1.海洋噬菌体的分布
噬菌体是一种以原核生物（包括细菌和古菌等）为宿主的病毒类群，它最早发现于1915年。研究表明，噬菌体在海洋中的数量极其丰富，总量约1030个。著名的海洋病毒学专家Suttle曾就这个庞大数量打了一个形象的比喻：“如果将海洋中的病毒头尾相连排成一列，那么这个队列的长度将比地球附近的60个星系相互间的距离总和还要长”。噬菌体在海洋中无处不在，可以说哪里有微生物出现，哪里就会伴有噬菌体的存在。在表层海水中噬菌体的丰度约为107 cells /mL，是细菌丰度的5～25倍。
在海洋中噬菌体具有极高的多样性，然而很少从形态上对其分类。图6-8概括了目前已经分离的海洋噬菌体的几种主要类型。大多数海洋噬菌体具有头和尾结构的复合形态，核酸为线型双链DNA（dsDNA）。根据其尾部形态特征的不同，可以分为以下三科，分别是长尾病毒科（Siphoviridae）、短尾病毒科（Podoviridae）和肌病毒科（Myoviridae）。
越来越多的研究表明，噬菌体是引起海洋细菌死亡的主导因素之一。在表层海水中，由噬菌体引起的细菌死亡率达10%～50%，与浮游动物引起的细菌死亡率几乎相当。而在一些不利于原生动物生存的环境中（如深海及沉积物中），噬菌体介导的细菌死亡率甚至达50%～100%。例如，最近Danovaro等人在对大西洋、南太平洋、地中海以及黑海等处的海底沉积物及其上覆水中的病毒致死作用进行研究后，发现由噬菌体介导的细菌死亡率平均高达80%左右。
图6-8 海洋噬菌体的三种主要的形态类型。（引自张永雨等，2011）
a.肌病毒科；b.短尾病毒科；c.长尾病毒科。标尺＝50nm
2.噬菌体在食品加工与保藏中的应用
噬菌体是细菌的天敌，能够专一性地杀灭耐药型细菌，破坏细菌产生的生物被膜，是取代抗生素的有力工具。已有很多研究结果表明，应用噬菌体能够有效抑制奶酪、鸡肉、蔬菜、猪肉、水产品等食品中病原菌的生长，还可以有效降解食品加工过程中的细菌生物被膜。用噬菌体治疗疾病的历史悠久，早在抗生素出现前的30多年，其在细菌的控制和治疗方面就得以应用。然而，20世纪40年代抗生素的推广使用使噬菌体的应用受到了极大冲击。但近年来由于“超级细菌”的出现，噬菌体的应用又重新得到重视，以解决抗生素滥用造成的“无药可医”的问题。噬菌体在食品加工与保藏中的应用主要体现在以下几个方面：（1）原料采集环节杀灭病原菌。
宰杀动物时，为了防止有害细菌随着血液、粪便的流出污染尸体，可以在屠宰后用噬菌体对动物尸体进行消毒，从而减少病原菌污染动物尸体的情况发生；也可以在原料采集（挤奶或屠宰）前，给动物口服噬菌体以杀灭其体内病原菌。如Escherichia coli O157：H7一直持续威胁着公共健康，毒力很强，Raya等人给羊口服噬菌体CEV1后，2d内羊肠内E.coli O157：H7的数量明显减少。
（2）生产或加工环节对设备等进行消毒。
噬菌体可以用来净化生产环境，消毒工作表面，清洁地面、墙壁、加工设备等。例如，被阪崎肠杆菌污染的不锈钢盘表面在用噬菌体混合物处理后，没有再发现该菌，而未被处理的对照组仍有该菌存活甚至可轻微生长。又如用噬菌体混合物BEC8处理3种不同材质工作表面上的E.coli O157：H7，室温1h内噬菌体就能起到有效的杀菌效果。
（3）延长食品储藏期。
噬菌体作为天然防腐剂可以延长食品的保质期。阪崎肠杆菌能引起严重的新生儿脑膜炎，婴儿配方奶粉是其主要感染渠道。这主要是由于生产婴儿配方奶粉时不能做到完全无菌，所以当该奶粉没有被及时食用并在室温存放时，少量的病原菌就会大量繁殖，从而对婴幼儿健康构成潜在威胁。为了安全储存婴儿配方奶粉，雀巢技术公司开发了对阪崎肠杆菌具有实质裂解潜力的无毒噬菌体，以有效防止阪崎肠杆菌污染。
（4）消毒新鲜的水果蔬菜。
噬菌体作为抗菌剂还可以对新鲜的水果蔬菜进行消毒。比如沙门氏菌是引起食物中毒的主要原因，在实验中用噬菌体混合物对已污染沙门氏菌的哈密瓜和苹果进行处理后，沙门氏菌的数量明显减少。
（5）检测食源性病原菌。
噬菌体有严格的宿主特异性，因此是用来检测宿主微生物的理想工具。在食品安全中，可用于检测食源性病原菌，如噬菌体扩增法检测技术。该方法是在待检测食品中加入某种噬菌体，若有其宿主病原菌存在，则噬菌体会迅速感染该菌，之后用高度特异的杀病毒剂清除所有未感染的噬菌体，进入宿主细胞的噬菌体则继续扩增，进而裂解细胞，释放噬菌体。所释放的噬菌体会感染随即添加的敏感细胞，最终在培养皿中出现噬菌斑。噬菌斑的出现表明食品中存在食源性病原菌。其他检测食源性病原菌的方法还有荧光染料标记法、检测报告基因法等。
图6-9 荷兰EBI食品安全公司生产的噬菌体制剂ListexTM P100
