張吉鹍

（1.湖北博大生物股份有限公司動物繁殖與營養(yǎng)工程技術中心，湖北 黃石 435000；2.江西省農業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)研究所，江西 南昌 330200）

芽孢桿菌在其代謝中會產生種類繁多的脂肽類化合物，主要有枯草（菌）素（Surfactin）、伊枯草（菌）素（Iturin）、豐原（菌）素（Fengycin）和Kurstakin?等四大家族[1-6]。其中，枯草素家族的種類最多，而地衣（菌）素（Lichenysin）又是枯草素家族中重要的一員[6]。張榮[7]從國產白酒中分析出地衣芽孢桿菌固態(tài)發(fā)酵代謝組分的特征產物地衣素。

1 地衣素的理化性質

1.1 地衣素的物理性質

地衣素同枯草素一樣，其晶體呈淺黃色的薄片，類似非結晶型殘渣[8]，分子量在 993 ～ 1?049?Da 之間。

1.2 地衣素的化學性質

地衣素是由地衣芽胞桿菌產生的一類脂肽生物表面活性劑，同枯草素一樣為酸性物質，溶于堿性溶液以及包括甲醇、二氯甲烷、氯仿、乙醇、乙酸、乙酸乙酯以及丙酮等有機溶劑，不溶于己烷、石油酯這類有機物，也不溶于水[8]。

1.3 ?地衣素的結構及其與枯草素結構的區(qū)別

1.3.1 地衣素的結構

芽孢桿菌代謝產生的天然地衣素是由具有不同長度脂肪酸側鏈的同系物組成的混合物。其典型結構為7個氨基酸通過肽鍵連接而成的一種呈馬鞍型的肽鏈，這7個氨基酸的順序為L-Gln1?→?D-Leu2?→?L-Leu3?→?L-Val4?→?L-As p5?→?D-Leu6?→?L-Ile7，肽鏈的第 7 位氨基酸與?-羥基脂肪酸以內脂鍵結合成環(huán)狀，形成環(huán)肽化合物，其脂肪酸碳鏈長度在C12～C17之間。所選用的芽孢桿菌菌種與培養(yǎng)基組分的差異以及培養(yǎng)條件的改變，都會在一定程度上影響地衣素肽鏈氨基酸的組成及脂肪酸鏈的結構[9]。圖1為張榮[7]基于色譜、質譜以及核磁相關實驗數(shù)據(jù)，測定的國產白酒中所含地衣素的結構式。

1.3.2 地衣素與枯草素的結構比較

地衣素與伊枯草素、豐原素、枯草素的化學結構相似，差異主要體現(xiàn)在氨基酸的組成上。如地衣素與枯草素的化學結構就高度相似，區(qū)別僅在地衣素肽鏈第1位氨基酸為L-谷氨酰胺殘基（L-Gln），而枯草素肽鏈的第1位氨基酸則為L谷氨酸殘基（L-Glu）[10]。這點細微的結構差異卻對二者的生理活性功能造成顯著影響。

1.3.3 地衣素比枯草素具有更強的生理活性功能

地衣素比枯草素具有更強的生理活性功能，表現(xiàn)在：1）由于地衣素的Gln取代了枯草素相應位置的Glu，使得地衣素分子的側鏈拓撲結構發(fā)生改變，羧基對陽離子的親和性顯著增加，這樣地衣素就比枯草素表現(xiàn)出更強的表面活性[9]；2）地衣素的溶血活性比枯草素顯著提高，濃度為15?μmoL/L的地衣素即可百分之百地溶血，而相應地枯草素的濃度則需提高到200?μmoL/L；3）地衣素對革蘭氏陽性（G＋）和革蘭氏陰性（G－）細菌的抑菌活性較之枯草素亦明顯增強[11]。總之，盡管地衣素與枯草素的結構相似，但是地衣素具有更強的表面活性、螯合活性與溶血活性。

