生物保鮮劑應(yīng)用于水產(chǎn)品保鮮的研究進(jìn)展

劉寒，錢磊，張志軍，張業(yè)尼，*

（1.天津農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與生物工程學(xué)院，天津300384；2.天津市林業(yè)果樹研究所，天津300384；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384）

中國作為世界漁業(yè)大國，具有淡水養(yǎng)殖規(guī)模大、水產(chǎn)品消費(fèi)市場容量大等特點(diǎn)。2016年我國水產(chǎn)品總產(chǎn)量達(dá)6 900 萬噸，比上年增長3.0%[1]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國水產(chǎn)品產(chǎn)量仍呈現(xiàn)逐年上升趨勢。

水產(chǎn)品富含水分、蛋白質(zhì)以及多種不飽和脂肪酸，極易受到外界環(huán)境影響而發(fā)生腐敗變質(zhì)[2]。目前，用于水產(chǎn)品貯存的技術(shù)包括熱處理、化學(xué)防腐劑、氣調(diào)包裝或冷藏，但是，這些技術(shù)并不能完全防止腐敗菌滋生。此外，消費(fèi)者對水產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，在保證高品質(zhì)的同時(shí)也需要維持較低的加工水平。近年來，腌制、熏制和制造海鮮罐頭等傳統(tǒng)工藝已經(jīng)減少，水產(chǎn)品保鮮多采用低鹽、低加熱處理和在真空或氣調(diào)下包裝，但是，這些工藝使食品安全沒有保障，增加了食源性疾病爆發(fā)的可能[3]。

生物保鮮劑安全無毒、來源廣泛，在保持食品原有風(fēng)味和營養(yǎng)成分的基礎(chǔ)上，能夠有效抑制或殺滅有害菌，越來越受到人們的重視。在此介紹了生物保鮮劑的作用機(jī)理，對其在水產(chǎn)品保鮮上的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，探討了生物保鮮技術(shù)存在的問題和未來發(fā)展方向。

1 生物保鮮劑及作用機(jī)理

生物保鮮劑是指從動(dòng)物、植物、微生物中提取或者運(yùn)用生物工程技術(shù)獲得的具有保鮮效果的試劑，按來源分為植物類保鮮劑、動(dòng)物類保鮮劑與微生物類保鮮劑[4]。生物保鮮劑的作用機(jī)理可以概括為4 個(gè)方面：含有抗菌抑菌的活性物質(zhì)，能夠抑制食品中有害微生物的生長；具有抗氧化的活性物質(zhì)，能夠防止食品氧化變質(zhì)；能夠抑制食品中酶的活性，防止食品被水解而加速腐爛變質(zhì)；能夠在食品表明形成一層隔離膜，隔離其與氧氣的接觸，減少水分的散失，防止微生物的污染[4]。

2 生物保鮮劑在水產(chǎn)品保鮮中的應(yīng)用

2.1 殼聚糖

殼聚糖（chitosan）化學(xué)名為 2-氨基-β-1，4-葡聚糖，是從昆蟲、蝦、蟹外殼或菌類、藻類植物細(xì)胞壁中提取的甲殼素，在堿性加熱條件下，脫去分子中C2 上的乙?；傻囊活惛叻肿游镔|(zhì)，具有優(yōu)良的保濕性、成膜性、分散性、抗菌性、無毒無味、生物相容性好和可生物降解等優(yōu)點(diǎn)[5]。

殼聚糖保鮮水產(chǎn)品的機(jī)理主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）殼聚糖有較好的成膜性與保水性，能夠在水產(chǎn)品表面形成一個(gè)較好的氣調(diào)保鮮膜，降低形成活性氧的概率，延緩細(xì)胞死亡腐爛，減少水分蒸發(fā)。（2）殼聚糖有較好的抑菌性能，在水產(chǎn)品表面形成致密薄膜，阻斷細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)傳遞，使細(xì)菌不能通過菌絲獲得外界環(huán)境營養(yǎng)；此外，殼聚糖作為螯合劑能夠螯合微生物生長所必須的金屬離子，達(dá)到抑菌作用。

