开发天然抗菌剂(上)

作者:郭维图 发布时间:2016-04-25
食品安全问题的关键是质量,尤其是防止有害细菌污染。因此,我们需要加强食品保鲜、尽快淘汰有毒副作用的保鲜剂,采用先进技术,在灭菌的同时最大限度地保留食品的色香味等营养成分,延长食品的保质期。

提高食品质量,确保舌尖安全——食品安全是民生工程、民心工程。近几年来,尽管人民的生活水准有很大提高,但食品安全问题仍然困扰着人民百姓,人民群众热切地期盼吃得更放心、吃得更健康。因此,中央提出,切实保障人民群众“舌尖上的安全”。食品安全问题的关键是质量,尤其是防止有害细菌污染。因此,我们需要加强食品保鲜、尽快淘汰有毒副作用的保鲜剂,采用先进技术,在灭菌的同时最大限度地保留食品的色香味等营养成分,延长食品的保质期。

民以食为天,食以安为先。食品是人类赖以生存的基础,其质量是人类健康生存的保证。食品质量安全状况直接关系到人民的身体健康与生命安全。“病从口入”说明防止疾病要以饮食安全与卫生为源头。因此,世界各国对食品安全问题都极为重视。威胁食品安全的主要因素有2 个:有害微生物污染与有毒食品添加剂的滥用。为了确保人民身体健康,中国政府2015 年10 月1 日开始实施经修改的“中华人民共和国食品安全法”,以法治手段防止劣质食品对人民健康带来的危害。食品给人类提供了营养与能量,但有害微生物却与人类争夺着食物。每年,全球大概10%、而中国大约20%~30%的食物因腐败变质而白白浪费。同时,有害微生物又为害菌繁殖提供了温床,由此而引发的食源性疾病,严重威胁到了人类的安危。据统计,人类的食物危害事件已成为社会公害,每年大约发生3 万余件。但专家估计,此数字尚不及实际发生数的1/10(1)。人类为与微生物争夺宝贵的食物,防止食物腐败变质和消除细菌的危害,将食品原料及生鲜食品的防腐保鲜、生产中的终端产品灭菌包装规定为食品生产储存过程中的重要工序。人类的发展史就是一部与有害微生物争夺食物的斗争史,食品工业的发展史也是一部食品防菌杀菌技术的发展史。随着科学技术的进步和生活水平的提高,一些新的灭菌保鲜技术不断出现,采用一定技术对食品原料进行色、香、味、形、质的再调制,以达到长期保存之目的。随着人民生活水平的提高,健康绿色食品倍受青睐。为提高食品保鲜质量,开发高效、安全、无毒、性能稳定、广谱的食品防菌杀菌技术,已经成为食品科学领域研究和应用的热点。为有的放矢地研究防菌、灭菌技术,有必要对造成食物腐败变质的成因进行深入研究。

引起食品腐败的菌类

食品在物理、化学和有害菌等因素的作用下,可失去固有的色香味形而腐败变质,引起食品腐败变质的主要因素包括微生物、氧化、阳光、齿类动物、昆虫、寄生虫、水分、温度和酶类,而微生物系指细菌、霉菌和酵母。人们通常把蛋白质的变质称为腐败,碳水化合物的变性称为发酵,脂肪类变质称为酸败。由于微生物的作用使食品发生了有害变化,失去了原有或应有的营养价值、组织性状及色、香、味,又被称为食品的腐败变质。在通常情况下,引发食品腐败变质的因素以细菌为先。细菌引发食物腐败体现于食品中碳水化合物的分解、食品中蛋白质的分解、食品中脂肪的分解,细菌吸收食品的营养后将造成人体各种器官疾病和产生癌细胞的毒素分泌到食品中。食品在有氧的环境中,因微生物的生长引起腐败变质的速度较快,在缺氧环境中有兼性厌氧或厌氧微生物引起腐败变质的速度较慢。因此,食品添加抗氧剂或在罐内抽真空或充氮气,主要是为抑制细菌的生长与繁殖。而细菌可分为病原菌与非病原菌,有芽孢和非芽孢,嗜热菌、嗜温菌及嗜冷菌,好气菌或厌气菌,有分解蛋白质、糖类、脂肪能力强的菌。

