第8章 延长食品的贮藏期限(2)

当两种不同的防腐剂共同作用时，存在着三种效应：相加、增效和拮抗。“相加效应”是指两种防腐剂共同作用的效果等于其分别作用效果之和，即1+1=2；“增效效应”是指两种防腐剂共同作用的效果大于其分别单独使用效果的和，即1+1>2；“拮抗效应”指两种防腐剂共同作用的效果小于其分别单独使用效果的和，即1+1<2。在防腐剂的复配时，应防止拮抗效应的搭配。

不同种类的防腐剂之间的协同作用通常应遵循以下规律：

1.针对不同微生物有抑制作用的防腐剂之间的复配如苯甲酸钠和山梨酸钾是两种常用的食品防腐剂，它们的抑菌特征分别为苯甲酸钠对产酸性细菌的抑制作用较弱，而山梨酸钾则对厌气菌和嗜酸乳杆菌无抑制作用。单独使用其中之一，往往不能完全抑制微生物的生长，将两者复配使用，则能起到良好的抑菌效果。

例如，在面酱中添加最大允许使用量的苯甲酸钠（05g/kg），25～37℃下6天后的抑菌率仅为457%，而将苯甲酸钠与山梨酸钾1：1混合后仍以05g/kg添加，同条件下6天后的抑菌率达到100%。

对羟基苯甲酸酯类的抑菌情况与其碳链长度有关。烷基链短的品种抑制革兰氏阴性菌的效果好，抑制革兰氏阳性菌的效果差；烷基链长的品种的抑菌效果则相反。因此，不同碳链长度的对羟基苯甲酸酯类的复合，具有良好的增效作用。

2.不同抑菌机理的防腐剂之间的复配

如上所述，防腐剂的抑菌机理之一是抑制微生物体内代谢酶的活性，而微生物的代谢途径有多种，如糖代谢的EMP途径（Embden-Meyerhof-Pamaspathway）、TCA途径（Tricarboxylicacidcyclepathway）和HMS（Hexose-monophosphateShunt）途径。EMP途径将葡萄糖降解为丙酮酸，TCA途径合成各种氨基酸骨架，HMS途径则是合成核酸、辅酶、维生素等所必需的戊糖骨架。每一种代谢途径都需要不同的酶参与。若两种防腐剂分别抑制微生物代谢的不同途径，则它们之间就可能存在着显著的增效作用。

3.有助于保持主要防腐剂作用的种类之间的复配例如，苯甲酸及其盐、山梨酸及其盐只有在分子状态时才有抑菌活性，苯甲酸及钠盐、山梨酸及钾盐的最适抑菌pH值范围分别为25~40和5~6，超出此pH值范围，它们的抑菌能力受到极大限制。当它们分别与有机酸复配时，能够保持有效抑菌形式，增强抑菌效果。

4.拓宽防腐剂抑菌谱物质间的复配

乳酸链球菌素（Nisin）是从乳酸链球菌发酵产物中提制的一种多肽抗菌素类物质，吸取于细胞膜上，可以抑制细胞壁中肽聚糖的生物合成，使细胞膜和磷脂化合物的合成受阻，导致细胞内物质外泄，引起细胞裂解。它主要抑制大部分革兰氏阳性菌，特别是细菌的芽孢，对于酵母、革兰氏阴性菌等无抑制能力。这是因为革兰氏阴性细菌的细胞壁肽聚糖含量少，主要包括磷脂、蛋白质和脂多糖等，十分致密，仅允许相对分子质量小于600的分子通过。而乳酸链球菌素的相对分子质量为3500左右，无法正常通过革兰氏阴性细菌细胞壁，因此也就无法达到细胞膜。一些研究表明，500IU/mL的乳酸链菌素菌与20mM的EDTA二钠联合使用时，则能完全抑制醋酸杆菌属，对沙门氏菌和其他革兰氏阴性菌也有抑制作用。另外，磷酸盐等螯合剂也能促使乳酸链球菌素抑制革兰氏阴性菌。Phillips和Duggan指出，这些螯合剂通过键合微生物细胞壁中脂多糖层上的镁离子导致脂多糖和脂类的损失，从而改变了革兰氏阴性菌细胞壁的透性，结果使乳酸链球菌素可以进入。