國內(nèi)外學(xué)者研究表明殼聚糖的普遍最佳保鮮濃度為1%～2%，將殼聚糖涂膜水產(chǎn)品能夠抑制細(xì)菌增長，延緩揮發(fā)性鹽基氮值（total volatile basic nitrogen，TVB-N）、硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）值及pH 值升高，延長水產(chǎn)品貨架期[6-14]。殼聚糖在水產(chǎn)品保鮮中的應(yīng)用見表1。

表1 殼聚糖在水產(chǎn)品保鮮中的應(yīng)用Table 1 Application of chitosan in preservation of aquatic products

但是單獨(dú)使用殼聚糖對水產(chǎn)品保鮮作用有限，近年來越來越多的科學(xué)家將殼聚糖與抗菌性物質(zhì)結(jié)合涂層用于水產(chǎn)品，其保鮮效果更佳，如表2 所示。

表2 殼聚糖和抗菌性物質(zhì)對水產(chǎn)品的協(xié)同保鮮效果Table 2 Synergistic effect of chitosan and antibacterial substances in preservation of aquatic products

殼聚糖因其較好的保水性、成膜性和抑菌性，在水產(chǎn)品保鮮中具有極高的應(yīng)用價(jià)值，將殼聚糖與抑菌性生物保鮮劑結(jié)合使用有事半功倍的效果。劉建華等[22]發(fā)現(xiàn)多賴氨酸負(fù)載的殼聚糖-海藻酸鈉納米顆粒有較強(qiáng)的抑菌活性。Sogut 等[23]研究表明以納米纖維素與葡萄籽提取物為基礎(chǔ)的殼聚糖與氯仿溶液雙層膜有較好的抗菌活性。

2.2 茶多酚

茶多酚（tea polyphenols）是茶葉中多酚類物質(zhì)的總稱，包括黃烷醇類、花色苷類、黃酮類、黃酮醇類和酚酸類等，以黃烷醇（兒茶素）類為主[24]。茶多酚的保鮮機(jī)理主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）抗氧化性，茶多酚中兒茶素占60%～80%，而兒茶素類化合物對O2-、-OH 自由基的清除率達(dá)到98%以上[25]；（2）抑菌性，茶多酚能夠影響細(xì)胞膜磷脂雙分子層，增加細(xì)菌細(xì)胞膜通透性，與遺傳物質(zhì)結(jié)合干擾微生物生長，且能夠特異性凝固細(xì)菌蛋白[26]。

國內(nèi)外研究表明茶多酚浸泡后的水產(chǎn)品TVB-N、pH 值以及菌落總數(shù)明顯低于冷藏對照組，貨架期延長6 d～15 d，如表3 所示[27-35]。

表3 茶多酚在水產(chǎn)品保鮮中的應(yīng)用Table 3 Application of tea polyphenols in preservation of aquatic products

茶多酚應(yīng)用于水產(chǎn)品保鮮時(shí)，濃度隨著水產(chǎn)品種類不同而有較大幅度波動(dòng)，并且茶多酚在與其它生物保鮮劑結(jié)合使用時(shí)抑菌效果更佳。魏杰等[36]研究發(fā)現(xiàn)茶多酚與金褐霉素結(jié)合使用能夠較長時(shí)間保存扇貝。王琳等[37]研究發(fā)現(xiàn)茶多酚、ε-聚賴氨酸與Nisin 結(jié)合使用能夠大量減少南美白對蝦細(xì)菌數(shù)量。茶多酚雖然具有一定的抑菌性，但其抑菌強(qiáng)度隨著水產(chǎn)品種類的不同而變化，其更適用于在有茶多酚的基礎(chǔ)上添加一定量的其他生物保鮮劑保護(hù)水產(chǎn)品細(xì)胞不被氧化。

2.3 乳酸菌及細(xì)菌素

乳酸菌一般包括乳球菌、鏈球菌、乳酸菌、白球菌、腸球菌等，所有這些微生物都是革蘭氏陽性的、無孢子的、桿狀的或球狀的有機(jī)體，能夠發(fā)酵碳水化合物，發(fā)酵后獲得的主要產(chǎn)品是乳酸，其DNA 中含有低比例的鳥嘌呤和胞嘧啶含量，使生物體具有高熱穩(wěn)定性。乳酸菌可用于生產(chǎn)各種乳制品、肉類和蔬菜的發(fā)酵產(chǎn)品，有助于保護(hù)原材料的營養(yǎng)質(zhì)量，保護(hù)食品不受腐敗和致病微生物侵害，提高食品保質(zhì)期。

乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生的主要化合物為有機(jī)酸、過氧化氫和細(xì)菌素，其中細(xì)菌素是一種耐熱陽離子分子，含有多達(dá)60 個(gè)氨基酸殘基和疏水斑塊。乳酸菌細(xì)菌素能夠殺死與產(chǎn)生菌親緣關(guān)系相近的微生物，其有效性主要是由于其在靶細(xì)胞膜上與帶負(fù)電荷的磷酸基相互作用，通過初始結(jié)合，形成毛孔，殺死細(xì)胞形成致命的傷害，從而激活自溶作用，破壞細(xì)胞壁。由于無毒、非免疫性、耐熱性和廣泛的殺菌活性，乳酸菌細(xì)菌素被認(rèn)為是良好的生物制劑。

最常見的乳酸菌細(xì)菌素是Nisin，食品和藥物管理局已批準(zhǔn)使用由美國食品添加劑安全性指標(biāo)認(rèn)證的微生物如乳酸乳球菌產(chǎn)生的Nisin 細(xì)菌素用于奶酪、乳制品和罐頭食品中。Nisin 對革蘭氏陽性的腐敗微生物和單核細(xì)胞基因等食源性病原體均具有很好的抑制作用，其抑菌性主要作用于引起食品腐敗的革蘭氏陽性菌，如耐熱腐敗菌、李斯特菌、明串球菌、分枝桿菌、乳酸桿菌、肉毒桿菌、棒桿菌、葡萄球菌等，且對產(chǎn)生孢子的細(xì)菌，如芽孢桿菌、嗜熱芽孢桿菌、梭狀芽孢桿菌等有很強(qiáng)的抑制作用[38]。Sofra 等[39]根據(jù)建立在微生物生長、TVB-N、三甲胺氮、硫代巴比妥酸反應(yīng)物和感官評分的基礎(chǔ)上的質(zhì)量評價(jià)模型來測定金槍魚的保質(zhì)期，真空處理后金槍魚保質(zhì)期為27 d，而Nisin 浸泡后金槍魚保質(zhì)期可延長至51 d。

2.4 溶菌酶

溶菌酶（lysozyme）是一種能水解致病菌中黏多糖的堿性酶，可分為動(dòng)物源溶菌酶、植物源溶菌酶、微生物源溶菌酶、噬菌體溶菌酶4 種[40]。溶菌酶對革蘭氏陽性微生物非常敏感，但對革蘭氏陰性微生物沒有明顯的抑菌作用。目前一些方法已被用來提高酶分子活性和轉(zhuǎn)化溶菌酶在殺死革蘭氏陰性細(xì)菌方面的活性，其中干熱處理能夠提高溶菌酶對大腸桿菌的活性、脂肪酸改性溶菌酶比不改性溶菌酶具有更強(qiáng)的酶活性，幾丁質(zhì)納米晶須上固定化溶菌酶的抗菌活性也較單獨(dú)的溶菌酶活性增強(qiáng)且其對革蘭氏陰性菌的抗菌性高于革蘭氏陽性菌[41]。陳舜勝等[42]研究表明將帶魚、柔魚、哈氏仿對蝦與櫛孔扇貝柱經(jīng)0.05%溶菌酶處理后可延長保鮮期約1 倍時(shí)間。根據(jù)已有研究，將改良后的能夠同時(shí)適用于革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌的復(fù)合溶菌酶應(yīng)用于水產(chǎn)品的保鮮會有更好的發(fā)展前景。

2.5 細(xì)胞內(nèi)溶素

細(xì)胞內(nèi)溶素（endolysins）是噬菌體編碼的肽聚糖水解酶，被大多數(shù)噬菌體用于在復(fù)制周期結(jié)束時(shí)酶促降解宿主細(xì)菌的肽聚糖層。細(xì)胞內(nèi)溶素是良好的抗微生物劑，因?yàn)樵诟锾m氏陽性細(xì)菌細(xì)胞壁中不存在外膜且易于接近肽聚糖。

