肉類生物保鮮劑應用現狀及前景

魏子翔，李蘭杰，張靜靜，種肖玉，邢敬亞，劉明麗，劉桂芹，*

（1.聊城大學生物制藥研究院，山東聊城252059；2.聊城大學農學院，山東聊城252059）

肉類消費量在人們的飲食結構中占比越來越高，同時肉類添加劑的用量及安全性日益受到重視。肉類食物營養豐富且含水量高，極易引起微生物滋生及氧化變質。微生物通過降解蛋白質、脂肪等成分，產生揮發性胺、糞臭素等引起肉類制品的食用安全問題。肉類腐敗或食源感染的微生物主要包擴大腸桿菌、沙門氏菌、產氣莢膜梭菌、厭氧肉毒桿菌、李斯特菌、金黃色葡萄球菌和結腸炎葉桿菌等能分解利用蛋白質的種類[1]。在肉類食品加工、運輸、貯藏過程中需要使用添加劑抑制或殺死這些微生物以防止肉類腐敗變質或引起食源性感染。

目前肉類生產中常用的防腐劑以苯甲酸鹽、亞硝酸鹽、羥基苯甲酸酯等化學合成物質為主[2]，而這些廣泛使用的化學防腐劑多具有致癌性、致新生兒畸性[3]等不安全因素。生物保鮮劑具有來源廣泛、用量少、低能耗、低毒性、效果好，同時具有殺菌、抑菌、抗氧化、除臭、賦予食品特殊風味和生理調節功能等諸多優點。生物保鮮劑是將具有抑菌或抗氧化活性的一種或幾種天然物質配制成適當濃度的溶液，通過浸泡、噴淋或涂膜等方式應用于生鮮食品中，從而起到防腐保鮮的效果[4]。生物保鮮劑多為天然提取或發酵生產，高效安全，已經成為肉類保鮮技術領域的研究熱點。

1 生物保鮮劑的種類

生物保鮮劑是指通過生物分離工程直接或間接從生物中提取的具有保鮮功效的物質。目前食品加工業根據生物保鮮劑的來源通常將其分為動物源保鮮劑、植物源保鮮劑、微生物源保鮮劑[5]。現將肉中常用生物保鮮劑種類及其作用方式、特點進行概述。

1.1 動物源生物保鮮劑

1.1.1 殼聚糖

殼聚糖是來自于動物蝦、蟹、昆蟲軟骨中提取的甲殼素經脫乙酰化得到的唯一具有正電荷堿性多糖類物質，因其具有來源廣泛、安全無毒、良好生物相容性和能夠結合負電荷特點被廣泛運用到食品工業中[6-8]。殼聚糖通過氨基正電荷結合電子抑制細菌生長，而良好的成膜性可以隔絕空氣，減少氧化變質速度。在肉類保鮮研究中，孫小惠等用2%殼聚糖噴涂鯉魚片，可以改善4℃貯藏條件下魚片品質，并延長貨架期2 d[9]。殼聚糖不易溶于水及有機溶劑，常需冰醋酸作為溶解助劑促進溶解。因此生產中多選用與其他保鮮劑復配，通過聯合使用降低用量而增加其實用性。如Ali Khezrian等用殼聚糖、紫荊花精油、羧甲基纖維素進行復合正交試驗，探究出噴涂2%殼聚糖+2%紫荊花精油+1%羧甲基纖維素鈉的復配保鮮劑能有效延長冷藏條件下駱駝肉貨架期[10]。近幾年研究表明殼聚糖是動物源經濟又有效的生物保鮮劑，它作為一種良好的成膜保鮮劑已被廣泛運用到肉類保鮮中。

