生物防腐剂对蛋糕的防腐作用及机理

罗语薇1,太华璋1,黄才真1,张国栋1*,税远春2,黄家莉3

1(西华大学 食品与生物工程学院,食品微生物四川省重点实验室,四川 成都,610039)2(四川巴蜀好利食品有限公司,四川 泸州,646200)3(四川大学 轻工科学与工程学院,四川 成都,610065)

摘 要 该文研究了ε-聚赖氨酸、纳他霉素和乳酸链球菌素3种生物防腐剂在焙烤食品蛋糕中的防腐效果和作用,通过单因素和复配筛选试验,确定3种防腐剂在蛋糕中的最佳复配组合:ε-聚赖氨酸使用量为其最大使用量的80%(120 mg/kg),纳他霉素和乳酸链球菌素均为其最大使用量的10%(30 mg/kg)。与脱氢乙酸钠、山梨酸钾相比,生物防腐剂在蛋糕中展现了更为优异的防腐性能。以最小抑菌浓度为基础,测定了防腐剂对腐败菌细胞表面形态、DNA含量的影响,结果显示,生物防腐剂及其复配使用不仅改变了腐败菌细胞表面形态,同时也能进入细胞内,破坏或阻碍DNA分子的结构和作用,导致其DNA含量大大降低甚至丧失。

关键词 生物防腐剂;ε-聚赖氨酸;乳酸链球菌素;纳他霉素;蛋糕;防腐;抑菌机理

焙烤食品,包括面包、蛋糕、糕点和饼干等采用焙烤工艺制成的产品,在人类的健康和饮食中发挥着重要作用[1]。烘焙食品根据保质期的长短,可分为两大类:现制现烤类产品和预包装的焙烤制品。对于需要较长保质期的预包装焙烤食品,在贮存过程中容易受到微生物污染[2-4],如何更好、更安全地防腐保鲜,是行业发展的关键技术问题。由于焙烤食品不适于应用高温杀菌等常规的方法,其防腐保鲜常采用脱氢乙酸钠等化学防腐剂来实现,但过多使用化学防腐剂,也会令消费者担忧安全性的问题。特别是在2025年,国家拟减少脱氢乙酸及其钠盐在食品中的使用,所以,寻找脱氢乙酸钠更安全、高效的替代,显得尤为迫切和重要。

生物防腐剂是生物体分泌的抑菌物质通过提取和分离制得[5],具有优良的安全性、抑菌效果和热稳定性[6-7]。目前,有一些关于生物防腐剂的研究报道,在食品防腐保鲜方面也开始得到广泛应用[8-10],但还缺乏深入细致的研究,特别是其复配使用及其作用机理,有待进一步探索。目前可用于焙烤制品的生物防腐剂包括ε-聚赖氨酸[11-12]、乳酸链球菌素和纳他霉素[13],本文以蛋糕为对象,研究3种生物防腐剂对焙烤制品防腐保鲜的效果,并初步探索了其抑菌抗菌的机理和机制。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

低筋蛋糕粉、鸡蛋、牛奶、玉米油、白砂糖,成都市郫都区沃尔玛超市;大肠杆菌(Escherichia coli)8099、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)ATCC 9372,四川大学华西公共卫生学院提供;黄曲霉菌(Aspergillus flavus)CGMCC 3.6149,中国普通微生物菌种保藏管理中心。

ε-聚赖氨酸(食品级),郑州拜纳佛生物工程股份有限公司;乳酸链球菌素、纳他霉素(食品级),浙江新银象生物工程有限公司;脱氢乙酸钠、山梨酸钾(食品级),青岛大伟生物工程有限公司;平板计数琼脂培养基、马铃薯葡萄糖琼脂(potato dextrose agar,PDA)培养基、马铃薯葡萄糖肉汤(potato dextrose broth,PDB)培养基、LB固体培养基、LB肉汤培养基、Muller-Hinton肉汤(Muller-Hinton broth,MHB)培养基,北京奥博星生物技术有限责任公司;真菌基因组DNA提取试剂盒(生物试剂),北京索莱宝科技有限公司;细菌基因组DNA提取试剂盒(生物试剂),天根生化科技(北京)有限公司。

全自动高压灭菌锅,致微(厦门)仪器有限公司;精密恒温培养箱,上海一恒科学仪器有限公司;冷冻干燥机,上海爱朗仪器有限公司;低速离心机,四川蜀科仪器有限公司;制冷恒温摇床,天津欧诺仪器仪表有限公司;ZEISS Gemini 300扫描电子显微镜,德国卡尔蔡司股份公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的制备

1.2.1.1 蛋糕的制作

称取适量的玉米油、鲜奶、白砂糖搅拌乳化,适量面粉过筛、蛋黄混匀,加入打发好的蛋清。将制备好的蛋糕液倒入模具,烤箱中150 ℃烤制30 min,冷却脱模。

1.2.1.2 防腐剂的制备与添加

防腐剂的添加可以在和面时加入,使防腐剂均匀分布于整个成品中。但根据GB 2760—2024 《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》,纳他霉素只能表面使用,所以实验采用防腐液喷雾方式,即在产品成型后,在成品表面进行均匀喷洒。因为焙烤食品通常需要经过长时间高温烘烤,产品内部通常没有微生物存在,制品的腐败变质是由外界环境的污染而产生的,所以对于蛋糕等焙烤食品,采用表面处理法,具有更好的防腐效果,也可大大减少其用量。

