鱼精蛋白的抑菌特性及作为食品抑菌剂的应用

张青

上海辉文生物技术股份有限公司（上海 201318）

一直以来，水产品加工中鱼精一般作为生产废弃物或者同内脏一起被加工成鱼饲料使用，对鱼精的利用价值非常低。随着我国水产渔业的不断发展，提高鱼精废弃产物的综合利用可以有效提高经济产能。

鱼精蛋白是一类存在于成熟雄性鱼类的精巢内的天然阳离子抗菌肽[1-2]，在精巢内与脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）分子以1∶2的比例紧密结合，以脱氧核糖核蛋白（deoxyribose nucleoprotein，DNP）的形式存在。相对分子量较小，基本都在一万以下，由30个左右的氨基酸组成，其中约2/3是精氨酸，可溶于水和稀酸溶液，具有耐高温的特性，等电点在pI 10～12[3-5]。

近年来，大量研究揭示了鱼精蛋白具有广谱高效的抑菌特性。在食品工业方面，鱼精蛋白的抑菌活性自1937年被报道以来一直备受关注[6]，与化学合成防腐剂相比，鱼精蛋白具有安全性高、防腐性好、耐高温等有优点，因此有望作为一种天然的食品防腐剂，作用于食品的贮藏保鲜。

1 鱼精蛋白的分类及组成

与其他蛋白质相较而言，鱼精蛋白的碱性氨基酸含量较高[7]，根据碱性氨基酸的种类和数量，一般将鱼精蛋白分为3类：（1）单鱼精蛋白，其碱性氨基酸只含有精氨酸，已知的属于单鱼精蛋白的鱼类有鲱鱼、鲭鱼、虹鳟鱼、金枪鱼4种；（2）双鱼精蛋白，其碱性氨基酸含有精氨酸、组氨酸或赖氨酸；（3）三鱼精蛋白，其碱性氨基酸含有精氨酸、组氨酸、赖氨酸3种[3]。除碱性氨基酸以外，鱼精蛋白的氨基酸组成还有甘氨酸、丝氨酸、丙氨酸、缬氨酸、脯氨酸、亮氨酸等[8]。实际上，鱼精蛋白是一类成分相似的混合物，而非单一组成。相关研究表明，不同种类的鱼类其鱼精蛋白的氨基酸构成也有很大差别。具体氨基酸组成如表1所示。

表1 不同鱼类鱼精蛋白的氨基酸组成[9-14]

2 鱼精蛋白抑菌研究

已有大量文献报道鱼精蛋白的抑菌活性，相关的抑菌特性也在不断得到验证。外国学者研究鱼精蛋白对多种致病菌的抑菌作用，证实鱼精蛋白对细菌、霉菌、酵母均有一定抑菌效果[15]，有报道称鱼精蛋白对李斯特菌、金黄色葡萄球菌、副溶血性弧菌、沙门菌、绿脓杆菌等致病菌均有很好的抑制效果[16-18]。国内对鱼精蛋白的研究起步较晚，1997年，钟立人等[5]以鲤鱼鱼精蛋白为原料，在对比鲑鱼和鲤鱼鱼精蛋白抑菌特性时发现，鲑鱼的鱼精蛋白对革兰氏阳性菌的抑菌作用更强，并且发现鲑鱼鱼精蛋白对某些革兰阴性菌和酵母也有抑制作用。鲁健章等[19]在国外研究基础上讨论鲑精蛋白对霍乱弧菌、副溶血性弧菌、创伤弧菌的抑菌作用，结果表明3 000 μg/mL的鲑精蛋白可在48 h内完全杀死3种弧菌。一般情况下，鱼精蛋白质量分数1 000 mg/kg时可达到抑菌效果，不同鱼精蛋白对菌种的生长抑制作用不同。张合文等[20]测定鱿鱼和鲑鱼2种鱼精蛋白对食品污染微生物的最小抑菌浓度，得出2种鱼精蛋白对各种细菌、霉菌、酵母的生长均有一定抑制作用，但是鱿鱼鱼精蛋白的抑菌作用较弱。谢小保等[21]研究鲤鱼鱼精蛋白对革兰阳性和革兰阴性菌的生长均有较强的抑制作用。相关报道也不断证实其他鱼类（石斑鱼、大马哈鱼、鲢鱼、鱿鱼、东方鲀）的鱼精蛋白均具有一定抑菌作用[22-26]。

然而，鱼精蛋白作为一种蛋白质，其活性易受环境的影响，如温度、pH、金属离子、有机成分等因素均可影响鱼精蛋白的抑菌活性。

2.1 温度

相关研究表明，鱼精蛋白有一定热稳定性，钟立人等[27]、栾金水等[28]、上官新晨[14]分别研究温度对鱿鱼和鲤鱼2种鱼精蛋白的抑菌活性的影响，证实鱼精蛋白即使在121 ℃处理30 min后，仍可以达到试验要求的较高水平的抑菌率。这一特性也给鱼精蛋白在热加工食品生产中的应用提供可能。

