食品保鲜技术

国内外最新食品保鲜技术的研究进展 微生物专业姜金融学号0214537 一 为什么要进行食品保鲜 二 食品保鲜技术 1 1食品的化学成分 1 2食品贮存中的质量变化 1 3食品保鲜的影响因素 2 1化学保鲜技术 2 2物理保鲜技术 2 3生物保鲜技术 1 1食品的化学成分 食品的化学成分是极其复杂的 主要的有蛋白质 脂肪 碳水化合物 水分 矿物质 维生素 色素及一些酶类等 1 1 1 水分食品中的水分包括结合水 自由水和毛细管水 从食品理化性质上讲 水在食品中起着溶解 分散蛋白质 沉淀等不溶性成分的作用 使它们形成溶液或凝胶 从食品质地方面讲 水对食品的鲜度 硬度 流动性 呈味 耐贮性和加工适应性都有重要的影响 从食品安全角度讲 水是微生物繁殖的必须条件 从食品工艺角度讲 水起着膨润 浸透 均化等功能 1 1 2 碳水化合物 碳水化合物是多羟基的醛类和多羟基的酮类及其缩合物和某些衍生物的总称 从工艺角度讲 碳水化合物赋予饼干 面包等食品香甜味 增加饮料等食品体系的粘稠性 改善食品体系的稳定性 香味和色泽 从生物化学角度讲 碳水化合物作为人类活动的能源物质 构成机体或食品体系 转化蛋白质和脂类扥生命必须物质 1 1 3蛋白质蛋白质与食品成分的相互作用 蛋白质与水的相互作用 凝胶形成 面团形成 乳化性质 起泡性质 风味结合作用 蛋白质在加工贮藏中的变化 蛋白质的变性 1 1 4脂类油脂具有构成机体 调节生命过程 提供必需脂肪酸和热能 运输脂溶性维生素 提供滑润的口感 光润的外观 塑性脂肪还具有造型功能 赋予食品特殊的风味等功能 油脂在加工贮藏中易发生水解 异构化 热反应 辐照裂解和氧化等过程 1 1 5色素色素是食品中呈现各种颜色的物质 1 1 6维生素维生素在食品中作为辅酶 抗氧化剂和遗传调节因子 还呈现出某些特殊的功能 如视觉功能和血管脆性功能 1 1 7矿物质矿物质是食品中存在的除了碳 氢 氧 氮外的元素 1 2食品贮存中的质量变化 1 2 1生理生化和生物化学变化呼吸作用 后熟作用 萌芽与抽苔 蒸腾与发汗 僵直 软化 1 2 2由微生物引起的变化腐败 霉变 发酵 1 2 3颜色的变化动物色素的变色 植物色素的变色 褐变 1 2 4食品贮存中的脂肪氧化酸败 在加工和贮存过程中 食品的化学成分会发生变化 因此 研究了食品化学成分及其变化可以更有利于我们采取不同的措施来进行食品的保鲜与贮存 1 3食品保鲜的影响因素 1 3 1内因食品的抗病能力 食品组织结构 化学成分和生物学特性 食品加工与处理 通过改变食品的组成 结构 状态或环境条件 使食品中的微生物和酶受到抑制 食品的包装 防潮包装 脱氧 充氮或真空包装 气调包装 热封包装 1 3 2外因环境温度 化学变化和酶促变化及微生物的生长繁殖 相对湿度 影响水分含量和水分活度 气体成分 适当的氧气分压可以减轻化学成分的损失 可以维持所需的呼吸作用 可以控制微生物的生长和繁殖 二 食品保鲜技术 目前 食品保鲜领域采用的保鲜手段主要有物理 化学和生物三大类 每一类衍生的新技术很多 各自根据不同的保鲜原理 保鲜原理 控制其衰老进程 一般通过呼吸作用的控制来实现 控制微生物 主要通过腐败菌的控制来实现 控制内部水分蒸发 主要通过环境相对湿度的控制和细胞间水分的结构化来实现 