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生物防腐剂在食品工业中的应用

作者:生物防腐剂在食品工业中的应用  来源:生物防腐剂在食品工业中的应用  发布时间:2011-4-21 8:21:16

生物防腐剂在食品工业中的应用

摘要:笔者介绍了目前应用较多的微生物防腐剂乳链球菌素、溶菌酶及那他霉素的抗菌机理、抗菌谱及其在食品工业中的应用情况,讨论了微生物防腐和保鲜剂的研究进展,并对其发展趋势进行了展望。

关键词:生物防腐剂;食品工业;应用

随着食品工业的发展,利用安全高效生物防腐剂替代化学防腐剂,在食品加工中采用广谱、高效、低毒乃至无毒、纯天然的食品防腐剂、保鲜剂,已成为一种趋势。由于微生物除了种类多、数量大、分布广外,还有生长繁殖快、容易培养、生理代谢类型和代谢产物多样性、生产周期短和产量高、发酵产品成本低等许多独特的优点,因此通过微生物制造天然防腐剂是一个极具开发潜力的领域。利用微生物之问的寄生、颉颃作用,是生物防治的理论基础,它比化学药剂处理更安全、有效。细菌素是细菌代谢产生的一类多肽蛋白质类物质,经验证它对某些细菌杀伤力很强,而对其它细菌无破坏作用。

1 生物防腐剂及其特性

1.1 细菌素

细菌素(Bacteriocin)即由细菌产生的抑菌物质,它是一种多肽或多肽与糖和脂的复合物。一类是小菌素,主要由肠杆菌科的细菌产生,分子量通常低于5 kDa,热稳定性好,对链霉蛋白酶和枯草溶菌素有抗性。所有的小菌素都需特定的细胞表面受体才能进入细胞。另一类是G+菌的细菌素—— 乳酸菌素和非乳酸菌素。非乳酸菌素已在乳杆菌科的酶乳杆菌、瑞士乳杆菌等细菌中被分离出来,它们是不含羊毛硫氨酸、疏水的热稳定性肽,分子量为37-63 kDa 。而细菌素中作为防腐剂应用较广泛的是乳酸链球菌素(Nisin)。

1.1.1 Nisin的结构特点:Gross和Morell早在1970年已阐明Nisin分子的一级结构由34个氨基酸组成,分子式是C143H228N42037S7,平均分子量315 Da,其活性体为二聚体或四聚体,分子量分别为7 000和14 000。Nisin含有4种异常氨基酸,分别是脱氢丙氨酸(DHA)、脱氢丁氨酸(HBD)、羊毛硫氨酸(ALA-S—ALA)和p一甲基羊毛硫氨酸(ALA-S-ABA),它们通过硫醚键形成5个环。到目前为止, 已发现Nisin的种类包括A、B、C、D、E和Z,对NisinA 和 NisinZ研究较多,其区别在于NisinA的第27位氨基酸为组氨酸,而NisinZ的第27位氨基酸为天冬氨酸,其搞菌特性几乎无差别。

1.1.2 Nisin的理化性质:Nisin是一种白色易流动的粉末,其溶解度随pH值为3的盐酸中,经121℃加热15min,仍能保持100%的活性。                                                                               

Nisin 是一咱多肽类物质,添加于食品中不会被其中的微生物分解,对人体无毒害作用,但对蛋白水解酶(胰酶、唾液酶、消化酶等)很敏感,人食用后在消化道内很快被水解成氨基酸,并且不会改变肠道内的正常菌落,也不会与常用的其他抗生素(如青莓素、链霉素等)产生交叉抗性,是一种安全的防腐剂。此外,它的使用可以降低杀菌温度,减少热处理时间,因此有助于保持食品营养成分、风味、颜色、质地等。还可降低能耗,同时它具有酸性热稳定性和低温贮藏稳定性,有助于食品的加工、贮藏 。

1.1.3 Nisin的抑菌性:Nisin能抑制大部分G 菌的生长,包括产芽孢杆菌(如肉毒芽孢杆菌),耐热腐败菌(如嗜热脂肪芽孢杆菌)等,而对酵母菌和霉菌无效。但在一定的条件下,如冷冻、加热、降低pH值和经EDTA及其它表面活性剂处理,对部分G一菌也有致死作用。Nisin对G+菌营养细胞的作用是在细胞膜上构建依靠膜电位、短期存在的通道,使膜电位丧失,能量产生停止和细胞质中必需小分子组分流失,最后细胞解体;而对芽孢的作用是使其萌发前期及芽孢的膨胀期破坏其膜,以抑制其发芽过程。

