）相结合。
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细菌素的功能多样性
细菌素的多样性反映在其类别类型和结构差异上，存在广泛的分类和结构，导致功能多样性。
5.1. 结构和分子多样性
细菌素表现出相当大的结构多样性，通常根据其分子特征分为几组：羊毛硫抗生素（翻译后修饰肽）、小的未修饰热稳定肽、环状肽和较大的热不稳定蛋白质。这些结构差异显著导致稳定性、抗微生物谱和作用机制的变化。类似地，肠球菌素（enterocins）分为I类（羊毛硫抗生素）、II类（小的非羊毛硫肽）、III类（环状肽）和IV类（大蛋白质），展示了基于结构相似性和差异以及作用机制的功能多样性。此外，芽孢杆菌细菌素基于结构差异在功能多样性中发挥重要作用，涉及I类（翻译后修饰肽）、II类（小的线性未修饰肽）和III类（大蛋白质）。功能多样性也体现在翻译后修饰和肽复杂性方面。I类羊毛硫抗生素经历广泛的翻译后修饰，包括羊毛硫氨酸桥的形成，影响肽的稳定性和活性。II类细菌素不需要翻译后修饰；它们是小的热稳定肽，结构简单，但提供有效的抗微生物机制。环状细菌素（如subtilosin A和enterocin AS-48）具有特征性的头尾环化，有助于增强结构稳定性和对环境胁迫的抗性，从而影响其功能特性。
5.2. 抗微生物和生态功能的多样性
细菌素在其活性范围及抑制病原体的方式上略有不同。大多数细菌素表现出窄谱抗微生物活性，通常靶向亲缘关系较近的细菌物种。然而，一些芽孢杆菌细菌素具有更广的活性范围，可对抗其他病原体（包括革兰氏阴性菌和真菌）。还有肠球菌素对食源性疾病（如李斯特菌、葡萄球菌和梭菌）有效，显示了这些化合物在食品保存中的重要性。尽管肠球菌素对重要食源性病原体表现出有效性，但其在食品中的应用需要谨慎考虑，因为某些肠球菌物种可能携带毒力因子、机会致病特性或抗微生物耐药决定因子。因此，在食品生产或保存体系中使用前，应严格评估产肠球菌素菌株的安全性。细菌素还具有多种功能，包括微生物生态和食品体系。通过抑制微生物竞争者，细菌素为产生菌株提供竞争优势。肠球菌能够同时产生多种细菌素，形成所谓的“细菌素武器库”，从而增加其生态适应性。细菌素类型多样性在不同乳杆菌物种间可能不同，一些物种产生多个细菌素亚类，表明功能特化。
5.3. 多样性的遗传和进化基础
细菌素的多样性由遗传变异、水平基因转移和进化适应塑造。细菌素基因簇常与质粒、转座子和其他可移动遗传元件相关，促进其在细菌种群中的传播。基因重复、重组、突变和选择压力有助于出现具有不同结构和功能特性的新型细菌素。这些进化过程产生了在分子结构、抗微生物谱、生态作用和作用机制方面观察到的显著多样性。
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细菌素在现代食品体系中的应用
重新关注使用杀菌蛋白（细菌素）作为食品保护和保存剂，部分原因是新的食品安全挑战、乳酸链球菌素作为某些食品中公认安全（GRAS）添加剂的确认、利用分子生物学操纵细菌素生产的潜力，以及对天然食品防腐剂日益增长的兴趣。细菌素可通过不同机制引入食品：1）在乳酸发酵食品中，细菌素可能是细菌素原性LAB生长的结果；2）细菌素可作为乳酸食品发酵副产物引入其他食品；3）细菌素可纯化、浓缩并直接作为添加剂添加。细菌素在食品中的活性高度依赖于物理和化学因素，如pH、离子强度、溶解度和温度。作为蛋白质，细菌素也可能易受酶降解和非特异性结合影响。某些细菌素活性谱窄也是食品应用中的限制因素。作为食品防腐剂的有效细菌素应满足最低要求：1）无毒；2）稳定且高效；3）具有广谱活性；4）对食品感官属性无影响；5）廉价且易于使用。乳酸链球菌素已显示出作为有效食品防腐剂的最大潜力；然而，其他LAB产生的细菌素现正在研究用于食品的潜在应用。
