目錄生物防腐劑和化學(xué)防腐劑的區(qū)別 食品生物防腐劑 生物防腐劑主要有 生物防腐劑有哪些種類 生物制品防腐劑
生物防腐劑指從生物體通過生物培養(yǎng)、清運(yùn)提取和分離技術(shù)獲得的具有抑制和殺滅微生物的食品的營養(yǎng)豐富，極易受微生物污染 而腐敗變質(zhì)。為了保證食品的食用安全性，人們采用了許多方法來保藏食品，如鹽漬、罐藏、冷藏等。但在一定條件下，配合使用防腐劑作為保藏的輔助手段對防止食品的腐敗有顯著的效果，因此防腐劑依為重要的食品添加劑之一，在食品工業(yè)中被廣泛使用。
按照防腐劑抗微生物的主要作用性質(zhì)，可將其大致分為具有殺菌作用的殺菌劑和僅具抑菌作用的抑菌劑。殺菌或抑菌，并無絕對界限，常答則梁常不易區(qū)分。同一物質(zhì)，濃度高時(shí)可殺菌，而濃度低時(shí)只能抑菌，作用時(shí)間長可殺菌，作用時(shí)間短則只能抑菌。另外，由于各種微生物性質(zhì)的不同，同一物質(zhì)對一種微生物具有殺菌作用，而對另一種微生物可能僅有抑菌作用。
常用的生物防腐劑有乳酸鏈球菌素、納他霉素盯帆、聚賴氨酸等等。
生物防腐劑是指利用微生物產(chǎn)生的防腐物質(zhì)，化學(xué)防腐劑是指各種化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生的防腐物質(zhì)。兩者的主要區(qū)別在于生物防腐劑可以有效抑制微生物的生長和繁殖，而化學(xué)防腐劑則僅能抑制有害微生物的繁殖，不能徹底消滅其影響。
一般認(rèn)為，食品防腐劑對微生物的抑制作用是通過影響細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)的，這些亞結(jié)構(gòu)包括細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、與代謝有關(guān)的酶、蛋白質(zhì)合成及遺傳物質(zhì)。由于每個(gè)亞結(jié)構(gòu)對菌體而言都是必須的，因此食品防腐劑只要作用于其中的一個(gè)亞結(jié)構(gòu)便能達(dá)到殺菌或抑菌的目的。 在溶液中，弱酸隨pH不同在解離和未解離狀態(tài)間存在動(dòng)態(tài)平衡。在低pH值情況下該類防腐劑有最大抑菌活性，因?yàn)榇藭r(shí)分子多數(shù)處于未電離狀態(tài)，未電離的有機(jī)弱酸分子是親脂性的，因此可自由透過原生質(zhì)膜。進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)后，在高pH環(huán)境下，分子解離成帶電質(zhì)子和陰離子，不易透過膜而在細(xì)胞內(nèi)蓄積。防腐劑分子不斷擴(kuò)散入細(xì)胞直到達(dá)到平衡，引起細(xì)胞內(nèi)H+的失控，改變細(xì)胞內(nèi)pH狀態(tài)及蓄積毒性陰離子，抑制細(xì)胞的基礎(chǔ)代謝反應(yīng)，最終達(dá)到抑菌目的。
細(xì)菌對弱酸的適應(yīng)性通常是其本身固有的而非誘導(dǎo)產(chǎn)生的。G+菌細(xì)胞壁只有肽聚糖層，巨大芽孢桿菌營養(yǎng)細(xì)胞的細(xì)胞壁可通過30000D的分子，因此，防腐劑極易進(jìn)入這些細(xì)胞內(nèi)部，即細(xì)胞固有的適應(yīng)性也較弱。G－菌的適應(yīng)性則較復(fù)雜，因?yàn)樗鼈兙哂袃?nèi)外壁，外壁層(脂多糖層)在控制細(xì)胞對防腐劑或其他小分子物質(zhì)的親和性方面起著很關(guān)鍵的作用。
