天然生物食品防腐剂的研究进展.pdf

号彤 稼塑助剂与千爆腑腐杀菌剂 1 1 天然生物食品防腐剂的研究进展 贾士儒宋庆超谭之磊 ( 工业微生物教育部重点实验室，天津科技大学天津经济技术开发区第十三大街2 9 号，3 0 0 4 5 7 ) 摘要：天然生物食品防腐荆由于其本身的优越性，越来越受到人们的青睐，综述了几种天 然生物防腐剂一聚赖氨酸、乳酸链球菌素、纳他霉素、噬菌体、纳豆和红曲等的性质及 应用现状，并对其发展前景进行了展望。 关键词：生物防腐荆；一聚赖氨酸；乳酸链球菌素；纳他霉素；噬菌体，纳豆，红曲 R e a s e r c hP r o g r e s so fM i c r o b i a lP r e s e r v a t i v e s ( J i aS h i r u ，S o n gQ i n g c h a o ，T a nZ h i l e i ) K e yL a b o r a t o r yo fI n d u s t r i a lM i c r o b i o l o g y ，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，T i a n j i nU n i v e r s i t yo fS c i e n ca n d T e c h n o l o g y ，N o 2 9 ，1 3 t hA v e n u e ，T i a n j i nE c o n o m i c - T e c h n o l o g i c a lD e v e l o p m e n tA r e a ，T a n j n3 0 0 4 5 7 。P R C h i n a A b s t r a c t T h en a t u r a lb i o l o g i c a lf o o dp r e s e r v a t i v ei sf a v o r e dm o r ea n dm o r eb yp e o p l e b e c a u s eo fi t ss u p e r i o r i t y T h ea p p l i c a t i o ns t a t u so fs e v e r a lm i c r o b i a lp r e s e r v a t i v e ss u c ha s - p o l y l y s i n e ，n i s i n ，n a t a m y c i n ，p h a g e ，n a t t oa n dr e dk o j i cw e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e m a j o rp r o s p e c t sw e r ep u tf o r w a r d K e y w o r d s ：M i c r o b i a lP r e s e r v a t i v e s ；- p o l y l y s i n elN i s i n , N a t a m y c i nIP h a g e ，N a t t ol R e dK o j i c 作者简介：贾士儒，男，1 9 5 4 年出生，博士，天津科技大学教授，博士生导师。 办公地点：天津经济技术开发区第十三大街2 9 号天津科技大学生物工程学院( 3 0 0 4 5 7 ) E m a i l ：j i a s h i r u t u s t e d u c n 1 2橡塑助剂与干燥防腐杀菌剂 专动 1 前言 生物防腐剂是指自然界已经存在的天然产物，且 可以通过微生物发酵技术获得的可以杀灭或抑制微 生物、并且使用安全的物质。目前，人们公认的生 物防腐剂有：乳酸链球菌素、纳他霉素、聚赖氨酸、 食用乳酸菌、抗菌肽，噬菌体制品等。