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1、第四章 食品微生物的控制体系和方法,常用的抑菌方法 化学保藏、低温保藏、高温保藏、干燥保藏 工业控制体系 GMP, SSOP, HACCP,第一节 常用的抑菌方法,一. 食品的化学保藏,常用的化学防腐剂 苯甲酸和对羟基苯甲酸酯类 山梨酸及其盐类 丙酸盐,SO2及亚硫酸盐 乙酸和乳酸 硝酸钠/亚硝酸钠 抗生素 ?,一) 苯甲酸(盐)和对羟基苯甲酸酯,Benzoic acid,1、苯甲酸,性状：常温下难溶于水，溶于热水、乙醇、氯仿、乙酸、丙酮、CS2和挥发性、非挥发性油，微溶于已烷。 防腐原理 亲油性大，易透过细胞膜，进入细胞体内，从而干扰了微生物细胞膜的通透性，抑制细胞膜对氨基酸的吸收，并通过细
2、胞膜抑制脂肪酶等酶的活性，ATP合成受阻 (毒性)； 抑制细胞的呼吸酶系的活性，对乙酰辅酶A缩合反应有很强的阻止作用。 防腐最适pH为2.5-4.0。,苯甲酸作用机理,苯甲酸的抑菌力,在酸性环境中，有广谱抗菌作用，对产酸菌的作用较弱。pH 5.5以上时对很多霉菌和酵母都失去作用。 为脂溶性有机酸，未解离的分子更易透过细胞膜杀死微生物。其未解离的分子在酸性溶液中的抗菌活性比在中性溶液中大100倍。 If the intracellular pH changes to 5 or lower, the anaerobic fermentation of glucose through phospho
3、fructokinase is decreased by 95%. The efficacy of benzoic acid and benzoate is thus dependent on the pH of the food.,应用范围,苯甲酸及其钠盐只能适用于高酸性食品，如苹果汁、软饮料、番茄酱和沙拉调味料等。 在酸性食品中，苯甲酸盐的主要作用通常是作为一种霉菌和酵母的生长抑制剂。在pH为5.0-6.0时，抑制酵母的浓度为l00一500mg/g，抑制霉菌的浓度为30-300mg/kg。 价格十分低廉，但在果汁等食品中，当苯甲酸盐达到最大使用浓度0.1时制品会产生不愉快的气味和毒性，有逐
4、渐被山梨酸取代的趋势。,苯甲酸的毒性,毒性：大鼠经口LD50 2.7-4.44 g/kg，按FAO /WHO 规定，成人日允许摄入量ADI 05mg/kg。 解毒：苯甲酸入口后，经小肠吸收进入肝脏内，在酶的催化下大部分与甘氨酸化合成马尿酸，剩余部分与葡萄糖醛酸化合形成葡萄糖苷酸而解毒，并全部进入肾脏，最后从尿排出。,最大允许使用量,upper concentrations allowed in food are up to 0.1% benzoic acid (USA) and between 0.15% and 0.25% (other countries),2、苯甲酸钠,性质：为白色颗粒或
5、晶体粉末，无臭或微带安息香气味，味微甜，易溶于水(about 200 times more soluble than benzoic acid )，溶于乙醇，其水溶液pH为8。 防腐机理：与苯甲酸相同。 毒性：大鼠经口LD50 2.7g/kg，ADI为0-5mg/kg 解毒机理：人体对苯甲酸钠的解毒机理与对苯甲酸相同。 当达到最大使用浓度0.1时，有“胡椒味”或“麻辣味” 。A级绿色食品中不允许使用苯甲酸钠。,苯甲酸钠的防腐效果,防腐效果小于苯甲酸，苯甲酸钠只有在游离出苯甲酸的条件下才能发挥防腐作用，在酸性较强食品中，1.18g的防腐效能相当于1.0g苯甲酸。 苯甲酸盐的pK为4.20，pH4
