ε-聚賴氨酸及其復合保鮮技術在水產品保鮮中的研究進展

李秋瑩，張婧陽，孫彤，謝晶，鄧尚貴，林洪，郭曉華，勵建榮*

1(渤海大學 食品科學與工程學院，遼寧 錦州，121013)2(上海海洋大學 食品學院，上海，201306)3(浙江海洋大學 食品學院，浙江 舟山， 316022)4(中國海洋大學 食品學院，山東 青島， 266100)5(山東美佳集團有限公司，山東 日照， 276800)

我國是全球最大的水產品養殖與消費國之一。水產食品營養價值高，具有獨特的風味，但卻極易發生腐敗變質而嚴重影響水產品的儲存、運輸、后續加工及銷售等過程[1]。微生物的生長和繁殖是引起水產品腐敗的主要因素，水產品腐敗不僅會產生不良的氣味和風味，還會降低營養價值和安全性，嚴重影響水產品的品質[2]。水產品保鮮通常有物理保鮮法、化學保鮮法和生物保鮮法。物理保鮮法不利于水產品的色澤、黏彈性等品質的保持[3]。化學保鮮劑雖然殺菌效率高、較為簡便，但化學殘留易造成環境污染，危害人體健康[4]。隨著消費者對健康飲食和食品安全性的需求越來越大，高效、環保、安全的天然生物保鮮劑更受歡迎，逐漸成為研究熱點。

ε-聚賴氨酸(ε-polylysine, ε-PL)作為一種天然抗菌肽，主要是由白色鏈霉菌(Streptomycesalbus)發酵葡萄糖所得[5]。ε-PL是由25～35個賴氨酸殘基通過分子間α-羧基與ε-氨基縮合形成酰胺鍵連接而成的L-賴氨酸同型聚合物，在人體內能夠降解為必需氨基酸——賴氨酸[5]。ε-PL成品是淡黃色粉末，具有較強的吸濕性；溶于水，不溶于乙酸乙酯、乙醚等有機溶劑；熱穩定性強，于250 ℃開始軟化；經毒藥物動力學檢測，對生殖系統、神經系統、免疫系統、胚胎和胎兒的發育均無毒性作用；不會對食品口感和本身的味道產生顯著影響[5-6]。ε-PL因獨特的理化性質、優異的抗菌活性以及高安全性被廣泛應用在食品領域[7]。隨著2014年ε-PL及其鹽酸鹽被批準成為我國食品添加劑新品種，ε-PL在各類食品保鮮中的應用研究逐漸增加。然而，關于近年來ε-PL在水產品保鮮中的研究情況缺乏系統總結。因此，本文從ε-PL的抑菌作用及機理，對水產品品質的影響，及其復合保鮮技術在水產品保鮮中的應用等方面進行概述，以期為ε-PL在水產品保鮮中的應用和研究提供參考。

1 ε-PL的抑菌作用及機理

1.1 ε-PL的抑菌作用

微生物的生長與繁殖會導致食品品質下降，是影響食品貨架期的一個重要因素，因此，抑菌是食品保鮮的重要環節。ε-PL具有良好的廣譜抑菌性，對革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌以及酵母和霉菌均有抑制作用。但是，ε-PL對不同微生物的抑制能力不同，通常對細菌的抑菌能力更強，而對真菌(特別是霉菌)的抑制作用要弱一些。已報道的ε-PL對不同酵母菌的最小抑菌濃度(minimal inhibit concentration，MIC)大約<150 μg/mL；對其他真菌的MIC大約 <256 μg/mL，也有 > 256 μg/mL的，如蕁麻青霉(Penicilliumurticae)；對細菌的MIC一般 <100 μg/mL[7]。ε-PL的廣譜抑菌性極大促進了其在各類食品防腐保鮮中的應用。在水產品保鮮過程中，ε-PL對水產中各類致病菌和腐敗菌均有較好抑制作用。ε-PL可以破壞冷藏魚糜中蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)的細胞膜，改變膜的通透性，從而使細胞內容物外泄，達到抗菌效果[8]。ε-PL在鳙魚片保鮮中能有效抑制假單胞菌(Pseudomonas)、希瓦氏菌(Shewanella)和不動桿菌(Acinetobacter)的生長，延長鳙魚貨架期2 d[9]。ε-PL鹽酸鹽可通過改變病原菌的耐熱性來抑制魚丸中單增李斯特菌(Listeriamonocytogenes)的生長與繁殖[10]。因此，ε-PL是一種抑菌性能良好的生物防腐劑，在水產品保鮮中有廣泛的應用前景。

