食品天然防腐剂及其应用研究进展

2024-05-29张彤杨忠仁张凤兰

中国调味品 2024年4期

关键词：食品加工作用机理保质期

张彤杨忠仁张凤兰

摘要：天然防腐剂主要从植物、动物和微生物中提取分离，其在食品中的应用提高了食品的安全性并延长了其保质期。文章阐述了天然防腐剂的类别和作用机理，以及天然防腐剂在食品加工中的应用，以期为食品天然防腐剂的研究和发展提供参考。

关键词：天然防腐剂；食品安全；食品加工；保质期；作用机理

中图分类号：TS202.3 文献标志码：A 文章编号：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：国家自然科学基金项目（31760081）；内蒙古自治区种业科技创新重大示范工程“揭榜挂帅”项目（2022JBGS0028）；内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目——种业振兴领军人才专项基金（BR22-11-06）

作者简介：张彤（1999—），女，硕士研究生，研究方向：蔬菜种质资源与开发利用。

*通信作者：张凤兰（1979—），女，副教授，博士，研究方向：种质资源与开发利用。

为抑制细菌和真菌的生长、提高食品的质量和保质期，天然防腐剂被广泛应用。天然防腐剂主要从植物、动物和微生物中提取和分离。学者越来越重视将草本植物和香料作为天然抗菌素使用[1]。食品发酵的微生物不仅可以产生细菌素，而且可以产生有机酸、过氧化氢和双乙酰等防腐代谢物。动物的各类组织内可以提取不同的防腐剂。虽然天然防腐剂在食品应用中的有效性受到食品成分、加工方法和储存条件的影响，但是其可以满足消费者对健康食品的需求。国内学者多集中于研究天然防腐剂的使用范围和抑菌特效，康凌宇[2]简单描述了从植物中提取天然防腐剂的过程和应用；韩金龙等[3]综合论述了3类天然食品防腐剂；高志鑫等[4]研究了在肉制品保鲜中不同天然防腐剂的应用情况；杨连战等[5]主要研究了植物源天然防腐剂的抑菌机理。而国外学者对天然防腐剂的研究广泛，较国内学者更注重天然防腐剂的提取和具体应用，Awad等[6]将植物提取物应用于肉类防腐；Islam等[7]将生姜中提取的防腐物质应用于罗非鱼的加工中；Mahdavi-Roshan等[8]概述了蜂胶提取物对加工鸡胸肉品质和保质期的影响。

天然防腐剂可以添加至产品配方中或涂在食品表面，也可添加至食品的包装材料中。不同食品工业应用不同种类的天然防腐剂，如提取出的植物精油、分离出的动物酶和获得的微生物细菌素、有机酸和天然聚合物（壳聚糖）等[1]。关于天然防腐剂的研究，包括从植物和动物中发现的抗菌和抗氧化剂、应用于天然食用涂料以及通过提高提取物的抗菌活性来提高食品安全和保质期等方面都有学者进行探讨，然而目前还缺乏对天然防腐剂来源和应用的综述。因此，本文结合天然防腐剂的作用机理及存在问题，阐述了天然防腐剂在腌制食品中的应用，为食品天然防腐剂的发展提供了一定参考。

1 天然防腐剂类别

天然防腐剂提取于植物、动物和微生物中，并广泛应用于食品保鲜和化妆品等领域[9]。按其材料来源可以分为动物类天然防腐剂、植物类天然防腐剂和微生物类天然防腐剂。

1.1 动物类天然防腐剂

从动物中提取的防腐化合物被应用于各领域，动物类天然防腐剂及其应用见表1。壳聚糖[10]是一种聚阳离子生物聚合物，通常从甲壳类动物（螃蟹、龙虾）的外骨骼中提取。由于壳聚糖不能在中性条件下溶解，因此其在食品保存方面的应用有限。除壳聚糖外，从鸡蛋和牛奶中提取的溶菌酶也可以作为一种安全的天然防腐剂。乳铁蛋白[11]是在哺乳动物的唾液、乳汁和眼泪等分泌物中发现的天然防腐剂之一，有助于减少所应用环境中的铁含量，可以抑制大肠杆菌的微生物活性。抗菌肽[12]是牛奶中的天然防腐剂，对细菌、真菌和病毒具有强大的抗菌特性。牛奶、山羊奶、水牛奶、猪奶和母乳中都可提取出抗菌肽。

