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苯乳酸作为乳酸菌等微生物产生的一种天然新 型的小分子抗菌物质 , 具有安全性高 , 抑菌能力强等 特点 , 对人和动物细胞无毒 , 但对多种食源性致病菌 、 导致食品变质的腐败菌 , 尤其是产生毒素的丝状真菌 有很强的抑菌作用 , 具有较广的抑菌谱 。 苯乳酸亲水 性大 , 溶解性好 , 能在各 种食品 、饲料体系中均匀 扩 散 。苯乳酸热稳定性高 , 熔点为 121 ～ 125℃, Dieuleveux[ 7] 报道其在 121℃保持 20 min也不被破坏 。 苯 乳酸在广泛的 pH范围内稳定 , 对酸稳定 。
第一作者 :学士 (沐万孟副教授为通讯作者 )。 ＊“十一五”国家 863 资助项目(2006AA10Z334)
收稿日期 :2010 -03 -16, 改回日期 :2010 -06 -22
性并有致癌作用 [ 1] 。 AFT是稻谷真菌毒素污染的优 势真菌毒素 , 人食入后可 引起慢性中毒 。 此外酵母 菌 , 例如近平滑念珠菌 、黏质红酵母 、克鲁维酵母和汉 森德巴利酵母等则是酸乳酪和其他发酵奶制品的常 见腐败菌 。
2 腐败真菌的传统控制
以往人们常常使用一些物理化学方法杀灭或抑 制真菌 , 以便保存食品 。物理灭菌的方法很多 , 干燥 、 冷冻干燥 、冷藏 、自发气调贮藏和热处理等都是应用 较广的食品保藏方法 。 尽管确切的作用机制或作用 对象目前还不完全清楚 , 但一些化学物质已被证明可 以作为食品防腐剂添加 , 达到控制腐败真菌的作用 。 常用的食品防腐剂有山梨酸 、苯甲酸 、丙酸和对羟基 苯甲酸乙酯等 。
综述与专题评论
食品生物防腐剂 ———抗真菌乳酸菌研究进展＊
程璐 1, 2 , 缪铭 1 , 张涛 1 , 江波 1 , 沐万孟 1
1(江南大学食品科学与技术国家重点实 验室 , 江苏 无锡 , 214122) 2(江南大学食品学院 , 江苏 无锡 , 214122)
摘 要 抗真菌乳酸菌是一种食品生物防腐剂 。 人们已将大量的乳酸菌抗真菌代谢产物 , 例如环 二肽 、苯 乳酸 、 蛋白质化合物 , 以及 3 -羟基脂肪酸等从乳酸菌中成功分离了出来 。 文中总结了 关于抗真菌乳酸菌的主要研究 成果 , 并展望了其作为生物防腐 剂的应用前景 。 关键词 乳酸菌 , 生物防腐剂 , 抗真菌活性 , 代谢产物
食品与发酵工业 FOODANDFERMENTATIONINDUSTRIES
霉菌 , 酵母菌可以在山梨酸钾环境下生长 , 而能够降 解山梨酸酯的霉菌数量正在不断增加中 [ 2] 。
人们还发现变色青霉的纳塔霉素耐药品系是造 成硬奶酪变质的物种之一 。在乳制品环境中 , 像德巴 利汉逊酵 母 (Debaryomyceshansenii)、假 丝酵母等 酵 母菌也显示出对化学杀菌剂和消毒剂的强大抵抗力 。 由于频繁地在食品中使用抗生素和化学防腐剂 , 会导 致这种抗性不断加强 。
低 , 从而抑制许多微生物的生长 。乳酸以未解离的疏 水形式扩散到细胞膜中 , 在细胞中解离 , 释放 H+, 酸 化细胞质 。此外 , 未解离酸还能使电化学质子梯度减 弱 , 产生抑菌作用 , 并最终导致敏感细菌死亡 。
