張青

上海輝文生物技術(shù)股份有限公司（上海 201318）

一直以來，水產(chǎn)品加工中魚精一般作為生產(chǎn)廢棄物或者同內(nèi)臟一起被加工成魚飼料使用，對魚精的利用價值非常低。隨著我國水產(chǎn)漁業(yè)的不斷發(fā)展，提高魚精廢棄產(chǎn)物的綜合利用可以有效提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能。

魚精蛋白是一類存在于成熟雄性魚類的精巢內(nèi)的天然陽離子抗菌肽[1-2]，在精巢內(nèi)與脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）分子以1∶2的比例緊密結(jié)合，以脫氧核糖核蛋白（deoxyribose nucleoprotein，DNP）的形式存在。相對分子量較小，基本都在一萬以下，由30個左右的氨基酸組成，其中約2/3是精氨酸，可溶于水和稀酸溶液，具有耐高溫的特性，等電點在pI 10～12[3-5]。

近年來，大量研究揭示了魚精蛋白具有廣譜高效的抑菌特性。在食品工業(yè)方面，魚精蛋白的抑菌活性自1937年被報道以來一直備受關(guān)注[6]，與化學(xué)合成防腐劑相比，魚精蛋白具有安全性高、防腐性好、耐高溫等有優(yōu)點，因此有望作為一種天然的食品防腐劑，作用于食品的貯藏保鮮。

1 魚精蛋白的分類及組成

與其他蛋白質(zhì)相較而言，魚精蛋白的堿性氨基酸含量較高[7]，根據(jù)堿性氨基酸的種類和數(shù)量，一般將魚精蛋白分為3類：（1）單魚精蛋白，其堿性氨基酸只含有精氨酸，已知的屬于單魚精蛋白的魚類有鯡魚、鯖魚、虹鱒魚、金槍魚4種；（2）雙魚精蛋白，其堿性氨基酸含有精氨酸、組氨酸或賴氨酸；（3）三魚精蛋白，其堿性氨基酸含有精氨酸、組氨酸、賴氨酸3種[3]。除堿性氨基酸以外，魚精蛋白的氨基酸組成還有甘氨酸、絲氨酸、丙氨酸、纈氨酸、脯氨酸、亮氨酸等[8]。實際上，魚精蛋白是一類成分相似的混合物，而非單一組成。相關(guān)研究表明，不同種類的魚類其魚精蛋白的氨基酸構(gòu)成也有很大差別。具體氨基酸組成如表1所示。

表1 不同魚類魚精蛋白的氨基酸組成[9-14]

2 魚精蛋白抑菌研究

已有大量文獻(xiàn)報道魚精蛋白的抑菌活性，相關(guān)的抑菌特性也在不斷得到驗證。外國學(xué)者研究魚精蛋白對多種致病菌的抑菌作用，證實魚精蛋白對細(xì)菌、霉菌、酵母均有一定抑菌效果[15]，有報道稱魚精蛋白對李斯特菌、金黃色葡萄球菌、副溶血性弧菌、沙門菌、綠膿桿菌等致病菌均有很好的抑制效果[16-18]。國內(nèi)對魚精蛋白的研究起步較晚，1997年，鐘立人等[5]以鯉魚魚精蛋白為原料，在對比鮭魚和鯉魚魚精蛋白抑菌特性時發(fā)現(xiàn)，鮭魚的魚精蛋白對革蘭氏陽性菌的抑菌作用更強，并且發(fā)現(xiàn)鮭魚魚精蛋白對某些革蘭陰性菌和酵母也有抑制作用。魯健章等[19]在國外研究基礎(chǔ)上討論鮭精蛋白對霍亂弧菌、副溶血性弧菌、創(chuàng)傷弧菌的抑菌作用，結(jié)果表明3 000 μg/mL的鮭精蛋白可在48 h內(nèi)完全殺死3種弧菌。一般情況下，魚精蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)1 000 mg/kg時可達(dá)到抑菌效果，不同魚精蛋白對菌種的生長抑制作用不同。張合文等[20]測定魷魚和鮭魚2種魚精蛋白對食品污染微生物的最小抑菌濃度，得出2種魚精蛋白對各種細(xì)菌、霉菌、酵母的生長均有一定抑制作用，但是魷魚魚精蛋白的抑菌作用較弱。謝小保等[21]研究鯉魚魚精蛋白對革蘭陽性和革蘭陰性菌的生長均有較強的抑制作用。相關(guān)報道也不斷證實其他魚類（石斑魚、大馬哈魚、鰱魚、魷魚、東方鲀）的魚精蛋白均具有一定抑菌作用[22-26]。

