肉类生物保鲜剂应用现状及前景

魏子翔，李兰杰，张静静，种肖玉，邢敬亚，刘明丽，刘桂芹，*

（1.聊城大学生物制药研究院，山东聊城252059；2.聊城大学农学院，山东聊城252059）

肉类消费量在人们的饮食结构中占比越来越高，同时肉类添加剂的用量及安全性日益受到重视。肉类食物营养丰富且含水量高，极易引起微生物滋生及氧化变质。微生物通过降解蛋白质、脂肪等成分，产生挥发性胺、粪臭素等引起肉类制品的食用安全问题。肉类腐败或食源感染的微生物主要包扩大肠杆菌、沙门氏菌、产气荚膜梭菌、厌氧肉毒杆菌、李斯特菌、金黄色葡萄球菌和结肠炎叶杆菌等能分解利用蛋白质的种类[1]。在肉类食品加工、运输、贮藏过程中需要使用添加剂抑制或杀死这些微生物以防止肉类腐败变质或引起食源性感染。

目前肉类生产中常用的防腐剂以苯甲酸盐、亚硝酸盐、羟基苯甲酸酯等化学合成物质为主[2]，而这些广泛使用的化学防腐剂多具有致癌性、致新生儿畸性[3]等不安全因素。生物保鲜剂具有来源广泛、用量少、低能耗、低毒性、效果好，同时具有杀菌、抑菌、抗氧化、除臭、赋予食品特殊风味和生理调节功能等诸多优点。生物保鲜剂是将具有抑菌或抗氧化活性的一种或几种天然物质配制成适当浓度的溶液，通过浸泡、喷淋或涂膜等方式应用于生鲜食品中，从而起到防腐保鲜的效果[4]。生物保鲜剂多为天然提取或发酵生产，高效安全，已经成为肉类保鲜技术领域的研究热点。

1 生物保鲜剂的种类

生物保鲜剂是指通过生物分离工程直接或间接从生物中提取的具有保鲜功效的物质。目前食品加工业根据生物保鲜剂的来源通常将其分为动物源保鲜剂、植物源保鲜剂、微生物源保鲜剂[5]。现将肉中常用生物保鲜剂种类及其作用方式、特点进行概述。

1.1 动物源生物保鲜剂

1.1.1 壳聚糖

壳聚糖是来自于动物虾、蟹、昆虫软骨中提取的甲壳素经脱乙酰化得到的唯一具有正电荷碱性多糖类物质，因其具有来源广泛、安全无毒、良好生物相容性和能够结合负电荷特点被广泛运用到食品工业中[6-8]。壳聚糖通过氨基正电荷结合电子抑制细菌生长，而良好的成膜性可以隔绝空气，减少氧化变质速度。在肉类保鲜研究中，孙小惠等用2%壳聚糖喷涂鲤鱼片，可以改善4℃贮藏条件下鱼片品质，并延长货架期2 d[9]。壳聚糖不易溶于水及有机溶剂，常需冰醋酸作为溶解助剂促进溶解。因此生产中多选用与其他保鲜剂复配，通过联合使用降低用量而增加其实用性。如Ali Khezrian等用壳聚糖、紫荆花精油、羧甲基纤维素进行复合正交试验，探究出喷涂2%壳聚糖+2%紫荆花精油+1%羧甲基纤维素钠的复配保鲜剂能有效延长冷藏条件下骆驼肉货架期[10]。近几年研究表明壳聚糖是动物源经济又有效的生物保鲜剂，它作为一种良好的成膜保鲜剂已被广泛运用到肉类保鲜中。

