纳豆菌作为食品防腐剂的研究进展
张丽靖,杨郁
(浙江大学宁波理工学院分子设计与营养工程市重点实验室)
摘要:纳豆菌的液体发酵的代谢产物具有抑制致病菌的作用,可开发成为食品防腐剂。从纳豆菌的抗菌物质的种类、抗菌活性、抗菌机理、研究现状、应用前景等方面综述了纳豆菌作为食品防腐剂的进展情况。
关键词:纳豆菌;抗菌物质;食品防腐剂
当今用于食品工业防腐最多的是化学防腐剂,如苯甲酸钠、山梨酸钾、对羟基苯甲酸酯类等,但化学防腐剂对人体存在一定的毒副作用。随着人民生活水平的提高和对食品安全的日益重视,开发广谱、高效、低毒、天然的防腐剂成了食品防腐研究的一个热点,而从传统发酵食品的微生物中寻找有用代谢产物作为生物防腐剂更是一个安全有效的方法。目前,已有许多细菌素被研究和发现,但在食品中应用研究较多的细菌素只有尼辛(Nisin)和纳他霉素(Natamycin),其他细菌素的应用研究较少。本文从纳豆菌的生物学特性入手,从纳豆菌抗菌物质的种类、抗菌活性及机理等方面概述其作为天然食品防腐剂的研究进展。
1纳豆菌
纳豆菌(Bacillus natto)是从日本的传统发酵食品纳豆中发现并分离得到,属细菌科、芽孢杆菌属,是好氧的革兰氏阳性菌。纳豆菌在肠道生长能分泌各种酶和维生素,促进小肠黏膜细胞的增殖,保证肠功能的正常;分解蛋白质、碳水化合物、脂肪等大分子物质,使发酵产品中富含氨基酸、有机酸、寡聚糖等多种易被人体吸收的成分,而且具有多种保健功能,如溶血栓、抗肿瘤、降血压等。纳豆作为健康食品在日本食用了两千多年,证明了纳豆菌是对人体无病原性的安全菌株。与化学防腐剂相比,纳豆菌抗菌物质不仅具有安全性高、抗菌谱广等优点,而且纳豆菌代谢物具营养性和功能性,有降血压、抗肿瘤、抗氧化性、溶血栓等作用[1]。
2抗菌物质的种类
将纳豆菌进行液体发酵,对发酵液离心取上清,该上清液可作为抗菌粗液,将其点样于一定直径大小的滤纸片上。检测纳豆菌抗菌作用时,首先将其他待检测菌涂布于平板,再将滤纸片放置于已涂布检测菌的平板上,培养一定时间测定抑菌圈大小。抑菌能力的大小与菌株本身及纳豆菌发酵的培养基组成有一定关系,有研究表明,纳豆菌发酵培养基除合适的碳、氮源之外,还应加入少量的金属盐及氨基酸[2]。纳豆菌产生的抗菌物质主要有杆菌肽,多粘菌素和2,6-吡啶二羧酸,其中多粘菌素包括多粘菌素B(polymyxin B)及多粘菌素E(polymyxin E)。这些物质对痢疾杆菌、原发性大肠杆菌O-157、O-111、O-144、伤寒菌、沙门氏菌等都有强烈的抑制作用[3]。
3纳豆菌抗菌物质的抗菌活性及抗菌机理
多粘菌素、杆菌肽和2,6-吡啶二羧酸的抗菌活性和抗菌机理各不相同。多粘菌素B和E是多肽类抗生素,二者具有相似的抗菌作用,对多数革兰氏阴性杆菌有杀灭作用,主要敏感菌有大肠杆菌、沙门氏菌、巴氏杆菌、布鲁氏菌、弧菌、痢疾杆菌、绿脓杆菌等,其中对绿脓杆菌杀菌作用较强。但多粘菌素E的抗菌活性比多粘菌素B稍差。
多肽类抗生素具有表面活性,含有带阳电荷的游离氨基,能与革兰氏阴性菌细胞膜的磷脂中带阴电荷的磷酸根结合,使细菌细胞膜面积扩大,通透性增加,细胞内的磷酸盐、核苷酸等成分外漏,导致细菌死亡。多粘菌素就是通过改变细菌细胞膜的通透性而起到杀菌作用[4]。杆菌肽主要作用于革兰氏阳性菌。杆菌肽对耐药的金黄色葡萄球菌、肠球菌、链球菌有效,对螺旋体和放线菌也有效,但对革兰氏阴性菌无效。杆菌肽的抗菌机理是抑制革兰氏阳性菌胞浆内的肽聚糖前体转变为焦磷酸萜醇,从而起到抑菌作用[4]。
