Nisin：一种高效、安全的天然食品防腐剂

1.食盐和糖

盐制是指采用食盐对肉或蔬菜等食品原料进行处理，糖制是指采用糖对水果等原料进行处理，食品的盐制和糖制统称为腌渍。因此，食品腌渍的基本原理是食盐或糖能降低食品的aw，提高渗透压，从而有选择地抑制微生物的生长繁殖，防止食品的腐败变质，保持食品的品质。

食盐自古以来即被作为食品防腐剂，早期使用食盐的目的是为了保藏肉类。各种微生物具有耐受不同盐浓度的能力。一般来说，当食盐浓度为0.85%～0.90%时，微生物的生长活动不会受到影响；当食盐浓度为1%～3%时，大多数微生物的生长就会受到暂时性抑制，但有些微生物能在2%左右或更高的盐浓度中生长，这类微生物通常被称为耐盐微生物。多数杆菌在超过10%盐浓度时就不能生长，而有些杆菌在低于10%盐浓度时即停止生长，例如大肠埃希氏菌、沙门氏菌、肉毒梭状芽孢杆菌（Clostridium botulinum）等在6%～8%的盐浓度时生长就受到抑制。15%的盐浓度可以抑制球菌生物生长，20%～25%的盐浓度可以抑制霉菌的生长。当盐浓度达到20%～25%时，几乎所有的微生物都停止生长，因此这一浓度基本上达到阻止微生物生长的目的。食盐浓度越高，保藏和脱水作用越大，在还具备冷冻条件时，通过盐腌也许是保藏鱼类和肉类最有效的方法。需要注意的是，虽然在一定的盐浓度下多少有微生物的生长受到抑制，但经短时间生存后，再次遇到适宜环境时有些仍能恢复生长。

在腌制食品所用的食盐中有时会存在一些嗜盐菌，这些嗜盐菌可以在较高的盐浓度中生长，细菌中常见的耐盐菌有微球菌、海洋细菌、假单胞菌、黄杆菌和八叠球菌等，球菌的耐盐性一般较杆菌强，非病原菌耐盐性通常比较强。一般霉菌对食盐都有较强的耐受性，如某些青霉菌株在25%的食盐浓度中尚能生长。

糖溶液的浓度对微生物的生长具有不同的影响，1%～10%糖液浓度会促进某些微生物的生长，50%糖液浓度可以阻止大多数微生物的生长，通常糖液浓度达到65%～85%时才能抑制细菌和霉菌的生长。相同浓度的糖液和盐溶液，由于所产生的渗透压不同，因此对微生物的抑制作用也不同。例如要达到与食盐相同的抑制微生物的效果，蔗糖的使用量是食盐的6倍。蔗糖广泛用于水果蜜饯、糖果、炼乳等产品的保藏中，由于高浓度糖的作用，使某些馅饼、糕点等产品的货架期较长。

不同种类的糖对微生物的作用也不一样，相对分子质量越小的糖液，含有分子数越多，其渗透压就越大，从而对微生物的抑制作用也越大。在相同浓度下，葡萄糖和果糖对微生物的抑制作用比蔗糖和乳糖较大。例如35%～40%的葡萄糖溶液可以抑制金黄色葡萄球菌的生长，而蔗糖要达到抑制作用需要的浓度为50%～60%，杀灭金黄色葡萄球菌葡萄糖溶液浓度为40%～50%，而蔗糖溶液的浓度需要60%～70%。

在高浓度的糖液中，霉菌和酵母菌的生存能力较细菌强。例如蜂蜜中常因耐糖酵母菌的存在而引起变质。因此，采用糖渍方法保藏食品时，主要应防止霉菌和酵母菌对食品的影响。此外，鲁氏接合毛霉（Zygosaccharomyces rouxii）可以在极端高浓度的糖液中生长。

