[科普中国]-生物防腐剂

生物防腐剂的基本概念及特点

生物防腐剂是由微生物代谢产生的抗菌物质，主要是一些有机酸、多肽或前体我肽，其作用机制主要是在细胞膜上形成微孔，导致膜通透性增加和能量产生系统破坏，由于这些物质很容易进入微生物细胞，因而其能很迅速地抑制微生物的生长。

不少微生物在其代谢过程中都能产生抑菌物质，但作为食品防腐剂，必须符合：生物杀菌素本身对人体完全无害；在消化道内降解为食物的正常成分；对食品进行热处理进降解为无害成分；不影响消化道菌群；不影响药用抗菌素的使用。1

来源植物来源食用香辛植物用在食品中原本是用来调味增香作用。近些年的研究表明，这些物质也具有抗菌防腐作用，能够抑制传染性微生物的生长，延长食品的货价期。这些香辛料包括大蒜、生姜、花椒、丁香、肉桂、肉豆蔻、八角、茴香等。如大蒜提取液对几十种食品腐败方面的细菌和真菌有较强的抑制和杀灭作用，蒜素是最主要的功能成分。生姜提取液中的萜类化合物也具有较强的杀菌作用。

微生物来源微生物来源的生物防腐剂是由微生物代谢产生的抗菌物质，主要是一些有机酸、多肽或前体肽。其作用机制主要是在细胞膜上形成微孔，导致细胞膜通透性增加和能量产生系统破坏，从而抑制微生物的生长。目前已被批准并在全球广泛应用的微生物防腐剂有乳酸链球菌肽、曲酸和纳他霉素，这些都是发酵工程的重要产品。

动物来源目前研究报道较多来源动物的生物防腐剂有昆虫抗菌肽、壳聚糖以及鱼精蛋白。23

分类按照防腐剂抗微生物的主要作用性质，可将其大致分为具有杀菌作用的杀菌剂和仅具抑菌作用的抑菌剂。杀菌或抑菌，并无绝对界限，常常不易区分。同一物质，浓度高时可杀菌，而浓度低时只能抑菌，作用时间长可杀菌，作用时间短则只能抑菌。另外，由于各种微生物性质的不同，同一物质对一种微生物具有杀菌作用，而对另一种微生物可能仅有抑菌作用。4

防腐原理一般认为，食品防腐剂对微生物的抑制作用是通过影响细胞亚结构而实现的，这些亚结构包括细胞壁、细胞膜、与代谢有关的酶、蛋白质合成系统及遗传物质。由于每个亚结构对菌体而言都是必须的，因此食品防腐剂只要作用于其中的一个亚结构便能达到杀菌或抑菌的目的。

基本原理在溶液中，弱酸随pH不同在解离和未解离状态间存在动态平衡。在低pH值情况下该类防腐剂有最大抑菌活性，因为此时分子多数处于未电离状态，未电离的有机弱酸分子是亲脂性的，因此可自由透过原生质膜。进入细胞内后，在高pH环境下，分子解离成带电质子和阴离子，不易透过膜而在细胞内蓄积。防腐剂分子不断扩散入细胞直到达到平衡，引起细胞内H+的失控，改变细胞内pH状态及蓄积毒性阴离子，抑制细胞的基础代谢反应，最终达到抑菌目的。

细菌对弱酸的适应性通常是其本身固有的而非诱导产生的。G+菌细胞壁只有肽聚糖层，巨大芽孢杆菌营养细胞的细胞壁可通过30000D的分子，因此，防腐剂极易进入这些细胞内部，即细胞固有的适应性也较弱。G－菌的适应性则较复杂，因为它们具有内外壁，外壁层(脂多糖层)在控制细胞对防腐剂或其他小分子物质的亲和性方面起着很关键的作用。

在很多情况下，细菌也可经诱导产生适应性，如E.coliO157:H7经pH2.0强酸条件处理后诱导其耐酸反应可对苯甲酸产生一定抗性。一些G+菌，如单核细胞增生李斯特菌，在pH5.0温和酸性条件下放置后，可大大增强其在pH3.0时的耐酸性。推测是细胞有一复杂的耐酸防御系统，使其可在低pH值下存活。

真菌也同样会对有机弱酸产生适应性。对酵母的适应性研究表明可能细胞膜上的H+－ATP酶和转移子Pdr12起着重要的作用，它们可分别将细胞内的H+和防腐剂阴离子排出细胞，从而维持细胞正常的新陈代谢。

