植物源天然防腐劑應(yīng)用及抑菌機(jī)理研究現(xiàn)狀

楊連戰(zhàn)，李言，錢海峰，張暉，齊希光，王立

(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

食品富含多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可以為人體補(bǔ)充所需營(yíng)養(yǎng)，但也為微生物生長(zhǎng)、發(fā)育提供了舒適的環(huán)境。為改善食品品質(zhì)以及為防腐、保鮮和加工工藝的需要，往往會(huì)在食品中加入食品添加劑[1]。部分食品(肉類和水產(chǎn))由于水分含量高，容易在常溫下滋生腐敗而不耐儲(chǔ)藏，應(yīng)加入適量的防腐劑。按照來源進(jìn)行區(qū)分，防腐劑可以分為化學(xué)防腐劑和天然防腐劑[2]?；瘜W(xué)防腐劑成本低廉、抑菌效果好，在食品工業(yè)上廣泛應(yīng)用，但逐步發(fā)現(xiàn)其用量超過一定限度后對(duì)人體健康可能有一定毒副作用[3]。而天然防腐劑來源廣泛、安全健康，因而有望成為化學(xué)防腐劑的替代品[2]，但也存在缺點(diǎn)，如效果較差、成本較高、影響食品感官風(fēng)味。天然防腐劑指的是由生物體分泌或者體內(nèi)固有的抑菌物質(zhì)，經(jīng)過人工提取加工獲得的一類食品添加劑，可以分為3個(gè)類別：植物源天然防腐劑、動(dòng)物源天然防腐劑和微生物源天然防腐劑[4]。常見的植物源天然防腐劑有茶多酚、香精油、大蒜素，動(dòng)物源天然防腐劑有殼聚糖、蜂膠、魚精蛋白，微生物源天然防腐劑有納他霉素、乳酸鏈球菌素、ε-聚賴氨酸[5]。植物源天然防腐劑可從植物的根、莖、葉、花和果實(shí)中提取出來，包含香辛料[6]、中草藥提取物[7]、果膠酶解物[8]和果蔬提取物[9]等，種類繁多、綠色健康，能夠有效抑制食品中的多種霉菌和細(xì)菌生長(zhǎng)，是理想的抑菌防腐材料,相比于動(dòng)物源天然防腐劑和微生物源天然防腐劑，其抑菌活性更強(qiáng)，相關(guān)研究更多。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于天然防腐劑的研究眾多，本文對(duì)植物源天然防腐劑的應(yīng)用和抑菌機(jī)理進(jìn)行了綜述，以期為植物源防腐劑在食品工業(yè)中深入應(yīng)用提供新思路。

1 植物源天然防腐劑的應(yīng)用

植物源天然防腐劑種類多樣，包括酚類、黃酮類、醛類和揮發(fā)油類等，這些物質(zhì)不僅具有防腐作用，還具有降血脂、降血壓、抗衰老、預(yù)防腫瘤等健康作用[10]。已有報(bào)道顯示植物源防腐劑已應(yīng)用于多類食品中，如動(dòng)物性[11]、水產(chǎn)[12]、植物性[13]和面制食品[6]。

1.1 在動(dòng)物性食品中的應(yīng)用

動(dòng)物性食品容易氧化變質(zhì)，因此在加工過程中需要添加抗氧化劑或防腐劑。傳統(tǒng)的肉干和香腸通過添加亞硝酸鈉延長(zhǎng)保質(zhì)期，但過量的亞硝酸鈉對(duì)人體有一定的危害。AZIZKHANI等[14]在牛肉香腸中加入迷迭香提取物，發(fā)現(xiàn)能夠顯著抑制微生物生長(zhǎng)，同時(shí)還能夠降低脂質(zhì)氧化速率，還發(fā)現(xiàn)迷迭香提取物和薄荷提取物復(fù)合使用可以增強(qiáng)抑菌能力。ALIREZALU等[15]比較了綠茶、刺蕁麻和橄欖葉提取物的抑菌活性，發(fā)現(xiàn)刺蕁麻提取物具有最強(qiáng)的抑菌活性，可使細(xì)菌總數(shù)、霉菌和酵母菌數(shù)量分別減少5.77和2.02 log CFU/g。薛婉瑞等[16]利用響應(yīng)面法獲得最優(yōu)的復(fù)合保鮮劑配方(4.44%香辛料、0.28%茶多酚、0.18%殼聚糖和0.04%納他霉素)，發(fā)現(xiàn)保鮮劑能夠顯著降低羊肉的菌落總數(shù)，使其貨架期延長(zhǎng)至15 d以上，且降低了汁液損失率，保持了羊肉的原有品質(zhì)。

