生物防腐劑指從生物體通過生物培養、提取和分離技術獲得的,具有抑制和殺滅微生物作用的一類高效防腐劑。食品的營養豐富，極易受微生物污染而腐敗變質，為了保證食品的食用安全性，人們採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，在食品工業中被廣泛使用。
基本介紹
- 中文名：生物防腐劑
- 來源：生物體
- 原理：作用於 一個亞結構
- 常見：乳酸鏈球菌素、納他黴素
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電影
生物防腐劑是由微生物代謝產生的抗菌物質，主要是一些有機酸、多肽或前體我肽，其作用機制主要是在細胞膜上形成微孔，導致膜通透性增加和能量產生系統破壞，由於這些物質很容易進入微生物細胞，因而其能很迅速地抑制微生物的生長。
不少微生物在其代謝過程中都能產生抑菌物質，但作為食品防腐劑，必須符合：生物殺菌素本身對人體完全無害；在消化道內降解為食物的正常成分；對食品進行熱處理進降解為無害成分；不影響消化道菌群；不影響藥用抗菌素的使用。
來源
植物來源
食用香辛植物用在食品中原本是用來調味增香作用。近些年的研究表明，這些物質也具有抗菌防腐作用，能夠抑制傳染性微生物的生長，延長食品的貨價期。這些香辛料包括大蒜、生薑、花椒、丁香、肉桂、肉豆蔻、八角、茴香等。如大蒜提取液對幾十種食品腐敗方面的細菌和真菌有較強的抑制和殺滅作用，蒜素是最主要的功能成分。生薑提取液中的萜類化合物也具有較強的殺菌作用。
微生物來源
微生物來源的生物防腐劑是由微生物代謝產生的抗菌物質，主要是一些有機酸、多肽或前體肽。其作用機制主要是在細胞膜上形成微孔，導致細胞膜通透性增加和能量產生系統破壞，從而抑制微生物的生長。目前已被批准並在全球廣泛套用的微生物防腐劑有乳酸鏈球菌肽、曲酸和納他黴素，這些都是發酵工程的重要產品。
動物來源
分類
按照防腐劑抗微生物的主要作用性質，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，並無絕對界限，常常不易區分。同一物質，濃度高時可殺菌，而濃度低時只能抑菌，作用時間長可殺菌，作用時間短則只能抑菌。另外，由於各種微生物性質的不同，同一物質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。
防腐原理
一般認為，食品防腐劑對微生物的抑制作用是通過影響細胞亞結構而實現的，這些亞結構包括細胞壁、細胞膜、與代謝有關的酶、蛋白質合成系統及遺傳物質。由於每個亞結構對菌體而言都是必須的，因此食品防腐劑只要作用於其中的一個亞結構便能達到殺菌或抑菌的目的。
基本原理
在溶液中，弱酸隨pH不同在解離和未解離狀態間存在動態平衡。在低pH值情況下該類防腐劑有最大抑菌活性，因為此時分子多數處於未電離狀態，未電離的有機弱酸分子是親脂性的，因此可自由透過原生質膜。進入細胞內後，在高pH環境下，分子解離成帶電質子和陰離子，不易透過膜而在細胞內蓄積。防腐劑分子不斷擴散入細胞直到達到平衡，引起細胞內H+的失控，改變細胞內pH狀態及蓄積毒性陰離子，抑制細胞的基礎代謝反應，最終達到抑菌目的。
細菌對弱酸的適應性通常是其本身固有的而非誘導產生的。G+菌細胞壁只有肽聚糖層，巨大芽孢桿菌營養細胞的細胞壁可通過30000D的分子，因此，防腐劑極易進入這些細胞內部，即細胞固有的適應性也較弱。G－菌的適應性則較複雜，因為它們具有內外壁，外壁層(脂多糖層)在控制細胞對防腐劑或其他小分子物質的親和性方面起著很關鍵的作用。
在很多情況下，細菌也可經誘導產生適應性，如E.coliO157:H7經pH2.0強酸條件處理後誘導其耐酸反應可對苯甲酸產生一定抗性。一些G+菌，如單核細胞增生李斯特菌，在pH5.0溫和酸性條件下放置後，可大大增強其在pH3.0時的耐酸性。推測是細胞有一複雜的耐酸防禦系統，使其可在低pH值下存活。
