ε-聚赖氨酸在食品防腐领域的综合应用

来源：食品添加剂供求网发布时间： 1/11/2016 9:27:36 AM

食品腐败变质是指食品受到微生物污染，微生物大量繁殖而导致食品外观和内在品质下降、失去食用价值的一切变化，而腐败变质食品对人类健康卫生造成巨大威胁。人工合成的化学防腐剂是目前使用最为广泛的食品防腐剂，但由于其对人体或多或少有一定的毒副作用，且对生态环境也会造成一定的影响，在食品工业中被严格限制用量，在应用中受到许多限制，因而人们开始从多方面寻求更高效、安全、无毒的食品防腐剂，研究和开发安全系数高、抗菌性强、毒副作用少且使用效果好的天然食品防腐剂，已成为当前食品工业的重点研究课题。
    由微生物源研发出来的天然食品防腐剂ε-聚赖氨酸，因其吸湿性强，易溶于水，可生物降解，可食无毒，热稳定性好 [1]，特别是由于其防腐性强、安全性高等优点，在食品防腐剂应用方面具有巨大的商业前景。但目前在国内食品行业中，对ε-聚赖氨酸在食品防腐应用的研究还仍处于一个较单一阶段，在食品加工方面还未制定有使用卫生标准，无法作为一种常用食品添加剂全面推广使用。因此，加快对ε-聚赖氨酸的综合应用研究和工业化生产，将有助于进一步推动我国食品防腐领域的发展。
    1· ε-聚赖氨酸的性质
    1977 年日本学者S．Shima和H．Sakai在从微生物中筛选Dragendo~Positive(简写为DP)物质的过程中，发现一株放线菌No．346 能产生大量而稳定的DP物质，通过对酸水解产物的分析及结构分析，证实该DP物质是一种含有25~30 个赖氨酸残基的同型单体聚合物，该聚合物是经微生物将L-赖氨酸α-COOH和ε-NH2缩合而成的一种同型氨基酸聚合物，故称为ε- 聚赖氨酸(ε-Poly-L-lysine简称ε-PL)[1]。
    1.1 ε-聚赖氨酸的理化性质
    1.1.1 稳定性
    ε-PL纯品为淡黄色粉末，略带苦味、吸湿性强、略有苦味、易溶于水，微溶于乙醇，但不溶于乙酸乙酯、乙醚等有机溶剂[2]，具有很高的稳定性和抑菌效果，在100 ℃处理30 min、120 ℃处理20 min后，对其抑菌效果没有明显的影响，ε-PL适宜的贮存条件是避光、低温，其稳定率大于97 %[3]。因此，ε-PL能够承受一般食品加工过程中的热处理，可以随原料一同进行灭菌处理，防止二次污染。
    1.1.2 最适宜pH
    ε-PL的抗菌活性可以在较宽的pH范围内体现，在pH为4.0~7.5时相对抑菌活性仍高于95 %，但在pH为8.0~9.0 时其相对抑菌活性有所下降，ε-PL抑菌的最适pH为5~8，也就是说其在中性和微酸性环境中有较强的抑菌性，而在酸性和碱性条件下，抑菌效果不太理想[3]，这可能由于ε-PL是作为赖氨酸的聚合物，在过酸性和过碱性条件下易分解等原因造成的。
    1.2 生物学性质
    ε-PL作为一种具有抑菌功效的多肽，其具有以下生物学特征：(1)安全性高，Fukutome等[2]进行慢性毒性和致癌性的联合试验表明，每日摄取食物的ε-PL含量在6500 μg/g，属于极安全的水平；在20000 μg/g，无明显的组织病理变化，也观察不到可能的致癌性。ε-PL进入人体内，通过消化分解而转化为赖氨酸，赖氨酸是人体必需的8 种氨基酸之一，是允许在食品中添加的一种强化氨基酸，对人体无毒无害，因此ε-PL作为一种营养型抑菌剂，其安全性是远高于其它化学防腐剂的，其急性口服毒性为5 g/kg[4]，属于低毒和相对无毒类。(2)抑菌谱广，对酵母属尖锐假丝酵母菌、法红酵母菌、产膜毕氏酵母、玫瑰掷抱酵母以及革兰氏阳性菌中耐热性脂肪芽抱杆菌、凝结芽抱杆菌、枯草芽抱杆菌和革兰氏阴性菌中的产气节杆菌、大肠杆菌等易引起食物中毒与腐败的菌种有强烈抑制作用[5]。但ε-PL对酵母菌、霉菌的抑菌浓度要求较高，一般浓度要求为128~256 μg/mL。且单独使用时对枯草芽孢杆菌、黑曲霉的抑制效果不明显，若采用与醋酸复合作用对枯草芽孢杆菌等耐热性较强的芽抱菌抑制效果会增强，ε-PL必须含有10 个以上赖氨酸残基才具有抑菌活性，分子量在3600~4300 之间的ε-PL抑菌效果最好，当聚合度小于10 时，会丧失抑菌活性[6]。
