生物保鮮劑應用于水產品保鮮的研究進展

劉寒，錢磊，張志軍，張業尼，*

（1.天津農學院食品科學與生物工程學院，天津300384；2.天津市林業果樹研究所，天津300384；3.農業部農產品貯藏保鮮重點實驗室，天津300384）

中國作為世界漁業大國，具有淡水養殖規模大、水產品消費市場容量大等特點。2016年我國水產品總產量達6 900 萬噸，比上年增長3.0%[1]。根據統計數據顯示，我國水產品產量仍呈現逐年上升趨勢。

水產品富含水分、蛋白質以及多種不飽和脂肪酸，極易受到外界環境影響而發生腐敗變質[2]。目前，用于水產品貯存的技術包括熱處理、化學防腐劑、氣調包裝或冷藏，但是，這些技術并不能完全防止腐敗菌滋生。此外，消費者對水產品的質量要求越來越高，在保證高品質的同時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工藝已經減少，水產品保鮮多采用低鹽、低加熱處理和在真空或氣調下包裝，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，在保持食品原有風味和營養成分的基礎上，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理，對其在水產品保鮮上的研究現狀進行了綜述，探討了生物保鮮技術存在的問題和未來發展方向。

1 生物保鮮劑及作用機理

生物保鮮劑是指從動物、植物、微生物中提取或者運用生物工程技術獲得的具有保鮮效果的試劑，按來源分為植物類保鮮劑、動物類保鮮劑與微生物類保鮮劑[4]。生物保鮮劑的作用機理可以概括為4 個方面：含有抗菌抑菌的活性物質，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，能夠防止食品氧化變質；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；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 生物保鮮劑在水產品保鮮中的應用

2.1 殼聚糖

殼聚糖（chitosan）化學名為 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 上的乙酰基生成的一類高分子物質，具有優良的保濕性、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點[5]。

殼聚糖保鮮水產品的機理主要表現在兩個方面：（1）殼聚糖有較好的成膜性與保水性，能夠在水產品表面形成一個較好的氣調保鮮膜，降低形成活性氧的概率，延緩細胞死亡腐爛，減少水分蒸發。（2）殼聚糖有較好的抑菌性能，在水產品表面形成致密薄膜，阻斷細胞內外物質傳遞，使細菌不能通過菌絲獲得外界環境營養；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，達到抑菌作用。

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

表1 殼聚糖在水產品保鮮中的應用Table 1 Application of chitosan in preservation of aquatic products

但是單獨使用殼聚糖對水產品保鮮作用有限，近年來越來越多的科學家將殼聚糖與抗菌性物質結合涂層用于水產品，其保鮮效果更佳，如表2 所示。

表2 殼聚糖和抗菌性物質對水產品的協同保鮮效果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，在水產品保鮮中具有極高的應用價值，將殼聚糖與抑菌性生物保鮮劑結合使用有事半功倍的效果。劉建華等[22]發現多賴氨酸負載的殼聚糖-海藻酸鈉納米顆粒有較強的抑菌活性。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]。茶多酚的保鮮機理主要表現在兩個方面：（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 自由基的清除率達到98%以上[25]；（2）抑菌性，茶多酚能夠影響細胞膜磷脂雙分子層，增加細菌細胞膜通透性，與遺傳物質結合干擾微生物生長，且能夠特異性凝固細菌蛋白[26]。

國內外研究表明茶多酚浸泡后的水產品TVB-N、pH 值以及菌落總數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 茶多酚在水產品保鮮中的應用Table 3 Application of tea polyphenols in preservation of aquatic products

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

2.3 乳酸菌及細菌素

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體，能夠發酵碳水化合物，發酵后獲得的主要產品是乳酸，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定性。乳酸菌可用于生產各種乳制品、肉類和蔬菜的發酵產品，有助于保護原材料的營養質量，保護食品不受腐敗和致病微生物侵害，提高食品保質期。

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

最常見的乳酸菌細菌素是Nisin，食品和藥物管理局已批準使用由美國食品添加劑安全性指標認證的微生物如乳酸乳球菌產生的Nisin 細菌素用于奶酪、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，且對產生孢子的細菌，如芽孢桿菌、嗜熱芽孢桿菌、梭狀芽孢桿菌等有很強的抑制作用[38]。Sofra 等[39]根據建立在微生物生長、TVB-N、三甲胺氮、硫代巴比妥酸反應物和感官評分的基礎上的質量評價模型來測定金槍魚的保質期，真空處理后金槍魚保質期為27 d，而Nisin 浸泡后金槍魚保質期可延長至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化溶菌酶在殺死革蘭氏陰性細菌方面的活性，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的酶活性，幾丁質納米晶須上固定化溶菌酶的抗菌活性也較單獨的溶菌酶活性增強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0.05%溶菌酶處理后可延長保鮮期約1 倍時間。根據已有研究，將改良后的能夠同時適用于革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌的復合溶菌酶應用于水產品的保鮮會有更好的發展前景。

2.5 細胞內溶素

細胞內溶素（endolysins）是噬菌體編碼的肽聚糖水解酶，被大多數噬菌體用于在復制周期結束時酶促降解宿主細菌的肽聚糖層。細胞內溶素是良好的抗微生物劑，因為在革蘭氏陽性細菌細胞壁中不存在外膜且易于接近肽聚糖。

細胞內溶素在食品貯藏中的作用仍處于初期階段，但是有許多內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過對細胞內溶素有抵抗的例子。Nassau 等[43]研究表明細胞內溶素與高壓結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]研究表明噬體系統可以在非常短的反應時間內快速檢測出可存活的致病細胞而不受食品成分干擾，表明該系統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行處理，保鮮效果優于山梨酸鉀。ZHANG Y 等[47]深入研究發現并克隆了兩種噬菌體所編碼的與溶解性相關的蛋白（Spp64 與Spp62），證實這兩種蛋白對水產品中的有害微生物腐敗希瓦菌均具有很強的溶解能力。

目前，噬菌體與細胞內溶素在水產品保鮮的應用較少，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，并且對噬菌體內溶相關編碼蛋白的研究也是發現新型抗菌劑的一個較為安全的方向。

3 水產品生物保鮮的發展趨勢

相對于果蔬保鮮，水產品保鮮研究相對較少，很多生物保鮮劑在水產品上的應用效果還處于未知狀態。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，不能對所有的細菌產生抑制作用，使其成本與效果不能相對應，限制了此類生物保鮮劑的推廣與商業化，使其停留在實驗室階段。因此，可以在識別水產品中細菌種類的基礎上讓不同類型的生物保鮮劑相結合，以提高保鮮效果。

由于不同水產生物具有不同體外環境，為了使生物保鮮劑的應用范圍更為廣泛，可以通過調節生物保鮮劑上的緩沖基團來降低生物保鮮劑對使用環境的挑剔程度。細菌素和細胞內溶素被認為適合通過DNA改組和蛋白質工程以產生具有擴展活性譜的高效變體，轉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菌，新的噬菌體選擇極有可能使噬菌體體內有克服細菌耐藥性的基因，因此在噬菌體的使用過程中應該避免使用溫和噬菌體。

隨著基因技術進步，預計細菌素、噬菌體和細胞內溶素會成為未來的生物防腐劑，而殼聚糖獨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。