2,6-吡啶二羧酸在1936年由日本人最早发现存在于纳豆粘液,它是由于纳豆菌发酵大豆才生成的。现已确认这一物质本身对纳豆苗的生长繁殖也有抑制作用,但对包括大肠杆菌在内的其他细菌具有更强烈的抑制效果。目前对于其抗菌作用机理还未完全研究清楚[5]。正是由于多粘菌素抑制革兰氏阴性菌,杆菌肽抑制革兰氏阳性菌,及其他物质如2,6-吡啶二羧酸的抗菌作用,所以纳豆菌抗菌物质对多种菌均有抑制作用,抗菌谱较广。
4研究现状
在抗生素使用前纳豆在日本民间已被长期用于治疗痢疾、伤寒等的消化道疾病,人们一直认为常食纳豆可起到壮体防病功效。有研究表明纳豆菌对细菌、酵母菌和霉菌均具有一定的抗菌活性,具有抑制白假丝酵母、沙门氏菌、伤寒菌、痢疾菌及O-l57、H7大肠杆菌等致病菌作用,纳豆菌产生的枯草杆菌蛋白酶可降解金黄色葡萄球菌肠毒素[6-7]。纳豆控制了1996年在日本发生的O-157大肠杆菌中毒事件,正是因为纳豆菌分泌的一些代谢产物能对一些重要肠道致病菌起杀灭或抑制作用[7]。
国内对纳豆菌抗菌作用的研究较为少见,钟青萍等[8]研究了纳豆菌抗菌蛋白的抗菌谱,表明其对细菌、酵母菌和霉菌均有一定的抑菌作用,并设计了提高抗菌作用的优化培养基,同时发现抗菌蛋白应用到食品中有较好的防腐效果,消毒牛奶于37℃贮存48 d后,添加0.06%抗菌蛋白的样品的细菌数比对照低5个数量级,防腐效果优于0.02%的Nisin,与乳酸钠、山梨酸钾和甘氨酸等还有一定的协同作用。也有学者对纳豆菌的生物学特性及其对致病菌的抑制作用进行了研究[9-10],但目前还没有从纳豆菌的发酵液中将抗菌物质分离纯化的报道。
5应用前景
不少微生物在其代谢过程中都能产生抑菌物质,但作为食品防腐剂必须符合[11]:生物杀菌素本身对人体完全无害;在消化道内降解为食物的正常成分;对食品进行热处理降解为无害成分;不影响消化道菌群;不影响药用抗菌素的使用等要求。纳豆在日本已经被食用了2000多年,其特性适合于作为天然防腐剂在食品中应用。纳豆菌抗菌物质抗菌谱较广,具有较强的抗菌作用和良好的稳定性,将其应用于牛奶和猪肉的防腐试验证明,纳豆菌作为食品防腐剂具有良好的防腐效果,0.06%抗菌蛋白的防腐效果与0.02%Nisin的效果相近,与乳酸钠等化学防腐剂配合使用效果更好[8]。
由于目前在食品中应用较多的生物防腐剂尼辛、溶菌霉和纳他霉素等,这其中有些产品国内还没有工业化生产,这给食品工业生产中的批量应用带来一定的不便,如果从国外进口,价格昂贵。以天然农产品为原料,用发酵等生物技术而制备,具有高效、无毒、适用性广、性能稳定等优点,成为食品防腐剂研究、应用、发展的一个重要方面。纳豆菌抗菌物质的发酵周期短,投资小,成本低,对环境无污染,可同时生产其他一些有用的副产物,因此,纳豆菌发酵作为新型高效的天然食品防腐剂的开发具有广阔的开发潜力和市场前景。微生物防腐剂抑菌物质的鉴定,抗菌谱的确立,食品毒理学分析等将成为研究的重点。另外,通过生物工程技术对抑菌物质的遗传调控进行研究,具有一定的理论意义及广泛的应用前景。（食品添加剂应用网）