1.2 ε-PL的抑菌機理

ε-PL的抑菌活性與其自身的肽鏈長度和所帶氨基有關。當肽鏈長度少于10個賴氨酸殘基，ε-PL失去抑菌活性[11]。LIU等[12]研究發現溶液中ε-PL的陽離子會增強ε-PL的抗菌活性，而ε-PL的主鏈骨架可能在其抑菌機制中起重要作用。溫度、pH值和食品組分被認為是影響ε-PL抗菌活性的主要外部因素[7]。ε-PL的熱穩定性較好，120 ℃加熱30 min和60 min對ε-PL的抑菌活性沒有顯著影響[13]。pH對ε-PL的抑菌活性有一定影響，pH值高于等電點時，抗菌活性略有下降[12]。食品組分中蛋白含量過高會降低ε-PL的抑菌活性，ε-PL對大米和蔬菜提取物比牛奶、牛肉、香腸提取物更好的微生物抑制效果[14]。

ε-PL的高抑菌活性引起人們對其抑菌機制的研究興趣。一方面，ε-PL可以通過靜電作用與細胞膜結合，導致細胞膜破裂。近來研究發現ε-PL主鏈存在以某種未知方式與細胞膜的相互作用[12]。另一方面，ε-PL進入細胞后可與DNA結合，影響生物大分子的合成，最終導致細胞死亡[7]。ε-PL還會促進活性氧簇的產生引起氧化應激和DNA損傷[15]。綜上，ε-PL會引起細菌細胞形態結構的改變，細胞膜通透性增加且完整性遭到破壞，胞內蛋白質和基因的表達譜發生改變，最終導致細胞死亡[16]。由于革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的細胞壁組成和結構不同，ε-PL對2種細菌細胞壁的影響也略有不同。在金黃色葡萄球菌中，帶正電荷的ε-PL附在帶負電荷的磷壁酸上進而嵌入細胞壁的肽聚糖層，破壞細胞壁肽聚糖結構，導致細胞壁變脆弱[13]。在大腸桿菌中，ε-PL首先作用于外膜，破壞脂多糖層，進而改變膜通透性和完整性[17]。

1.3 ε-PL抑菌活性增強技術

ε-PL具有較好的廣譜抑菌活性，但對某些細菌的抑制作用較弱，為此，需要采用一些方法來提高ε-PL的活性。朱鴻偉[18]利用 Nα-Boc-L-賴氨酸為底物通過烏吉反應合成了一種含有親水氨基和疏水亞基的兩親性改性ε-PL，與商業化ε-PL相比，改性ε-PL具有更強的抑菌作用，可延長冷藏大菱鲆貨架期6 d。此外，利用羰基和氨基的美拉德反應對蛋白質進行改性，所得美拉德反應產物的抗菌能力、抗氧化性、熱穩定性及乳化性等理化性質可以得到提升[19]。ε-PL與殼聚糖的美拉德反應產物對細菌和真菌具有更強的抗菌活性，而且增加了細菌的外膜和內膜的通透性[19]。ε-PL與還原糖(葡萄糖、果糖和木糖)的美拉德反應產物比ε-PL的抗氧化活性提高了40.5%～69.4%[20]。ε-PL與葡聚糖復合物在溫度60 ℃時可較好保留抑菌性，乳化性在反應6 h達到最佳水平[21]。盡管ε-PL的美拉德反應產物具有較好的抗氧化性和抗菌性，但是目前這一保鮮劑在水產品保鮮中尚未見報道。