植物源防腐劑在抑制肉制品中微生物的同時(shí)，也會(huì)改變?nèi)庵破返母泄亠L(fēng)味和質(zhì)構(gòu)特性。HERNNDEZ等[17]發(fā)現(xiàn)牛至精油處理對(duì)腸炎沙門氏菌和大腸埃希菌具有較好的抑制作用，其最小抑菌濃度(minimum inhibitory concentration,MIC)分別為0.038和0.028 mL/L(精油/干燥空氣),但也發(fā)現(xiàn)牛至精油的濃度過高會(huì)嚴(yán)重影響感官特性，因此建議將牛至精油與其他天然防腐劑復(fù)配以獲得較好的風(fēng)味。禹迎迎[18]發(fā)現(xiàn)復(fù)合植物提取物可以降低熏煮火腿切片的pH值、改善質(zhì)構(gòu)，但當(dāng)添加量提高到8 g/kg時(shí)，熏煮火腿切片色澤變暗，感官品質(zhì)嚴(yán)重受損。SHAHBAZI等[19]將3種不同含量(0.5%、1%、1.5%，v/w)的薄荷精油加入駱駝肉中，在冷藏溫度下放置12 d，發(fā)現(xiàn)微生物群的數(shù)量降低1～4 log CFU/g，且添加量為0.5%時(shí)駱駝肉具有更加優(yōu)異的氣味、顏色和外觀。

動(dòng)物性食品富含蛋白質(zhì)和脂肪，易由于微生物污染或脂肪氧化而影響到食用品質(zhì)。因此，肉品保鮮時(shí)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮所食用防腐劑的抑菌活性及其對(duì)脂肪氧化抑制的活力。但天然防腐劑的防腐效果一般比化學(xué)防腐劑差，需要更大的添加量。然而這樣雖然起到了防腐的作用，也易導(dǎo)致肉制品的原有風(fēng)味喪失。同時(shí)，天然防腐劑的MIC一般較高，現(xiàn)有的研究表明，使用復(fù)配防腐劑可以起到協(xié)同效應(yīng)，因此在這方面可以加強(qiáng)研究。

1.2 在水產(chǎn)食品中的應(yīng)用

植物源防腐劑在起到防腐作用的同時(shí)，也會(huì)影響水產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)和感官品質(zhì)。ZHANG等[24]發(fā)現(xiàn)羅非魚片經(jīng)過體積分?jǐn)?shù)為2%的苦蕎肽處理過后，感官特性變差，其硬度、黏度、咀嚼度都高于未經(jīng)處理的魚片。唐艷[25]將烏梅提取物與穩(wěn)定態(tài)二氧化氯進(jìn)行復(fù)配，獲得預(yù)制水產(chǎn)品復(fù)合生物防腐劑，發(fā)現(xiàn)其在鮐魚加工過程中對(duì)微生物的抑制率高達(dá)98.3%，且鮐魚的硬度略有上升，彈性和咀嚼性略有下降，黏聚性沒有變化。ABBASVALI等[26]研究發(fā)現(xiàn)藏紅花葉提取物能夠延緩白蝦脂質(zhì)氧化、微生物生長(zhǎng)和黑變的速率，使白蝦的貨架期增加3 d。

天然植物源防腐劑在水產(chǎn)品中的應(yīng)用以魚類為主，魚制品同樣也會(huì)因脂肪氧化而變質(zhì)，所以在防腐效果相近時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用抗氧化能力較強(qiáng)的天然防腐劑。同時(shí)，雖然植物源防腐劑對(duì)水產(chǎn)品有較好的防腐效果，但部分效果較好的香辛料精油會(huì)由于其自身的刺激性氣味嚴(yán)重影響水產(chǎn)品的感官特性。另外，水產(chǎn)類型多樣，如保鮮、冷藏、凍藏等，不同類型有不同的需求，建議在這些方面可以開展研究。

