Nisin由34个氨基酸残基组成, 其中含有脱氢丙氨酸、脱氢酪氨酸、羊毛硫氨酸、β -甲基羊毛硫氨酸等4种特殊的氨基酸, 通过硫醚键形成5个内环。Nisin是一种带正电的热稳定疏水性多肽, 有6种分子类型, 其中Nisin A和Nisin Z研究较多。Nisin A和Nisin Z的差异仅在于第27位氨基酸的不同, Nisin A上的氨基酸为组氨酸, Nisin Z为天冬酰胺, 第27位氨基酸的不同造成其在热稳定性、耐酸性、蛋白酶敏感度、抑菌谱上的差异。天冬酰胺侧链比组氨酸侧链极性更强, 导致Nisin Z溶解度更好^{[2, 3]}。

Nisin在水中溶解度较低, 在酸性条件下的溶解度更好。pH 2.5时, Nisin溶解度为12%; pH 5.0时, Nisin溶解度为4%; 当pH接近中性时, 其溶解度几乎为零。Nisin稳定性与pH密切相关, Nisin在酸性条件下稳定性好, pH 2条件下121 ℃灭菌后依然保持抑菌活性, pH 11条件下63 ℃灭菌30 min, Nisin的抑菌活性完全丧失。随着pH升高, Nisin分子结构会发生不可逆的变性, 其稳定性大大降低; 当pH值大于等电点时, 分子结构的变化更为突出^[4]。

Nisin主要对革兰氏阳性细菌尤其是芽孢杆菌具有抑制作用。Nisin可抑制葡萄球菌、明串球菌和微球菌等不产芽孢的细菌, 对酵母、真菌、病毒无抑制作用。已有研究发现, Nisin的作用机理类似于阳离子表面活性剂, 带正电荷的Nisin和带负电荷的磷脂发生静电相互作用, Nisin亲水性C端和疏水性N端能够插入细胞膜中而改变其通透性, 疏水性N端插入细胞膜后, 使细菌细胞膜形成孔洞, 打破质子动力平衡, 细胞质外泄, 细胞膜内外渗透压改变, 引起细胞裂解, 从而导致细胞死亡。也有研究认为, Nisin可与细胞壁前体Lipid II形成复合物, 随后插入细胞膜, 使细胞膜穿孔。革兰氏阴性菌能够抵抗Nisin的抑制作用, 可能是因为其细胞壁外层的脂多糖具有屏障作用, 可有效阻挡Nisin对细胞膜的损伤^[5]。

Nisin因为其易被消化道中的胰凝乳蛋白酶分解成氨基酸, 不会改变人体肠道内正常菌群, 无任何毒副作用, 也不会改变食物的感官特性, 因而被广泛应用于肉制品、乳制品、水产品、饮料、酿酒工艺、生鲜果蔬保鲜中。目前, 已有60多个国家和地区将Nisin作为天然的食品防腐剂。

Nisin可与其他方法共同作用, 提高抑菌效果。(1)与溶菌酶同时使用。在制作奶酪的过程中, 将溶菌酶添加到牛奶中用来抑制芽孢杆菌的生长, 通过扫描电镜观察, 溶菌酶和Nisin结合使用比单独使用Nisin造成了更严重的细胞损伤^[10]。在巴氏杀菌乳中, Nisin和溶菌酶对芽孢杆菌和嗜冷菌表现出协同抑菌作用, 使样品的保质期延长到15 d^[11]。(2)与乳过氧化物酶系统(LPS)同时使用。LPS和Nisin能够协同抑制脱脂牛奶中的单增李斯特氏菌, 可使牛奶在25 ℃保存15 d后仍检测不出病原菌^[12]。研究发现, Nisin先使细胞膜穿孔, LPS产生次硫氰根离子, 与病原菌中一些重要蛋白质的巯基作用导致蛋白质失活。(3)与热处理同时使用。在热处理过程中, 加入Nisin是延长食品的保质期、保持食品的感官特性的有效方法。在杀菌处理过程中, Nisin通过改变D值来影响微生物的耐热性。当温度在80~100 ℃时使用Nisin, 牛奶中的蜡样芽孢杆菌的D值平均降低了40%^[13]。Nisin与热处理相结合可抑制冷藏龙虾中的李斯特氏菌, 接种的单增李斯特氏菌数量减少3~5个数量级, 而单独的热处理或Nisin作用细菌数量仅减少1~3个数量级^[14]。(4)与非热处理方法结合使用。目前, Nisin与非热处理方法结合使用已成为趋势, 例如高静压加工技术(HHP)和脉冲电场处理技术。HHP处理能灭活大肠埃希氏菌、荧光假单胞菌等革兰氏阴性菌, 但是李斯特氏菌等革兰氏阳性菌具有一定的耐受性。在250~500 MPa压力下处理添加了不同浓度Nisin的脱脂牛奶, 对细菌的存活力进行评估表明, 两种处理的组合使用比单独处理获得更好的杀菌效果。Nisin的添加导致细菌细胞膜受损, 增加细菌对压力的敏感程度^[15]。

当Nisin直接添加到食品中后, 其活性受到系统中高pH、高脂肪、大颗粒物、蛋白酶等物理和化学因素的影响, 这些因素可以与Nisin发生相互作用, 导致Nisin失活、沉淀、在食物内分布不均匀。Nisin的效力还取决于污染食物的微生物类型和微生物生理状态。非生长阶段的细胞可能更具抗性, 已经适应环境变化的细胞往往对细菌素不敏感。Nisin与某些物理因子或化学物质联合使用, 其抗菌活性能大幅度提高, 可以抑制甚至杀灭革兰阴性菌。EDTA是一种二价阳离子的螯合剂, 能螯合细胞表面膜蛋白的二价金属离子, 破坏细胞膜的结构, 使其暴露出疏水性磷脂。EDTA与Nisin的螯合作用, 使Nisin对致病性大肠杆菌表现出抑菌效果^[16]。吐温80等表面活性分子的使用也可以显著地提高Nisin活性, 两亲性的吐温80能够使Nisin在水脂界面移动, 从而增强其对细菌细胞膜的吸附作用^[17]。

Nisin是一种天然的食品防腐剂, 可延长食物的保质期, 减少病原微生物传播的风险, 减少盐类、酸类和其他化学防腐剂的使用, 能够更好地保持食物原有的风味和感官特性。由于Nisin被蛋白酶降解或者与脂质化合物相互作用, 其抑菌活性迅速降低。今后的工作应在改善Nisin的稳定性和抑菌效力和抑菌谱方面进行更深入的研究。