1.2 那他霉素

1.2.1 理化特性:那他霉素(Natamycin)也称匹马菌素(Pimaricin),商品名称为霉克,是由放线菌中的那他尔链霉菌(Streptomyces sp,)的代谢产物精炼而成的环状四烯烃类抗菌素。由于具有环状化学结构,对紫外线较敏感,故不宜光照。Natamycin具有一定的抗热能力,在干燥状态下能耐受短暂高温(100 ℃),其活性的丧失是由于环状化学结构被水解所致。如置于5O℃ 以上,超过24 h活性的衰退有明显的升高隅]。Natamycin的活性稳定性还受pH值、氧化剂及重金属的影响,应避免与氧化物与硫氢化合物等接触,同时应放于玻璃、塑料或不锈钢的容器中。

1.2.2 抑菌特性:Natamycin能有效抑制和杀死霉菌、酵母、丝状真菌。其作用机理是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,Natamysin对其无效,如细菌和病毒。因此,可以把Natamysin直接添加到酸奶等发酵制品中,抑制霉菌和酵母菌,而不杀死有益的细菌,其他防腐剂尚不具备这一功能。

真菌对Natamycin极为敏感,使用微量即可作用。若将Natamycin与山梨酸钾的最小抑制浓度值(MIC)相比较可以看出,山梨酸钾抑制和杀死霉菌和酵母菌的功效比Natamycin低100~200倍,也就是说20 mg/kg的Natamycin相当于1 000~2 000mg/kg的山梨酸钾。与常用的山梨酸钾等防腐剂相比,Natamycin在pH值为3-9时具有活性,其适用pH值的范围更宽。

1.3 溶菌酶

由球孢链霉菌产生的溶菌酶(Lysozyme)在食品中应用较多。它是一种比较稳定的碱性蛋白质,分子量为14 300,作用的最适温度为45~5O℃ 。在pH值为3时能耐100 oC 40 rain加热;在pH值为7时经100℃ 10 min就会失活。溶菌酶是一种专门作用于微生物细胞壁的水解酶,其作用机制是破坏细菌、酵母菌和霉菌的细胞壁,使细胞壁中的糖苷键、肽键等断裂,最后导致细胞死亡,故溶菌酶主要对G+菌、枯草杆菌等有较强的溶菌作用。

1.4 泰乐菌素

泰乐菌素(Tylosin)是由链霉菌产生的一种大环内酯化合物,抑菌作用与Nisin类似。其作用机制是抑制细菌的蛋白质合成,它结合于核糖体5O S亚基上,抑制氨酰tRNA一的氨酰末端的结合,以及抑制mRNA一氨酰一tRNA一核糖的复合物的形成。

1.5 聚溶素

聚溶素(Poly-lysin)由白链霉菌产生,是由赖氨酸缩合而成的多肽,它的热稳定性好,加热100℃100 min或120 ℃ 20 min仍有抑制微生物的效果。一般它与甘氨酸、醋酸钠、乙醇、溶菌酶等辅助剂合用。能够抑制G+菌、G一菌及酵母菌,但对霉菌无作用[Ioj。另外,由链霉菌产生的几丁质酶对真菌具有强烈的抑制作用,且具有一定的光谱性。

1.6 酵母菌嗜杀毒素

在1983年就有人从酿酒酵母中首次发现了有杀菌作用的活性物质,以后又发现假丝酵母属、克鲁维氏酵母属等也能分泌杀菌物质,把这类物质叫嗜杀毒素。它们都具如下特征:拥有蛋白质组分,较低的最佳pH值,35℃以上就被钝化。研究较多的是来自酿酒酵母的K。毒素,其对细胞的作用过程为:首先吸附在酵母细胞壁的β一1,6一D一葡聚糖受体上,之后,经过耗能过程把K1毒素转移到细胞膜上,形成阳离子通道,使细胞质酸化和K+泄露,最后使细胞死亡。嗜杀毒素可以抑制或杀死发酵过程的污染酵母、同族及亲缘酵母。