含营养物质与水分的食品原料及中间体,在阳光下存放一定时间时,物料中微生物迅速繁殖,所以食品应储存于低温、避光与通风的条件,以防止腐败变质。对于含有不同营养组分的物质,有其最适应繁殖的微生物,食物因细菌而引起食品腐败或食物中毒。

引发食物中毒的细菌可分为感染型与毒素型。感染型包括G-兼性厌氧短杆菌、付溶血性弧菌、G+ 兼性厌氧杆菌、G- 杆菌,毒素型包括肉毒杆菌,如专性厌氧G+芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、G+兼性厌氧球菌等。

为避免食品腐败变质或蔓延,可杀灭或阻止腐败菌或致病菌生成,其物理方法(5)为,采用温度处理(高温或低温)、降低Aw 值、气调、辐照、高压和脉冲杀菌;化学方法为,使用无机、有机化学合成或烟熏;生物方法,即添加食用级微生物或其发酵剂,从而产生抗微生物代谢物。但是,这些方式只能杀灭部分微生物而不可能杀灭全部微生物,因此食品中还有残留微生物存在。使用物理、化学方法杀菌会对食品风味、质地和营养成分造成破坏,特别是加入化学防腐剂会损害人类健康。研究发现,一些人工合成的防腐剂存在诱癌性、致畸性和易引起食物中毒等风险,如苯甲酸盐,可能会引起食物中毒,亚硝酸盐和硝酸盐可能会生成致癌的亚硝胺,故化学防腐剂的种类和应用范围应受到严格限制。因此,人们呼唤安全、无毒、无害、高效的抗菌剂(防腐剂或抗氧化剂),而天然防腐剂则可满足此要求。

不同种类的食品可选择相应的防腐剂、抗氧剂以及其他食品添加剂以防止腐败变质。不同食品的基质不同,食品的H+ 浓度也影响原生质生长过程和酶的作用。在一定H+ 浓度下,微生物的酶系统才能发挥最大的催化作用。如果H+ 浓度改变,酶的催化作用就会减弱或消失,影响微生物正常的生长代谢。各种食品均有一定的H+ 浓度,动植物食品原料的pH 几乎都在7 以下,有些可低至2~3,故食品可分为酸性食品和非酸性食品。pH 值在4.5以上者称为非酸性食品,pH 值在4.5 以下者称为酸性食品,故引起微生物腐败变质的微生物群也有其特殊性。

防腐剂(抑菌剂)系指可抑制微生物繁殖的物质,而杀菌剂则是可杀灭微生物的物质。

食品防腐剂抑菌原理:它通过改变微生物的生长环境,使其停止缓慢增殖的迟滞期,而不进入急剧增殖对数期,延长生物繁殖所需时间,即所谓“静菌作用”。

提高食品质量,确保舌尖安全——食品防腐剂主要可分为两大类:化学合成防腐剂和天然防腐剂。鉴于化学防腐

剂存在毒副作用,许多科学家经过多年的潜心研究,现已开发了多种天然防腐剂,比如Nisin、霉克、植物提取物、

壳聚糖、蜂胶等。这些天然防腐剂己达到或超过人工合成防腐剂的效果,而成本也大大降低,因此天然防腐剂方兴

未艾。大力开发无味无毒、高效安全、经济的新型天然食品防腐剂,将是食品工业今后的发展方向之一。

食品的防腐

天然防腐剂,以其天然、无毒、用量少、安全、价廉、使用方便、防腐效果好、有益健康而受到研究者们的青睐。

生物保鲜的机理为,隔离食品与空气的接触、延缓氧化作用 ,或是生物保鲜物质本身具有良好的抑菌作用,从而达到保鲜防腐的效果。它以动植物或微生物的代谢产物为原料,利用提取、酶法转化或发酵等技术生产的天然生物型食品防腐剂逐渐受到重视。

天然食品防腐剂按来源可分为三类:微生物源、动物源、植物源。

微生物类防腐剂

微生物发酵具有生产周期短、不受季节、地域和病虫害条件限制的特点,因此从微生物的次生代谢产物中研制生物保鲜剂具有广阔的发展前景。目前各国都对其展开了广泛的研究, 我国批准使用的微生物防腐剂有乳链球菌和纳他霉素。

