百年防腐剂有望成为特效药

by 齐云龙

非专业人士受一些媒体的影响，往往会存在妖魔化“防腐剂”的倾向，然而科学地探索防腐剂之所以能发挥防腐作用的机制是至关重要的。例如，盐和糖是我们生活当中最常见的调味品，其实它们也是“防腐剂”，通过提高渗透压，降低水分，抑制酶活性等方式抑菌防腐。

这里要提的，是一种被发现近百年，世界各国广泛应用的生物防腐剂，它不断展现出成为特效抗菌药物的潜力，有望在医疗领域发挥更加重要的作用！它就是——乳酸链球菌素。

乳酸链球菌素（Ｎisin），是一种1928年首次被发现的生物防腐剂，目前早已经实现了商业化生产，在世界各国已经应用多年，主要是作为天然的食品防腐剂广泛用于乳、肉和罐头制品等食品中。含有Nisin的活性抗菌包装可以在加工或后加工过程中有效地控制食品污染。

历经近百年的发展与应用，它正逐步展现出其超越传统防腐范畴的广泛潜力。从最初的食品保鲜剂到如今有望成为特效抗菌药物，Nisin的科研与应用之路充满了探索与突破，也让人充满期待。

一、百年历史

乳酸链球菌素（又名乳链菌素，乳链菌肽，英文名Ｎisin）首次发现于1928年。早在1947年，Mattick等就已制备出Ｎisin。1951年Hirsch等首先将Nisin用作食品防腐剂，成功地控制了由肉毒梭菌引起的埃门塔尔奶酪的膨胀腐败，很快引起了食品微生物学家的关注。1969年，联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）的食品添加剂专家联合委员会确认Ｎisin可以作为食品防腐剂，并规定了安全剂量及适用范围。1970年以后，东欧及第三世界如印度、埃及等也先后把它用作食品防腐剂。

图：乳酸链球菌素的历史脉络

中国卫生部于1990年批准将Nisin列入食品添加剂增补品种。世界上不少国家对Nisin添加量都不作任何限制，我国卫生部于1990年批准将其列入GB2760-86的1990年食品添加剂增补品种。1992年3月，我国卫生部在批准实施的文件中就明确指出：“可以科学地认为乳酸链球菌素作为食品保藏剂是安全的。”1994年3月，通过中国科学院科技成果鉴定并被列入1995年国家级火炬计划项目。我国也很早就出台了关于Ｎisin的国家标准，在去年还修订为最新的版本。

Ｎisin是一种细菌素，是细菌为了消灭竞争而产生的一种蛋白质。细菌素在乳酸菌中很常见，乳酸菌是将牛奶转化为奶酪、酸奶和其他乳制品的细菌。这显然是变质牛奶可以安全食用的原因之一。Ｎisin是一种很好的杀菌剂，能够延长产品的货架期，常用于加工肉类、蘸酱、沙拉酱、汤里。被科学工作者认为是安全的，天然的食品防腐剂。

Nisin具备抑菌性强、产出成本低的特点，将其作为无公害的生物防腐剂，有利于保证食品的新鲜程度不受影响。

二、性质及应用

Ｎisin是一种由乳酸链球菌（Streptococcus lactis，或写作streptococcus lactis）产生的多肽抗生素，属于N血清型的乳酸乳球菌乳酸亚种（Lactococcus lactis subsp. lactis）通过发酵过程生成的羊毛硫抗生素。这种抗生素由34个氨基酸残基构成，形成了一种天然的、无毒害的细菌素，也被称作小分子肽。

目前人们在自然界中共发现六种Ｎisin的天然变异体，分别为：Ｎisin A、Ｎisin Z、Ｎisin F、Ｎisin Q、Ｎisin U 和 Ｎisin U2。Ｎisin A和Ｎisin Z两种是人们发现最早、研究最多的Ｎisin天然类型。两者的区别仅在于第27位氨基酸，Ｎisin A中是组氨酸（His），而Ｎisin Z 中的则是天冬酰胺（Asn），结构如下图所示。目前作为食品防腐剂被产业化和广泛使用的也只有Ｎisin A和Ｎisin Z 两种，其抗菌特性几乎无差别。

图  Nisin A和Z的结构式

乳酸链球菌素的分子式：

C₁₄₃H₂₃₀O₃₇N₄₂S₇(NisinA)

