乳酸菌發(fā)酵液在食品貯藏保鮮中的應用研究進展

張金磊，陳興煌

(福建農(nóng)林大學 食品科學學院，福州 350002)

微生物仍然是引起食品腐敗變質的主要原因，目前普遍使用的化學殺菌劑、防腐劑是解決食物貯藏保鮮中病害發(fā)生的主要手段，化學殺菌劑雖然具有方便、高效等特點，但涉及到病原菌產(chǎn)生抗藥性、藥物殘留、環(huán)境污染等問題，使食物安全性受到質疑，給人類的健康帶來危害，故其使用受到嚴格限制[1]。天然防腐劑憑借其抗菌活性強、安全無毒、熱穩(wěn)定性強、可降解、作用范圍廣等特點正逐步展現(xiàn)出取代化學防腐劑的趨勢。

乳酸菌(lactic acid bacteria, LAB)是一類能夠利用碳水化合物形成以乳酸為主要代謝產(chǎn)物的革蘭氏陽性細菌的通稱[2]，廣泛存在于動植物以及人體內，種類龐雜，包含乳桿菌屬、明串珠菌屬、片球菌屬等多個不同的屬，大約有200多種[3]。人類利用乳酸菌的歷史已經(jīng)超過5000年，廣泛應用于泡菜、醬油等傳統(tǒng)發(fā)酵制品[4]，其對發(fā)酵制品的風味產(chǎn)生具有極其重要的貢獻[5]。近年來，乳酸菌作為研究熱點，在酵素生產(chǎn)[6]、抑制腸道致病菌等方面都有相應的研究[7]。

關于乳酸菌抗菌的研究十分廣泛，由于霉菌的危害性、分布廣泛性等特點，因此，大都集中在抗真菌、真菌毒素吸收等方面[8]。也有部分學者研究了其對單增李斯特氏菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抑制作用[9]。抑菌實驗中采用的乳酸菌菌株大都分離于酸奶、泡菜、馬奶酒等傳統(tǒng)發(fā)酵制品[10,11]。乳酸菌生長過程中分泌多種物質，主要包括乳酸、乙酸、甲酸、丙酸等酸性物質，過氧化氫、雙乙酰以及多肽類物質，這些物質除對發(fā)酵食品的風味有貢獻外，對于致病菌均有較強的抑制作用[12]。

在安全性上，乳酸菌是傳統(tǒng)的發(fā)酵菌株，且是公認的安全級(generally recognized as safe,GRAS)菌株。因此，乳酸菌發(fā)酵液可應用于減少食品原始帶菌量，抑制食品中微生物的生長，用于食品的貯藏保鮮。

1 抑菌機理

殺菌劑通過影響目標菌體的生理生化環(huán)境導致其生長繁殖受到限制。目前，關于抑菌機理的報道很多，但大都集中在膜不穩(wěn)定性、質子梯度干擾、酶抑制等方面[13]。一些單一化合物的抑菌機理已經(jīng)詳細研究過，但是各物質之間的協(xié)同作用機制仍然有待研究。

1.1 有機酸

乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)物中有機酸和多肽類物質占有相當大的比例。其中有機酸的狀態(tài)存在一種動態(tài)平衡：解離態(tài)、未解離態(tài)。有機酸通過自由擴散方式進入胞內，抑菌主要是通過解離的酸根離子或未解離分子在胞內解離，通過改變環(huán)境的pH值，改變滲透壓，利用細胞膜的選擇透過性等特性，使離子積聚，影響酶的活性，限制生物大分子的形成，提高ATP的消耗量；在胞外有機酸分子可與細胞膜上的脂多糖等物質結合，破壞膜的穩(wěn)定性，從而抑制菌體生長或使菌體死亡[14]。

有資料顯示，在一定條件下有機酸對于大多數(shù)革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌具有廣譜抑菌性，在水源或食物中添加少量的有機酸可以有效減少沙門氏菌、大腸桿菌等致病菌的污染傳播[15]。