1.3 在植物性食品中的應(yīng)用

香辛料和中草藥對(duì)水果中常見的青霉菌和灰葡萄孢菌有很強(qiáng)的抑制作用。CASTILLO等[27]研究結(jié)果顯示250 mL/L的蘆薈凝膠可使果實(shí)中的青霉菌、灰葡萄孢菌絲體分別減少4和2個(gè)對(duì)數(shù)值，且水果收獲之前用蘆薈凝膠進(jìn)行噴灑，采后果實(shí)的呼吸速率可以降低約4 mg CO2/(kg·h)，失重率可以降低約1.5%。此外郭松年[28]和牛少恒[29]分別報(bào)道丁香提取液和冬凌草提取物對(duì)柑橘青霉菌、蘋果褐腐菌和灰葡萄孢菌有抑制作用。GOLLY等[30]報(bào)道在低溫儲(chǔ)藏條件下用添加了1 mg/mL抗壞血酸或檸檬酸的黃原膠能抑制葡萄中的微生物活性，保護(hù)葡萄的化學(xué)組成、色澤、抗氧化性和質(zhì)構(gòu)不被破壞。

植物源防腐劑在抑制微生物的同時(shí)，也能抑制果蔬中氧化酶的活性。XU等[31]將葡萄柚種子提取物浸涂在葡萄果實(shí)表面，先在(2±1) ℃儲(chǔ)藏9周后在(18±3) ℃儲(chǔ)藏5 d，發(fā)現(xiàn)果實(shí)的呼吸速率和乙烯釋放速率下降，超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶的活性得到增強(qiáng)，多酚氧化酶的活性受到抑制，果實(shí)的失重率下降3.79%。ALVAREZ等[32]將新鮮切好的芹菜、韭菜和南瓜分別用15 μL/mL茶樹精油、15 μL/mL蜂膠提取物和2 mg/mL沒食子酸進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)蔬菜中的過氧化物酶和微生物受到顯著抑制，保質(zhì)期可以延長(zhǎng)至14 d。鄭炯等[33]發(fā)現(xiàn)將1.5%的茶多酚與1.5%的殼聚糖、0.05%的納他霉素復(fù)配，可以降低麻竹筍在儲(chǔ)藏過程中苯丙氨酸解氨酶和過氧化物酶的活性，使酶活性峰值出現(xiàn)延后至27 d，將麻竹筍的保質(zhì)期延長(zhǎng)至36 d。

植物性食品極易受到病原微生物的侵染而腐敗變質(zhì)，并產(chǎn)生有害物質(zhì)；同時(shí)，果蔬中氧化酶的活性越高其衰老速率越快，為降低果蔬的呼吸速率和失重率，提高好果率，需要同時(shí)考慮防腐劑的抑菌性和抗氧化性。而天然防腐劑復(fù)配可以同時(shí)增強(qiáng)抑菌和抗氧化效果、降低添加量，建議未來可在植物源復(fù)配防腐劑方面開展研究。

1.4 在面制品中的應(yīng)用

香辛料中丁香、百里香和肉桂的主要活性成分是丁香酚、百里酚和肉桂醛，具有很強(qiáng)的殺菌能力，可以延長(zhǎng)面制食品的保質(zhì)期[34]。VAZIRIAN等[35]利用檸檬草精油制成蛋糕，再加入1.5×105CFU的大腸桿菌、白色念珠菌、蠟狀芽孢桿菌和鼠傷寒沙門氏菌，72 h之后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)蛋糕中的微生物都已死亡。李巧巧等[36]研究了柑橘精油及D-檸檬烯的抑菌性，發(fā)現(xiàn)以液體形式作用，抑菌能力由大到小為D-檸檬烯>檸檬油>柚油>橙油，而以氣體形式作用時(shí)只有D-檸檬烯可對(duì)酵母菌和青霉起到作用，且將氣體D-檸檬烯應(yīng)用于面包可使酵母菌和霉菌總數(shù)下降2～3個(gè)對(duì)數(shù)值。植物精油具有揮發(fā)性，易在使用過程中揮發(fā)，而將精油封裝于微膠囊中能夠增強(qiáng)穩(wěn)定性[37]。PASSARINHO等[38]將15%牛至精油填充到小香袋中，然后利用其揮發(fā)性逐漸擴(kuò)散到包裝袋中，儲(chǔ)藏15 d后發(fā)現(xiàn)面包中酵母和霉菌的數(shù)量只增加2 log CFU/g。