2 ε-PL對水產品品質的影響

2.1 ε-PL對水產品菌落總數的影響

菌落總數(total viable counts，TVC)是一定條件下生長出的細菌總數，是評價水產品質量的一個指標，造成水產品腐敗的微生物根據水產品所處的環境不同而有所不同[1]。GB 10136—2015《食品安全國家標準 動物性水產制品》中規定，水產品中TVC>106CFU/g時表明魚體腐敗。高乾坤等[22]報道0.1%ε-PL處理的帶魚在冷藏6 d時，仍未超過這一標準，但其他保鮮劑處理組TVC均已超標。0.1%ε-PL處理的白蝦在冷藏條件下儲藏8 d時，也未超過腐敗的標準[23]。0.5%ε-PL處理的草魚的TVC在7 d仍未超標，但其他等濃度保鮮劑處理組均已超過這一數值[24]。ε-PL對淡水產品以及海水產品中的菌落總數的抑制，主要是因為ε-PL對水產品優勢腐敗菌具有良好的抑制作用，并且作用效果高于其他保鮮劑。

2.2 ε-PL對水產品感官的影響

感官評定是水產品質量評價的一個重要手段，水產品的色澤、質構、風味等均是重要的感官指標。何麗等[24]研究發現草魚魚腩經0.5%ε-PL處理后可保持正常顏色和原有魚香味，并且對其組織形態和彈性無不好影響，避免了大多數有機酸保鮮劑處理后的酸味殘留、顏色泛白、彈性變差等問題，有效延長草魚魚腩的貨架期。0.15%ε-PL可以延緩鰱魚魚糜泛黃，延長魚糜貨架期[25]。添加ε-PL還能夠小幅提升魚糜凝膠制品的凝膠強度，可在后續制成魚丸時增加魚丸的咀嚼口感，但不同添加量的ε-PL對魚糜制品凝膠強度無顯著影響，ε-PL最佳添加量為0.1%。此外由于ε-PL本身是一種淡黃色粉末，高添加量(0.1%、0.2%)會影響魚糜制品的白度，較低添加量(0.025%、0.05%)則不會產生影響[26]。以上研究表明ε-PL對保持水產品感官品質具有積極作用。

2.3 ε-PL對水產品鮮度化學指標的影響

在水產品貯藏過程中，化學指標的變化主要受到水產品體內微生物酶和內源酶等多種因素的影響，是評定水產品鮮度的依據[27]。ε-PL可有效抑制微生物酶的產生，進而對水產品的鮮度化學指標產生影響。揮發性鹽基氮(total volatile base nitrogen，TVB-N)和硫代巴比妥酸值(thiobarbituric acid reactive substance，TBARS)是評價水產品新鮮度變化的2個主要化學指標。TVB-N指標反映水產品蛋白質分解產生的氨及胺類等堿性含氮物質含量的高低，含量越高，表明蛋白質分解程度越大，對水產品中營養成分影響越大[27]。GB 2733—2015《食品安全國家標準 鮮、凍動物性水產品》中規定海水魚蝦可接受的TVB-N應不超過30 mg N/100g。0.1%ε-PL可使太平洋白蝦的TVB-N值在0 ℃冷藏8 d后仍未超過20 mg N/100g[23]。這表明ε-PL可以有效抑制水產品中蛋白質的分解，從而保持水產品鮮度和營養價值。TBARS指標主要反映脂質的氧化程度。0.1%ε-PL保鮮液浸泡處理帶魚能有效的降低帶魚貯藏過程中的TBARS值[22]。但該研究也表明ε-PL在抑制帶魚冷藏過程中脂質氧化方面弱于茶多酚，這主要是因為ε-PL雖然具有較強的廣譜抗菌性，但是抗氧化性較差，這在一定程度上阻礙了ε-PL的應用。因此，在ε-PL應用過程中應進一步考慮如何彌補和提高其抗氧化性，開發基于ε-PL的復合保鮮技術。