1.1.2 鱼精蛋白

鱼精蛋白是一类从鱼类精巢中成熟精子中提取出的一类富含精氨酸的碱性蛋白质。曹文红等[11]、王灵桥等[12]报道鱼精蛋白通过阻碍细菌细胞壁合成达到抑制作用，并对沙门氏菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等食源性致病菌有显著抑制效果。鱼精蛋白因其易提取，广谱抑菌特点被研究人员用于肉类保鲜剂研究中。李燕等在鱿鱼精巢组织中提取鱼精蛋白制成0.2%的蛋白悬液浸泡鱼糜，发现其能延缓鱼糜变质2 d～3 d[13]。与其他生物保鲜剂一样，鱼精蛋白与其他保鲜剂复配用于肉类保鲜，效果具有叠加效应。如国竞文等用0.1 g/kg迷迭香+0.3 g/kg鱼精蛋白对鲢鱼肉糜鱼丸进行低温贮藏试验发现，复配保鲜剂在抑菌作用、水分含量、口感等方面都有明显改善[14]。目前对鱼精蛋白的保鲜应用研究多集中在水产品中，伴随着提取工艺的不断改善和生产成本的不断降低，其在各类肉制品中的应用具有相当广阔的前景。

1.1.3 溶菌酶

溶菌酶是一种通过水解细菌细胞壁达到杀灭细菌的碱性蛋白酶，通过水解β-1，4糖苷键与肽链尾端酰胺键溶解细菌细胞壁[15]。蛋清溶菌酶提取技术较为成熟，目前工业生产中多采用直接结晶法、亲和色谱法、超滤与亲和色谱联合使用等方法生产溶菌酶[16]。因其成本低廉、安全性高已在世界范围内被广泛应用到食品防腐保鲜中。溶菌酶对革兰氏阴性菌抑制效果差，目前在肉食保鲜中往往通过与其他保鲜剂如壳聚糖、山梨酸钾等复合使用以达到最佳抑菌效果。

1.1.4 乳铁蛋白

乳铁蛋白是一种来源于乳汁中分子量为80 kDa的天然广谱抗菌单链铁元素结合蛋白。目前人们对乳铁蛋白抑菌机制研究集中在以下3方面。1）结合铁元素，使细菌缺乏铁元素死亡；2）结合细菌细胞膜膜脂，改变膜通透性引起细胞死亡；3）特异性结合细胞膜表面质子泵受体，影响腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）正常合成过程。乳铁蛋白结合氧化态铁元素的特性，抑制自由基产生，从而抑制脂质过氧化。乳铁蛋白性质稳定，在pH 2.2环境下仍具有活性。现有研究证明乳铁蛋白及其酰胺化及胃蛋白酶产物对食源性大肠杆菌、沙门氏菌具有良好抑制作用[17]。罗红霞以鲜猪肉为材料分别浸泡1%乳酸菌链球素（Nisin）和1%乳铁蛋白肽处理发现乳铁蛋白组抑菌效果明显优于Nisin组，延长保鲜期至19 d[18]。乳铁蛋白安全性高、生产工艺流程成熟、良好的抑菌与抗氧化良好等特点使其应用于肉类保鲜具有广阔前景。

1.2 植物源生物保鲜剂

1.2.1 植物活性物质

植物是一个含有天然抑菌物质的宝库。植物源生物保鲜剂来源广泛，种类繁多。植物天然活性物质保鲜应用是研究热门领域，如多酚类物质：茶多酚、丁香酚、苹果多酚；黄酮类、多糖类物质已有很多研究。

茶多酚是从茶叶中提取的一类无毒无异味的抗氧化抑菌物质，通过结合细菌DNA，破坏细胞膜凝固细菌蛋白来达到抑菌效果[17]。大量研究证实茶多酚在鲜肉、冷却肉中具有良好的抑菌、抗氧化作用。FAN.W等在低温冷藏条件下使用0.2%茶多酚喷涂鲢鱼，测定总菌数、挥发性盐基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）等指标，发现都受到明显抑制[19]；WANG-W.D等通过对茶多酚、壳聚糖和山梨酸钾进行复配应用于羊肉涂膜保鲜发现，显著优于使用单一保鲜剂组[20]。近些年酚类物质用于改善肉质的研究也广受关注，Kroll等发现多酚物质能通过结合抑制水解肌红蛋白的胰凝乳蛋白酶、胃蛋白酶和胰酶抑制水解肌红蛋白[21]。姚波等配制0.15%茶多酚加0.15%茶黄素对于牛肉棒保质护色有显著的效果[22]。

