ε-聚賴氨酸在食品中應(yīng)用的研究進展

李昆侖 ，李江闊 ，張 鵬 ，張 平

（1.國家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心（天津）天津市農(nóng)產(chǎn)品采后生理與貯藏保鮮重點實驗室，天津 300384；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，沈陽 110161）

目前，在食品添加劑市場上使用的防腐劑種類很多，但大部分是人工合成防腐劑。因此類防腐劑受pH影響，只有在酸性條件下才能發(fā)揮作用，如山梨酸及其鉀鹽，苯甲酸及其鈉鹽等，均屬化學(xué)防腐劑，對人體有一定的毒副作用。而占比重很小的天然防腐劑又存在著抗菌譜窄、效率低、防腐作用不明顯等弊端。因此，研發(fā)抗菌譜廣、抗菌性強、安全無毒、受pH影響小的天然食品防腐劑已經(jīng)成為世界各國食品科技工作者的研究重點。

1977年，S Shima和H Sakai從土壤中分離出可以產(chǎn)生ε-聚賴氨酸（ε-PL）的Streptomyces albulus346，1982年又證實這種聚合物是由L-賴氨酸組成。聚賴氨酸是賴氨酸α位的羰基和β位氨基結(jié)合的聚合物。后來ε-聚賴氨酸(ε-PL)被證實有廣譜抗菌性，對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌均有抑制作用，對細菌的最小抑制濃度（MIC）小于100 μg/mL，對真菌的抑制濃度略高，并且在高溫、酸、堿條件下都穩(wěn)定存在。ε-PL作為新型天然防腐劑，已于2003年10月被FDA批準(zhǔn)為安全食品添加劑，在日本已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，并進入了市場。但是在我國ε-PL還處于試驗研究階段，有待于進一步研究與探索。

1 ε-PL理化性質(zhì)

1.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)

由S.albulus生產(chǎn)的ε-PL由25～35個L-賴氨酸殘基組成，除了長度以外，沒有明確的研究結(jié)果表明ε-PL有二級或者三級結(jié)構(gòu)。其分子結(jié)構(gòu)如下：

1.2 最適pH值

ε-PL為淡黃色粉末，吸濕性強，略有苦味，最適pH值為5～8。也就是說，ε-PL在中性或微酸、微堿性環(huán)境中有較強的抑菌性，而在酸性和堿性條件下，抑菌效果不太理想。這可能是由于聚賴氨酸作為賴氨酸的聚合物在酸性和堿性條件下易分解的緣故。

1.3 熱穩(wěn)定性

ε-PL熱穩(wěn)定性非常好，即使將其水溶液加熱至100℃處理30 min或120℃處理20 min后，也不會發(fā)生分解現(xiàn)象，仍保持原有聚合物的長度。J Hiraki（2000）研究表明，在pH值3.0時加熱，ε-PL的結(jié)構(gòu)也未發(fā)生變化。ε-PL能夠承受一般食品加工過程中的加熱處理，可以隨原料一同進行滅菌處理，防止二次污染。

1.4 膠體性質(zhì)

ε-PL作為一種濃縮膠質(zhì)溶液的交聯(lián)劑，它的效力對pH值和膠質(zhì)分布有依賴性。在膠質(zhì)中，陽離子電荷與陰離子縮氨酸聚合物的平衡導(dǎo)致了膠體的不透明性和最終網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的崩潰[1]。

在pH值接近中性時，L-聚賴氨酸可以作為一種有效的膠質(zhì)網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)劑。一種甲基酯化程度為36%的膠質(zhì)形成了一種透明的彈性凝膠體，膠質(zhì)中的電荷重新分配。凝膠體的硬度隨著交聯(lián)劑的濃度增加而增加，在ε-PL膠質(zhì)所占比率為0.21～0.56時達到最大值。聚陽離子賴氨酸的添加會導(dǎo)致凝膠體透明度的下降，并且最終導(dǎo)致網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的崩潰。膠質(zhì)聚賴氨酸鏈的親和力隨著聚賴氨酸鏈長的不斷增長而增加，聚賴氨酸殘基達到47個時，交互作用的穩(wěn)定性常數(shù)是8700。作為一種交聯(lián)劑，聚賴氨酸的存在降低了Donnan效果的影響程度，導(dǎo)致了網(wǎng)狀物的融脹。在復(fù)雜的非原質(zhì)體環(huán)境中，離子影響著全部平衡，包括無機的和有機的陽離子，可以通過對網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)和融脹的影響調(diào)整膠質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)[1]。