除利用可发酵碳水化合物生成大量乳酸外 , 乳酸 菌在代谢中还产生乙酸和丙酸等有机酸 。 和乳酸类 似 , 乙酸和丙酸作用于细胞膜 , 使电化学质子梯度无 效 , 但乙酸和丙酸的作用效果往往依赖于由乳酸引起 的 pH值下降情况 。有机弱酸的抑菌活性随环境 pH 值的降低而增加 。 丙酸减少真菌生长 , 特别是在较低 的 pH值情况下 :当 pH值低于 4.5时 , 影响真菌的细 胞膜 。丙酸和乙酸还能抑制氨基酸的摄取 。
乳酸菌一般被视作是安全的 , 甚至可以改善人体 和动物的健康 , 历来被用作食品的天然生物防腐剂 。 人们使用生物防腐剂对食品进行防腐保藏 , 即通过使 用天然的或添加的微生物菌落以及其抗菌产物来延 长食品保质期并提高食品安全性 。几个世纪以来 , 随 着人们对发酵过程利用的不断增加 , 那种在食品和饲 料中添加乳酸菌的古老传统 , 和有关摄入益生菌乳酸 菌对健康造成积极影响的最新知识的相结合 , 表明了 乳酸菌极有希望替代化学防腐剂 , 作为有效的生物防 腐剂被应用到各种食品的加工和生产中 。 3.2 乳酸菌的抗真菌活性
诸如丙酸钠和丙酸铵这样的丙酸盐在 pH值较 低的情况下也显示出类似的抗酵母菌和霉菌的效果 。 在乳酸菌生长过程中产生的乳酸和在 MRS培养基质 中发现的醋酸钠 , 具有协同抗真菌作用 。 MRS中的 醋酸钠还可能和乳酸菌产生的其他抗真菌化合物具 有协同作用 , 目前已经观察到了类似结果 。 然而除非 应用更加严格的提纯和特性化物质 , 否则乳酸 , 醋酸 和丙酸这类有机酸的抑制作用将会不断加剧对乳酸 菌杀菌效果研究的复杂度 。 4.2 环二肽和其他低分子量抑制化合物
文中对抗真菌乳酸菌的主要研究成果进行了概 述并展望了其作为生物防腐剂应用的广泛前景 见的食品腐败菌 , 这些食品包 括发酵的乳制品 、干酪 、面包 , 以及贮存的农作物和饲 料 (例如干草和青贮饲料 )等 。 据估计 , 每年由 于真 菌的污染 , 会造成 5% ～ 10%的世界粮食减产 。 在西 欧 , 每年仅霉菌对面包的破坏 , 估计就会造成超过 2 亿英镑的经济损失 。
Lavermicocca等 [ 6] 从酸面团 中分离到植物乳 杆 菌 (L.plantarum)21B, 产生的苯乳酸量为 56 mg/L, 这 是关于乳酸菌产生苯乳酸的首次报道 。 随后陆续发 现不同种属的乳酸菌能够产生苯乳酸 。 目前国内还 没有乳酸菌产生苯乳酸的报道 。 江南大学食品科学 与安全教育部重点实验室当前正在进行乳杆菌发酵 优化及分离纯化方面的研究 。
由于大多数真菌对正常发酵产物 (如乳酸和 醋 酸 )的敏感度 , 导致有关乳酸菌对真菌影响效果的研 究变得颇为复杂 。目前有关抗真菌乳酸菌研究的出 版物数量仍然很低 , 而且大多数只描述了乳酸菌的抑 制活性 。到现在为止 , 只有很少的研究涉及了对化合 物或作用机制的描述 。
4 真菌抑制代谢产物
4.1 有机酸 乳酸是主要的乳酸菌代谢产物 , 可引起 pH值降
乳酸菌产生各种各样抗菌化合物 , 例如乳酸 、醋 酸 , 以及过氧化氢 、甲酸 、丙酸酸 、双乙酰等 。 由于不 同化合物之间既复杂而又普遍的相互作用 , 这种抗菌 作用的精确机理很难阐明 。 目前的研究大体是针对 确定不同的抗菌物质 , 主要是在简单的体外试验中研 究抗菌剂 , 但对于食品和饲料环境中复杂的防腐体系 的整体作用机制却知之甚少 。
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综述与专题评论
4.3 苯乳酸 苯乳酸 (phenyllacticacid, PLA), 也称 β -苯乳 酸