2.2 pH

环境pH在6.0以上时，鱼精蛋白的抑菌性有明显效果，并随着pH的增加，其抑菌活性也得到提升。鱼精蛋白在中性到碱性的条件下具有最低的最小抑菌浓度（minimum inhibitory concentration，MIC）和最小杀菌浓度（minimum bactericidal concentration，MBC）。相关研究表明，在高pH条件下鱼精蛋白和细菌外膜的静电作用增强[29]，鱼精蛋白对细菌表面的亲和力增加，从而达到抑菌作用[30]。对这一结论在上官新晨[14]、钟立人[27]、胡晓璐等[10]的研究中也得到相应证实。

2.3 金属离子

食品中的盐类的存在也会对鱼精蛋白的抑菌活性有一定影响，其无机盐中盐离子浓度越高，鱼精蛋白的抑菌活性越低，并且盐离子化学价越高，对鱼精蛋白的抑菌活性影响越大。上官新晨通过在培养基中添加不同价位的金属离子和鱼精蛋白抑菌液以观察其对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的生长影响，其试验证实3价的金属离子（Fe3+、Al3+）对鱼精蛋白的抑菌活性影响最大，因此在某些强化铁、钙、镁、锌等高价金属元素的食品中，应避免使用鱼精蛋白作为抑菌剂，生产加工中尽量减少使用铝制器械[27]。

2.4 其他因素

杜荣茂等[31]通过试验发现，鱼精蛋白在富含糖类和蛋白质而脂肪含量较少的食品中抑菌效果较好。万娜[32]在试验中发现，鱼精蛋白浓度较高时，食品中的其他组分及NaCl对鱼精蛋白的抑菌活性没有明显影响，但鱼精蛋白浓度降低至最小抑菌浓度时，食品中的大分子物质（葡萄糖、蔗糖、脂肪）的存在会在一定程度上降低鱼精蛋白的抑菌活性，5%蔗糖、5%葡萄糖及1.5%脂肪等食品中的大分子会使鱼精蛋白的抑菌率降低34%～38%。上官新晨[14]研究不同蛋白酶对鲤鱼鱼精蛋白的抗菌性的影响，结果发现不同的蛋白酶对鱼精蛋白的抑菌性都有一定影响，因此对于能够产生水解蛋白酶的微生物来说，鱼精蛋白对它们的抑制作用有限。

3 鱼精蛋白的抑菌机理

对于鱼精蛋白的抑菌机理，国内外的专家做了大量研究，主要结论有3种：作用于细胞壁膜、作用于遗传物质或作用于功能性蛋白。

3.1 作用于细胞壁膜

1979年，Antohi等[33]首次报道鱼精蛋白的抑菌机理，表明鱼精蛋白的作用位点在于细菌的细胞壁，鱼精蛋白分子中含有大量的精氨酸，精氨酸中的胍基能与细菌细胞壁中肽聚糖产生静电作用。使得细菌细胞壁被破坏，引起胞内物质戊糖、磷酸盐、核酸等泄露。钟立人等[34]在研究L-精氨酸和多种鱼精蛋白的抑菌性能时也提出鱼精蛋白中某一结构可与和细菌细胞壁相结合，从而破坏细胞壁的形成达到抑菌效果。另有研究发现，鱼精蛋白对细胞膜的能转换和营养物质吸收有一定影响，鱼精蛋白不会导致微生物细胞裂解也不会改变细胞通透性[35]。Johansen等[29]却发现鱼精蛋白能改变大肠杆菌细胞膜的渗透性，从细胞膜中释放脂多糖却不改变细胞膜的磷脂酶活性。也有观点认为鱼精蛋白抗菌效果是通过对细胞壁和细胞质膜共同作用而产生的叠加效果，即鱼精蛋白既可以攻击细菌细胞壁中的肽聚糖，又可以通过静电引力作用影响细胞膜的质子动力[36]。

3.2 作用于遗传物质或者功能蛋白质

JOhansen等[37]研究发现鱼精蛋白浓度降至半致死细菌浓度时，可抑制细菌细胞的基因转录。Aspedon等[38]研究发现经过鱼精蛋白处理的沙门菌丧失积累亮氨酸的能力，从而阻断细菌细胞内蛋白质的合成，直至破坏能量传导和营养的摄取，三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）合成能力降低，导致胞内质子电动势的产生能力遭到破坏，抑制细菌的新陈代谢能力。顾熟琴等[39]研究发现，黑曲霉胞内的琥珀酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶的活性会受到鱼精蛋白的影响，鱼精蛋白的存在使这2种酶的分子结构发生变化，造成酶活降低，黑曲霉的合成代谢途径受阻。

4 食品抑菌剂应用

鱼精蛋白作为一种天然的成分，与化学抗菌物相比，有很高的安全性。早在20世纪80年代，日本已将鱼精蛋白应用于饭团、乳油、马铃薯等食品的贮藏和保鲜[40-43]。1996年何华[44]报道国外相关研究，证明添加0.05%～0.1%的鱼精蛋白的牛奶、鸡蛋和布丁可以在15 ℃下保存5～6 d，李来好等[45]将鱼精蛋白应用在鱼糕制品中，结果证明鱼糕的保质期随鱼精蛋白添加量的增加而增加，添加0.8%的鱼精蛋白时，鱼糕的保质期可以达到添加0.3%苯甲酸钠或0.2%山梨酸钾等化学防腐剂的效果。李燕等[46]在新鲜的鱼糜制品中添加鱿鱼鱼精蛋白后发现0.5%的鱼精蛋白可使鱼糜制品在5 ℃冷藏条件下保质期延长3～4 d。而在面点类食品中较低的鱼精蛋白使用量就可使面包在25 ℃时保藏17 d[47]。

