植物源天然防腐劑應用及抑菌機理研究現(xiàn)狀

楊連戰(zhàn)，李言，錢海峰，張暉，齊希光，王立

(江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122)

食品富含多種營養(yǎng)物質，可以為人體補充所需營養(yǎng)，但也為微生物生長、發(fā)育提供了舒適的環(huán)境。為改善食品品質以及為防腐、保鮮和加工工藝的需要，往往會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藏，應加入適量的防腐劑。按照來源進行區(qū)分，防腐劑可以分為化學防腐劑和天然防腐劑[2]。化學防腐劑成本低廉、抑菌效果好，在食品工業(yè)上廣泛應用，但逐步發(fā)現(xiàn)其用量超過一定限度后對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，因而有望成為化學防腐劑的替代品[2]，但也存在缺點，如效果較差、成本較高、影響食品感官風味。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，經(jīng)過人工提取加工獲得的一類食品添加劑，可以分為3個類別：植物源天然防腐劑、動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菌生長，是理想的抑菌防腐材料,相比于動物源天然防腐劑和微生物源天然防腐劑，其抑菌活性更強，相關研究更多。

目前，國內(nèi)外關于天然防腐劑的研究眾多，本文對植物源天然防腐劑的應用和抑菌機理進行了綜述，以期為植物源防腐劑在食品工業(yè)中深入應用提供新思路。

1 植物源天然防腐劑的應用

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，這些物質不僅具有防腐作用，還具有降血脂、降血壓、抗衰老、預防腫瘤等健康作用[10]。已有報道顯示植物源防腐劑已應用于多類食品中，如動物性[11]、水產(chǎn)[12]、植物性[13]和面制食品[6]。

1.1 在動物性食品中的應用

動物性食品容易氧化變質，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保質期，但過量的亞硝酸鈉對人體有一定的危害。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，同時還能夠降低脂質氧化速率，還發(fā)現(xiàn)迷迭香提取物和薄荷提取物復合使用可以增強抑菌能力。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的抑菌活性，可使細菌總數(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]利用響應面法獲得最優(yōu)的復合保鮮劑配方(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)，使其貨架期延長至15 d以上，且降低了汁液損失率，保持了羊肉的原有品質。

植物源防腐劑在抑制肉制品中微生物的同時，也會改變?nèi)庵破返母泄亠L味和質構特性。HERNNDEZ等[17]發(fā)現(xiàn)牛至精油處理對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嚴重影響感官特性，因此建議將牛至精油與其他天然防腐劑復配以獲得較好的風味。禹迎迎[18]發(fā)現(xiàn)復合植物提取物可以降低熏煮火腿切片的pH值、改善質構，但當添加量提高到8 g/kg時，熏煮火腿切片色澤變暗，感官品質嚴重受損。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%時駱駝肉具有更加優(yōu)異的氣味、顏色和外觀。

動物性食品富含蛋白質和脂肪，易由于微生物污染或脂肪氧化而影響到食用品質。因此，肉品保鮮時，應當同時考慮所食用防腐劑的抑菌活性及其對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，也易導致肉制品的原有風味喪失。同時，天然防腐劑的MIC一般較高，現(xiàn)有的研究表明，使用復配防腐劑可以起到協(xié)同效應，因此在這方面可以加強研究。

1.2 在水產(chǎn)食品中的應用

植物源防腐劑在起到防腐作用的同時，也會影響水產(chǎn)品的質構和感官品質。ZHANG等[24]發(fā)現(xiàn)羅非魚片經(jīng)過體積分數(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)二氧化氯進行復配，獲得預制水產(chǎn)品復合生物防腐劑，發(fā)現(xiàn)其在鮐魚加工過程中對微生物的抑制率高達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氧化、微生物生長和黑變的速率，使白蝦的貨架期增加3 d。

天然植物源防腐劑在水產(chǎn)品中的應用以魚類為主，魚制品同樣也會因脂肪氧化而變質，所以在防腐效果相近時，應優(yōu)先選用抗氧化能力較強的天然防腐劑。同時，雖然植物源防腐劑對水產(chǎn)品有較好的防腐效果，但部分效果較好的香辛料精油會由于其自身的刺激性氣味嚴重影響水產(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用

香辛料和中草藥對水果中常見的青霉菌和灰葡萄孢菌有很強的抑制作用。CASTILLO等[27]研究結果顯示250 mL/L的蘆薈凝膠可使果實中的青霉菌、灰葡萄孢菌絲體分別減少4和2個對數(shù)值，且水果收獲之前用蘆薈凝膠進行噴灑，采后果實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]分別報道丁香提取液和冬凌草提取物對柑橘青霉菌、蘋果褐腐菌和灰葡萄孢菌有抑制作用。GOLLY等[30]報道在低溫儲藏條件下用添加了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，保護葡萄的化學組成、色澤、抗氧化性和質構不被破壞。

植物源防腐劑在抑制微生物的同時，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表面，先在(2±1) ℃儲藏9周后在(18±3) ℃儲藏5 d，發(fā)現(xiàn)果實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，多酚氧化酶的活性受到抑制，果實的失重率下降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，保質期可以延長至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%的納他霉素復配，可以降低麻竹筍在儲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，將麻竹筍的保質期延長至36 d。

植物性食品極易受到病原微生物的侵染而腐敗變質，并產(chǎn)生有害物質；同時，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，需要同時考慮防腐劑的抑菌性和抗氧化性。而天然防腐劑復配可以同時增強抑菌和抗氧化效果、降低添加量，建議未來可在植物源復配防腐劑方面開展研究。

