天然食品防腐劑及其在食品中的應(yīng)用研究

呂奎營(yíng)，趙秋香，趙媛媛，張媛媛

(青島科技大學(xué) 化工學(xué)院，山東 青島 266000)

防腐劑是一種可以防止食品腐敗、變質(zhì)，保證食品質(zhì)量和延長(zhǎng)食品保質(zhì)期的重要食品添加劑。隨著生活水平的提高，消費(fèi)者愈來(lái)愈追求營(yíng)養(yǎng)豐富、無(wú)添加劑、綠色安全和保質(zhì)期較長(zhǎng)的食品[1]，由于微生物活動(dòng)和氧化等作用，食品很容易腐敗變質(zhì)[2]；并且若誤食過期或變質(zhì)的食品還可能會(huì)造成食物中毒，因此食品的儲(chǔ)存需要有效的防腐方法。除傳統(tǒng)的冷藏、冷凍、鹽腌、干燥等保鮮方法外，防腐添加劑也能延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。按照防腐劑的組分和來(lái)源可分為化學(xué)類和天然類防腐劑[3]，化學(xué)類防腐劑是將化學(xué)物質(zhì)添加到食品中，但長(zhǎng)時(shí)間研究表明，有些化學(xué)防腐劑具有誘癌性、致畸性、低毒性以及某些潛在的危害；而天然防腐劑由于來(lái)源于自然資源，具有安全、綠色、高效的防腐特性[4]，因而在食品中的應(yīng)用比化學(xué)合成防腐劑更為廣泛，天然防腐劑的重要性也日益增加。目前已開展了天然防腐劑在食品中的應(yīng)用研究，并在不斷探索新型天然防腐劑。本文主要介紹了三類天然防腐劑：植物防腐劑、動(dòng)物防腐劑和微生物防腐劑以及各自功能和在食品中的應(yīng)用。

1 天然食品防腐劑的研究現(xiàn)狀

天然防腐劑是指從植物、動(dòng)物和微生物中或其代謝產(chǎn)物中分離提取出來(lái)的一類具有抗菌防腐作用的功能性物質(zhì)，較化學(xué)防腐劑更安全[5]。在食品行業(yè)中，常通過添加防腐劑以達(dá)到減少損失、提高質(zhì)量、延長(zhǎng)保質(zhì)期的目的。目前常用的防腐劑主要為天然防腐劑和化學(xué)防腐劑，化學(xué)防腐劑主要包括山梨酸鹽、亞硝酸鹽和苯甲酸鹽等，雖然這些防腐劑已使用多年，但人們對(duì)這些防腐劑安全性的擔(dān)憂從未減少，大多數(shù)化學(xué)防腐劑對(duì)人體的健康仍存在某些潛在的危害。Mamur等[6]研究發(fā)現(xiàn)山梨酸鈉對(duì)人外周血淋巴細(xì)胞具有基因毒性；研究人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些防腐劑一起使用時(shí)，會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響。Binstok等[7]報(bào)道稱，由于存在形成誘變化合物的風(fēng)險(xiǎn)，在肉制品中應(yīng)盡量減少山梨酸鹽和亞硝酸鹽的聯(lián)合使用。

在食品保鮮中使用化學(xué)防腐劑可能會(huì)對(duì)人類健康和環(huán)境產(chǎn)生某些危害，而天然防腐劑具有低毒素、無(wú)異味、安全和高效的優(yōu)勢(shì)，不僅對(duì)人體無(wú)害，還具有一定的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[8]，故對(duì)于人類和環(huán)境來(lái)說(shuō)，使用天然防腐劑更加安全。因此，天然食品防腐劑在食品行業(yè)已受到廣泛的關(guān)注，需要進(jìn)一步研究和綜合開發(fā)。

2 天然防腐劑的來(lái)源和應(yīng)用

天然食品防腐劑具有抗菌性強(qiáng)、安全性高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)其來(lái)源可分為植物防腐劑、動(dòng)物防腐劑和微生物防腐劑[9]。由于各種天然防腐劑的來(lái)源不同，其組成和結(jié)構(gòu)特征不同，在食品中的應(yīng)用也不同，以下將分別介紹這3種天然食品防腐劑。

2.1 植物防腐劑

植物防腐劑大多源自于植物提取物，如某些天然草藥和香料以及植物精油等。因其獨(dú)特的風(fēng)味和抑菌防腐作用，長(zhǎng)期以來(lái)植物提取物和植物精油一直被用作食品防腐劑、調(diào)味料和醫(yī)療制劑。

