1、第 40 卷第 3 期 精 细 化 工 Vol.40,No.3 2023 年 3 月 FINE CHEMICALS Mar.2023 收稿日期：2022-07-17;定用日期：2022-10-24;DOI:10.13550/j.jxhg.20220669 基金项目：国家自然科学基金（31671909）作者简介：唐亚丽（1982），女，副教授，E-mail：。酶型生物改性抗菌材料的研究进展 唐亚丽1,2，王立苹1，卢立新1,2，潘 嘹1,2，丘晓琳1,2（1.江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122；2.江苏省先进食品制造装备技术重点实验室，江苏 无锡 214122）摘要：细菌微生物感染
2、是食品、药品、生物医疗等研究领域亟待解决的难题。抗生素的出现缓解了人们对抗菌材料的需求，但也导致耐药细菌的产生。因此，开发具有抗菌活性强、生物安全性高的天然抗菌剂和抗菌材料非常有意义。目前，抗菌酶在医疗机械、食品、药品、化妆品等领域具有广泛的应用前景，用于对抗微生物和生物膜的形成具有研究意义。该文综述了几种常见的酶型生物改性抗菌材料用的抗菌酶和抗菌酶系统，以及将抗菌酶与材料结合得到的酶型释放杀菌材料和酶型接触杀菌材料的研究进展，并对酶型生物改性抗菌材料的未来研究方向进行了总结和展望。关键词：抗菌酶；生物改性；抗菌材料；固定化酶；抗菌性能 中图分类号：Q814；TB34 文献标识码：A 文章编号
3、：1003-5214(2023)03-0465-13 Research progress on enzymatic modification of antibacterial materials TANG Yali1,2,WANG Liping1,LU Lixin1,2,PAN Liao1,2,QIU Xiaolin1,2（1.School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,Jiangsu,China;2.Jiangsu Key Laboratory of Advance Food Manufacturing E
4、quipment&Technology,Wuxi 214122,Jiangsu,China）Abstract:Bacterial infection is a difficult problem urgently needed to be solved in the field of food,medicine and biomedics.The discovery of antibiotics has alleviated the demand for antimicrobial materials,but also led to the emergence of drug-resistan
5、t bacteria.Therefore,it is of great significance to develop natural antimicrobial agents and antibacterial materials with strong antibacterial activity and high biological safety.At present,antibacterial enzyme shows promising application potential in medical machinery,food,medicine,cosmetics and so
6、 on,and it is of research significance to employ them against the formation of microorganisms and biofilms.Herein,several common antibacterial enzymes and enzyme systems were introduced,followed by discussions on the research progress in combining antimicrobial enzymes with materials to produce enzy
7、me release bactericidal materials and enzymatic contact bactericidal materials.Finally,the future development of enzyme modified antibacterial materials was summarized and prospected.Key words:antibacterial enzyme;biological modification;antibacterial materials;immobilized enzyme;antibacterial prope
8、rties 从古至今，细菌病原体一直是人类生命和健康生活的一大威胁，因为它们可以通过污染食物、饮用水、医疗器械等攻击人体的正常生命活动，诱发各种细菌感染性疾病，包括细菌性肺炎、尿路感染、伤口感染和性传播感染1等。这些由细菌病原体引起的传染病在全世界范围内的发病率和死亡率都很高，尽管抗生素的出现大大缓解了细菌感染的发病率和死亡率，但正如青霉素的发现者亚历山大弗莱明所预言的那样，抗生素伴随着细菌耐药现象，并在病原菌中传播2。抗生素在医学、畜牧业、食品中的广泛应用甚至滥用，加剧了细菌对抗菌剂的耐药性，使传染病的预防和控制变得困难，对人类健康和生态安全构成严重威胁3-4。根据奥尼尔委员会的估计，到 2