之前的研究表明，鱼精蛋白对某些革兰阴性菌的抑菌效果较弱，并且成本也相对较高，因此多采用与其他抑菌剂复配添加以达到降低成本和提高抑菌特性的作用。2001年，日本学者将鱼精蛋白与甘氨酸、胡椒提取物、醋酸、壳聚糖、细菌DNA等成分混合制成一种混合型的食品防腐剂[48]。我国学者王陆玲等[49]表明用1‰山梨酸钾与1‰鱼精蛋白的复合保鲜剂两者产生协同作用，扩大了抗菌效果和pH的适用范围，对香肠中的腐败菌抑制作用最好。谢小保等[21]将鲤鱼鱼精蛋白与乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）复配后添加到酱油中发现抑菌效果与传统的防腐剂苯甲酸抑菌效果相似。

随后，鱼精蛋白复配保鲜剂开始尝试在食品保鲜中应用。国竞文等[50]研究迷迭香与鱼精蛋白复合保鲜剂在4 ℃冷藏条件下对白鲢鱼丸保鲜效果的影响，结果表明该复合鲜剂能有效改善其贮藏品质，延长货架期。李婷婷等[51]也尝试用鱼精蛋白与天然草本提取物香芹酚复配，得到的复配保鲜剂可使冷藏大菱鲆的货架期延长1周左右，并且鱼肉的质构、弹性、硬度等指标均维持良好的状态。刘雪飞等[52]研究证明鱼精蛋白、壳聚糖和大料3种材料复合时可有效抑制鱿鱼腐败菌的生长。徐晨等[53]研究表明将1%壳聚糖与0.5%鱼精蛋白复配，在4 ℃冷藏条件下可有效延长草鱼保鲜期至少4 d以上，并且贮藏10 d后各项指标均未超过二级鲜度范围。钱旭等[54]、张家源等[55]在此基础上制成壳聚糖-鱼精蛋白复合保鲜剂，可有效抑制水产品种腐败微生物的生长，控制微生物和酶活，具有较优的保鲜效果。

鱼精蛋白的抑菌作用对环境pH有一定要求，使得鱼精蛋白在酸性食品中抑菌效果不够理想，因此人们开始尝试对鱼精蛋白的蛋白序列进行改序，以扩大使用范围。王威等[56]尝试将鲑精蛋白序列中21、22位上的精氨酸（Arg）替换成丝氨酸（Ser），并在新序列接近C端处增加1个丝氨酸簇，得到合成的鱼精蛋白保留其鱼精蛋白天然序列原有的热稳定性，在酸性介质中也有良好的抑菌性，同时改造后的鲑精蛋白对四链球菌和革兰阴性菌的抑菌活性也有所增加。邓超[57]将改性合成的鱼精蛋白添加到牛奶中时发现不但牛乳蛋白外周正电荷增加，使蛋白质水化作用增强，保护κ-酪蛋白不易酸化水解，利于酸性牛奶的稳定，并且对牛奶中的混合菌群有明显抑制作用。

另外，相关研究发现，鱼精蛋白对多种口腔病原微生物有抑制作用，在口腔医疗器材、口腔护理产品或者在口腔含片、口气清新剂中添加鱼精蛋白抑菌剂可以有效护理人体口腔健康、降低龋齿发生概率[58-60]，为鱼精蛋白今后作为口腔健康食品功能性原料提供一定可能性。

5 展望

随着人们生活水平的提高，食品安全受到越来越多的关注，天然、安全和无毒的防腐剂需求越来越多。鱼精蛋白是一种主要存在于鱼类成熟精巢组织中的富含精氨酸的碱性蛋白质，其具有高效、安全和广谱的杀菌活性，具有较大的pH适用范围、热稳定性好、可以与其他天然防腐剂复配使用等优点。大量研究证实鱼精蛋白在食品保鲜方面功能突出，可以应用到各种食品的保鲜中，也可用于富含糖类和蛋白质类的食品中。因此，鱼精蛋白在食品工业中作为一种天然食品防腐剂具有极大的开发和应用价值。鱼精蛋白的抑菌特性及机理有待进一步阐明，并继续拓宽鱼精蛋白在食品工业中的应用范围。

6 结语

通过对鱼精蛋白的分类及组成、抑菌性研究进展、抑菌机理及作为食品保鲜剂方向的发展和应用等四个方面进行详细地阐述，揭示鱼精蛋白可作为一种新型、天然、无毒的食品防腐剂，在食品防腐及保鲜方面具有极大的开发和研究价值，同时，也为后续鱼精蛋白进一步开发利用提供理论支持。