五、常用的食品防腐剂

我国批准使用的食品防腐剂主要包括有机酸及其盐类防腐剂、有机酸酯类和脂肪酸酯类、微生物菌素和其他类。

（一）有机酸及其盐类

有机酸及其盐类，是最常用的食品防腐剂，包括苯甲酸及其钠盐、山梨酸及其钾盐、丙酸及其钠盐和钙盐、脱氢醋酸及其钠盐及双乙酸钠。其中苯甲酸及钠盐的使用历史较长，早在1875年就发现了其的抗菌作用，1908年即被美国批准作为食品防腐剂。

这类防腐剂的抑菌谱是随品种而异，作为弱酸型防腐剂，有机酸及其盐类是以分子态的形式起抑菌作用，即只有分子态有机酸能够透过细胞壁而进入内部干扰各种酶的活性。有机酸及其盐类的抑菌有效性取决于解离常数（pKa）和未解离的总酸浓度达到50%时的pH值，即要完全抑菌作用，必须保证体系中含有50%的未解离酸分子。

有机酸在不同pH值下解离情况可用下式表示：

α=1—Ka10—pH+Ka

式中，α——解离有机酸的比例；

Ka——酸型防腐剂的解离常数。

根据上式，有机酸及其盐类的使用通常限制在pH＜50的食品中，因为大多数有机酸的pKa在3～5之间。但脱氢醋酸及其钠盐以及双乙酸钠的抑菌能力似乎不受pH值的影响。正如Hoffman等人指出的，少于7个碳的酸在低pH值下较有效，而8到12碳的有机酸在中性及以上较有效。脱氢醋酸含有8个碳，因而抑菌的pH值范围较宽，而双乙酸钠由于是乙酸和乙酸钠的复合物，可能是二者之间形成的缓冲能力的缘故。

1.苯甲酸及苯甲酸钠

苯甲酸（pKa＝419）是自然存在于苹果、肉桂、丁香、小红莓、梅子、李子、草莓和其他浆果中。苯甲酸钠是一种稳定的、无味、白色粒状或结晶粉末，溶于水（660g/100mL，20℃）和乙醇（081g/100mL，15℃）。苯甲酸是无色针状或叶状，与苯甲酸钠相比在水中的溶解度非常低（027%，18℃）。因此，大多数食品使用时首选苯甲酸钠。

苯甲酸和苯甲酸钠主要作为抗真菌剂使用。有报道指出，在pH值为50时，20~2000μg/mL苯甲酸可以抑制大多数酵母菌和霉菌。对苯甲酸和苯甲酸钠有特别抵抗力的酵母是拜耳接合酵母（Zygosaccharomycesbailii），苯甲酸钠的用量超过03%时，仍不能防止由Z.bailii引起的色拉蛋黄酱的变质。虽然一些与食物中毒相关的细菌可被1000~2000μg/mL未离解的苯甲酸所抑制，但要控制许多腐败细菌需要更高的浓度。研究表明，苯甲酸钠可将耐热性霉菌新萨托菌（Neosartoryafischeri）在葡萄和芒果汁中的D85℃值分别从693min和635min减少到501min和276min。

Gabel最先确定在酸性介质和中性介质中对细菌有效的苯甲酸浓度分别为01%和02%，而在碱性介质中是无效的。Cruess和Richert对于霉菌和酵母也给出了相似的结果。未离解的苯甲酸（pKa＝419）是最有效的抗菌剂。该化合物在酸性溶液中的效力是中性溶液中的100倍，只有未离解的酸才有抗菌活性。因此，苯甲酸盐在pH值为25~40时最有效，pH值大于45时明显失去效力。

苯甲酸是通过连续输送的质子进细胞造成输送系统的破坏而摧毁细胞质膜的质子动力达到抑菌效果的。苯甲酸盐也可以抑制细菌细胞中的酶，如控制乙酸代谢和氧化磷酸化的酶类，柠檬酸循环中的α-酮戊二酸和琥珀酸脱氢酶，荧光假单胞菌（Pseudomonasfluorescens）产生的脂肪酶和大肠杆菌（Escherichiacoli）的三甲胺-N-氧化还原酶活性。在真菌中黄曲霉（Aspergillusflavus）的产毒素的菌株产生的黄曲霉素和6-磷酸果糖激酶活性被抑制。