6.1. 细菌素在乳制品中的应用
在乳制品中，细菌素用作天然生物防腐剂，预防牛奶、酸奶、奶酪、奶油或其他乳制品配方的腐败和污染。为控制加工后污染（如单核增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌），将纯化或半纯化的细菌素直接添加到乳制品和配方中。产细菌素LAB用作发酵剂或辅助培养物，在发酵过程中原位合成肽，提高安全性并有时改善感官质量。区分细菌素的实验和商业化应用很重要。许多细菌素在实验室和中试条件下对食源性病原体有效；但只有有限数量获得了监管批准和商业应用。乳酸链球菌素仍然是食品保存中获批准和商业利用最广泛的细菌素，而许多新发现的细菌素仍在评估安全性、效力、生产可扩展性和监管合规性。因此，成功的实验结果不一定直接转化为商业实施。将细菌素掺入可食用膜或涂层中，用于奶酪或其他乳制品表面，或包装内部，以提供局部抗微生物屏障。常见目标包括单核增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌和其他可在冷藏乳制品中存活的革兰氏阳性腐败或致病细菌。成功应用已见于原料奶和巴氏杀菌奶、酸奶、农家奶酪、新鲜奶酪、奶油和加工乳制甜点。
6.2. 细菌素在发酵食品中的应用
细菌素广泛用作发酵食品中的天然生物防腐剂，抑制腐败和致病细菌，同时支持发酵过程本身。它们主要由LAB（如乳球菌、乳杆菌、肠球菌和片球菌）产生，这些菌已被用作发酵剂或保护培养物。
6.2.1. 乳基发酵食品（酸奶、奶酪、发酵乳、开菲尔）
细菌素控制单核增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌和其他革兰氏阳性病原体，并可改变风味和加速成熟。
6.2.2. 肉基发酵食品（发酵香肠、干腌肉）
产细菌素LAB作为发酵剂或辅助培养物添加，以抑制梭菌、Brochothrix和其他腐败或致病细菌，延长保质期并改善安全性。
6.2.3. 植物基发酵食品（泡菜、酸菜、ogi、gari）
LAB细菌素有助于控制肠道和腐败细菌，支持酸化并防止异味。产细菌素LAB可用作发酵剂或保护培养物，在发酵过程中原位合成抗微生物肽。这种方法可降低生产成本，同时保持最终产品的理想感官特性。或者，纯化的或半纯化的细菌素可直接掺入食品或抗微生物包装系统中，以创建局部抗微生物屏障。几个特性支持细菌素在现代食品体系中的应用，包括其天然来源、与清洁标签消费者偏好的兼容性，以及适合整合到栅栏技术方法中。然而，其有效性可能受到复杂食品基质中活性降低、菌株特异性抗微生物谱以及除乳酸链球菌素和片球菌素等已确立例子之外新发现细菌素的监管或商业化挑战等因素的限制。
6.3. 细菌素在肉类中的应用
