天然食品防腐剂及其在食品中的应用研究

吕奎营，赵秋香，赵媛媛，张媛媛

(青岛科技大学 化工学院，山东 青岛 266000)

防腐剂是一种可以防止食品腐败、变质，保证食品质量和延长食品保质期的重要食品添加剂。随着生活水平的提高，消费者愈来愈追求营养丰富、无添加剂、绿色安全和保质期较长的食品[1]，由于微生物活动和氧化等作用，食品很容易腐败变质[2]；并且若误食过期或变质的食品还可能会造成食物中毒，因此食品的储存需要有效的防腐方法。除传统的冷藏、冷冻、盐腌、干燥等保鲜方法外，防腐添加剂也能延长食品的保质期。按照防腐剂的组分和来源可分为化学类和天然类防腐剂[3]，化学类防腐剂是将化学物质添加到食品中，但长时间研究表明，有些化学防腐剂具有诱癌性、致畸性、低毒性以及某些潜在的危害；而天然防腐剂由于来源于自然资源，具有安全、绿色、高效的防腐特性[4]，因而在食品中的应用比化学合成防腐剂更为广泛，天然防腐剂的重要性也日益增加。目前已开展了天然防腐剂在食品中的应用研究，并在不断探索新型天然防腐剂。本文主要介绍了三类天然防腐剂：植物防腐剂、动物防腐剂和微生物防腐剂以及各自功能和在食品中的应用。

1 天然食品防腐剂的研究现状

天然防腐剂是指从植物、动物和微生物中或其代谢产物中分离提取出来的一类具有抗菌防腐作用的功能性物质，较化学防腐剂更安全[5]。在食品行业中，常通过添加防腐剂以达到减少损失、提高质量、延长保质期的目的。目前常用的防腐剂主要为天然防腐剂和化学防腐剂，化学防腐剂主要包括山梨酸盐、亚硝酸盐和苯甲酸盐等，虽然这些防腐剂已使用多年，但人们对这些防腐剂安全性的担忧从未减少，大多数化学防腐剂对人体的健康仍存在某些潜在的危害。Mamur等[6]研究发现山梨酸钠对人外周血淋巴细胞具有基因毒性；研究人员还发现，当这些防腐剂一起使用时，会对人体健康产生不利影响。Binstok等[7]报道称，由于存在形成诱变化合物的风险，在肉制品中应尽量减少山梨酸盐和亚硝酸盐的联合使用。

在食品保鲜中使用化学防腐剂可能会对人类健康和环境产生某些危害，而天然防腐剂具有低毒素、无异味、安全和高效的优势，不仅对人体无害，还具有一定的营养价值[8]，故对于人类和环境来说，使用天然防腐剂更加安全。因此，天然食品防腐剂在食品行业已受到广泛的关注，需要进一步研究和综合开发。

2 天然防腐剂的来源和应用

天然食品防腐剂具有抗菌性强、安全性高、热稳定性好等优点，根据其来源可分为植物防腐剂、动物防腐剂和微生物防腐剂[9]。由于各种天然防腐剂的来源不同，其组成和结构特征不同，在食品中的应用也不同，以下将分别介绍这3种天然食品防腐剂。

2.1 植物防腐剂

植物防腐剂大多源自于植物提取物，如某些天然草药和香料以及植物精油等。因其独特的风味和抑菌防腐作用，长期以来植物提取物和植物精油一直被用作食品防腐剂、调味料和医疗制剂。

2.1.1 植物提取物

植物提取物通常从植物的根、茎、叶、花、果、树皮等部位获得，一些提取物有很强的味道，在高浓度下会引起感官不适，故要限制其浓度的使用。植物提取物中具有生物活性的植物素，其含量的定性和定量变化都导致其有效性发生变化，这些植物素还会影响食物的微生物含量、口感和味道等。由于其特定的植物化学成分，植物提取物具有一定的抗菌活性，从草药、香料、蔬菜、水果中获得的植物提取物对细菌、酵母和霉菌都具有抗菌作用。研究表明，植物提取物对控制食源性致病菌的生长是非常有效的[10]。Ibrahim等[11]从新鲜番石榴果中提取番石榴过滤汁，并研究该提取物对大肠杆菌O157:H7和沙门氏菌的影响，发现这种提取物能显著抑制其生长。