2 ε-PL抑菌性

J Hiraki等指出，ε-PL的抑菌機理可能是因為它是陽離子表面活性物質(zhì)，能破壞微生物的細胞膜結(jié)構(gòu)，引起細胞的物質(zhì)、能量和信息傳遞中斷，還能與細胞內(nèi)的核糖體結(jié)合影響生物大分子的合成，最終導(dǎo)致細胞死亡。ε-PL對細菌、真菌、酵母的最低抑制濃度不同，原因可能是它們的細胞表面結(jié)構(gòu)不同。ε-PL既可以抑制革蘭氏陽性菌生長，又可以抑制革蘭氏陰性菌生長，除了乳鏈球菌和空腸彎曲菌（150 μg/mL）外，對其他細菌的最小抑制濃度均不超過50 μg/mL。在對酵母的抑制作用中，對畢赤酵母、接合酵母的最小抑制濃度是150 μg/mL,對假絲酵母、法夫酵母、子囊菌、乳糖分解酵素紅酵母、擲孢酵母、啤酒酵母等其他酵母的抑制作用都不超過50 μg/mL。而對霉菌的最小抑制濃度均超過50 μg/mL[2]。

S Shima等采用Escherichia coli K-12研究了ε-PL的分子量與抑菌性關(guān)系的結(jié)果表明，超過9個L-賴氨酸殘基才可以抑制微生物的生長，而化學(xué)改性α氨基會降低抑菌活性[3]。ε-PL是一種陽離子聚合物，等電點是9.0。因此，在堿性條件下，抑菌活性和抗噬菌體的活性最低。對于E.coli，在pH值為5.0～8.0條件下，最低抑制濃度是25～50 μg/mL，而在pH值為8.0時最低抑制濃度大于200 μg/mL[2]。同樣，如果存在像偏磷酸這種陰離子聚合物的情況下也會降低ε-PL的抑菌活性，其原因是降低了它的陽離子電荷。

3 ε-PL抗菌特性

ε-PL具有廣譜抑菌性，對革蘭氏陽性和陰性菌如大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌、乳酸菌、金黃色葡萄球菌等的繁殖有抑制作用，而對霉菌的抑制作用較小。ε-PL作為保鮮劑具有安全性能高、在水中的溶解性強、熱穩(wěn)定性好、使用范圍廣以及不影響食品風(fēng)味等優(yōu)點，在中性和微酸性環(huán)境條件下均有較強的抑菌作用。由于對熱穩(wěn)定，加入后可熱處理，因此還能抑制耐熱性芽孢桿菌等。另外，S Shima等認為，ε-PL對一些呈蝌蚪狀的非收縮性長尾噬菌體也有抑制作用[3]。值得注意的是,具有高抑菌活性的ε-PL至少必須有10個以上賴氨酸單體，而且利用微生物合成的ε-PL抗菌活性高于化學(xué)合成的α-聚賴氨酸（含有50個賴氨酸單體）。

3.1 抗菌譜

為了調(diào)查ε-PL對不同微生物培養(yǎng)過程中生長的抑制情況，J Hiraki等根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)需求，采用相應(yīng)的培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件培養(yǎng)不同的微生物，并在培養(yǎng)基中加入不同濃度的ε-PL，以觀察ε-PL對不同微生物生長的最小抑菌濃度（MIC），調(diào)查結(jié)果參見表1[2]。