本文所说的 生物防腐剂是指利用微生物发酵方法生产的食品生 物防腐剂。 随着社会的进步和经济的发展，人们对食品安全 越来越重视。利用安全高效的生物防腐剂尤其是微 生物防腐剂替代化学防腐剂，在食品的加工和储藏 过程中采用广谱，高效、低毒乃至无毒、纯天然的食 品防腐剂，已经成为一种趋势。由于微生物具有数量 大、种类多、分布广、生长繁殖快、易培养、生产 周期短、产量高和发酵产品成本低等诸多优点，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。 2 生物食品防腐剂的研究现状 近年来，随着人们生活和消费水平的提高，食品 加工的需求也越来越向“绿色”和“天然”等方向转 变，天然食品防腐剂尤其是微生物防腐剂的研究与 应用在国外已日趋广泛。因此，世界各国政府均在快 速修改食品安全标准，提高食品安全水平。 2 1 一聚赖氨酸( - P L ) - P L 是由2 5 - 3 0 个L 一赖氨酸通过? 一羧基和 一氨基形成酰胺键相连的。3 0 个均聚物分子量4 7 0 0 D a ，分子式C 1 8 0 H 3 6 2 N 6 0 0 3 l 。一P L 是一种具有抑菌 功效的多肽，2 0 世纪8 0 年代初由日本学者腾井正 弘和平木纯首次将这种生物防腐剂应用于食品防 腐。5 - P L 能在人体内分解为赖氨酸，而赖氨酸是 人体必需的8 种氨基酸之一，也是世界各国允许在 食品中强化的氨基酸。因此，- P L 是一种营养型 抑菌剂，安全性高于化学防腐剂，其急性口服毒性 为5g k g 。 - P L 抑菌谱广，对于酵母属的尖锐假丝酵母 菌、法红酵母菌、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。 - P L 对革兰氏阳性的微球菌、保1 1 禾t l 亚乳杆菌、热 链球氤革兰氏阴性的大肠杆菌、沙门氏菌以及酵母 菌的生长有明显抑制效果，聚赖氨酸与醋酸复合制 剂对枯草芽胞杆菌抑制作用明显增强。 - P L 的微生物发酵在日本已实现工业化，其 作为一种高效的生物防腐剂，1 9 8 9 年日本批准其用 于加工食品中，随后韩国也允许其作为食品添加剂 使用。目前，- P L 已广泛用于奶制品、肉制品、高 盐食品、快餐、色拉、蛋糕、面点、海产品、酱类、 饮料、果酒类的保鲜防腐。在日本，- P L 已广泛 用于方便米饭、湿熟面条、熟菜、海产品、酱类、酱 油、鱼片和饼干的保鲜防腐。 2 0 0 3 年7 月，美国食品药品管理局( F D A ) 认 为- P L 是一般认为安全的( G e n e r a l l yR e c o g n i z e d a sS a f e ，G R A S ) ，作为抗菌剂在熟米饭或寿司米中 用量可达5 0m g k g 。 2 2 乳酸链球菌素 乳酸链球菌素( N i s i n ) 又称乳酸链菌肽，是一 种具有抑菌活性的多肽类物质，由乳酸链球菌( 菌 名) 发酵产生。N i s i n 分子式为C 1 4 3H 2 2 8N 4 20 3 ，S ， 分子量约为3 5 1 0D a 。另外，其二聚体和四聚体也有 报道，分子量分别约为7k D a 和1 4k D a 。N i s i n 是 由3 4 个氨基酸残基组成，分子末端有氨基和羧基。 N i s i n 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。此外，N i s i n 易被 人体消化道中的一些蛋白酶( 如胰蛋白酶) 所降解， 不会在人体内蓄积而引起不良反应其本身具有热稳 定陛，耐酸、耐低温贮藏；对食品的色、香、味、口 感等无不良影响；使用N i s i n 的同时，可以降低食品 的杀菌温度，减少热处理时间，从而保持了食品原有 的营养和风味。 在熏肉、火腿、香肠等肉制品的加工过程中添加 一定剂量的N i s i n 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。 