乳酸菌是一类能从可发酵性碳水化合物产生大量乳酸的革兰氏阳性细菌的通称。它们在人、动物体内及人类环境中是一类重要的微生物。一些定居在嘴、鼻黏膜中，一些定居在消化道、肠道（双歧菌、肠球菌和一些乳杆菌）和阴道黏膜中（一些特殊的乳杆菌）。在这些生境小区里，它们中大多数不仅不致病，相反还有益于健康，可以抑制一些腐败菌和病原菌，从而维持体内这些小生境尤其是肠道内正常的微生态平衡。同时。乳酸菌也是一类重要的工业微生物，广泛应用于轻工业、医药业、食品工业、发酵工业和饲料工业上。目前已知乳酸菌生化功能特性的作用机理，除了定植、主要代谢产物（乳酸等）改善肠道内环境、有效酶活力外，一些次生代谢产物，如细菌素、胞外多糖（exopolysaccharide，EPS）、SOD等也发挥主要作用。
1 乳酸菌素
1.1 细菌素
细菌素是细菌代谢过程中合成并分泌到环境中的一类对同种的或亲缘关系较近的种有抑制作用的杀菌蛋白或多肽物质。当然，随着研究的进展，已发现了一些对食品腐败微生物和病原微生物具有广谱抑菌活性的细菌素。
细菌素既可自发产生，也可诱发产生，除少数特例外，大多数细菌素的编码基因组位于质粒上，这些细菌素的释放需要三个条件：①细菌素的表达；②细菌素释放蛋白的存在；③该细菌细胞外层膜上具有抗去污剂的磷酸酯酶A的存在。细菌素的作用具有特异性，其对敏感细胞的致死作用是吸附到细胞表面特异性的受体上，随后引起敏感细胞在代谢、生物学和形态上的改变，最终导致死亡。而且越来越多的证据表明，尽管归属不同的属，绝大多数细菌产生的细菌素也有与此相同的特点。
1.2 乳酸菌素的分类
已经从各种乳酸菌的产物中分离到上百种细菌素，根据其特点，可以分为以下四类：Ⅰ类，羊毛硫类抗生素；Ⅱ类，热稳定性小分子肽；Ⅲ类，热不稳定性大分子肽；Ⅳ类，蛋白复合体，其作用的挥发需要与特定的碳水化合物或脂类结合。大多数新发现的细菌素均属于Ⅱ类，具有分子量小（30～100氨基酸残基）、热稳定、通常不经过转录后修饰等特点。尽管大部分产生细菌素的细菌仅产生一种细菌素，相当多的乳酸菌能产生数种细菌素。根据其共同特征，部分Ⅱ类细菌素又可分为片球菌属组、双肽细菌素组、次级信号依赖性细菌素组。
1.3 乳酸菌素的特性
1.3.1  乳球菌属细菌素
乳球菌广泛使用在乳品工业上作为发酵剂。乳酸乳球菌和它的亚种可以产生细菌素：双球菌素（Diplococcin)、乳球菌素（Lactococcin）、Lactostrepcin、乳链球菌素（Lacticin）和乳链菌肽（Nisin)。通常报道乳球菌细菌素生化遗传特性的资料比其他乳酸菌的要多。其中最突出并得到实际应用的是各种Lactococcus lactic subsp.Lactis产生的细菌素Nisin。有关Nisin的特性见1.4节。
1.3.2 片球菌属细菌素
片球菌常用于许多蔬菜、奶酪、肉和腊肠产品的发酵。片球菌素是片球菌属中的乳酸片球菌（P.acidilactici）、啤酒片球菌（P.cerevisiae）和戊糖片球菌（P.pentosaceus）三种菌产生。已报道的有片球菌素AcH、片球菌素PA-1、片球菌素A及由P.cerevesiae FBB63和P.acidilactici PC产生的两种未命名的细菌素。片球菌素的相对分子质量较小，均为几千道尔顿、热稳定。其中片球菌素AcH研究较详细。它是由Pediococcus acidilactici H 产生，分子质量为2700Da，热稳定，121℃ 15min仍保持活性，对胰蛋白酶、无花果蛋白酶、木瓜蛋白酶、蛋白酶K和胰凝乳蛋白酶敏感，适合在TEG液体培养基中产生，抑制谱较广，可抑制乳杆菌、明菌、金黄色葡萄球菌、单核细胞增生利斯特特氏菌、产气荚膜梭菌、恶臭假单胞菌，其作用机制是抑制ATP的合成，损坏运输系统，最终导致细胞死亡。通常片球菌素表现出一个抗广谱革兰氏阳性菌的活性，如可以抗单核细胞增生利斯特氏菌、金黄色葡萄球菌和梭菌等。
1.3.3 明串珠菌属细菌素
