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几种生物防腐剂的特性与研究进展
来源:欧凯米特研究中心   2009年7月21日

转自:秦楠、缪文玉,山西农业大学食品科学与工程学院,中国食品添加剂 030801
 
        食品在保藏过程中,极易受到微生物污染而导致腐败变质。而食品的腐败变质会引起巨大的经济损失。因此,如何防止腐败是食品科学工作者最为关注的一个问题。目前,常用的防腐措施是添加食品防腐剂,但随着人们对健康的重视与追求,生物防腐剂的应用越来越广泛,正在逐渐替代化学防腐剂的使用。生物防腐剂具有高效、无毒、适用性广、性能稳定等优点,势必会成为食品加工研究应用的一大热点。
        生物防腐剂按来源可分为植物来源的生物防腐剂、动物来源的生物防腐剂及微生物来源的生物防腐剂。本文主要介绍几种微生物来源的生物防腐剂。
1 生物防腐剂的作用机制
         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,导致膜通透性增加和能量产生系统破坏,由于这些物质很容易进入微生物细胞,因而其能很迅速地抑制微生物的生长。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,对食品进行热处理时降解为无害成分,不影响消化道菌群,不影响药用抗菌素的使用。目前已被批准并在全球广泛应用的微生物防腐剂有乳酸菌素、纳他霉素和曲酸,这些都是发酵工程的重要产品。
2 乳酸菌素(Nisin)
2.1 乳酸菌素的种类
2.1.1 Lantibiotics类
        这是一类含有l9~50个氨基酸分子的肽类,并具有诸如:羊毛硫氨酸(Lanthionine)、B一甲基羊毛硫氨酸(B—methyllanthionine)、脱氢酪氨酸(dehy—drobutyrine)、脱氢丁氨酸(DHb)和脱氢丙氨酸(dehydroalanine,Dha)等非编码氨基酸。
2.1.2 小分子热稳定肽(SHSP)
        这是一类分子量小于10Ku,疏水的具有膜活性的肽,其又可以分为3个亚类。
2.1.3 大的、热不稳定的细菌素
        这类蛋白分子量大,通常大于30Kda,100℃、30min加热使之失活。只有少数此类细菌素有较为详细的报道。这类细菌素包括:helveticin J,lactiin A,lactin B,casecin80和acidophilucin Ao
2.2 乳酸菌素的抑茵机制
        乳酸菌素是在乳酸菌代谢过程中合成并分泌到环境中的一类对革兰氏阳性菌(尤其是亲缘性较近的细菌具有抑制作用的杀菌蛋白或多肽。而具有杀菌活性的主要是Lantibiotics类和大分子热不稳定蛋白(LHLP)乳酸菌素。可有效的抑制革兰氏阳性菌如一些腐败菌、致病菌和芽孢菌,而对革兰氏阴性菌起的作用不大,甚至不起作用。但食品经UHP和PET处理或添加EDTA或柠檬酸盐可以使乳酸菌素有效的抑制革兰氏阴性菌,这说明乳酸菌素作用的是细菌膜。
2.3 乳酸菌素的研究与应用
        Konisly提出,细菌素是某些细菌在代谢过程中通过核糖体合成机制产生的一类具有抑菌活性的多肽或前体多肽,抑菌范围不局限于同源的细菌,产生菌对其细菌素有自身免疫性。L A.Rogers等(1928)在美国首次报道,发现乳酸链球菌的代谢产物能抑制部分细菌;英国人Mattick A.T.R (1947) 认识到血清学N群中一些乳酸链球菌(Streptococcus lactis)产生具有蛋白质性质的抑制物,并将其命名为“Nisin”,取自“Ninbitory substance”;1951年Hirsch的研究
表明,Nisin可被用做食品生物防腐、保鲜以控制G菌的污染 。现在,已经有60多个国家和地区批准Nisin可作为一种纯天然防腐剂和保鲜剂使用 。
        乳酸菌素在食品工业中的应用十分广泛。目前,在啤酒生产中,可有效的抑制啤酒中已发现的几乎所有的革兰氏阳性腐败菌,从而提高啤酒的生物稳定性。此外,利用乳酸菌素还可以避免巴氏杀菌所带来的“杀菌味”和“老化味”,从而保持啤酒的新鲜度。在罐头食品中使用乳酸菌素,酸性条件下易溶、稳定、抑菌活性高,能有效阻止抗热微生物的生物生长,并能降低热处理的强度,降低值,提高罐藏食品的营养价值和保持色泽。在肉制品和乳制品中的应用也非常有效:如Nisin能很好地抑制肉毒梭状芽孢杆菌的生长;乳酸链球菌素已成功地用于干酪、巴氏灭菌奶,高温灭菌奶等。另有添加乳酸菌素后可使奶油巧克力由原来的2~7天延长到存放21天,仍能保持原有风味。
3 那他霉素(Natamycin)
        纳他霉素是一种抗菌剂,它对真菌、酵母、某些原生动物和某些藻类有效,没有抗细菌活性。纳他霉素可以用于治疗,也可用作一种食品添加剂。当它作为食品添加剂时,主要在奶酪、肉制品和葡萄酒及果汁中用做抗真菌剂。在葡萄酒中能取代山梨酸和其它抗真菌剂,它可使SO2量减少。与传统的抗真菌素比较,纳他霉素很低浓度下具有活性。纳他霉素是国内批准使用的仅有的二种食品生物(抗菌素)腐剂之一。
3.1 那他霉素的稳定性