2 1化学保鲜技术 2 2物理保鲜技术 2 3生物保鲜技术 2 1化学保鲜技术 化学方法当前在国内外应用比较广泛 主要是利用一些化学性质用作化学保鲜剂进行果蔬的保鲜 化学保鲜方法的作用明显 且效果显著 但作用的同时会产生潜在的危害和污染问题 因此 在化学保鲜剂的选择方而需要慎重考虑 2 1 1可食用膜保鲜 2 1 2纳米保鲜技术 2 1 3细胞间水结构化气调保鲜 2 1 1可食用膜保鲜 可食用膜保鲜指通过包裹 浸渍 涂布 喷洒等形式覆盖于食品表面 或内部 的一层由可食性物质组成的薄层 提供选择性的阻气 阻湿 阻内容物散失及隔阻外界环境的有害影响 抑制呼吸 延缓后熟衰老 抑制表面微生物的生长 提高贮藏质量等多种功能 从而达到食品保鲜的目的 特点 可食性保鲜膜具有保鲜效果好 使用方便 实用性好等特点 且制作工艺简单 成本低 易降解 对环境不产生污染 是一种极具开发潜力的食品包装材料 目前 广泛应用于食品保鲜的涂膜材料有糖类 蛋白质 多糖类蔗糖脂 聚乙烯醇 单甘脂以及多糖 蛋白质和脂类组成的复合膜 美国一项专利技术 6162475 中介绍把平均相对分子质量为2000 80000的乙酸聚乙烯溶解在低相对分子质量的酒精溶液中 可以作为果蔬的可食性涂膜剂 能够有效地阻比氧气和其它一些气体 可用于苹果 柑橘 桃子 芒果 李子的保鲜 英国科学家研制成一种由蔗糖 淀粉 脂肪酸的聚醋物制成的可食涂膜保鲜剂 采用喷涂或浸渍方法涂于苹果 柑橘 葡萄 番茄等果蔬表面 可以延长这些水果的贮藏期 在国内 申景博等用壳聚糖 淀粉 聚乙烯醇为原料 制备了壳聚糖一淀粉一聚乙烯醇复合膜 并对薄膜的抗拉强度 断裂伸长率和气体阻隔性进行了测试 实验表明 加入聚乙烯醇后 复合膜的抗拉强度和断裂伸长率都得到很大的改善 二者分别达到62MPa和118 杜易阳等研究了壳聚糖一淀粉可食性降解膜 试验的结果表明 当甘油含量为0 4 时 壳聚糖和淀粉的质量比为4 1时 复合膜的综合性能最好 可食性抗菌膜是可食性膜在抑菌领域的发展趋势 是指在可食性膜中添加抗菌剂 制成的具有抗菌 保鲜作用的一种功能薄膜 在膜基质中直接添加挥发或非挥发抗菌成分 在可食性膜表而喷涂抗菌剂 以离子键或共价键形式在膜材料中固定抗菌剂 采用天然的本身具有抗菌性的成膜材料如壳聚糖等 Appendini等提出使可食膜具有抗菌活性的方式有4种 抗菌剂的种类 有机抗菌剂 主要包括醇类 酚类 有机金属类 季胺盐类等 无机抗菌剂 无机抗菌剂分为两大类 一类是无机化合物中含有抗菌性离子 如银 铜 锌等 另一类是光催化类抗菌剂 如TiOz ZnO等 天然抗菌剂 天然抗菌剂是一类直接从动植物中提取的抗菌剂 如 壳聚糖 薄荷等 细菌素 细菌素是细菌代谢过程中产生的的抑菌物质 一般是多肽或蛋白质 如乳酸链球菌素 Nisin 等 在国内 杜会云等用壳聚糖 溶菌酶 牛至油和大豆分离蛋白做成大豆分离蛋白膜 并研究了此复合膜对大肠杆菌 金黄色葡萄球菌 酿酒酵母和黑曲霉的抑菌效果 结果表明 在大豆分离蛋白膜中加入壳聚糖 溶菌酶 牛至油三种抗菌剂后 该膜对大肠杆菌 金黄色葡萄球菌 酿酒酵母 黑曲霉都有一定程度的抑制作用 李江林等用可溶性淀粉 CMC Na 单甘醋制成可食性降解膜 并用此可食性降解膜和石榴皮 Nisin复配 对黑椒烟熏牛肉保鲜效果进行研究 