在很多情況下，細(xì)菌也可經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生適應(yīng)性，如E.coliO157:H7經(jīng)pH2.0強(qiáng)酸條件處理后誘導(dǎo)其耐酸反應(yīng)可對苯甲酸產(chǎn)生一定抗性。一些G+菌，如單核細(xì)胞增生李斯特菌，在pH5.0溫和酸性條件下放置后，可大大增強(qiáng)其在pH3.0時(shí)的耐酸性。推測是細(xì)胞有一復(fù)雜的耐酸防御，使其可在低pH值下存活。
真菌也同樣會(huì)對有機(jī)弱酸產(chǎn)生適應(yīng)性。對酵母的適應(yīng)性研究表明可能細(xì)胞膜上的H+－ATP酶和轉(zhuǎn)移子Pdr12起著重要的作用，它們可分別將細(xì)胞內(nèi)的H+和防腐劑陰離子排出細(xì)胞，從而維持細(xì)胞正常的新陳代謝。 在乳中發(fā)現(xiàn)乳過氧化物酶對細(xì)菌和真菌都有較強(qiáng)抗菌作用，許多G+和G－菌可以被乳過氧化物酶抑制，G－通常比G+更敏感。該在氫過氧化物和硫氰酸鹽的存在下余襲可發(fā)揮最大活性，過去也將過氧化氫直接加入食品中，但由于對VC破壞太大，現(xiàn)在很少直接用于食品，而多用于包裝材料的滅菌。 在合適的條件下，過氧化氫可產(chǎn)生活性單氧，它有極強(qiáng)的生物致死作用。另外，在分子氧的不完全還原過程中產(chǎn)生的超氧化自由基，與過氧化氫和痕量金屬離子(如Fe2+)協(xié)同作用可產(chǎn)生極具殺傷力的羥基自由基。過氧化氫的抑菌效果與使用濃度、環(huán)境pH、溫度等有關(guān)，例如在室溫下殺芽孢能力很弱，而在高溫時(shí)則很有效。過氧化氫對芽孢的殺傷機(jī)制還不明確，對真菌和細(xì)菌營養(yǎng)細(xì)胞的致死性與細(xì)胞DNA損傷有關(guān)。
細(xì)菌和真菌通過多種途徑保護(hù)自身免受氫過氧化物傷害。許多細(xì)菌依靠過氧化氫酶降低過氧化氫毒性，但過氧化氫向細(xì)胞內(nèi)有很高的擴(kuò)散速率，少量細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞自身的過氧化氫酶沒有足夠的活性來保護(hù)細(xì)胞，在細(xì)胞濃度較高時(shí)，過氧化氫酶陽性細(xì)胞則可產(chǎn)生足量的酶來保護(hù)大多數(shù)細(xì)胞免受傷害。細(xì)菌芽孢對氫過氧化物的耐受性一般認(rèn)為是源于芽孢形成過程中合成的α/β酸溶性蛋白的存在，它們可保護(hù)休眠狀態(tài)的DNA免受損傷。
酵母細(xì)胞有一整套抗氧化防御，包括超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、細(xì)胞色素、過氧化物酶、硫氧還蛋白、谷氨酰胺半胱氨酸合成酶等。用低濃度過氧化氫處理后，酵母的許多應(yīng)激會(huì)被激活，可保護(hù)細(xì)胞耐受以后更高濃度的過氧化氫。 許多小分子有機(jī)物有很好的防腐作用，如肉桂酸、對羥基苯甲酸酯等。實(shí)宴毀滾際上，有許多抗菌成分是在植物中天然存在的，牛至、丁香、荔枝等中都可提取到有抗菌作用的物質(zhì)，包括香草酚、阿魏酸、對烯丙基茴香醚、愈創(chuàng)木酚等。這些成分一般為疏水物質(zhì)，能使細(xì)胞膜功能紊亂甚至使細(xì)胞膜破裂，最終導(dǎo)致微生物死亡。對苯甲酸、肉桂酸和苯甲醛等定量結(jié)構(gòu)活性相關(guān)的研究中發(fā)現(xiàn)，由反相HPLC測的親脂性參數(shù)與它們抗單核細(xì)胞增生李斯特菌性能有顯著關(guān)系。Helander等測試香芹酚、麝香草酚、貢蒿萜酮和肉桂醛等對E.coliO157:H7的效果，他們指出麝香草酚和貢蒿萜酮降低E.Coli胞內(nèi)ATP含量，而同時(shí)胞外ATP增加，這可能暗示細(xì)胞膜成分已被破壞。 由于許多化合物帶晌余濃烈的風(fēng)味，使其在食品中的應(yīng)用受到限制，例如洋蔥和大蒜中的異硫氰酸酯有較強(qiáng)抗菌作用，其衍生物烯丙基異硫氰酸酯和甲基異硫氰酸酯早已作為殺蟲劑在農(nóng)業(yè)上使用了，在食品中則由于其風(fēng)味問題而妨礙了其應(yīng)用。對異硫氰酸酯，推測其抗菌活性與通過氧化裂解二硫鍵鈍化細(xì)胞外酶有關(guān)，而且反應(yīng)性硫氰酸鹽自由基可增加抗菌活性。
