【化学与社会】食品中的防腐剂
[摘要] 食品的腐败变质会引起巨大的经济损失，如何防止腐败是科学工作者和民众最为关注的一个问题。目前，常用的防腐措施是添加食品防腐剂。食品防腐剂分为化学防腐剂、天然防腐剂。本文对食品防腐剂的具体分类进行了阐释，并对部分常用防腐剂的抑菌特点、抑菌机理、应用领域等进行了综述。本文还对食品防腐剂的未来发展方向进行了一定展望。
[关键词] 化学防腐剂；天然防腐剂；抑菌机理；应用；发展趋势
Abstract: Food spoilage can cause huge economic losses, and how to prevent spoilage is one of the most important concerns of scientists and the public. At present, the commonly used preservative measure is to add food preservatives. Food preservatives are classified as chemical preservatives and natural preservatives. This paper explains the specific classification of food preservatives and reviews the inhibition characteristics, inhibition mechanism, and application areas of some commonly used preservatives. This paper also gives some prospect on the future development direction of food preservatives.
Keywords: Chemical food preservations; Natural food preservations; Antibacterial mechanism; Application; Development trends
1 引言
防腐剂是能抑制微生物活动，防止食品腐败变质的一类食品添加剂。要储藏食物，就必须采用一定的措施来防止微生物的感染和繁殖。防腐剂通常通过干扰微生物的酶系，破坏其新陈代谢，抑制酶的活性、使微生物的蛋白质凝固和变性，干扰其生存和繁殖、改变细胞浆膜的渗透性，抑制其体内的酶类和代谢产物的排除，导致其失活等主要三种方式来抑制食物腐败。谈到防腐剂，人们往往闻之色变。在科学的安全使用范围之内，使用防腐剂对于人体是无害的。我国防腐剂使用有严格的规定，防腐剂应符合以下标准：合理使用对人体无害；不影响消化道菌群；在消化道内可降解为食物的正常成分；不影响药物抗菌素的使用；对食品热处理时不产生有害成分。
防腐剂可由天然化学物质制成。也可以由人造或合成化学品制成。防腐剂按照来源的不同，可以分为化学防腐剂与天然防腐剂两大类。化学防腐剂根据其成分可以分为酸性防腐剂，酯型防腐剂，无机盐防腐剂。天然防腐剂是由生物体分泌或者体内存在的具有抑菌作用的物质，经人工提取或者加工而成为食品防腐剂。天然防腐剂包括动物源天然防腐剂，植物源天然防腐剂，微生物源天然防腐剂等。
近年来有关防腐剂安全问题层出不穷，令人们对于防腐剂安全问题感到担忧甚至产生了恐慌。为了解决目前这种问题，针对现状，本小组拟以安全无毒，抗菌性强的为研究对象，详细介绍几种特征鲜明的防腐剂特性及抑菌机理等多个方面，使得大家对于防腐剂有着更深刻的正确认知。
2 酸性防腐剂
2.1酸性防腐剂概述
酸性防腐剂的主要代表有苯甲酸、山梨酸和丙酸盐。对于酸性防腐剂来说，体系酸性越大, 其防腐效果越好, 但是在碱性条件下几乎无效。酸性防腐剂对霉菌、酵母及多数的腐败菌都有一定的抑制作用,联合使用还能有一定的协同作用，因此酸性防腐剂应用比较广泛。酸性防腐剂可以改变食物的pH值，通过破坏微生物的可繁殖环境对微生物进行解离；同时酸性防腐剂可以抑制微生物细胞膜的通透性，阻碍微生物的繁殖与生长[1]。以下是几种常见的酸性防腐剂。
