随着对食品安全和健康问题的普遍关注，消费者对天然产物的兴趣越来越高。由于化学防腐剂存在的问题和缺陷，天然生物防腐剂引起了食品工业界的极大重视。采用天然防腐剂，可以赋予食品更高的营养价值，减少或完全停用化学防腐剂，并且确保食品的微生物安全性。天然生物防腐剂是指来源于植物、动物、微生物的具有预防食品腐败作用的抗菌物质，天然防腐剂的作用方式是抑制微生物的生长及发生在食品中的氧化反应和酶促反应。
目前控制食品微生物的主要措施是添加化学防腐剂，但由于化学防腐剂存在诸多缺陷，而且滥用和过量使用会导致出现新的食品安全问题。随着越来越多的消费者对食品安全和健康的日益关注，如今的食品工业更加强调天然防腐剂的使用，因而探索天然产物作为食品防腐剂已成为研究的热点。使用天然生物防腐剂可以保持食品的营养和品质特性，不受化学防腐剂污染，并保证食品的微生物安全，这种日益增长的需求为生物防腐剂的使用提供了良好的机遇。
微生物源生物防腐剂
一些微生物本身或其代谢产物具有抑制微生物生长繁殖的作用，可以用作防腐剂的生产。微生物本身作为食品防腐剂目前主要有乳酸菌，微生物代谢产物作为食品防腐剂的有乳酸菌等细菌产生的细菌素及那他链霉菌产生的纳他霉素等。
微生物活菌作为食品防腐剂研究最多的是乳酸菌，乳酸菌是国际公认的可食用的安全性微生物，且多数乳酸菌本身具有改善肠道益生菌菌群的功能，许多研究发现，多种乳酸菌具有抗菌特性。乳酸菌在食品及农产品中的抑菌作用可以通过两种方式实现。其一是通过添加活性菌体作为发酵剂或辅助发酵剂，与农产品中污染或存在的各种微生物共同培养，利用不同微生物间的拮抗和竞争抑制作用，抑制有害微生物的生长而不影响有益菌的增加；其二是利用微生物在正常生长代谢过程中产生的具有抗真菌和抗细菌作用的抑菌活性物质的提取分离组分，按一定量添加于食品和农产品中达到防腐保鲜的目的。
微生物代谢产物作为食品防腐剂研究最多的是细菌产生的细菌素和放线菌中的那他链霉菌产生的纳他霉素等。
某些细菌可以产生许多对其他细菌具有抑制作用的化合物，它可以被用来抑制潜在的腐败或病原微生物的生长。这些化合物包括发酵最终产物，如有机酸、过氧化氢、双乙酰以及细菌素和其他抑菌化合物如罗伊氏菌素（reuterin）等。革兰氏染色阴性细菌和革兰氏染色阳性细菌均产生细菌素。细菌素是蛋白质性质的抗菌化合物，是由核糖体合成的抗菌肽。
细菌素根据产生菌不同和分类标准,可以分为五类。其中大多数属于I和II类，是迄今为止研究最深入的。第I类称为羊毛硫细菌素（lantibiotics），是含有一些不同寻常的氨基酸的小肽；II类细菌素很小，未经修饰、具有热稳定性。另一个分类方法是根据产生细菌素的微生物的属、种或群进行命名，如乳酸菌产生的羊毛硫细菌素，大肠杆菌产生的大肠杆菌素（colicin），肺炎克雷伯氏菌产生的克雷伯菌素（klebisin）等。
从乳酸菌中已分离出大量的细菌素，并对其特性进行了研究。一些乳酸菌细菌素对食品中重要致病和腐败菌具有抗菌活性，已作为食品防腐剂在生产中使用。重要的有乳链球菌肽（Nisin）、双球菌素（diplococcin）、嗜酸菌素（acidophilin）、保加利亚菌素（bulgarican）、瑞士菌素（helveticin）、乳酸菌素（lactacin）、植物乳杆菌素（plantaricin）。Nisin由乳酸乳球菌（Lactococcuslactis）菌株产生，是迄今为止研究最彻底的细菌素，作为食品添加剂在全球得到应用。除Nisin及相关化合物如片球菌素（pediocin）是广泛用于食品保藏的细菌素之外，还有许多其他细菌素也已被认为具有作为食品防腐剂的潜力。