过氧化物酶在乳中发现乳过氧化物酶系统对细菌和真菌都有较强抗菌作用，许多G+和G－菌可以被乳过氧化物酶系统抑制，G－通常比G+更敏感。该系统在氢过氧化物和硫氰酸盐的存在下可发挥最大活性，过去也将过氧化氢直接加入食品中，但由于对VC破坏太大，现在很少直接用于食品，而多用于包装材料的灭菌。 在合适的条件下，过氧化氢可产生活性单氧，它有极强的生物致死作用。另外，在分子氧的不完全还原过程中产生的超氧化自由基，与过氧化氢和痕量金属离子(如Fe2+)协同作用可产生极具杀伤力的羟基自由基。过氧化氢的抑菌效果与使用浓度、环境pH、温度等有关，例如在室温下杀芽孢能力很弱，而在高温时则很有效。过氧化氢对芽孢的杀伤机制还不明确，对真菌和细菌营养细胞的致死性与细胞DNA损伤有关。

细菌和真菌通过多种途径保护自身免受氢过氧化物伤害。许多细菌依靠过氧化氢酶降低过氧化氢毒性，但过氧化氢向细胞内有很高的扩散速率，少量细胞时，细胞自身的过氧化氢酶没有足够的活性来保护细胞，在细胞浓度较高时，过氧化氢酶阳性细胞则可产生足量的酶来保护大多数细胞免受伤害。细菌芽孢对氢过氧化物的耐受性一般认为是源于芽孢形成过程中合成的α/β酸溶性蛋白的存在，它们可保护休眠状态的DNA免受损伤。

酵母细胞有一整套抗氧化防御系统，包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、细胞色素、过氧化物酶、硫氧还蛋白、谷氨酰胺半胱氨酸合成酶等。用低浓度过氧化氢处理后，酵母的许多应激系统会被激活，可保护细胞耐受以后更高浓度的过氧化氢。

螯合剂食品中常用的螯合剂有：柠檬酸盐、乳酸盐、焦磷酸盐和EDTA等，其防腐作用主要是通过与其它防腐剂协同作用而实现的。对于G－菌，螯合剂起G－外膜渗透剂的作用，EDTA可从G－部分除去含脂多糖的外壁层，还能帮助溶解类脂化合物，特别是脂肪酸，从而增加了其对化学防腐剂的敏感性。对G+菌的抑制作用则主要是由于和金属离子结合。当溶液pH下降时EDTA螯合重金属离子的能力下降，抑菌活性也随之下降。柠檬酸盐由于其Ca螯合活性可抑制分解蛋白质的C.botulinum的生长。对于真菌，EDTA通过螯合Zn可抑制酵母的生长，推测是阻碍了正常细胞壁的合成。

其他小分子有机物许多小分子有机物有很好的防腐作用，如肉桂酸、对羟基苯甲酸酯等。实际上，有许多抗菌成分是在植物中天然存在的，牛至、丁香、荔枝等中都可提取到有抗菌作用的物质，包括香草酚、阿魏酸、对烯丙基茴香醚、愈创木酚等。这些成分一般为疏水物质，能使细胞膜功能紊乱甚至使细胞膜破裂，最终导致微生物死亡。对苯甲酸、肉桂酸和苯甲醛等定量结构活性相关的研究中发现，由反相HPLC测的亲脂性参数与它们抗单核细胞增生李斯特菌性能有显著关系。Helander等测试香芹酚、麝香草酚、贡蒿萜酮和肉桂醛等对E.coliO157:H7的效果，他们指出麝香草酚和贡蒿萜酮降低E.Coli胞内ATP含量，而同时胞外ATP增加，这可能暗示细胞膜成分已被破坏。 由于许多化合物带浓烈的风味，使其在食品中的应用受到限制，例如洋葱和大蒜中的异硫氰酸酯有较强抗菌作用，其衍生物烯丙基异硫氰酸酯和甲基异硫氰酸酯早已作为杀虫剂在农业上使用了，在食品中则由于其风味问题而妨碍了其应用。对异硫氰酸酯，推测其抗菌活性与通过氧化裂解二硫键钝化细胞外酶有关，而且反应性硫氰酸盐自由基可增加抗菌活性。

关于微生物对这些抗菌成分产生适应性的机制还不很明确，可能是在微生物中存在抗药性泵可以排除进入微生物的防腐物质而保护微生物免受抑制。在G－菌中已知多药抗性蛋白指令系统包括中性化合物泵(EmrAB)及双亲性阴阳离子泵(AcrAB)，在G+金黄色葡萄球菌中NorA多适应性泵负责排出合成的两性分子的阳离子化合物如溴乙啡啶及植物来源的抗生素如黄连素和非洲防己碱。