細(xì)胞內(nèi)溶素在食品貯藏中的作用仍處于初期階段，但是有許多內(nèi)溶素被分離出來以對抗幾種人畜共患病和食源性病原體，并且到目前為止并未出現(xiàn)過對細(xì)胞內(nèi)溶素有抵抗的例子。Nassau 等[43]研究表明細(xì)胞內(nèi)溶素與高壓結(jié)合能夠較好的殺死李斯特菌。Perez等[44]研究表明裂解性噬菌體在不同食品系統(tǒng)中使大腸桿菌、單核增生李斯特菌、沙門氏菌、志賀氏桿菌、空腸彎曲桿菌、酒石酸桿菌等主要食源性病原體失活。Bai 等[45]研究表明噬體系統(tǒng)可以在非常短的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)快速檢測出可存活的致病細(xì)胞而不受食品成分干擾，表明該系統(tǒng)可以識別各種食品中存在的食源性病原體。李萌等[46]研究表明大部分水產(chǎn)品中的主要有害微生物為腐敗希瓦菌，使用Spp001 噬菌體對冷凍牙鲆魚片進(jìn)行處理，保鮮效果優(yōu)于山梨酸鉀。ZHANG Y 等[47]深入研究發(fā)現(xiàn)并克隆了兩種噬菌體所編碼的與溶解性相關(guān)的蛋白（Spp64 與Spp62），證實(shí)這兩種蛋白對水產(chǎn)品中的有害微生物腐敗希瓦菌均具有很強(qiáng)的溶解能力。

目前，噬菌體與細(xì)胞內(nèi)溶素在水產(chǎn)品保鮮的應(yīng)用較少，但其保鮮能力不可小覷。在確定出引起食品腐敗的主要有害菌后，噬菌體的專一性可以起到快速有效的滅菌作用，并且對噬菌體內(nèi)溶相關(guān)編碼蛋白的研究也是發(fā)現(xiàn)新型抗菌劑的一個(gè)較為安全的方向。

3 水產(chǎn)品生物保鮮的發(fā)展趨勢

相對于果蔬保鮮，水產(chǎn)品保鮮研究相對較少，很多生物保鮮劑在水產(chǎn)品上的應(yīng)用效果還處于未知狀態(tài)。生物保鮮劑如殼聚糖、茶多酚、Nisin 等由于其抑菌效果的局限性，不能對所有的細(xì)菌產(chǎn)生抑制作用，使其成本與效果不能相對應(yīng)，限制了此類生物保鮮劑的推廣與商業(yè)化，使其停留在實(shí)驗(yàn)室階段。因此，可以在識別水產(chǎn)品中細(xì)菌種類的基礎(chǔ)上讓不同類型的生物保鮮劑相結(jié)合，以提高保鮮效果。

由于不同水產(chǎn)生物具有不同體外環(huán)境，為了使生物保鮮劑的應(yīng)用范圍更為廣泛，可以通過調(diào)節(jié)生物保鮮劑上的緩沖基團(tuán)來降低生物保鮮劑對使用環(huán)境的挑剔程度。細(xì)菌素和細(xì)胞內(nèi)溶素被認(rèn)為適合通過DNA改組和蛋白質(zhì)工程以產(chǎn)生具有擴(kuò)展活性譜的高效變體，轉(zhuǎn)基因噬菌體也可能有助于生物保存，但在通過DNA 改組等技術(shù)來選擇其作為生物防腐劑之前必須首先考慮其安全問題。鑒于噬菌體的突變頻率明顯高于細(xì)菌，新的噬菌體選擇極有可能使噬菌體體內(nèi)有克服細(xì)菌耐藥性的基因，因此在噬菌體的使用過程中應(yīng)該避免使用溫和噬菌體。

隨著基因技術(shù)進(jìn)步，預(yù)計(jì)細(xì)菌素、噬菌體和細(xì)胞內(nèi)溶素會成為未來的生物防腐劑，而殼聚糖獨(dú)有的成膜與保水性也極有可能是未來生物防腐劑的合作伙伴。