Nisin是目前应用最广泛的细菌素，但是它的抑菌谱有局限性，对革兰氏染色阴性细菌或真菌无抑制作用，仅在低pH时有效。商品化的Nisin 由乳酸乳球菌在经改良的牛奶培养基中发酵而生产，作用位点是细菌细胞质膜的磷脂成分，从而扰乱膜功能，通过抑制芽孢的膨胀过程预防其发芽。它对许多革兰氏染色阳性细菌具有高活性，特别应用于奶酪工业控制梭状芽孢杆菌的繁殖。
Pediocin由乳酸片球菌（Pediococcus acidilactici）和戊糖片球菌（P. pentosaceus）的一些菌株产生，属于公认安全（GRAS）的细菌素。这些微生物通常从发酵香肠中分离得到，并用于发酵香肠的生产。由乳酸片球菌产生的细菌素有AcH、PA-1和JD，戊糖片球菌产生的片球菌素有A、N5p、ST18 和PD1。大多数片球菌素具有耐热性和蛋白质性质，在广泛的pH范围内有效。片球菌素AcH对腐败和致病菌有效，其中包括产单核细胞增多症李斯特菌、粪肠球菌、金黄色葡萄球菌和产气荚膜梭状芽孢杆菌。
罗伊氏菌素的化学本质是β-羟基丙醛（β-hydroxypropionaldehyde），是一种溶于水的非蛋白质性质的甘油代谢物。它是由罗伊氏乳杆菌（Lactobacillusreuteri）产生的具有广谱抗菌作用的化合物，对革兰氏染色阴性和革兰氏染色阳性细菌、酵母和丝状真菌有杀菌作用。罗伊氏菌素在广泛的pH范围内有效，对抗蛋白水解酶和脂肪分解酶有耐受性，对单核细胞增多症李斯特菌有抑菌活性，但仅在37℃时对金黄色葡萄球菌有轻微抑制作用。然而，对大肠杆菌O157:H7（Escherichia coli O157:H7）、猪霍乱沙门氏菌猪霍乱亚种（Salmonella choleraesuis subsp. choleraesuis）、小肠结肠耶尔森氏菌（Yersinia enterocolitica）、嗜水气单胞菌嗜水气亚种（Aeromonas hydrophila subsp.hydrophila）和空肠弯曲菌（Campylobacter jejuni）有较高的抗菌活性。
纳他霉素由那他链霉菌（Streptomyces natalensis）产生，化学本质是多烯烃大环内酯类物质，对几乎所有霉菌和酵母有效，但对细菌有很少或没有影响。1955年斯塔克（Struyk）等人从南非Natal州Pietermaritzburg镇附近的土壤中分离到纳塔链霉菌，从中分离出了一种新的抗真菌物质。1957年Struyk等称这种新的抗真菌物质为匹马菌素（pimaricin)。1959年博润（Burns）等人在美国田纳西州Chattanooga 的土壤中也分离到了一株恰塔努加链霉菌（Streptomyces chattanoogensis），从其培养物中分离到了田纳西菌素（tennecetin)。此后的研究证明，匹马菌素和田纳西菌素为同一物质，被世界卫生组织统一命名为纳他霉素。
植物源生物防腐剂
植物出于物种保护和延续及防御疾病的目的产生具有抑菌作用的化合物，包括某些芳香成分和多肽。这些芳香成分以一种前体形式存在，植物组织受到损害后被酶分解，成为有抗菌作用的芳香物质。植物多肽是植物自身合成的能够防御环境中微生物侵害的一类小分子多肽。
可食用、药用和草本植物提取的植物精油包含大量的次生代谢物，具有延缓或抑制细菌、酵母、霉菌生长的作用。这些化合物现正处于研究阶段，尚未达到商业化应用。植物精油作为一种主要植物化学成分广泛存在于多种植物中。植物材料的抗菌化合物常见于枝叶（迷迭香、鼠尾草、罗勒、牛至、百里香和马郁兰）、鲜花或嫩芽（丁香）、根茎（大蒜和洋葱）、种子（香菜）的精油组分。研究表明，作为植物次生代谢物的植物挥发性物质具有抑制细菌、酵母及霉菌生长的作用。植物精油在植物中的含量一般为0.001%—10%，少数可达到20%。植物精油对于革兰氏阳性菌的抑制作用要强于对革兰氏阴性菌的抑制作用，也有许多植物的挥发性物质（如牛至、丁香、桂皮）对于这两类细菌都有很强的抑制作用。