2 地衣素的表面活性

2.1 生物表面活性劑簡介

圖1 地衣素的結構式（A, n=7, 8, 9;B, n=7, 8, 9,10 ）

所謂生物表面活性劑（Biosurfactant）就是由微生物在正常培養(yǎng)條件下產生的具有一定表面活性的代謝物[12]。生物表面活性劑的分子結構與化學表面活性劑的分子結構相似，其分子中亦同時含有極性的親水基和由脂肪烴鏈構成的非極性憎水基，因而亦具有降低表/界面張力、增溶、乳化等性能[13]。此外，生物表面活性劑較之化學表面活性劑還具有如下優(yōu)勢：1)環(huán)境相容性更好，綠色環(huán)保，無毒或低毒；2)生物降解力更強；3)結構功能更具多樣性；4)極端環(huán)境下（溫度、pH以及鹽度）的耐受性與有效性更長[14]。隨著環(huán)保法的實施以及人們環(huán)保意識的增強，生物表面活性劑將在醫(yī)藥、環(huán)境工程、化妝品以及采油工業(yè)等領域逐漸替代化學合成的表面活性劑，有著廣泛的應用前景。

2.2 生物表面活性劑的分類

根據(jù)生物表面活性劑的結構特點，可以將其分為：脂肽/脂蛋白（Lipopeptides/Lipoproteins）、 糖 脂（Glycolipids）、中性脂（Neutral?lipids）、磷脂（Phospholipids）、 脂多糖（Lipopolysaccharides）以及取代脂肪酸（Substituted?fatty?acdis）6 大類[15]。當前，有關生物表面活性劑的研究，主要（約70%的工作）集中在芽胞桿菌屬（Bacillusspp）合成的脂肽類化合物上[16]，涉及枯草素、伊枯草素和豐原素這樣3大家族。其中枯草素家族（Surfactin?family）包括枯草素（Surfactin）、地衣素（Lichenysin）、望菌素（Esperin）等[17]。而枯草芽胞桿菌（Bacillus?subtilis）代謝產生的枯草素與地衣芽胞桿菌（Bacillus?licheniformis）代謝產生的地衣素這樣兩類重要的環(huán)脂肽化合物又是表面活性劑研究中的重中之重[18]。

2.3 地衣素的表面活性

2.3.1 有關地衣素表面活性的最早報道

有關地衣素及其表面活性的報道最早見于1983年：Javaheri等發(fā)現(xiàn)地衣芽胞桿菌JF-2代謝產生的脂肽類物質地衣素B具有較強的表面活性，可將水的表面張力降至26～27?mN/m，對辛烷的界面張力達到 10-2mN/m[19]。隨后，研究人員又陸續(xù)在地衣芽胞桿菌的代謝物中發(fā)現(xiàn)了地衣素A、B、C、D、G以及表面活性劑BL86，并對它們進行了分離純化與結構分析[9]。

2.3.2 地衣素是極強的生物表面活性劑

自1968年Arima等發(fā)現(xiàn)生物表面活性劑以來，地衣素是迄今為止發(fā)現(xiàn)的表面活性最強的生物表面活性劑之一[14]，20μmoL/L的地衣素即可將水的表面張力降低至27?mN/m，遠勝于相同濃度的月桂酰硫酸鈉溶液，而枯草素作為一種強力生物表面活性劑，也只能將水的表面張力從70?m?N/m降低至36?m?N/m[20-21]。地衣素除了具有強的表面活性外，還具有抑菌、抗病毒、抗癌、溶纖以及溶血等生理活性功能。