然而，魚精蛋白作為一種蛋白質(zhì)，其活性易受環(huán)境的影響，如溫度、pH、金屬離子、有機(jī)成分等因素均可影響魚精蛋白的抑菌活性。

2.1 溫度

相關(guān)研究表明，魚精蛋白有一定熱穩(wěn)定性，鐘立人等[27]、欒金水等[28]、上官新晨[14]分別研究溫度對魷魚和鯉魚2種魚精蛋白的抑菌活性的影響，證實魚精蛋白即使在121 ℃處理30 min后，仍可以達(dá)到試驗要求的較高水平的抑菌率。這一特性也給魚精蛋白在熱加工食品生產(chǎn)中的應(yīng)用提供可能。

2.2 pH

環(huán)境pH在6.0以上時，魚精蛋白的抑菌性有明顯效果，并隨著pH的增加，其抑菌活性也得到提升。魚精蛋白在中性到堿性的條件下具有最低的最小抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）和最小殺菌濃度（minimum bactericidal concentration，MBC）。相關(guān)研究表明，在高pH條件下魚精蛋白和細(xì)菌外膜的靜電作用增強[29]，魚精蛋白對細(xì)菌表面的親和力增加，從而達(dá)到抑菌作用[30]。對這一結(jié)論在上官新晨[14]、鐘立人[27]、胡曉璐等[10]的研究中也得到相應(yīng)證實。

2.3 金屬離子

食品中的鹽類的存在也會對魚精蛋白的抑菌活性有一定影響，其無機(jī)鹽中鹽離子濃度越高，魚精蛋白的抑菌活性越低，并且鹽離子化學(xué)價越高，對魚精蛋白的抑菌活性影響越大。上官新晨通過在培養(yǎng)基中添加不同價位的金屬離子和魚精蛋白抑菌液以觀察其對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的生長影響，其試驗證實3價的金屬離子（Fe3+、Al3+）對魚精蛋白的抑菌活性影響最大，因此在某些強化鐵、鈣、鎂、鋅等高價金屬元素的食品中，應(yīng)避免使用魚精蛋白作為抑菌劑，生產(chǎn)加工中盡量減少使用鋁制器械[27]。

2.4 其他因素

杜榮茂等[31]通過試驗發(fā)現(xiàn)，魚精蛋白在富含糖類和蛋白質(zhì)而脂肪含量較少的食品中抑菌效果較好。萬娜[32]在試驗中發(fā)現(xiàn)，魚精蛋白濃度較高時，食品中的其他組分及NaCl對魚精蛋白的抑菌活性沒有明顯影響，但魚精蛋白濃度降低至最小抑菌濃度時，食品中的大分子物質(zhì)（葡萄糖、蔗糖、脂肪）的存在會在一定程度上降低魚精蛋白的抑菌活性，5%蔗糖、5%葡萄糖及1.5%脂肪等食品中的大分子會使魚精蛋白的抑菌率降低34%～38%。上官新晨[14]研究不同蛋白酶對鯉魚魚精蛋白的抗菌性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的蛋白酶對魚精蛋白的抑菌性都有一定影響，因此對于能夠產(chǎn)生水解蛋白酶的微生物來說，魚精蛋白對它們的抑制作用有限。

3 魚精蛋白的抑菌機(jī)理

對于魚精蛋白的抑菌機(jī)理，國內(nèi)外的專家做了大量研究，主要結(jié)論有3種：作用于細(xì)胞壁膜、作用于遺傳物質(zhì)或作用于功能性蛋白。