已经有公司研制生产噬菌体产品。荷兰EBI 食品安全公司就开发出一种专门针对李斯特氏菌的噬菌体制剂ListexTM P100（图6-9），可用来有效地避免肉类及奶酪类产品中的李斯特氏菌污染。ListexTM P100也是世界上第一个通过美国食品药品管理局（FDA）的GRAS（Generally regarded as safe，安全可靠）认证的噬菌体产品。表面经李斯特氏菌污染的生三文鱼片中添加ListexTM P100后，李斯特氏菌减少了1.8～3.5个数量级。2011年，FDA又批准了EcoShieldTM产品，可以添加到食品中控制大肠杆菌O157：H7的污染；2014年，批准了SalmonelexTM产品，用于控制食品中沙门氏菌污染。
腐败希瓦氏菌被认定为冷藏鲜鱼的特定优势腐败菌，是导致鱼制品腐败的重要因素，因此通过控制腐败希瓦氏菌的生长可以延长鱼类食品货架期。王静雪从污水中分离出一株腐败希瓦氏菌噬菌体Spp001，对冷藏牙鲆的抑菌防腐实验效果明显，噬菌体Spp001实验组和山梨酸钾溶液实验组的菌落总数和腐败希瓦氏菌菌落总数均明显低于对照组；对鱼肉挥发性盐基氮的测定表明，实验组明显低于对照组，且高浓度噬菌体实验组和山梨酸钾实验组在第14d仍小于30mg/100g。除控制腐败菌的噬菌体技术外，噬菌体还可以用于来源于海洋的病原菌的有效控制方面（图6-10）。
图6-10 可用于病原菌控制的海洋噬菌体的电镜照片
a.副溶血弧菌；b.金黄色葡萄球菌
但是，噬菌体也存在缺点，如：① 细菌也会产生抗噬菌体突变，并且部分噬菌体能够转导毒素基因等毒力因子而增强细菌的致病性；② 噬菌体的裂解谱普遍较窄；③ 噬菌体的安全性仍需进一步研究等。
3.噬菌体内溶素的研究与应用
近年来的研究表明应用噬菌体内溶素替代噬菌体可以解决上述问题。内溶素为烈性噬菌体在裂解细菌后期释放子代过程中编码的一类蛋白质，具有裂解细菌细胞壁的作用。已有研究表明内溶素能够有效地抑制肺炎双球菌（Streptococcus pneumoniae）、炭疽芽孢杆菌（Bacillus anthracis）、金黄色葡萄球菌（S.aureus）、克雷伯氏菌属（Klebsiella）、李斯特氏菌属（Listeria）和沙门氏菌属（Salmonella）等细菌。内溶素与噬菌体相比优势在于：① 目前尚无内溶素处理产生细菌抗性突变体的报道，与使用抗生素或噬菌体本身相比，内溶素导致抗性菌株快速出现的可能性要低很多；② 内溶素较源烈性噬菌体有更宽的裂解谱；③ 内溶素杀菌作用迅速，并且不同内溶素的复合应用具有良好的协同杀菌作用；④ 经基因表达并纯化的内溶素成分仅为蛋白质，在食品应用中的安全性具有保障。因此，采用内溶素控制食品中的细菌是非常可行的，且应用前景广阔。
噬菌体感染细菌首先吸附于细菌表面受体，受体通常为蛋白质或多糖，这种吸附具有种或株特异性，能感染多种细菌的多价噬菌体极其少见。当吸附到细菌表面后，噬菌体的核酸注入细胞质中，在细菌体内进行生物合成和装配。在感染后期，除了丝状噬菌体，大部分dsDNA噬菌体是通过内溶素的作用导致宿主菌细胞壁破坏而溶解，从而杀死细菌。噬菌体编码的内溶素在穿透宿主细胞膜时，需要噬菌体编码的孔蛋白协同作用，二者分别完成对宿主细胞壁肽聚糖和细胞膜的破坏，引起细菌迅速裂解。这种由于噬菌体对宿主菌表面的吸附特异性与内溶素裂解机制的复杂性共同决定了噬菌体严格的裂解专一性。
细菌的细胞壁肽聚糖层的化学键有糖苷键、酰胺键和肽键。根据作用于细胞壁共价键位点的不同，内溶素分为四类：① 葡糖苷酶（glucosidase），包括两种酶：N-乙酰胞壁酸酶（N-acetylmuramidases，lytC）（EC 3.2.1.17）和N-乙酰氨基葡糖糖苷酶（N-acetylglucosaminidases，lytB）（EC 3.2.1.96）；② 酰胺酶或 N-乙酰胞壁酰 -L-丙氨酸酰胺酶（N-acetylmuramyl-L-alanine amidases，lytA）（EC 3.5.1.28）；③ 肽链内切酶（endopeptidases）（EC 3.4.99.-）；④ 转糖基酶（transglycosylases）（EC3.2.1.-）。其中前三类为水解酶，最后一类为糖基转移酶（图6-11）。
图6-11 内溶素对细菌细胞的作用机制（引自Loessner，2005）
内溶素因具有高效裂解宿主菌和专一性作用宿主菌的特点，已经应用到各个领域中，包括食品保藏，有望作为新型生物保鲜剂用于防止细菌感染和控制细菌的生长。如前所述，噬菌体Spp001用于冷藏牙鲆鱼肉的防腐中可以有效延长鱼类货架期并表现出其应用潜力。进一步研究表明，该噬菌体对宿主细胞的裂解液中含有高活性内溶素，可使菌悬液的OD590在15min内快速下降，碱性磷酸酶（AKP）和分析透射电镜分析推测，内溶素可导致菌体细胞壁甚至细胞膜破裂。
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