乳链球菌素即乳链菌素, 是由乳酸链球菌合成的多肽抗菌素类物质。1947 年,Mattick 等首先制备出乳酸链球菌素并命名为Nisin。1951 年,Nisin 首次作为食品防腐剂,成功地控制了肉毒梭菌所引起的奶酪膨胀腐败。1969年,Nisin 被FAC/WHO 食品添加剂联合专家委员会批准推荐为高效安全的天然食品防腐剂(1)。它是蛋白质原料经过发酵生物合成的由34 个氨基酸组成的小肽, 其中碱性氨基酸含量高, 因此带正电荷。乳酸链球菌素对大范围的革兰氏阳性细菌具有较强抑制作用,可抑制葡萄球菌、链球菌、微球菌、乳杆菌中的某些菌株及大多数芽孢梭菌、杆菌以及它们的芽孢(4)。Nisin 具有无毒、用量少、使用方便、防腐效果好、价格低廉等特点。它可抑制口腔微生物的生成,避免糖类发酵,加在糖果、饮料等食品中可以预防龋齿和牙龈炎的发生。在乳制品中加入Nisin,可大大延长产品的保质期,加入肉制品中不仅可抑制细菌生长,还可保持良好风味及色泽、减少亚硝酸盐含量(1)。此外,Nisin 在罐制食品中不仅可有效将芽孢杀死在萌发前期,还可减少热处理时间,使营养成分更多保留和延长保质期。在方便食品及焙烤制品中,Nisin 能抑制酵母菌、细菌的生成繁殖、防止食物中毒。在果汁及酒精饮料中,Nisin 对泛酸芽孢杆菌有抑制作用。

苯乳酸具有较广的抑菌谱,能抑制食源性致病菌、腐败菌,特别是可抑制真菌的污染。与乳酸链球菌素等细菌素显著不同,大部分细菌素只对与产生菌分类学上相近的细菌有作用,如乳酸链球菌素可抑制除乳酸菌以外的革兰氏阳性细菌,但对绝大部分革兰氏阴性细菌和酵母菌、霉菌都没有作用,而苯乳酸则具有抗革兰氏阳性菌、抗革兰氏阴性菌和真菌等多种功能,还可克服亲水性较差、不易扩散的乳酸链球菌素,具有较广抑菌谱,可抑制食源性致病菌、腐败菌,特别是可抑制真菌的污染,可在各种食品体系中均匀分散。苯乳酸具有抗革兰氏阳性菌的作用,又具抗革兰氏阴性菌和真菌等多功能(5)。

纳他霉素是由一种链霉菌为出发株生成的代谢物,是一种多烯烃大环内酯类抗真菌剂,商品名称为霉克,也称游链霉素。Pimaricin 是一种高效、无毒、安全、无副作用的天然食品防腐保鲜剂。它能有效杀灭及抑制食品中的霉菌、酵母菌和其它真菌的生长,但其对细菌没有抑制作用,因此可以将它直接加入到酸奶等发酵制品中,从而抑制产品中的真菌,保证产品质量,而其它防腐剂没有这个功能。纳他霉素对真菌极为敏感,微量使用即可起作用,作为防腐剂的用量仅为山梨酸钾的1/50~1/100。纳他霉素具有一定的抗热处理能力,在干燥状态下相对稳定,能耐受短暂高温(100℃);但由于它具有环状化学结构,对紫外线较为敏感,故不宜与阳光接触。纳他霉素活性的稳定性受pH 值、温度、光照强度、氧化剂及重金属的影响,所以产品应该避免与氧化物及硫氢化合物等接触。添加5~10 mg/kg Natamycin 到酸奶中,可使产品的货架期延长4 周以上;Natamycin 用于果汁可防止果汁发酵;利用Natamycin 浸泡或喷涂肉类食品,可达到防止霉菌生长的作用;在制作香肠时,将Natamycin 悬乳液浸泡或喷涂在已填好馅料的香肠表面,可有效地防止香肠表面长霉;月饼烘烤后冷却至常温时,将Natamycin的悬浮液喷涂在月饼表面、四周及底部,即可完成外部的防霉;防止传统酿造酱油霉变的最小抑菌质量分数(MIC) 为20 μg/kg,如果将纳他霉素(Natamycin) 与乳酸链球菌素(Nisin) 复合使用,可以有效降低MIC 至8 μg/kg, 符合食品添加剂的卫生要求,并起到更好的防腐作用。