關(guān)于微生物對這些抗菌成分產(chǎn)生適應(yīng)性的機(jī)制還不很明確，可能是在微生物中存在抗藥性泵可以排除進(jìn)入微生物的防腐物質(zhì)而保護(hù)微生物免受抑制。在G－菌中已知多藥抗性蛋白指令包括中性化合物泵(EmrAB)及雙親性陰陽離子泵(AcrAB)，在G+金黃色葡萄球菌中NorA多適應(yīng)性泵負(fù)責(zé)排出合成的兩性分子的陽離子化合物如溴乙啡啶及植物來源的抗生素如黃連素和非洲防己堿。 大多數(shù)天然抗菌肽的抑菌作用是由于干擾細(xì)胞膜功能，如ceropin和nisin等能在細(xì)菌細(xì)胞膜上形成電勢依賴通道，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)小分子溢流而使細(xì)胞死亡，這些肽的離子通道形成能力是抑制微生物的重要原因。
有的抗菌肽作用的靶結(jié)構(gòu)則為細(xì)胞壁。微生物細(xì)胞壁對維持微生物細(xì)胞生存是特有的和重要的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)在人體中，因此是引起微生物失活最理想的目標(biāo)。從細(xì)胞外降解細(xì)菌細(xì)胞壁的酶，如溶菌酶，已被用作食品防腐劑。溶菌酶水解N－乙酰胞壁酸和N－乙酰葡萄糖胺之間的β－1，4糖苷鍵，對G+的抗菌活性最強(qiáng)，因?yàn)檫@些細(xì)菌細(xì)胞壁只有肽聚糖層，容易被水解。 魚精蛋白的作用機(jī)制則是抑制線粒體電子傳遞的一些特定成分，抑制一些與細(xì)胞膜有關(guān)的新陳代謝過程。它可能是定位在膜表面，與膜中那些涉及營養(yǎng)運(yùn)輸或生物合成的蛋白質(zhì)作用，使這些蛋白質(zhì)功能受損，從而抑制細(xì)胞的新陳代謝而使細(xì)胞死亡。 微生物同樣會(huì)對抗菌肽產(chǎn)生適應(yīng)性，最主要的原因可能是微生物分泌蛋白酶。推測桿菌對nisin的適應(yīng)性至少部分是由于其分泌一種可降解nisin的酶，最近又有研究表明細(xì)胞質(zhì)外蛋白酶OmpT是E.coli對魚精蛋白有適應(yīng)性的關(guān)鍵。另一個(gè)適應(yīng)性產(chǎn)生原因可能是防止微生物細(xì)胞吸收抗菌肽，Dielbandhoseing等認(rèn)為焙烤酵母的細(xì)胞壁蛋白cwp1和cwp2參與釀酒酵母對nisin和合成兩親抗菌肽的適應(yīng)性。
此外，在與有膜活性抗菌肽的長期接觸中，細(xì)胞可能改變其膜組成，因?yàn)椴煌ち字M成會(huì)導(dǎo)致抗菌肽與細(xì)胞膜的親和性不同，從而使微生物對藥物的敏感性發(fā)生變化。Verheul等研究發(fā)現(xiàn)對nisin有抗性的單核細(xì)胞增生李斯特菌菌株ScottA相對于nisin敏感株有不同的膜磷脂組成，nisin抗性菌株膜中兩性離子磷脂酰乙醇胺有顯著增加，而陰離子二磷酸甘油和心磷脂的含量則降低。