1.2 多肽類物質

多肽類物質中，對于乳酸鏈球菌素(Nisin)的研究應用較為廣泛。根據(jù)報道，目前其有包括Nisin A、Nisin Z、Nisin Q、Nisin F、Nisin U和Nisin U2在內的6種類型[16]。Nisin可對大多數(shù)革蘭氏陽性細菌產(chǎn)生抗菌活性，并對芽孢桿菌的孢子產(chǎn)生強烈的抑制作用，但是對于霉菌、酵母的生長沒有抑制作用[17]。有學者研究發(fā)現(xiàn)少數(shù)乳酸菌能夠產(chǎn)生廣譜類細菌素[18]。

普遍認為Nisin是通過捆綁肽聚糖的前體Lipid II，從而限制細胞壁中肽聚糖的合成，影響細胞壁質膜與磷脂化合成，導致胞內物質滲漏；一些革蘭氏陰性菌細胞壁外層的脂多糖會抵抗Nisin的抑制作用，Nisin就可以直接作用于細胞膜上，破壞細胞膜的完整性，導致細胞死亡[19]。

1.3 雙乙酰

雙乙酰的抑菌機制目前還不太清楚，研究表明其能使多種酶失活。有報道稱雙乙酰能夠使酵母中的腺苷酸環(huán)化酶在內的多種酶失活，據(jù)推測，雙乙酰是通過酶位點競爭、結合使酶失去催化能力[20]。

相對于非乳酸菌革蘭氏陽性菌，革蘭氏陰性菌和酵母菌對于雙乙酰更為敏感，雙乙酰對于包括致病性大腸桿菌在內的革蘭氏陰性菌、酵母菌、霉菌的生長均具有良好的抑制作用[21]。

1.4 過氧化氫

大部分的乳酸菌含有黃素蛋白氧化酶，這促使它們在有氧氣存在的情況下產(chǎn)生過氧化氫，由于缺乏過氧化氫酶，導致過氧化氫累積，氧化目標菌的脂質膜和蛋白質最終使菌體死亡[22]。有研究顯示一些蛋白的抑菌活性是由過氧化氫介導，過氧化氫酶能夠抑制抑菌活性的產(chǎn)生[23]。Baldry M G[24]的研究結果表明過氧化氫達到一定濃度時，對菌體具有抑制作用，相對于作為殺菌劑，過氧化氫對于孢子具有更強的殺滅作用。

2 食品保鮮中的研究應用

2.1 肉制品保鮮

肉類在我國食品消費中占有重要的地位，人類對其產(chǎn)量和品質有了更高的要求。因其有較高含量的蛋白質、脂質等物質，營養(yǎng)價值豐富，在屠宰加工過程中極易受到微生物的污染，引起腐敗變質，導致肉品質量的下降[25]。肉類中的微生物主要為大腸桿菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、志賀氏菌、單增李斯特氏菌、溶血性鏈球菌、結核分枝桿菌、布氏桿菌等[26]。傳統(tǒng)的肉類保鮮抑菌主要采用低溫冷藏、氣調、熱處理、真空包裝等物理方法，添加硝酸鹽、苯甲酸鈉等化學方法或兩者共同作用的方式來防止腐敗變質，但是濫用化學防腐劑會對人體造成損傷[27]。因此，尋找安全、高效、天然的保鮮劑對于食品安全至關重要。

乳酸菌發(fā)酵液作為一種安全的天然保鮮劑，近年來有許多學者對其在肉品保鮮中的應用進行了研究。鄧林等[28]發(fā)現(xiàn)苯乳酸菌發(fā)酵液作為鮮牛肉保鮮的保鮮劑，較之傳統(tǒng)化學殺菌劑有較好的效果，抑菌效果與Nisin類似。為延長冷鮮豬肉的貨架期，孫衛(wèi)青等[29]研究了乳酸菌發(fā)酵液與其他天然物質混合制成的復合保鮮劑對冷鮮肉的保鮮效果，發(fā)現(xiàn)乳酸菌發(fā)酵液與大蒜、生姜等按照一定比例混合能夠有效地抑制假單胞菌和嗜冷菌，并保持肉色鮮紅，較單一的乳酸菌發(fā)酵液處理組TVB-N值更低，可作為真空冷卻豬肉的保鮮液。趙婷等[30]采用噴涂法，研究了不同濃度的乳酸菌發(fā)酵液對冷卻雞肉的保鮮效果，以乳酸和Nisin為對照組，發(fā)現(xiàn)不同濃度的乳酸菌發(fā)酵液均能延緩感官質量下降，達到一定濃度時，處理組各項指標均優(yōu)于對照組，雞肉可保持6 d，對照組為4 d。