结果表明 复合膜对黑椒烟熏牛肉品质影响最大 当石榴皮提取液含量为1 Nisin含量0 04 浸渍时间2min 复合膜复配达到最佳效果 分别在25 和0 4 用复配膜保鲜黑椒烟熏牛肉 结果发现黑椒烟熏牛肉的贮藏期分别达到8天和30天 植物精油在可食性抗菌膜中的应用 目前国内外大量研究己证实很多植物精油对细菌 酵母菌等均有抗菌作用 常用的抑菌效果比较好的精油主要有百里香 丁香 牛至 肉桂 大茴香 小茴香 辣椒 大蒜等 国内研究较多的是植物精油在以海藻酸钠为成膜基质的膜上的抑菌性 蒋世全等网研究表明 在海藻酸钠质量浓度为20mg mL 甘油的添加质量分数为1 0 肉桂精油的添加质量分数为2 0 干燥温度为50 和干燥时间为4 5h的条件下 所制备的膜具有最佳的力学性能和抑菌性能 国外则对可食性膜基质的研究更广 包括壳聚糖 大豆分离蛋白 雪鱼类蛋白质及乳清蛋白等 Seydim等研究发现牛至 迷迭香 大蒜精油的抗菌活性可在乳清蛋白可食用膜中表达出来 Sanchez Gonzalez将不同浓度的佛手柑 BO 柠檬 LO 和茶树 TTO 精油加入到壳聚糖 CH 膜中 研究发现结合几种精油的壳聚糖膜均表现出对大肠杆菌 金黄色葡萄球菌显著的抗菌活性 2 1 2纳米保鲜技术 纳米保鲜技术纳米材料是指结构中至少有一个相在一个维度上呈纳米级 约1 100nm 大小的材料 粒径在101 109nm范围的粒子称为准纳米粒子 纳米银作为无机抗菌剂既具有纳米材料独特的性能又具有银特有的抗菌 催化等特性 纳米氧化锌是继纳米银之后出现的新型抑菌剂 以其优异的抗菌性能成为开发研究的热点 纳米ZnO对于很多微生物的生长都有抑制作用 AryouEmamifar 2011 研究了含有纳米银和纳米氧化锌的LDPE膜纳米包装材料对接种在橙汁中的植物乳杆菌的抑菌效果 结果表明 使用这种纳米复合包装材料 微生物的生长率显著减少 2 1 3细胞间水结构化气调保鲜 结构化水技术是指利用一些非极性分子 如 某些惰性气体 在一定的温度和压力条件下 与游离水结合而形成笼形水合物结构的技术 作用机理 通过结构化水技术可使果蔬组织细胞间水分参与形成结构化水 使整个体系中的溶液粘度升高 从而产生两个效应 酶促反应速率将会减慢 可望实现对有机体生理活动的控制 果蔬水分蒸发过程受抑制 东京大学学者在用氙气制备甘蓝 花卉的结构化水 以及对其保鲜工艺进行了探索 获得了较为满意的保鲜效果 但使用高纯度氛气成本太高 研究者往往通过惰性气体的混合加压来另寻其保鲜机理 以降低其成本 2 2物理保鲜技术 物理方法分为以下两种 以微生物为对象的杀菌方法 如超高压 辐照 热处理 超声波等 以环境条件为对象的调控方法 如控制温度方而的冰温贮藏和变温贮藏 控制气体成分的人工气调贮藏和自发气调贮藏 以及控制湿度的窖藏和聚乙烯薄膜等 高阻湿材料的包装贮藏等 其目的是保持果蔬采后的最佳品质 2 2 1超高压保鲜包装技术 2 2 2辐射食品保鲜技术 2 2 3高静压技术保鲜 2 2 4超声波处理保鲜技术 2 2 1超高压保鲜包装技术 超高压技术 UHPP 是一种新型的非热加工技术 它主要通过破坏微生物的细胞壁 细胞膜及细胞间隙的结构 使蛋白质等成分发生变性 使酶活性降低来达到杀菌的目的 从超高压技术可应用于水产品工业 