3.1 作用于細(xì)胞壁膜

1979年，Antohi等[33]首次報道魚精蛋白的抑菌機(jī)理，表明魚精蛋白的作用位點在于細(xì)菌的細(xì)胞壁，魚精蛋白分子中含有大量的精氨酸，精氨酸中的胍基能與細(xì)菌細(xì)胞壁中肽聚糖產(chǎn)生靜電作用。使得細(xì)菌細(xì)胞壁被破壞，引起胞內(nèi)物質(zhì)戊糖、磷酸鹽、核酸等泄露。鐘立人等[34]在研究L-精氨酸和多種魚精蛋白的抑菌性能時也提出魚精蛋白中某一結(jié)構(gòu)可與和細(xì)菌細(xì)胞壁相結(jié)合，從而破壞細(xì)胞壁的形成達(dá)到抑菌效果。另有研究發(fā)現(xiàn)，魚精蛋白對細(xì)胞膜的能轉(zhuǎn)換和營養(yǎng)物質(zhì)吸收有一定影響，魚精蛋白不會導(dǎo)致微生物細(xì)胞裂解也不會改變細(xì)胞通透性[35]。Johansen等[29]卻發(fā)現(xiàn)魚精蛋白能改變大腸桿菌細(xì)胞膜的滲透性，從細(xì)胞膜中釋放脂多糖卻不改變細(xì)胞膜的磷脂酶活性。也有觀點認(rèn)為魚精蛋白抗菌效果是通過對細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)膜共同作用而產(chǎn)生的疊加效果，即魚精蛋白既可以攻擊細(xì)菌細(xì)胞壁中的肽聚糖，又可以通過靜電引力作用影響細(xì)胞膜的質(zhì)子動力[36]。

3.2 作用于遺傳物質(zhì)或者功能蛋白質(zhì)

JOhansen等[37]研究發(fā)現(xiàn)魚精蛋白濃度降至半致死細(xì)菌濃度時，可抑制細(xì)菌細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄。Aspedon等[38]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過魚精蛋白處理的沙門菌喪失積累亮氨酸的能力，從而阻斷細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成，直至破壞能量傳導(dǎo)和營養(yǎng)的攝取，三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）合成能力降低，導(dǎo)致胞內(nèi)質(zhì)子電動勢的產(chǎn)生能力遭到破壞，抑制細(xì)菌的新陳代謝能力。顧熟琴等[39]研究發(fā)現(xiàn)，黑曲霉胞內(nèi)的琥珀酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶的活性會受到魚精蛋白的影響，魚精蛋白的存在使這2種酶的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成酶活降低，黑曲霉的合成代謝途徑受阻。

4 食品抑菌劑應(yīng)用

魚精蛋白作為一種天然的成分，與化學(xué)抗菌物相比，有很高的安全性。早在20世紀(jì)80年代，日本已將魚精蛋白應(yīng)用于飯團(tuán)、乳油、馬鈴薯等食品的貯藏和保鮮[40-43]。1996年何華[44]報道國外相關(guān)研究，證明添加0.05%～0.1%的魚精蛋白的牛奶、雞蛋和布丁可以在15 ℃下保存5～6 d，李來好等[45]將魚精蛋白應(yīng)用在魚糕制品中，結(jié)果證明魚糕的保質(zhì)期隨魚精蛋白添加量的增加而增加，添加0.8%的魚精蛋白時，魚糕的保質(zhì)期可以達(dá)到添加0.3%苯甲酸鈉或0.2%山梨酸鉀等化學(xué)防腐劑的效果。李燕等[46]在新鮮的魚糜制品中添加魷魚魚精蛋白后發(fā)現(xiàn)0.5%的魚精蛋白可使魚糜制品在5 ℃冷藏條件下保質(zhì)期延長3～4 d。而在面點類食品中較低的魚精蛋白使用量就可使面包在25 ℃時保藏17 d[47]。

之前的研究表明，魚精蛋白對某些革蘭陰性菌的抑菌效果較弱，并且成本也相對較高，因此多采用與其他抑菌劑復(fù)配添加以達(dá)到降低成本和提高抑菌特性的作用。2001年，日本學(xué)者將魚精蛋白與甘氨酸、胡椒提取物、醋酸、殼聚糖、細(xì)菌DNA等成分混合制成一種混合型的食品防腐劑[48]。我國學(xué)者王陸玲等[49]表明用1‰山梨酸鉀與1‰魚精蛋白的復(fù)合保鮮劑兩者產(chǎn)生協(xié)同作用，擴(kuò)大了抗菌效果和pH的適用范圍，對香腸中的腐敗菌抑制作用最好。謝小保等[21]將鯉魚魚精蛋白與乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）復(fù)配后添加到醬油中發(fā)現(xiàn)抑菌效果與傳統(tǒng)的防腐劑苯甲酸抑菌效果相似。