植物源防腐劑尤其是香辛料在抑制腐敗菌的同時(shí)，也會(huì)對(duì)烘焙食品的質(zhì)構(gòu)和風(fēng)味造成影響。WANG等[39]發(fā)現(xiàn)鹿角漆樹提取物雖然能夠延長(zhǎng)面包的保質(zhì)期，但降低了面包的比容、水分含量、硬度和感官品質(zhì)。另外，有報(bào)道顯示通過噴灑精油在面包上延長(zhǎng)保質(zhì)期，是一種很有前景的儲(chǔ)藏技術(shù)[6]。可SALIM-UR-REHMAN等[40]研究表明將柑橘皮精油噴灑在切片面包上雖然能夠抑制微生物生長(zhǎng)，但影響了面包的硬度、色澤、味道和質(zhì)構(gòu)。為削弱天然防腐劑的負(fù)面作用，SNCHEZ等[41]同時(shí)考慮水分活度和精油添加量2個(gè)因素，發(fā)現(xiàn)水分活度為0.925和香芹酚添加量為100 mg/kg時(shí)面包具有很強(qiáng)的保鮮能力，且感官特性不會(huì)遭受損害。

面制食品包括面包、餅干和各類糕點(diǎn)等，有著優(yōu)良的口感和風(fēng)味，保質(zhì)期長(zhǎng)的產(chǎn)品基本都使用化學(xué)防腐劑。隨著消費(fèi)者對(duì)健康的追求，天然植物防腐劑是消費(fèi)者的首要選擇。但植物源防腐劑可能會(huì)對(duì)面制食品的感官品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，且植物源防腐劑的加入方式(直接添加、膠囊包埋、抗菌薄膜、噴灑添加)會(huì)影響其在面制食品中的抑菌效果，建議可在這些方面加強(qiáng)研究。

2 植物源天然防腐劑抑菌機(jī)理

植物源天然防腐劑具有很強(qiáng)的抑菌活性，其作用機(jī)理也不盡相同，主要可以分為以下3種方式：破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜、抑制蛋白質(zhì)功能或與遺傳物質(zhì)結(jié)合、抑制細(xì)胞呼吸作用。

2.1 破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜

一些植物源防腐劑，如丁香、百里香和肉桂精油等能夠破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致AKP、K+和核苷酸泄漏，從而促使細(xì)胞死亡[42-44]。LVAREZ-ORDNEZ等[45]研究發(fā)現(xiàn)柑橘提取物能夠使細(xì)胞屏障功能喪失，甚至引起核苷酸泄漏，導(dǎo)致細(xì)菌受到不可逆的損傷。ALI等[46]發(fā)現(xiàn)蘆薈凝膠能破壞大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞的蛋白質(zhì)和核苷酸大量滲漏。ZHANG等[47]發(fā)現(xiàn)香茅精油對(duì)金黃色葡萄球菌的作用是通過破壞其細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性，使細(xì)胞發(fā)生凹陷和皺縮。CAI等[48]發(fā)現(xiàn)檸檬醛可以使大腸桿菌和沙門氏菌細(xì)胞中的AKP、電解質(zhì)和核苷酸被釋放到細(xì)胞外，從而降低細(xì)胞活力。已有研究表明，細(xì)胞壁和細(xì)胞膜體系的完整性和通透性受到破壞是微生物凋亡的一個(gè)重要原因，同時(shí)該過程會(huì)促使膜內(nèi)物質(zhì)漏出、膜外防腐劑滲入，導(dǎo)致細(xì)胞中蛋白質(zhì)、遺傳物質(zhì)的功能以及呼吸作用被抑制。

