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      食品天然防腐劑及其應(yīng)用研究進(jìn)展

      2024-05-29 16:40:15張彤楊忠仁張鳳蘭
      中國調(diào)味品 2024年4期
      關(guān)鍵詞:食品加工作用機(jī)理保質(zhì)期

      張彤 楊忠仁 張鳳蘭

      摘要:天然防腐劑主要從植物、動物和微生物中提取分離,其在食品中的應(yīng)用提高了食品的安全性并延長了其保質(zhì)期。文章闡述了天然防腐劑的類別和作用機(jī)理,以及天然防腐劑在食品加工中的應(yīng)用,以期為食品天然防腐劑的研究和發(fā)展提供參考。

      關(guān)鍵詞:天然防腐劑;食品安全;食品加工;保質(zhì)期;作用機(jī)理

      中圖分類號:TS202.3 ?????文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A ????文章編號:1000-9973(2024)04-0206-06

      Research Progress on Natural Food Preservatives and Their Applications

      ZHANG Tong, YANG Zhong-ren, ZHANG Feng-lan*

      (Key Laboratory of Germplasm Resources and Germplasm Innovation of Wild Endemic Vegetables

      in Inner Mongolia, College of Horticulture and Plant Protection, Inner Mongolia

      Agricultural University, Hohhot 010018, China)

      Abstract: Natural preservatives are mainly extracted and separated from plants, animals and microorganisms, and their applications in food have improved the safety of food and extended its shelf life. In this paper, the types and action mechanism of natural preservatives, and the applications of natural preservatives in food processing are expounded, in order to provide references for the research and development of natural food preservatives.

      Key words: natural preservatives; food safety; food processing; shelf life; action mechanism

      收稿日期:2023-09-17

      基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(31760081);內(nèi)蒙古自治區(qū)種業(yè)科技創(chuàng)新重大示范工程“揭榜掛帥”項目(2022JBGS0028);內(nèi)蒙古自治區(qū)直屬高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項目——種業(yè)振興領(lǐng)軍人才專項基金(BR22-11-06)

      作者簡介:張彤(1999—),女,碩士研究生,研究方向:蔬菜種質(zhì)資源與開發(fā)利用。

      *通信作者:張鳳蘭(1979—),女,副教授,博士,研究方向:種質(zhì)資源與開發(fā)利用。

      為抑制細(xì)菌和真菌的生長、提高食品的質(zhì)量和保質(zhì)期,天然防腐劑被廣泛應(yīng)用。天然防腐劑主要從植物、動物和微生物中提取和分離。學(xué)者越來越重視將草本植物和香料作為天然抗菌素使用[1]。食品發(fā)酵的微生物不僅可以產(chǎn)生細(xì)菌素,而且可以產(chǎn)生有機(jī)酸、過氧化氫和雙乙酰等防腐代謝物。動物的各類組織內(nèi)可以提取不同的防腐劑。雖然天然防腐劑在食品應(yīng)用中的有效性受到食品成分、加工方法和儲存條件的影響,但是其可以滿足消費(fèi)者對健康食品的需求。國內(nèi)學(xué)者多集中于研究天然防腐劑的使用范圍和抑菌特效,康凌宇[2]簡單描述了從植物中提取天然防腐劑的過程和應(yīng)用;韓金龍等[3]綜合論述了3類天然食品防腐劑;高志鑫等[4]研究了在肉制品保鮮中不同天然防腐劑的應(yīng)用情況;楊連戰(zhàn)等[5]主要研究了植物源天然防腐劑的抑菌機(jī)理。而國外學(xué)者對天然防腐劑的研究廣泛,較國內(nèi)學(xué)者更注重天然防腐劑的提取和具體應(yīng)用,Awad等[6]將植物提取物應(yīng)用于肉類防腐;Islam等[7]將生姜中提取的防腐物質(zhì)應(yīng)用于羅非魚的加工中;Mahdavi-Roshan等[8]概述了蜂膠提取物對加工雞胸肉品質(zhì)和保質(zhì)期的影響。

      天然防腐劑可以添加至產(chǎn)品配方中或涂在食品表面,也可添加至食品的包裝材料中。不同食品工業(yè)應(yīng)用不同種類的天然防腐劑,如提取出的植物精油、分離出的動物酶和獲得的微生物細(xì)菌素、有機(jī)酸和天然聚合物(殼聚糖)等[1]。關(guān)于天然防腐劑的研究,包括從植物和動物中發(fā)現(xiàn)的抗菌和抗氧化劑、應(yīng)用于天然食用涂料以及通過提高提取物的抗菌活性來提高食品安全和保質(zhì)期等方面都有學(xué)者進(jìn)行探討,然而目前還缺乏對天然防腐劑來源和應(yīng)用的綜述。因此,本文結(jié)合天然防腐劑的作用機(jī)理及存在問題,闡述了天然防腐劑在腌制食品中的應(yīng)用,為食品天然防腐劑的發(fā)展提供了一定參考。