隨后，魚精蛋白復(fù)配保鮮劑開始嘗試在食品保鮮中應(yīng)用。國競文等[50]研究迷迭香與魚精蛋白復(fù)合保鮮劑在4 ℃冷藏條件下對白鰱魚丸保鮮效果的影響，結(jié)果表明該復(fù)合鮮劑能有效改善其貯藏品質(zhì)，延長貨架期。李婷婷等[51]也嘗試用魚精蛋白與天然草本提取物香芹酚復(fù)配，得到的復(fù)配保鮮劑可使冷藏大菱鲆的貨架期延長1周左右，并且魚肉的質(zhì)構(gòu)、彈性、硬度等指標(biāo)均維持良好的狀態(tài)。劉雪飛等[52]研究證明魚精蛋白、殼聚糖和大料3種材料復(fù)合時可有效抑制魷魚腐敗菌的生長。徐晨等[53]研究表明將1%殼聚糖與0.5%魚精蛋白復(fù)配，在4 ℃冷藏條件下可有效延長草魚保鮮期至少4 d以上，并且貯藏10 d后各項指標(biāo)均未超過二級鮮度范圍。錢旭等[54]、張家源等[55]在此基礎(chǔ)上制成殼聚糖-魚精蛋白復(fù)合保鮮劑，可有效抑制水產(chǎn)品種腐敗微生物的生長，控制微生物和酶活，具有較優(yōu)的保鮮效果。

魚精蛋白的抑菌作用對環(huán)境pH有一定要求，使得魚精蛋白在酸性食品中抑菌效果不夠理想，因此人們開始嘗試對魚精蛋白的蛋白序列進(jìn)行改序，以擴(kuò)大使用范圍。王威等[56]嘗試將鮭精蛋白序列中21、22位上的精氨酸（Arg）替換成絲氨酸（Ser），并在新序列接近C端處增加1個絲氨酸簇，得到合成的魚精蛋白保留其魚精蛋白天然序列原有的熱穩(wěn)定性，在酸性介質(zhì)中也有良好的抑菌性，同時改造后的鮭精蛋白對四鏈球菌和革蘭陰性菌的抑菌活性也有所增加。鄧超[57]將改性合成的魚精蛋白添加到牛奶中時發(fā)現(xiàn)不但牛乳蛋白外周正電荷增加，使蛋白質(zhì)水化作用增強，保護(hù)κ-酪蛋白不易酸化水解，利于酸性牛奶的穩(wěn)定，并且對牛奶中的混合菌群有明顯抑制作用。

另外，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，魚精蛋白對多種口腔病原微生物有抑制作用，在口腔醫(yī)療器材、口腔護(hù)理產(chǎn)品或者在口腔含片、口氣清新劑中添加魚精蛋白抑菌劑可以有效護(hù)理人體口腔健康、降低齲齒發(fā)生概率[58-60]，為魚精蛋白今后作為口腔健康食品功能性原料提供一定可能性。

5 展望

隨著人們生活水平的提高，食品安全受到越來越多的關(guān)注，天然、安全和無毒的防腐劑需求越來越多。魚精蛋白是一種主要存在于魚類成熟精巢組織中的富含精氨酸的堿性蛋白質(zhì)，其具有高效、安全和廣譜的殺菌活性，具有較大的pH適用范圍、熱穩(wěn)定性好、可以與其他天然防腐劑復(fù)配使用等優(yōu)點。大量研究證實魚精蛋白在食品保鮮方面功能突出，可以應(yīng)用到各種食品的保鮮中，也可用于富含糖類和蛋白質(zhì)類的食品中。因此，魚精蛋白在食品工業(yè)中作為一種天然食品防腐劑具有極大的開發(fā)和應(yīng)用價值。魚精蛋白的抑菌特性及機(jī)理有待進(jìn)一步闡明，并繼續(xù)拓寬魚精蛋白在食品工業(yè)中的應(yīng)用范圍。

6 結(jié)語

通過對魚精蛋白的分類及組成、抑菌性研究進(jìn)展、抑菌機(jī)理及作為食品保鮮劑方向的發(fā)展和應(yīng)用等四個方面進(jìn)行詳細(xì)地闡述，揭示魚精蛋白可作為一種新型、天然、無毒的食品防腐劑，在食品防腐及保鮮方面具有極大的開發(fā)和研究價值，同時，也為后續(xù)魚精蛋白進(jìn)一步開發(fā)利用提供理論支持。