2.乳酸链球菌素

乳酸链球菌素（Ninhibifory Sabatance, nisin），又称乳酸链球菌肽，是从乳酸链球菌发酵产物中提取的一种多肽物质，由34个氨基酸残基组成，分子式为C143H228N42O37S7，相对分子质量为3500，在分子组成中含有羊硫氨酸（lanthlonine）、β-甲基羊硫氨酸（β-methy-llanthionine）、脱氢丙氨酸（dehydroalanine）和β-甲基脱氢丙氨酸（β-metlyldehydroa-lanine）四种不常见的氨基酸残基。Nisin作为食品防腐剂具有一些理想的特性：无毒；由乳酸链球菌自然产生；具有热稳定性和较好的贮存稳定性；可以被消化分解；没有异常风味和气味；抗菌活性范围窄等。

食用后在人体的生理pH条件和α-胰凝乳蛋白酶作用下很快水解成氨基酸，不会改变人体肠道内正常菌群，不会产生其他抗菌素所出现的抗药性，更不会与其他抗菌素出现交叉抗性。因此，Nisin是一种高效、无毒、安全、无副作用的天然食品防腐剂。FAO和WHO已于1969年给予认可，是目前唯一允许作为防腐剂在食品中食用的细菌素。

乳酸链球菌素的抑菌机制是作用于细菌的细胞膜，抑制细菌细胞壁中肽聚糖的生物合成，使细胞膜和磷脂化合物的合成受阻，从而导致细胞内物质外泄，甚至引起细胞的裂解。但有些学者认为Nisin是一个疏水带正电荷的小肽，能与细胞膜结合形成管道结构，使小分子和离子通过管道流失，导致细胞膜渗透。

乳酸链球菌素仅对大多数革兰氏阳性菌具有抑制作用，如金黄色葡萄球菌（Staphyloccocus aureus）、链球菌（Streptococcus）、乳酸杆菌（Lacticacid bacteria）、微球菌（Micrococcaceae）、单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）和丁酸梭菌（Clostridium butyricum）等，特别是对芽孢杆菌属、梭状芽孢杆菌属孢子萌发的抑制作用比对营养细胞的作用更大，但对革兰氏阴性菌、酵母菌和霉菌没有抑制作用。研究报道，在一定条件下，若乳酸链球菌素与冷冻、加热、低pH和螯合剂EDTA联合使用可抑制一些革兰氏阴性菌，例如沙门氏菌（salmonella）、志贺氏菌（Shigella）、克雷伯氏菌（Klebsiella）和大肠埃希氏菌（Escherichia coli）等。

乳酸链球菌素是一种浅棕色固体粉末，在中性或碱性条件下溶解度较小，且在不同pH下溶解度不同。如在蒸馏水（pH为5.9）中溶解度为50.0 mg/mL，在饮用水（pH为7.0）中溶解度为49.0 mg/mL，在0.02 N盐酸中溶解度为118.0 mg/mL，在碱性条件下几乎不溶解。因此，乳酸链球菌素适用于酸性食品的防腐。此外，乳酸链球菌素的稳定性也与溶液的pH有关。当溶于pH为6.5的脱脂牛奶中，经85℃巴氏灭菌15 min后，活性仅损失15%，当溶于pH为3.0的稀盐酸中，经121℃15 min高压灭菌仍保持100%的活性，其耐酸耐热性能优良。

乳酸链球菌素加入食品中可降低食品的灭菌温度、缩短食品的灭菌事件，使食品保持原有的营养成分、风味、色泽等，因此，可广泛应用于肉制品、乳制品、植物蛋白食品、罐藏食品、果汁饮料及经热处理密封包装食品的防腐保鲜，同时也可应用于化妆品和医疗保健品等领域。表6-26列出了乳酸链球菌素在一些国家的应用情况。

表6-26　乳酸链球菌素在一些国家的应用情况

3.溶菌酶

溶菌酶（Lysozyme）广泛存在于人体多种组织、鸟类和家禽的蛋清、哺乳动物的唾液和乳汁、植物和微生物中。目前研究最多的是鸡蛋清溶菌酶。从鸡蛋清中提取分离的溶菌酶是由129个氨基酸残基构成的单一肽链，具有4对二硫键，是一种碱性蛋白质，相对分子质量为14000。溶菌酶是呈白色或微白色的冻干粉，溶于水，不溶于乙醚和丙酮，pI为11.0～11.35，最适pH为6.5。在酸性介质中可稳定存在，碱性介质中易失活，pH为3条件下，96℃加热15 min能保持87%的活力。

