天然防腐剂研究进展

田卫政?赵舒景

摘 要：为预防微生物腐败带来的产品品质下降以及对人类健康和世界经济带来不利影响，防腐剂在食品、化妆品、医药等行业得到广泛应用。化学合成防腐剂在安全方面具有局限性，而来源天然的抗菌物质具有安全、稳定、广谱抗菌活性等特点逐步成为研究热点。本文介绍了具有抗菌性的天然防腐剂，包括酚类和非酚类物质。酚类物质具有抗菌、抗氧化、抗褐变、防止酸败等作用，应用更加广泛，而非酚类物质主要表现出抗菌性。

关键词：天然物质;抗菌性;酚类物质

食物会在氧气、酶、微生物及金属离子的作用下腐败降解。世界范围内，有近40%的食物变质来源于微生物污染[1]。细菌及霉菌是主要的导致腐败的微生物。微生物污染食物后能够导致食物腐败甚至发生食用中毒。这个问题为人类健康和世界经济带来了巨大影响[2]。

1 常见的导致食品腐败的微生物

1.1 引起腐败的细菌类

沙门菌（Salmonella）含有2 000多种不同的菌株，部分菌株会导致食物腐败引起人类中毒。据统计在世界各国的细菌性食物中毒中，沙门菌引起的食物中毒常位居榜首。沙门菌主要污染肉类食品，奶和蛋类食品也可能受其污染[3]。

单增李斯特氏菌（Listeria monocytog-enes）是一种革兰氏阳性菌，对大部分物理或化学处理具有抗性。单增李斯特氏菌能使人感染李氏菌病，臨床表现主要为败血症、脑膜炎等。单增李斯特氏菌在4 ℃环境中仍可增长繁殖，因此是冷藏食品中威胁人类健康的主要病原菌[3]。

蜡样芽胞杆菌（Bacillus cereus）是另一种导致食品腐败的致病菌。食物中污染的蜡样芽胞杆菌能释放肠毒素，肠毒素具有致病性。家庭常用的烹调温度不足以杀死蜡样芽胞杆菌的孢子。因此食用未妥善冷藏保存或未经过充分加热处理的食物可能为健康带来威胁[3]。

1.2 引起腐败的真菌类

常见的能引起食品变质的霉菌有灰绿曲霉（Aspergullus glaucus）、匍匐曲霉（Aspergillus repens）、芽枝霉属（Blastocladia pringsheimii）、青霉属（Penicillium）。霉菌污染食物后，会通过分解食品中的蛋白质、脂肪及碳水化合物获取繁殖底物进行大量增殖，产生肉眼可见的菌丝体[4]。

2 化学合成防腐剂及其副作用

为有效抑制食品中微生物活动，防止食品腐败变质，必须采取一定措施来防止微生物感染和增殖。采用添加防腐剂是一种高效经济的方式。其中化学防腐剂由于高效、价廉、方便等特性，在食品、化妆品、医药等多个领域应用广泛。化学防腐剂根据分子构成可以分为酸类、无机盐类、酯类防腐剂。常用的酸类防腐剂包括山梨酸、苯甲酸、丙酸等以及其盐类，如山梨酸钾、苯甲酸钠、丙酸钠、丙酸钙与双乙酸钠等。这类防腐剂的防腐机理在于通过干扰微生物酶类活性，从而影响微生物代谢活动;还能改变细胞膜结构，使细胞膜透性发生变化，从而干扰其正常功能，达到抑制微生物增殖的目的，常用的无机盐类防腐剂包括硝酸盐、亚硝酸盐等[5]。其防腐机理在于抑制微生物呼吸酶活性，干扰其正常代谢。常用的酯类防腐剂为尼泊金酯，又称对羟基苯甲酸酯类，包括对羟基苯甲酸甲酯、对羟基苯甲酸乙酯、对羟基苯甲酸丙酯与对羟基苯甲酸丁酯等。尼泊金酯是一类广谱高效的食品防腐剂，其防腐机理是破坏微生物的细胞膜，使细胞内的蛋白质变性，并可抑制微生物细胞呼吸酶系与电子传递酶系的活性，从而实现抑菌防腐[6]。