一般来说，植物精油的抗菌效果取决于组分的化学结构和浓度，具有抗菌作用的大部分植物精油组分是酚类、萜烯类、脂肪族醇、醛类、酮类、酸类及异黄酮类化合物。精油中富含的丁子香酚（如甜胡椒、丁香芽、丁香叶和肉桂叶挥发性物质）、肉桂醛及柠檬醛（如山胡椒和柠檬挥发性物质）都是极强的抗菌剂。鼠尾草和迷迭香的抗菌活性归因于龙脑和酚类化合物的贡献，牛至、百里香和香薄荷挥发性物质中含有的挥发性萜烯类化合物香芹酚、γ-萜品烯及百里香酚都对抗菌活性有重要的贡献。
植物抗菌肽是植物自身合成的能够防御环境中微生物侵害的一类小分子多肽。它们大都是阳离子多肽，有较好的热稳定性，作用位点和抗菌机理各不相同。研究较多的植物抗菌肽可分为三大类，分别是硫堇、植物防卫素和脂质转移蛋白。
硫堇（Thionins）最早发现于禾本科植物的种子，是一类分子量在5kD 左右的碱性蛋白，氨基酸残基数约为45—47，都含有较高比例的半胱氨酸残基。硫堇广泛存在于植物的种子、叶片及根系的表皮细胞中，可以抑制多种植物病原细菌以及20多种病原真菌的生长。编码硫堇的基因主要在花、果实和叶中表达，其他器官中表达量很少，但在微生物侵害后可以大量表达。合成的硫堇多积累在表皮细胞中，其中的95%位于液泡中。当植物体感染真菌部位的细胞及其液泡遭到破坏时，储存在内的硫堇就会释放出来并作用于真菌，从而起到保护作用。
植物防卫素（Plant defensins）于1990年从大麦和小麦种子中首先分离得到。最初此类物质由于分子大小及半胱氨酸含量与硫堇极其相似而被命名为γ-thionins。因其与哺乳动物防卫素和昆虫防卫素在结构上的相似性及同源性，γ-thionins被命名为植物防卫素。植物防卫素分子量在5kD左右，一般由45—54个氨基酸残基构成，其中有8个半胱氨酸残基。植物防卫素对多种真菌有较强的抑制作用，而对细菌的作用却不明显，广泛分布于种子植物的各类器官中（胚、子叶、茎、叶、果实及花器官）。对拟南芥的研究表明，防卫素的表达具有严格的器官特异性。目前大部分防卫素是从植物种子中分离得到的。免疫染色和原位杂交技术表明，防卫素优先在植物表皮细胞如种子表皮、茎及叶原基表层细胞中积累。
脂质转移蛋白（Lipid transfer proteins）是一类小分子量蛋白，由90—93个氨基酸残基构成，其中有8个半胱氨酸以及12个疏水和芳香氨基酸位点具有序列保守性。此类蛋白由于在体外能将磷脂从膜表面转运到胞内而得名，而这一功能是通过一个由4个二硫键固定的中央隧道状疏水蛋白区域完成的。绝大多数转脂蛋白不但能抑制多种革兰氏阴性菌，还能抑制部分阳性菌和真菌的生长。植物许多器官中都存在脂质转移蛋白，而且在围绕植物器官的表皮细胞和外周细胞、器官脱落区的表达特别高，免疫细胞化学定位研究揭示拟南芥和花椰菜中的转脂蛋白可能存在于植物体的细胞壁中。
动物源生物防腐剂
动物来源的抗菌系统有很多，他们往往由宿主的防御机制进化而来。溶菌酶为杀细菌的酶类，商业化的溶菌酶来自鸡蛋的蛋白，抑制酪丁酸梭状芽孢杆菌的孢子在奶酪中的发芽。溶菌酶可有效抑制各种食品腐败微生物，可以成功地用于延长各种食品的保质期，包括原料和加工肉类、奶酪和其他乳制品。
乳过氧化物酶出现在天然牛乳中，对细菌和真菌具有强大的抗菌效果，可广泛抑制革兰氏阴性和革兰氏染色阳性细菌，而革兰氏染色阴性细菌更加敏感。许多动物固有的抗菌物质的存在形式为抗菌肽。抗菌肽广泛分布在自然界中，作为生物非特异性宿主防御系统的重要成分。过去20年间发现的抗菌肽数量不断增加，动物细胞产生的抗菌肽包括蛙皮素（magainin）、猪卡萨林素（cathelicidin）、企鹅β-防御素（spheniscin）、美洲拟鲽素（pleurocidin）、皮抑菌肽（dermaseptin）、天蚕素（cecropin）。抗菌肽为解决传统抗生素耐药性问题提供了一个有前途的解决方案，抗菌肽不以特异性分子作为靶位，对细胞膜的破坏迅速，使细菌细胞甚至没有足够的时间发生突变而快速生长。