2.2苯甲酸
苯甲酸的抑菌机理是通过使微生物细胞的呼吸系统发生障碍,影响细胞膜的正常生理作用。苯甲酸可用于碳酸饮料、淀粉制品、调味用品等食品中，但是因为有过因叠加使用中毒的例子, 因而在苯甲酸使用上有争议, 尽管各国并未禁止使用, 但其可应用范围变得越来越窄。在我国, 苯甲酸因为价格低廉、成本小, 仍广泛使用于碳酸饮料、果汁饮品、酱类、罐头和酒类的防腐[2]。
2.3山梨酸
山梨酸抑菌机理是通过透入微生物细胞壁内, 山梨酸自身的双键可以与微生物细胞中酶的巯基形成共价键,从而可以破坏含有硫氢基的酶类,抑制微生物的生长。山梨酸是现下国际上公认的最安全的化学防腐剂之一, 主要抑制的菌种为霉菌和酵母。但是山梨酸在在微生物数量过多的情况下无法正常运作，因此它只适用于卫生条件良好和微生物数量比较少的食品中, 目前主要的应用范围还是在高端食品中。
3 酯型防腐剂
3.1酯型防腐剂概述
酯型防腐剂主要包括对羟基苯甲酸酯类防腐剂，没食子酸酯类防腐剂，抗坏血酸棕榈酸酯防腐剂。
这类防腐剂的特点就是对霉菌及酵母菌的抑菌效果显著，但是对于细菌抑制效果较差。总体上酯型防腐剂的杀菌效果强于酸型防腐剂，并且防腐效果不会受pH值的影响。同时该成分在人体的胃肠道内能迅速完全吸收水解，不会在人体内蓄积，因此它的毒性也比较低。以下两种酯型防腐剂。
3.2对羟基苯甲酸酯类
对羟基苯甲酸酯是被广泛使用的优良食品防腐剂。它对革兰氏阳性和阴性细菌、酵母菌、霉菌均有抗菌作用,防腐持续性较长,与其它防腐剂相比具有高效的特点。它受环境酸碱性影响小,对羟基苯甲酸酯被人体摄入后,以马尿酸的衍生物排泄,毒性低。
3.3坏血酸棕榈酸酯
抗坏血酸棕榈酸酯是一种高效、安全、无毒的脂溶性营养型的抗氧剂，被世界卫生组织食品添加剂委员会评定为具有营养性、无毒、高效、使用安全的食品添加剂，是中国唯一可用于婴幼儿食品的抗氧化剂，其抗氧化原理是:通过发生歧化反应，消除机体的自由基。同时，在Ca2+、Fe3+作用下,其与O2反应生成H2O2和脱氢抗坏血酸，然后和抗坏血酸进一步反应，生成脱氢抗坏血酸，从而消除对机体的氧化损害作用。 抗坏血酸棕榈酸酯从特性上看，适用于脂肪、油和乳化脂肪制品，婴幼儿配方食品等。
4 无机盐防腐剂
4.1无机盐防腐剂概述
无机盐防腐剂包含亚硫酸盐防腐剂和亚硝酸盐防腐剂两种。无机盐防腐剂的优点是易于制备，且成本较为低廉，防腐剂本身还可以兼具护色固色等作用，但缺点是可用于的食品种类少，且过量使用存在致癌风险。
4.2亚硫酸盐防腐剂
亚硫酸盐防腐剂使用方法有浸渍法和添加法两种。1%亚硫酸钠溶液呈碱性，因此不能直接使用于呈酸性的水果蔬菜制品，需要先调节PH值。浸渍法是将果实或蔬菜浸在0.2%~0.6%的亚硫酸钠溶液中，再干制，可防止果蔬的褐变。添加法是在果汁中添加0.05%的亚硫酸钠，即可防止果汁颜色的变化[3]。
4.3亚硝酸盐防腐剂
亚硝酸盐不仅可以作为肉制品的护色剂，还可以作为防腐剂。亚硝酸盐可与肉品中的肌红蛋白反应，保持肉的色泽；亚硝酸盐还具有增防腐剂的作用，可以防止肉毒梭菌的生和延长肉制品的保质期。因此亚硝酸钠兼有固色剂和防腐剂的双重作用。但是，过量的亚硝酸钠会致癌。亚硝酸钠在烹调和消化过程中会和食物中的胺反应，产生致癌物质亚硝胺类化合物。
5 动物类天然防腐剂
5.1动物类天然防腐剂概述
动物类天然防腐剂是指自然界中从动物中提取加工而成的，具有抗菌作用的物质，如蜂胶、壳聚糖等。
5.2蜂胶
蜂胶是由蜜蜂从胶源植物得到树胶，混入其蜡腺分泌物而形成具有芳香气味的胶状物质。由于蜂胶中存在大量活跃的还原因子，因此其在油脂等食品的加工中常被用作天然抗氧化剂使用[4]。蜂胶对人体的无毒无害性，同时具有消炎抗菌、促进机体免疫功能等作用，其降解的产物苯甲酸是一种天然食品防腐剂。
5.3壳聚糖