1.1.2 魚精蛋白

魚精蛋白是一類從魚類精巢中成熟精子中提取出的一類富含精氨酸的堿性蛋白質。曹文紅等[11]、王靈橋等[12]報道魚精蛋白通過阻礙細菌細胞壁合成達到抑制作用，并對沙門氏菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等食源性致病菌有顯著抑制效果。魚精蛋白因其易提取，廣譜抑菌特點被研究人員用于肉類保鮮劑研究中。李燕等在魷魚精巢組織中提取魚精蛋白制成0.2%的蛋白懸液浸泡魚糜，發現其能延緩魚糜變質2 d～3 d[13]。與其他生物保鮮劑一樣，魚精蛋白與其他保鮮劑復配用于肉類保鮮，效果具有疊加效應。如國競文等用0.1 g/kg迷迭香+0.3 g/kg魚精蛋白對鰱魚肉糜魚丸進行低溫貯藏試驗發現，復配保鮮劑在抑菌作用、水分含量、口感等方面都有明顯改善[14]。目前對魚精蛋白的保鮮應用研究多集中在水產品中，伴隨著提取工藝的不斷改善和生產成本的不斷降低，其在各類肉制品中的應用具有相當廣闊的前景。

1.1.3 溶菌酶

溶菌酶是一種通過水解細菌細胞壁達到殺滅細菌的堿性蛋白酶，通過水解β-1，4糖苷鍵與肽鏈尾端酰胺鍵溶解細菌細胞壁[15]。蛋清溶菌酶提取技術較為成熟，目前工業生產中多采用直接結晶法、親和色譜法、超濾與親和色譜聯合使用等方法生產溶菌酶[16]。因其成本低廉、安全性高已在世界范圍內被廣泛應用到食品防腐保鮮中。溶菌酶對革蘭氏陰性菌抑制效果差，目前在肉食保鮮中往往通過與其他保鮮劑如殼聚糖、山梨酸鉀等復合使用以達到最佳抑菌效果。

1.1.4 乳鐵蛋白

乳鐵蛋白是一種來源于乳汁中分子量為80 kDa的天然廣譜抗菌單鏈鐵元素結合蛋白。目前人們對乳鐵蛋白抑菌機制研究集中在以下3方面。1）結合鐵元素，使細菌缺乏鐵元素死亡；2）結合細菌細胞膜膜脂，改變膜通透性引起細胞死亡；3）特異性結合細胞膜表面質子泵受體，影響腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）正常合成過程。乳鐵蛋白結合氧化態鐵元素的特性，抑制自由基產生，從而抑制脂質過氧化。乳鐵蛋白性質穩定，在pH 2.2環境下仍具有活性。現有研究證明乳鐵蛋白及其酰胺化及胃蛋白酶產物對食源性大腸桿菌、沙門氏菌具有良好抑制作用[17]。羅紅霞以鮮豬肉為材料分別浸泡1%乳酸菌鏈球素（Nisin）和1%乳鐵蛋白肽處理發現乳鐵蛋白組抑菌效果明顯優于Nisin組，延長保鮮期至19 d[18]。乳鐵蛋白安全性高、生產工藝流程成熟、良好的抑菌與抗氧化良好等特點使其應用于肉類保鮮具有廣闊前景。

1.2 植物源生物保鮮劑

1.2.1 植物活性物質

植物是一個含有天然抑菌物質的寶庫。植物源生物保鮮劑來源廣泛，種類繁多。植物天然活性物質保鮮應用是研究熱門領域，如多酚類物質：茶多酚、丁香酚、蘋果多酚；黃酮類、多糖類物質已有很多研究。

茶多酚是從茶葉中提取的一類無毒無異味的抗氧化抑菌物質，通過結合細菌DNA，破壞細胞膜凝固細菌蛋白來達到抑菌效果[17]。大量研究證實茶多酚在鮮肉、冷卻肉中具有良好的抑菌、抗氧化作用。FAN.W等在低溫冷藏條件下使用0.2%茶多酚噴涂鰱魚，測定總菌數、揮發性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）等指標，發現都受到明顯抑制[19]；WANG-W.D等通過對茶多酚、殼聚糖和山梨酸鉀進行復配應用于羊肉涂膜保鮮發現，顯著優于使用單一保鮮劑組[20]。近些年酚類物質用于改善肉質的研究也廣受關注，Kroll等發現多酚物質能通過結合抑制水解肌紅蛋白的胰凝乳蛋白酶、胃蛋白酶和胰酶抑制水解肌紅蛋白[21]。姚波等配制0.15%茶多酚加0.15%茶黃素對于牛肉棒保質護色有顯著的效果[22]。