乳酸链球菌素等细菌素靶向香肠、萨拉米和发酵肉制品中的单核增生李斯特菌和产气荚膜梭菌。直接添加、产细菌素LAB发酵剂培养物或掺入包装中可有效抑制生长，而不改变pH或质地。例子包括片球菌素PA-1，在4°C储存60天的干香肠中使李斯特菌减少多达2个对数周期。它们与低温或真空包装等栅栏技术结合时增强食品安全性，最大限度地减少腐败造成的经济损失。接种LAB菌株适用于发酵肉制品，而纯化的细菌素适用于非发酵产品。乳酸链球菌素获GRAS批准用于肉类，有望在禽肉和红肉保存方法中广泛应用。挑战包括对加工条件的敏感性和窄谱，需要针对肉类体系进行优化。进一步研究肉类分离菌株可改善效力和毒性特征。
6.4. 细菌素在家禽中的应用
细菌素在家禽中显示出控制关键病原体空肠弯曲菌、沙门氏菌、单核增生李斯特菌和金黄色葡萄球菌的巨大潜力。主要由从鸡分离的LAB产生，它们提供天然生物保存以延长保质期并降低食源性疾病风险。在家禽病原体控制研究中，从鸡胃肠道微生物群分离的细菌素（如OR-7、E-760和E-50）在活体内作为饲料或口服给药干预措施进行了评估。这些细菌素显著降低了处理鸟肠道中空肠弯曲菌的定植，在实验条件下减少超过106倍。在单独的攻毒研究中，还报告了从处理鸟肝脏和脾脏中沙门氏菌的回收减少，表明在禽生产体系中控制食源性病原体系统传播的潜在益处。在生鸡肉中，LAB细菌素抑制李斯特菌和沙门氏菌生长，与亚硝酸钠等化学防腐剂效果相当。应用方法包括：将纯化细菌素直接添加到鸡肉控制物中，在冷藏下控制李斯特菌长达7天，控制金黄色葡萄球菌5天；活鸟口服剂量或掺入腌制饲料中，针对农场水平的定植；含细菌素的活性包装与冷藏一起提供栅栏技术，避免直接接触肉。细菌素在家禽中的应用总结见表1。
6.5. 细菌素在海产品中的应用
细菌素有效对抗海产品（如鱼片、虾和贝类）中的腐败菌和病原体，如单核增生李斯特菌、弧菌属、气单胞菌属和假单胞菌属。来源于海洋LAB（包括肠球菌）以及来自对虾/虾的LAB，它们作为热处理产品的热稳定生物防腐剂。肠球菌素A、B、L50和P来自海鲈鱼或鲷鱼LAB，强烈抑制鱼和贝类中的李斯特菌、嗜水气单胞菌和鳗弧菌。来自虎纹对虾和淡水虾益生菌的细菌素对弧菌、施氏假单胞菌和气单胞菌表现出高活性，抑制区高达1467 mm2/mL。片球菌素PA-1通过阻断李斯特菌生长来保存鱼片，延长真空低温烹饪产品的保质期。LAB保护培养物或无细胞细菌素提取物通过浸泡、喷洒或活性包装应用于海鲈鱼、鲷鱼、虾和对虾。虾用益生菌细菌素抑制水产养殖病原体，防止活体和加工海产品污染。海产品体系中细菌素介导的抗微生物活性总结见表2，展示了其在延长保质期和食品安全方面的潜力。
6.6. 细菌素在植物基食品中的应用
细菌素在植物基食品（如豆腐、泡菜、蔬菜和豆制品）中作为天然生物防腐剂，抑制腐败LAB、李斯特菌和其他病原体。它们通过直接添加、保护培养物或包装延长保质期，符合清洁标签需求。在土豆泥、泡菜和鲜切蔬菜中，乳酸链球菌素用于预防李斯特菌和梭菌生长。肠球菌素保存苹果酒、罐装蔬菜、水果或蔬菜汁以及西葫芦泥，抑制污染。在豆基豆腐中，来自Weissella hellenica D1501和芽孢杆菌属的细菌素抑制腐败LAB（如植物乳杆菌），延长保质期。保护性LAB培养物在植物食品发酵过程中原位产生细菌素，维持营养质量和pH稳定性。掺入可食用膜或涂层中，可在无合成添加剂的情况下控制蔬菜中的细菌和真菌病原体。GRAS状态、耐热和耐pH性使其成为纯素、最低加工产品的理想选择。植物基食品体系中细菌素的应用总结见表3。
6.7. 细菌素在即食食品中的应用
