ε-聚賴氨酸

1977年日本學者S．Shima和H．Sakai在從微生物中篩選Dragendo~Positive(簡寫為DP)物質的過程中，發現一株放線菌No．346能產生大量而穩定的DP物質，通過對酸水解產物的分析及結構分析，證實該DP物質是一種含有25—30個賴氨酸殘基的同型單體聚合物，稱為ε-多聚賴氨酸(ε一 PL)。

基本介紹

• 中文名：ε-聚賴氨酸
• 外文名：ε-polylysine
• 發現時間：1977年
• 發現國家：日本
• 發現者：學者S．Shima和H．Sakai

介紹

食品貯存、運輸、銷售過程都有可能造成細菌污染。由於食品的營養成分比較豐富和多樣，食品中會存在各種各樣的微生物，一旦污染食品，由於微生物生長迅速，能很快產生大量個體，有些會使食品腐敗變質，而有些會產生致病的毒素。ε-PL(ε-Poly-L-lysine,簡稱ε-PL)作為一種天然防腐劑，相對於其他防腐劑，具有抗菌譜廣，穩定性好，在日本,ε-PL已經進入了商業市場，我們可以看到各種各樣的食品中都包含ε-PL，尤其是在超市和雜貨店購買便當的煮熟的大米中。目前，國內只是處於研究階段，還沒有實際套用於食品中,然而，由於ε-PL具有的高安全性、抑菌效果好、抑菌譜廣、耐高溫的優良的性質，它在食品中會有良好的套用前景。

理化性質

1977年，日本科學家Shima和Sakai在白色鏈黴菌( Streptomyces albulus 346)發酵液中首次發現ε- PL, ε- PL是賴氨酸α-位上羰基和ε-位氨基結合的產物，由25 -30個賴氨酸殘基組成。ε-PL是-一種的陽離子聚合多肽，當聚合度低於十肽時，會喪失抑菌活性。與鹽酸、檸檬酸、蘋果酸、甘氨酸和高級脂肪甘油酯等合用又有增效作用。分子量在3600—4300之間的ε-聚賴氨酸其抑菌活性最好，當分子量低於1300時，ε-聚賴氨酸失去抑菌活性。由於聚賴氨酸是混合物，所以沒有固定的熔點，250℃以上開始軟化分解。ε一聚賴氨酸溶於水，微溶於乙醇。對其表征進行紅外光譜分析表明：在1680～1640cm -1和1580—1520cm^-1有強吸收峰。

ε-聚賴氨酸為淡黃色粉末、吸濕性強，略有苦味，溶於水，微溶於乙醇，但不溶於乙酸乙酯、乙醚等有機溶劑。ε- PL遇酸性多糖類、鹽酸鹽類、磷酸鹽類、銅離子等可因結合而使活性降低，與鹽酸、檸檬酸、蘋果酸、甘氨酸和高級脂肪甘油酯等合用有增效作用。ε-PL的等電點為9.04，最適pH為5~8。ε- PL的熱穩定性非常好，其水溶液在高溫(121°C)情況下不分解、不失活。ε-PL是賴氨酸的直鏈狀聚合物。它不受pH值影響，對熱穩定(120℃，20min)，能抑制耐熱菌，故加入後可熱處理。但遇酸性多糖類、鹽酸鹽類、磷酸鹽類、銅離子等可能因結合而使活性降低。

