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细菌素的研究分析与应用
发布日期:2017-07-31   浏览次数:58
核心提示:近半个世纪以来,由于抗生素对病原菌的显著疗效而导致其滥用,致使耐药性菌株对人类健康的威胁日益加剧。开发安全高效的防腐剂刻不容缓。乳酸链球菌素作为典型的细菌素,是目前研究和应用最为广泛的天然食品防腐剂,为全世界普遍公认。
      常见的细菌素比如乳酸链球菌素、大肠杆菌素等都是以产生菌作为命名和分类原则。随着细菌素研究的发展,其分类方法也从最初的按来源分类发展至以结构功能作为分类标准。目前学术界普遍认为将细菌素分为四类。

第一类细菌素分子量通常低于5 kDa,含有19~50个氨基酸,耐热,含有羊毛硫氨酸或者甲基羊毛硫氨酸,故称为羊毛硫胺类细菌素。它们可带电荷或不带电荷,最典型的代表是nisin和subtilin。

第二类非羊毛硫胺类细菌素,为小分子多肽或蛋白质,分子量一般小于10 kDa,热稳定性较好,通常对李斯特菌具有特异抗性,按照结构不同被分为三个亚类(Ennahar et al.,2000)。谢燕等通过基因搜索手段发现二类细菌素一般由37~48个氨基酸残基构成,而且具有类似的氨基酸序列,可以作为二类细菌素的判断标准(谢燕等,2011)。典型代表细菌素有戊糖片球菌素05-10。

第三类细菌素是分子量较大(>30 kDa)、热稳定性较差的蛋白质,如乳酸菌细菌素lactacin B(Barefoot et al.,1994)。

第四类细菌素由蛋白基团和其他特定的基团比如磷脂、脂肪酸链等共同构成,这些特殊基团通常是细菌素的活性部位,如肠膜明串珠菌产细菌素leuconocin S (Cherif et al.,2008)。

目前发现的细菌素大多属于第一、二类,分别有20和100多种,关于其他两类的结构和功能则知之甚少(那淑敏等,1999)。所以有的学者认为为了方便起见可以直接将细菌素以羊毛硫胺类和非羊毛硫胺类进行分类(谢建华等,2009)。

年来新发现的细菌素越来越多,其中研究最为透彻的是乳酸菌产生的细菌素,表2是乳酸链球菌产细菌素nisin的研究历程。乳酸菌细菌素具有自身免疫性,可以竞争性抑制亲缘关系近的菌株,如nisin可以抑制有些其他乳酸菌(李东等,1995),同时它可以杀死多数革兰氏阳性致病菌,作为食品添加剂保护食品(Riazi et al.,2009)。Nisin是首个用作天然食品防腐剂的细菌素,它高效、无毒,热稳定性好,且对胃蛋白酶不敏感,不会产生耐药性。基于nisin的众多优良特性,它已广泛应用于食品添加剂、益生菌、制药、生物农业等领域,应用范围广至全球50多个国家和地区(田召芳,2003)。

很多乳酸菌都可以产生乳酸菌素,它们根据分子量、热稳定性和结构等特点被分为四类,同时可以根据产生菌分为六类。目前乳酸菌素的研究方向主要集中于利用基因工程和蛋白质工程手段高效表达nisin,同时开发更多安全高效的天然防腐剂。如明串珠菌可以产生细菌素leucocin A,研究尝试将其应用于肉制品中防止米酒乳杆菌的繁殖(Leisner et al.,1996)。刘丽等(2011)从肉制品中分离到一株戊糖片球菌,产生的片球菌素对单增李斯特菌具有良好的杀灭作用。从传统发酵食品卷心菜中发现的一株乳酸菌可以分泌具有较广抑菌谱的细菌素(Gao et al.,2010)。其他益生菌也可以产生有用的乳酸菌素,如婴儿双歧杆14602细菌素较之于nisin具有更加广泛的抑菌谱和pH适应性,可以很好地补充nisin的不足(Cheikhyoussef et al.,2009)。

芽胞杆菌是十分重要的商业用菌株,它们可以产生丰富的有用代谢产物,广泛应用于食品、医疗和生物领域。研究发现枯草芽胞杆菌、解淀粉芽胞杆菌等大多数芽胞杆菌都可以产生一种或多种细菌素,包括脂肽类、肽类和磷脂类(郑虹,2006)。

2.2.1枯草芽胞杆菌细菌素

枯草芽胞杆菌是公认的益生菌,能够产生多种抗菌物质,目前已报道的就有20种,统称为枯草杆菌素(subtilin)。中药中的枯草芽胞杆菌LFB112,对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌等各种食品腐败菌都具有良好的杀灭作用 (Xie et al.,2009)。枯草芽胞杆菌Nxc6分泌一种性质优异的细菌素,pH作用范围较宽,热稳定性好,对细菌和一些真菌都具有明显的抗性(徐海燕等,2010)。张晓云(2011)从土壤中分离得到一株枯草芽胞杆菌,产生的细菌素分子量约为66 KDa,同时还分泌多种脂肽,具有巨大的生防应用潜力。

2.2.2苏云金芽胞杆菌细菌素

苏云金芽胞杆菌可以杀死多种害虫,在农业方面的应用已经十分成熟。同时它也可以产生十分丰富的抑菌活性物质如thuricinstochicins和entomocins等细菌素(陈平,2012)。杨婧(2011)从土壤中分离得到一株苏云金芽胞杆菌,产生的细菌素对常见植物病原菌具有毒杀作用,同时还产生丰富的淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等有用代谢物,具有很高的商业应用价值。