明串珠菌是从食品原材料、乳制品和葡萄酒发酵中发现的乳酸菌。很早人们就认识和了解到这种有机体具有抗菌活性，然而在多数情况下，此类抑菌物不是细菌素，而是乙酸和双乙酰。已报告的明串珠菌细菌素是Mesenterocin 5、Leucocin A 、Leuconocin S和Carnocin，但只是一般特性的描述，缺乏完整的生化遗传特性，其中Leucocin A 表现出一个抗广谱革兰氏阳性菌活性。它是由Lgelidum UAL187产生的细菌素，分子质量为3900Da，热稳定性为60℃ 30min，对淀粉酶、胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、胃蛋白酶敏感，在MRS液体培养基中对数前期产生，可以至明串珠菌、乳杆菌、片球菌、单核细胞增生利斯特氏菌、粪肠球菌等。

1.3.4 食肉杆菌属细菌素
肉食杆菌属是1987年命名的属，包括有非耐酸的异型乳杆菌。它们是从家禽、鱼和真空包装肉中分离到的。关于肉食杆菌的鉴定和分类相对比较晚，但也有研究报告了这个属产生的细菌素。已知的细菌素有Carnobacteriocin A1、Carnobacteriocin A2、Carnobacteriocin A3、Carnocin U149、Carnobacteriocin B1、Carnobacteriocin B2及由Cpisici-cola LK5产生的一种未命名的细菌素，但都缺乏详细的资料报道。
1.3.5 乳杆菌属细菌素
乳杆菌的拮抗作用除了细菌素外，常常由酸、乳过氧化物酶、双乙酰，过氧化氢等末端产物引起，因而在测定细菌素这种杀菌蛋白前，必须从样品制剂中除去上述抑制化合物，以消除干扰。已经从自然发酵的乳制品、非乳制品、发酵剂、动植物和人类中分离得到的乳杆菌中筛选出了产细菌素的许多乳杆菌菌株。目前已知的乳杆菌细菌素有Plantaricin A、Plantaricin B、Plantaricin C、Plantaricin ST、Plantaricin BN、Sakacin A、Sakacin M、Sakacin P、Lactocin S、Curvacin A 、Brevicin、Helventicin J、Helventicin V-1829、
Lactocin 27、Cascicin 80、Bavacin MN、Fermenticin、Lactocin F、Lactocin B等近20种。它们的分子量、生化特性、敏感范围及作用方式差异较大。如Lactocin F的分子质量仅为2500Da，Cascicin 80则高达4200Da；Helventicin V-1829仅耐温和热（45℃，12min），Brevicin则非常耐热，120℃ 60min仍保留活性；Plantaricin B和Bavacin MN适合在固体培养基中产生，其他细菌素则适合在液体培养基中产生；Cascicin 80产生需要丝裂霉素C对其产生菌给予诱导，Helventicin V-1829只有在厌氧的条件下才能产生；Cascicin 80、Plantaricin BN和Bavacin MN的抑菌谱较窄，仅抑制同种的其他菌株，而其他乳杆菌素抑菌谱较广，可抑制广谱的革兰氏阳性菌。
1.3.6 其他乳酸菌细菌素
除了上述五个属的乳酸菌可产生细菌素外，在其他乳酸菌属（如链球菌、肠球菌等属）中也有个别产细菌素的报道。如有研究报道嗜热链球菌代谢产生的物质具有抗烟曲霉、寄生曲霉和根霉等真核生物的能力：Casaus等报道Enterococcus faecium T136菌株可同时产生肠菌素A和肠菌素B（Enterocin A、Enterocin B）；Torri等报道从牛乳中分离到粪肠球菌和屎肠球菌能产生广泛的拮抗物，可抑制单核细胞增生利斯特氏菌、酪丁酸梭菌等病原菌和一些污染菌，然而缺乏详细的特性报道。
1.4 Nisin
Nisin是由乳品发酵微生物Lactococcus lactis subsp.lactis产生的一个多肽抗菌物质，这种微生物过去称Streptococcus lactis。Nisin对革兰氏阳性菌呈广谱抗菌作用，尤其是抗热型芽孢菌，它对革兰氏阴性菌、酵母或霉菌很少或没有活性。