但是研究表明，添加化学合成防腐剂食品的潜在风险和隐患已经逐步显现，常用的抗菌防腐剂山梨酸、尼泊金酯已有许多不良副作用见诸报道，其中之一就是导致男性生殖系统功能障碍[7]。也有研究表明，孕期接触高水平的尼泊金酯，会导致婴儿出生率下降及新生儿出生后存活率下降[8]。国内外尼泊金酯在食品、化妆品和药品中作为防腐剂应用已有近50年的历史。但是有报道声称，动物实验研究表明，尼泊金酯能够影响雌激素活性，从而给哺乳动物的生殖系统带来副作用[9]。此外，还有医学研究表明，曾在一些乳腺肿瘤标本中检出尼泊金酯[10-11]。山梨酸（2，4-己二烯酸）是一种广泛使用的食品类防腐剂，添加形式通常为山梨酸盐。研究表明，山梨酸的抗菌活性具有较强的pH依赖性[12]，在低pH值（pH<4）的环境中抑菌活性强。而大多数细菌的最适生长pH是7.2～7.6，在山梨酸抑菌活性pH范围内可以抑制细菌的生长，它主要用于抑制真菌[13]。山梨酸具有的潜在问题是其容易与蛋白质发生反应，形成络合物[14]。这些不利特性使得此类化学防腐剂在食品和制药中的应用范围受限。

3 具有抗菌性的天然物质

目前人们的食品安全意识逐步增强，为了追求更安全、高效的抗菌类物质，许多基于天然物质或以天然物质为基础加工的抗菌物质受到了市场的关注。当前用于抑制微生物生长从而延长食品货架期的低分子量物质包括酚类物质及其他类别物质，酚类物质由于同时具有抗菌、抗氧化、抗褐变好防止酸败等作用，应用范围更加广泛，而非酚类物质主要表现出抗菌性[15]。

3.1 酚类物质

3.1.1 肉桂酸、肉桂酸钾

肉桂酸（3-苯基-2-丙烯酸）在高等植物中分布广泛，其对大部分微生物都具有抑制作用。研究表明，肉桂酸对大肠杆菌（E. coli）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）、铜绿假单胞杆菌（Pseudomonas aeruginosa）、伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）与米曲霉（Aspergillus oryzae）等具有明显的抑制作用。将肉桂酸与巴氏杀菌助剂复配能够显著增强杀菌防腐效果[16]。肉桂酸可应用于粮食、蔬菜、水果和酱菜的保鲜防腐[17]。

肉桂酸钾添加到食品中后不会成为异体物质，在不改变食品风味和营养结构的前提下达到抑菌防腐的目的。肉桂酸钾在被人体摄入后能够转化为氨基酸参与代谢，同时提供钾离子，有效预防低血钾症。肉桂酸钾添加到食品中可替代传统防腐剂，还具有促进新陈代谢、扩张血管促进新陈代谢等作用，在功能饮料中具有广泛的应用前景[18-19]。

3.1.2 胡桃醌

胡桃醌（5-羟基-1，4-萘醌）是一种从胡桃树叶中分离出来的天然物质。胡桃醌对多种微生物均有抑制作用。能够被胡桃醌抑制的细菌种类非常广泛，有大肠杆菌（E coli）、克雷伯氏菌（Klebsiella）、肺炎链球菌（Pneumoniae）、空肠弯曲杆菌（Campylobacter jejuni）、葡萄球菌（Staphylococcus sp.）、分枝杆菌（Mycob-acterium sp.）与白喉杆菌（Coryneba-cterium diphtheriae）。胡桃醌在浓度为1～20 μg/mL范围内均具有杀菌活性[20]。