      1 天然防腐劑類別

      天然防腐劑提取于植物、動物和微生物中,并廣泛應(yīng)用于食品保鮮和化妝品等領(lǐng)域[9]。按其材料來源可以分為動物類天然防腐劑、植物類天然防腐劑和微生物類天然防腐劑。

      1.1 動物類天然防腐劑

      從動物中提取的防腐化合物被應(yīng)用于各領(lǐng)域,動物類天然防腐劑及其應(yīng)用見表1。殼聚糖[10]是一種聚陽離子生物聚合物,通常從甲殼類動物(螃蟹、龍蝦)的外骨骼中提取。由于殼聚糖不能在中性條件下溶解,因此其在食品保存方面的應(yīng)用有限。除殼聚糖外,從雞蛋和牛奶中提取的溶菌酶也可以作為一種安全的天然防腐劑。乳鐵蛋白[11]是在哺乳動物的唾液、乳汁和眼淚等分泌物中發(fā)現(xiàn)的天然防腐劑之一,有助于減少所應(yīng)用環(huán)境中的鐵含量,可以抑制大腸桿菌的微生物活性??咕腫12]是牛奶中的天然防腐劑,對細(xì)菌、真菌和病毒具有強(qiáng)大的抗菌特性。牛奶、山羊奶、水牛奶、豬奶和母乳中都可提取出抗菌肽。

      1.2 植物類天然防腐劑

      從蔬菜、水果、草藥和香料中可以提取植物類天然防腐劑。水果和蔬菜(大蒜、胡椒、洋蔥、卷心菜和番石榴)、種子和葉子(橄欖葉、歐芹、葛芹、肉豆蔻、茴香和葡萄種子)以及藥草和香料(迷迭香、百里香、鼠尾草、丁香和小豆蔻)中都含有天然的防腐物質(zhì)[24]。長期以來,不同植物精油(EOs)和植物提取物被用作天然防腐劑和食品添加劑,適當(dāng)改善食品風(fēng)味的同時可延長其儲存時間[3]。植物含有酚類、異黃酮類、酮類、酸類和醛類等大量次生代謝物,還含有天然生成的多酚類化合物、萜烯類化合物和生物堿等,可以限制或阻礙有害細(xì)菌的生長,保護(hù)食草動物免受微生物病原體的危害[9]。植物次生代謝化合物中主要有酚類和多酚類,同時還有一些微量化學(xué)物質(zhì),如黃酮類化合物。大量EOs已被公認(rèn)安全并可用作天然的食品防腐劑,其可從各種植物成分中提取,包括花、種子和葉子,有甜味且具有高揮發(fā)性,含氧萜類化合物發(fā)揮主要的防腐性能,是食品防腐中重要的植物化學(xué)物質(zhì)[25]。從植物、香料和草本植物中提取的EOs具有很高的蒸汽壓,可以通過液相和氣相進(jìn)入微生物內(nèi),其疏水性與微生物細(xì)胞膜上的脂質(zhì)發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致細(xì)胞壁分解,有害細(xì)胞的原始結(jié)構(gòu)被破壞[26]。代金龍[27]闡述了將美國薄荷精油作為一種天然防腐劑對采摘后的藍(lán)莓進(jìn)行保鮮處理,成效顯著。趙榮祥[28]采用浸泡法測定了不同濃度八角茴香油和丹參乙醇提取物對蘋果和番茄的保鮮效果,結(jié)果表明八角茴香油和丹參乙醇提取物對蘋果和番茄都具有較好的保鮮效果。陳林林[29]專門針對褐變了的鮮切馬鈴薯和豬肉分析了植物精油(柑橘皮精油)的保鮮作用。蔓越莓、大蒜、生姜、葡萄、紅洋蔥、紅卷心菜、大黃、覆盆子、石榴、菠菜、草莓和綠茶的天然防腐作用均已有學(xué)者研究[30]。水果、蔬菜、堅果、種子、莖、花和葉子都含有皂苷和黃酮類化合物且具有防腐作用。不同植物產(chǎn)生的防腐物質(zhì)有不用的防腐效果,植物類天然防腐劑及其應(yīng)用見表2。