溶菌酶能有效地水解细菌细胞壁的肽聚糖，其水解位点是N-乙酰胞壁酸的C1和N-乙酰葡萄糖胺的C4之间的β-1，4糖苷键，使细胞壁不溶性黏多糖分解成可溶性糖肽，导致细胞壁破裂内容物逸出而使细菌溶解。因此，溶菌酶破坏革兰氏阳性细菌的细胞壁的能力较革兰氏阴性细菌强。溶菌酶可分解枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、耐辐照微球菌（Deinococcus radiodurans）、溶壁微球菌（Micrococcus lysodeikticus）、巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）、黄色八叠球菌（Sarcina flava）等革兰氏阳性菌，对大肠埃希氏菌（Escherichia coli）、普通变形菌（Proteus vulgaris）和副溶血性弧菌（Vibrio Parahemolyticus）等革兰氏阴性菌也有一定程度溶解作用，其最有效浓度为0.05%，但对酵母菌和霉菌几乎无效。溶菌酶还可与带负电荷的病毒蛋白直接结合，与DNA、RNA、脱辅基蛋白形成复盐，使病毒失活。因此，该酶具有抗菌、消炎、抗病毒等作用。

由于溶菌酶是一种天然蛋白质，对人体安全无毒、无副作用，且具有多种营养与药理作用。1992年，FAO/WTO的食品添加剂协会已经认定溶菌酶在食品中应用是安全的。因此，溶菌酶可用作天然的食品防腐剂，例如应用于水产品、肉类、蛋糕、清酒、料酒及饮料的防腐，还可以添入乳粉中，以抑制肠道中腐败微生物的生存，同时直接或间接地促进肠道中双歧杆菌的增殖。另外与植酸、聚合磷酸盐、甘氨酸等配合使用，可提高其防腐效果。

4.聚赖氨酸

聚赖氨酸（Polylysine）是由白色链霉菌（Strepomyces albulus）代谢的产物，由25～30个赖氨酸残基聚合而成的直链状聚合物，外观呈淡黄色粉末，吸湿性强，略有苦味，不受pH影响，相对分子质量在3600～4300的聚赖氨酸抑菌活性最好，当相对分子质量低于1300时失去抑菌活性。对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、酵母菌和霉菌具有明显的抑制作用，对其他天然防腐剂不易抑制的代谢埃希氏菌和沙门氏菌抑菌效果非常好，而且对耐热性芽孢杆菌和一些病毒也有抑制作用，是一种可被广泛使用的安全的生物食品防腐剂。

聚赖氨酸作为食品防腐剂具有如下特点：

（1）抑菌谱广。

对于酵母属的尖锐假丝酵母菌、红法夫酵母菌（Phaffia rhodozyma）、膜醭毕赤氏酵母（Pichia membranae faciens）、玫瑰掷孢酵母（Sporobolomycetaceae roseus）；革兰氏阳性菌中的嗜热脂肪芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）；革兰氏阴性菌中的大肠埃希氏菌（Escherichia coli）等都有明显的抑制和杀灭作用。

（2）安全性高。(www.xing528.com)

食用后可降解为人体必需8种氨基酸之一——L-赖氨酸，也是世界各国允许在食品中强化的氨基酸。2003年通过了FDA的许可，被称为“营养型防腐剂”。

（3）热稳定性好。

聚赖氨酸在高温条件下很稳定，80℃加热60 min或120℃加热20 min均能保持其抑菌能力，因此可随食品一起进行灭菌处理。

（4）作用的pH范围合适。

聚赖氨酸的抑菌活性受pH影响较小，pH 3.0～9.0对大肠埃希氏菌的抑菌活性影响较小，最适pH为5.0～8.0，正是其他常见食品防腐剂不起作用的范围，也是多数食品的pH范围。