6、.0时, 60处于未解离状态，而pH6.0时，仅1.5处于未解离态。 为酸性防腐剂，常用于抑制霉菌和酵母，pH3.5时，0.05的溶液能完全防止酵母生长；pH6.5时，浓度需提高至3.5。 水溶性好，因此应用比苯甲酸更普遍。,3、对羟基苯甲酸酯类,种类：对羟基苯甲酸甲、乙、丙、丁、异丁酯和庚酯。我国主要使用乙酯和丙酯，日本使用最多的是丁酯，美国只允许使用甲、丙和庚酯。 性质：微溶于水，易溶于乙醇、丙二醇和花生油，常溶于氢氧化钠、乙酸、乙醇中使用。最好是将两种或两种以上的该酯类混合使用，不仅溶解度可以提高很多，且它们间有协同作用。,对羟基苯甲酸酯类防腐剂，是一类高效低毒的防腐剂，具有良好的防止发
7、酵、抑制细菌增殖和杀菌能力。 我国除少数几家厂家小规模生产对羟基苯甲酸甲酯、乙酯和丙酯外，其他酯类在国内尚属空白。 对羟基苯甲酸酯中烷基的碳元素原子数越大，其生产技术难度越大，水溶性越差，但杀菌作用越强，特别是对羟基苯甲酸庚酯和辛酯，生啤酒中加入812ppm其效果与加热灭菌效果相同，保鲜期可达12个月以上。,对羟基苯甲酸酯类抑菌效果,抗菌机理及应用范围,可能抗菌机理：改变膜的流动性，从而抑制微生物细胞的呼吸酶系与电子传递酶系的活性；以及破坏微生物的细胞膜结构，使胞内物溢出。 应用范围：可用于饮料、果蔬制品、海产品、禽畜产品、调味品、啤酒、米酒等产品中。它不但可完全替代苯甲酸钠和山梨酸钾，且其使
8、用范围比之更广。,优缺点,抑菌效果好，添加量小 使用pH范围广， pH4-8。对羟基苯甲酸酯钠在溶液pH 为8 时，仍有60 %以上呈分子状态存在。 毒副作用小。 水溶性差 产品价格较高，应用受到了一定的限制。,对羟基苯甲酸乙酯,对羟基苯甲酸乙酯对霉菌、酵母有较强的抑制作用，对细菌，特别是G-杆菌和乳酸菌的抑制作用较弱。其抗菌作用较苯甲酸和山梨酸强。 抗菌能力是由其未电离的分子决定的，所以其抗菌效果不易受pH值变化的影响。在pH4-8有较好的抗菌效果。,对羟基苯甲酸丙、丁酯,对羟基苯甲酸丙酯：防腐性能优于乙酯，对苹果青霉、黑根霉、啤酒酵母和耐渗压酵母等有良好的抑杀能力。 对羟基苯甲酸丁酯：抗菌
9、能力大于对羟基苯甲酸丙酯和乙酯。对酵母和霉菌有强抑制作用，在中性条件下能充分发挥防腐败作用。,毒性,由于酯的添加量只有山梨酸、苯甲酸的1/101/5,因此其相对安全性比山梨酸高得多。,二) 山梨酸及其盐,(sorbic acid),1、山梨酸,性质：难溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙二醇、花生油、甘油、冰醋酸、丙酮；使用时多溶于乙醇、 NaHCO3或硫酸氢钾的溶液中。 作用机理：与微生物的酶系统的巯基相结合，从而破坏许多重要酶系统的作用；干扰传递机能，如细胞色素C对氧的传递，以及细胞膜表能量传递的功能，从而抑制微生物增殖。 毒性：大鼠经口LD50 10-7.4 g/kg。ADI 0-25 mg/kg
10、。,International Journal of Food Microbiology 136 (2009) 3743,防腐性能,抑制霉菌、酵母菌和好气性细菌的生长，而对厌氧细菌几乎无效；适用于pH5.5以下的食品，pH8时丧失防腐作用。 若食品被微生物严重污染，山梨酸便成为其营养物质，反而会加速食品腐败。 可参与体内正常代谢，产生CO2和水，对人体无害。防腐效果好，对食品风味无不良影响，是目前国际上公认的最好防腐剂之一。价格较高,2、山梨酸钾,性质：易溶于水、丙二醇、乙醇，1%水溶液pH7-8，使用方便，但可能引起食品碱度升高。 抑菌作用机理：与山梨酸相同 防腐性能 有很强的抑制腐败菌和霉
11、菌的作用，其毒性远低于其他防腐剂。 为酸性防腐剂。 1g山梨酸钾相当于0.746g山梨酸，1g山梨酸钙相当于0.427g山梨酸。,pH对防腐剂在溶液中分子态的影响,三) 二氧化硫和亚硫酸盐,1、二氧化硫,性质：易溶于水和乙醇，溶于水后形成亚硫酸 应用： 漂白剂：利用其还原作用抑制氧化酶的活性，利用亚硫酸与葡萄糖的作用而阻断“羰氨反应”，从而防止酶促褐变和非酶促褐变。 防腐剂：可强烈抑制霉菌、好氧细菌，但对酵母菌的作用稍弱；在低pH时杀菌能力强，且随温度和浓度升高而增强；低pH时是醋酸杆菌和乳酸菌的抑菌剂，抗氧化剂。高浓度时是杀菌剂。,机理,SO2被菌体吸收形成亚硫酸根，其能与葡萄糖、核苷酸的碱
