生物保鲜剂应用于水产品保鲜的研究进展

刘寒，钱磊，张志军，张业尼，*

（1.天津农学院食品科学与生物工程学院，天津300384；2.天津市林业果树研究所，天津300384；3.农业部农产品贮藏保鲜重点实验室，天津300384）

中国作为世界渔业大国，具有淡水养殖规模大、水产品消费市场容量大等特点。2016年我国水产品总产量达6 900 万吨，比上年增长3.0%[1]。根据统计数据显示，我国水产品产量仍呈现逐年上升趋势。

水产品富含水分、蛋白质以及多种不饱和脂肪酸，极易受到外界环境影响而发生腐败变质[2]。目前，用于水产品贮存的技术包括热处理、化学防腐剂、气调包装或冷藏，但是，这些技术并不能完全防止腐败菌滋生。此外，消费者对水产品的质量要求越来越高，在保证高品质的同时也需要维持较低的加工水平。近年来，腌制、熏制和制造海鲜罐头等传统工艺已经减少，水产品保鲜多采用低盐、低加热处理和在真空或气调下包装，但是，这些工艺使食品安全没有保障，增加了食源性疾病爆发的可能[3]。

生物保鲜剂安全无毒、来源广泛，在保持食品原有风味和营养成分的基础上，能够有效抑制或杀灭有害菌，越来越受到人们的重视。在此介绍了生物保鲜剂的作用机理，对其在水产品保鲜上的研究现状进行了综述，探讨了生物保鲜技术存在的问题和未来发展方向。

1 生物保鲜剂及作用机理

生物保鲜剂是指从动物、植物、微生物中提取或者运用生物工程技术获得的具有保鲜效果的试剂，按来源分为植物类保鲜剂、动物类保鲜剂与微生物类保鲜剂[4]。生物保鲜剂的作用机理可以概括为4 个方面：含有抗菌抑菌的活性物质，能够抑制食品中有害微生物的生长；具有抗氧化的活性物质，能够防止食品氧化变质；能够抑制食品中酶的活性，防止食品被水解而加速腐烂变质；能够在食品表明形成一层隔离膜，隔离其与氧气的接触，减少水分的散失，防止微生物的污染[4]。

2 生物保鲜剂在水产品保鲜中的应用

2.1 壳聚糖

壳聚糖（chitosan）化学名为 2-氨基-β-1，4-葡聚糖，是从昆虫、虾、蟹外壳或菌类、藻类植物细胞壁中提取的甲壳素，在碱性加热条件下，脱去分子中C2 上的乙酰基生成的一类高分子物质，具有优良的保湿性、成膜性、分散性、抗菌性、无毒无味、生物相容性好和可生物降解等优点[5]。

壳聚糖保鲜水产品的机理主要表现在两个方面：（1）壳聚糖有较好的成膜性与保水性，能够在水产品表面形成一个较好的气调保鲜膜，降低形成活性氧的概率，延缓细胞死亡腐烂，减少水分蒸发。（2）壳聚糖有较好的抑菌性能，在水产品表面形成致密薄膜，阻断细胞内外物质传递，使细菌不能通过菌丝获得外界环境营养；此外，壳聚糖作为螯合剂能够螯合微生物生长所必须的金属离子，达到抑菌作用。

国内外学者研究表明壳聚糖的普遍最佳保鲜浓度为1%～2%，将壳聚糖涂膜水产品能够抑制细菌增长，延缓挥发性盐基氮值（total volatile basic nitrogen，TVB-N）、硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）值及pH 值升高，延长水产品货架期[6-14]。壳聚糖在水产品保鲜中的应用见表1。

表1 壳聚糖在水产品保鲜中的应用Table 1 Application of chitosan in preservation of aquatic products

但是单独使用壳聚糖对水产品保鲜作用有限，近年来越来越多的科学家将壳聚糖与抗菌性物质结合涂层用于水产品，其保鲜效果更佳，如表2 所示。

表2 壳聚糖和抗菌性物质对水产品的协同保鲜效果Table 2 Synergistic effect of chitosan and antibacterial substances in preservation of aquatic products

壳聚糖因其较好的保水性、成膜性和抑菌性，在水产品保鲜中具有极高的应用价值，将壳聚糖与抑菌性生物保鲜剂结合使用有事半功倍的效果。刘建华等[22]发现多赖氨酸负载的壳聚糖-海藻酸钠纳米颗粒有较强的抑菌活性。Sogut 等[23]研究表明以纳米纤维素与葡萄籽提取物为基础的壳聚糖与氯仿溶液双层膜有较好的抗菌活性。