肉制品工业及果蔬 制品工业等方面 特点 超高压杀菌技术是食品加工领域中一种新兴的冷杀菌技术 与传统的热处理相比 超高压杀菌技术可以有效地钝化食品中内源酶的活性 杀灭食品中的有害微生物 最大程度地保持食品原有的色 香 味 保护食品原有的营养价值和食用品质 肖华志等将生鲜猪肉及其被大肠杆菌金黄色葡萄球菌和枯草芽抱杆菌人工污染的样品 在600MPa的高压下处理5 10 15 20min 并对其杀菌效果进行研究发现 随着压力保持时间的延长 微生物的存活率逐渐降低 其中以在600MPa压力下保持20min的杀菌效果最好 Estaca等发现在20 对沙丁鱼施加300MP 高压并保持15min 肠杆菌科微生物菌落数明显下降 15d后对肠杆菌科微生物进行检测 其菌落总数仍能达到商业无菌的要求 2 2 2辐射食品保鲜技术 辐射食品保鲜技术 是利用射线辐照食品的方法 可起到抑制发芽 杀虫灭菌 调节熟度 保持食品鲜度和卫生的作用 从而延长货架期和贮存期 达到减少食品损失的目的 特点 一是被处理的食品几乎不增高温度 是一种 冷 灭菌方法 因此能保持食品原有的感官品质 不改变其营养成分 二是处理的成本低 人力和能源消耗低 三是处理后的食品安全可靠 新鲜果蔬的辐射处理选用相对低的剂量 一般小于3kGy 否则容易使果蔬变软并损失大量的营养成分 草莓是低剂量辐射预处理保鲜中有代表性的例子 草莓以2 0 2 5kGy剂量辐射处理 可以抑制腐败 延长货架期 并且保持原有的质地和风味 水果种类不同 其所采用的辐照剂量有所差异 近几年研究发现 辐射处理还可以防止部分鲜切果蔬褐变 Zhang和Lu等人通过 射线辐射处理鲜切莴苣 发现辐照不仅降低了产品中微生物的数量 同时还极大地抑制了其PPO活性 在研究鲜切芹菜时 还发现辐射处理有效地保持了产品的感官品质 2 2 3高静压技术保鲜 高静压技术 highhydrostaticpressure HHP 是指将食品原料包装后密封于超高压容器中 在静高压 常用的压力范围是100 1000MPa 和一定的温度下加工一段时间 引起食品成分非共价键破坏或形成 使食品中的酶 蛋白质 淀粉等生物高分子物质分别失活 变性和糊化 并杀死食品中的微生物 从而达到保鲜的目的 那宇等研究了超高压杀菌在软包装榨菜中的应用 结果表明在300MPa的压力下保持20min 能有效地防止胀袋 HHP常与其他栅栏因子联合使用来增强其杀菌效果 例如将150MPa的HHP与0 75mg mL的芸香草精油联合使用 杀菌效果与350MPa的HHP相近 但是HHP无法抑制果蔬内的褐变酶类的活性 因此采用HHP杀菌时 还应与低温贮藏或气调包装等栅栏因子相结合来控制鲜切果蔬的褐变 2 2 4超声波处理保鲜技术 超声波处理保鲜技术主要是利用低频高能量的超声波空穴效应在液体中产生瞬间高温 高压造成温度和压力的变化 而使某些细菌致死 病毒失活 超声波杀菌温度基本不上升 营养损失减少 有利于保持品质 高翔等人采用超声波气泡清洗鲜切西洋芹时 发现用此方法可明显抑制产品的呼吸作用 去除80 微生物菌落 并使PPO活性一直处于较低水平 且对VC无明显的破坏作用 感官品质良好 Seymour等人发现采用超声波与氯水联合使用可减少鲜切莴苣上的鼠伤寒沙门氏菌数量 且效果显著 2 3生物保鲜技术 