一些动物源抗菌肽有作为食品添加剂的潜力。Pleurocidin是一个25 个氨基酸的多肽，由美洲拟鲽（Pleuronectes americanus）皮肤黏液层中分离得到。该抗菌肽热稳定，耐盐，对生理浓度的镁和钙不敏感，对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌有抑菌活性。Pleurocidin可有效预防食源性微生物，包括副溶血性弧菌、单核细胞增多症李斯特菌、大肠杆菌O157:H7、酿酒酵母、展青霉。Pleurocidin对食源性微生物的抗菌活性剂量远低于法规规定的Nisin 的剂量（10 000 IU/g），对人类红细胞无显著影响，从而表明其作为天然食品防腐剂和替代传统的化学防腐剂的潜力。然而，Pleurocidin可被镁和钙抑制，这可能会限制在富含这些阳离子环境中的使用。
动物防御素是不同动物体内广泛存在的抗菌肽，包括哺乳动物、鸡、火鸡等。它们在细胞和组织中含量丰富，发挥宿主防御微生物的作用。防御素具有光谱的抗菌活性，对革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌、真菌和被膜病毒等具有抗菌活性。
乳铁蛋白是牛奶中的铁结合糖蛋白，对革兰氏染色阳性和阴性细菌、真菌和寄生虫具有广谱抗菌作用。乳铁蛋白最近已在美国获得许可（USDA-FSIS 2008.FSIS Directive 7120.1 Amendment 15），已被应用于肉制品。
鱼精蛋白，如鲑精蛋白和鲱精蛋白，从鱼体中分离得到，可有效抑制革兰氏染色阴性和阳性细菌、酵母、霉菌。蛙皮素从青蛙中分离得到，发现其对一系列食品相关病原体有抑菌效果，显示可能作为食品防腐剂。
壳聚糖为天然生物聚合物，从甲壳类动物和节肢动物的外骨骼中获得，多阳离子性质，具有抗真菌活性和抗细菌活性。壳聚糖的分子量似乎对其抗菌活性有影响，低分子量壳聚糖可有效控制大肠杆菌的生长。壳聚糖分子量对金黄色葡萄球菌的活性也有重要影响。
动物源脂质对多种微生物具有抗菌活性。在黏膜表面的游离脂肪酸可以抑制金黄色葡萄球菌。乳脂质可以使革兰氏阳性细菌包括金黄色葡萄球菌、肉毒梭状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、单核细胞增多症李斯特菌失活，使革兰氏阴性细菌如绿脓杆菌、大肠杆菌和肠炎沙门氏菌血清型失活，并对各种真菌如黑曲霉、酿酒酵母、白念珠菌有抑制作用。脂质可以抑制和预防致病性或食品中腐败微生物在食品基质中的增殖。二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）和二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）形成于动物（包括鱼类和贝类）组织，而不产生于植物组织。DHA是膜结构脂质的成分，在某些动物神经系统的视网膜和非鞘磷脂膜的磷脂膜成分中很丰富，生物转化的EPA和DHA表现出对四种革兰氏阳性细菌，包括枯草芽孢杆菌、单核细胞增多症李斯特菌、金黄色葡萄球菌ATCC 6538、金黄色葡萄球菌KCTC1916 和七个革兰氏阴性细菌，包括产气肠杆菌、大肠杆菌、大肠杆菌O157:H7、铜绿假单胞菌、肠炎沙门氏菌、鼠伤寒沙门氏菌的抑菌活性。EPA和DHA对革兰氏阳性细菌的生长抑制作用相似，而DHA的生物转化提取物对革兰氏阴性细菌的作用比EPA更有效。
生物防腐剂在食品中的应用