黄酮类物质作为植物源活性物质在肉类保鲜中也有良好的效果，吴秋敏等利用提取黄秋葵花黄酮组分与壳聚糖组对冷鲜肉保鲜作用对比发现，黄酮类化合物抑菌、抗氧化作用与壳聚糖类似[23]。李钟美等对高良姜黄酮类粗提和纯化后应用于虾、鱼肉糜中发现，其抑菌效果明显优于山梨酸钾[24]。黄酮类提取分离纯化工艺简单，且植物源黄酮类来源广泛，具有价格低、用量少的特点，作为一种新兴的植物源保鲜剂可开发空间巨大。

1.2.2 植物精油

植物精油是从植物根茎花叶中通过蒸馏或机械压榨而得到的芳香挥发性混合物，是萜类、酚类、鞣质、皂素类化合物的总称。植物精油具有易挥发、易吸收的特点。植物精油不仅被应用在化妆品中，也作为天然食品添加剂如抗氧化剂、抑菌剂、矫味剂等被应用于食品中。Moradi等的研究发现其在抗氧化方面也有显著效果[25]。植物精油相比于其他植物源生物保鲜剂，其使用剂量低，我国现行食品安全国家标准规定迷迭香精油提取物以不超过0.3 g/kg的量添加到肉制品中可起到很好的保鲜效果[26]。植物精油作为食品保鲜剂、矫味剂具有良好的应用前景。大量的研究结果[27-29]证实了植物精油作为肉类和鱼类加工功能成分的潜力。由于植物精油与其他生物保鲜剂价格差异较大，因此选用易提取、量大分布广的植物生产方式是未来的研究方向。

1.2.3 中药材

以植物为基源的中药材数目众多，其中被收入我国药典的多达530余种。多数中药材被研究者证明存在良好的抑菌作用[30]。但一些具有良好抗菌性的中药往往体内毒性较大、副作用明显而不宜作为食品保鲜剂。因此具有药食同源的中药材成为了天然保鲜剂的最佳选择。徐谓等应用甘草提取物喷淋兔肉糜发现其对蛋白和脂肪酸氧化均表现出极好抑制作用[31]。不同种药材的复配或与不同类型的保鲜剂复配方式协同增加抑菌抗氧化作用正日益成为研究热点。张慧芸等对牛至、甘草、当归等中药进行复配后，发现其对骆驼肉具有良好的抗氧化作用[32]。刘骞等用不同浓度丁香提取物与Nisin复配对鲤鱼鱼肉糜涂抹发现，复配保鲜剂具有抑菌、提味、改善口感的作用[33]。中药材作为我国传统文化瑰宝，发掘潜力巨大。但由于其组成成分复杂，在积极探索开发新型肉质保鲜剂的同时，还要注意加强对人体内毒性和代谢途径的研究，确保安全的前提下进行推广应用。

1.3 微生物源生物保鲜剂

1.3.1 细菌素

乳酸菌链球素（Nisin）是由乳酸菌代谢产生的、由34个氨基酸与修饰基团羊毛硫氨酸和β-甲基羊毛硫氨酸等非编码氨基酸组成的天然活性抗菌肽，属于I类细菌素（class I），能够广泛抑制革兰氏阳性菌[34]。Nisin是一种成熟的，被广泛应用于食品保鲜行业的微生物源保鲜剂，由于人体摄入后可完全水解为氨基酸而进入分解代谢，所以具有很高的食用安全性。国内外对Nisin的研究发现其主要通过静电作用穿透细胞壁，到达细胞膜并结合其表面脂质成分，从而引起细胞质流出而杀死细菌[35-37]。用Nisin处理新鲜猪肉发现其对乳酸菌、金黄色葡萄球菌的抑菌效果优于山梨酸钾和双乙酸钠[38]，李儒仁等发现将Nisin与壳聚糖联合用于冷鲜牛肉效果更好[39]。