      1.3 微生物類天然防腐劑

      部分具有腐敗性的細(xì)菌、真菌和霉菌等微生物會引起食品的氣味和組織結(jié)構(gòu)發(fā)生不良反應(yīng)并產(chǎn)生有害的化學(xué)物質(zhì),食品行業(yè)添加的部分微生物類天然防腐劑見表3。革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、肉毒梭菌、糞腸球菌和李斯特菌可以產(chǎn)生細(xì)菌素,細(xì)菌素滲透到細(xì)胞質(zhì)膜上使細(xì)胞內(nèi)的代謝物流出,從而導(dǎo)致食物腐敗。細(xì)菌素是一種可降解的蛋白酶,因此可作為天然防腐劑[47]。乳酸鏈球菌素(Nisin)是一種通常用于奶酪和香腸制作的細(xì)菌素,由鑭硫氨酸、脫氫丙氨酸和氨基丁酸等氨基酸組成,可以抑制多種革蘭氏陽性菌和金黃色葡萄球菌[48]。乳酸菌(LAB)是可以產(chǎn)生防腐物質(zhì)的益生菌,其中過氧化氫和有機(jī)酸等物質(zhì)有效延長了易腐食品的使用壽命[49]。乳酸菌中提取的雙乙酰[50]可作為天然的食品防腐劑。羅伊氏乳桿菌[51]可以有效抑制革蘭氏陽性菌和酵母菌等的活性。辣椒素[52]也被廣泛應(yīng)用于各種食品的天然防腐處理。隨著科學(xué)技術(shù)的提高,更多的微生物提取物可以被用于加工食品的防腐處理,提取工藝的提高可以使微生物類天然防腐劑更安全。

      2 天然防腐劑的作用機(jī)理

      傳統(tǒng)的食品防腐劑主要作用于細(xì)胞壁和細(xì)胞膜系統(tǒng)。目前學(xué)者發(fā)現(xiàn)天然防腐劑的原理是抑制細(xì)胞的呼吸途徑,其抗菌能力與抑制呼吸途徑和作用的強(qiáng)度有關(guān)。天然食品防腐劑的作用機(jī)理為遇到生物膜后直接破壞細(xì)胞的能量代謝,從而破壞細(xì)胞器,胞內(nèi)溶酶體膜破裂后有害微生物自溶,達(dá)到防腐的效果[62]。

      目前常用于食品防腐的物質(zhì)包括兩類:一類是集中體現(xiàn)抗菌性、抗氧化性和抗變褐等的酚類防腐物質(zhì);另一類是主要體現(xiàn)抗菌性的非酚類防腐物質(zhì)[63]。

      2.1 酚類物質(zhì)

      幾種代表性酚類物質(zhì)常被應(yīng)用于食物的防腐。大部分微生物都可被高等植物中的肉桂酸抑制,從而達(dá)到防腐效果。肉桂酸對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、銅綠假單胞菌和鼠傷寒沙門氏菌等具有明顯的抑制作用[64]。王璐[65]運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法制作肉桂酸保鮮劑,并研究了肉桂酸保鮮劑對采后的海鮮菇的保鮮效果。肉桂酸對糧食、瓜果、蔬菜和醬腌菜的防腐保鮮效果良好,余毅等[66]在無真空包裝的前提下,對比3種防腐劑對醬腌菜的防腐保鮮效果,結(jié)果表明同種醬腌菜類型下肉桂酸復(fù)配型天然防腐劑效果最好。肉桂酸鉀是一種不改變食品風(fēng)味和營養(yǎng)結(jié)構(gòu),進(jìn)入人體后可提供人體所需的鉀元素,并轉(zhuǎn)化為氨基酸參與代謝的防腐劑。肉桂酸鉀是對傳統(tǒng)防腐劑改進(jìn)后產(chǎn)生的,廣泛應(yīng)用于功能飲料中[67]。從胡桃樹葉中分離出的胡桃醌可以抑制大腸桿菌、克雷伯氏菌、肺炎鏈球菌、空腸彎曲桿菌、葡萄球菌等,王剛霞[68]利用核桃青皮提取物胡桃醌對幾種果蔬進(jìn)行保鮮處理,對番茄、石榴和甜瓜有良好的保鮮效果。