2.2 水產(chǎn)品保鮮

水產(chǎn)品富含優(yōu)質蛋白、不飽和脂肪酸、維生素等多種營養(yǎng)物質，這些優(yōu)勢使得人們對其青睞有加，但是水產(chǎn)品極易腐敗變質，出于健康考慮，尋找新型保鮮劑迫在眉睫。乳酸菌作為安全菌株，其發(fā)酵液作為一種安全的保鮮劑，在此方面有一定潛力。Beatriz G等[31]用乳酸菌培養(yǎng)物處理鱈魚，于0～2 ℃貯藏14 d，發(fā)現(xiàn)處理組的菌落總數(shù)均低于對照組，能夠有效地抑制單增李斯特氏菌的存在。Cao Rong等[32]將羅非魚用乳酸菌培養(yǎng)物處理，可以減緩貯藏早期k值和APC值的升高，將其作為刺參材料的時長從24 h延長至48 h。

2.3 果蔬保鮮

果蔬由于高水分含量、高糖等生理特點，采后極易受到微生物的侵染，引起果蔬腐爛變質，造成直接經(jīng)濟損失。引起水果腐爛變質的主要微生物為霉菌和酵母菌[33]。傳統(tǒng)方法是采用化學合成殺菌劑殺菌，造成農(nóng)藥殘留、致病菌抗藥性、土壤破壞等不良后果。為提升安全性，滿足消費者對于食品品質日益提升的需求，乳酸菌發(fā)酵液作為一種安全的殺菌劑可作為傳統(tǒng)化學藥劑的替代品。

在鮮果方面有眾多的應用研究。如賀銀鳳等[34]以櫻桃番茄作為試驗原料，用浸泡法涂膜，乳酸菌發(fā)酵液作為涂抹保鮮劑，研究發(fā)現(xiàn)其可以有效增長儲存期限，并能夠保持較好品質。馬錁等[35]利用從荔枝發(fā)酵液中分離乳酸菌，發(fā)現(xiàn)其發(fā)酵液對多種致病菌具有抑制作用，可作為荔枝生物保鮮劑應用。李明楊[36]以庫爾勒香梨為實驗對象，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，采用乳酸菌發(fā)酵液處理組果實的失重率顯著降低，有效減緩了果皮硬度和Vc下降趨勢，采用損傷接種和發(fā)酵液相結合的方式，發(fā)酵液可以有效抑制表面病原菌生長，降低腐爛率，但對氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)等防御酶活性以及總酚和類黃酮含量無顯著增強作用，起到延長香梨貯藏時間的作用。

在鮮切果蔬保鮮應用方面也有相應的研究。谷云[37]通過對鮮切蓮藕進行貯藏保鮮實驗,測定蓮藕貯藏期間的BD、PPO活性、POD活性、總酚等各項指標，發(fā)現(xiàn)上清液處理組的效果比抗壞血酸處理組的效果更好，能夠有效抑制褐變，使產(chǎn)品保持較好品質狀態(tài)。

2.4 豆制品保鮮

豆類含有豐富的蛋白質、B族維生素等營養(yǎng)物質，是人類及牲畜的重要蛋白質來源。豆?jié){由于易于被人體消化吸收，深受廣大人群喜愛，但是極其容易受到芽孢桿菌污染而引起腐敗變質[38]。未殺菌常溫狀態(tài)極易出現(xiàn)發(fā)酸、脹氣、蛋白質凝結現(xiàn)象，一般只能保存1 d左右[39]。柴明艷[40]通過研究乳酸菌發(fā)酵液對豆?jié){品質的影響發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵液的抑菌效果接近或者優(yōu)于傳統(tǒng)的食品防腐劑，能夠在不影響感官的情況下實現(xiàn)減菌并達到延長保質期的效果。