肽类防腐剂大多数天然抗菌肽的抑菌作用是由于干扰细胞膜功能，如ceropin和nisin等能在细菌细胞膜上形成电势依赖通道，导致细胞内小分子溢流而使细胞死亡，这些肽的离子通道形成能力是抑制微生物的重要原因。

有的抗菌肽作用的靶结构则为细胞壁。微生物细胞壁对维持微生物细胞生存是特有的和重要的结构，这些结构不出现在人体中，因此是引起微生物失活最理想的目标。从细胞外降解细菌细胞壁的酶，如溶菌酶，已被用作食品防腐剂。溶菌酶水解N－乙酰胞壁酸和N－乙酰葡萄糖胺之间的β－1，4糖苷键，对G+的抗菌活性最强，因为这些细菌细胞壁只有肽聚糖层，容易被水解。 鱼精蛋白的作用机制则是抑制线粒体电子传递系统的一些特定成分，抑制一些与细胞膜有关的新陈代谢过程。它可能是定位在膜表面，与膜中那些涉及营养运输或生物合成系统的蛋白质作用，使这些蛋白质功能受损，从而抑制细胞的新陈代谢而使细胞死亡。 微生物同样会对抗菌肽产生适应性，最主要的原因可能是微生物分泌蛋白酶。推测杆菌对nisin的适应性至少部分是由于其分泌一种可降解nisin的酶，最近又有研究表明细胞质外蛋白酶OmpT是E.coli对鱼精蛋白有适应性的关键。另一个适应性产生原因可能是防止微生物细胞吸收抗菌肽，Dielbandhoseing等认为焙烤酵母的细胞壁蛋白cwp1和cwp2参与酿酒酵母对nisin和合成两亲抗菌肽的适应性。

此外，在与有膜活性抗菌肽的长期接触中，细胞可能改变其膜组成，因为不同膜磷脂组成会导致抗菌肽与细胞膜的亲和性不同，从而使微生物对药物的敏感性发生变化。Verheul等研究发现对nisin有抗性的单核细胞增生李斯特菌菌株ScottA相对于nisin敏感株有不同的膜磷脂组成，nisin抗性菌株膜中两性离子磷脂酰乙醇胺有显著增加，而阴离子二磷酸甘油和心磷脂的含量则降低。

对于作用于细胞壁的抗菌物质，微生物同样也会产生一系列应激反应。经过研究酵母细胞如何处理外界酶或其它环境因素(温度、pH、水分活度)对细胞壁的破坏作用，发现酵母细胞可激活一系列酶反应，以检测细胞壁受到的破坏并将之传输到细胞核，最后增加几丁质合成，促进β－1，3葡聚糖聚合酶(FKS2)的表达，并促进细胞壁蛋白质的合成(如cwplp)。Kapteyn等详述了酿酒酵母的这一系列的应激反应，认为WSC家族的细胞膜定位感受器蛋白质参与激活了该应激反应途径，WSC蛋白本身是应激传感器或只是在信号传输过程中起作用，这个还需要进一步的研究，已知的是如果使WSC蛋白质的胞外部分和参与细胞壁组分构建的酶失活，将会大大增强防腐剂的作用效果。

结语综上所述，各种防腐剂对微生物有不同的作用机制，分别影响不同的细胞亚结构，但同时微生物本身也会对防腐剂产生一系列应激反应而产生适应性。通常，几种防腐剂协同作用可产生最佳抑菌效果，例如对G－菌，联合应用溶菌酶水解细胞壁、nisin干扰细胞膜以及螯合剂EDTA是很有效的。因此更深入地了解防腐剂在微生物体内的作用机理及微生物的应激反应可帮助我们更有效、更合理地使用防腐剂。虽然在这方面已进行了许多研究，但仍然还有许多未阐明的地方，包括微生物是否死亡、残存、适应环境或生长以及它们机体内发生了什么生理分子反应机制而导致了这些现象。例如，应激反应过程涉及到哪些信号传导系统和那些应激蛋白，这些系统是如何联系的，每个系统包含多少细胞能量。宏观的生物能学参数(生长速率、产量)、微观生物能学参数(培养基利用率、ATP水平、ATP/ADP比率、细胞内氧化还原平衡)及分子在应激反应中的反应仍是刚兴起的研究课题。如果能积累更多的数据，用数学模型来描述微生物生长和死亡，则会比现在食品工业中实际应用的经验性知识更为科学、准确，对防腐剂的开发和应用也将有更为科学的指导。5