Nisin是唯一得到商业化和大规模应用的细菌素。1961年，WHO允许在食品中使用该细菌素，现在全世界大约有50个国家允许将其作为食品添加剂。尽管Nisin具有抗菌谱较广、天然、无毒副作用、安全、高效等优点，但仍有其在中性和碱性条件下溶解度低，对食品中一些酶敏感，及一些细菌可对其产生抗性等问题。因此，对仅单独使用一种细菌素保鲜贮藏的食品，抗细菌素的病原微生物的出现可能存有潜在威胁。对Nisin作为食品防腐剂抑制各种致病菌的效果已进行了大量的评估研究。Nisin已被用于抑制牛肉、香肠、全蛋液、碎牛肉、家禽、即食肉制品和果汁中微生物的生长。
1982年6月，美国FDA正式批准纳他霉素可用作食品防腐剂。1997年3月28日，我国卫生部批准纳他霉素（美国pfizer公司的产品Natamax）作为食品防腐剂可以在国内使用。使用范围为乳酪、肉制品、广式月饼和糕点表面、果汁原浆表面、易发霉食品、加工器皿表面。目前，全世界已有50多个国家采用纳他霉素作为食品防腐剂。
甘油一酸酯可增加包括酱油、味噌、香肠、蛋糕和面条等多种食物的保质期。月桂酸单甘酯对海鲜沙拉和各式各样的新鲜食物包括剔骨鸡肉、切碎鱼肉、冷冻牛肉、法兰克福肉酱有防腐作用。
多种植物提取物在食品防腐中的应用也取得了一系列研究进展。如丁香酚、丁香油、牛至和肉豆蔻精油、辣椒提取物、香芹酚、肉桂醛、百里酚等，分别在冷藏加工鸡肉、法兰克福鸡肉香肠、肉汤、生牛肉等食品中微生物的抑菌防腐上取得了可观的抑菌效果。
动物源防腐剂的抗菌性质及其可能的潜在的食品应用仍处于初级阶段，动物来源的抗菌剂虽具有重要潜力，但仍没有加以利用。
其他一些受到关注的是抗菌活性生物防腐剂包装技术的应用。这些系统可以适用于植物、动物和微生物源的抗菌剂，将其以一个小包装袋的形式放入食品包装内，在包装袋中使抗菌剂处于分散状态，或在包装袋表面用抗菌剂进行涂层，或利用抗菌高分子的成膜性能。涂膜包装已应用于肉、鱼、家禽、面包、奶酪、水果和蔬菜的防腐。
结论与展望
随着消费者对食品安全和绿色添加剂需求的增长，近年来兴起了对天然生物防腐剂的研发热潮。在过去的20年里，天然防腐剂已经逐渐投入实际应用，并证明这些技术可以有效灭活食品中的微生物和酶而对其感官和营养属性没有显著的影响。研究表明，天然生物防腐剂为食品加工提供了独特的优势，除了改善食物的保质期和安全性外，天然生物防腐剂有利于食品新产品的开发，有助于保持食品品质和营养。
天然生物防腐剂的应用很可能在未来得到稳步增长，因为食品消费的趋势是消费者要求食品最低化加工和只含天然的防腐剂成分。尽管生物防腐剂显示了在食品保藏中的巨大潜力，但要将生物防腐剂大规模推广应用，还有许多问题需要解决。首先，大部分的文献报道的抗菌数据来自模拟污染食品样品或实验室培养基。在实际食品系统中使用生物防腐剂的水平可能比实验室试验所需的水平高很多，但动植物和微生物体内天然抗菌物质的含量一般极其微量，加之分子量小，分离纯化困难，提取步骤繁琐，得率低。其次，生物防腐剂的抑菌活性一般较化学防腐剂低、抑菌谱也比较窄。而且添加生物防腐剂也可能会对食品的感官性质产生负面影响。这些是影响开发应用的主要问题。许多生物抗菌物质属于肽类物质，由核糖体合成，具有相应的编码基因。因此对这类抗菌肽的研究，可以采用基因工程技术进行高效异源表达，解决其产量低的问题。为克服生物防腐剂抑菌谱较窄的问题，需要将各种防腐技术联合使用，需要更加复杂的设计和对技术组合的优化。而且，对抑菌效果进行评估的技术需要更加严密和智能化，各种食品产品配方、不同外部贮藏环境、不同防腐技术的组合等因素对生物防腐剂功效和应用的影响需要进一步研究。
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