      單芳香環(huán)酚類化合物在天然植物中存在,溶解性較強(qiáng),因此可以抑制水相和油相中引起腐敗的微生物的活性,包括乙烯基愈創(chuàng)木酚、兒茶酚和甲氧基對苯二酚等化合物,具有抗菌、抗氧化、抗褐變和抗酸敗等作用,這類化合物能夠抑制革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和霉菌等[69]。兒茶酚通過還原反應(yīng)制作的聚合物膜涂料,可用于食品的抗菌包裝和一些醫(yī)用的生物材料等[70]。江暉[71]對兒茶酚氧化酶催化兒茶酚氧化的反應(yīng)進(jìn)行動力學(xué)處理,結(jié)果表明其具有食品防腐作用。乙烯基愈創(chuàng)木酚可以應(yīng)用于食品防腐,其作用機(jī)理是通過抑制酪蛋白酶來阻止食品褐變。趙庭等[72]和崔云前等[73]建立了發(fā)酵動力模型,將乙烯基愈創(chuàng)木酚應(yīng)用于發(fā)酵小麥啤酒的防腐。原兒茶酸提取于植物體內(nèi),對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均有抗性和抑制作用[74]。槲皮素提取于植物的花、葉、果實(shí)中,趙鉅陽等[75]將槲皮素應(yīng)用于大馬哈魚復(fù)合香腸的貯藏工藝中,研究表明在不影響其風(fēng)味的情況下可用于食品防腐。

      2.2 非酚類物質(zhì)

      幾種典型的非酚類物質(zhì)被應(yīng)用于食物防腐。豆粕中的大豆球蛋白堿性抗菌肽改變細(xì)菌細(xì)胞膜通透性,可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣、鉀離子泄露,引起細(xì)胞塌陷,主要有效抑制單增李斯特菌[76]。還可將大豆球蛋白堿性抗菌肽添加至乳制品中,能夠有效延長食品的保質(zhì)期,趙國萍[77]將大豆球蛋白堿性亞基添加至牛乳中,有效提高了該類防腐劑的保鮮效果。糖醇也被人們廣泛應(yīng)用于食品添加劑中,歐盟和美國將甜菊糖、赤蘚糖醇和木糖醇用作食品甜味劑[78]。謝佩文[79]將復(fù)配山梨酸鉀和海藻糖添加至鮮濕面中,提高了其保鮮效果。蒜素提取于大蒜中,是大蒜發(fā)揮獨(dú)特氣味的原因,其作用機(jī)理是抑制轉(zhuǎn)硫醇酶的生成,從而控制細(xì)菌增殖,如食物中常見的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、沙門氏菌、單增李斯特菌和枯草芽孢桿菌等[80]。孫桂琳等[81]從大蒜中提取蒜素,發(fā)現(xiàn)其對5種植物病原真菌有明顯的抑制作用。蒜素是蒜氨酸裂解酶水解產(chǎn)生的,有實(shí)驗(yàn)證明在植物體外通過柱填充固定化蒜氨酸酶蒜素的批量生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)蒜素的工業(yè)化生產(chǎn)[82]。茉莉酸類物質(zhì)是一種植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì),通過誘導(dǎo)合成次生代謝產(chǎn)物,從而增強(qiáng)植物的抗性,如茉莉酸、茉莉酸甲酯。孫曉文等[83]研究了茉莉酸和茉莉酸甲酯在園藝作物生產(chǎn)中的應(yīng)用,為茉莉酸類物質(zhì)在園藝作物生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。李秋利等[84]將茉莉酸甲酯和二氫茉莉酸丙酯應(yīng)用于晚熟桃“映霜紅”的保鮮處理。王媛花[85]用茉莉酸甲酯和蔗糖處理草莓,能夠有效控制草莓采后易發(fā)生灰霉病的情況。王宇等[86]利用茉莉酸甲酯抑制番茄頸腐根腐病。