国外研究者从植物根际中分离得到一株苏云金芽胞杆菌,经过高效液相色谱分离和质谱鉴定发现其抗菌产物为一种新型的细菌素,将其命名为thuricin 17(Gray et al.,2006)。同样Lee等(2009)研究发现并命名了thuricin H。Bacthuricin F4是研究者于2005年发现并命名的苏云金芽胞杆菌素,为小分子多肽,对蛋白酶敏感,对芽胞杆菌具有强烈的抑制作用,但对革兰氏阴性菌几乎没有作用(Kamoun et al.,2005)。另外一种新型的苏云金芽胞杆菌素thuricin S发现于2007年,经鉴定分子量为3137 Da,与Bacthuricin F4相似,具有良好的热稳定性和单增李斯特菌抗性(Chehimi et al.,2007)。通过比较发现thuricin S 和Bacthuricin F4以及 thuricin 17具有完全相同的N端序列(DWTXWSXL),说明它们同属于第二类细菌素。此外还有大量的苏云金芽胞杆菌素如Tochicin和entomocin110(Cherif et al.,2008)等不再一一介绍。

2.2.3地衣芽胞杆菌细菌素

Mendol等(2004)从一株地衣芽胞杆菌产物中分离纯化得到类细菌素,发现对众多病原菌都有不同的杀灭作用。地衣芽胞杆菌DW2也可以产生细菌素,研究者对其发酵条件进行优化大大提高产量(邓坤等,2009)。从待产妇阴道中分离的地衣芽胞杆菌可以分泌细菌素,具有调节微生态平衡的作用,所以可以用于治疗肠道疾病(孙晶等,2009)。Martirani等(2002)分离得到一株嗜温性地衣芽胞杆菌,它可以产生一种新型的细菌素,被命名为bacillocin490。Bacillocin 490分子量为2 KDa,稳定非常好,并且可以在牛奶中发挥抗菌作用,可以弥补nisin的不足应用于高温高酸性食品中。地衣芽胞杆菌189来自于温泉环境中,50℃时分泌细菌素,分子量为3249.7 Da,可以强烈抑制很多革兰氏阳性菌,鉴于其优异的耐热性能而具有广阔的应用前景

2.2.4蜡样芽胞杆菌细菌素

蜡样芽胞杆菌部分菌株具有致病性,可导致食物中毒。但无毒蜡样芽胞杆菌大都具有丰富的应用价值,可以产生各种细菌素、蛋白酶等有用代谢产物。它们通常是一些蔬菜、作物及树木的内生菌,可以和植物建立互惠互利的共生关系,对生物防治具有重要意义(张立娜等,2012)。分离自巴西林地土壤的蜡样芽胞杆菌8A产细菌素cerein8A,可以广泛抑制常见致病菌(Bizani et al.,2002)。张立娜(2012)从酱渣中分离得到一株产抗菌物质的蜡样芽胞杆菌B,经鉴定发现抗菌物质为细菌素,对大肠杆菌具有较好的抑制作用。

2.2.5解淀粉芽胞杆菌细菌素

解淀粉芽胞杆菌模式菌株B.amyloliquefaciens FZB42由美国开发,它可以产生多种细菌素,目前已经作为商品化益生菌应用于不同的领域。邓建良(2009)从果园土壤中分离得到含有多种抗菌素的解淀粉芽胞杆菌YN-1,经提取鉴定确定为脂肽类抗菌肽,属于第四类细菌素。分离自于巴西大西洋森林的解淀粉芽胞杆菌LBM5006产生的细菌素可以广泛抑制常见致病菌,而且具有较宽的pH适应范围和良好的热稳定性,应用前景良好。植物内生解淀粉芽胞杆菌ES-2产生的细菌素热稳定性良好,对部分酶稳定,抗菌谱广且抗菌活性高。胥丽娜(2009)从杨树内生菌中筛选到一株解淀粉芽胞杆菌,其分泌的阳离子细菌素对引起杨树水泡溃疡病的葡萄座腔菌具有强烈的抑制作用。解淀粉芽胞杆菌GA1可以产生不止一种抗菌肽,对其遗传物质进行研究发现含有很多芽胞杆菌属细菌素同源基因片段(Anthony et al.,2009)。

2.2.6其他芽胞杆菌细菌素

凝结芽胞杆菌可以作为益生菌广泛应用,也叫有孢子性乳酸菌。它是肠道中的益生菌,分泌的抗菌物质可以抑制肠道有害菌,可用于婴儿湿疹治疗(魏明香等,2010)。

于婷等(2009)对短小芽胞杆菌BSH-4产抗菌肽进行研究,发现具有良好的热稳定性、紫外线稳定性,对常见蔬菜病原真菌具有很好的杀灭作用,可以应用于蔬菜疾病防治。其他短小芽胞杆菌也可以分泌耐热的细菌素,对金黄色葡萄球菌等细菌具有良好抑制作用(Saleem et al.,2009)。

从韩国泡菜中分离得到一株短芽胞杆菌,产生的细菌素可以抗炭疽杆菌、沙门氏菌,并且耐热耐酸碱,具有重要的应用价值(Hyung et al.,2001)。

多粘芽胞杆菌作为安全的工业应用型菌种,无需进行安全鉴定。现已商业化的生防菌株多粘类芽胞杆菌HY96-2可以产生一种具有广谱抗菌活性的细菌素,对15种植物病原菌都具有良好的抑制作用(范磊等,2012)。多粘芽胞杆菌SCE2分泌一种抗菌肽,可以广泛抑制各类微生物,但对铜绿假单胞菌没有抗性,不同于一般的多粘菌素(Rosado et al.,1993)。

 
 
 
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