3.1.3 单芳香环酚类化合物

单芳香环酚类化合物包括：乙酰基愈创木酚、儿茶酚、甲氧基对苯二酚和原儿茶酸等。这些化合物在植物中天然存在，单芳香环类化合物具有良好的抗菌性、抗氧化能力、能够减少褐变反应和防止酸败等。又由于这类化合物在水相和油相中都具有良好的溶解性，因此这两相中由微生物引起的腐败变质均能够得到有效抑制[21]。研究表明，此类化合物能够抑制多种引起食品腐败变质的细菌，包括革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、酵母及

霉菌[22-23]。

儿茶酚MIC为400 μg/mL，其聚合物膜可用作包装材料，可延长产品的货架期。将含有儿茶酚基的3，4-二羟基苯丙氨酸与聚乙烯醇共混制备聚合物膜，并通过还原反应使银纳米粒子负载在聚合物膜的表面，可用作抗菌性包装材料、涂层材料和生物医用材料[24]。

乙烯基愈创木酚除了具有抗菌性，还具有抑制褐变的作用[25]。虫漆酶是铜离子氧化酶家族的一类蛋白，具有广泛的作用底物，如联苯酚，o-联苯酚和p-联苯酚等酚类物质。乙烯基愈创木酚是通过抑制虫漆酶，从而抑制氧化引起的褐变反应[26]。乙烯基愈创木酚还能通过抑制酪蛋白酶，从而阻止由酪氨酸氧化生成黑色素[27]。

甲氧基对苯二酚MIC为500 μg/mL，當浓度高于1 000 μg/mL时，对霉菌酵母有抑制作用[28]。但是研究表明，甲氧基对苯二酚对以下几种微生物无抑制作用，如金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、大肠杆菌（Escherichia coli）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、霍乱沙门氏菌（Salmonella choleraesuis）及卵状糠秕孢子菌（Pityrosporum ovale）[29]。

原儿茶酸（3，4-二羟基苯甲酸）广泛存在于植物，具有良好的抗菌作用。在体外试验中对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（E. coli）均有抑制作用[30]。槲皮素是黄酮类化合物，存在于许多植物的花、叶、果实中，多以甙的形式存在。研究表明，原儿茶酸与槲皮素1∶1时，能有效抑制肠炎沙门氏菌（Salmonella enteritidis）和蜡样芽胞杆菌（Bacillus cereus）[31]。

3.2 非酚类物质

3.2.1 大豆球蛋白碱性抗菌肽

大豆球蛋白碱性抗菌肽是利用等电点沉降法从豆粕中提取的碱性亚基部分[32]。大豆球蛋白碱性抗菌肽能够改变细菌细胞膜透性，导致细胞内钙、钾离子泄露，引起细胞局部结构改变形成细槽，从而使细胞塌陷[33]。研究表明，大豆球蛋白对大肠杆菌（E. coli）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、单增李斯特菌（Listeria monocytogenes）具有明显抑制作用[34]。将大豆球蛋白碱性抗菌肽添加至乳制品和肉制品，能够有效延长产品的货架期[35]。

3.2.2 糖醇类脂肪酸酯

糖醇部分包括赤藓糖醇、木糖醇，阿拉伯糖醇，山梨醇，甘露醇、麦芽糖醇等，脂肪酸类则包括C7～C20的饱和或不饱和脂肪酸。多元醇类单酯已被证实具有抗菌作用，尤其对枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、变异链球菌（Streptococcus）具有良好的抑制作用，对大肠杆菌（E. coli）和酵母也具有抑制能力[36]。可有效防止微生物降解食品，保持食品性状稳定。

3.2.3 蒜素

蒜素化学名称为二烯丙基硫代磺酸盐，是大蒜中主要的抗菌活性成分，同时也赋予了大蒜独特气味。蒜素具有广谱抗菌性。有研究表明，蒜素对导致食品腐败的几种病原微生物具有明显的抑制作用。如金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、大肠杆菌（E.coli）、沙门氏菌（Salmonella typhimurium）、单增李斯特菌（Listeria monocytogenes）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、白念珠菌（C. albicans）[37]。