12、基、蛋白质的二硫键、巯基和羰基发生反应。 抑制基本酶系(抑制酶促褐变同理)、呼吸酶系、辅酶基和电子载体的活性。 抑制DNA复制与蛋白质的生物合成。 具有强还原性，能消耗食物组织中的氧，抑制嗜气菌的活性。,Wine Yeast Inhibition by Sulfur Dioxide: A Comparison of Culture-dependent and Independent Methods,Non-Saccharomyces yeast species are known to grow in the early stages of fermentations. Later, as S
13、accharomyces becomes dominant, and ethanol levels increase, these wild populations decline. In the fermentation without SO2, the Hanseniaspora, and Candida reached high populations only one day after inoculation, whereas Saccharomyces colonies were not detected until late into the fermentation. Sacc
14、haromyces remained dominant until the end. In the fermentation with SO2, Hanseniaspora, and Candida were “wiped out” from the very beginning, and only Saccharomyces was able to recover after Day 3.,Am. J. Enol. Vit. 54(2):125-130. 2003,毒 性,兔经口LD50 0.6-0.7g/kg，ADI为0-0.7 mg/kg SO2残留量过多，不仅能破坏V1，还能使钙形成不
15、溶性物质，影响人体对钙的吸收。SO2遇水生成亚硫酸，对人的胃肠有刺激作用，若长期食用SO2超标的食品，其肝、肾、胃等都将受到损害。 使用形式：气态、液态或一种及多种中性或酸性盐。 葡萄酒、果酒：0.25g/kg。 SO2残留量0.05g/kg,2、焦亚硫酸盐,在空气中能分解，放出SO2 ，易溶于水，微溶于乙醇。1水溶液的pH值为4.0-5.5。 防腐机理：同SO2 毒性：兔经口ID50 0.6-0.7g/kg(以SO2计)。ADI为0-0.7 mg/kg 应用：1992年实施的食品添加剂使用卫生标准上明确规定，只能用于葡萄酒和果酒。,四) 丙酸钠,抑菌机理 抑制微生物合成-Ala而起抗菌作用的
16、，故在丙酸钠中加入少量-Ala ，其抗菌作用即被抵消，然而对棒状曲菌、枯草杆菌、假单孢杆菌等却仍有抑制作用。 抑菌特性 酸性防腐剂，起防腐作用的主要是未离解的丙酸，pK 4.87；对抑制霉菌有较高的专一性。 毒性 小鼠经口LD50 5.1g/kg。ADI不作限制性规定。,五)细菌素与抗生素,区别 抗生素是某些微生物通过酶促反应将初级代谢物转变为结构性的次级代谢物，诸如短杆菌肽S等，通过酶促反应把氨基酸转变为结构复杂的化合物。 细菌素则需要通过核糖体来合成，从而是真正的蛋白类物质，如Nisin、枯草菌素、泰乐菌素等。 根本区别：大部分细菌素只对近缘关系的细菌有损害作用，且具有无毒、无副作用、无残