（5）水溶性极强。

聚赖氨酸水溶性好，有利于在食品中的添加使用。

聚赖氨酸是一种具有抑菌功效的多肽，在20世纪80年代首次应用于食品防腐剂，2003年10月被FDA批准为食品防腐剂，广泛应用于食品防腐。在食品应用中，与酒精、柠檬酸、苹果酸、甘氨酸和高级脂肪甘油酯等配合使用可提高聚赖氨酸的防腐保鲜效果，但遇酸性多糖类、盐酸盐类、磷酸盐类、铜离子等可能因结合而使活性降低。聚赖氨酸主要用于米饭、糕点、面点、酱类、饮料、酒类、乳制品、海产品、肉制品、罐藏食品等防腐保鲜。另外，通过美拉德反应可使聚赖氨酸成为具有乳化和防腐双功能的食品添加剂。

5.纳他霉素

纳他霉素（Natamycin）是由纳他链霉菌（Streptomyces natalensis）产生的次级代谢产物，是一种多烯烃大环内酯类抗真菌剂，对几乎所有的酵母菌和霉菌都有抗菌活性，还能防止真菌毒素的产生，也是目前国际上唯一获得批准的一种高效、广谱、安全的抗真菌生物食品防腐剂。

纳他霉素是一种具有活性的环状四烯化合物，含3个以上的结晶水，其外观为白色（或奶油色），为无色、无味的结晶粉末，分子式为C33H47NO13，分子量为665.73。微溶于水，在乙醇中溶解度稍大，可溶于稀酸、冰醋酸及二甲苯甲酰胺，难溶于大部分有机溶剂。室温下在水中的溶解度为30～100 mg/L，在pH高于9.0或低于3.0时，其溶解度会有所提高，但活性有所降低，因此，纳他霉素在大多数食品的pH范围内非常稳定。纳他霉素具有一定的抗热处理能力，在干燥状态下相对稳定，能耐受短暂高温（100℃）；但由于它具有环状化学结构、对紫外线较为敏感，故不宜与阳光接触。纳他霉素活性的稳定性受pH、温度、光照强度和氧化剂及重金属的影响，所以应该避免与氧化物及硫氢化合物等接触。

由于纳他霉素对人体无毒，而且无致突变、致癌、致畸和致敏作用，并且很难被哺乳动物消化道吸收，未见霉菌和酵母菌对纳他霉素有异常的耐药性，因此目前已有40多个国家批准应用，广泛应用于乳酪、肉制品、糕点、果汁、果酱、果冻、腌泡制品等。我国于1996年批准纳他霉素作为食品防腐剂，主要用于乳酪、肉制品、月饼、果酱、果冻、腌泡制品、糕点、果汁原浆、易发霉食品和加工器皿表面等，纳他霉素也被批准添加到发酵酒、酸奶和色拉酱中，残留量不得超过10 mg/kg。纳他霉素和乳链球菌素配合使用可以弥补对细菌的抑制作用。

6.壳聚糖

壳聚糖（Chitosan）是由自然界广泛存在的几丁质（chitin）经过脱乙酰作用得到的，属于黏多糖之一，是一种白色或灰白色半透明的片状或粉状固体，无味、无臭、无毒性，纯壳聚糖略带珍珠光泽，不溶于水，溶于盐酸、醋酸。