其作用机理是可抑制转硫醇酶，而达到抑制细菌增殖的目的[38]，转硫醇酶是细菌增殖所必需的酶类物质。

研究表明，当蒜素浓度高于500 mg/kg的时候，可以用于食品保鲜，能够有效抑制大肠杆菌（E. coli）和沙门氏菌（Salmonella typhimurium）[39]。在制备方面，由于蒜素是由其前体物质“蒜氨酸”在蒜氨酸裂解酶的作用下水解而成的。只有当大蒜组织结构被破坏，才能通过水解反应产生蒜素。目前已有连续化方法生产蒜素，即通过柱填充固定化蒜氨酸酶，从而在植物体外实现蒜素的批量生产，提高其工业得率[40]。

3.2.4 茉莉酸、茉莉酸甲酯

茉莉酸类物质是广泛存在于植物中的生长调节物质，能够增强作物对抗病虫害的能力。当植物被微生物侵染时，植物内部的亚麻酸转化为茉莉酸，进而诱导次生代谢产物的合成，从而增强植物抗性[41]。茉莉酸及茉莉酸甲酯都参与调控，使植物产生对病原感染的抗性[42]。

在体外实验中，已证实茉莉酸具有抗菌性且茉莉酸甲酯也被认为是有效的微生物抑制剂。研究表明，在土豆贮藏过程中喷洒10 g/t的茉莉酸盐能有效抑制微生物引起的腐败变质[43]。枇杷、石榴采后，用茉莉酸甲酯处理能够显著提高果实中酚类物质及类黄酮物质的含量，改善果实品质的同时，提高其抗菌能力[44]。用茉莉酸甲酯处理采后的草莓，能够有效抑制灰霉病;用茉莉酸甲酯处理采后的葡萄柚，能有效抑制由青霉菌引起的腐败病害[45]。茉莉酸甲酯还能够延长新鲜采收的芹菜与辣椒的货架期，减少细菌侵染引起的产品变质[46]。

茉莉酸类物质还可与其他试剂复合使用，提高果蔬产品的抗菌性。茉莉酸甲酯与钙离子复合使用能够有效提高番茄对灰霉病的抗性。将茉莉酸和茉莉酸甲酯与氨基寡糖素等物质按比例混合，可有效对抗疫霉病、赤霉病、灰霉病等由霉菌侵染引起的疫病。此外，还有研究表明，在某些植物中，茉莉酸甲酯能够增强花生四烯酸的诱导抗性，从而达到抑制微生物的目的[47]。

4 展望

具有广谱抗菌活性的天然防腐剂的研究对食品、化妆品、医药等行业具有重大意义。稳定、安全的天然类防腐剂的商业化生产和应用将大大提高产品质量，更好的维护人类健康。当前，天然抗菌物质商业化应用的制约因素在于提取、分离纯化步骤复杂，技术要求较高。且部分天然抗菌产物来源于植物类产品，其含量、分布位置存在明显的季节性，具体应用时需要适时调节工艺。因此优化提取工艺、提高提取效率是提高天然抗菌物质应用范围的重要基础。

在实际应用中，各种防腐剂都具有一定作用范围，而防腐剂复合应用具有协同增效作用，将不同种类防腐剂复配不但能够减少添加量降低成本，还能够更大范围的抑制病原菌。因此复配天然防腐剂或将化学合成防腐剂与天然防腐剂复合使用或将成为新一轮研究热点。而加强防腐剂复配种类、比例及不同病原菌的最小抑菌浓度等基础性研究都对天然防腐剂的商业化应用具有决定性作用。

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作者简介：田卫政（1989—），女，山东龙口人，硕士，助理工程师。研究方向：食品添加剂检测。

通讯作者：赵舒景（1968—），女，河南洛阳人，硕士，副主任技师。研究方向：食品安全检测。