在鲜奶中添i J l 5 0 m g k g 的N i s i n ，灭菌时间为3m i n ， 无菌罐装，贮藏温度4o c ，鲜奶的保质期最长，而且 感官质量优良。在没有温度调节条件下贮存软形干酪 时，添J J I N i s i n 可以抑制厌氧性细菌的生长，延长产 品的贮存时间。在巴氏灭菌精制乳酪糊状食品时，添 加N i s i n 可以有效地抑制A 、B 型肉毒杆菌菌株的生 长及毒素的产生。 目前，N i s i n 的应用范围在不断扩大，如肉制品、 海鲜制品、罐头及饮料。研究人员也正在开发其在医 学、造纸及食品活性包装等领域的应用，并已取得很 大进展。 专别 贾士儒，等：天然生物食品防腐剂的研究进展1 3 2 3 纳他霉素 中的新型应用，能够证明噬菌体制剂在控制食物携带 纳他霉素( N a t a m y c i n ) 是一种多烯烃，其分子病原菌方面的价值是无法估量的。 是一种具有活性的环状四烯化合物，含3 个以上的结尽管噬菌体发现已经有近百年的历史，有关噬菌 晶水，其外观白色( 或奶油色) ，为无色、无味的结体的生产技术发展还处于停滞状态。长期以来，噬菌 晶粉末，分子式c ，H 。，N O 分子量为6 6 5 7 3D a 。体的研究主要集中在分子生物学基础研究方面，应用 在大多数食品产品的p H 范围内，N a t a m y c i n 是非常研究进展缓慢，只在前苏联和东欧一些国家保持了一 稳定的。定水平噬菌体治疗部分感染性疾病。因此，噬菌体的 N a t a m y c i n 作为一种高效、无毒、安全、无副作生产工艺和手段还很落后。 用的天然食品防腐保鲜剂，1 9 7 2 年，美国F D A 建议 2 5 纳豆 其作为食品添加剂使用的抗生素，还被归类为G R A S纳豆( N a t t o ) 的抗菌作用早已为人们了解，第 产品之列，可以用浸润，喷雾，以及和安全合适的消二次世界大战期间，人们用纳豆来预防和治疗霍乱、 结块剂混合使用。根据我国( ( 食品添加剂使用卫生标伤寒和痢疾。O z a w aK 等人研究证实了纳豆菌对 准) ) ( G B 2 7 6 0 ) 规定，食物中最大残留量是1 0 m g k g ，白假丝酵母具有抑制作用。O s a w aR 等研究发现 而纳他霉素在实际应用中的使用量为1 0 - 6 数量级。纳豆菌产生的枯草杆菌蛋白酶可降解金黄色葡萄球菌 N a t a m y c i n 可以应用于乳酪制品、酸奶、肉制品、肠毒素A ( S E A ) 。而且，该酶对其它的金黄色葡萄球 果汁、酱油、焙烤类等食品中。在乳制品中，添加 菌肠毒素亦有作用。1 9 9 6 年日本发生的O - 1 5 7 大肠 N a t a m y c i n 可以高效低成本地抑制真菌，延长酸奶货杆菌中毒事件中，人们发现纳豆菌分泌的一些代谢产 架期，保证产品质量。在果蔬及其制品中，由于霉菌物能对一些重要肠道致病菌起杀灭或抑制作用。将纳 和酵母是导致果蔬汁变质的主要菌类，因此添加豆加入O - 1 5 7 大肠杆菌4 天后，大肠杆菌全部被抑制 N a t a m y c i n 可以有效防止因真菌引起的变质。在肉类而死亡。藤田昭二等采用纳豆菌防治仔猪腹泻取得了 食品加工中，可采用N a t a m y c i n 浸泡或喷涂肉类食 良好效果。 品来达到防止霉菌生长的目的。在焙烤食品中，添加国内对纳豆菌的抗菌作用的研究的报道较少。天 N a t a m y c i n 可延长其成品的货架期( 如：月饼) ；也津科技大学的陈野等人将纳豆菌接种于大豆的豆渣， 可防止霉变( 如酱油和食醋) 。在酱油和食醋等调味在豆渣的发酵过程中添加一定的碳源，使其完全发 品中使用2 5 - 5m g k g 的N a t a m y - c i n ，可防止酵，可以获得具有抑菌性的产物。