1.2 植物类天然防腐剂

从蔬菜、水果、草药和香料中可以提取植物类天然防腐剂。水果和蔬菜（大蒜、胡椒、洋葱、卷心菜和番石榴）、种子和叶子（橄榄叶、欧芹、葛芹、肉豆蔻、茴香和葡萄种子）以及药草和香料（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质[24]。长期以来，不同植物精油（EOs）和植物提取物被用作天然防腐剂和食品添加剂，适当改善食品风味的同时可延长其储存时间[3]。植物含有酚类、异黄酮类、酮类、酸类和醛类等大量次生代谢物，还含有天然生成的多酚类化合物、萜烯类化合物和生物碱等，可以限制或阻碍有害细菌的生长，保护食草动物免受微生物病原体的危害[9]。植物次生代谢化合物中主要有酚类和多酚类，同时还有一些微量化学物质，如黄酮类化合物。大量EOs已被公认安全并可用作天然的食品防腐剂，其可从各种植物成分中提取，包括花、种子和叶子，有甜味且具有高挥发性，含氧萜类化合物发挥主要的防腐性能，是食品防腐中重要的植物化学物质[25]。从植物、香料和草本植物中提取的EOs具有很高的蒸汽压，可以通过液相和气相进入微生物内，其疏水性与微生物细胞膜上的脂质发生反应，导致细胞壁分解，有害细胞的原始结构被破坏[26]。代金龙[27]阐述了将美国薄荷精油作为一种天然防腐剂对采摘后的蓝莓进行保鲜处理，成效显著。赵荣祥[28]采用浸泡法测定了不同浓度八角茴香油和丹参乙醇提取物对苹果和番茄的保鲜效果，结果表明八角茴香油和丹参乙醇提取物对苹果和番茄都具有较好的保鲜效果。陈林林[29]专门针对褐变了的鲜切马铃薯和猪肉分析了植物精油（柑橘皮精油）的保鲜作用。蔓越莓、大蒜、生姜、葡萄、红洋葱、红卷心菜、大黄、覆盆子、石榴、菠菜、草莓和绿茶的天然防腐作用均已有学者研究[30]。水果、蔬菜、坚果、种子、茎、花和叶子都含有皂苷和黄酮类化合物且具有防腐作用。不同植物产生的防腐物质有不用的防腐效果，植物类天然防腐剂及其应用见表2。

1.3 微生物类天然防腐剂

部分具有腐败性的细菌、真菌和霉菌等微生物会引起食品的气味和组织结构发生不良反应并产生有害的化学物质，食品行业添加的部分微生物类天然防腐剂见表3。革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、肉毒梭菌、粪肠球菌和李斯特菌可以产生细菌素，细菌素渗透到细胞质膜上使细胞内的代谢物流出，从而导致食物腐败。细菌素是一种可降解的蛋白酶，因此可作为天然防腐剂[47]。乳酸链球菌素（Nisin）是一种通常用于奶酪和香肠制作的细菌素，由镧硫氨酸、脱氢丙氨酸和氨基丁酸等氨基酸组成，可以抑制多种革兰氏阳性菌和金黄色葡萄球菌[48]。乳酸菌（LAB）是可以产生防腐物质的益生菌，其中过氧化氢和有机酸等物质有效延长了易腐食品的使用寿命[49]。乳酸菌中提取的双乙酰[50]可作为天然的食品防腐剂。罗伊氏乳杆菌[51]可以有效抑制革兰氏阳性菌和酵母菌等的活性。辣椒素[52]也被广泛应用于各种食品的天然防腐处理。随着科学技术的提高，更多的微生物提取物可以被用于加工食品的防腐处理，提取工艺的提高可以使微生物类天然防腐剂更安全。

2 天然防腐剂的作用机理

传统的食品防腐剂主要作用于细胞壁和细胞膜系统。目前学者发现天然防腐剂的原理是抑制细胞的呼吸途径，其抗菌能力与抑制呼吸途径和作用的强度有关。天然食品防腐剂的作用机理为遇到生物膜后直接破坏细胞的能量代谢，从而破坏细胞器，胞内溶酶体膜破裂后有害微生物自溶，达到防腐的效果[62]。