表1 ε-PL抑制微生物生長的最小抑菌濃度

由表1可以看出，ε-PL具有廣譜抗菌性，對細菌的最小抑菌濃度（MIC）均小于100 μg/mL，而對真菌的MIC相對要高一些。

3.2 安全性

ε-PL在日本作為東方式食品的保鮮劑已有很長一段時間，如在生魚片和生魚壽司中一般添加量為1000～5000 μg/g，在米飯（快餐盒）、面湯和其它湯類、面條、煮熟蔬菜等的添加量為10～500 μg/g。A Fukutome等[4]進行的慢性毒性和致癌性聯(lián)合試驗結(jié)果表明，每天攝取的食物中ε-PL含量在6500 μg/g屬于極安全的水平；在ε-PL添加量為20000 μg/g時，無明顯的組織病理變化,也觀察不到可能的致癌性。J Hiraki等用非常詳細的毒理試驗證實了ε-PL作為食品保鮮劑的高度安全性[5]，他們用雄性或雌性老鼠進行急性毒性試驗，試驗分兩組，均用ε-PL連續(xù)喂養(yǎng)14天，一組喂養(yǎng)量為每天 5 g/kg（ε-PL 質(zhì)量/老鼠體重），5 min后，所有老鼠的情緒只受到輕微的影響，3～6 h后恢復(fù)正常；而喂養(yǎng)量為每天1.25～2.5 g/kg的另一組老鼠，則觀察不到任何毒性反應(yīng)，兩組老鼠的體重也沒有任何差別，表明ε-PL對老鼠生長沒有任何影響。急性毒性試驗后又進一步觀察了很長一段時間發(fā)現(xiàn)，所有老鼠的體重均沒有受到影響，主要器官的病理檢查也沒有任何異常。用代謝活力缺陷的鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）等細菌進行回復(fù)試驗也表明ε-PL沒有致突變性。90天喂養(yǎng)慢性毒理試驗（Subchronic toxicity）表明，每天攝取的食物中ε-PL含量在10000 μg/g以下屬于極安全的水平。用14C標(biāo)志的ε-PL進行ADME試驗(動物的吸收性、分布性、代謝性和排泄性試驗)也表明ε-PL的安全性。ε-PL作為食品保鮮劑在米飯或壽司中添加量為5～50 μg/g,以每人每天進食 300 g米飯(加有 50 μg/g 的 ε-PL)，一個 60 kg 體重的人每天進食的ε-PL量只有15 mg，因此ε-PL作為食品保鮮劑是極安全的。

3.3 使用范圍

ε-PL具有水溶性好、熱穩(wěn)定性和pH使用范圍廣等特點，在各種不同條件下均可使用。ε-PL的主要生產(chǎn)商日本窒素公司（Chisso Corporation）對產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性和pH值使用范圍等進行了試驗，試驗結(jié)果參見表2和表3。

表2 熱處理對ε－PL MIC的影響

表3 pH值對ε－PL MIC的影響

從表2和表3可以看出，ε－PL具有很好的熱穩(wěn)定性，能夠承受一般食品加工過程中的熱處理，可以隨原料一同進行滅菌處理，防止二次污染，而在pH值5～8范圍內(nèi)抑菌效果相對比較穩(wěn)定。

3.4 對食品風(fēng)味的影響

ε－PL作為食品保鮮劑不影響食品風(fēng)味，Ho Yu－Ting等研究發(fā)現(xiàn)，由于耐熱性好，ε－PL加入食品中經(jīng)過高溫消毒能與右旋糖苷發(fā)生美拉德反應(yīng)，且不僅能夠保持抗菌效力，還有很強的乳化特性，甚至食品在pH值7和1 mol/L NaCl的環(huán)境下，這種乳化特性也不受影響，因此證明ε－PL是具有乳化和防腐雙重功能的食品添加劑[6]。

3.5 抑菌機理

ε－PL呈高聚合多價陽離子態(tài)，它能破壞微生物的細胞膜結(jié)構(gòu)[7]，引起細胞的物質(zhì)、能量和信息傳遞中斷，還能與胞內(nèi)的核糖體結(jié)合影響生物大分子的合成，最終導(dǎo)致微生物細胞死亡。