對于作用于細(xì)胞壁的抗菌物質(zhì)，微生物同樣也會(huì)產(chǎn)生一系列應(yīng)激反應(yīng)。經(jīng)過研究酵母細(xì)胞如何處理外界酶或其它環(huán)境因素(溫度、pH、水分活度)對細(xì)胞壁的破壞作用，發(fā)現(xiàn)酵母細(xì)胞可激活一系列酶反應(yīng)，以檢測細(xì)胞壁受到的破壞并將之傳輸?shù)郊?xì)胞核，最后增加幾丁質(zhì)合成，促進(jìn)β－1，3葡聚糖聚合酶(FKS2)的表達(dá)，并促進(jìn)細(xì)胞壁蛋白質(zhì)的合成(如cwplp)。Kapteyn等詳述了釀酒酵母的這一系列的應(yīng)激反應(yīng)，認(rèn)為WSC家族的細(xì)胞膜定位感受器蛋白質(zhì)參與激活了該應(yīng)激反應(yīng)途徑，WSC蛋白本身是應(yīng)激傳感器或只是在信號(hào)傳輸過程中起作用，這個(gè)還需要進(jìn)一步的研究，已知的是如果使WSC蛋白質(zhì)的胞外部分和參與細(xì)胞壁組分構(gòu)建的酶失活，將會(huì)大大增強(qiáng)防腐劑的作用效果。 綜上所述，各種防腐劑對微生物有不同的作用機(jī)制，分別影響不同的細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)，但同時(shí)微生物本身也會(huì)對防腐劑產(chǎn)生一系列應(yīng)激反應(yīng)而產(chǎn)生適應(yīng)性。通常，幾種防腐劑協(xié)同作用可產(chǎn)生最佳抑菌效果，例如對G－菌，聯(lián)合應(yīng)用溶菌酶水解細(xì)胞壁、nisin干擾細(xì)胞膜以及螯合劑EDTA是很有效的。因此更深入地了解防腐劑在微生物體內(nèi)的作用機(jī)理及微生物的應(yīng)激反應(yīng)可幫助我們更有效、更合理地使用防腐劑。雖然在這方面已進(jìn)行了許多研究，但仍然還有許多未闡明的地方，包括微生物是否死亡、殘存、適應(yīng)環(huán)境或生長以及它們機(jī)體內(nèi)發(fā)生了什么生理分子反應(yīng)機(jī)制而導(dǎo)致了這些現(xiàn)象。例如，應(yīng)激反應(yīng)過程涉及到哪些信號(hào)傳導(dǎo)和那些應(yīng)激蛋白，這些是如何聯(lián)系的，每個(gè)包含多少細(xì)胞能量。宏觀的生物能學(xué)參數(shù)(生長速率、產(chǎn)量)、微觀生物能學(xué)參數(shù)(培養(yǎng)基利用率、ATP水平、ATP/ADP比率、細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡)及分子在應(yīng)激反應(yīng)中的反應(yīng)仍是剛興起的研究課題。如果能積累更多的數(shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)模型來描述微生物生長和死亡，則會(huì)比現(xiàn)在食品工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)更為科學(xué)、準(zhǔn)確，對防腐劑的開發(fā)和應(yīng)用也將有更為科學(xué)的指導(dǎo)。
生物防腐劑又稱天然防腐劑，經(jīng)過氏襪笑微生物發(fā)酵提取，或從天然生物植物中提取，具有抑菌作用的物質(zhì)，因?yàn)樘烊粴灪瑹o危害，越來越受到食好滑品行業(yè)的青睞。
防腐劑是抑制已經(jīng)配制的肉牛飼料（日糧或飼糧）發(fā)霉變質(zhì)，延長飼料保質(zhì)期，保存維生素，減少飼料干物質(zhì)損失慶首宏的物質(zhì)。添加防腐劑是減少飼料損失、降低飼料費(fèi)用的有效措施。我國譽(yù)冊南方潮濕地區(qū)、梅雨季節(jié)使用防腐、防霉劑較多。在肉牛飼料中常用的防腐劑、防霉劑種類、名稱和劑量見表3-20。
表3-20芹橋常用的防腐劑、防霉劑種類、名稱和劑量
