生物防腐剂及其在食品中的应用

生物防腐剂及其在食品中的应用

Biologicalpreservativesandtheirapplicationsinfoodprocessing

张鹰曾新安温其标

ZHANGYingZENGXin-anWENQi-biao

（华南理工大学轻工与食品学院,广东广州510641）

(CollegeofLightIndustryandFoodTechnology,SouthChinaUniversity

ofTechnology,Guangzhou,Guagndong510640,China)

摘要：主要介绍了来源于植物、微生物及动物的天然生物防腐剂抗菌特性及其在食品加工中的应用。

关键词：生物防腐剂；食品；应用

Abstract:Thispaperintroducessomebiologicalpreservativesfromplants,microorganismsandanimals.Thecharacteristicsandfunctionsofthebiologicalpreservativesandtheirapplicationsinfoodprocessingarealsodescribed,aimingtoprovideacertaintrainofthoughttotheresearchersinscience.

Keywords:Biologicalpreservatives；Food；Applications

为了提高食品的货价期，传统的食品灭菌方法一般为热灭菌或是添加化学防腐剂。然而热灭菌法极大破坏了食品的原有风味及营养成分，化学防腐剂又存在着安全隐患，长期食用会危害人体健康，研究者们一直在寻找新型的食品保藏方法。现今研究较多的主要有两类，一类是物理方法如超高静压灭菌、脉冲电场灭菌、超声波灭菌、脉冲光灭菌、辐照灭菌及紫外线灭菌[1]。这些灭菌方法在对食品灭菌的同时，对食品的营养成分影响很少，但也存在着设备造价高及操作安全问题，大部分还处在研究阶段。另外一类就是天然的生物防腐剂。这些防腐剂一般来源于植物、微生物及动物体，因其天然、高效、无毒或低毒以及不破坏食品的原有风味等显著特性，成为国际食品添加剂市场的新宠。下面就对这些生物防腐剂的发展与应用进行介绍。

1植物来源的生物防腐剂

食用香辛植物用在食品中原本是用来调味增香作用。近些年的研究表明这些物质也具有抗菌防腐作用，能够抑制传染性微生物的生长，延长食品的货价期。这些香辛料包括大蒜、生姜、花椒、丁香、肉桂、肉豆蔻、八角、茴香等。如大蒜提取液对几十种食品腐败方面的细菌和真菌有较强的抑制和杀灭作用，蒜素是最主要的功能成分。生姜提取液中的萜类化合物也具有较强的杀菌作用[2]。

从芳香植物或草本植物的根、树皮、茎叶、花、果实或种子中提取的油脂状物称为香精油。在很早以前，香精油是用在食品中赋予食品美好的感观，实际上香精油也具有良好广谱抗菌作用，一直是人们较感兴趣的天然防腐剂之一[3]。与芳香植物的粉末产品或其普通提取液相比，香精油的有效成分浓度更高，稳定性好，便于贮藏与使用。对香精油抑制微生物的报道有不少。例如吴传茂等研究发现：丁香油对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、酵母、黑曲霉、青霉————————

作者简介：张鹰（1978-），男，华南理工大学轻工与食品学院博士研究生。E-mail:[email protected]

收稿日期：2005-09-08

等食品常见污染菌有广谱抑菌作用，且在100℃以内对热稳定。丁香油的突出优点是抑制真菌作用强[4]。

一般来说，香精油的组成成分、结构及功能性基团决定了它们的抗菌能力的大小，通常含有石炭酸结构的香精油具有良好的抗菌能力。例如具有抗菌能力的香精油主要来源于丁香、牛至、迷迭香、百里香、红根草和香兰素，它们的香精油里都含有石炭酸结构，并且它们抗革兰氏阳性菌的能力要高于革兰氏阴性菌。另外，也有一些香精油不含石炭酸结构，但含烯丙醇异硫氰酸盐或是大蒜油成分对革兰氏阴性菌也具有较好的抑制性。此外，含烯丙醇异硫氰酸盐的香精油对许多真菌也具有良好的抗菌能力[5]。