4 ε－PL在食品加工中的應(yīng)用

4.1 食品防腐劑

在工業(yè)及食物產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的化學(xué)防腐劑會危害到人體的健康，因此，研究開發(fā)新型天然防腐劑是人類對食品安全的需要。J Hiraki等[8]和S Shima等[3]都發(fā)現(xiàn)ε－PL具有很好的抗菌活性和熱穩(wěn)定性，所以是一種理想的天然食品防腐劑。同時K Neda（1999）對ε－PL進行了毒理學(xué)研究，經(jīng)慢性和亞急性喂飼小鼠實驗證明了ε－PL沒有毒性，甚至當(dāng)ε－PL高達20000 mg/kg劑量水平的時候也不會產(chǎn)生任何的不良效果或基因突變。此外，ε－PL對生殖系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)，胚胎的發(fā)育、后代的生長，甚至第二代的胚胎發(fā)育都不會產(chǎn)生毒性，因此認為是一種安全的天然防腐劑。J Hiraki等[9]通過14C－放射法研究ε－PL在體內(nèi)的吸收、分布、代謝和排泄（ADME）后發(fā)現(xiàn)，ε－PL 在胃腸道中幾乎不被吸收，168 h之內(nèi)經(jīng)過排泄放射性也隨之消減。另外，對受體進行X光照射檢查，在任何組織器官內(nèi)未發(fā)現(xiàn)ε－PL的堆積。

基于ADME及毒理學(xué)上的研究，在日本ε－PL已經(jīng)作為多種食品的防腐劑被廣泛使用。例如，在日本傳統(tǒng)的日常菜肴中（500 mg/kg），在加工天然食品如生魚片、壽司中（1000～5000 mg/kg），方便食品如方便米飯、方便面、速食湯、速食蔬菜（10～500 mg/kg），以及在蛋糕、色拉、乳酪等中的應(yīng)用。近年來，美國也開始使用ε－PL，主要作為防腐劑應(yīng)用于方便食品中，添加濃度為 5～50 mg/kg。

ε－PL作為一種新型食品防腐劑除了單獨使用外，還可以與其它食品添加劑混合使用，如氨基乙酸、醋、乙醇、維他命等，并且混合使用后可以明顯地提高ε－PL的防腐能力。例如當(dāng)ε－PL和氨基乙酸混合用于濃縮牛奶的防腐時，會產(chǎn)生明顯的協(xié)同增效作用，抑菌能力得到明顯的提高。同時這種協(xié)同作用能減少食品中的防腐劑添加量[2]。

目前，以ε－PL和柑橘萃取物為主要成分的抑菌劑已經(jīng)被成功地研制出來，其中的有效成分能很好地抑制許多致病菌的生長，如Listeria monocytogens、E.coli O－157:H7、Salmonella typhimurium、Vibrio cholerae，Vibrio parahae molyticus、Staphylococcus aur-eaus等，因此，能安全地應(yīng)用到食品防腐中。除此之外還可以用于衛(wèi)生消毒、清洗廚衛(wèi)用品等。

4.2 乳化劑

雖然ε－PL被視為一種天然的防腐劑，但J Hiraki[8]通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ε－PL應(yīng)用到食品加工過程中會與蛋白質(zhì)和酸性多糖互相作用，從而導(dǎo)致抗菌活性的降低甚至丟失。ε－PL的乳化能力又較弱，因此，限制了其在淀粉類食品中的應(yīng)用。Y Ho等研究發(fā)現(xiàn)[6]，ε－PL與右旋糖苷通過美拉德反應(yīng)（Maillard reaction）后所得的產(chǎn)物會有較強的乳化能力，甚至比商用乳化劑（如Sunsoft SE－11和Q－18S）的效果更好，并且此產(chǎn)物的乳化能力在中性pH范圍內(nèi)最強，同時還不受高NaCl濃度（1.0 mol/L）的影響。研究還發(fā)現(xiàn)，所得產(chǎn)物中ε－PL的抗菌性幾乎完全被保留。因此可見，通過美拉德反應(yīng)后，ε-PL成為了具有防腐及乳化雙重功能的食品添加劑。