真菌也同樣會對有機弱酸產生適應性。對酵母的適應性研究表明可能細胞膜上的H+－ATP酶和轉移子Pdr12起著重要的作用，它們可分別將細胞內的H+和防腐劑陰離子排出細胞，從而維持細胞正常的新陳代謝。
過氧化物酶
在乳中發現乳過氧化物酶系統對細菌和真菌都有較強抗菌作用，許多G+和G－菌可以被乳過氧化物酶系統抑制，G－通常比G+更敏感。該系統在氫過氧化物和硫氰酸鹽的存在下可發揮最大活性，過去也將過氧化氫直接加入食品中，但由於對VC破壞太大，現在很少直接用於食品，而多用於包裝材料的滅菌。 在合適的條件下，過氧化氫可產生活性單氧，它有極強的生物致死作用。另外，在分子氧的不完全還原過程中產生的超氧化自由基，與過氧化氫和痕量金屬離子(如Fe2+)協同作用可產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、環境pH、溫度等有關，例如在室溫下殺芽孢能力很弱，而在高溫時則很有效。過氧化氫對芽孢的殺傷機制還不明確，對真菌和細菌營養細胞的致死性與細胞DNA損傷有關。
細菌和真菌通過多種途徑保護自身免受氫過氧化物傷害。許多細菌依靠過氧化氫酶降低過氧化氫毒性，但過氧化氫向細胞內有很高的擴散速率，少量細胞時，細胞自身的過氧化氫酶沒有足夠的活性來保護細胞，在細胞濃度較高時，過氧化氫酶陽性細胞則可產生足量的酶來保護大多數細胞免受傷害。細菌芽孢對氫過氧化物的耐受性一般認為是源於芽孢形成過程中合成的α/β酸溶性蛋白的存在，它們可保護休眠狀態的DNA免受損傷。
酵母細胞有一整套抗氧化防禦系統，包括超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、細胞色素、過氧化物酶、硫氧還蛋白、谷氨醯胺半胱氨酸合成酶等。用低濃度過氧化氫處理後，酵母的許多應激系統會被激活，可保護細胞耐受以後更高濃度的過氧化氫。
螯合劑
食品中常用的螯合劑有：檸檬酸鹽、乳酸鹽、焦磷酸鹽和EDTA等，其防腐作用主要是通過與其它防腐劑協同作用而實現的。對於G－菌，螯合劑起G－外膜滲透劑的作用，EDTA可從G－部分除去含脂多糖的外壁層，還能幫助溶解類脂化合物，特別是脂肪酸，從而增加了其對化學防腐劑的敏感性。對G+菌的抑制作用則主要是由於和金屬離子結合。當溶液pH下降時EDTA螯合重金屬離子的能力下降，抑菌活性也隨之下降。檸檬酸鹽由於其Ca螯合活性可抑制分解蛋白質的C.botulinum的生長。對於真菌，EDTA通過螯合Zn可抑制酵母的生長，推測是阻礙了正常細胞壁的合成。
其他小分子有機物
許多小分子有機物有很好的防腐作用，如肉桂酸、對羥基苯甲酸酯等。實際上，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，包括香草酚、阿魏酸、對烯丙基茴香醚、愈創木酚等。這些成分一般為疏水物質，能使細胞膜功能紊亂甚至使細胞膜破裂，最終導致微生物死亡。對苯甲酸、肉桂酸和苯甲醛等定量結構活性相關的研究中發現，由反相HPLC測的親脂性參數與它們抗單核細胞增生李斯特菌性能有顯著關係。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ATP含量，而同時胞外ATP增加，這可能暗示細胞膜成分已被破壞。 由於許多化合物帶濃烈的風味，使其在食品中的套用受到限制，例如洋蔥和大蒜中的異硫氰酸酯有較強抗菌作用，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業上使用了，在食品中則由於其風味問題而妨礙了其套用。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胞外酶有關，而且反應性硫氰酸鹽自由基可增加抗菌活性。