香精油一般是多种成分的混合物。混合物中丁香酚含量很大程度也决定了其抗菌能力，丁香酚成分越高，抗菌能力越高。如多香果、丁香花蕾及丁香叶、月桂叶及肉桂叶中的丁香酚成分高，它们的抗菌能力就很强。另外，含柠檬醛高的抗菌能力也强。而红根草和迷迭香的抗菌功能与其萜类含有冰片和石炭酸有关。牛至、百里香和香芹油的抗菌能力可能因其含有萜类香芹酚，及p-对异丙基甲苯有关[6]。这些香辛料以精油浸提液的形式添加在西式火腿、香肠、点心等食品中，不仅起到防腐作用，而且还有增加食品风味的效果[5]。

果胶是一种水溶性天然聚合物。主要存在于苹果、葡萄、柑橘等水果和蔬菜中。有研究报道以酶分解果胶得到的果胶对食品具有很强的抗菌作用，特别是对大肠杆菌有显著的抑制增殖作用。20世纪90年代中期，日本一家公司将果胶分解物作为天然防腐剂开发成功。目前，国外以果胶分解物为主要成分，加入其它一些天然防腐剂，已广泛应用于酸菜、咸鱼、牛肉等食品的防腐[7]。

此外，马蹄皮的提取物、竹叶的醇提取物、苦瓜汁、欧亚甘草根部的萃取物，柠檬草粉等作为食品加工中的天然防腐剂的研究均有报道[8～10]。可见天然植物提取物用作防腐剂，具有来源广泛、安全性高的特点，应用前景广泛。

2微生物来源的生物防腐剂

微生物来源的生物防腐剂是由微生物代谢产生的抗菌物质，主要是一些有机酸、多肽或前体肽。其作用机制主要是在细胞膜上形成微孔，导致细胞膜通透性增加和能量产生系统破坏，从而抑制微生物的生长。目前已被批准并在全球广泛应用的微生物防腐剂有乳酸链球菌肽、曲酸和纳他霉素，这些都是发酵工程的重要产品。

乳酸链球菌肽（Nisin）是经乳酸链球菌发酵产生的一种由34个氨基酸残基组成的小肽，对许多革兰氏阳性菌具有抗菌活性，尤其是对梭菌和芽孢杆菌等主要食品腐败菌的抗菌活性，使其在食品防腐中具有重要价值。又因其无毒、用量少，使用方便防腐效果好，价格低廉等特点，在奶制品、干酪制品、罐头食品、肉制品、饮料等食品产品的防腐保鲜中普遍应用。例如在巴氏灭菌精制乳酪糊状食品时添加的乳酸链球菌素可以有效地抑制A、B型肉毒杆菌菌株的生长及毒毒的产生。在熏肉、火腿、香肠等肉制品的加工过程中添加一定剂量的Nisin不仅可以控制细菌的生长，保持良好的风味及色泽，还可减少产生危害健康的亚硝胺

[12～13]。

曲酸是由米曲霉、黄曲霉、白色曲霉等多种霉菌在生长过程中经糖代谢产生的一种弱酸性化合物。曲酸具有抗菌作用、抗氧化作用、护色作用以及安全无毒性的优点，可广泛应用于肉食的护色、防止熏制品的致癌物的形成以及果蔬保鲜、生食品杀菌防腐等。曲酸作为食品防腐剂具备了对酪氨酸酶的抑制能力以及对多

种金属离子的螯合作用[14]。

纳他霉素是纳他尔链霉菌产生的一种具有活性的环状四烯化合物，它能有效抑制和杀死酵母、霉菌及其它丝状真菌。作用机理在于麦角固醇与真菌的细胞壁和细胞膜的反应导致细胞破裂。对于细胞中不存在类似固醇化合物的微生物，那他霉素对其无效，如细菌和病毒。因此可将那他霉素直接加入到酸奶等发酵制品中，抑制霉菌和酵母菌，却不杀死有益细菌。酸奶中添加那他霉素可以高效、低成本地抑制真菌，延长其货架期，保证加工产品的质量。果蔬汁中添加那他霉素可以有效防止因真菌而引起的变质。在肉类保鲜方面可采用浸泡或喷涂肉类食品来达到防止霉菌生长的目的。那他霉素在罐装食品、啤酒酿造、方便食品、焙烤食品等许多领域也具有良好的应用前景[15]。