3 ε-PL復合保鮮技術在水產品保鮮中的應用

復合保鮮技術是將2種或2種以上的化學保鮮、物理保鮮及生物保鮮手段相結合對食品進行保鮮的技術[28]。單一保鮮技術因為難以全面殺滅食品中所有微生物，往往難以達到理想的保鮮效果。發揮不同保鮮技術的協同作用，既可以更好地延緩食品腐敗，又可以降低單一保鮮劑或保鮮技術的用量，保證食品質量和安全。目前ε-PL復合保鮮技術多集中于制備復合保鮮劑、復合可食性涂膜、復合納米材料以及與超高壓技術復合使用。本文總結了近幾年以上幾種ε-PL復合保鮮技術在水產品保鮮中的研究與應用。

3.1 ε-PL復合保鮮劑

ε-PL常用于復合的保鮮劑的制備，在各類食品中具有廣泛的應用。常用于與ε-PL進行復配的保鮮劑包括天然多糖類(如殼聚糖)、酚類物質(如茶多酚)、其他抗菌肽(如乳酸鏈球菌素)等。這些保鮮劑或與ε-PL有協同抑菌作用，或在抗氧化性能上可互補。0.02%納他霉素+0.06%ε-PL復合保鮮劑能有效抑制白蝦冷藏過程中黑變的發生[29]。ε-PL、迷迭香酸與殼聚糖復合保鮮劑能顯著降低半滑舌鰨魚片中丙醛、己醛、辛醛等異味物質的相對含量[30]。不同濃度火龍果皮提取物與1.2%明膠、0.1%ε-PL復合可食性涂膜使低冷藏無殼小龍蝦的TVB-N值在7 d才超過30 mg/100g，但對照組在6 d就已經超過了閥值，同時K值和游離氨基酸的含量也被顯著抑制[31]。0.05%乳酸鏈球菌素與0.03%ε-PL鹽酸鹽復合保鮮劑較單一保鮮劑增加了抑菌廣譜性，使復合處理組的TVC始終低于單一處理組，TVB-N、TBA值也被顯著抑制，這表明復合處理能更有效地延緩魚片中蛋白質分解和脂肪氧化[32]。乳酸鏈球菌素、ε-PL與山梨酸鉀復合防腐劑能有效抑制魚糕中微生物的生長，將魚糕貨架期從3周延長至10周[33]。多種研究表明ε-PL與其他保鮮劑復合使用在抑制水產品微生物生長、質構品質及色澤方面比單獨使用某種保鮮劑效果好，因此，ε-PL復合保鮮劑具有良好的水產品保鮮應用前景。

3.2 ε-PL與可食性涂膜復合保鮮技術

可食性涂膜是在可食用的脂類、多糖、蛋白質等天然大分子聚合物中加入可食性的增塑劑或交聯劑，以浸泡、涂布、噴灑等方式在食品表面形成一層薄膜，可以很好地隔絕空氣、水分及微生物，起到防腐保鮮作用[34]。然而，多糖和蛋白等成膜基質的抗菌、抗氧化活性是有限的，抗菌活性物質如ε-PL的添加可提高可食性膜的保鮮性能。迄今為止ε-PL被成功納入白鰱魚魚糜膜、明膠膜、殼聚糖膜、纖維素膜和淀粉膜等可食性膜中，提高了這些膜的抗菌活性[35]。