C₁₄₁H₂₂₈O₃₈N₄₁S₇(NisinZ)

相对分子量：

NisinA:3354.35(按2013年国际相对原子质量)

NisinZ:3330.31(按2013年国际相对原子质量)

Ｎisin以其强大的抑菌性能而著称，特别是针对革兰氏阳性菌及食品中常见的腐败菌，如李斯特氏菌等，表现出强烈的抑制作用。而且在酸性条件下具有很好的稳定性；尤其对造成食品严重危害的许多耐热的芽孢菌有强烈抑制作用。这种特性使得Ｎisin在食品保鲜和防腐方面有着广泛的应用前景。值得注意的是，Ｎisin在酸性环境中依然能够保持其稳定性，进一步增强了其在食品加工中的应用价值。

更为重要的是，它对革兰氏阳性菌及食品腐败菌如李斯特氏菌有强烈抑制作用，但对人畜无害，因为在消化道中可被胰凝乳蛋白酶很快降解成氨基酸，因此是一种高效、无毒的天然食品防腐剂，也是发现最早、使用时间最长、使用国家最多，至今仍在全世界广泛应用的天然食品防腐剂，乳酸链球菌素是目前唯一被 WHO、FDA等批准可作为食品防腐剂的细菌素。

在过去的几十年里Ｎisin作为一种天然食品防腐剂得到了广泛的应用。因为其独特的抗菌性能，许多天然和基因改良的Nisin变种已被确定和研究。Ｎisin是FDA批准的天然食品防腐剂，通常被认为是一种安全肽，近二十年的的研究证明Ｎisin具有公认的临床应用潜力，在过去的二十年中其应用已经扩展到生物医学领域。已经证实Ｎisin对葡萄菌属、链球菌属、乳杆菌属的部分菌种，多重耐药菌如耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌、肠球菌和梭状菌有抗菌活性,对多重耐药菌和孢子也有抑制作用。Nisin现已被证明对革兰氏阳性和革兰氏阴性疾病相关病原体都有抗菌活性，同时，多项研究及历年的实践均证实低浓度的Ｎisin不会对人类细胞产生毒性。

Nisin对一些治病细菌的最小抑菌浓度

研究者普遍认为Ｎisin类似于一种阳离子表面活性剂，影响细菌细胞膜的形成。Montville等人提出“孔道理论”，认为Ｎisin能与细菌的细胞膜结合并形成通透性孔道结构，具体过程为：Ｎisin吸附细菌细胞膜上后，通过氨基酸C端和N端作用侵入细菌细胞膜内而形成通透性的孔道，使质子驱动力和pH值失衡，导致钾离子等小分子量的亲水物质从胞浆中流出，细胞膜去极化，使细菌细胞膜内的ATP泄露，一些小分子和离子流失，细胞膜外水分子进入，细胞膜内外渗透压改变，造成细菌细胞自溶而死亡。而Kordel等认为Ｎisin的杀菌机制与分子中的二十二碳六烯酸(DHA)和5-二羟基苯甲酸(DHB)有密切关系。因为Ｎisin中的DHA和DHB能够与敏感菌株细胞膜中某些酶的疏基发生作用，释放细胞质，造成敏感细菌的细胞裂解。

三、新研究成果

目前，国外有关Ｎisin的研究十分活跃，国内也有不少机构对Ｎisin进行研究和开发应用。如下图展示了与其相关联的热点关键词：

图 乳酸链球菌素（Nisin）国内研究的重点

（制图：齐云龙）

以下则是关于Ｎisin的部分新的研究进展：

1、抗菌效果增强

中国农业大学动物医学院刘天龙副教授团队最新研究表明，通过壳聚糖/海藻酸钠微球对Nisin进行包覆，可显著增强其对金黄色葡萄球菌的抑制效果。这一创新的抗菌递送系统解决了单独使用乳酸链球菌素的局限性。

10月12日，刘天龙副教授课题组在期刊《应用微生物学杂志》（Journal of Applied Microbiology）在线发表了研究论文，题为“乳链菌肽壳聚糖/海藻酸钠微球增强乳链菌素对金黄色葡萄球菌的抗菌作用”（Nisin-loaded chitosan/sodium alginate microspheres enhance the antimicrobial efficacy of nisin against Staphylococcus aureus）。