溶菌酶是存在于哺乳动物的乳汁、体液、禽类蛋白及植物、微生物中的用于微生物细胞壁水解酶( 胞壁质酶或N- 乙酰细胞质聚糖水解酶)。溶菌酶具有水解球菌细胞中肽聚糖的特殊作用,能够溶解许多细菌的细胞膜,使细胞膜的糖蛋白类加水发生分解而引起溶菌现象。溶菌酶是一种良好的抑菌蛋白,按其作用于微生物的种类不同可分为3 类,即细菌细胞壁溶解酶、酵母菌细胞壁溶解酶和霉菌细胞壁溶解酶,其对革兰氏阳性菌、枯草杆菌、地衣型芽孢杆菌等均有良好的抗菌能力,尤其对溶壁微球菌的溶菌能力最强。溶菌酶本身是一种无毒、无害、安全性很高的蛋白质,且具有一定的保健作用(5)。对加入溶菌酶的乳清蛋白涂层的扩散效果研究表明,这种涂层可以维持溶菌酶的最低抑菌浓度,可发挥对食品的防腐效果。

聚赖氨酸可破坏微生物细胞膜结构,从而引起细胞物质、能量和信息传递中断,还能与细胞内的核糖体结合影响生物大分子的合成,最终导致细胞死亡。聚赖氨酸(ε-PL)呈高聚合多价阳离子状态,其抑菌机理主要表现在可对微生物细胞膜结构进行破坏,从而引起细胞的物质、能量和信息传递中断,还能与细胞内的核糖体结合影响生物大分子的合成,最终导致细胞的死亡。ε-PL具有较好的广谱抑菌性,对酵母菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌及霉菌等均有一定程度的抑菌作用(6)。聚赖氨酸的化学组成是由人体必需的氨基酸L- 赖氨酸构成的多肽,经消化后又可变成单一的赖氨酸而成为人体营养的强化剂,故其作为食品防腐剂,具有无毒副作用、安全性高等特点。此外一种食品添加剂可起到保鲜、防腐、抗氧化作用,可以抑制亚硝酸盐转化为亚硝胺。多种霉菌( 米曲霉、黄曲霉、白色曲霉等)在生长过程中经糖代谢可产生鞠酸。总之,有举不胜举的微生物防腐菌在食品保鲜中发挥作用。

植物类天然防腐剂

中草药作为抑菌剂,在近些年来对食品防腐的贡献颇多。千百年来,香辛料就是海陆“丝绸之路”贸易的重要商品。古人早知香料可“辟邪”,即可驱虫、杀菌。香辛料的抗菌成分主要有丁香酚、丁香酚乙酸酯、异硫氰酸烯内酯、百里酚、香芹酚、异冰片、茴香脑、肉桂醛、香草醛、辣椒素和水杨醛等。近年来,人们开始从香辛料中提取有效成分作为食品防腐剂,并取得了良好的结果。现已被开发防腐保鲜剂的食用香料植物主要有:芸香科的九里香属植物,樟科的樟属植物,菊科的蒿属植物,禾本科的香茅、芸香草,桃金娘科桉属中的柠檬桉、窿缘桉、蓝桉等,姜科的砂仁属,姜黄属中的某些种,唇形花科的紫苏等。果皮果胶、茶多酚、蒜素、芦丁、厚朴、甘草黄酮、银杏黄酮、橄榄黄酮、桂皮醛、红薯叶茎、丁香、大黄等的提取物是食品防腐的添加剂,试验表明其抑菌效果明显,尤是大蒜汁 ,其抗真菌强度与化学防腐剂苯甲酸钠和山梨酸相当。洋葱汁具有抗流感病毒功能。还有许多植物的提取物有类似功用,如下表所示。