1.4.1 Nisin的活性单位
Nisin的活性单位定义为1ml肉汁中抑制一个Streptococcus agalactiae细胞所需的Nisin的量，它被称之为一个Reading单位，后来称为国际单位（IU）。称之为一个Reading单位主要是因为Nisin的早期研究是在英国Reading的乳品工艺研究所进行。自那时起生物标准化世界健康组织专家委员会（The World Health Organization Expert Committee in Biological Standardization）指定了Nisin的国际参考制备物，这种参考制备物中含Nisin 25mg/g(相当于100*104IU/g)。
1.4.2 Nisin的结构
两种天然的Nisin分子，称之为Nisin A和Nisin Z的分子结构已确认，Nisin A有氨基和羟基末端基因，呈带有二硫键的五环状结构，具有3个不常见的氨基酸—脱氢丙氨酸、羊毛硫氨基酸和β-甲基羊毛硫氨基酸。它们作为Lantibiotics被组合在一起。Nisin的一种变种Nisin Z是多肽的27位组氨酸被天冬氨酸替代。Nisin Z和Nisin A的抑菌性相似，但其在琼脂凝胶中表现出更高的扩散性。日本学者成功地合成Nisin A分子，确定了它的基本结构，Nisin的相对分子质量为3510，它能以二聚体和四聚体的形式存在，相对分子质量分别为7000和14000。

1.4.3 Nisin的遗传方面
目前，已经确定了Nisin的前体分子，其结构基因也已被分离和表征，编码Nisin的引物是一段可传送基因组（块）（gene block），它也能对Nisin耐受性和蔗糖代谢进行编码。此基因组位于染色体中而不是在基粒中，L.lactis合成Nisin的能力因而被表现出来。
1.4.4 Nisin的作用模式
Nisin的抗菌作用呈浓度依赖型，即和Nisin自身浓度、敏感菌细胞或芽孢浓度相关。Nisin具有抑菌（bacteriosatic)或杀菌作用，这要依赖于目标微生物的生理状态和情况。出于能量状态的营养繁殖细胞较处于静止状态的营养繁殖细胞更易被杀死，杀菌作用最常发生在目标微生物处于最适pH、温度和水活度（aw)的情况下。相反，食品系统菌的抑制是在多重保护系统中获得最好的效果，这种多层保护系统称之为障碍技术（hurdletechnology）,它发生在菌的非最适pH、温度和水活度（aw）的情况下。
Nisin对敏感革兰氏阳性营养繁殖细胞的作用缘于破坏细胞质膜。早期研究表明Nisin作用于营养繁殖细胞后，细胞内物质迅速漏出，包括ATP和其他离子，伴随着膜电势的完全丧失。如果细胞质膜受到的作用较严重，可能发生细胞的完全溶解，大多数革兰氏阴性菌对Nisin呈耐受性，但能增加细胞壁穿透性的任何处理或试剂应用均会大大改善它们对Nisin的敏感性。
Nisin对芽孢菌的作用模式是不同的，研究表明芽孢对Nisin远较产生芽胞的营养繁殖细胞敏感。对大多数菌是抑制芽胞作用，此作用在芽孢变模糊后，膨胀和生长前开始。这种作用在热加工食品（如加工干酪）的保藏中是重要的，这是因为有效量的Nisin可在整个食品贮存期内保存，另外，芽孢的进一步热处理导致其对Nisin敏感性的增加。
Nisin对敏感营养繁殖细胞和革兰氏阳性菌芽孢的最小抑制浓度明显不同，即使在相同菌的不同品种系也有不同。革兰氏阳性敏感菌包括以下列菌：片球菌、乳杆菌、乳球菌、明串珠菌和芽孢杆菌等。能被Nisin有效抑制的梭菌（Clostridium）包括生孢梭菌（C.sporogenes）、酪丁酸梭菌（C.tyrobutyricum）和丁酸梭菌（C.butyricum），它们和加工干酪的腐败密切相关。由于Nisin主要用于营养繁殖细胞已被热处理杀死的食品，耐热菌嗜热脂肪芽孢杆菌（B.stearothermophilus）、热解糖梭菌（C.thermosaccharolyicum）的芽孢对Nisin呈高敏感性，0.025mg/ml的Nisin对它们表现出抑制作用，而Nisin对蜡状芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、多黏芽孢杆菌抑制的有效范围分别为1.875～2.5mg/ml、0.652～2.5mg/ml、1.25～2.5mg/ml。