植物提取物中含有丰富的天然抗氧化剂，在食品中，抗氧化剂发挥着重要作用。抗氧化剂是能够延缓或防止食物因氧化而酸败的添加剂，能够延长食品的保质期。植物性抗氧化剂大多表现出类似于丁基羟基茴香醚(BHA)和丁基化羟基甲苯(BHT)的保护作用，多种蔬菜和水果都可被视为用于强化和稳定食品的天然抗氧化剂的重要来源[12]。科研人员研究了食品中植物提取物的抗氧化作用，发现番茄和大蒜提取物能延缓在冷冻鱼肉和腌制凤尾鱼过程中的脂质氧化[13]。Aubourg等[14]研究植物提取物Rosmol-P(RP)对马鲛鱼在冷冻保存期间稳定性的影响发现，与对照组相比，特别是在浓度更高的情况下，RP处理的氧化率更低。植物型抗氧化剂如迷迭香，有稳定自由基、打破氧化链的作用，且迷迭香的抗氧化性是BHT和BHA的4倍。研究发现，迷迭香提取物对金头鲷鱼片的脂质氧化具有明显的抑制作用[15]。

2.1.2 精油

精油(EO)是从天然草药和香料中获得的具有芳香性和挥发性的液体，含有大量的次生代谢物，具有延缓或抑制细菌、酵母和霉菌生长的作用。精油作为香料或草药的一部分，早已在食品、医学、香水和化妆品行业使用几个世纪[16]。在食品工业中，精油主要用作调味剂。据报道，在根茎、叶、花或芽、鳞茎、种子、果实或植物其他部位提取的精油中发现了抗菌化合物[17]。植物精油的化学成分不仅与植物的生长环境有关，还与植物的种类、植物材料的采集季节、采集部位，甚至与精油的提取方法等许多因素相关。草药精油中抗菌活性最强的时候是在开花期间或开花后[18]，精油中的一些抗菌化合物是天然存在于植物中的，而另一些则是植物在面临微生物攻击或其本身受到伤害时产生的。由于大多数精油提取工艺成熟、抗菌效果强、无毒无害，故它作为一种天然抗菌剂在食品保鲜中脱颖而出。

2.2 动物防腐剂

动物防腐剂是指从某些动物体内或其代谢产物中人工提取的具有防腐作用的生物活性物质，按照功能分类主要有：抗菌酶、抗菌肽和抗氧化肽等。

2.2.1 抗菌酶

酶可通过许多不同的机制发挥抗菌活性。例如，溶菌酶和其他抗菌酶主要通过催化裂解细胞表面聚合物或细胞壁，诱导细菌分解从而具有抗菌活性；乳过氧化物酶(LPO)和其他过氧化物酶系统则通过催化氧化起抗菌作用，LPO对革兰氏阳性菌和阴性菌的生长均有抑制作用。

溶菌酶广泛用于肉类、肉制品、鱼类及其制品、牛奶和乳制品以及水果和蔬菜等食品的保鲜中，可达到防止食品腐败变质和果实衰老的效果。溶菌酶对一定范围内的细菌和真菌表现出抗菌活性，特别是对革兰氏阳性菌的抗菌作用更强，且溶菌酶和其他防腐剂联合使用可以增强其抗菌活性，研究发现，溶菌酶和乳酸链球菌素对革兰氏阳性菌有协同作用。

乳过氧化物酶是一种重要的天然抗菌剂，在食品包装中具有杀菌或抑菌的作用。Mohamed等[19]将乳酸过氧化物酶体系(LPOS)直接加入不同浓度的壳聚糖膜中，发现与对照组相比，LPOS组在贮藏期间的腐败杆菌、荧光杆菌、嗜冷和嗜中性细菌数量明显减少。