或 3-苯 基 乳 酸 , 即 2-羟 基 -3-苯 基 丙 酸 , 分 子 式 为 C9 H10 O3 , 有 2种对映异构体 , 包括 D-苯乳酸和 L-苯 乳酸 , 结构见图 1。 目前对 2种苯乳酸的抑菌性质报 道不一 。
在溶液中 , 弱酸随 pH值不同在解离和未解离状 态间存在动态平衡 , 在低 pH值情况下该类防腐剂有 最大抑菌活性 。其中山梨酸和苯甲酸都具有广谱活 性 , 苯甲酸又称安息香酸 , 毒性较大 , 主要用作抗真菌 药剂 , 已被多国限制使用范围 。 丙酸在谷物 、饲料 、食 品中的最大使用量一般为 2.5g/kg, 英国容许在糕点 中的使用量仅为 1g/kg。 对羟基苯甲酸乙酯 , 别名 : 尼泊金乙酯 , 对霉菌 、酵母和细菌有广泛的抗菌作用 。 另外由纳塔尔链霉菌产生的抗生纳塔霉素 (natamycin), 能有效地抵抗酵母菌和霉菌 , 是硬奶酪表面一 种常见的防腐剂 。
然而越来越多的微生物物种已对抗生素产生了 抗性 , 真菌也不例外 , 不管是人体病原真菌还是腐败 性霉菌在食品系统中都具有了一定的抗性 。
此外 , 有实验显示酵母菌和霉菌不仅能抵抗抗生 素 , 还能抵抗诸如山梨酸和苯甲酸这 样的化学防腐 剂 , 娄地青霉分离菌也可以抵抗苯甲酸盐 。 大量的青
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图 1 苯乳酸的结构
苯乳酸在自然界中有多种存在形式 , 可存在于天 然蜂蜜 、干酪 。细菌可以由对羟基苯丙酮酸或苯丙酮 酸产生苯乳酸 。 苯乳酸也是乳酸菌 、丙酸菌和瘤胃微 生物利用苯丙氨酸的代谢产物 , 代谢途径为苯丙氨酸 经转氨反应生成苯丙酮酸 , 后者进一 步转化为苯乳 酸 。当前 , 乳酸菌来源的苯乳酸是研究的一大热点 。
Niku-Paavola等 [ 3] 从植物乳杆菌 VTTE-78076的 培养滤液里发现了新型的抗菌化合物 。 活性部分包 括苯甲酸 、5-甲基 -2, 4-咪唑啉二酮 (5-methyl-2, 4-imidazolidinedione)、四 甲 瓦 龙 酸 内 酯 (tetrahydro-4-hydroxy-4-methyl-2H-pyran-2-one)和环 (甘 氨酰 -L-亮氨 酰 )。 Strom等人 [ 4] 在植物乳杆菌 MiLAB393的上清 液中发现了 2个环二肽 , 环 (苯丙氨酸 -脯氨酸 )和环 (苯丙氨酸 -羟基 -脯氨酸 )。 人们对几种不同环二肽 的抗菌作用做了研究 。 Magnusson等 [ 5] 发现 , 戊糖片 球菌 (P.pentosaceus)、米酒乳杆菌 (L.sakei)和棒状 乳杆菌 (L.coryniformis)也产生环 (苯丙氨酸 -脯氨酸 ) 和环 (苯丙氨酸 -羟基 -脯氨酸 ), 因此可以猜测它们或 许是普遍的乳酸菌代谢物 。 在 mg/mL浓度时 , 环二 肽具有抗真菌活性 , 但不如羟基脂肪酸那么有效 。我 们最近发现 , 在 MRS中存在几种低浓度环二肽和其 他复杂的乳酸菌媒介 。 然而 , 检测出来的数量还未高 到在生物测定中足以发挥抗菌活性 。
相关报道显示 , 大范围粮食和饲料的变质主要是 由青霉菌和曲霉菌造成的 。 不同种类的青霉菌通常 能够在冷冻储存的食品中生长 , 其中娄地青霉和普通 青霉还可以使硬干酪变质 。 黄曲霉是全世界分布最 广的菌种之一 , 中国各省也均有分布 。黄曲霉产生的 具有生物活性的二次代谢产物黄曲霉毒素 (aflatoxin, AFT)是毒性极强的天然物质 , 对肝脏有特殊的亲和