生物學性質

ε-聚賴氨酸是一種具有抑菌功效的多肽，這種生物防腐劑在80年代就首次套用於食品防腐。ε-聚賴氨酸能在人體內分解為賴氨酸，而賴氨酸是人體必需的8種胺基酸之一，也是世界各國允許在食品中強化的胺基酸。因此ε一聚賴氨酸是一種營養型抑菌劑，安全性高於其他化學防腐劑，其急性口服毒性為5g/kg。 ε-聚賴氨酸抑菌譜廣，對於酵母屬的尖銳假絲酵母菌、法紅酵母菌、產膜畢氏酵母、玫瑰擲孢酵母；革蘭氏陽性菌中的耐熱脂肪芽孢桿菌、凝結芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌；革蘭氏陰性菌中的產氣節桿菌、大腸桿菌等都有明顯的抑制和殺滅作用..聚賴氨酸對革蘭氏陽性的微球菌，保加利亞乳桿菌，熱鏈球菌，革蘭氏陰性的大腸桿菌，沙門氏菌以及酵母菌的生長有明顯抑制效果，聚賴氨酸與醋酸複合試劑對枯草芽胞桿菌有明顯抑制作用。

抑菌機理

ε-聚賴氨酸的作用機理主要表現在如下3個方面：

(1)作用於細胞壁和細胞膜系統；

(2)作用於遺傳物質或遺傳微粒結構；

(3)作用於酶或功能蛋白。我們對聚賴氨酸的抑菌性能進行了研究，發現ε一PL不僅可抑制耐熱性較強的G+的微球菌，而且對其它天然防腐劑(如Nisin)不易抑制的G-的大腸桿菌、沙門氏菌抑菌效果亦非常好，同時還可抑制保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌、酵母菌的生長。但是單獨使用ε-PL時對枯草芽孢桿菌、黑麴黴抑制不明顯，採用ε一PL與醋酸複合處理，對枯草芽孢桿菌抑制作用增強，經高溫處理後的ε- PL對微球菌仍有抑菌活性。

套用

ε-聚賴氨酸在保鮮防腐方面的套用

（1） ε-聚賴氨酸和甘氨酸混合能延長牛奶保質期。

（2）對方便米飯和快餐食品等提高保存期。

（3）聚賴氨酸與大蒜為主要原料混合製成食品防腐劑。這種食品防腐劑使用時加入食品中或噴淋到食品表面，均具有顯著的抗菌防腐作用，能殺死或抑制食品內部或表面的致病微生物。

Shima等研究了ε-PL的分子大小與對大腸桿菌抑菌活性的關係，發現含有多於9個L-賴氨酸殘基的聚賴氨酸可以嚴格抑制微生物的生長，八聚賴氨酸最小的抑菌濃度大於100mg/mL。ε-PL中α-氨基基團的化學修飾可以降低它的抑菌活性。陽離子表面活性化合物由於對外膜起作用從而抑制微生物的增殖。ε-PL可以顯著改變水中的氨基基團，是陽離子表面活性劑，因此可以像其他陽離子聚合物一樣對微生物的生長有抑制作用，對酵母菌、黴菌、革蘭氏陽性菌陰性菌的生長都有抑制作用。ε-PL對微生物的抑制作用機理合理的解釋是根據Shima等用電子顯微鏡ε-PL觀察到的處理後的大腸桿菌K-12細胞的形態學表面的結果，由於ε-PL的陽離子特性，對微生物細胞表面有靜電吸附作用，用電子顯微鏡發現微生物外部的膜結構被剝奪，細胞質也呈現非常態分配，最終導致ε-PL處理後的細胞的生理性的損害,劉蔚等用ε-PL處理大腸桿菌和枯草芽胞桿菌，發現其細胞壁完整性被破壞，生理作用喪失並在細胞膜上形成孔道，胞外離子含量升高，大分子物質溢出，蛋白質的合成受到影響，最終導致細胞死亡。
另外，ε-PL對細菌、黴菌、酵母菌最小抑菌濃度不同可能是由於他們細胞表面狀況的不同，需要做進一步的研究。