自然界有一类嗜杀酵母(killyeast)能向体外分泌一种毒蛋白(也称嗜杀毒素),杀死同族及亲缘酵母。这种杀菌活性物质是1963年从酿酒酵母中首次发现的。以后又发现了假丝酵母属、隐球菌属、德巴利酵母属、汉逊氏酵母属、克鲁维氏酵母属、毕赤酵母属和圆酵母属也能分泌杀菌物质。目前,研究最深入的是来自酿酒酵母的K1毒素。K1毒素作用机制是:首先是毒素快速吸附到酵母细胞壁

上的β-1.6-D-葡聚糖受体上,此步不需要能量。然后,一个需能过程把毒素转移到细胞膜上,形成不需膜电位的阴离子通道。受K1毒素作用的细胞表现出:细胞

膜上氢离子浓度下降,细胞质酸化和K+的泄漏。细胞质膜的离子泄漏大概是毒素致死的主要原因[16]。

最近的研究又发现一种新型的生物防腐剂――聚赖氨酸。聚赖氨酸是日本酒井平一和岛昭两位博士在大量筛选有价值放线菌时发现的一种新型聚合物。它是由25～30个赖氨酸残基聚合而成，经研究发现其具有强烈的抑菌能力，可以作为防腐剂用于食品的保鲜。目前聚赖氨酸已在日本工业化生产，一般采用葡萄糖为原料使用链霉菌发酵法生产。聚赖氨酸具有广谱抑菌性，对于酵母属的尖锐假丝酵母属，法红酵母属，产膜毕氏酵母、玫瑰掷孢酵母；革兰氏阳性菌中的耐热脂肪芽孢杆菌，凝结芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌；革兰氏阴性菌中的产气节杆菌，大肠杆菌等引起食物中毒与腐败的菌有强烈的抑制作用，其最小抑制浓度小于或等于50μg/mL。尤其聚赖氨酸在50μg/mL的浓度水平下对大肠杆菌抑制实验,发现其明显影响大肠杆菌的蛋白质合成,并且使大肠杆菌的细胞壁结构出现异常从而抑制大肠杆菌的繁殖。同时聚赖氨酸也具有一定的抗嗜菌体的能力。聚赖氨酸由于其抗菌性和安全性已广泛应用到食品工业的各个领域,如用于面包点心、奶制品、肉制品、冷藏食品和袋装食品等[17]。

另外一些其它微生物来源的防腐剂也有报道。链霉菌产生的几丁质酶对真菌具有一定的抑制作用；球孢链霉菌产生的溶菌酶可特异性地溶解金黄色葡萄球菌和其它食品污染菌,抑菌谱比卵白溶菌酶更广。由链霉菌产生的泰乐菌素对革兰氏阳性菌具有广谱的抑制作用，对一些孢子也由杀灭作用。此外，一些食用菌的子实体、菌丝体和发酵液也对食品腐败菌有抑制作用[18]。

虽然不少微生物在其代谢过程中都能产生抑菌物质，但作为食品防腐剂，必须符合：生物杀菌素本身对人体完全无害；在消化道内降解为食物的正常成分；对食品进行热处理降解为无害成分；不影响消化道菌群；不影响药用抗菌素的使用等要求。

3动物来源的生物防腐剂

目前研究报道较多来源动物的生物防腐剂有昆虫抗菌肽、壳聚糖以及鱼精蛋

白。下面对其功能及其在食品中的应用一一介绍。

昆虫抗菌肽是昆虫血淋巴细胞中形成的一类小分子肽，在昆虫受到外界微生物的刺激时，可大量迅速地合成。迄今为止，已发现的昆虫抗菌肽多达100多种。昆虫抗菌肽分子量比较小，4kD左右。一般热稳定性强，具有强碱性，广谱抗菌性。不仅可抗革兰氏阳性菌，也可抗革兰氏阴性菌，甚至对病毒和肿瘤细胞均具抗性。一般认为抗菌肽的抗菌机理是由于它能影响细胞膜的通透性，使细胞膜通透性增强或是在细胞膜上形成通道，引起细胞质溢流导致细胞的死亡。