1.7 霉菌素

Wong和Ban的研究发现,粗萃取的红曲色素具有抗菌活性,对霉状杆菌、枯草杆菌等具较强的抑制作用,命名为Monascidin A。但在1995年法国Blanc教授研究证明一些红曲霉菌产生的抗菌物Monascidin A就是秸霉素(Citrinin),对肾具有毒害性和潜在的致癌性,同时还发现Citrinin的产生与菌株培养基、生产工艺等均有关。1996年,日本研究了利用红曲霉突变株生产不含Citrinin的色素用于食品着色。此外,日本还发现红曲霉提取物与己二酸、衣康酸等其它抑菌剂的协同抑菌作用。

有关专家通过对紫色红曲霉(Mpurpureus)研究证实,其所产生的抗菌活性物质中部分是色素物质,研究结果表明它可以对蜡状芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、啤酒酵母、霉状杆菌、枯草杆菌、荧光假单孢菌有强烈的抑菌作用,与乳酸链球菌素、山梨酸钾联用可抑制肉毒梭状芽孢杆菌的生长。德国肉类研究中心在进行红曲霉对肉类防腐效果的研究中发现,使用紫红曲(Mpurpureus DSM137)菌株提取不含Citrinin的物质,也具有明显的抑菌作用,由此推测除了Citrinin外可能还存在其它抑菌物质。从巨曲霉中分离出来的小分子量碱性蛋白质,对丝状真菌的生长具有抑制作用,这种蛋白质含58个氨基酸残基,其中8个半胱氨酸残基全部用于构成二硫键,使细胞中巯基失活。从巨曲霉中分离出来的小分子量碱性蛋白质,对丝状真菌的生长具有抑菌作用。

1.8 食用菌

人们对部分食(药)用菌的子实体、菌丝体或发酵液进行抑菌实验,结果表明:这些菌的代谢产物对某些食品腐败菌具有抑制作用。

2 生物防腐剂在食品工业中的应用

2.1 Nisin的应用

微生物食品防腐剂不含任何非天然物质,对人体健康无毒害作用,在食品中添加定量微生物素,不但对食品的色、香、味、口感等无副作用,而且有助于改进食品的营养价值。目前应用较多的是Nisin、溶菌酶和Natamycin等。Nisin能有效地抑制许多G 菌,如金黄色葡萄球菌、溶血链球菌、李斯特菌的生长与繁殖。尤其对G+菌,如枯草芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌等有很强的抑制作用,广泛用于乳制品、罐藏蛋白食品和肉制品的防腐、保鲜当中。

对于乳制品,常采用巴氏消毒法,其中仍存在肉毒梭菌,贮存中会产生一定毒素。Taraka等(1986)研究表明,在经巴氏处理后的干酪中,加入500-1 000 Iu/mL Nisin能抑制肉毒梭菌的生长和毒素的产生,同时还能降低食盐和磷酸盐的用量。Shehata等研究表明,将少量的Nisin添加于奶油巧克力生产中,能降低能耗,延长货架期。在鲜奶中加入Nisin 30~50 Iu/mL,通常35℃可使其货架期延长1倍 ;罐装炼乳中添加80~100 Iu/mL的Nisin能减少10 min灭菌时间。UHT奶中添加20 Iu/mL的Nisin能完全抑制灭菌乳中的嗜热芽孢菌的生长;在冷冻乳类甜点食品中添加50~100 Iu/mL的Nisin后可延长其货架期4~6倍。

肉制品的主要污染菌是G+菌,而Nisin作为菌的抑制剂,广泛地应用在肉类加工中。Rayman

等(1981)提出,Nisin可作为腌制肉制品中的硝酸盐的替代剂或佐剂,以减少或避免亚硝胺类物质对人体健康的威胁。如在烟熏火腿时,加入3 000Iu/mL的Nisin,37℃能放56 d不变质,使硝酸盐的使用量由原来的150 mg/kg减为40 mg/kg,同时也能抑制其中杂菌的生长。Graciela等(1991)研究发现,在香肠中添加乳酸菌发酵剂,能抑制乳杆菌、李斯特菌、金黄色葡萄球菌和广泛的G 菌的生长繁殖,生产出高质量耐保藏的人工发酵香肠。由于Nisin在酸性条件下稳定性、抑菌性好,所以适用于酸性罐头食品的防腐。使用100—200 Iu/mL的Nisin能有效阻止抗热微生物的生长繁殖,降低杀菌温度和缩短杀菌时间,减少能耗,同时保证酸性罐头食品的营养、风味和外观。