通过抑菌实验可 霉菌和酵母菌引起的变质。在啤酒和葡萄酒中，2 5知，豆渣发酵产物具有一定的抑菌效果。钟青萍等还 m g k g 的N a t a m y c i n 可使保质期大大延长。此外，研究了纳豆菌抗菌蛋白的抗菌作用方式以及稳定性， N a t a m y c i n 还可应用于青贮饲料的防腐以及真菌引起 并将其运用于食品防腐中。由于纳豆菌能够分泌的多 的疾病治疗等。种抗菌物质，它们的作用模式是协同还是其它或单独 2 4 噬茵体成分，其机理的研究还有待进一步深入。另外，纳豆 简单地说，噬菌体是感染细菌的病毒，英文为菌发酵液中存在着一种特殊的味道，不易被大家所接 b a c t e r i o p h a g e ，简写成p h a g e 。与所有病毒一样，噬 受，如何去除这种异味而又不影响它的抗菌活性，也 菌体为严格细胞内寄生，感染细菌并且在细菌细胞内是需要解决问题。 繁殖，通过控制宿主细菌的各种生物合成途径来完成。 2 6 虹曲 噬菌体制剂作为一种天然防腐剂越来越受到人们红曲( R e dK o j i c ) 是红曲霉在蒸熟的稻米上生 的广泛关注，它是一种安全并且对食品风味、颜色以长发酵而形成的红色米粒。由于颜色鲜红宛如朱砂， 及其它物理性质没有影响的天然产品。传统上，噬菌亦称丹曲。红曲霉能在1 5 4 5 。C 下生长，最适温度为 体在食品工业中具有很差的形象。这是因为许多食品 3 2 - 3 5 ，最适p H 值为3 5 5 0 ，有良好的耐酸和耐 工业依赖微生物的发酵来进行生产，生产过程中比较乙醇能力。能利用淀粉、糊精、麦芽糖、蜜二糖、纤 容易发生噬菌体感染现象。但对于广大消费者来说， 维二糖、葡萄糖、甘油、乙醇、乳酸、苹果酸、柠檬 他们在日常生活中，早就接触了各种噬菌体，不存在酸、等多种糖类和酸类作为碳源，能利用硝基氮、氨 安全方面的风险。并且，噬菌体( 弯曲杆菌噬菌体、基氮和有机氮，而以有机氮为最好氮源。红曲霉能自 大肠杆菌噬菌体、李斯特氏菌噬菌体等) 在食品工业身合成生物素、硫胺素、核黄素、麦角固醇等多种维 1 4 稼塑助剂与干爆防腐杀菌剂 专翻 生素。红曲霉可代谢生成多种酶类，包括葡萄糖淀粉 酶、葡萄糖苷酶、蛋白水解酶、酯化酶等。 红曲中的抑菌物质包括红曲色素、M o n a s c i d i n A 、桔霉素、A n k a l a c t o n e 、几丁质酶、糖肽类物质。 红曲发酵液对枯草杆菌、金黄色葡萄球菌、荧光假单 胞杆菌有较强的抑菌作用，对绿脓杆菌、大肠杆菌、 变形杆菌也有一定的抑制作用，对酵母、革兰氏阴性 菌、黑曲霉、青霉、黄曲霉没有抑制作用，但能强烈 抑制黑曲霉的分生孢子的形成。不论是古代文献的记 载还是现代的研究都表明红曲确实具有防止食物腐败 的作用，已经发现相关物质多种，应进一步研究争取 早日工业化。 3 生物防腐剂存在的问题及发展前景 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。其中，微生物来源的生物防腐剂最有发展前 途。目前，我国批准使用的天然微生物防腐剂只有纳 他霉素和乳链球菌素等少数几种，品种单一，因此应 加快发展微生物防腐剂的研究与开发以促进我国食品 工业的健康发展。 从生物技术角度考虑，可以重点发展以下四个 方面： ( 1 ) 新型生物防腐剂、安全评价关键技术研发 以建立高效生物防腐剂、安全评价技术平台为重 点，建立健全基于代谢组学、蛋白组学及基因组学的 高通量生物防腐剂、安全评价平台技术体系，开发安 全、新型生物防腐剂，扩大丰富其种类，提高安全陛。 ( 2 ) 生物防腐剂新型分析检测方法及标准的建立 以实现生物防腐剂快速、准确的检测分析为重 点，利用基于生物芯片、免疫反应等新技术的食品添 加剂快速检测方法，建立、健全标准体系，完善反应 灵敏的生物防腐剂生产、销售监管技术保障体系。 ( 3 ) 生物防腐剂清洁生产关键技术的研究 以零排放为目标，研究利