它通过在即食（RTE）食品（如鲜切蔬菜、乳制品、肉类和土豆泥）中抑制单核增生李斯特菌、梭菌属和其他病原体，增强安全性和保质期。乳酸链球菌素是最常见的，获FDA批准用于RTE应用，满足清洁标签偏好。乳酸链球菌素控制RTE乳制品、肉类、鱼类、水果、蔬菜、谷物、巴氏杀菌蛋和土豆泥中的李斯特菌和梭菌。片球菌素PA-1和lactin 3147靶向RTE肉类和乳制品中的李斯特菌，减少腐败造成的经济损失。肠球菌素如AS-48保存RTE果汁、苹果酒、罐装蔬菜和豆奶。纯化细菌素通过直接添加或用于RTE沙拉和鲜切农产品的可食用涂层添加。产细菌素LAB培养物在最低加工过程中原位产生抗微生物剂，是RTE发酵产品的理想选择。活性包装释放细菌素以抑制RTE餐食中的表面生长。表4展示了用于RTE食品体系的关键细菌素，突出了它们对革兰氏阳性病原体的有效性和监管批准。尽管许多细菌素在实验室研究中显示出有前景的抗微生物效力，但相对较少进展到商业食品应用。未来的实施将取决于改进的生产技术、配方策略、安全性评估和监管批准途径。
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细菌素作为生物防腐剂的优势
细菌素因其抗微生物效力、生物降解性以及与消费者对清洁标签食品需求的一致性，作为天然生物防腐剂引起了相当大兴趣。某些细菌素（尤其是乳酸链球菌素）已获食品应用监管批准，并在批准条件下被广泛认为安全。其天然微生物来源和生物降解性使它们成为合成食品防腐剂的有吸引力的替代品。许多细菌素在实验研究中表现出良好的安全性，通常被认为是合成防腐剂的有前景替代品。然而，其安全性应在食品应用前通过适当的毒理学和监管评估逐案评估。细菌素的一个主要优势是它们能够在相对较低浓度下抑制食源性病原体和腐败微生物，同时通常对食品质量属性（如风味、香气和质地）影响最小。许多细菌素在广泛的加工条件下（包括温度和pH变化）保持活性，使其适用于不同的食品基质。尽管其作用机制可能降低与某些传统抗微生物剂相比的抗性发展可能性，但某些目标微生物已报告出现细菌素耐受性和抗性，在食品保存应用中应考虑。细菌素还可与其他保存方法（包括发酵、抗微生物包装和栅栏技术策略）结合，从而增强整体食品安全和保质期延长。菌株改良、发酵技术和基因工程的进步进一步支持了其工业规模生产和应用的潜力。然而，细菌素的优势应结合其局限性来解释。目前只有有限数量的细菌素获得监管批准，新鉴定肽的安全性评估仍然必要，并且某些目标微生物已报告出现细菌素耐受性或抗性。因此，成功实施需要考虑效力、安全性、法规遵从性以及预期食品基质的特征。
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细菌素作为食品防腐剂的挑战
细菌素是抗微生物肽，表现出有利于食品保存的特性，包括对食源性病原体的活性、在某些食品加工条件下的稳定性以及与各种食品基质的兼容性。一些细菌素（如乳酸链球菌素）已成功整合到食品保存体系中，特别是在酸性和冷藏食品中。食品体系的组成和结构可降低细菌素的有效性。由于其紧凑和疏水性质，它们可能结合脂肪成分或扩散到水相中，限制其可用性。此外，加工条件（如冷却、冷冻、加热、压力、pH变化和混合）可能对产细菌素微生物和细菌素产生本身产生负面影响。持续或意外暴露于细菌素可能促进某些病原体耐药菌株的发展。因此，应避免过度使用。细菌素可能与食品防腐剂产生负面相互作用，例如果汁中的山梨酸盐可通过破坏pH依赖性协同作用降低乳酸链球菌素的活性。因此，在商业应用前需要进行配方研究。尽管许多细菌素表现出相当大的热稳定性，但其活性可能因特定肽和加工条件而异。