2.1.1 植物提取物

植物提取物通常從植物的根、莖、葉、花、果、樹皮等部位獲得，一些提取物有很強(qiáng)的味道，在高濃度下會(huì)引起感官不適，故要限制其濃度的使用。植物提取物中具有生物活性的植物素，其含量的定性和定量變化都導(dǎo)致其有效性發(fā)生變化，這些植物素還會(huì)影響食物的微生物含量、口感和味道等。由于其特定的植物化學(xué)成分，植物提取物具有一定的抗菌活性，從草藥、香料、蔬菜、水果中獲得的植物提取物對(duì)細(xì)菌、酵母和霉菌都具有抗菌作用。研究表明，植物提取物對(duì)控制食源性致病菌的生長(zhǎng)是非常有效的[10]。Ibrahim等[11]從新鮮番石榴果中提取番石榴過濾汁，并研究該提取物對(duì)大腸桿菌O157:H7和沙門氏菌的影響，發(fā)現(xiàn)這種提取物能顯著抑制其生長(zhǎng)。

植物提取物中含有豐富的天然抗氧化劑，在食品中，抗氧化劑發(fā)揮著重要作用。抗氧化劑是能夠延緩或防止食物因氧化而酸敗的添加劑，能夠延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。植物性抗氧化劑大多表現(xiàn)出類似于丁基羥基茴香醚(BHA)和丁基化羥基甲苯(BHT)的保護(hù)作用，多種蔬菜和水果都可被視為用于強(qiáng)化和穩(wěn)定食品的天然抗氧化劑的重要來(lái)源[12]。科研人員研究了食品中植物提取物的抗氧化作用，發(fā)現(xiàn)番茄和大蒜提取物能延緩在冷凍魚肉和腌制鳳尾魚過程中的脂質(zhì)氧化[13]。Aubourg等[14]研究植物提取物Rosmol-P(RP)對(duì)馬鮫魚在冷凍保存期間穩(wěn)定性的影響發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，特別是在濃度更高的情況下，RP處理的氧化率更低。植物型抗氧化劑如迷迭香，有穩(wěn)定自由基、打破氧化鏈的作用，且迷迭香的抗氧化性是BHT和BHA的4倍。研究發(fā)現(xiàn)，迷迭香提取物對(duì)金頭鯛魚片的脂質(zhì)氧化具有明顯的抑制作用[15]。

2.1.2 精油

精油(EO)是從天然草藥和香料中獲得的具有芳香性和揮發(fā)性的液體，含有大量的次生代謝物，具有延緩或抑制細(xì)菌、酵母和霉菌生長(zhǎng)的作用。精油作為香料或草藥的一部分，早已在食品、醫(yī)學(xué)、香水和化妝品行業(yè)使用幾個(gè)世紀(jì)[16]。在食品工業(yè)中，精油主要用作調(diào)味劑。據(jù)報(bào)道，在根莖、葉、花或芽、鱗莖、種子、果實(shí)或植物其他部位提取的精油中發(fā)現(xiàn)了抗菌化合物[17]。植物精油的化學(xué)成分不僅與植物的生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)，還與植物的種類、植物材料的采集季節(jié)、采集部位，甚至與精油的提取方法等許多因素相關(guān)。草藥精油中抗菌活性最強(qiáng)的時(shí)候是在開花期間或開花后[18]，精油中的一些抗菌化合物是天然存在于植物中的，而另一些則是植物在面臨微生物攻擊或其本身受到傷害時(shí)產(chǎn)生的。由于大多數(shù)精油提取工藝成熟、抗菌效果強(qiáng)、無(wú)毒無(wú)害，故它作為一種天然抗菌劑在食品保鮮中脫穎而出。

2.2 動(dòng)物防腐劑

動(dòng)物防腐劑是指從某些動(dòng)物體內(nèi)或其代謝產(chǎn)物中人工提取的具有防腐作用的生物活性物質(zhì)，按照功能分類主要有：抗菌酶、抗菌肽和抗氧化肽等。

2.2.1 抗菌酶

酶可通過許多不同的機(jī)制發(fā)揮抗菌活性。例如，溶菌酶和其他抗菌酶主要通過催化裂解細(xì)胞表面聚合物或細(xì)胞壁，誘導(dǎo)細(xì)菌分解從而具有抗菌活性；乳過氧化物酶(LPO)和其他過氧化物酶系統(tǒng)則通過催化氧化起抗菌作用，LPO對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌和陰性菌的生長(zhǎng)均有抑制作用。

溶菌酶廣泛用于肉類、肉制品、魚類及其制品、牛奶和乳制品以及水果和蔬菜等食品的保鮮中，可達(dá)到防止食品腐敗變質(zhì)和果實(shí)衰老的效果。溶菌酶對(duì)一定范圍內(nèi)的細(xì)菌和真菌表現(xiàn)出抗菌活性，特別是對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的抗菌作用更強(qiáng)，且溶菌酶和其他防腐劑聯(lián)合使用可以增強(qiáng)其抗菌活性，研究發(fā)現(xiàn)，溶菌酶和乳酸鏈球菌素對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌有協(xié)同作用。

乳過氧化物酶是一種重要的天然抗菌劑，在食品包裝中具有殺菌或抑菌的作用。Mohamed等[19]將乳酸過氧化物酶體系(LPOS)直接加入不同濃度的殼聚糖膜中，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，LPOS組在貯藏期間的腐敗桿菌、熒光桿菌、嗜冷和嗜中性細(xì)菌數(shù)量明顯減少。