2.2.2 抗菌肽和抗氧化肽

抗菌肽(AMPS)是由20～60个氨基酸残基组成的寡肽，对细菌、真菌、原生动物和某些病毒具有广谱抗菌活性，可从植物、昆虫、甲壳类动物和海洋生物等其他生物中分离出来[20]。动物源性抗菌肽主要来源于哺乳动物、两栖动物、鱼类等，一些潜在的动物源性抗菌药物有乳铁蛋白、鱼精蛋白和壳聚糖等。乳铁蛋白有铁结合能力和聚阳离子性质，因而具有抗菌活性，主要存在于牛奶和其他动物分泌物中；鱼精蛋白是一种阳离子抗菌肽，主要是由分子中的多聚精氨酸以及其他少数几个氨基酸以某种结构或形式与细菌细胞壁结合，抑制细胞壁的形成，从而抑制细胞的代谢而使细胞死亡[21]。鱼精蛋白多存在于鱼类、鸟类和哺乳动物的精子细胞中，目前主要应用于牛奶和面包等食品中，对细菌和霉菌具有抗菌活性，尤其对革兰氏阳性菌作用更强；壳聚糖多存在于甲壳动物和节肢动物的外骨骼中，对细菌、真菌和病毒均具有抗菌活性。

肽的抗氧化活性主要取决于金属离子和自由基的结合特性[22-24]，抗氧化肽主要包括蛋白质及其水解物、多肽和氨基酸等[25]。蛋白质的抗氧化活性是由其结构中的氨基酸和酶解得到的活性肽引起的。Centenaro等[26]将鱼和鸡的酶解产物添加到牛肉糜中，发现该酶解产物具有抗氧化作用，能够防止牛肉的脂质氧化，且脂质氧化的抑制率分别为93%和80%。

2.3 微生物及其代谢物的防腐剂

细菌产生的许多化合物都可防止食品中腐败菌或病原微生物的生长。食品级微生物可形成大量物质抑制其他微生物的生长，从而达到微生物生态系统自然平衡。微生物中的乳酸菌(LAB)具有抑制微生物生长的能力，被认为是较好的候选菌种。在发酵食品的生产中，乳酸菌用于提高食品的口感、风味和质地以及防止致病微生物的生长，且LAB食用时无任何危害。LAB的抗菌成分主要有细菌素、有机酸、过氧化氢、二氧化碳和二乙酰；其中，细菌素是由LAB和其他菌种合成的天然防腐剂或生物防腐剂，对金黄色葡萄球菌、单核增生李斯特菌、肉毒杆菌等食源性致病菌具有良好的杀菌或抑菌作用，并且对革兰氏阳性菌也有较好的抗菌活性，细菌素在较低的pH值下抗菌活性更强。此外，细菌素可与其他抗菌化合物联合使用，以增强对细菌的灭活作用。细菌素可用于生物活性包装，近年来，研究人员致力于在食品包装膜中添加细菌素，以控制食品病原体的生长，抗菌包装膜是通过将包装材料与食品表面接触以防止食品表面微生物的生长[27]。

3 结论

食品是人从外界摄取营养和能量的重要来源，其安全和卫生尤为重要，而防腐剂能够达到预防食品腐败变质、延长食品保质期的效果，因而食品防腐剂在食品的保鲜和储存中具有极其重要的作用。相比于化学合成防腐剂具有副作用大、致癌等缺点，天然防腐剂不仅无毒无害，能延长食品的保质期，而且有利于人类身体健康；毫无疑问，除现有的天然草药、动物或微生物添加剂成分外，还有更多的新型天然食品防腐剂有待于发现。因此，研究开发安全可靠、价格低廉、高效的天然防腐剂是我国食品科学发展的一个主要研究方向，也是提升食品产业效益和安全的重要措施。