      3 天然防腐劑的應(yīng)用

      3.1 可食用涂料

      有研究證明天然防腐劑可用于可食用涂料,其原理是直接應(yīng)用于食品系統(tǒng)時防腐物質(zhì)在食品中迅速擴(kuò)散,從而減少微生物污染。天然防腐劑制成的可食用涂料通過減少活性化學(xué)物質(zhì)在食物表面的擴(kuò)散[87],使活性化學(xué)物質(zhì)濃度長期保持抑制微生物生長的水平,天然防腐劑在可食用涂料上的應(yīng)用見表4??墒秤猛繉涌梢宰鳛榘霛B透屏障,保護(hù)食品免受水分流失、溶質(zhì)遷移、氣體交換、呼吸和氧化過程,它是由天然聚合物制成的薄層,使用各種機(jī)械方法應(yīng)用于食品表面,如噴涂、浸漬和靜電沉積等[88]。涂層特性(成分、化學(xué)結(jié)構(gòu)、涂層溶液黏度和涂層厚度等)、加工條件(溫度、pH值和溶劑類型)以及添加劑的類型和濃度都影響可食用涂料的功能[89]。天然防腐劑通過減少加工產(chǎn)生的有害物質(zhì),提高了可食用涂料的性能,可食用涂料作為輸送系統(tǒng)能提高易腐食品的保質(zhì)期,如新鮮或簡易加工水果、海鮮、家禽和肉制品[90]。胡慧霞[91]將一種具有強(qiáng)抗氧化性和抗菌性的多酚類物質(zhì)——兒茶素制備成食品活性包裝膜和涂膜保鮮劑,并將其用于食用油和豬肉的保鮮。

      3.2 抗氧化劑

      抗氧化物質(zhì)通過降低氧化酸性并改變食物的顏色來提高食品的保質(zhì)期,如酚類化合物、維生素C和維生素E是發(fā)揮自由基作用的天然抗氧化劑[100]。植物中各種活性化學(xué)物質(zhì)是抗氧化劑的良好來源,香料、柑橘果肉、果皮和油籽都富含抗氧化物質(zhì)[101]。蜂蜜中的活性物質(zhì)包括酚酸、維生素和酶等,具有較強(qiáng)的抗氧化活性[102]。研究表明連翹葉、黃芩中活性成分連翹酯苷A、黃芩苷和黃芩素具有抗氧化、抗菌等生理活性,黃芩提取液可用于草莓和貢梨的保鮮,連翹提取液可用于香腸的防腐[103]。香料和精油中的抗氧化物質(zhì)可作為天然防腐劑使用,廣東食品工業(yè)研究所采用超臨界二氧化碳萃取技術(shù)和分子蒸餾技術(shù)從香辛料中提取有抗氧化、抗菌作用的精油成分,從而提高了這類抗氧化天然防腐劑的應(yīng)用水平[104]。

      3.3 腌制食品防腐

      腌制食品是一種佐餐小菜,隨著人們健康飲食意識的不斷提高,低鹽度且應(yīng)用天然防腐劑的腌制食品得到了迅速發(fā)展,腌制食品的防腐保鮮問題有待解決,不改變食物風(fēng)味,可選用肉桂酸、復(fù)配殼聚糖和茶多酚等聚賴氨酸和曲酸達(dá)到防腐效果[105]。在醬腌菜中添加不同濃度的肉桂酸復(fù)配型天然防腐劑,結(jié)合數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)無真空包裝下肉桂酸復(fù)配型天然防腐劑的防腐保鮮效果明顯[106]。浙江農(nóng)林大學(xué)發(fā)現(xiàn)聚賴氨酸復(fù)配防腐劑對腌制蘿卜有明顯的防腐效果[107]。謝主蘭等[108]用不同濃度的殼聚糖對腌制魷魚進(jìn)行涂膜處理,以感官評定、細(xì)菌總數(shù)及pH值作為鮮度指標(biāo),發(fā)現(xiàn)殼聚糖涂膜保鮮對延長腌制魷魚的保質(zhì)期具有較大的可行性。李成[109]發(fā)現(xiàn)復(fù)合保鮮劑對蟹糊腐敗菌和致病菌有顯著抑制作用,且能夠維持蟹糊在貯藏期間的品質(zhì)。

      國內(nèi)外學(xué)者正致力于尋找具有廣泛抗菌作用的天然食品防腐劑。天然抗菌物質(zhì)、天然抗氧化劑和天然可食用涂料等都是保護(hù)食品免受細(xì)菌和其他過程破壞的必要物質(zhì)。從瓜果、蔬菜和香料等中提取的抗菌物質(zhì)是食品中常用的天然防腐劑,動物中的抗菌物質(zhì)也有效應(yīng)用于各種乳制品的天然防腐處理,而微生物中的抗菌物質(zhì)常與機(jī)械工藝結(jié)合用于食品防腐處理。目前國外天然食品防腐劑的研究與應(yīng)用技術(shù)日趨發(fā)達(dá),而我國也在逐步發(fā)展。隨著抗菌活性物質(zhì)作用機(jī)理的揭示,種類更多天然防腐劑被開發(fā)利用,利用其無毒副作用的特點(diǎn)創(chuàng)新應(yīng)用是未來天然防腐劑的發(fā)展趨勢。

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