2.5 面制品保鮮

面制品含有豐富的碳水化合物和蛋白質，在常見的面制品中，霉變是最主要的病害，細菌、霉菌、酵母菌是引起霉變的主要誘因[41]。鮮濕面條是一種即時售賣的產(chǎn)品，含水量高，夏季高溫易于微生物的滋長，可添加保鮮劑提高貯存期限。乳酸菌發(fā)酵液可作為一種新型保鮮劑添加。全永亮等[42]利用實驗室篩選出的一株乳酸菌，將其發(fā)酵上清液噴灑到濕面條表面，能夠有效地抑制細菌的生長，發(fā)現(xiàn)在冷藏條件下濕面條的保質期能達到18 d。面包作為一種常見食物，易受到霉菌污染，錢洋[43]測試了3株乳酸菌發(fā)酵液在面包儲藏期限延長方面的潛力，結果顯示，與對照組相比，噴灑了發(fā)酵液的面包儲藏期限均得到相應的延長。

2.6 乳制品保鮮

巴氏奶是由巴氏消毒法處理的鮮奶，一般保質期較短，但保存了絕大部分的營養(yǎng)和口感，容易受到大腸埃希氏菌、溶血鏈球菌、假單孢菌等多種細菌污染而變質[44]。通常采用冷藏、超速離心除菌、微濾等物理方法或采用蜂膠半仿生提取物、CO2、Nisin與CO2協(xié)同保鮮等方式延長儲藏期限[45]。乳酸菌發(fā)酵液作為一種相對安全的保鮮劑也可作為添加劑進行添加，提高貯藏期限。張倩穎[46]通過向巴氏殺菌奶中添加不同比例的發(fā)酵上清液，在28 ℃存儲，與對照組相比，能夠抑制細菌生長，添加量為4%時巴氏奶具有良好的感官品質，貨架期達到48～60 h，是空白和Nisin組的2～5倍。Kush Kumar Pandey等[47]利用戊糖片球菌發(fā)酵奶酪工業(yè)的廢物乳清，將上清液干燥物添加到奶酪中，顯著降低了大腸菌群、葡萄球菌菌群的數(shù)量，將奶酪的貨架期延長了75%。

2.7 鮮蛋保鮮

蛋類富含蛋白質、脂質、礦物質等營養(yǎng)物質，是優(yōu)質的蛋白質來源。鮮蛋蛋殼表面通常含有一層蛋殼膜，可以阻止微生物通過氣孔進入蛋體，減緩蛋內水分蒸發(fā)，但是蛋殼膜在1周左右就會脫落，環(huán)境中或自身攜帶的沙門氏菌、大腸桿菌等微生物便會侵入蛋體使其變質[48]。蛋類保鮮方法主要采用涂膜或涂膜與冷藏、氣調等方法并用的方式延長儲藏期；常用的涂膜材料有多糖、蛋白、脂質等[49]。乳酸菌發(fā)酵液具有良好的抑菌效果，可作為涂膜劑使用。吳玲[50]利用一株干酪乳桿菌發(fā)酵液中的上清液與傳統(tǒng)雞蛋保鮮劑殼聚糖溶液對市售雞蛋進行涂膜處理，于4 ℃儲藏，研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵液處理組在減重率、蛋黃指數(shù)、濃蛋白含量、蛋白的pH和蛋殼總菌數(shù)方面均優(yōu)于殼聚糖處理組，起到了良好的保鮮效果。

3 展望

乳酸菌發(fā)酵液作為一種相對安全高效的殺菌劑，在食品生產(chǎn)加工過程中可作為化學物質的替代品或與化學物質相結合的方法使用，減少化學物質的用量，既保持了食品品質，又有效實現(xiàn)了減菌操作。另一方面，由于乳酸菌發(fā)酵液良好的殺菌效果，其有望作為農(nóng)藥替代品在田間噴灑，減少果實原始帶菌量，降低貯藏期間的病害發(fā)生率，提升產(chǎn)品的品質及貯藏期限。對于發(fā)酵液中的某些單一成分抑菌機理研究已十分透徹，且在實踐中有實際的應用，但是關于各物質之間的相互作用關系以及對微生物的共同作用機制研究較少。

目前，天然來源保鮮劑研究十分廣泛，但是一些抑菌劑是否會對產(chǎn)品的某些生理生化指標產(chǎn)生更深層次的負面影響依然不慎明朗。因此，天然抑菌劑的抑菌機理還有待進一步深入研究。