醫學方面的套用

ε-聚賴氨酸富含陽離子，與帶有陰離子的物質有強的靜電作用力並且對生物膜有良好的穿透力，基於這一特性多聚賴氨酸可用於某些藥物的載體，因此在醫療和製藥方面得到廣泛套用。 ε-聚賴氨酸與氨甲嘌呤(治療白血病、腫瘤的藥物)聚合，能提高藥物的療效。 電脈衝對不同分子量聚賴氨酸修飾的細胞膜的破壞程度，發現細胞膜吸附高分子量聚賴氨酸會降低其破損臨界電壓。 另外ε-PL的另一個重要用途是作為高吸水性聚合物，用於婦女衛生棉、嬰兒尿片和其他各種工業產品中。

ε-PL在食品中的套用

ε-PL套用在食品中要考慮對食品風味的影響，大量添加會產生苦味，影響食品的口感;在食品加工中它會與蛋白質和酸性多糖結合，對食品的質構也會產生一定的改變。但是ε-PL的抑菌性較高，它在食品中的添加的濃度是較低的，所以ε-PL對食品質量的影響也較小。由於ε-PL無毒的安全性研究，ε-PL在日本被批准作為食品防腐劑用於食品中，在日本，ε-PL作為食品防腐劑用於多種食品有很長的歷史,包括傳統的菜和主食像米飯和麵條。例如切片魚和魚類壽司，將ε-PL噴射或浸蘸在魚上。在日本許多傳統的日常的菜餚中ε-PL濃度一般為500ppm，此外，在日本如煮熟的大米、老湯麵條、其他的湯、麵條和即食性的菜中ε-PL的含量一般為10~500ppm，在日本的壽喜燒、馬鈴薯沙拉、蒸蛋糕和乳蛋糕乳脂中也會使用。ε-PL在FDA提議作為食品添加劑用於做好的米飯和壽司中建議ε-PL的添加量為5~50ppm。

肉及肉製品

ε-PL可作為防腐劑用於延長肉製品的貨架期，400mg/L的ε-PL單獨使用時就能顯著抑制冷鮮豬肉感官品質的下降、微生物的生長繁殖、pH的上升和TVB-N的積累。袁秋萍等將ε-PL套用於牛肉干，研究ε-PL、甘氨酸和食用酒精復配對牛肉干的防腐保鮮效果，結果顯示採用該複合防腐劑的牛肉千產品在貨架期和感官品質方面比原有產品有明顯的優勢。莫樹平等在廣式臘腸中使用ε-PL,得到數據顯示樣品菌落總數及TVB-N值均比對照低。這些結果都表明了ε-PL套用於肉製品有著良好的防腐和保鮮的效果。
ε-PL對某些具體的菌抑菌作用的研究，主要是一些重要的食品污染的致病菌。如Jung等研究ε-PL對耐酸陰性鼠傷寒沙門氏菌的抗菌效果時發現，在10C1%及24°C和359C2%的ε一PL存在的條件下，鼠傷寒沙門氏菌不能生存。此外，耐酸陰性的鼠傷寒沙門氏菌對ε-PL不具有耐受性，即使在較低的儲存溫度下，ε-PL的抑菌效果仍有所增強。由此，我們認為ε-PL可以用於控制家禽類產品中的陰性鼠傷寒沙門氏菌的生長繁殖。Chang等研究了ε-PL對大腸桿菌0157:H7、鼠傷寒沙門氏菌、單核性增生李斯特菌的抑菌效果，從儲存7天的烤牛肉漿中觀察到受損的細胞和細胞數目的減少都表明了ε-PL的殺菌性和抗菌性。證明了ε-PL作為新型的抗菌劑在各種食品例如烤牛肉中的套用的潛力，最佳的ε-PL的濃度為1%，明顯高於報導過的10-500ppm作為澱粉類食品的防腐劑。因為套用的食品種類不相同，不能簡單地將這個結果與其他文獻中ε-PL有效濃度的結果比較，對於不同的食品最佳抑菌濃度有待進一步的研究。儘管如此，選擇使用低濃度的ε-PL替代高濃度也是值得肯定並且提倡的，因為ε-PL比較昂貴並且在高濃度下使用會產生苦味。