黃酮類物質作為植物源活性物質在肉類保鮮中也有良好的效果，吳秋敏等利用提取黃秋葵花黃酮組分與殼聚糖組對冷鮮肉保鮮作用對比發現，黃酮類化合物抑菌、抗氧化作用與殼聚糖類似[23]。李鐘美等對高良姜黃酮類粗提和純化后應用于蝦、魚肉糜中發現，其抑菌效果明顯優于山梨酸鉀[24]。黃酮類提取分離純化工藝簡單，且植物源黃酮類來源廣泛，具有價格低、用量少的特點，作為一種新興的植物源保鮮劑可開發空間巨大。

1.2.2 植物精油

植物精油是從植物根莖花葉中通過蒸餾或機械壓榨而得到的芳香揮發性混合物，是萜類、酚類、鞣質、皂素類化合物的總稱。植物精油具有易揮發、易吸收的特點。植物精油不僅被應用在化妝品中，也作為天然食品添加劑如抗氧化劑、抑菌劑、矯味劑等被應用于食品中。Moradi等的研究發現其在抗氧化方面也有顯著效果[25]。植物精油相比于其他植物源生物保鮮劑，其使用劑量低，我國現行食品安全國家標準規定迷迭香精油提取物以不超過0.3 g/kg的量添加到肉制品中可起到很好的保鮮效果[26]。植物精油作為食品保鮮劑、矯味劑具有良好的應用前景。大量的研究結果[27-29]證實了植物精油作為肉類和魚類加工功能成分的潛力。由于植物精油與其他生物保鮮劑價格差異較大，因此選用易提取、量大分布廣的植物生產方式是未來的研究方向。

1.2.3 中藥材

以植物為基源的中藥材數目眾多，其中被收入我國藥典的多達530余種。多數中藥材被研究者證明存在良好的抑菌作用[30]。但一些具有良好抗菌性的中藥往往體內毒性較大、副作用明顯而不宜作為食品保鮮劑。因此具有藥食同源的中藥材成為了天然保鮮劑的最佳選擇。徐謂等應用甘草提取物噴淋兔肉糜發現其對蛋白和脂肪酸氧化均表現出極好抑制作用[31]。不同種藥材的復配或與不同類型的保鮮劑復配方式協同增加抑菌抗氧化作用正日益成為研究熱點。張慧蕓等對牛至、甘草、當歸等中藥進行復配后，發現其對駱駝肉具有良好的抗氧化作用[32]。劉騫等用不同濃度丁香提取物與Nisin復配對鯉魚魚肉糜涂抹發現，復配保鮮劑具有抑菌、提味、改善口感的作用[33]。中藥材作為我國傳統文化瑰寶，發掘潛力巨大。但由于其組成成分復雜，在積極探索開發新型肉質保鮮劑的同時，還要注意加強對人體內毒性和代謝途徑的研究，確保安全的前提下進行推廣應用。

1.3 微生物源生物保鮮劑

1.3.1 細菌素

乳酸菌鏈球素（Nisin）是由乳酸菌代謝產生的、由34個氨基酸與修飾基團羊毛硫氨酸和β-甲基羊毛硫氨酸等非編碼氨基酸組成的天然活性抗菌肽，屬于I類細菌素（class I），能夠廣泛抑制革蘭氏陽性菌[34]。Nisin是一種成熟的，被廣泛應用于食品保鮮行業的微生物源保鮮劑，由于人體攝入后可完全水解為氨基酸而進入分解代謝，所以具有很高的食用安全性。國內外對Nisin的研究發現其主要通過靜電作用穿透細胞壁，到達細胞膜并結合其表面脂質成分，從而引起細胞質流出而殺死細菌[35-37]。用Nisin處理新鮮豬肉發現其對乳酸菌、金黃色葡萄球菌的抑菌效果優于山梨酸鉀和雙乙酸鈉[38]，李儒仁等發現將Nisin與殼聚糖聯合用于冷鮮牛肉效果更好[39]。