        那他霉素是一种多烯(烃)大环内酯,相对分子量为665.7。其化学式为C33H47NO13。那他霉素在绝大数食品的pH4~7之间,非常稳定,比起其他防霉剂他有一个非常显著的优势,即稀释的那他霉素水溶液对霉菌和酵母菌的活性几乎不受pH的影响。在中性pH值时,那他霉素的浓缩水悬液可以在50℃的温度下存放几天而没有明显的影响。甚至能耐受100℃的温度下加热几个小时。有机过氧化物和硫氢基类在很低的浓度就会促使那他霉素进行化学分解,要避免与这类物质接触。
3.2 那他霉素的作用机理
         多烯(烃)大环内酯类如那他霉素可与固醇类结合,尤其是与麦角固醇结合,麦角固醇对真菌细胞膜很重要。这一不可逆的结合破坏了细胞膜,增加了细胞的通透性,导致细胞死亡。病毒、细菌和原生动物细胞不含麦角固醇,这就是为什么这些微生物对那他霉素有抵抗作用的原因。
3.3 那他霉素的研究与应用
        早在1955年,那他霉素是从南非那他尔郡的土壤样品中所分离出的那他尔链霉菌培物中发现的。最早曾使用匹马霉素(以其邻近Pieterma ritzberg镇命名)这一名称,也叫游霉素、匹马利星。那他霉素常用于表面处理,特别是对硬质干酪、干香肠和发酵香肠(如意式香肠)的表面处理。同时也应用到了食品其他领域如酸奶、酒及果汁中。Cattaneo等(1978)研究了喷和浸那他霉素对相似的肉制品(意大利腊肠、腌牛肉)的保护作用,结果发现这一防霉剂很好地防止了霉菌的生长。该保护是通过将肠衣浸入防霉剂中获得的。实际上这样那他霉素的含量比合成肠衣中的要高。Thomas和Delves-Broughton(2001)研究了那他霉素在防止苹果汁、橙汁和菠萝汁由于大量霉菌和酵母菌引起的可见腐败(表面生长或产气)的效果。结果表明,苹果汁、橙汁的结果或多或少与菠萝汁相似。未发表的数据显示,对橙汁进行80℃,10min的巴氏杀菌能减少70%那他霉素用量。
        最近几年以来,我国那他霉素的研究生产迅速崛起,为国内食品行业那他霉素的使用填补了空白。李颖辉等研究了对纳他霉素的发酵条件,结果发现生产纳他霉素的最佳培养基为0.25% 葡萄糖、4%低聚糖、0.15%酵母粉、4%鱼粉、1%麦芽浸膏。最终纳他霉素的产物浓度为1436mg/Kg。
4 曲酸(Kojicacid)
         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。
4.1 曲酸的特性
         曲酸易溶于水,不为细菌所利用,热稳定性好,不易挥发,pH值对抗菌影响力小,对人无刺激等优点。
4.2 曲酸的研究与应用
         曲酸的发酵和生理生化研究从20世纪30年代开始,但一直到60年代以后,蟹泽恒好等相继报道了将曲酸及其微生物用作制造香料麦芽酚或乙基麦芽酚的原料,并用于烟草,使曲酸发酵一度引起重视。70年代,许多学者对曲酸的发酵进行了研究,如日本的北田牧夫、富金原孝、川手昭平等以及马西的M.T.Lin等。我国在70年代也有类似研究与生产,后来由于曲酸制备麦芽酚的工艺被淘汰,曲酸的应用范围未能进一步开拓,曲酸发酵未能产业化。90年代以来,曲酸的应用研究取得越来越多的成绩,特别是发现曲酸能有效抑制多酚氧化酶的活力,可用于化妆品增白因子和食品果蔬防腐保鲜等,因此曲酸产品重新引起人们的兴趣。据报道,日本政府已经批准曲酸与其它有机酸如柠檬酸、抗坏血酸混合用于控制多酚氧化酶所引起的食品酶促褐变,国内一些学者也正在进行曲酸在果蔬保鲜方面的研究。
5 其他生物防腐剂
         枯草杆菌素(Subtilin)是枯草杆菌的代谢产物,对革兰氏阳性菌有明显抗菌作用,能抑制厌氧芽孢菌生长,还能降低耐热性芽孢菌的耐热性。它是一种多肽类物质,食用后能被消化道中的蛋白酶分解,故对人体无害。
         双岐杆菌素(Bifidoxin)是一种重要的生理性细菌,能抑制有害的微生物从而促进人体健康。Meghtous等通过实验发现13个产生细菌素的双歧杆菌菌种都能抑制唾液链菌嗜酸亚种和嗜酸乳杆菌。抑菌物质对某些G菌,如:乳酸菌、链球菌(与双歧杆菌共存)、乳杆菌、梭菌、嗜温乳酸链球菌有抑制活性的作用。对其它G+和G-则没有抑制作用,包括某些链球菌(不与双歧杆菌共存)、大肠杆菌和外源菌,如假单孢菌、克雷伯氏菌和沙雷氏菌。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,对一些孢子也有杀灭作用。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。
6 展望
         食品的防腐保鲜是食品工业的一个很重要的方面。我国现已批准使用的防腐剂有30余种,除乳酸链球菌肽(Nisin)和纳它霉素(Natamycin)外,其余均为化学防腐剂。绝大多数的化学防腐剂,往往在安全性方面存在一定的问题。因此,食品生物防腐剂是食品添加剂中一个十分重要的急待研究和开发的领域。生物防腐剂虽然有抑菌谱较窄、成本较高的缺点,但是其作用条件温和会极大地保存食品的营养成分,且安全、高效、无毒。虽然在短时期内不能完全替代化学防腐剂,但是随着人们健康意识的提高,生物防腐剂取代化学合成防腐剂是一种必然趋势,其必将在食品工业中发挥重要作用。