由于昆虫抗菌肽具有水溶性好，无免疫原形，对人体无副作用，生物活性广泛等特点，在食品工业领域中逐渐显示出广泛的应用前景。作为一种抗菌肽，它可以降低杀菌温度，减少热处理时间，保持食品的营养价值与风味。另外其酸性，热稳定性和低温贮藏稳定性，使其具有独特的使用性。在肉制品加工过程中只需添加很少剂量（ mol/g级）的抗菌肽，就可以控制细菌的生长，保持食品的风味及色泽。同时还可以降低其中亚硝酸盐的含量，减少产生危害人们健康的亚硝胺[19，20]。

壳聚糖又名乙酰几丁质，是由虾蟹壳废料加工而成的，属于高分子多糖。由于壳聚糖无毒，安全且无异味，作为食品防腐剂的研究近些年来已十分活跃。日本已由专门的研究机构和商品化的壳聚糖制品，我国在这方面的研究也取得了一

[24]些进展。由于壳聚糖不溶于水，溶于稀酸，做防腐剂使用不方便,因此需研发水溶性的壳聚糖衍生物防腐剂。国内陈春涛等报道醋酸溶液的壳聚糖溶液对细菌有很强的抑制力,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、变形杆菌、枯草杆菌的最佳抑制浓度分别为0.5%，1.0%，1.25%，1.25%，最低抑菌浓度分别为0.05%，0.15%，0.2%，0.25%；对酵母菌的抑制力较强。其抗菌机理在于能作用于微生物细胞表层，影响物质通透性，损伤细胞。壳聚糖的脱乙酰程度越高，即氨基越多，抗菌活性越强[21]。

壳聚糖衍生物水溶液喷洒在水果表面，不仅能抑制微生物的生长，还可在果实表面形成半透性膜。调节果实的生理代谢，使呼吸受到抑制，衰老得以延缓。因此壳聚糖常用于水果的保鲜。目前，将壳聚糖用于香梨、柑橘、草莓、猕猴桃、黄瓜、青椒、番茄的保鲜均有报道，一般只需0.7%～2%的壳聚糖溶液喷洒在果蔬的表面即可在果实表面形成一层薄膜,可阻止果实吸收O2与CO2的排出,从而延

缓果实的熟化,达到保鲜的目的[22]。

鱼精蛋白是在鱼类精子细胞中发现的一种细小而简单的碱性球形蛋白质,鱼精蛋白有广谱抑菌活性,能抑制枯草杆菌、巨大芽孢杆菌、地衣型芽孢杆菌、凝固芽孢杆菌、胚芽乳杆菌、干酪乳杆菌、粪链球菌等的生长。研究发现，鱼精蛋白可与细胞膜中营养合成系统的蛋白质作用，使这些蛋白的功能受损，从而抑制细胞的新陈代谢而使细胞死亡。在牛奶、奶蛋、布丁中加入鱼精蛋白可延长其保存期[23]。

4展望

随着人们生活水平的提高和保健意识的增强，天然、绿色安全的生物防腐剂将逐渐取代传统的化学防腐剂。在上述的几种天然防腐剂中，微生物来源的生物防腐剂最有发展前途。利用现在的生物化学工程技术，可以利用微生物繁殖快，生产成本低的优点进行工业化大生产。还可以通过基因重组方式获得高产菌株来获得抗菌效果更好的天然防腐剂。

在使用生物防腐剂时，也要注意一些问题。例如，要考虑生物防腐剂的活力

持久性和诱导性抗性，即活力是否被食物中的某些成分破坏（例如蛋白酶水解）或在加工中损失（如受热失活）；腐败菌是否对防腐剂产生抗性。另外，不同防腐剂具有不同的抗菌谱，作用机理也不同，要根据实际情况选择合适的防腐剂，以及合适的用量，为使生物防腐剂充分发挥作用，一般可将不同来源的防腐剂配合加入使用，达到互补或协同增效作用。

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