微生物世界的天然抗生素

经验 2025年02月10日 06:01 35 翰锟

一、引言

在科技不断发展的今天，我们对微生物世界有了越来越深入的探索，乳酸链球菌肽（Nisin），一种由某些乳酸链球菌产生的多肽类物质，在多个领域发挥着独特而重要的作用，从食品工业到医学研究，它都像是一位隐藏于微生物领域的神秘英雄，等待着人们去全面认识和挖掘其潜力。

二、乳酸链球菌肽的来源与发现

（一）来源

乳酸链球菌肽是由乳酸链球菌（Lactococcuslactis）等一些革兰氏阳性细菌产生的一种多肽类抗菌物质，乳酸链球菌是一种常见的乳酸菌，在奶制品发酵过程中有着不可或缺的作用，这种细菌在生长繁殖过程中能够合成并分泌乳酸链球菌肽到周围环境中，以抑制其他竞争性微生物的生长，从而确保自身在特定生态位中的优势地位。

（二）发现历程

1、早期迹象

20世纪初，科学家们开始注意到一些奶制品具有天然的抗菌特性，在某些传统发酵奶制品中，即使没有添加化学防腐剂，也能长时间保持新鲜而不易腐败变质，这种现象引起了研究人员的兴趣，促使他们深入探究其中的原因。

2、确定成分

随着分析技术的发展，到了1928年，英国科学家艾萨克·卡特（Isaac K.Carter）首次从牛奶中分离出了一种具有抗菌活性的物质，并将其命名为“尼辛”（Nisin），当时，虽然还不清楚它的具体结构和完整的抗菌机制，但这一发现为后续的研究奠定了基础，之后，经过众多科学家的努力，包括化学分析、生物测定等方法的应用，逐渐明确了乳酸链球菌肽的分子组成、结构特征以及生产菌株等关键信息。

三、乳酸链球菌肽的化学结构与物理性质

（一）化学结构

乳酸链球菌肽是由34个氨基酸残基组成的多肽类化合物，它的氨基酸序列较为特殊，包含了一些不常见的氨基酸类型，如D -型氨基酸，这使得它的结构更加复杂且具有独特的立体构型，这些特殊的氨基酸赋予了乳酸链球菌肽较高的热稳定性、抗酶解能力等优良特性，从整体结构上看，它可以分为两个主要部分：一个是由十个氨基酸组成的环状结构，这个环状结构通过五个硫醚键相互连接，形成了一个稳定的五元环体系；另一个是线性的尾部结构，该尾部延伸出去，进一步增加了整个分子的多样性和功能多样性。

1、环状结构的重要性

微生物世界的天然抗生素

环状结构中的硫醚键对于乳酸链球菌肽的稳定性和抗菌活性起着至关重要的作用，这些硫醚键的存在使得分子内部形成了一种较为紧凑的空间构象，不仅增强了分子本身的刚性，而且有助于与其他靶标分子进行特异性结合，当乳酸链球菌肽与目标微生物细胞膜上的特定受体相结合时，这种稳定的环状结构可以更好地插入细胞膜内部，破坏细胞膜的完整性，从而实现抗菌效果。

2、线性尾部的功能

线性尾部虽然不像环状结构那样具有高度的稳定性，但它在乳酸链球球菌肽与其他分子之间的相互作用中扮演着重要角色，它可以增加分子的亲水性或疏水性，使乳酸链球菌肽更容易接近并识别目标微生物细胞表面的特定区域；线性尾部可能参与了一些信号传导过程，在调控乳酸链球菌肽的抗菌活性方面发挥着潜在的作用。

（二）物理性质

1、溶解性

乳酸链球菌肽在水中具有良好的溶解性，这有利于它在不同环境下的应用，在食品加工过程中，它可以均匀地分散在液体或半固体介质中，从而有效地发挥作用，它的溶解度也会受到溶液pH值、温度等因素的影响，在酸性环境下，乳酸链球菌肽的溶解性较好，而在碱性环境下，其溶解性会有所降低，这是因为乳酸链球菌肽分子中的氨基酸侧链基团（如羧基、氨基等）会根据溶液的pH值发生电离变化，进而影响整个分子与水分子之间的相互作用力。

2、热稳定性

乳酸链球菌肽表现出优异的热稳定性，在一定范围内（通常不超过121℃），它不会因为加热处理而失去活性，这一特性使得乳酸链球菌肽可以在高温杀菌等食品加工工艺中得以广泛应用，在罐头食品的生产过程中，为了确保食品安全，需要对产品进行高温灭菌处理，而乳酸链球菌肽能够在这样的条件下仍然保持其抗菌效力，保障产品的质量与安全。