2.2 抑制蛋白質(zhì)功能或與遺傳物質(zhì)結(jié)合

研究發(fā)現(xiàn)，丁香酚、百里酚和香芹酚能夠阻止細(xì)菌遷移、黏附、代謝、合成蛋白質(zhì)，從而抑制常見的食物源大腸桿菌、沙門氏菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、鏈球菌和李斯特氏菌生長(zhǎng)[49]。FRIEDMAN[50]發(fā)現(xiàn)肉桂醛會(huì)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，阻礙DNA復(fù)制，抑制大腸桿菌中各基因的功能表達(dá)，并能與膜蛋白或其他蛋白、核苷酸等成分發(fā)生化學(xué)相互作用，從而影響細(xì)菌正常代謝。WU等[51]研究發(fā)現(xiàn)楊梅素在破壞細(xì)胞膜之后，能夠通過凹槽結(jié)構(gòu)與DNA結(jié)合，進(jìn)一步抑制細(xì)胞遺傳功能的表達(dá)，從而促使細(xì)胞凋亡。宋衛(wèi)國(guó)[52]報(bào)道大蒜素的主要活性成分是含硫有機(jī)化合物和皂苷類化合物，能夠競(jìng)爭(zhēng)性地抑制蛋白酶、細(xì)胞壁酶的活性和細(xì)菌DNA、蛋白質(zhì)的合成。已有研究表明，當(dāng)細(xì)胞膜被破壞之后，植物源防腐劑中的部分物質(zhì)能與細(xì)胞中的蛋白質(zhì)或遺傳物質(zhì)結(jié)合，從而抑制細(xì)菌各種功能的表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞失去生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖的能力。

2.3 抑制細(xì)胞呼吸作用

對(duì)于細(xì)菌來說，維持其ATP合成的能力至關(guān)重要，因?yàn)锳TP是幾乎所有生物化學(xué)過程的主要能源。QIAN等[53]發(fā)現(xiàn)香草酸可以降低陰溝腸桿菌細(xì)胞內(nèi)ATP濃度、pH和膜電位，并能顯著改變細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而抑制細(xì)菌的生理活性。另外，研究表明牛至精油[54]可以抑制細(xì)菌的三羧酸循環(huán)和ATP酶的活性，顯著提高細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)丙酮酸的濃度，降低ATP的濃度，改變細(xì)胞膜的通透性，導(dǎo)致代謝功能紊亂，使細(xì)胞無法轉(zhuǎn)換和利用能量而凋亡。細(xì)胞膜兩側(cè)的離子濃度梯度是細(xì)胞生長(zhǎng)和代謝過程的基礎(chǔ)，BOUHDID等[55]報(bào)道肉桂精油通過增加銅綠假單胞菌細(xì)胞膜對(duì)K+的通過率以抑制細(xì)胞呼吸作用，而精油處理后的金黃色葡萄球菌的代謝活動(dòng)和復(fù)制能力大幅下降，進(jìn)入一種活的但不能培養(yǎng)的狀態(tài)。因此，植物源防腐劑能夠抑制呼吸作用，降低細(xì)胞中ATP的濃度，使細(xì)胞無法進(jìn)行正常的生理代謝過程而死亡。

3 結(jié)論與展望

植物源天然防腐劑較為安全，符合消費(fèi)者對(duì)食品安全的追求，因此可對(duì)其進(jìn)行深入研究，將其更廣泛地使用到食品工業(yè)中。已有研究表明，植物源天然防腐劑能夠通過破壞細(xì)胞壁或細(xì)胞膜、抑制蛋白質(zhì)功能或與遺傳物質(zhì)結(jié)合、抑制細(xì)胞呼吸作用的方式抑制細(xì)菌和真菌，且可以用于動(dòng)物性、水產(chǎn)、植物性和面制食品。但是植物源天然防腐劑對(duì)食品存在諸多負(fù)面作用，且沒有得到廣泛應(yīng)用，主要還存在以下幾個(gè)方面的問題需要進(jìn)一步開展研究：(1)天然防腐劑抑菌效果稍弱，且不同來源的防腐劑抑菌活性和范圍都不盡相同，復(fù)配防腐劑的研究還處于起步階段，可作為重點(diǎn)研究方向；(2)各類防腐劑對(duì)食品本身質(zhì)構(gòu)和感官特性有一定的影響，研究或應(yīng)用時(shí)需綜合考慮防腐效果和食品品質(zhì)；(3)動(dòng)物性和水產(chǎn)等食品的品質(zhì)會(huì)由于氧化而降低，應(yīng)該同時(shí)考慮防腐劑的抑菌活性和抗氧化能力；(4)現(xiàn)有植物源天然防腐劑抑菌機(jī)理的研究大多是細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，建議更多地在食品體系中進(jìn)行研究。