ε-多聚赖氨酸ε-多聚赖氨酸是目前天然防腐剂中具有优良防腐性能和巨大商业潜力的微生物类食品防腐剂。它是日本酒井平一和岛昭二两位博士在大量筛选有价值的放线菌时发现的一种新型聚合物，用由25～30赖氨酸残基聚合而成，经过进一步研究发现其具有强烈的抑菌能力，可以作为防腐剂用于食品的保鲜。

ε-多聚赖氨酸抑菌谱广，在酸性和微酸性环境中对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、酵母菌、霉菌均有一定的抑菌效果，ε-多聚赖氨酸对其他天然防腐剂不易抑制的革兰氏阴性的大肠杆菌、沙门氏菌抑菌效果非常好，而且其对耐热性芽孢杆菌和一些病毒也有抑制作用。

特点2003年HirakiJ等使用了ADME(最近几年，美国热电集团研制的新药毒性检测设备，集吸收、分布、代谢和排泄、毒性为一体)研究方法证实ε-多聚赖氨酸作为食品防腐剂的安全性。他们在老鼠体内对ε-多聚赖氨酸进行了一系列药物动力学和代谢途径的研究，以了解在老鼠的食物中添加高达50000mg/kgε-多聚赖氨酸的亚慢性及慢性饲养的生物检测中，没有毒理学影响的原因。对老鼠进行急性口服毒性实验，发现ε-多聚赖氨酸实际是无毒的，口服量高达5g/kg时死亡率为0。

ε-多聚赖氨酸添加于食品中仅需微量就能奏效，且不会影响食品口味感，可做食品的天然保存剂。它天然安全，符合消费者的健康需求。在日本，利用ε-多聚赖氨酸作为食品保存剂的生产规模发展迅速，市场规模达数十亿日元。ε-多聚赖氨酸应用于糕点、面包食品中，能有效的抑制耐热性芽孢杆菌的增殖，延长保存期;应用于低糖低热量食品，如乳蛋白冰淇淋、奶油制品等，可改善其保存性;在低温软罐头食品中加微量ε-多聚赖氨酸可防止杀菌后产生异味;在冷藏食品中添加ε-多聚赖氨酸能起到保证质量的效果。

配合物质多聚赖氨酸作为抑菌剂在食品中使用时，通常与其它物质配合使用，以达到增效和经济的目的。常用的配合物质可分为五类：1、酒精，使用量为30～70%，主要应用于各种蛋制品。2、有机酸，常常使用的有机酸一般有：醋酸、苹果酸、马来酸、柠檬酸、琥珀酸等，使用量在0.5～50%之间，主要应用于米饭、饮料、色拉、酱类等食品;3、甘油酯，甘油酯多为低级脂肪酸酯，用量在0.01～5%之间，主要用于动物性蛋白，乳蛋白较多的食品。4、甘氨酸，用量为0.01～10%;主要应用于牛奶防腐。5、其它天然抑菌剂，如：鱼精蛋白、茶多酚等。6

生物防腐剂在仪器工业上的应用乳酸链球菌肽乳酸链球菌肽是由N血清型的某些乳酸乳球菌产生的一种小肽，对许多G+菌具有抗菌性，尤其是对梭菌和芽孢杆菌活性的抑制，这些产生内生孢子的细菌是食品的主要腐败菌。目前，在全世界约有50个国家和地区已得到广泛应用，而且许多国家如英国、法国、澳大利亚等对其添加数量不作任何限制。

曲酸曲酸是某些微生物生产过程中不经糖代谢产生的一种弱酸性化合物，对许多微生物的生长有抑制作用，并能抑制多酚氧化酶的活性。曲酸与目前在食品添加剂方面广泛使用的苯甲酸、山梨酸及其钠盐具有安全性高，易溶于水，不为细菌所利用，热稳定性好，不易挥发，ph值对抗菌影响力小，对人无刺激性等优点。可用于对果蔬的保鲜对发色食品的增高及护发、降低亚硝酸盐及其它有害发色剂的使用量，并且在抑制食品的酶竭变方面有着极大的应用前景。

纳他霉素纳他霉素是由纳塔尔链霉菌产生的多烯大环内酯类抗真菌剂，能专性抑制酵母和霉菌，其活性远优于山梨酸。由于它溶解度低，只能停留在食品表面，因而特别适用于表面处理，纳它霉素不会干扰其它食品组分，也不会带来异味，可应用于干酪皮、肉制品及焙烤食品表面及饮料、水果、调味酱等，尤其是纳他霉素对细菌没有作用，因而不会场影响干酪和干酪制品的熟化。5