暴露于高温、极端pH或长时间加工可能通过结构改变或降解降低抗微生物活性。因此，应针对每种细菌素-食品体系组合单独评估稳定性。在食品加工和储存过程中，由于酶降解、吸附到食品成分、pH波动、与蛋白质和脂质相互作用或食品基质内其他物理化学变化，细菌素活性可能下降。发酵过程可能通过微生物代谢和环境条件变化进一步影响细菌素稳定性。因此，细菌素的浓度和抗微生物效力可能随时间下降，具体取决于食品体系的特征。在非均匀食品体系中，分布不均和有限扩散可能导致局部区域细菌素浓度较低。因此，抗微生物效力可能在食品基质的不同组分间变化，特别是在包含固液相的产品中。表面应用也可能表现出对受保护生态位或微环境的有限渗透，降低整体抗微生物性能。消费者接受度可能影响细菌素的商业采用。尽管它们是天然产生的微生物肽，一些消费者可能对添加抗微生物剂持负面看法，特别是在清洁标签市场中。感官问题（如在有效浓度下的异味）也在冰淇淋等产品中有报告。因此，关于其安全性、来源和功能的透明沟通对市场接受度仍然重要。细菌素对形成于食品加工设备（如切片机、管道和储罐）上的生物膜效果较差。这些生物膜可能包含李斯特菌和沙门氏菌等病原体，含有保护性的胞外基质，限制细菌素渗透。虽然细菌素可显著减少浮游细胞，但它们对生物膜的效果要低得多。尽管组合策略（包括清洁干预和抗微生物涂层）可能增强控制，但已建立的生物膜仍然比浮游细胞更难根除，并继续是食品加工环境中的挑战。细菌素是基于蛋白质的分子，因此易受食品体系中微生物产生的蛋白水解酶降解。这会显著降低其稳定性和抗微生物活性。
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细菌素作为食品防腐剂的未来展望
细菌素是细菌产生的天然抗微生物化合物，正被更认真地视为化学防腐剂的替代品。这主要是因为消费者现在偏好清洁标签和无抗生素食品。尽管不稳定性和抗性问题仍然存在，但新的科学方法正在改善其使用。基于当前研究和市场趋势，细菌素可能在2030年至2035年间得到更广泛应用。
9.1. 纳米递送和封装的进展
纳米技术可帮助保护细菌素并提高其活性。它可实现控释并减少加工和储存过程中的降解。脂质体、固体脂质纳米颗粒和海藻酸盐-壳聚糖等生物聚合物载体可用于封装敏感细菌素（如乳酸链球菌素）。这有助于它们在加热和消化过程中保持活性。例如，负载乳酸链球菌素的纳米颗粒被报道可延长4°C储存的樱桃番茄的保质期，比游离乳酸链球菌素保留更好。类似地，用于活性包装的静电纺丝纳米纤维可根据湿度响应释放肠球菌素AS-48，并减少奶酪中的李斯特菌而不影响感官质量。未来，用于发酵食品的pH响应系统和用于水果的可食用涂层可能有助于减少采后损失。监管进展也表明，到2028年可能获得商业用途（如禽类喷雾剂）。更好的生产方法也可能降低成本并使这些系统更实用。
9.2. 食品中的区块链追溯
区块链技术可提高细菌素在食品体系中使用的透明度。基于QR码的系统可提供细菌素水平、来源和保质期等详细信息。这可增加消费者信任。在一些市场中，消费者甚至可能为具有这种可验证追溯性的产品支付更多费用。
9.3. 冷等离子体和超声波组合
冷等离子体和超声波等物理技术也可增强细菌素活性。冷等离子体破坏细菌细胞壁，使细菌素更容易发挥作用。超声波可提高其在液体食品中的有效性。海鲜加工研究表明，在保持食品质量的同时显著减少了弧菌。
9.4. 作物种子处理