片球菌素Pediocin PA-1与Nisin同源，由乳酸菌代谢产生，是一种不被修饰基团修饰的抗菌肽。片球菌素的发现晚于Nisin，属于Ⅱ类细菌素（classⅡ）。片球菌素对大多数致病菌和腐败菌均有良好的抗菌活性，其也是由静电结合作用介导跨越细胞壁，与Nisin不同的是，片球菌素通过疏水端插入细菌细胞膜形成孔洞，促进细胞膜去极化，导致细胞死亡[40]。片球菌素的生产发酵过程目前主要集中在实验室研究阶段，未来通过设计重组高表达工程菌、优化发酵条件、改进分离纯化手段等提高片球菌素的产量与纯度，有望实现大规模的工业化生产。Blay等[41]发现Pediocin PA-1组对来自肉汤李斯特菌和其他食物病原细菌抑制效果优于Nisin A和Nisin Z组；CHEN等[42]发现片球菌素能有效抑制法拉克香肠中李斯特菌生长，并能够在4、10℃下延长香肠货架期至12周，25℃下12 d。片球菌素良好的耐热性使其能够与肉制品共同进行高温处理、耐酸性使其能与其他酸类防腐剂具有很好的协同抑菌效果，具有良好的市场开发前景。

1.3.2 多烯大环内酯类代谢物

纳他霉素是由链霉菌发酵产生的天然抗真菌化合物，可有效地抑制真菌生长。目前纳他霉素主要应用于鲜肉以及熟食风味肉制品的防腐保鲜中。纳他霉素可通过与抑制细菌的保鲜剂复配，达到减少用量的目的。如李珍爱等对虾肉涂抹复配普鲁兰多糖、柠檬酸钠、纳他霉素保鲜液延长贮藏期[43]。李娜等在4℃冷藏条件下用0.05%Nisin+4.00%乳酸钠+0.02%茶多酚+0.01%纳他霉素复合后处理预制鸡丁，发现保鲜效果显著[44]。纳他霉素作为抗真菌的天然抑菌保鲜剂越来越受到研究者关注，其应用空间不断加大，是今后代替化学防腐剂的优良选择。

1.3.3 抗菌多肽

ε-聚赖氨酸是一种通过小白链霉菌发酵获得的由25～30个赖氨酸组成的同聚物，可有效抑制革兰氏阴、阳性菌。ε-聚赖氨酸通过破坏细胞壁、细胞膜以及结合DNA来抑制细菌增殖。ε-聚赖氨酸作为一种水溶性好、抑菌谱广的成熟保鲜剂早已应用于肉品保鲜中[45]。许多学者研究发现其与纳他霉素、壳聚糖等联用对于肉制品抑菌保鲜效果更加突出[46-49]。我国通过高校与生物企业联合研发，已掌握生产制备核心技术，并于2014年获批ε-聚赖氨酸作为防腐剂添加入食品中[26]。所以以ε-聚赖氨酸为原料的复合保鲜剂开发前景巨大。

2 生物保鲜剂授权专利情况

2.1 近5年国内外专利获批情况统计

生物保鲜剂近些年一直是国内外食品行业所关注的研究热点，方法、种类及产品专利也与日俱增。基于Scopus数据库和Soopat专利网站，以“biological preservative and meat”、“生物保鲜剂”为检索策略进行检索，得到近5年来国内外在肉类生物保鲜剂获批专利情况，如图1所示。

图1 近5年国内外生物保鲜剂获批专利统计Fig.1 Biological preservative approved patent statistics in China and abroad in recent five years