    2· ε-聚赖氨酸的抑菌机理
    Shima 认为ε-PL 的抑菌机制主要是抑制微生物的呼吸，导致能量物质腺嘌呤核苷三磷酸和还原物质烟酰胺腺嘌呤二核苷酸缺乏，合成代谢受阻，使其不能维持活件的动态膜结构，代谢方向趋于水解，产生细胞自溶而致死[1]。同时，赵电波等还认为，ε-PL也可通过对生物膜系统和蛋白合成系统的作用，与核糖体结合，从而抑制蛋白和酶等生物大分子的合成[7]。
    吴京平[8]认为ε-PL 的抑菌机理主要表现在破坏微生物的细胞膜结构，引起细胞的物质、能量和信息传递中断，还能与细胞内的核糖体结合影响生物大分子的合成，最终导致细胞死亡。
    贾士儒等[9]认为ε-PL 的可能抑菌机理是：ε-PL 通过静电作用结合于细胞表面，改变细胞膜的通透性，进一步促使细胞膜的裂解和细胞质的异常分配，最终使微生物菌体受到物理损害。虽然许多报道都研究了ε-PL 抑菌活性，但ε-PL 的杀菌机理仍不清楚。相关研究表明，ε-PL 的杀菌活性与微生物菌种无关，而与微生物细胞的大小有关，因此，可以推测出ε-PL 的抑菌活性是作用于细胞膜的一种物理行为。
    综上可认为ε-PL 的抑菌机理主要表现在破坏微生物的细胞膜结构，引起细胞的物质、能量和信息传递中断，最终导致细胞死亡。
    3· ε-聚赖氨酸的应用研究
    3.1 国外应用研究
    从1977 年ε-PL被日本学者发现开始，对其研究不断深入与完善，其在较多种类食品防腐保鲜上的应用也得到了实践。国外ε-PL主要作为食品防腐保鲜添加剂，日本已经申请了以ε-PL为主要成分的复合食品保鲜剂专利，韩国已经批准ε-PL作为食品添加剂用于食品的保鲜储藏，同时美国食品药品管理局也认可ε-PL是世界标准食品添加剂。国外研究已进入了对其配合制剂的应用研究日本学者藤井正弘将鸡肉浸渍在溶有含量0.12 % ε-PL甘氨酸制剂混合液中，涂上面粉油炸，成品炸鸡在30 ℃时放置72 h后。通过检测发现，没有添加ε-PL的样品细菌总数为3.6×108 个/g，而添加有ε-PL的样品其细菌总数仅为6.0×103 个/g，实验证实了ε-PL的抑菌效果非常明显[10]。2000 年Yu-Ting Ho等人[6]通过美拉德反应使ε-PL与葡聚糖结合，改善了ε-PL的乳化活性，ε-PL-葡聚糖复合物比其他商品乳化剂具有更强的乳化作用，在NaCl浓度为1.0 mol/L的高浓度条件下及碱性环境中，复合物的乳化活性均不受影响；并且，该复合物仍然拥有ε-PL的绝大多数抑菌活性。因此，ε-PL-葡聚糖复合物可在加工食品中作为具有乳化和防腐双功能作用的食品添加剂使用。
    日本在ε-PL类防腐剂的综合应用方面发展较快，其ε-PL商品一般都是以50 %的有效成分配合成商品出售，有酒精制剂、醋酸制剂、甘油制剂、甘氨酸制剂等，如酒精制剂，以含质量分数为50 % ε-PL的糊精粉末为基础原料，再添加体积分数为30 %~70 %的酒精溶液配制而成；醋酸制剂则是添加体积分数为0.5 %~5.0 %的醋酸；甘油制剂是添加体积分数为0.01 %~5 %的甘油配制而成，其主要使用在含有动物性蛋白乳蛋白较多的食品类；甘氨酸制剂，添加质量分数为0.01 %~10 %的甘氨酸，其协同抑菌效果更优。
    3.2 国内应用研究
    与国外不同，我国对ε-PL 的研究起步较晚，目前虽已应用于牛奶、鲜切蔬菜保鲜等方面，但尚未将其列入食品添加剂允许使用范围，学者们更多是用ε-PL 及其配合制剂用于在食品防腐保鲜研究。