壳聚糖具有安全无毒、无污染、防腐保鲜效果好且成本较低等主要特点，是从虾、蟹壳以及软体动物中提取的一种天然多糖，在自然界含量丰富，其抗菌作用较强[5]。由于壳聚糖不溶于水，易溶于醋酸等酸中，故在实际使用过程中，将其溶解于食醋中使用。同时，壳聚糖对蛋白质具有凝聚作用，所以不适用于蛋白质食品，常用于不含蛋白质的酸性食品中，例如腌菜等。因此，在食品工业中壳聚糖具有广阔的应用前景，由于其不影响食品风味，既可作为防腐剂又可作为食品加工助剂食用。
6 植物类天然防腐剂
6.1植物类天然防腐剂概况
植物源天然防腐剂是一类从植物中提取出来的抑菌物质,天然绿色,是理想的抑菌防腐源。 自然界的天然植物中存在许多具有抗菌作用的生理活性物质。很多植物的提取物如肉桂提取物,迷迭香提取物等有很强的杀菌作用，可作为天然防腐剂。
6.2茶多酚
茶多酚对枯草杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、番茄溃疮、龋齿链球菌以及毛霉菌、青霉菌、赤霉菌、炭疽病菌、啤酒酵母菌有抑制作用。而且，茶多酚摄入人体后能改进血管的渗透性能，增强血管壁，降低血压，防止血糖升高，促进维生素C 的吸收与同化，调节人体内微生物，抑制细菌生长，还有抗癌防龋、抗机体脂质氧化和抗辐射等作用[6]。
6.3大蒜素
大蒜中大蒜辣素和大蒜新素是大蒜中的主要抗菌成份。后者抗细菌的效力为前者的50%。大蒜辣素的抗菌基理可能是其分子中的氧原子与细菌中半胧氨酸结合使之不能转变为肤氨酸,影响细菌体内的氧化还原反应。大蒜对多种球菌, 霉菌有明显的抑制和杀菌作用。大蒜的最适作用pH为4左右，因而适宜用于酸性食品的防腐保鲜中。我国有人发现其抗菌作用相当于化学防腐剂苯甲酸和山梨酸, 是发现的具有抗真菌作用植物中效力最强的一种。
7 微生物防腐剂
7.1微生物防腐剂概述
微生物防腐剂主要有乳酸链球菌素、纳他霉素等。微生物源天然防腐剂对人体危害低，还可以带来人体所需的营养成分，更具有高效优质的抑菌防腐效果。天然防腐剂可以研发出既不改变味道、也不破坏形态的防腐食品添加剂，比如，在蚝油生产中可以加入纳他霉素，减少细菌和霉菌的产生，增加蚝油的储存期。
但我国批准使用的天然微生物防腐剂只有纳他霉素和乳酸链球菌素等少数几种。由于微生物天然防腐剂正处于研究中，因而有许多问题亟待解决。
7.2乳酸链球菌素
乳酸链球菌素由乳酸乳球菌乳酸亚种在代谢过程中通过核糖体合成机制产生的具有抑菌或杀菌效果的多肽或蛋白, 具有高效、无毒、无残留、不产生耐药性等特点。
乳酸链球菌素的抑菌机理分为两个步骤进行，第一步乳酸菌素吸附在敏感细胞表面，作用在其细胞壁阴离子成分；第二步是同细胞膜相结合，造成细胞膜渗漏，使小分子量细胞成分迅速流出，导致膜内与膜外能差消失，同时对蛋白质、多糖、DNA等物质的生物合成发挥抑制作用[8]。
乳酸链球菌素对人体无毒无害可以抑制链球菌属、葡萄球菌属、梭菌属等多种细菌芽孢。在抑菌防腐过程中，不会改变食物的味道和形式，还可以提供人体所需的营养成分，因此可以用作包装食物等的防腐剂。
8 各类防腐剂优缺点
防腐剂的种类很多，故而，都会有各自的优缺点。 在一方面，化学防腐剂的成本会更低，效果好，使用方便，但化学合成防腐剂的添加对人体健康会造成一定的影响，需要严格控制添加剂量。
8.1 化学防腐剂优缺点
化学防腐剂中，相比于另外两个种类的化学防腐剂，酸型防腐剂和无机盐防腐剂，酯型防腐剂毒性是会小一些的。酸型防腐剂虽然防腐效果较好，但有研究显示苯甲酸会引起多动症，具有比较大的安全隐患。无机盐防腐剂不仅能对食物起到防腐作用，也能较好地起到增色保鲜的作用，但过多的摄入会增加心血管疾病的风险，而且，亚硝酸钠可以和蛋白质发生反应，或者在高温烹饪过程中形成致癌的亚硝胺，也有一定安全风险。酯型防腐剂的特点是杀菌效果比酸型防腐剂强，防腐效果不会因pH的变化而变化，并能水解成羟基苯甲酸，不在体内积蓄，毒性也比较低。
8.2 天然防腐剂优缺点
天然防腐剂一般都是由生物分泌的抗菌物质，相比化学防腐剂具有一定的优势。它最主要的优势就是安全无毒，而且抗菌性强、作用范围广。天然防腐剂在人体消化道内可以降解为食物的正常成分，不会影响消化道菌群，还具有一定的营养价值。我国全国食品添加剂标准化技术委员会批准使用的天然微生物源防腐剂只有乳酸链球菌素和那他霉素，乳酸链球菌素作为世界公认安全的食品防腐剂，已经广泛地应用于乳制品、肉制品、蛋制品等的防腐和保鲜。