Nisin对肉毒梭菌（C.botulinum）芽孢的敏感性应给予特别注意，美国的研究表明在培养基中Nisin能有效防止C.botulinum的ABC型芽孢生长。Nisin对C.botulinum芽孢抑制的有效性随下列因素的变化而增加：降低pH、增加热击昏的时间和温度、减少芽孢负载。
1.4.5 Nisin的溶解性和稳定性
Nisin在酸性底物中较易溶解，pH上升溶解性下降，当pH为2时溶解浓度约为56mg/ml，pH为5时是3mg/ml,pH为7时仅为1mg/ml。因为在食品保藏中Nisin的应用水平很少高于0.025mg/ml，故溶解性不是其应用于食品中的障碍。商业制备物含有来自发酵的不溶性残留固体，它会产生絮状悬浮物，但它们对Nisin的效率没有不良影响。
商业制备物在2年的贮存期内没有活性损失，它一般保存于干燥、黑暗、低于25℃的地方。Nisin分子在性质上呈酸性，随着pH增加，热处理稳定性下降：PH=2时的Nisin溶液在115℃、121℃灭菌时呈稳定性；PH=5时损失活性的45%；pH=7时活性损失90%以上。杀菌对Nisin的活性基本无影响，大蛋白质的存在有助于改善食品中Nisin对热的稳定性。
在食品贮存过程中也发生Nisin活性损失的情况，损失的程度依赖于贮存的pH和温度，当贮存温度为25℃时Nisin活性为60%（与低于25℃的贮存温度相比），30℃时活性仅有40%。如果在pH5.6～5.8的杀菌加工干酪中，85～105℃热处理5～10min,Nisin活性损失80%。因为Nisin对芽孢的作用主要是抑制芽孢而不是杀死芽孢。故在食品中必须有足够量的残留Nisin，以在整个贮存期内对任何残留菌芽孢的抑制保持活性。食品贮存的温度愈高，则在食品中添加的Nisin量愈高。
1.4.6 影响Nisin活性的因素
食品中的许多因素可抵消或部分抵消Nisin的作用，在未经加热或较轻微波热加工食品中，来自微生物、植物或动物的蛋白酶在食品贮存过程中会分解Nisin，使其失活。由于Nisin呈疏水性，食品中的脂肪类物质会干扰其在食品中的均匀分布，使其无法发挥抑菌作用。许多食品添加剂对Nisin也有抵消作用，Nisin在硫代硫酸钠和TiO2存在的情况下将被分解。

1.4.7 Nisin的毒性研究
Nisin是由原料乳中天然存在的Lactococcus菌产生的，故认为它是无害的，因为数个世纪以来人和动物摄入也没有引起任何副作用。产Nisin的乳酸乳球菌在自然界中大量存在，Aplin和Barretitd进行的251个原料乳样品的检测中发现，109个样品中含有产Nisin的乳酸乳球菌。
对远超过食品应用量的Nisin的毒性研究表明，Nisin是无毒的，Nisin在消化道可被消化酶迅速分解，在食用含Nisin的液体10min后就无法在人的唾液中测定到Nisin的存在。现在也有没有发现对Nisin过敏的情况。大量的微生物研究表明：Nisin和治疗的抗生物素间无任何交叉性的拮抗作用。
1963年FAO/WHO专家委员会去认定了Nisin的毒性数据，推荐了它在食品中的应用量，现在Nisin已在约50个国家得到应用，包括原欧共体国家、美国和中国。它在食品中的用量在各不同国家间有所不同，以加工干酪产品和罐头食品的应用最为广泛。
1.5 乳酸菌素的作用机理及应用
1.5.1 抗菌功能
乳酸菌素作用的靶目标是细胞膜。主要是利用其蛋白质结构上不同部位有不同的电价，可造成指标菌细胞膜结构部分改变。一般而言，其杀菌机制是先吸附在目标菌的细胞膜上，再侵入膜内而形成通透孔道，以引起胞内物质如ATP、K+等的流失或生化反应障碍，而导致指标菌死亡。乳酸菌素的功能类似抗生素，但作用机制不同，具有专一性，完全不产生耐药性及毒性，而且不易被小肠中的胰蛋白酶破坏，可有效抑制病原菌的生长。