3 地衣素的生理活性功能

3.1 地衣素的抑菌活性及其抑菌機理

3.1.1 地衣素的抑菌活性最強

地衣素同枯草素、伊枯草素與豐原素一樣，作為能夠滲透所有細菌細胞膜的脂肽化合物，具有顯著的抑菌活性，是自然界中非常重要的抗菌肽，但以地衣素的抑菌活性最強，其濃度只要達到12～50?μg/mL，就能發(fā)揮有效的抑菌作用，也就是說地衣素的最低抑菌濃度（MIC）為12～50?μg/mL。然而，具體到菌種，地衣素、枯草素、伊枯草素與豐原素的抑菌活性的強弱還是有些差異，體現(xiàn)在：1)枯草素在抑制飼料、食品中的致病菌如使單核細胞增多的李斯特氏菌（Listeria?monocytogenes）[5]、臘樣芽孢桿菌（Bacillus?cereus）[22]和黃曲霉（Aspergillusflavus）[23]的效果較地衣素好；2)伊枯草素是一種抑菌活性較強的抗生素，對真菌中的酵母和霉菌的抑菌功能比枯草素的相應抑菌功能強[2]；3)豐原素是一種抑制霉菌（真菌）的抗生素，抗真菌的作用則較強，尤其是對真菌菌絲的抑制作用特別明顯，主要用于植物中的抑制致病霉菌，已廣泛用于如灰葡萄孢菌（Botrytis?cinerea）、尖孢鐮刀菌（Fusarium?oxysporum）、水稻紋枯病菌（Rhizoctorzia?solani）[17]等農業(yè)有害菌的防治，是一種綠色環(huán)保而又高效的生物農藥。

3.1.2 地衣素的抑菌機理

地衣素、枯草素、伊枯草素與豐原素等脂肽化合物主要是通過破壞細胞膜的完整性來發(fā)揮抑菌作用的，如豐原素與真菌細胞膜表面的甾醇結合而破壞細胞膜的完整性，從而抑制真菌的生長。

3.2 地衣素的抗病毒活性及其作用機理

地衣素與枯草素作為脂肽化合物，均呈現(xiàn)出一定的抗病毒活性，但其抗病毒作用有別于其他抗生素：地衣素是通過瓦解被包圍的病毒來發(fā)揮其抗病毒作用的，而枯草素則不僅能夠瓦解被包圍病毒的油脂層，而且能夠通過形成離子渠道來破壞病毒的衣殼。但是，枯草素只對無細胞病毒有效。當枯草素暴露在高濃度的蛋白質或油脂媒介中時，其抗病毒活性會受阻，這種現(xiàn)象被稱為緩沖效應，是枯草素抗病毒活性的一個致命缺點[24]。

3.3 地衣素的溶纖活性

血纖維蛋白是一種蛋白質，是由凝血酶作用于血纖維蛋白原而形成的，血纖維蛋白聚合而成血凝塊。血纖維蛋白分為可溶的單體形式和不溶的多聚體形式。地衣素與枯草素都能夠抑制血纖維蛋白凝塊，具有較好的溶纖活性。

3.4 地衣素的抗癌活性

自韓國豆醬中分離的地衣素、枯草素等類脂肽化合物能夠通過誘導細胞凋亡來實現(xiàn)對人體乳腺癌腫瘤細胞的抑制[1]。

3.5 ?地衣素是養(yǎng)豬生產中最具潛力的替代抗生素產品之一

上述地衣素的生理活性功能表明，地衣素是當今養(yǎng)豬生產中最具潛力的綠色環(huán)保型替代抗生素產品之一。

4 地衣素生理活性功能小結及其增產策略

4.1 地衣素生理活性功能小結

地衣素比枯草素等具有更強的表面活性、抑菌活性、抗病毒活性和溶血活性，是目前世界各國競相開發(fā)的新產品，無毒、無副作用，是養(yǎng)豬生產中最具潛力的、綠色環(huán)保型替代抗生素產品之一。但由于利用地衣芽孢桿菌發(fā)酵生產地衣素的工藝不夠成熟，其生產得率低且成本較高，限制了它的大規(guī)模工業(yè)化生產與應用推廣。因此，地衣素的開發(fā)研究及其抑菌機制仍需加強研究。

4.2 地衣素增產策略

為提高地衣素的產量，可采取如下措施：首先，菌種方面的，一是查明地衣素產生菌（芽孢桿菌）的多樣性，明確其產地衣素代謝途徑；二是構建地衣素高產工程菌株，可利用重組菌株或高產突變菌株，對現(xiàn)有菌種進行改造進行。其次，發(fā)酵原料方面的，可利用農業(yè)廢棄物等廉價原料。再次，工藝方面的，可采用包括優(yōu)化的發(fā)酵工藝、高效的分離與回收技術在內的高效生產工藝。