乳酸杆菌和啤酒片球菌是啤酒酿造中的常见污染菌,污染后的啤酒产生浑浊、变酸、发黏等。Ogde研究发现,利用Nisin的抗菌活性,只需在啤酒中加入1 000 Iu/mL的Nisin,即可除去杂菌,延长货架期,降低巴氏消毒的强度,增强啤滔的品质和风味。Radle(1981)也曾报道,把Nisin应用于白酒酿造中,有效地阻碍了肠膜明串珠菌、啤酒片球菌和乳酸杆菌的生长,防止了杂菌的污染。为了能提高葡萄酒的稳定性,建议向1000L葡萄汁中添加30~50g的Nisin,预先经充分搅拌,将它溶解于少量的果汁中。

2.2 溶解酶在食品仿腐中的应用

    如果将0.05%的溶菌酶直接喷洒在水产制品、香肠等肉制品上,可起到防腐、延长货架期的作用。以前常用的冰冻或盐腌法对鱼、虾等进行保鲜,现在改用溶菌酶能起到较好的效果,如一些生鲜产品在0.05%的溶菌酶和3%NaCl溶液中浸泡5min,沥去水分,进行常温或冷冻贮藏能延长贮藏期。在鲜奶或奶粉中加入一定量溶菌酶,可达到强化目的,使牛乳人乳化(鲜牛乳中含溶菌酶13mg/100mL,人乳含40mg/mL),有利于婴幼儿肠道细菌正常化。另外将溶菌酶加入于酪中,可防止微生物污染,从而引起酸酪发酵。在清酒(含酒精15%~17%)中加入15mg/kg的溶菌酶,即可防止一种称为火落菌的乳酸菌生长,起到良好的防腐效果,以减少过去添加水杨酸给人体带来的毒性作用。此外,溶菌酶也广泛用于料酒、糕点及饮料中起防腐作用。

2.3 Natamycin在食品中的应用

研究发现添加5-10mg/kg的Natamycin于酸奶中能有效抑制真菌,延长酸奶的货架期4周以上。霉菌和酵母菌是导致果蔬汁变质的主要菌类,在一定温度下,添加最低有效浓度为1.25~2.5 mg/kg的Natamycin可防止果蔬汁的变质。对于肉制品,用4 lmg/cm 的Natamycin可达到安全有效抑制霉菌的作用。一般将Natamycin配成150-300 mg/kg的悬浮液对肉制品的表面浸泡和喷涂,可达到有效抑菌,将此浓度的Natamycin喷洒在月饼、面包等表面,同样能防止霉变。另外,微生物代谢产生的脂肪酶,加人生面团中,使三甘脂部分水解而增加单甘脂的含量可延缓腐败。在豆腐中加人转谷氨酰氨酶可延长货架期。

3 结语

在生物防腐剂的研究领域中,采用基因重组技术构建高产、广谱抗性菌株,以获得抗菌效果更好的天然防腐剂,如已成功地通过传统的杂交手段把酵母嗜杀特性移人普通菌,使之获得嗜杀性能,应用于低度酒类的生产。通过分子改造技术来改变微生物细胞的分子结构,使之具有更强的适应新环境的能力,生产出抗菌性能强、抗菌谱更广的天然防腐剂。如红曲色素经蛋白质、氨基酸、核酸修饰可提高其耐光性,将其分子中的酯键碱解,生成羧酸盐,有利于提高水溶性。另外,将微生物防腐剂与动植物或矿物防腐剂配合使用,以增强抗菌作用。如将Nisin与EDTA或其他表面活性剂配合使用,可扩大其抗菌谱,能抑制G+菌;将溶菌酶与甘氨酸混合使用,其防腐效果则远高于单独使用溶菌酶;将Nisin与Natamycin配合使用可使抑菌谱互补;将红曲霉与衣康酸混合使用,混合比例可根据需要在1:0.01~1:100之间变动,明显增强了防腐效果。

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