最近几年，对乳酸菌产生的那些具有杀菌作用的细菌素的研究进一步增强，主要是它们可作为潜在的食物保护剂。在这类肽中，相当一部分含有羊毛硫氨基酸或其他转录后修饰的氨基酸，这些含有羊毛硫氨基酸的分子（羊毛硫抗生素）似乎存在两种相反的连接方式，即类型A和类型B。近些年，分离到一大批属于类型A的羊毛硫抗生素部分，最近分离到的A类羊毛硫抗生素所具有的新的结构特点是：①发现新的装饰基因，如D-Ala和2-羧酸丙酰基，二者都来自丝氨酸；②不同类型的前羊毛硫抗生素引导信号；③合成A类羊毛硫细菌素所需基团的数量及类型不同；④细胞裂解素（cytolysin）可同时发挥溶血素（hemolysin）和细菌素的作用；⑤最近分离的一种羊毛硫细菌素（Lactocin S）在中性pH条件下，不带净电荷。迄今为止，Carnocin U149是已知的羊毛硫细菌素中分子量最大的一种，而细胞裂解素的杀菌作用则依赖于组成其分子结构的两条肽链之间的相互作用。
体外研究表明，乳酸菌产生的细菌素的抗菌谱非常广，包括多种革兰氏阳性及阴性菌，研究最系统的细菌素是Nisin，是由Lactococcus lactis产生的。Gibson曾报道L.reuteri产生的细菌素Reuterin能作用于G-菌（沙门氏菌和志贺氏菌）及G+菌（梭状芽孢菌和利斯特氏菌）。
1.5.2 乳酸菌素在食品方面的应用
乳酸菌素的代谢产物乳酸菌肽，能有效地抑制多种导致食物腐败的革兰氏阳性菌，尤其对多产芽孢的细菌特别有效，是一种高效、无毒的天然防腐剂。
⑴ 乳制品 Nisin能使干酪中的芽孢杆菌量降至最低程度，有效抑制肉毒梭菌的生产和毒素的产生，延长产品的保质期并使其在常温下保存。故Nisin已成为乳酪加工最常用的防腐剂。1961年美国FAO/WHO批准Nisin作为食品添加剂。
⑵ 肉制品 Nisin能有效抑制肉制品中微生物的生长，尤其能抑制肉毒梭菌的生长，故在肉制品加工中，可用Nisin代替和部分代替化学防腐剂，抑菌作用好，且不影响肉制品的色、香、味。Nisin是美国联邦肉类检验法规认可的用于香肠和半干香肠中的防腐剂。
⑶ 啤酒和果汁饮料 Nisin能有效控制乳酸菌和啤酒中的片球菌引起的腐败，不影响啤酒的外观、风味等，且能延长瓶装啤酒的保质期。在果汁中加入Nisin能阻止存活的酸土芽孢杆菌的生长，防止果汁及果汁产品的腐败变质。
1.5.3 乳酸菌素在医药方面的应用
⑴ 抑制作用 用于治疗临床上因消化不良引起的腹胀、腹泻、胃肠炎等。抑菌实验表明，它们对致病的一些革兰氏阳性细菌及阴性细菌，如大肠埃希氏菌、单细胞增生利斯特氏菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌、福氏志贺氏菌均有不同程度的抑制作用，故可治疗胃、肠炎。乳酸菌素能促进胃液分泌，增强胃肠蠕动，促进食物消化，故对消化不良引起的腹胀、腹泻也有明显效果。
⑵ 改善肠道微环境 乳酸菌素是多肽物质，食用后，在消化道很快被蛋白水解酶吸收，因而不会影响肠道内正常菌体存活。乳酸菌素能选择性杀死肠道致病菌，保护和促进有效益菌的生长，调节肠黏膜电解质、水分平衡，调节胃肠道菌群平衡，改善肠道微环境。
⑶ 提高免疫力 微生态制剂乳酸菌素具有免疫调节作用，增强机体的特异性与非特异性免疫物质，激活吞噬细胞酶的活性，选择性杀死肠道致病菌，促进有益菌的生长。刺激肠道产生IgA，增强机体的细胞免疫和体液免疫，提高产道免疫力，特别是乳酸菌素中的双歧杆菌是一种重要的生理性细菌，对人体有增强免疫力、抗感染、延缓衰老的功能，它能抑制有害微生物的生长，从而促进人体的健康。药用制剂如金双歧（双歧杆菌/嗜酸性乳杆菌/粪链球菌）、乳酸菌素片等。
⑷ 进行结构基因的克隆和免疫因子的测定 已有几个将细菌素基因克隆到不产细菌素的乳酸菌中的研究报道。这不仅可以使不产细菌素的菌株获得产细菌素的能力，而且为人工合成大量的细菌素提供了可能。