9、050 年，将有超过 1000 万人的生命综论 466 精 细 化 工 FINE CHEMICALS 第 40 卷 被剥夺，对抗抗生素耐药性的成本将达到 100 万亿美元5。此外，抗生素很可能在宿主体内引起不良反应6。因此，迫切需要开发具有广谱抗菌效果的天然抗菌剂以及新型抗菌材料。抗菌酶是能缓解细菌耐药性的一种天然抗菌剂，其对细菌病原体以及微生物生物膜的抑制作用引起学者的广泛关注，从而研发出新的抗菌技术7。但抗菌酶结构不稳定，在高温、高压、强酸、强碱和有机溶剂中容易失活，极端环境使抗菌酶的长期操作稳定性差的问题限制了其应用。目前，已经研发出多种应用抗菌酶的抗菌技术，例如：将抗菌酶和壳聚糖、金属
10、离子协同抗菌以增加抗菌效果，或将酶固定到载体表面通过接触杀菌的方式达到抗菌效果。将抗菌酶固定化在材料内部或表面，能提高酶的稳定性、延长使用寿命，并且能回收再利用，进而明显降低生产成本，显著拓宽了抗菌酶的应用领域。随着 2020 年新冠肺炎疫情的爆发，细菌病原体与人类生活的矛盾不断加剧，抗菌酶的应用范围将会越来越广，以抗菌酶为抗菌剂的抗菌材料会逐渐成为人们日常生活中的一部分。酶固定化技术为用抗菌酶抑制微生物生长的酶型生物改性抗菌材料提供了可能，良好的固定化载体和先进的固定化技术是将抗菌酶与载体材料结合的关键。固定化酶技术最早用于免疫学中分离蛋白质和吸附抗体，此后逐步建立起以吸附法和包埋法为主流的
11、物理固定化技术。在中期发展中，研究人员不断开发固定化酶的载体，除了无机载体外，相继研究了天然聚合物及其衍生物以及合成聚合物等几大类载体。并且随着固定化酶技术（共价法、吸附法、包埋法、微囊化法、交联法五大基本技术）的发展，现如今固定化酶技术趋向高效化、合理化，运用集成度和精密度更高的固定化酶技术解决问题（图 1）。图 1 固定化酶技术发展过程概述图 Fig.1 Summary of immobilized enzyme technology development process 本文总结了常见的抗菌酶以及抗菌机制（图2），详细描述了抗菌酶应用于抗菌材料中的方法和载体，同时分析了以抗菌酶为抗菌剂
12、存在的问题。图 2 构建生物改性抗菌材料的抗菌酶分类图 Fig.2 Classification diagram of antimicrobial enzymes of biologically modified antibacterial materials 并提出了运用基因工程或化学修饰改变酶结构，使用具有较高活性和高比表面积的载体，同时将多种固定化酶技术组合应用，解决目前出现的酶型改性抗菌材料存在的稳定性差、抗菌效果不好、成本较高等问题。1 酶型生物改性抗菌材料的几种抗菌酶 1.1 抗菌蛋白酶 抗菌蛋白酶是一种水解酶，通过催化肽键的水解（蛋白水解），从而产生蛋白质片段甚至单个氨基酸。蛋白
13、酶在原核和真核细胞中普遍存在，并在多种代谢过程中发挥作用。根据催化位点的不同结构和酶促作用的不同机制，蛋白水解酶可分为以下几类：（1）半胱氨酸蛋白酶，活性中心半胱氨酸的硫醇基团可作为亲核试剂，组氨酸的咪唑环负责质子化/去质子化；（2）苏氨酸蛋白酶，活性中心苏氨酸的羟基残基充当亲核试剂；（3）天冬氨酰蛋白酶，活性位点的两个天冬氨酸残基是肽键水解的关键，在酸性环境中具有高活性；（4）谷氨酸蛋白酶，活性位点有一个谷氨酸残基，在低 pH 下仍有活性；（5）第 3 期 唐亚丽，等:酶型生物改性抗菌材料的研究进展 467 金属蛋白酶，活性中心具有二价阳离子Zn2+、Co2+和 Mg2+；（6）丝氨酸蛋白酶
14、，其中丝氨酸的羟基残基与组氨酸的咪唑环和天冬氨酸的羟基均位于活性中心8。还可以按照抗菌膜肽键断裂的部位分为外肽酶和内肽酶。此外，还可以按照蛋白酶在广泛 pH 范围内的最大活性，分为亲碱性、中性和嗜酸性蛋白酶9。1.1.1 溶葡萄球菌酶 溶葡萄球菌酶按肽链断裂的位置属于内肽酶，并且分子中含有二价金属离子，又属于金属蛋白酶。溶葡萄球菌酶对葡萄球菌属的细菌具有特异性，能切断葡萄球菌细胞壁肽聚糖中的五甘氨酸肽键桥结构，迅速溶解和杀灭葡萄球菌属10，但是不能水解含有甘氨酸和甘氨酸肽键的细胞壁7。溶葡萄球菌酶的纯生物特性，以及独特的生物杀菌机制不会产生耐药性和毒副作用，使其在医疗卫生方面有广泛的应用，并且
15、已有的动物实验和人体实验数据均表明，溶葡萄球菌不宜引发不良反应和过敏反应。1.1.2 枯草芽孢杆菌酶 枯草芽孢杆菌酶按在广泛 pH 范围内的最大活性区分属于中性蛋白酶，又因其酶活性中心有起激活或保护作用的金属离子，如 Zn2+、Ca2+、Mg2+，属于金属蛋白酶 11。枯草芽孢杆菌酶是由枯草芽孢杆菌分泌的酶组成，能促进肠道消化、体表消毒；除此之外，在蚊虫、蜱蚤和寄生物的清除以及降解养殖水体有机质方面具有良好的应用效果。枯草芽孢杆菌分泌的多种酶能适应高温密闭环境、有较强的免疫原性，对有毒有害物质的生成具有抑制作用，并且可以减少面源污染12。枯草杆菌素可以分解黏附素（附着在固体载体和其他细菌上所必
16、需的细菌蛋白质），从而防止微生物的共聚，这是一种使细菌与其他细菌交流并参与多物种生物膜形成的条件13。XIANG 等14从蓝莓发酵液中获得了一种新的细菌素 JS17，其对革兰氏阳性和阴性细菌都具有抗菌活性，并且耐酸碱和高温。枯草芽孢杆菌分离得到的细菌素具有广谱抗菌性，且化学稳定性良好，耐酸碱和耐高温，因为天然枯草芽孢杆菌细菌素具有安全无毒的特性，使其能在食品、医疗卫生、生物防治等方面具有良好的应用前景。1.1.3 噬菌体裂解酶 噬菌体裂解酶是利用分解细菌细胞壁肽聚糖层中的关键化学键来杀灭微生物的。如图 3 所示，按照作用肽聚糖化学键的位置不同15噬菌体裂解酶可以分为：N-乙酰胞壁酰-L-丙氨酸酰胺酶（）、内肽酶（）、-N-乙酰氨基葡糖苷酶（a）、N-乙酰胞壁糖苷酶（b）和溶菌糖基转移酶（）7。噬菌体裂解酶具有广谱抑菌效果，能抑制革兰氏阳性菌中金黄色葡萄球菌、单增李斯特菌和革兰氏阴性菌中肠沙氏门菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌的生长繁殖，且对耐药细菌包括鲍曼不动杆菌、大肠杆菌等微生物的生长也存在抑制作用2。噬菌体裂解酶具有广谱抗菌性，在食品病源生物控制方面具有广泛的应用16。OBESO 等17