ε-PL的添加會對可食性膜的理化性能產生一定的影響。李秋瑩等[36]發現ε-PL鹽酸鹽添加量的變化會影響溶菌酶和ε-PL鹽酸鹽多糖可食性涂膜的氣體阻隔性能和機械性能。加入ε-PL和蝦青素的殼聚糖-明膠膜的水溶性降低，透水性增加，物理性質得到了很好的改善，彌補了多糖膜的缺陷，也充分利用了凡納濱對蝦副產物[37]。ε-PL與魚肉或魚糜復合制備的可食性膜，有良好的抗菌和機械性能。WENG等[38]制備了基于白鰱魚魚糜的可食性膜，發現添加ε-PL能增加膜的抗菌性，當ε-PL添加量低于0.15% 時膜的力學性能提高，但隨ε-PL添加量的增加，力學性能略有下降。

添加ε-PL能顯著提高可食性涂膜對水產品的保鮮性能。2%ε-PL與1.5%殼聚糖復合涂膜可顯著抑制凡納濱對蝦儲藏過程中嗜冷菌、假單胞菌的生長[39]。0.13% ε-PL與1.8%殼聚糖復合涂膜有效抑制了中國對蝦TVC、pH、TBA、K值和TVB-N的增長[40]。0.4%ε-PL與2%海藻酸鈉復合涂膜有效地保持日本花鱸在儲藏期間魚肉顏色和組織硬度，延緩了脂質氧化、蛋白質降解和核苷酸的分解[41]。ε-PL除了與單一聚合物制備復合涂膜外，還與多種活性物質和聚合物制備成成分更復雜的復合涂膜，協同各組分發揮優勢。ZHANG等[40]報道0.13%ε-PL-1.8%殼聚糖-0.19%卡拉膠復合涂膜顯著抑制中國對蝦TVC、TVB-N和TBATS值的增長，并保持良好的質構品質和感官特征。電子鼻對0.13%ε-PL-1.8%殼聚糖-0.19%卡拉膠復合涂膜處理的中國對蝦中揮發性物質(硫化物)的檢測結果表示，該復合涂膜可在一定程度上減緩硫化物的生成[42]。張涵等[43]將0.5%ε-PL和2%海藻酸鈉復合涂膜與氣調包裝結合，可顯著抑制金鯧魚中微生物增長、減緩TVB-N值、pH上升，并保持魚肉色澤，在冷藏9 d后，各項指標表示魚片仍能保持在一級鮮度；該復合涂膜與真空包裝結合可有效抑制金鯧魚體內微生物生長，TBA值和TVB-N值均未超過國家二級鮮度標準，魚肉色澤、氣味以及感官保持良好，在可接受范圍內[44]。因此，以上研究表明ε-PL結合可食性涂膜復合保鮮技術與單一復合涂膜相比具有更好的涂膜理化性能、抗菌性能及在水產品中更好的保鮮性能。

3.3 ε-PL與納米材料復合保鮮技術

新型納米無機抗菌材料，目前已用于制備活性食品包裝中，如含Ag+的抗菌聚合物，以及ZnO納米顆粒[45]。MAGORZATA等[46]報道，加入ZnO和ε-PL制成的復合甲基羥丙基纖維素膜，可以降低海鱈魚片膠質的增加幅度和水分流失率，并且對中溫細菌的抑制作用明顯高于聚乙烯醇包裝材料。納米纖維具有獨特的高比表面積和高孔隙率的特點，與其他納米材料相比具有較高的安全性[47]。制備納米纖維的方法常有相分離法、自組裝法、界面聚合法和靜電紡絲法。近年來，靜電紡絲已成為一種經濟、實用、有前途的由天然高分子材料制備活性納米纖維的方法[47]。在食品保鮮領域，主要是將抗菌活性材料包覆在電紡納米纖維中，制備可用于活性食品包裝的高分子納米纖維。目前已有ε-PL經過靜電紡絲制備納米纖維膜作為食品活性包裝的報道。用靜電紡絲法制備的明膠-甘油-ε-PL納米纖維能有效抑制牛肉中單核增生李斯特菌[48]；載入百里香精油/β-環糊精-ε-PL的電紡納米纖維膜可有效抑制雞肉中空腸彎曲桿菌的生長[49]。朱鴻偉[18]將ε-PL載入聚乙烯醇制備的電紡納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有良好的抑菌效果。雖然ε-PL與納米纖維膜復合保鮮技術在食品保鮮領域中已獲得了認可，但是尚未見在水產品保鮮中應用的報道。隨著靜電紡絲制備納米纖維技術的發展，未來ε-PL與納米纖維膜復合保鮮技術在水產品保鮮領域有良好的研究潛力。