4.3 食療劑

當(dāng)今肥胖已經(jīng)成為一種非常嚴(yán)重的問題，它可以引起許多危害人類健康的疾病，比如糖尿病、高血壓、動脈硬化等。抑制肥胖產(chǎn)生的有效途徑是通過低脂肪飲食來控制；另一種可行方法是在飲食的同時攝入一種純天然物質(zhì)，這種物質(zhì)可以有選擇性地來限制腸道對脂肪的吸收。在腸道吸收脂肪的過程中，胰脂肪酶起著很重要的作用，若存在的某種物質(zhì)能抑制胰脂肪酶活性，就可以有效地控制小腸對油脂的吸收。YKito等[10]首次報道了關(guān)于脂肪酶抑制劑活性特征及ε-PL對飯后甘油三脂的抑制作用，指出ε-PL能夠作用于含有膽鹽和磷酸膽堿的乳劑并使其分解，從而抑制脂肪酶活性。報道中還指出了4種賴氨酸同聚物的50%脂肪酶抑制劑活性（IC50）的大小:ε-PL（222個賴氨酸殘基，3.1 μmol/L）＜ε-PL（25～35 個賴氨酸殘基，6.8 μmol/L）α-PL（44個賴氨酸殘基，7.6 μmol/L）＜α-PL（11 個賴氨酸殘基，37 μmol/L）。除 ε-PL 的 IC50與 α-PL（44 個賴氨酸殘基，7.6 μmol/L）近似外，可以看出，分子中氨基酸基團數(shù)量的多少對ε-PL抑制劑活性起到了重要的作用，而與氨基酸基團在分子中的位置無關(guān)。ε-PL與α-PL的不同點在于，ε-PL的抑制活性在經(jīng)過一系列消化酶，如胰蛋白酶、α-糜蛋白酶、胃蛋白酶等的作用后依然存在。這些結(jié)果表明，ε-PL能在消化道中很好地抑制脂肪的吸收，而其它具有抑制活性的基礎(chǔ)蛋白質(zhì)會因其活性在消化道中的退化而失去作用。Y Kito等進一步以小鼠為研究對象，研究了ε-PL對飯后甘油三脂的抑制作用，在鼠胃中注入15 mg/kg的油脂乳劑和ε-PL，通過2～3 h后試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加了ε-PL小鼠的血漿中甘油三脂的濃度比未添加ε-PL的有明顯的降低（p＜0.05）[10]。上述試驗結(jié)果都證明了一個結(jié)論：ε-PL能夠通過抑制胰脂肪酶活性來制止小腸對飲食過程中脂肪的吸收，是一種良好的食療劑。

5 ε-PL研究展望

ε-PL對人體無害，而且可以生物降解。因此，人們已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向研發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，ε-PL的氨基基團可以有效地應(yīng)用于合成超大分子凝膠上，以提高凝膠的吸水性。水凝膠吸水能力很強，可以通過ε-PL與多糖的相互交聯(lián)而成。合成過程中需要低分子和高分子的交聯(lián)劑。當(dāng)藻酸丙二酯與ε-PL混合后，在酯和ε-PL之間發(fā)生酰胺化反應(yīng)，進而生成吸水性很強的水凝膠，其韌性好、易膨脹等特點可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域。

ε-PL作為抗菌譜廣、抗菌性強、安全無毒的天然防腐劑，一定會有巨大的市場需求。但是目前ε-PL生物合成機理還沒有被完全探明，嚴(yán)重地阻礙了其發(fā)展進程，相信待這個問題解決之后，會有一個更為高效的ε-PL生產(chǎn)體系，其應(yīng)用前景也將會更為廣闊。ε-PL在日本已經(jīng)開始工業(yè)化生產(chǎn)而且應(yīng)用研究也在不斷深入。與國外相比，我國國內(nèi)的研究水平還停留在實驗室階段，今后研究重點應(yīng)該是菌種改造和探明生物合成機理，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，同時加強應(yīng)用領(lǐng)域的研究，將會明顯地提高經(jīng)濟效益和社會效益。

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