關於微生物對這些抗菌成分產生適應性的機制還不很明確，可能是在微生物中存在抗藥性泵可以排除進入微生物的防腐物質而保護微生物免受抑制。在G－菌中已知多藥抗性蛋白指令系統包括中性化合物泵(EmrAB)及雙親性陰陽離子泵(AcrAB)，在G+金黃色葡萄球菌中NorA多適應性泵負責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鹼。
肽類防腐劑
大多數天然抗菌肽的抑菌作用是由於干擾細胞膜功能，如ceropin和nisin等能在細菌細胞膜上形成電勢依賴通道，導致細胞內小分子溢流而使細胞死亡，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構則為細胞壁。微生物細胞壁對維持微生物細胞生存是特有的和重要的結構，這些結構不出現在人體中，因此是引起微生物失活最理想的目標。從細胞外降解細菌細胞壁的酶，如溶菌酶，已被用作食品防腐劑。溶菌酶水解N－乙醯胞壁酸和N－乙醯葡萄糖胺之間的β－1，4糖苷鍵，對G+的抗菌活性最強，因為這些細菌細胞壁只有肽聚糖層，容易被水解。 魚精蛋白的作用機制則是抑制線粒體電子傳遞系統的一些特定成分，抑制一些與細胞膜有關的新陳代謝過程。它可能是定位在膜表面，與膜中那些涉及營養運輸或生物合成系統的蛋白質作用，使這些蛋白質功能受損，從而抑制細胞的新陳代謝而使細胞死亡。 微生物同樣會對抗菌肽產生適應性，最主要的原因可能是微生物分泌蛋白酶。推測桿菌對nisin的適應性至少部分是由於其分泌一種可降解nisin的酶，最近又有研究表明細胞質外蛋白酶OmpT是E.coli對魚精蛋白有適應性的關鍵。另一個適應性產生原因可能是防止微生物細胞吸收抗菌肽，Dielbandhoseing等認為焙烤酵母的細胞壁蛋白cwp1和cwp2參與釀酒酵母對nisin和合成兩親抗菌肽的適應性。
此外，在與有膜活性抗菌肽的長期接觸中，細胞可能改變其膜組成，因為不同膜磷脂組成會導致抗菌肽與細胞膜的親和性不同，從而使微生物對藥物的敏感性發生變化。Verheul等研究發現對nisin有抗性的單核細胞增生李斯特菌菌株ScottA相對於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醯乙醇胺有顯著增加，而陰離子二磷酸甘油和心磷脂的含量則降低。
對於作用於細胞壁的抗菌物質，微生物同樣也會產生一系列應激反應。經過研究酵母細胞如何處理外界酶或其它環境因素(溫度、pH、水分活度)對細胞壁的破壞作用，發現酵母細胞可激活一系列酶反應，以檢測細胞壁受到的破壞並將之傳輸到細胞核，最後增加幾丁質合成，促進β－1，3葡聚糖聚合酶(FKS2)的表達，並促進細胞壁蛋白質的合成(如cwplp)。Kapteyn等詳述了釀酒酵母的這一系列的應激反應，認為WSC家族的細胞膜定位感受器蛋白質參與激活了該應激反應途徑，WSC蛋白本身是應激感測器或只是在信號傳輸過程中起作用，這個還需要進一步的研究，已知的是如果使WSC蛋白質的胞外部分和參與細胞壁組分構建的酶失活，將會大大增強防腐劑的作用效果。
結語
綜上所述，各種防腐劑對微生物有不同的作用機制，分別影響不同的細胞亞結構，但同時微生物本身也會對防腐劑產生一系列應激反應而產生適應性。通常，幾種防腐劑協同作用可產生最佳抑菌效果，例如對G－菌，聯合套用溶菌酶水解細胞壁、nisin干擾細胞膜以及螯合劑EDTA是很有效的。因此更深入地了解防腐劑在微生物體內的作用機理及微生物的應激反應可幫助我們更有效、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、適應環境或生長以及它們機體內發生了什麼生理分子反應機制而導致了這些現象。例如，應激反應過程涉及到哪些信號傳導系統和那些應激蛋白，這些系統是如何聯繫的，每個系統包含多少細胞能量。巨觀的生物能學參數(生長速率、產量)、微觀生物能學參數(培養基利用率、ATP水平、ATP/ADP比率、細胞內氧化還原平衡)及分子在應激反應中的反應仍是剛興起的研究課題。如果能積累更多的數據，用數學模型來描述微生物生長和死亡，則會比現在食品工業中實際套用的經驗性知識更為科學、準確，對防腐劑的開發和套用也將有更為科學的指導。