1.4 在面制品中的應用

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，具有很強的殺菌能力，可以延長面制食品的保質期[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只有D-檸檬烯可對酵母菌和青霉起到作用，且將氣體D-檸檬烯應用于面包可使酵母菌和霉菌總數(shù)下降2～3個對數(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)性逐漸擴散到包裝袋中，儲藏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，也會對烘焙食品的質構和風味造成影響。WANG等[39]發(fā)現(xiàn)鹿角漆樹提取物雖然能夠延長面包的保質期，但降低了面包的比容、水分含量、硬度和感官品質。另外，有報道顯示通過噴灑精油在面包上延長保質期，是一種很有前景的儲藏技術[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，但影響了面包的硬度、色澤、味道和質構。為削弱天然防腐劑的負面作用，SNCHEZ等[41]同時考慮水分活度和精油添加量2個因素，發(fā)現(xiàn)水分活度為0.925和香芹酚添加量為100 mg/kg時面包具有很強的保鮮能力，且感官特性不會遭受損害。

面制食品包括面包、餅干和各類糕點等，有著優(yōu)良的口感和風味，保質期長的產(chǎn)品基本都使用化學防腐劑。隨著消費者對健康的追求，天然植物防腐劑是消費者的首要選擇。但植物源防腐劑可能會對面制食品的感官品質產(chǎn)生負面影響，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)會影響其在面制食品中的抑菌效果，建議可在這些方面加強研究。

2 植物源天然防腐劑抑菌機理

植物源天然防腐劑具有很強的抑菌活性，其作用機理也不盡相同，主要可以分為以下3種方式：破壞細胞壁和細胞膜、抑制蛋白質功能或與遺傳物質結合、抑制細胞呼吸作用。

2.1 破壞細胞壁和細胞膜

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胞壁和細胞膜的結構，導致AKP、K+和核苷酸泄漏，從而促使細胞死亡[42-44]。LVAREZ-ORDNEZ等[45]研究發(fā)現(xiàn)柑橘提取物能夠使細胞屏障功能喪失，甚至引起核苷酸泄漏，導致細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胞壁和細胞膜，導致細胞的蛋白質和核苷酸大量滲漏。ZHANG等[47]發(fā)現(xiàn)香茅精油對金黃色葡萄球菌的作用是通過破壞其細胞結構的完整性，使細胞發(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胞中的AKP、電解質和核苷酸被釋放到細胞外，從而降低細胞活力。已有研究表明，細胞壁和細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重要原因，同時該過程會促使膜內(nèi)物質漏出、膜外防腐劑滲入，導致細胞中蛋白質、遺傳物質的功能以及呼吸作用被抑制。

2.2 抑制蛋白質功能或與遺傳物質結合

研究發(fā)現(xiàn)，丁香酚、百里酚和香芹酚能夠阻止細菌遷移、黏附、代謝、合成蛋白質，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[49]。FRIEDMAN[50]發(fā)現(xiàn)肉桂醛會誘導氧化應激，阻礙DNA復制，抑制大腸桿菌中各基因的功能表達，并能與膜蛋白或其他蛋白、核苷酸等成分發(fā)生化學相互作用，從而影響細菌正常代謝。WU等[51]研究發(fā)現(xiàn)楊梅素在破壞細胞膜之后，能夠通過凹槽結構與DNA結合，進一步抑制細胞遺傳功能的表達，從而促使細胞凋亡。宋衛(wèi)國[52]報道大蒜素的主要活性成分是含硫有機化合物和皂苷類化合物，能夠競爭性地抑制蛋白酶、細胞壁酶的活性和細菌DNA、蛋白質的合成。已有研究表明，當細胞膜被破壞之后，植物源防腐劑中的部分物質能與細胞中的蛋白質或遺傳物質結合，從而抑制細菌各種功能的表達，導致細胞失去生長、發(fā)育和繁殖的能力。

2.3 抑制細胞呼吸作用

對于細菌來說，維持其ATP合成的能力至關重要，因為ATP是幾乎所有生物化學過程的主要能源。QIAN等[53]發(fā)現(xiàn)香草酸可以降低陰溝腸桿菌細胞內(nèi)ATP濃度、pH和膜電位，并能顯著改變細胞的形態(tài)結構，從而抑制細菌的生理活性。另外，研究表明牛至精油[54]可以抑制細菌的三羧酸循環(huán)和ATP酶的活性，顯著提高細菌細胞內(nèi)丙酮酸的濃度，降低ATP的濃度，改變細胞膜的通透性，導致代謝功能紊亂，使細胞無法轉換和利用能量而凋亡。細胞膜兩側的離子濃度梯度是細胞生長和代謝過程的基礎，BOUHDID等[55]報道肉桂精油通過增加銅綠假單胞菌細胞膜對K+的通過率以抑制細胞呼吸作用，而精油處理后的金黃色葡萄球菌的代謝活動和復制能力大幅下降，進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，降低細胞中ATP的濃度，使細胞無法進行正常的生理代謝過程而死亡。

3 結論與展望

植物源天然防腐劑較為安全，符合消費者對食品安全的追求，因此可對其進行深入研究，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胞壁或細胞膜、抑制蛋白質功能或與遺傳物質結合、抑制細胞呼吸作用的方式抑制細菌和真菌，且可以用于動物性、水產(chǎn)、植物性和面制食品。但是植物源天然防腐劑對食品存在諸多負面作用，且沒有得到廣泛應用，主要還存在以下幾個方面的問題需要進一步開展研究：(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，復配防腐劑的研究還處于起步階段，可作為重點研究方向；(2)各類防腐劑對食品本身質構和感官特性有一定的影響，研究或應用時需綜合考慮防腐效果和食品品質；(3)動物性和水產(chǎn)等食品的品質會由于氧化而降低，應該同時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理的研究大多是細胞實驗，建議更多地在食品體系中進行研究。