生物方法相对来说应用较少 是一种正在兴起的保鲜方法 具有贮藏环境小 贮藏条件易控制 费用低 污染小等优点 生物保鲜技术的一般机理为隔离食品与空气的接触 延缓氧化作用 或者是生物保鲜剂本身具有良好的抑菌作用 从而达到保鲜防腐的效果 2 3 1利用微生物及其代谢物保鲜 2 3 2生物源保鲜剂 2 3 3基因工程技术保鲜 2 3 1利用微生物及其代谢物保鲜 2 3 1 1利用微生物拮抗菌保鲜 拮抗菌是一类从食品中分离得到能够与病原菌互相抵制 互相排斥 甚至互相残杀的微生物种群 拮抗菌可以产生抗生素 溶菌酶 细菌素 蛋白酶 过氧化氢和有机酸等生物活性物质 这些产物都具有很好的抗菌效果 故利用具有拮抗作用的微生物可以抑制或杀死食品中其他微生物的生长 从而达到防腐保鲜的目的 Ippolito等研究发现 黑酵母菌可作为一种生物保鲜剂控制苹果采后病原菌灰葡萄孢和扩展青霉 同时其还可降低葡萄糖酶和过氧化酶的活性 延缓果实衰老 Patricia等采用Hyicin3682葡萄球菌素去抑制不同来源的21株细菌株 结果表明 Hyicin3682葡萄球菌素几乎可以抑制所有待测菌株 包括蜡样芽胞杆菌 单增性李斯特菌和金黄色葡萄球菌等 说明Hyicin3682葡萄球菌素可作为生物保鲜剂在食品防腐领域具有较好的应用潜力 2 3 1 2利用菌体次级代谢产物保鲜 微生物能够产生多种次级代谢产物 包括抗生素 激素 生物碱 毒素和维生素等 其中很多物质具有抑菌 抗氧化等功能 可应用于食品保鲜 通过微生物发酵获得次级代谢产物具有生产周期短 不受季节 地域和病虫害条件的限制等特点 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 杨胜远等对芒果病原菌的拮抗微生物芽胞杆菌Bacillussp X 98 2产抑菌活性物质的发酵条件及其对芒果保鲜作用进行了研究 结果表明 其发酵液对芒果炭疽病原菌和蒂腐病原菌都有抑制作用 可防比芒果果柄脱落 延缓果皮转黄 抑制新陈代谢 降低呼吸强度和延长保存期 Rosalia等研究发现从新鲜果蔬中分离得到乳酸菌可以抑制多种食源性病菌 比如大肠杆菌 绿脓杆菌以及金黄色葡萄球菌 结果表明 经过乳酸菌处理的苹果能有效地降低被沙门氏菌和大肠杆菌感染的几率 同时单核增生李斯特菌被完全抑制 因此 乳酸菌可作为一种有效控制食源性病菌的生物保鲜剂 应用于鲜食水果和蔬菜产品 2 3 1 3利用抗菌肽保鲜 抗菌肽是由多种生物细胞特定基因编码经外界条件诱导产生的一类具有广谱抗细菌 真菌 病毒 原虫 抑杀肿瘤细胞等活性作用的多肽 尤其对部分真菌具有极强的杀伤力 乳酸链球菌素 亦称乳链菌肽 nisin 是一种天然生物活性抗菌肽 利用生物技术提取的一种纯天然 高效 安全的多肽活性物质 杨霞等用不同浓度的nisin溶液结合柠檬酸在低温下对鲜莲藕片进行处理 结果表明 用0 5 柠檬酸和250mg kgnisin混合保鲜液对鲜莲藕片进行处理 保鲜效果良好 2 3 2生物源保鲜剂 生物源保鲜剂是利用天然提取物中的活性物质来抑制食品表面微生物的活性以及食品中酶的活力 从而降低果蔬的生理活动强度 近年来 对生物类食品保鲜剂的研究表明 这类食品保鲜剂具有良好的抗菌性 稳定性 安全性和高效性等特点 因此 