2.2 茶多酚

茶多酚（tea polyphenols）是茶叶中多酚类物质的总称，包括黄烷醇类、花色苷类、黄酮类、黄酮醇类和酚酸类等，以黄烷醇（儿茶素）类为主[24]。茶多酚的保鲜机理主要表现在两个方面：（1）抗氧化性，茶多酚中儿茶素占60%～80%，而儿茶素类化合物对O2-、-OH 自由基的清除率达到98%以上[25]；（2）抑菌性，茶多酚能够影响细胞膜磷脂双分子层，增加细菌细胞膜通透性，与遗传物质结合干扰微生物生长，且能够特异性凝固细菌蛋白[26]。

国内外研究表明茶多酚浸泡后的水产品TVB-N、pH 值以及菌落总数明显低于冷藏对照组，货架期延长6 d～15 d，如表3 所示[27-35]。

表3 茶多酚在水产品保鲜中的应用Table 3 Application of tea polyphenols in preservation of aquatic products

茶多酚应用于水产品保鲜时，浓度随着水产品种类不同而有较大幅度波动，并且茶多酚在与其它生物保鲜剂结合使用时抑菌效果更佳。魏杰等[36]研究发现茶多酚与金褐霉素结合使用能够较长时间保存扇贝。王琳等[37]研究发现茶多酚、ε-聚赖氨酸与Nisin 结合使用能够大量减少南美白对虾细菌数量。茶多酚虽然具有一定的抑菌性，但其抑菌强度随着水产品种类的不同而变化，其更适用于在有茶多酚的基础上添加一定量的其他生物保鲜剂保护水产品细胞不被氧化。

2.3 乳酸菌及细菌素

乳酸菌一般包括乳球菌、链球菌、乳酸菌、白球菌、肠球菌等，所有这些微生物都是革兰氏阳性的、无孢子的、杆状的或球状的有机体，能够发酵碳水化合物，发酵后获得的主要产品是乳酸，其DNA 中含有低比例的鸟嘌呤和胞嘧啶含量，使生物体具有高热稳定性。乳酸菌可用于生产各种乳制品、肉类和蔬菜的发酵产品，有助于保护原材料的营养质量，保护食品不受腐败和致病微生物侵害，提高食品保质期。

乳酸菌发酵产生的主要化合物为有机酸、过氧化氢和细菌素，其中细菌素是一种耐热阳离子分子，含有多达60 个氨基酸残基和疏水斑块。乳酸菌细菌素能够杀死与产生菌亲缘关系相近的微生物，其有效性主要是由于其在靶细胞膜上与带负电荷的磷酸基相互作用，通过初始结合，形成毛孔，杀死细胞形成致命的伤害，从而激活自溶作用，破坏细胞壁。由于无毒、非免疫性、耐热性和广泛的杀菌活性，乳酸菌细菌素被认为是良好的生物制剂。

最常见的乳酸菌细菌素是Nisin，食品和药物管理局已批准使用由美国食品添加剂安全性指标认证的微生物如乳酸乳球菌产生的Nisin 细菌素用于奶酪、乳制品和罐头食品中。Nisin 对革兰氏阳性的腐败微生物和单核细胞基因等食源性病原体均具有很好的抑制作用，其抑菌性主要作用于引起食品腐败的革兰氏阳性菌，如耐热腐败菌、李斯特菌、明串球菌、分枝杆菌、乳酸杆菌、肉毒杆菌、棒杆菌、葡萄球菌等，且对产生孢子的细菌，如芽孢杆菌、嗜热芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌等有很强的抑制作用[38]。Sofra 等[39]根据建立在微生物生长、TVB-N、三甲胺氮、硫代巴比妥酸反应物和感官评分的基础上的质量评价模型来测定金枪鱼的保质期，真空处理后金枪鱼保质期为27 d，而Nisin 浸泡后金枪鱼保质期可延长至51 d。