目前常用于食品防腐的物质包括两类：一类是集中体现抗菌性、抗氧化性和抗变褐等的酚类防腐物质；另一类是主要体现抗菌性的非酚类防腐物质[63]。

2.1 酚类物质

几种代表性酚类物质常被应用于食物的防腐。大部分微生物都可被高等植物中的肉桂酸抑制，从而达到防腐效果。肉桂酸对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、铜绿假单胞菌和鼠伤寒沙门氏菌等具有明显的抑制作用[64]。王璐[65]运用正交实验法制作肉桂酸保鲜剂，并研究了肉桂酸保鲜剂对采后的海鲜菇的保鲜效果。肉桂酸对粮食、瓜果、蔬菜和酱腌菜的防腐保鲜效果良好，余毅等[66]在无真空包装的前提下，对比3种防腐剂对酱腌菜的防腐保鲜效果，结果表明同种酱腌菜类型下肉桂酸复配型天然防腐剂效果最好。肉桂酸钾是一种不改变食品风味和营养结构，进入人体后可提供人体所需的钾元素，并转化为氨基酸参与代谢的防腐剂。肉桂酸钾是对传统防腐剂改进后产生的，广泛应用于功能饮料中[67]。从胡桃树叶中分离出的胡桃醌可以抑制大肠杆菌、克雷伯氏菌、肺炎链球菌、空肠弯曲杆菌、葡萄球菌等，王刚霞[68]利用核桃青皮提取物胡桃醌对几种果蔬进行保鲜处理，对番茄、石榴和甜瓜有良好的保鲜效果。

单芳香环酚类化合物在天然植物中存在，溶解性较强，因此可以抑制水相和油相中引起腐败的微生物的活性，包括乙烯基愈创木酚、儿茶酚和甲氧基对苯二酚等化合物，具有抗菌、抗氧化、抗褐变和抗酸败等作用，这类化合物能够抑制革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和霉菌等[69]。儿茶酚通过还原反应制作的聚合物膜涂料，可用于食品的抗菌包装和一些医用的生物材料等[70]。江晖[71]对儿茶酚氧化酶催化儿茶酚氧化的反应进行动力学处理，结果表明其具有食品防腐作用。乙烯基愈创木酚可以应用于食品防腐，其作用机理是通过抑制酪蛋白酶来阻止食品褐变。赵庭等[72]和崔云前等[73]建立了发酵动力模型，将乙烯基愈创木酚应用于发酵小麦啤酒的防腐。原儿茶酸提取于植物体内，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均有抗性和抑制作用[74]。槲皮素提取于植物的花、叶、果实中，赵钜阳等[75]将槲皮素应用于大马哈鱼复合香肠的贮藏工艺中，研究表明在不影响其风味的情况下可用于食品防腐。

2.2 非酚类物质

几种典型的非酚類物质被应用于食物防腐。豆粕中的大豆球蛋白碱性抗菌肽改变细菌细胞膜通透性，可导致细胞内钙、钾离子泄露，引起细胞塌陷，主要有效抑制单增李斯特菌[76]。还可将大豆球蛋白碱性抗菌肽添加至乳制品中，能够有效延长食品的保质期，赵国萍[77]将大豆球蛋白碱性亚基添加至牛乳中，有效提高了该类防腐剂的保鲜效果。糖醇也被人们广泛应用于食品添加剂中，欧盟和美国将甜菊糖、赤藓糖醇和木糖醇用作食品甜味剂[78]。谢佩文[79]将复配山梨酸钾和海藻糖添加至鲜湿面中，提高了其保鲜效果。蒜素提取于大蒜中，是大蒜发挥独特气味的原因，其作用机理是抑制转硫醇酶的生成，从而控制细菌增殖，如食物中常见的金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌、单增李斯特菌和枯草芽孢杆菌等[80]。孙桂琳等[81]从大蒜中提取蒜素，发现其对5种植物病原真菌有明显的抑制作用。蒜素是蒜氨酸裂解酶水解产生的，有实验证明在植物体外通过柱填充固定化蒜氨酸酶蒜素的批量生产，实现蒜素的工业化生产[82]。茉莉酸类物质是一种植物生长调节物质，通过诱导合成次生代谢产物，从而增强植物的抗性，如茉莉酸、茉莉酸甲酯。孙晓文等[83]研究了茉莉酸和茉莉酸甲酯在园艺作物生产中的应用，为茉莉酸类物质在园艺作物生产中的推广应用提供了依据。李秋利等[84]将茉莉酸甲酯和二氢茉莉酸丙酯应用于晚熟桃“映霜红”的保鲜处理。王媛花[85]用茉莉酸甲酯和蔗糖处理草莓，能够有效控制草莓采后易发生灰霉病的情况。王宇等[86]利用茉莉酸甲酯抑制番茄颈腐根腐病。