壳聚糖及其衍生物有较好的抗菌活性，能抑制一些真菌、细菌、病毒的生长繁殖。目前认为其可能的机制是由于壳聚糖分子的正电荷和细菌细胞膜上负电荷的相互作用，使细胞内的蛋白酶和其他成分泄漏，从而达到抗菌、杀菌作用。例如0.12 mg/mL的壳聚糖乳酸盐对大肠肝菌的繁殖具有较好的抑制作用，而壳聚糖谷氨酸盐对酵母菌如酿酒酵母的繁殖也具有较好的抑制效果，并且1 mg/mL的壳聚糖乳酸盐会使酵母菌在17 min内完全失去活性。壳聚糖乳酸盐和壳聚糖谷氨酸盐对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都有较高的抗菌作用。另外，目前大多数调味品中使用的防腐剂是苯甲酸及其钠盐，而在相同的贮藏条件下，壳聚糖抑菌效果更佳，用量少，口感好，且无任何毒副作用，是一种理想的调味品防腐剂。如将0.1%壳聚糖添加到酱油中，对引起酱油变质的酵母群有明显的抑制作用，在夏季敞开条件下可存放30天，而不会变质，且不影响口感、颜色、香味与成分。

壳聚糖也可用作果蔬保鲜剂。用壳聚糖进行涂膜保鲜，其膜层具有通透性、阻水性，可以对各种气体分子增加穿透阻力，形成了一种微气调环境，使果蔬组织内的CO2含量增加，氧气含量降低，抑制了果蔬的呼吸代谢和水分散失，减缓果蔬组织和结构衰老，从而有效地延长果蔬的采后寿命。例如采用壳聚糖水溶液保鲜的猕猴桃，贮藏寿命可以达到70～80天，而对照处理只有10～13天。

7.海藻糖

海藻糖（Trehalose）是一种安全、可靠的天然糖类，在自然界中许多可食用动植物及微生物体内都广泛存在。如人们日常生活中食用的蘑菇类、海藻类、豆类、虾、面包、啤酒及酵母发酵食品中都有含量较高的海藻糖。

海藻糖对生物体具有神奇的保护作用，因为海藻糖在高温、高寒、高渗透压及干燥失水等恶劣环境条件下在细胞表面能形成独特的保护膜，有效地保护蛋白质分子不变性失活，从而维持生命体的生命过程和生物特征。而自然界中如蔗糖、葡萄糖等其他糖类均不具备这一功能。这一独特的功能特性，使海藻糖除了可以作为蛋白质药物、酶、疫苗和其他生物制品的优良活性保护剂以外，还是保持细胞活性、保湿类化妆品的重要成分，更可作为防止食品劣化、保持食品新鲜风味、提升食品品质的独特食品配料，大幅拓展了海藻糖作为天然食用甜味糖的功能。

与其他糖类一样，海藻糖可广泛应用于食品工业中，包括烘烤制品类、糖果类、巧克力糖果类、水果类、速冻食品和海产品等。

8.甘露聚糖

甘露聚糖是高度分支的多聚体，以α-1，6-甘露糖为骨架链，大部分甚至全部的残基具有α-1，2或α-1，3连接的含有2～5个甘露糖残基的侧链。甘露聚糖是一种既经济又高效的天然食品防腐剂，其无色、无毒、无异味，能有效地防止食品腐败变质、发霉和遭受虫害。

甘露聚糖可用于水果、蔬菜、豆制品、蛋类以及鱼类等食品的保鲜贮藏。例如，将新鲜的草莓放入0.05%的甘露聚糖水溶液中浸渍10 s，捞出自然风干，存放3周，其表皮稍失去光泽未发霉，而未经处理的新鲜草莓仅放2天表皮就失去光泽，存放3天便开始发霉。此外，甘露聚糖还可用于豆腐、鱼类和鸡蛋的保存。在豆腐加压成形之前，按豆制品重量添加1%的甘露聚糖，豆制品在梅雨季节室温下放置4天无任何变化，而未添加甘露聚糖的仅放2天就霉变发臭。将新鲜鸡蛋洗净擦干，浸渍于0.3%甘露聚糖溶液中片刻，然后捞出自然风干，置于27℃相对湿度70%的环境中，存放21天新鲜如初，存放30天以上仍能食用，而未经处理的新鲜鸡蛋在相同条件下12天就变黑发臭。把新鲜沙丁鱼放入0.05%甘露聚糖水溶液中浸渍数秒钟，取出自然风干，在梅雨季节里放置9天，沙丁鱼新鲜如初，而未经处理的沙丁鱼放置3天即发生腐败变质。