8.3 防腐剂安全性
化学防腐剂和天然防腐剂都有各自的优劣势，从安全角度来看，天然防腐剂是有优势的，但它由于是提取的物质，很容易化学性质不稳定，而且应用条件也比较苛刻，在这方面，化学防腐剂由于是后天由人们研发出来的，所以也就会避免这一天然防腐剂的缺点，它的成本会比较低，获取也会更方便。
但对于防腐剂的安全性，问题并不在于防腐剂本身，而是剂量，国家对于防腐剂都有着严格的筛选和控制标准，所以，事实上，合理用量的防腐剂并不会对身体产生危害。但无论如何，无毒无害的防腐剂仍然是人们所追求的更安全的防腐剂。
9 食品防腐剂的发展环境和发展方向
食品防腐剂的出现是食品工业迅速发展的必然结果。食品防腐剂的出现大大节约了资源、减少了食品的浪费。然而食品防腐剂的安全性问题也随之产生。所以我国对食品防腐剂的种类和用量要求十分严格。在国家标准下，合理使用食品防腐剂并不会对人体健康造成伤害，添加了适当食品防腐剂的食品也能更好地抑制微生物繁殖，保障食品安全。但是一些企业为了使食品长时间保质和降低成本，会超标使用食品防腐剂、使用不合质量标准的食品防腐剂，过量的、质量不过关的食品防腐剂进入人体，会危害人体健康[7]。近年来，食品抽检中披露出的防腐剂使用不合格的食品数不胜数，这也导致消费者对食品防腐剂产生了不良情绪，开始抗拒添加任何防腐剂的食品。
随着科技的发展，人们对食品安全的要求越来越高，这也对食品防腐剂的研究发展提出了更高要求。天然防腐剂具有抗菌性强、安全无毒、水溶性好、热稳定性好、作用范围广等合成防腐剂无法比拟的优点，但是因其成本高，适用范围小，因此很难大规模使用，目前使用更广泛的是化学防腐剂。但是科学研究发现，部分化学防腐剂有诱癌性、致畸性和潜在毒性，少量长期摄入也会对人体健康造成危害[9]。因此，开发抗菌性强、安全无毒、适用范围更广、性能更稳定、价格更低廉的天然防腐剂成为当今食品防腐剂的主要研究方向[10]。同时，为了食品工业的健康发展，食品生产厂家应严格遵守法律法规，保质按量使用食品防腐剂，有关监管部门也应加大监管力度，提升产品检验技术，督促有关企业严格按照国家标准使用食品防腐剂，为食品行业的安全健康发展保驾护航。
参考文献
[1] 董欣旖，赵英侠. 食品防腐剂在食品中应用现状分析[]J. 中国食品添加剂, 2020，31（11）.
[2] 林科. 食品防腐剂的种类及其研究进展[J]. .广西轻工业，2009，25（10）.
[3] 刘宁,沈明浩．食品毒理学．北京：中国轻工业出版社，2007
[4]徐宝才.天然食品防腐剂的研究进展[J].江苏食品与发酵.2001,6(2):26-29.
[5] 赵希荣,夏文水.壳聚糖的抗菌防腐活性及其在食品保藏中的应用[D].食品研究与开发,2006.
[6] 杨连战,李言,钱海峰,等.植物源天然防腐剂应用及抑菌机理研究现状[J].食品与发酵工业, 2021, 47(1):303-308. YANG Lianzhan,LIY an,QIAN Haifeng, et al. Research
progress on application and antibacterial mechanism of natural plant. preservatives [J]. Food and Fermentation Industries , 2021, 47(1):303-308.
[7] 元军民.我国防腐剂种类、特点及在食品中的应用[J].食品安全导刊,2020(03):80-81.
[8] 邢宇,郭丽娜,孙伟. 微生物源天然防腐剂在食品上的应用研究[J]. 生物技术,2012,22(6):93-96. DOI:10.3969/j.issn.1004-311X.2012.06.153.
[9] 董欣旖,赵英侠.食品防腐剂在食品中应用现状分析[J].中国食品添加剂,2020,31(11):139-143.
[10] 林科.食品防腐剂的种类及其研究进展[J].广西轻工业,2009,25(10):9-11.