苯甲酸和苯甲酸钠是美国FDA允许在食品中使用的第一个抗菌剂，也是GRAS防腐剂（FDA-21CFR1841021；FDA-21CFR1841733；FDA-9CFR3187）。在大多数国家，苯甲酸和苯甲酸钠的最大允许使用浓度为015%和025%。

/（g/kg）食品分类号食品名称最大使用量

/（g/kg）

0303风味冰、冰棍类10

04010205果酱（罐头除外）10

140202浓缩果蔬汁（浆）（仅限食品工业用）2004010208蜜饯凉果05

04020203腌渍的蔬菜10140203果蔬汁（肉）饮料（包括发酵型产品等）10050201胶基糖果151403蛋白饮料类10050202除胶基糖果以外的其他糖果08

1105调味糖浆10

1203醋10

1204酱油10

140401碳酸饮料02

14040202风味饮料（包括果味饮料、乳味、茶味、咖啡味及其他味饮料等）101205酱及酱制品10

1210复合调味料061405茶、咖啡、植物饮料类10121002半固体复合调味料101502配制酒（仅限预调酒）04121003液体复合调味料（不包括1203，1204）10150303果酒08。

2.山梨酸及其盐类

山梨酸（pKa＝379）及其钾、钙、钠盐或统称为山梨酸盐。山梨酸是在德国化学家A.W.Hoffman在1859年首次从花楸树的浆果分离得到的。1880年确定了山梨酸的结构，并在1900年被首次合成。然而，直到20世纪30年代后期和40年代早期，才分别由德国的E.Miller和美国的C.M.Gooding发现山梨酸的抗菌和防腐特性，1945年开始作为有效的包括那些产生毒素真菌和某些细菌的抑制剂用于食品。山梨酸（pKa＝475）是一个反式-反式不饱和羧基脂肪酸（CH3—CH＝CH—CH＝CH—COOH），略溶于水（015g/100mL，20℃）。山梨酸钾的盐易溶于水（582g/100mL，20℃）。

目前，山梨酸及其水溶性较好的盐，尤其是山梨酸钾，统称为山梨酸盐（Sorbates），在世界各地广泛用作各种食品的防腐剂。山梨酸盐作为防腐剂的广泛使用是基于它们能够抑制或延缓众多微生物包括酵母菌、霉菌和细菌的生长。然而，山梨酸盐对微生物的抑制取决于微生物的类型、种类和菌株的差异、底物特性和环境因素。在某些情况下，一些微生物菌株对山梨酸盐类的抑制具有抵抗性或甚至代谢化合物。不过总体而言，在卫生条件下使用时及在使用良好生产规范加工的产品中山梨酸盐被认为是有效的食品防腐剂。

山梨酸对酵母菌和霉菌以及许多细菌具有抗菌活性，1950年代的广泛研究在展示了山梨酸盐对酵母菌和霉菌卓越的有效性而导致了在许多食品中作为真菌抑制剂广泛使用。山梨酸盐在大多数食品中的有效抗菌浓度在002%~030%之间，而更高的量可能会导致微生物的死亡。因此，当山梨酸盐的作用减少或消除时，残存的微生物可能恢复生长和使食品变质。山梨酸盐抑制细胞生长和增殖以及萌发和产芽孢细菌的分枝，但抗菌活性的确切机理并未得到良好的定义。

研究者提出了山梨酸盐抑制微生物代谢功能的几种可能机制，其中一些可能与以下因素有关：微生物的类型和种类、食品的类型、环境条件和食品加工的类型。一定的条件下，山梨酸盐会改变微生物细胞的形态和外表，并可在酵母细胞中观察到这样的变化，如磷蛋白质颗粒增多、不规则的核、线粒体和液泡的数量增加、大小改变。山梨酸盐处理的生孢梭菌细胞（C.sporogenes）通常是丝状和无间隔的，但具有以无数弯曲和凸起为特征的扭曲形状。分隔作用存在时，导致微细胞和内部细胞壁增厚，在许多区域似乎缺少外细胞壁。在pH值为70条件下，用山梨酸盐处理腐败假单胞菌（Alteromonasputrefaciens）后，细胞的疏水性增加，细胞壁溶解溶菌酶暴露，但这可以通过添加镁离子在某种程度上加以克服。也有证据表明在山梨酸盐处理细胞时损伤了其他膜。虽然这种变化的意义尚不清楚，但可能是由于山梨酸盐结合到特定的细胞结构而改变了细胞生物合成的过程。