17、留、无抗药性、同时也不污染环境等优点。因此，细菌素的使用可以在部分情况下减少甚至取代抗生素的使用。,Transcriptome Analysis Reveals Mechanisms by WhichLactococcus lactis Acquires Nisin Resistance,The four major mechanisms are (i) preventing nisin from reaching the cytoplasmic membrane, (ii) reducing the acidity of the extracellular medium, thereby s
18、timulating the binding of nisin to the cell wall, (iii) preventing the insertion of nisin into the membrane, and (iv) possibly transporting nisin across the membrane or extruding nisin out of the membrane.,ANTIMICROBIAL AGENTS AND CHEMOTHERAPY, May 2006, 17531761,1、乳酸链球菌素(Nisin),是一些乳酸链球菌菌株产生的多肽，作为热力
19、杀菌的辅助剂，不用于医药和饲料中，其特性有： 由乳酸链球菌自然产生，无毒； 具有热稳定性和极好的贮存稳定性； 可以被消化酶分解(-胰凝乳蛋白酶)； 无异常风味或气味； 抗菌活性范围窄(梭菌属 和芽孢杆菌属)。,34个氨基酸残基,作用机理及范围,机理 当细菌的芽孢萌发膨胀时，抑制芽孢质膜和芽孢壁的合成，阻止芽孢的萌发； 破坏营养细胞的细胞质膜，使其成为多孔态，使细胞质中重要物质渗出(如AA和ATP)，重者完全导致细胞溶解。 作用范围 对G+菌，尤其是形成芽孢的G+菌有效，但对G-菌和真菌无抑制性；通常使用范围在2.5-100 mg/kg。,Nisin于不同pH值下溶解度的变化,Nisin与溶液的
20、pH 值及加热温度的关系,性质及应用,溶解度和对热稳定性与pH有关，抑菌效果最佳为pH6.5-6.8，但此范围内稳定性最差。 与化学防腐剂或热处理联合使用可相互增效，可降低产品的热处理强度。 与EDTA-二钠、柠檬酸盐、磷酸盐等结合使用时，由于螯合剂结合了G-菌的细胞膜磷脂双分子层的镁离子，细胞膜被破坏，导致膜的渗透性加强，使Nisin易于进入细胞质，加强了对G-菌的抑制作用。 广泛用于乳制品、肉制品、豆制品、罐头食品、酒精饮料和植物蛋白饮料等食品的防腐。,安全性,天然存在于牛奶中。 是一种多肽物质,食用后在消化道中很快被-胰凝蛋白酶消化成氨基酸。 LD50约为7000mg/kg(体重)，与普
21、通食盐相近。 1969年FAO/WHO联合食品添加剂专家委员会确证Nisin可作为食品抑菌剂，在约50个国家和地区被广泛应用，1992年3月我国批准使用。,2、纳他霉素(Natamycin),应用：可以由纳塔尔链霉菌Streptomycesnatalensis和恰塔努加链霉菌 Streptomyceschatanoogensis等链霉菌发酵生成的多烯化合物。对酵母和霉菌有效，但对细菌无效；作为临床药剂的使用是有限的，且不作为饲料添加剂使用。 商品化生产的霉克是由乳糖与纳它霉素的按1:1混合制得纳他霉素制剂(Natamax)，一些国家允许在食品中添加。 机理：与膜中的固醇结合，导致选择性膜渗透性
22、的畸变；因细菌膜中不具有固醇，所以对此类抗生素不敏感。,Natamycin Blocks Fungal Growth by Binding Specifically toErgosterol without Permeabilizing the Membrane,THE JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY 283(10), 63936401, 2008,准许纳它霉素成为食品防腐剂，FAO和WHO专家委员会是基于下述考虑的：它不作用于细菌，在真菌中对它有抵抗性的菌比例相当低，在其它抗真菌多烯化合物中它很少涉及交叉抵抗，真菌间的DNA转移没有达到一些细菌的程度。,细菌的