自然界的天然植物中存在许多生理活性物质,具有抗菌作用。天然食用香料植物、中草药等其他植物,比如姜提取物、银杏叶提取物、肉桂提取物、丁香提取物、边迭香提取物、红曲提取物、甘椒提取物、辣椒提取物等,都具有很强的杀菌作用。

辛辣植物具有杀菌作用,辣椒属于茄科辣椒属植物。由于果皮中含有辣椒素、辣椒红色素、多种维生素及矿物质,辣椒在食品工业中除起调味调色作用、具有一定营养价值外,还对食品起到了一定的抑菌防腐作用。大蒜的挥发性物质、大蒜汁、大蒜浸出液及蒜素等对G+、G- 菌具有抑制杀灭功能,但青霉素、链霉素、氯霉素及金霉素耐药菌等对大蒜制剂仍敏感。洋葱、生姜汁也具有抗青、绿霉菌功能。辣椒的提取物——辣椒素不仅具有很强的镇痛和消炎作用,还可作为害虫驱避剂,用于制造防白蚁、防老鼠的功能塑料粒料和涂料,供电缆、地下建筑物和民用家具制造业使用。辣椒素还可以作为阻止海洋生物附着的由活性成分制造的无毒生物防污漆,大量用于海洋船舶,以防止海洋生物的附着 ,保障轮船在海洋中的正常航行。辣椒素同时还可大量用于沿海地区的热电站、核电站等需要用大量海水进行热交换的设备,以防止海洋生物堵塞水管。

蜂胶是一种蜡状树脂,是从众多植物特别是花和叶芽上面采集来的多种成分树脂,是一种食品的天然成分,并且对人体无毒无害,由于具有良好的抑菌性而被广泛用于食品防腐剂。

蜂胶的防腐保鲜机理目前普遍认为有两方面:①由于蜂胶的抑菌作用,蜂胶对各种细菌、真菌、病菌和原虫都具有抑制和消灭能力。蜂胶中的高良姜素、山奈菌、对香豆苯甲酸酯、蜂胶浸出物等均有抗菌活性,而且蜂胶中的树脂也具有抑菌作用。同时,蜂胶还含有多种黄酮化合物及挥发性物质,这些物质对抑制和杀灭果品、疏菜表面的微生物作用重大;②蜂胶是良好的成膜剂,将其喷洒在果蔬表面可形成一层薄膜,这层薄膜可以减少微生物的侵染,阻碍果蔬内部与外界的气体交换,从而抑制有害菌呼吸,降低新陈代谢,减少果蔬表面的水分蒸发,因而推迟腐败,起到防腐保鲜作用。研究发现,4%的蜂胶水提液对青霉属、链格孢属、葡萄孢属等真菌的生长抑制率达50%以上,链格孢属和青霉属对蜂胶非常敏感。蜂胶还具有多种生物活性和功能保健作用,可清除活性氧自由基,起到抗氧化的作用(7)。蜂胶抑制和杀灭细菌的特性使其可以应用于食品的贮藏,可保持食品的鲜度、光泽、颜色、口味,可阻氧、防止水分蒸发,能减少霉烂、变质、延长货架期,且无任何副作用。蜂胶可使鱼、虾的储存周期延长2~5 倍。

动物类天然防腐剂

动物类天然防腐剂的品种较多,主要有鱼精蛋白和组蛋白、壳聚糖。

壳聚糖又叫脱乙酰甲壳质,它是蟹虾、昆虫等甲壳质脱乙酰后的高分子有机物,是由葡萄糖胺单体及N- 乙酰基葡萄糖胺单体按不同比例组成的直链分子。葡萄糖胺单体上带有游离的氨基,因此壳聚糖带有正电荷,它通过干扰细胞表面的负电荷,导致细胞物质外泄,使细胞死亡。分子较短的壳聚糖可进入细胞内,并与DNA 结合、抑制mRNA 的合成,最终抑制微生物细胞的活动。壳聚糖作为食品防腐剂具有以下几种功能: 壳聚糖具有良好的成膜性, 对果蔬可起到“微气调”的作用, 抑制果蔬的呼吸, 并且该膜可将食品与空气隔离, 延缓氧化过程;壳聚糖还具有良好的抑菌作用, 它对腐败菌、致病菌均有一定的抑制作用;壳聚糖分子中的羟基与氨基可结合多种重金属离子并形成稳定的螯合物, 例如铁、铜等金属离子与其结合可以延缓脂肪的氧化酸败(8);壳聚糖可以用作水果和蔬菜的保鲜剂。其方法是将食品浸没于壳聚糖的溶液中。在空气中干燥后,食品的表面会形成可食性薄膜。这一技术可用于新鲜果蔬的保鲜,延长它们的货架期。据报道,壳聚糖作为一种抗菌剂,在经过紫外光处理后,其作用力会提高。