3 天然防腐剂的应用

3.1 可食用涂料

有研究证明天然防腐剂可用于可食用涂料，其原理是直接应用于食品系统时防腐物质在食品中迅速扩散，从而减少微生物污染。天然防腐剂制成的可食用涂料通过减少活性化学物质在食物表面的扩散[87]，使活性化学物质浓度长期保持抑制微生物生长的水平，天然防腐剂在可食用涂料上的应用见表4。可食用涂层可以作为半渗透屏障，保护食品免受水分流失、溶质迁移、气体交换、呼吸和氧化过程，它是由天然聚合物制成的薄层，使用各种机械方法应用于食品表面，如喷涂、浸渍和静电沉积等[88]。涂层特性（成分、化学结构、涂层溶液黏度和涂层厚度等）、加工条件（温度、pH值和溶剂类型）以及添加剂的类型和浓度都影响可食用涂料的功能[89]。天然防腐剂通过减少加工产生的有害物质，提高了可食用涂料的性能，可食用涂料作为输送系统能提高易腐食品的保质期，如新鮮或简易加工水果、海鲜、家禽和肉制品[90]。胡慧霞[91]将一种具有强抗氧化性和抗菌性的多酚类物质——儿茶素制备成食品活性包装膜和涂膜保鲜剂，并将其用于食用油和猪肉的保鲜。

3.2 抗氧化剂

抗氧化物质通过降低氧化酸性并改变食物的颜色来提高食品的保质期，如酚类化合物、维生素C和维生素E是发挥自由基作用的天然抗氧化剂[100]。植物中各种活性化学物质是抗氧化剂的良好来源，香料、柑橘果肉、果皮和油籽都富含抗氧化物质[101]。蜂蜜中的活性物质包括酚酸、维生素和酶等，具有较强的抗氧化活性[102]。研究表明连翘叶、黄芩中活性成分连翘酯苷A、黄芩苷和黄芩素具有抗氧化、抗菌等生理活性，黄芩提取液可用于草莓和贡梨的保鲜，连翘提取液可用于香肠的防腐[103]。香料和精油中的抗氧化物质可作为天然防腐剂使用，广东食品工业研究所采用超临界二氧化碳萃取技术和分子蒸馏技术从香辛料中提取有抗氧化、抗菌作用的精油成分，从而提高了这类抗氧化天然防腐剂的应用水平[104]。

3.3 腌制食品防腐

腌制食品是一种佐餐小菜，随着人们健康饮食意识的不断提高，低盐度且应用天然防腐剂的腌制食品得到了迅速发展，腌制食品的防腐保鲜问题有待解决，不改变食物风味，可选用肉桂酸、复配壳聚糖和茶多酚等聚赖氨酸和曲酸达到防腐效果[105]。在酱腌菜中添加不同浓度的肉桂酸复配型天然防腐剂，结合数据分析发现无真空包装下肉桂酸复配型天然防腐剂的防腐保鲜效果明显[106]。浙江农林大学发现聚赖氨酸复配防腐剂对腌制萝卜有明显的防腐效果[107]。谢主兰等[108]用不同浓度的壳聚糖对腌制鱿鱼进行涂膜处理，以感官评定、细菌总数及pH值作为鲜度指标，发现壳聚糖涂膜保鲜对延长腌制鱿鱼的保质期具有较大的可行性。李成[109]发现复合保鲜剂对蟹糊腐败菌和致病菌有显著抑制作用，且能够维持蟹糊在贮藏期间的品质。

国内外学者正致力于寻找具有广泛抗菌作用的天然食品防腐剂。天然抗菌物质、天然抗氧化剂和天然可食用涂料等都是保护食品免受细菌和其他过程破坏的必要物质。从瓜果、蔬菜和香料等中提取的抗菌物质是食品中常用的天然防腐剂，动物中的抗菌物质也有效应用于各种乳制品的天然防腐处理，而微生物中的抗菌物质常与机械工艺结合用于食品防腐处理。目前国外天然食品防腐剂的研究与应用技术日趋发达，而我国也在逐步发展。随着抗菌活性物质作用机理的揭示，种类更多天然防腐剂被开发利用，利用其无毒副作用的特点创新应用是未来天然防腐剂的发展趋势。

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