从图1可以看出，近5年国内外专利获批数目呈快速上升趋势，但我国与国外专利数量存在明显差异。这可能主要是因为我国在此领域起步较晚，国家对生物保鲜剂审查和批复周期较长等原因造成。但是随着我国近10多年对生物类保鲜剂研发的不断投入，国家在专利等科研成果转化等方面的保障措施不断完善，我国在这一方面会获得飞速发展。

2.2 我国部分肉制品生物保鲜剂专利统计

我国批准生产并获批的肉类专用生物保鲜剂的名称、组成成分及其对应主要作用如表1所示。

表1 我国肉制品生物保鲜剂部分代表专利Table 1 Some sepresentative patent of biological preservative in the preservation of meat products in China

由表1可知，我国家禽、家畜及水产肌肉常用的生物保鲜剂多为复配形式，其中有效成分以壳聚糖、Nisin、溶菌酶、聚赖氨酸和植物提取物为主。应用范围包括冷鲜肉、肉糜制品等的延长保鲜期及改善肉品质。

3 生物保鲜剂存在的问题

3.1 大众认知接受度欠缺

消费者传统观念里对食品添加剂有较深的误解，特别是对保鲜防腐剂出现谈虎色变的抵触心理，认为无任何食品添加剂的食品为优质食品。生物保鲜剂对消费者来说十分陌生，人们在追求绿色安全肉品质的同时，对保鲜剂抱有怀疑态度，特别是复合保鲜剂应用更会使民众觉得不放心。如会认为Nisin是一种抗生素，食用会导致机体产生耐药性影响机体健康；植物提取物尤其是中药提取物成分复杂，对其食用安全性存疑。因此生物保鲜剂的推广需要社会和专家学者对相关知识的宣传、普及、误区解答，提高消费者对生物保鲜剂的认知度，从而提高接受度。

3.2 成本制约

化学防腐剂经过长时间发展已经形成了成熟的合成生产工艺，其生产成本低廉。相较于化学防腐剂，目前多数生物保鲜剂存在原材料昂贵、分离纯化效率低下、设备投资较大等问题制约其发展。我国生物保鲜剂市场规模相对较小的主要原因是发酵工艺落后、分离纯化成本较高。因此加大对价格低廉原材料的筛选、高产菌种的筛选、提取工艺的优化等是扩大生物保鲜剂市场占有率的主要途径。

3.3 食品安全性研究薄弱

中草药、植物精油成分复杂，现阶段研究多是通过蒸馏、压榨等方式提取活性成分，该方法溶剂残留、提取成分纯化困难等造成的食品安全问题是现在使用的又一问题。目前该类保鲜剂主要聚焦在肉类的保鲜效果和体外细菌抑制特性探究上。由于该方法是生物提取，因此对体内代谢研究较少，未能深入到对机体做出系统安全性评估。

3.4 产品稳定性差

该类保鲜剂由于多是生物提取，受提取条件、原材料、贮存环境等条件影响，其活性成分含量及生物活性稳定性较差。很多研究仅仅停留在实验室阶段，实验室筛选出的大多保鲜剂类型只能应用到一种或几种特定的肉类保鲜中，除了Nisin、纳他霉素、壳聚糖等，较少能研究设计出针对不同条件、不同肉制品依然具有良好保鲜效果的类型，很难实现不同肉类的普适性。因此其应用范围较窄，经济效益较差。

4 生物保鲜剂使用的市场前景

肉类产品有效延长保质期，一直是食品工业研究的热点领域。天然生物保鲜剂的出现为此提供了解决方案。生物保鲜剂经过多年研究，已经被证实具有传统化学防腐剂的防腐、抗氧化的效果，并能改善肉质风味等品质。

我国作为一个肉类消费大国，且生物保鲜剂原料资源丰富，以及上游基因编辑改造技术及下游发酵和提取技术的不断发展进步，为发展推广绿色安全的生物保鲜剂产业基础提供了坚实的基础。肉类产业的规模日渐庞大，生物保鲜剂在肉类食品行业发展中扮演角色日益显著，通过普及生物保鲜剂，消费者将会购买到更加安全、美味、放心的肉制品。