片球菌素Pediocin PA-1與Nisin同源，由乳酸菌代謝產生，是一種不被修飾基團修飾的抗菌肽。片球菌素的發現晚于Nisin，屬于Ⅱ類細菌素（classⅡ）。片球菌素對大多數致病菌和腐敗菌均有良好的抗菌活性，其也是由靜電結合作用介導跨越細胞壁，與Nisin不同的是，片球菌素通過疏水端插入細菌細胞膜形成孔洞，促進細胞膜去極化，導致細胞死亡[40]。片球菌素的生產發酵過程目前主要集中在實驗室研究階段，未來通過設計重組高表達工程菌、優化發酵條件、改進分離純化手段等提高片球菌素的產量與純度，有望實現大規模的工業化生產。Blay等[41]發現Pediocin PA-1組對來自肉湯李斯特菌和其他食物病原細菌抑制效果優于Nisin A和Nisin Z組；CHEN等[42]發現片球菌素能有效抑制法拉克香腸中李斯特菌生長，并能夠在4、10℃下延長香腸貨架期至12周，25℃下12 d。片球菌素良好的耐熱性使其能夠與肉制品共同進行高溫處理、耐酸性使其能與其他酸類防腐劑具有很好的協同抑菌效果，具有良好的市場開發前景。

1.3.2 多烯大環內酯類代謝物

納他霉素是由鏈霉菌發酵產生的天然抗真菌化合物，可有效地抑制真菌生長。目前納他霉素主要應用于鮮肉以及熟食風味肉制品的防腐保鮮中。納他霉素可通過與抑制細菌的保鮮劑復配，達到減少用量的目的。如李珍愛等對蝦肉涂抹復配普魯蘭多糖、檸檬酸鈉、納他霉素保鮮液延長貯藏期[43]。李娜等在4℃冷藏條件下用0.05%Nisin+4.00%乳酸鈉+0.02%茶多酚+0.01%納他霉素復合后處理預制雞丁，發現保鮮效果顯著[44]。納他霉素作為抗真菌的天然抑菌保鮮劑越來越受到研究者關注，其應用空間不斷加大，是今后代替化學防腐劑的優良選擇。

1.3.3 抗菌多肽

ε-聚賴氨酸是一種通過小白鏈霉菌發酵獲得的由25～30個賴氨酸組成的同聚物，可有效抑制革蘭氏陰、陽性菌。ε-聚賴氨酸通過破壞細胞壁、細胞膜以及結合DNA來抑制細菌增殖。ε-聚賴氨酸作為一種水溶性好、抑菌譜廣的成熟保鮮劑早已應用于肉品保鮮中[45]。許多學者研究發現其與納他霉素、殼聚糖等聯用對于肉制品抑菌保鮮效果更加突出[46-49]。我國通過高校與生物企業聯合研發，已掌握生產制備核心技術，并于2014年獲批ε-聚賴氨酸作為防腐劑添加入食品中[26]。所以以ε-聚賴氨酸為原料的復合保鮮劑開發前景巨大。

2 生物保鮮劑授權專利情況

2.1 近5年國內外專利獲批情況統計

生物保鮮劑近些年一直是國內外食品行業所關注的研究熱點，方法、種類及產品專利也與日俱增。基于Scopus數據庫和Soopat專利網站，以“biological preservative and meat”、“生物保鮮劑”為檢索策略進行檢索，得到近5年來國內外在肉類生物保鮮劑獲批專利情況，如圖1所示。

圖1 近5年國內外生物保鮮劑獲批專利統計Fig.1 Biological preservative approved patent statistics in China and abroad in recent five years