ε-多聚賴氨酸
ε-多聚賴氨酸是目前天然防腐劑中具有優良防腐性能和巨大商業潛力的微生物類食品防腐劑。它是日本酒井平一和島昭二兩位博士在大量篩選有價值的放線菌時發現的一種新型聚合物，用由25～30賴氨酸殘基聚合而成，經過進一步研究發現其具有強烈的抑菌能力，可以作為防腐劑用於食品的保鮮。
ε-多聚賴氨酸抑菌譜廣，在酸性和微酸性環境中對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、酵母菌、黴菌均有一定的抑菌效果，ε-多聚賴氨酸對其他天然防腐劑不易抑制的革蘭氏陰性的大腸桿菌、沙門氏菌抑菌效果非常好，而且其對耐熱性芽孢桿菌和一些病毒也有抑制作用。
特點
2003年HirakiJ等使用了ADME(最近幾年，美國熱電集團研製的新藥毒性檢測設備，集吸收、分布、代謝和排泄、毒性為一體)研究方法證實ε-多聚賴氨酸作為食品防腐劑的安全性。他們在老鼠體內對ε-多聚賴氨酸進行了一系列藥物動力學和代謝途徑的研究，以了解在老鼠的食物中添加高達50000mg/kgε-多聚賴氨酸的亞慢性及慢性飼養的生物檢測中，沒有毒理學影響的原因。對老鼠進行急性口服毒性實驗，發現ε-多聚賴氨酸實際是無毒的，口服量高達5g/kg時死亡率為0。
ε-多聚賴氨酸添加於食品中僅需微量就能奏效，且不會影響食品口味感，可做食品的天然保存劑。它天然安全，符合消費者的健康需求。在日本，利用ε-多聚賴氨酸作為食品保存劑的生產規模發展迅速，市場規模達數十億日元。ε-多聚賴氨酸套用於糕點、麵包食品中，能有效的抑制耐熱性芽孢桿菌的增殖，延長保存期;套用於低糖低熱量食品，如乳蛋白冰淇淋、奶油製品等，可改善其保存性;在低溫軟罐頭食品中加微量ε-多聚賴氨酸可防止殺菌後產生異味;在冷藏食品中添加ε-多聚賴氨酸能起到保證質量的效果。
配合物質
多聚賴氨酸作為抑菌劑在食品中使用時，通常與其它物質配合使用，以達到增效和經濟的目的。常用的配合物質可分為五類：1、酒精，使用量為30～70%，主要套用於各種蛋製品。2、有機酸，常常使用的有機酸一般有：醋酸、蘋果酸、馬來酸、檸檬酸、琥珀酸等，使用量在0.5～50%之間，主要套用於米飯、飲料、色拉、醬類等食品;3、甘油酯，甘油酯多為低級脂肪酸酯，用量在0.01～5%之間，主要用於動物性蛋白，乳蛋白較多的食品。4、甘氨酸，用量為0.01～10%;主要套用於牛奶防腐。5、其它天然抑菌劑，如：魚精蛋白、茶多酚等。
套用
乳酸鏈球菌肽
乳酸鏈球菌肽是由N血清型的某些乳酸乳球菌產生的一種小肽，對許多G+菌具有抗菌性，尤其是對梭菌和芽孢桿菌活性的抑制，這些產生內生孢子的細菌是食品的主要腐敗菌。目前，在全世界約有50個國家和地區已得到廣泛套用，而且許多國家如英國、法國、澳大利亞等對其添加數量不作任何限制。
曲酸
曲酸是某些微生物生產過程中不經糖代謝產生的一種弱酸性化合物，對許多微生物的生長有抑制作用，並能抑制多酚氧化酶的活性。曲酸與目前在食品添加劑方面廣泛使用的苯甲酸、山梨酸及其鈉鹽具有安全性高，易溶於水，不為細菌所利用，熱穩定性好，不易揮發，ph值對抗菌影響力小，對人無刺激性等優點。可用於對果蔬的保鮮對發色食品的增高及護髮、降低亞硝酸鹽及其它有害發色劑的使用量，並且在抑制食品的酶竭變方面有著極大的套用前景。
納他黴素
納他黴素是由納塔爾鏈黴菌產生的多烯大環內酯類抗真菌劑，能專性抑制酵母和黴菌，其活性遠優於山梨酸。由於它溶解度低，只能停留在食品表面，因而特別適用於表面處理，納它黴素不會干擾其它食品組分，也不會帶來異味，可套用於乾酪皮、肉製品及焙烤食品表面及飲料、水果、調味醬等，尤其是納他黴素對細菌沒有作用，因而不會場影響乾酪和乾酪製品的熟化。