四、乳酸链球菌肽的抗菌机制

（一）对细胞膜的作用

1、插入细胞膜

乳酸链球菌肽主要是通过与目标微生物细胞膜相互作用来发挥抗菌作用的，当它接触到微生物细胞时，首先会被细胞膜表面的某些成分（如磷脂、蛋白质等）所吸引，并逐渐靠近细胞膜，由于乳酸链球菌肽分子具有一定的亲水性和疏水性区域分布，它可以以合适的角度插入到细胞膜的双层磷脂结构之中，在这个过程中，它会利用自身的亲水部分与细胞膜外侧的水相环境相互作用，而疏水部分则倾向于插入到细胞膜内部的疏水区域。

2、形成孔道

一旦乳酸链球菌肽成功插入细胞膜，它就会进一步聚集在一起，形成一个类似于孔道的结构，这个孔道的形成并非简单地将细胞膜撕裂开，而是一个有序的过程，多个乳酸链球菌肽分子会在细胞膜上排列组合，彼此之间通过氢键、疏水作用力等非共价键相互连接，最终构建出一个贯穿细胞膜内外的通道，这个孔道的存在严重破坏了细胞膜的选择性通透性屏障功能，导致细胞内的离子（如钾离子、钠离子等）、小分子代谢产物以及其他重要物质不断向外流失。

3、细胞死亡

随着细胞内物质的大量流失，微生物细胞内的渗透压平衡被打破，细胞无法维持正常的生理功能，最终走向死亡，对于一些革兰氏阳性菌来说，细胞壁的主要成分是肽聚糖，而细胞膜的破损会导致细胞壁合成所需的前体物质（如UDP - N -乙酰胞壁酸五肽等）无法正常运输到细胞壁合成部位，从而使细胞壁变得脆弱不堪，细胞内能量供应系统的紊乱也会加速细胞的死亡进程，因为许多生命活动都需要消耗能量，一旦能量供应不足，细胞就难以继续存活下去。

（二）对其他生物学过程的影响

1、抑制DNA复制

除了直接破坏细胞膜之外，乳酸链球菌肽还可能对微生物细胞内的DNA复制过程产生抑制作用，有研究表明，在某些情况下，乳酸链球菌肽能够干扰DNA聚合酶等关键酶的活性，DNA聚合酶是负责合成新的DNA链的重要酶类，在细胞分裂过程中起着核心作用，当乳酸链球菌肽与DNA聚合酶结合后，可能会改变酶的空间构象或者阻止底物（如脱氧核苷酸等）与酶活性中心的有效结合，从而阻碍DNA复制的顺利进行，如果DNA不能正常复制，细胞就无法完成分裂增殖，只能逐渐衰老直至死亡。

2、干扰蛋白质合成

乳酸链球菌肽还会影响微生物细胞内的蛋白质合成，它可以通过多种途径干扰核糖体的功能，例如改变核糖体亚基之间的相互作用、阻止翻译起始因子与核糖体的结合等，蛋白质是细胞执行各种生命活动所必需的物质，从催化化学反应的酶到构成细胞骨架的结构蛋白，都是由氨基酸按照特定顺序组装而成的，一旦蛋白质合成受阻，细胞内的各种生理活动就会陷入混乱状态，新陈代谢减缓，细胞功能受损，最终可能导致细胞死亡。

五、乳酸链球菌肽在食品工业中的应用

（一）保鲜剂

1、延长保质期

在食品工业中，乳酸链球菌肽作为一种天然的保鲜剂被广泛应用，许多食品在储存和销售过程中容易受到微生物污染而变质腐烂，尤其是生鲜食品，如肉类、奶制品、水果蔬菜等，乳酸链球菌肽凭借其高效的抗菌性能，可以有效抑制这些食品中常见致病菌（如金黄色葡萄球菌、李斯特菌等）和其他腐败菌的生长繁殖，从而延长食品的保质期，在肉类制品加工中，添加适量的乳酸链球菌肽可以减少因微生物生长而导致的颜色、气味和质地变化，使产品在更长的时间内保持新鲜美味。

2、改善食品品质

除了延长保质期外，乳酸链球菌肽还有助于改善食品的整体品质，由于它是一种天然来源的物质，在使用过程中不会像化学防腐剂那样带来异味或改变食品的口感，相反，它可以与其他食品成分协同作用，提升食品的风味和营养价值，在酸奶制作过程中，乳酸链球菌肽