從圖1可以看出，近5年國內外專利獲批數目呈快速上升趨勢，但我國與國外專利數量存在明顯差異。這可能主要是因為我國在此領域起步較晚，國家對生物保鮮劑審查和批復周期較長等原因造成。但是隨著我國近10多年對生物類保鮮劑研發的不斷投入，國家在專利等科研成果轉化等方面的保障措施不斷完善，我國在這一方面會獲得飛速發展。

2.2 我國部分肉制品生物保鮮劑專利統計

我國批準生產并獲批的肉類專用生物保鮮劑的名稱、組成成分及其對應主要作用如表1所示。

表1 我國肉制品生物保鮮劑部分代表專利Table 1 Some sepresentative patent of biological preservative in the preservation of meat products in China

由表1可知，我國家禽、家畜及水產肌肉常用的生物保鮮劑多為復配形式，其中有效成分以殼聚糖、Nisin、溶菌酶、聚賴氨酸和植物提取物為主。應用范圍包括冷鮮肉、肉糜制品等的延長保鮮期及改善肉品質。

3 生物保鮮劑存在的問題

3.1 大眾認知接受度欠缺

消費者傳統觀念里對食品添加劑有較深的誤解，特別是對保鮮防腐劑出現談虎色變的抵觸心理，認為無任何食品添加劑的食品為優質食品。生物保鮮劑對消費者來說十分陌生，人們在追求綠色安全肉品質的同時，對保鮮劑抱有懷疑態度，特別是復合保鮮劑應用更會使民眾覺得不放心。如會認為Nisin是一種抗生素，食用會導致機體產生耐藥性影響機體健康；植物提取物尤其是中藥提取物成分復雜，對其食用安全性存疑。因此生物保鮮劑的推廣需要社會和專家學者對相關知識的宣傳、普及、誤區解答，提高消費者對生物保鮮劑的認知度，從而提高接受度。

3.2 成本制約

化學防腐劑經過長時間發展已經形成了成熟的合成生產工藝，其生產成本低廉。相較于化學防腐劑，目前多數生物保鮮劑存在原材料昂貴、分離純化效率低下、設備投資較大等問題制約其發展。我國生物保鮮劑市場規模相對較小的主要原因是發酵工藝落后、分離純化成本較高。因此加大對價格低廉原材料的篩選、高產菌種的篩選、提取工藝的優化等是擴大生物保鮮劑市場占有率的主要途徑。

3.3 食品安全性研究薄弱

中草藥、植物精油成分復雜，現階段研究多是通過蒸餾、壓榨等方式提取活性成分，該方法溶劑殘留、提取成分純化困難等造成的食品安全問題是現在使用的又一問題。目前該類保鮮劑主要聚焦在肉類的保鮮效果和體外細菌抑制特性探究上。由于該方法是生物提取，因此對體內代謝研究較少，未能深入到對機體做出系統安全性評估。

3.4 產品穩定性差

該類保鮮劑由于多是生物提取，受提取條件、原材料、貯存環境等條件影響，其活性成分含量及生物活性穩定性較差。很多研究僅僅停留在實驗室階段，實驗室篩選出的大多保鮮劑類型只能應用到一種或幾種特定的肉類保鮮中，除了Nisin、納他霉素、殼聚糖等，較少能研究設計出針對不同條件、不同肉制品依然具有良好保鮮效果的類型，很難實現不同肉類的普適性。因此其應用范圍較窄，經濟效益較差。

4 生物保鮮劑使用的市場前景

肉類產品有效延長保質期，一直是食品工業研究的熱點領域。天然生物保鮮劑的出現為此提供了解決方案。生物保鮮劑經過多年研究，已經被證實具有傳統化學防腐劑的防腐、抗氧化的效果，并能改善肉質風味等品質。

我國作為一個肉類消費大國，且生物保鮮劑原料資源豐富，以及上游基因編輯改造技術及下游發酵和提取技術的不斷發展進步，為發展推廣綠色安全的生物保鮮劑產業基礎提供了堅實的基礎。肉類產業的規模日漸龐大，生物保鮮劑在肉類食品行業發展中扮演角色日益顯著，通過普及生物保鮮劑，消費者將會購買到更加安全、美味、放心的肉制品。