抗菌肽

抗菌肽是一类来源于多种生物的多肽, 这类活性多肽多数具有分子量小、强碱性、热稳定性及广谱抗菌的特点,还可以抗真菌、抗肿瘤、抗病毒、抗寄生虫,且不易产生抗药性,是先天免疫的重要防御物质,拥有良好的应用前景(9)。抗菌肽之所以被冠上“抗菌”这两个字,主要是因为其抗菌谱广, 对革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌及真菌、霉菌抗菌肽等均有明显的抑杀作用,而对真核细胞基本不起作用。其广谱抗菌特性是传统抗生素所无法比拟的。传统抗生素通过消除微生物生长或生存必不可少的条件(如使酶失活变性)达到杀菌的目的,细菌只要改变一种基因就足以抵抗此类抗生素的攻击。而抗菌肽则通过中和电荷的方法与细菌细胞膜相互作用,以此穿透杀死细菌,极大地减少了细菌产生耐药性的可能。抗菌肽是生物体内经诱导产生的一类具有生物活性的小分子多肽 , 普遍存在于各类生物体中, 是其免疫防御系统的一个重要组成部分。抗菌肽具有分子量小、热稳定好、在理条件下多数带正电荷、广谱抗菌等特点(10)。乳链菌肽能有效抑制芽孢杆菌及梭菌的生长、繁殖,延长产品保存期4~6 倍, 有利于产品的贮存和运输。抗菌肽根据来源不同分为植物类抗菌肽、昆虫类抗菌肽、两栖类抗菌肽、动物源性抗菌肽等,根据结构不同分为两性分子α- 螺旋的抗菌肽、含二硫键的抗菌肽、富含脯氨酸的抗菌肽及富含甘氨酸的抗菌肽等。从乳酸菌中分离的抗菌肽细菌素, 可抑制食品中各种病原微生物的生长,而被用作保藏剂。近期,美国明尼苏达州立大学研究人员开发出了一种“lantibiotic”抗菌肽类天然食品防腐剂,并获得了专利。它是一种由无害细菌产生的抗菌肽,可杀灭食品中的沙门菌、大肠杆菌及李斯特菌。明尼苏达州立大学食品、农业和天然资源学院DanO′Sullivan 教授指出,它可使食物免受一系列致病菌的侵袭。作为一种天然防腐剂,它能防御对抗多种病菌。这种天然防腐剂可抑制一系列食品中的病菌,这些食品包括肉类、加工奶酪、鸡蛋、奶制品、罐头食品、海产品、色拉酱调料、发酵饮料等。另外,它还具有易消化、无毒、不会引起过敏等优点(11)。

鱼精蛋白

鱼精蛋白是一种多聚阳离子肽,主要存在于各类动物的成熟精巢组织中,与核酸紧密结合在一起,以核精蛋白的形式存在。这是一种小而简单的球形碱性蛋白质,其分子量小,一般由30 个左右的氨基酸残基组成,其中2/3 以上是精氨酸。鱼精蛋白植物食品防腐剂,从20 世纪80 年代后期开始出现在食品添加剂行列。鱼精蛋白具有广谱抑制活性,能抑制枯草杆菌、巨大芽孢杆菌、地衣形芽孢杆菌等生长,对G+、酵菌、霉菌也具有明显的抑制效果,而且能有效地抑制肉毒梭状芽孢杆菌的A 型、B 型及E 型菌的发育,可应用于面包、蛋糕、菜肴制品、调理菜、水产品、调味料等产品中。

 

本文作者为教授级高级工程师,从事医药工程设计50 余年。

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