23、耐药机制,Antibiotic resistance mechanisms can be classified into three functional categories by alter cellular physiology or genetic changes: Inactivation of the drug -内酰胺酶、氨基糖苷类钝化酶、氯霉素乙酰转移酶 Exclusion from the target by efflux or other mechanisms 渗透屏障、菌膜、外排系统 Target modification 靶位突变或酶修饰,Bacterial gene
24、amplification: implications for the evolution of antibiotic resistance. Nature reviews Microbiology 2009,7:578-588,六) 其它,乙酸和乳酸 降低pH；未解离的酸分子起代谢抑制作用。 酚类化合物 硝酸盐和亚硝酸盐 食品添加剂 盐和糖 抗氧化剂 香辛料,小 结,化学防腐剂有其各自的应用范畴(pH、微生物)。 化学防腐剂在食品中有添加量的限制。 肯定列表制度。,二、食品的低温保藏,温度系数Q10=1.5-2.5，某些适冷菌Q10 4.0 微生物生长繁殖 生化变化：酶促褐变 呼吸强度 化学
25、变化：脂肪氧化、糖的转化等,低温保藏的温度范围,普通贮藏：10-15 新鲜果蔬(如香蕉、柠檬)，减弱呼吸，减少水分蒸发。 冷藏：0-7 嗜冷菌缓慢生长，可抑制病原菌繁殖和产毒，保藏期短。 冻藏：0 ，多用-18 微生物不能生长，但酶有较弱的活性 速冻 -18 /30min；缓冻，3-72h达到要求温度 保质期取决于解冻和烹调中表现出来的如质构、风味、柔韧性、色泽及营养流失等方面的因素。,病原菌的生长和产毒温度,三、其它保藏方法,低pH保藏 高温保藏 干燥保藏 耐渗透压保藏(盐腌、糖渍) 气调保藏 真空保藏,第三节 食品安全的控制体系,GAP GMP SSOP HACCP,GMP,GMP是政府强
26、制性对食品生产、包装、贮存卫生制定的法规，保证食品具有安全性的良好生产管理体系。 背景： 美国FDA食品药物管理局成立。 1961年西欧药物灾难。 1963年美国颁布世界上第一部药品GMP。,SSOP至少包括以下项内容,与食品或食品表面接触的水的安全； 与食品表面接触的卫生状况和清洁程度； 防止发生交叉污染； 手的清洗和消毒设施以及厕所设施的维护； 避免食品被污染物污染； 有毒化学物质的适当保存、处理； 职工健康状况的控制； 防蝇灭鼠。,HACCP is:,H- Hard 艰难! A- Agonizing 痛苦! C- Confusing 迷茫! C- Complicated 混淆! P- P
27、aper work 书面文章!,Hazard Analysis Critical Control Points 危害分析及关键控制点,Specific binding of nisin to the peptidoglycan precursor lipid II combines pore formation andinhibition of cell wall biosynthesis for potent antibiotic activity,J. Biol. Chem. 276, 1772-1779 (2001).,By the binding of nisin to lipid II, bacterial cell wall synthesis is also inhibited,