2.4 溶菌酶

溶菌酶（lysozyme）是一种能水解致病菌中黏多糖的碱性酶，可分为动物源溶菌酶、植物源溶菌酶、微生物源溶菌酶、噬菌体溶菌酶4 种[40]。溶菌酶对革兰氏阳性微生物非常敏感，但对革兰氏阴性微生物没有明显的抑菌作用。目前一些方法已被用来提高酶分子活性和转化溶菌酶在杀死革兰氏阴性细菌方面的活性，其中干热处理能够提高溶菌酶对大肠杆菌的活性、脂肪酸改性溶菌酶比不改性溶菌酶具有更强的酶活性，几丁质纳米晶须上固定化溶菌酶的抗菌活性也较单独的溶菌酶活性增强且其对革兰氏阴性菌的抗菌性高于革兰氏阳性菌[41]。陈舜胜等[42]研究表明将带鱼、柔鱼、哈氏仿对虾与栉孔扇贝柱经0.05%溶菌酶处理后可延长保鲜期约1 倍时间。根据已有研究，将改良后的能够同时适用于革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的复合溶菌酶应用于水产品的保鲜会有更好的发展前景。

2.5 细胞内溶素

细胞内溶素（endolysins）是噬菌体编码的肽聚糖水解酶，被大多数噬菌体用于在复制周期结束时酶促降解宿主细菌的肽聚糖层。细胞内溶素是良好的抗微生物剂，因为在革兰氏阳性细菌细胞壁中不存在外膜且易于接近肽聚糖。

细胞内溶素在食品贮藏中的作用仍处于初期阶段，但是有许多内溶素被分离出来以对抗几种人畜共患病和食源性病原体，并且到目前为止并未出现过对细胞内溶素有抵抗的例子。Nassau 等[43]研究表明细胞内溶素与高压结合能够较好的杀死李斯特菌。Perez等[44]研究表明裂解性噬菌体在不同食品系统中使大肠杆菌、单核增生李斯特菌、沙门氏菌、志贺氏杆菌、空肠弯曲杆菌、酒石酸杆菌等主要食源性病原体失活。Bai 等[45]研究表明噬体系统可以在非常短的反应时间内快速检测出可存活的致病细胞而不受食品成分干扰，表明该系统可以识别各种食品中存在的食源性病原体。李萌等[46]研究表明大部分水产品中的主要有害微生物为腐败希瓦菌，使用Spp001 噬菌体对冷冻牙鲆鱼片进行处理，保鲜效果优于山梨酸钾。ZHANG Y 等[47]深入研究发现并克隆了两种噬菌体所编码的与溶解性相关的蛋白（Spp64 与Spp62），证实这两种蛋白对水产品中的有害微生物腐败希瓦菌均具有很强的溶解能力。

目前，噬菌体与细胞内溶素在水产品保鲜的应用较少，但其保鲜能力不可小觑。在确定出引起食品腐败的主要有害菌后，噬菌体的专一性可以起到快速有效的灭菌作用，并且对噬菌体内溶相关编码蛋白的研究也是发现新型抗菌剂的一个较为安全的方向。

3 水产品生物保鲜的发展趋势

相对于果蔬保鲜，水产品保鲜研究相对较少，很多生物保鲜剂在水产品上的应用效果还处于未知状态。生物保鲜剂如壳聚糖、茶多酚、Nisin 等由于其抑菌效果的局限性，不能对所有的细菌产生抑制作用，使其成本与效果不能相对应，限制了此类生物保鲜剂的推广与商业化，使其停留在实验室阶段。因此，可以在识别水产品中细菌种类的基础上让不同类型的生物保鲜剂相结合，以提高保鲜效果。

由于不同水产生物具有不同体外环境，为了使生物保鲜剂的应用范围更为广泛，可以通过调节生物保鲜剂上的缓冲基团来降低生物保鲜剂对使用环境的挑剔程度。细菌素和细胞内溶素被认为适合通过DNA改组和蛋白质工程以产生具有扩展活性谱的高效变体，转基因噬菌体也可能有助于生物保存，但在通过DNA 改组等技术来选择其作为生物防腐剂之前必须首先考虑其安全问题。鉴于噬菌体的突变频率明显高于细菌，新的噬菌体选择极有可能使噬菌体体内有克服细菌耐药性的基因，因此在噬菌体的使用过程中应该避免使用温和噬菌体。

随着基因技术进步，预计细菌素、噬菌体和细胞内溶素会成为未来的生物防腐剂，而壳聚糖独有的成膜与保水性也极有可能是未来生物防腐剂的合作伙伴。