2.2.2 抗菌肽和抗氧化肽

抗菌肽(AMPS)是由20～60個(gè)氨基酸殘基組成的寡肽，對(duì)細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和某些病毒具有廣譜抗菌活性，可從植物、昆蟲、甲殼類動(dòng)物和海洋生物等其他生物中分離出來(lái)[20]。動(dòng)物源性抗菌肽主要來(lái)源于哺乳動(dòng)物、兩棲動(dòng)物、魚類等，一些潛在的動(dòng)物源性抗菌藥物有乳鐵蛋白、魚精蛋白和殼聚糖等。乳鐵蛋白有鐵結(jié)合能力和聚陽(yáng)離子性質(zhì)，因而具有抗菌活性，主要存在于牛奶和其他動(dòng)物分泌物中；魚精蛋白是一種陽(yáng)離子抗菌肽，主要是由分子中的多聚精氨酸以及其他少數(shù)幾個(gè)氨基酸以某種結(jié)構(gòu)或形式與細(xì)菌細(xì)胞壁結(jié)合，抑制細(xì)胞壁的形成，從而抑制細(xì)胞的代謝而使細(xì)胞死亡[21]。魚精蛋白多存在于魚類、鳥類和哺乳動(dòng)物的精子細(xì)胞中，目前主要應(yīng)用于牛奶和面包等食品中，對(duì)細(xì)菌和霉菌具有抗菌活性，尤其對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌作用更強(qiáng)；殼聚糖多存在于甲殼動(dòng)物和節(jié)肢動(dòng)物的外骨骼中，對(duì)細(xì)菌、真菌和病毒均具有抗菌活性。

肽的抗氧化活性主要取決于金屬離子和自由基的結(jié)合特性[22-24]，抗氧化肽主要包括蛋白質(zhì)及其水解物、多肽和氨基酸等[25]。蛋白質(zhì)的抗氧化活性是由其結(jié)構(gòu)中的氨基酸和酶解得到的活性肽引起的。Centenaro等[26]將魚和雞的酶解產(chǎn)物添加到牛肉糜中，發(fā)現(xiàn)該酶解產(chǎn)物具有抗氧化作用，能夠防止牛肉的脂質(zhì)氧化，且脂質(zhì)氧化的抑制率分別為93%和80%。

2.3 微生物及其代謝物的防腐劑

細(xì)菌產(chǎn)生的許多化合物都可防止食品中腐敗菌或病原微生物的生長(zhǎng)。食品級(jí)微生物可形成大量物質(zhì)抑制其他微生物的生長(zhǎng)，從而達(dá)到微生物生態(tài)系統(tǒng)自然平衡。微生物中的乳酸菌(LAB)具有抑制微生物生長(zhǎng)的能力，被認(rèn)為是較好的候選菌種。在發(fā)酵食品的生產(chǎn)中，乳酸菌用于提高食品的口感、風(fēng)味和質(zhì)地以及防止致病微生物的生長(zhǎng)，且LAB食用時(shí)無(wú)任何危害。LAB的抗菌成分主要有細(xì)菌素、有機(jī)酸、過氧化氫、二氧化碳和二乙酰；其中，細(xì)菌素是由LAB和其他菌種合成的天然防腐劑或生物防腐劑，對(duì)金黃色葡萄球菌、單核增生李斯特菌、肉毒桿菌等食源性致病菌具有良好的殺菌或抑菌作用，并且對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌也有較好的抗菌活性，細(xì)菌素在較低的pH值下抗菌活性更強(qiáng)。此外，細(xì)菌素可與其他抗菌化合物聯(lián)合使用，以增強(qiáng)對(duì)細(xì)菌的滅活作用。細(xì)菌素可用于生物活性包裝，近年來(lái)，研究人員致力于在食品包裝膜中添加細(xì)菌素，以控制食品病原體的生長(zhǎng)，抗菌包裝膜是通過將包裝材料與食品表面接觸以防止食品表面微生物的生長(zhǎng)[27]。

3 結(jié)論

食品是人從外界攝取營(yíng)養(yǎng)和能量的重要來(lái)源，其安全和衛(wèi)生尤為重要，而防腐劑能夠達(dá)到預(yù)防食品腐敗變質(zhì)、延長(zhǎng)食品保質(zhì)期的效果，因而食品防腐劑在食品的保鮮和儲(chǔ)存中具有極其重要的作用。相比于化學(xué)合成防腐劑具有副作用大、致癌等缺點(diǎn)，天然防腐劑不僅無(wú)毒無(wú)害，能延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期，而且有利于人類身體健康；毫無(wú)疑問，除現(xiàn)有的天然草藥、動(dòng)物或微生物添加劑成分外，還有更多的新型天然食品防腐劑有待于發(fā)現(xiàn)。因此，研究開發(fā)安全可靠、價(jià)格低廉、高效的天然防腐劑是我國(guó)食品科學(xué)發(fā)展的一個(gè)主要研究方向，也是提升食品產(chǎn)業(yè)效益和安全的重要措施。