    周桂飞等[11]研究表明米饭中添加150 mg/kg ε-PL 可使保质期达到9 d，若100 mg/kg 的ε-PL 复合250 mg/kg 的柠檬酸、100 mg/kg醋酸、500 mg/kg 甘油、150 mg/kg 甘氨酸均可起到一定的增效作用分别使米饭的保质期达到20 d、15 d、9 d、7 d，另外甘油制剂还能改善米饭口感品质。
    李维娜等[12]研究表明相对于将ε-PL 添加到面粉中的方式而言，ε-PL 溶液浸泡熟面条的方式，防腐效果更好，且成本较低；浸泡即食湿面条所用ε-PL 溶液最大浓度为0.2 %；单独使用ε-PL浸泡液的最适浓度为0.15 %；ε-PL 与酒精助剂和醋酸助剂的复配物均有效抑制了即食湿面条内腐败菌的生长，处理后的面条分别在4 d 和10 d 之内品质较好、总菌落数较低，二者比较，ε-PL 与醋酸助剂复配的效果要好于酒精助剂，其最佳复合配方为：0.1 %ε-PL 和0.25 %醋酸。
    2008 年张黎兵[13]将ε-PL 复合防腐剂应用于鲜榨玉米汁的保鲜过程中，在玉米汁饮料中添加0.003 %的ε-PL、0.5 %的甘氨酸、0.005 %的山梨酸钾、0.03 %的双乙酸钠和0.003 %的EDTA，其防腐效果非常明显，可使玉米汁保鲜期达6 d。2010 年吕志良等以新鲜玉米为原料，高温110 ℃、40 min 杀菌后，添加ε-PL 30mg/kg 的玉米汁饮料在37 ℃下可以保存30 d 以上，其保存时间更长。通过实验研究表明，在玉米汁饮料中ε-PL 的最适添加量为30 mg/kg，且添加复合稳定剂对ε-PL 的防腐效果没有影响，同时还可使饮料保持均匀稳定，其最佳稳定剂组合为：蔗糖脂肪酸酯0.1 %、卡拉胶0.1 %、羧甲基纤维素0.2 %[14]。
    程涛[15]等研究ε-PL 复合防腐剂用于食醋的防腐，试验表明：在食醋中单独使用ε-PL 效果不明显，但在添加聚赖氨酸30mg/kg、EDTA 30 mg/kg、山梨酸钾0.4 g/kg、纳他霉素30 mg/kg的复合防腐剂时，抑菌率达96 %以上，能有效延长食醋保质期。刘骁等[16]在研究新鲜猪肉的冷藏条件时，发现在4 ℃时，ε-PL能够有效地抑制细菌的生长，延缓TVB-N(挥发性盐基氮值)和pH的上升，并具有一定的护色作用，但对冷却猪肉的保水力无明显作用，经1500 和2000 mg/L 的ε-PL 处理的冷却猪肉保鲜效果佳，能使冷却猪肉的货架期延长到10 d。
    倪清艳[6]试验添加0.15 % ε-PL 的新鲜鱼糜制品保质期延长至6 d(5 ℃下空白对照为2~3 d)，表明ε-PL 是一种有效的天然食品防腐剂。她与李燕等[17]试验还表明ε-PL 与0.1 %醋酸复合以后抑菌效果好，与0.1 %甘氨酸复合以后抑菌效果次之。
    以上研究表明，作为一种安全高效食品防腐剂的ε-PL，单独使用时具有较强的防腐作用，当与其它食品添加剂混合使用，如氨基乙酸、醋、乙醇、维他命等，能大大提高ε-PL的防腐能力。
    4· ε-聚赖氨酸应用展望
    在科学技术日新月异的今天，人们对食品的营养性、安全性和享受性要求不断提高，大力开发安全、营养、保健型的食品是食品工业的发展趋势，作为食品防腐剂在安全和营养方面发挥更重要的作用，ε-聚赖氨酸作为一种营养型天然食品防腐剂，必将具有巨大的市场潜力和良好的社会效益。因此，应用高科技手段对ε-聚赖氨酸的综合防腐能力的研究，寻求规模化生产ε-聚赖氨酸的生产发酵条件，使ε-聚赖氨酸的生产工业化，才能尽快满足食品市场的需求。另外，深化对ε-聚赖氨酸和其它防腐剂的复配使用研究，必将更大的提高其防腐抑菌效果，同时还可以降低成本，推动其在更大范围的使用，此外，我国若能在《食品添加剂使用标准》中添加防腐剂ε-聚赖氨酸，规定ε-聚赖氨酸作为食品防腐剂在单独使用和与其它制剂复配使用时在各类食品中的最大使用量与应用范围，必将使ε-聚赖氨酸防腐剂在我国食品防腐保鲜领域得到更大的推广和更广泛的应用。

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