该研究以金黄色葡萄球菌为研究菌种，通过壳聚糖（CS）/海藻酸钠（SA）微球对乳链菌肽进行包覆，实现了对金黄色葡萄球菌的高效抑制。研究证明了负载乳链菌肽的CS/SA微球作为一种创新的抗菌递送系统的潜力，该系统具有更好的稳定性和抗金黄色葡萄球菌的抗菌功效，解决了单独使用乳链菌素的局限性。

图  Nisin包覆前后抗菌性能比较

研究结果表明，与PBS和空载CS/SA微球及游离的Ｎisin相比，Ｎisin包覆CS微球具有更强的抑菌效果，细菌死亡率更高。

2、口腔医学应用

浙江省口腔生物医学研究重点实验室王慧明及浙江大学滕健赢等的团队也在最近发表文章，他们研究发现Ｎisin 和氟化钠（NaF）对变异链球菌的生长以及对产酸、耐酸和生物膜形成都有协同抑制作用，这为临床上的龋病防治提供了新的思路。事实上，已经有多项获批专利的内容涉及将Ｎisin作为漱口水、口香糖的成分抑制口腔中的有害菌，这其中也包括臭名昭著的幽门螺旋杆菌。

3、抗肿瘤潜力

密歇根大学的研究显示，高纯度Ｎisin在动物实验中表现出显著的抗肿瘤效果。在9周的治疗后，它能杀死70%到80%的头颈部肿瘤细胞。

2016年，《Journal of Antimicrobial Chemotherapy(抗菌化学疗法杂志)》曾发表文章 《Biomedical applications of nisin(Nisin在生物医药中的应用)》，详细介绍了密歇根大学科学家的工作。他们发现Ｎisin可能是解决我们这个时代两大医学问题的一种方法。

密歇根大学的研究人员在9周内给患有头颈部肿瘤的老鼠注射了大量高度纯化的Ｎisin，在治疗结束时，Ｎisin杀死了70%到80%的肿瘤细胞。

Ｎisin Z 抑制头颈鳞状细胞癌(HNSCC) 细胞中类球体（orasphere）的形成。HNSCC细胞 (UM-SCC-17B)中类球体的相差图像，在悬浮条件下培养并用对照培养基或含有乳链菌肽Z (100–800 μg ml^-1) 的培养基处理 36 小时。这些图像之前已发表（Kamarajan等人，2015）。

到目前为止，Ｎisin的肿瘤杀伤作用只在小鼠身上得到验证，但对人类来说这是一个好消息。科学家认为，我们可能有一种天然的、相对容易获得的方法来对抗癌症和威胁生命的细菌感染。

4、协同增效

有研究表明，Ｎisin可能将多柔比星（DOX）的抗癌治疗潜力提高约1.5倍，展现出与传统药物协同作用的前景。

Ｎisin具有破坏生物膜的特性，并能与传统治疗药物协同作用。此外像宿主防御肽一样，Ｎisin可能激活适应性免疫反应，具有免疫调节作用。越来越多的证据表明Ｎisin可以影响肿瘤的生长，并对癌细胞表现出选择性的细胞毒性。有研究也表明，Ｎisin似乎有可能将多柔比星 (DOX) 的抗癌治疗潜力提高约一倍半。

5、免疫调节

科学家推测，乳酸链球菌素可能具有激活宿主免疫反应的能力，有助于身体自身对抗细菌感染。

局限

Ｎisin在稳定性方面的局限性以及食品基质等的其他方面的影响限制了其广泛应用。例如，Ｎisin主要对革兰氏阳性菌发挥作用，而且主要在酸性条件下发挥作用。不过，它的这些局限性可通过改造细菌素并使其在热稳定性和pH稳定性、扩散率和其他所需特性方面更加稳定来克服。

结语

总而言之，Ｎisin的应用潜力已经远远超越了它作为食物防腐剂的价值。从食品防腐剂到潜在的特效药物，Ｎisin的应用正在经历一场革命性的转变。尽管目前许多研究仍处于实验阶段，但其在抗菌、抗癌和免疫调节等方面展现出的潜力令人振奋。

未来，这种源自天然的物质有望为人类健康带来新的希望，特别是在应对耐药菌和癌症等重大医学挑战方面。然而，其在人体中的安全性和有效性仍需要更多的临床研究来验证，从而为其最终的医学应用铺平道路。

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