3.4 ε-PL與超高壓復合保鮮技術

超高壓技術(ultra-high pressure, UHP)是在常溫或低溫下以水或其他液體為媒介加壓(100～1 000 MPa)的冷殺菌技術。UHP可以通過滅活腐敗菌和組織降解相關的酶來延緩水產品在冷凍貯藏期間的貨架期。但不同腐敗微生物的耐壓能力不同，且不適宜的UHP條件易促進水產品脂肪氧化，這限制了該技術在水產品保鮮中的應用[50]。因此，常用UHP與其他保鮮技術相結合以提高水產品在冷藏期間的整體品質。目前，ε-PL與UHP復合保鮮技術報道不多，且多采用ε-PL復合保鮮劑與UHP復合。霍健聰等[51]報道了0.06%ε-PL保鮮液與UHP(250 MPa, 20 min)綜合處理可顯著降低鰹魚中微生物數量，并使TVC值在4 ℃環境中80 h未超標，同時保持魚肉自身色澤。郭麗萍等[52]報道了與單一UHP和復合保鮮劑相比，0.15%殼聚糖+1.50%ε-PL的復合保鮮劑與UHP(200 MPa,5 min)結合能明顯抑制鱸魚冷藏過程中的菌落總數，減緩蛋白質與脂肪變質程度，保持冷藏鱸魚的品質，延長冷藏鱸魚貨架期。鄒小欠等[53]使用ε-PL復合保鮮劑(0.05%茶多酚+0.005%乳酸鏈球菌素+0.005%ε-PL+0.005%溶菌酶)與UHP(300 MPa, 20 min)復合處理冷藏生食泥螺, 與單一技術處理樣品相比，可有效抑制TVC、TVB-N和TBARS值的增加，更好地維持了感官品質。以上報道均表明ε-PL保鮮劑與超高壓技術相結合的復合保鮮技術可以發揮2種保鮮技術的協同保鮮效果，有效抑制水產品貯藏過程中的腐敗變質，延長產品貨架期。

4 展望

ε-PL作為一種天然生物保鮮劑，對水產品中的常見特定腐敗菌具有良好的抑制作用。ε-PL在一定程度上可以有效保持水產品感官品質，有效抑制水產品貯藏過程中蛋白質降解和脂類氧化，延長水產品貨架期。但單一ε-PL在水產品保鮮中的能力仍有一定的限制，不及ε-PL復合其他保鮮技術的保鮮效果。將ε-PL與其他復合保鮮劑、可食性涂膜、納米材料以及超高壓技術等保鮮技術復合，能達到更為理想的水產品保鮮效果。目前，ε-PL在水產品保鮮領域的研究多集中于復合保鮮劑和復合保鮮涂膜對水產品貯藏品質的影響研究，而與一些新型保鮮技術復合作用研究較少，并且關于ε-PL及其復合保鮮技術的協同作用機制研究有限。隨著新型保鮮手段的應用，ε-PL可復合的保鮮技術會隨之增加，但如何發揮ε-PL自身特點，充分利用ε-PL與其復合保鮮技術的協同優勢，制備適用于水產品的安全、高效、經濟的復合保鮮劑、包裝材料以及節約耗能的復合保鮮技術仍是值得思考的問題。