水產類

水產類由於其高營養、高水分和接近中性的pH等條件是極易腐敗變質的，而微生物活動是引起腐敗變質的主要原因，ε-PL的良好的抑菌作用可以有效的抑制水產類食品的腐敗，延長它它們的貨架期。在4±1°C的儲藏環境下，0.1%的ε-PL溶液處理3min能夠有效地控制南美白對蝦的腐敗變質，不添加ε-PL溶液組相比，可延長貨架期2-3d。Ting對ε-PL改進魚肉醬產品的質量進行了研究，研究發現ε-PL對魚肉醬質構的影響不大，加入0.2%的ε-PL可以有效地延長貨架期。可以得知ε-PL對水產類食品的腐敗變質有良好的抑制作用，添加ε一PL濃度的不同，處理原材料的不同，抑菌效果有所不同，但均能有效控制水產類食品的腐敗。

澱粉類食品

ε-PL在中性和微鹼性環境中有較強的抑菌性，而米飯、麵條、年糕等高澱粉食品中，pH偏中性到弱鹼性，而目前多數防腐劑的最適抑菌範圍偏酸性，很難起到真正的防腐保鮮效果。因此，將ε-PL用於澱粉類食品的保鮮是可行的，其效果值得期待。楊雲斌等將ε-PL添加如米飯中、張春紅等將ε-PL用於濕麵條，均發現添加了ε-PL後可以有效地延長保存期。由此可以看出，ε-PL可以作為一種新型的生物保鮮劑套用於澱粉類食品中。

其他食品

ε-PL還可以套用於一些飲料、調味品、乳製品等。例如，呂志良等將ε-PL添加到玉米汁飲料中，玉米汁的保存明顯的時間延長。程濤等在食醋添加ε-PL,隨ε-PL用量增加其抑菌率也提高，但效果不明顯，當與EDTA、山梨酸鉀、納他黴素複合使用時，抑菌率有極顯著的提高，有效延長食醋保質期。

食品包裝

ε一PL具有光譜的抗菌活性和安全性，可以將它套用在食品包裝材料上，來抑制食品中微生物的生長。黃崇杏等將ε-PL混合乳液塗布於食品包裝紙表面，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌懸液塗布於平板上，將製備的含ε-PL的紙張放在上面恆溫培養後測量抑菌圈大小和細菌的生長曲線，結果表明ε-P對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有明顯的抗菌效力，抑菌環的寬度隨著ε-PL質量分數的增加而增大，從細菌的生長曲線也可以看出隨著ε-PL用量的增加，抗菌紙對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制效果逐漸增強。

ε-PL的安全性

ε-PL能在人體內分解為賴氨酸，不但沒有任何毒副作用，而且可以作為一種賴氨酸的來源。ε-PL已於2003年10月被美國的FDA批准為食品保鮮劑。在日本，ε-PL批准用於食品，Fukutome等進行的慢性毒性和致癌性聯合試驗結果表明，每天攝取的食物中ε-PL含量在6500μg/g屬於極安全的水平;在ε-PL添加量為20000μg/g時，無明顯的組織病理變化，也觀察不到可能的致癌性。這與Hiraki9]和Neda的實驗結果一致，Hiraki在老鼠飲食中長期添加高劑量的ε-PL也沒有發現對老鼠明顯的作用。Neda進行毒性試驗研究，認為ε-PL幾乎沒有毒性和致突變性。另外，Hiraki 用急性毒性試驗，在毒理試驗證實了ε- PL作為食品保鮮劑的高度安全性，ε-PL幾乎是無毒，對大鼠急性口服毒性(5g/kg)研究，死亡率為零; ε-PL在食品中的添加的濃度是較低的。ε-PL在生殖、神經學上、免疫學上、胚胎和胎兒的發育後代的生長及兩代人的胚胎和胎兒的發育也都沒有毒性。