细菌素也可用作种子包衣，以保护作物免受病害并改善生长。研究表明，用苏云金素处理的辣椒种子具有更好的发芽率和枯萎病抗性。田间研究还报告了产量提高和作物质量改善，同时减少了化学农药使用。
9.5. 合成生物学和CRISPR驱动的菌株工程
基因工程是另一个可能改善细菌素生产和活性的领域。科学家可开发产生更多细菌素的菌株或设计针对更广泛微生物的分子。研究表明，CRISPR-Cas9可用于修饰细菌素，使其靶向革兰氏阴性菌（如沙门氏菌）。工程菌株（如植物乳杆菌）也可直接在食品体系中产生细菌素，从而有助于控制微生物，而无需过多外部添加。大规模筛选方法也用于寻找可能降低抗性的细菌素组合。这些可用于酸奶等食品中控制梭菌孢子。到2030年，共生乳制品可能变得更常见，利用乳清等废弃物可能降低成本。然而，公众对基因改造的担忧可能影响接受度。
9.6. 协同配方和栅栏技术
细菌素与其他保存方法结合时通常效果更好。这些方法可能包括植物化合物、噬菌体和物理处理。例如，乳酸链球菌素与百里香酚结合可强力降低碎牛肉中的大肠杆菌，即使在低水平下也不影响食品质量。在另一种情况下，将细菌素与噬菌体结合可能有助于控制鱼类加工环境中的生物膜。高压处理与片球菌素结合也显示出延长鳄梨酱等产品保质期的希望。基于AI的工具正在开发中，以确定不同食品体系的最佳组合。这些方法在不久的将来可能变得更具商业用途。
9.7. 智能包装和物联网系统
智能包装系统可能允许仅在需要时释放细菌素，例如当检测到微生物生长或气体变化时。研究表明，基于传感器的包装可检测虾中的假单胞菌并自动释放细菌素，有助于延长保质期。基于区块链的系统也在开发中，以跟踪整个食品供应链中细菌素的使用。未来应用可能包括链接到移动应用程序的智能包装，这可能有助于减少家庭层面的食物浪费。这些技术预计在2029年前变得更常见。
9.8. 监管协调和市场增长
各国监管协调对于细菌素在食品中更广泛使用非常重要。市场研究表明该领域在未来几年可能稳步增长。细菌素也是环境友好的，因为它们可利用农业废弃物（如米糠和果皮）生产。这使其适用于更可持续的食品生产系统。
9.9. 新鲜农产品的可食用涂层
细菌素正被研究作为水产养殖中抗生素的替代品。含有产细菌素益生菌的饲料可减少疾病并提高存活率。研究表明，在泰米尔纳德邦使用这种饲料时，感染了弧菌的虾死亡率降低。鲑鱼养殖中的益生菌方法也显示出控制李斯特菌的潜力。利用废弃物进行的低成本生产也显示出有效性。
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结论
微生物衍生的细菌素代表了现代食品体系中化学防腐剂的可持续替代。其天然来源、安全性以及对多种食源性病原体的有效性，使其非常适合满足对清洁标签和生态友好食品日益增长的需求。通过本综述，很明显细菌素可用于不同食品领域（如乳制品、肉类、海鲜、植物基食品、即食产品），有助于改善食品安全和延长保质期。然而，尽管有这些优势，仍存在某些挑战，如复杂食品基质中活性降低、微生物谱窄、稳定性问题以及可能出现耐药菌株，这些都需要解决。这些挑战凸显了需要加强研究以提高其在食品体系中的应用效率。尽管如此，纳米技术、基因工程、智能包装和协同保存方法等最新技术进展显示出克服这些局限性的新可能性。随着持续创新和适当的监管支持，细菌素有潜力在改变全球食品保存方面发挥关键作用。因此，细菌素与可持续食品体系的目标非常吻合，可减少合成添加剂并支持更安全的食品生产体系，这不仅对食品可持续，对环境也更可持续。