生物类食品保鲜剂必将成为未来食品保鲜的发展方向 生物源保鲜剂的种类 微生物源食品保鲜剂植物源食品保鲜剂动物源食品保鲜剂 2 3 2 1微生物源食品保鲜剂 微生物菌体 微生物菌体可直接用于食品的保鲜 如利用嫌气性蜡样芽孢杆菌的菌体粉末对绿茶进行生物保鲜 微生物代谢物 某些微生物的代谢产物也可对食品起到保鲜作用 乳酸菌代谢产物如乳酸 双乙酰 脂肪酸 二氧化碳 过酸化物和Nisin等都有一定的抑菌作用 微生物发酵液 微生物发酵液中含有多种有效抑菌杀菌成分是一种很好的保鲜源材料 赖建研究发现木霉发酵液能有效抑制茄子采后病菌的繁殖 保鲜机理 抑菌作用 微生物通过抑制甚至杀死有害微生物 保护食品免于其危害 从而达到食品防腐保鲜的作用 如乳酸菌的发酵主产物乳酸 能够通过与其他发酵产物 如CO2 双乙酞等 的协同作用达到抗菌的效果 竞争作用 具有保鲜作用的微生物与有害微生物产生竞争 达到抑制有害微生物繁殖的作用 形成生物保护膜 具有保鲜作用的微生物能够在食品表而形成一层生物保护膜 使食品与氧气隔绝 同时防止食品中水分过快蒸发 2 3 2 2植物源食品保鲜剂 精油类 植物精油是从植物中萃取的 其主要化学成分包含芳香族化合物 脂肪族化合物 含氮含硫化合物以及帖烯类化合物 大量研究表明 素馨花香精油中主要成分茉莉酸香脂 MeJA 对番茄 香蕉 甜辣椒等都具有防腐败和保持果实品质的作用 酚类 酚类化合物结构中含苯环并连有羟基 羟基为吸电子基团 能有效延缓氧化作用 如丁香酚能够通过帮助清除自由基而中断自由基链反应 有效地减慢氧化 生物碱类 生物碱具有良好的抗菌防腐作用 郁建平等研究表明 盐酸血根碱 盐酸小聚碱 博落回碱和博落回总碱都具有一定的抗菌功效 袁静等实验证明 苦参生物碱具有一定的抑菌活性 抗毒素类 植物抗毒素是植物在对抗病原菌入侵时由寄主细胞产生的抑制病原菌生长的物质 植物抗毒素的种类与入侵的病原菌种类无关 只取决于寄主植物 异黄酮类化合物是植物抗毒素中最重要的一种 有机酸类 有机酸类化合物在中草药的叶 根 特别是果实中广泛分布 有机酸类保鲜作用显著 王扬等将乳酸 柠檬酸和磷酸按比例复配成复合有机酸对冷鲜肉进行保鲜实验 结果表明其有显著的抑菌效果 保鲜机理 抑菌作用 由于种类多样 各种植物源食品保鲜剂的抑菌机理也有不同 如肉桂醛通过使黄曲霉菌细胞的细胞壁 细胞浆凝固变性 破坏细胞器 从而达到抗黄曲霉的作用 甘薯块根花青素通过与大肠杆菌细胞中的蛋白或酶结合 使之失活变性 抑制了大肠杆菌的生长繁殖 抑制果蔬呼吸作用 植物源食品保鲜剂也能从其他方而对食品保鲜起作用 如采用肉桂精油处理酥梨 可以有效减慢果实呼吸作用 推迟乙烯高峰的出现 对保持果实的品质作用显著 2 3 2 3动物源食品保鲜剂 溶菌酶 溶菌酶又称胞壁质酶或N一乙酞胞壁质聚糖水解酶 普遍存在于人体多种组织 鸟类和家禽的蛋清 哺乳动物的各种体液 由于其有效的杀菌作用及安全性 作为食品添加剂广泛的应用于食品保鲜 蚯蚓提取物 蚯蚓在中药上也称地龙 其体内含有多种药用成分 如溶栓酶 抗氧化酶 抗菌肽 抗肿瘤成分 钙调素和钙结合蛋白 消化酶等等 李文平等曾将蚯蚓提取物的稀释液用于肉品的保鲜 结果表明蚯蚓提取液对4 左右冷藏保存的鲜肉有较好保鲜作用 蜂胶 蜂胶是蜜蜂采集植物树脂 混入自身代谢产物并进一步加工所得的一种有芳