防腐剂使用量和配制:根据GB 2760—2024 《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》,在蛋糕中ε-聚赖氨酸、纳他霉素、乳酸链球菌素最大使用量分别为150、300、300 mg/kg。所以单一防腐剂在蛋糕中的使用量分别设定为:ε-聚赖氨酸0、25、50、75、100、125、150 mg/kg;乳酸链球菌素0、50、100、150、200、250、300 mg/kg;纳他霉素0、50、100、150、200、250、300 mg/kg。防腐剂喷洒液的浓度,根据其在蛋糕中的喷洒体积,相应配制。复配防腐剂的使用量和浓度配制,参见2.2节中的说明。

1.2.2 微生物检测

1.2.2.1 细菌总数的检测

取不同储存期的样品,按照GB 4789.2—2022《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》检测细菌总数。

1.2.2.2 霉菌总数的检测

取不同储存期的样品,根据GB 4789.15—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 霉菌和酵母计数》规定方法检测霉菌数。

1.2.3 最小抑菌浓度(minimum inhibitory concentration,MIC)的测定

参考郎利敏等[14]的方法,每组实验重复3次。

1.2.4 细胞表面形态的测定

参考JU等[15]的方法略作修改。将浓度为MIC的防腐剂分别加入到LB肉汤培养基、PDB培养基中,以等量无菌水作为空白对照。取2 mL 108 CFU/mL菌悬液于培养基中,160 r/min恒温振荡培养8 h(细菌37 ℃、真菌28 ℃),将菌体用无菌PBS洗涤3次(8 000×g离心5 min),重悬于体积分数为2.5%戊二醛的无菌水中固定5 h,再次洗涤后涂到载玻片上,分别用20、40、60、80、100%vol乙醇进行梯度脱水,每个浓度脱水15 min,冷冻干燥12 h后,进行扫描电子显微镜观察。

1.2.5 细胞内DNA含量的测定

参考徐宇辰[16]的方法略作修改。将制备好的菌悬液洗涤3次(6 000×g离心10 min),重悬于无菌PBS中,使菌体浓度为108 CFU/mL。取终浓度为MIC的防腐剂与菌悬液于无菌试管中,以等量无菌水作为空白对照,混匀后进行160 r/min恒温振荡培养4 h(细菌37 ℃、真菌28 ℃)。6 000×g离心10 min洗涤3次,取上清液,使用细菌基因组DNA提取试剂盒、真菌基因组DNA提取试剂盒进行DNA的提取,再进行体积分数为1%的DNA琼脂糖凝胶电泳。加样体积1.5 μL,电压90 V,电流100 mA,电泳时长40 min。结束后将凝胶放置于全自动凝胶成像装置,紫外线照射下观察DNA的迁移情况。

1.3 数据处理

使用SPSS 26.0对数据进行方差分析,P<0.05则认为有显著性差异。使用Origin 2018绘制图像。

2 结果与讨论

2.1 三种生物防腐剂对细菌和霉菌的抑制作用

从图1和图2可看出,3种生物防腐剂表现出不同的抑菌范围和倾向。乳酸链球菌素和纳他霉素抑制的微生物种类相对单一,乳酸链球菌素对细菌特别是革兰氏阳性菌,有明显的抑制作用,而纳他霉素则对真菌(如焙烤食品中常见的霉菌)表现了很好的防腐能力。相较之下,ε-聚赖氨酸具有更广谱的抑菌活性,能同时抑制蛋糕中细菌与霉菌的腐败变质。这应该是3种防腐剂的抑制机理不同,而导致抑菌谱的差异[17-18]。实验结果提示,生物防腐剂的复合使用,可有效增大抑菌抗菌范围,通过协同增效,提升其作用和效果。

a-乳酸链球菌素;b-纳他霉素;c-ε-聚赖氨酸

图1 三种生物防腐剂对蛋糕中细菌总数的影响
Fig.1 Effect of three biological preservatives on total number of bacteria in cake

a-乳酸链球菌素;b-纳他霉素;c-ε-聚赖氨酸

图2 三种生物防腐剂对蛋糕中霉菌数的影响
Fig.2 Effect of three biological preservatives on mold count in cake

GB 7099—2015《食品安全国家标准 糕点、面包》规定,蛋糕中细菌和霉菌最大限量值分别为10 000和150 CFU/g。所以根据以上规定的限量,结合防腐剂抑菌作用,在相似效果下优先选择更低的使用量,确定乳酸链球菌素、纳他霉素、ε-聚赖氨酸的最佳添加量分别为200、200、100 mg/kg。在此浓度下,与空白对照相比,乳酸链球菌素、纳他霉素和ε-聚赖氨酸,可分别使蛋糕的保质期延长2、3、4 d。

2.2 在蛋糕中3种防腐剂的最佳复配比

根据GB 2760—2024 《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》规定:同一功能的食品添加剂(相同色泽着色剂、防腐剂、抗氧化剂)在混合使用时,各自用量占其最大使用量的比例之和不应超过1。根据此法则,实验设计了2次复配筛选,以确定最佳的防腐剂复配比。

2.2.1 第1次复配筛选

在第1次复配筛选中,采用了三相均等法,以初步确定3种防腐剂在复配中各自的效果和作用。即先确定1种防腐剂添加量为其最大使用量的60%,其余2种则分别添加其最大使用量的20%;然后选择第2种的添加量为其最大使用量的60%,其余2种为其最大使用量的20%,以此类推。具体复配比例见表1。

表1 蛋糕中防腐剂第1次复配筛选
Table 1 First compounding screening of preservatives in cake

组别配比添加量/(mg/kg)1-聚赖氨酸最大使用量的60%90纳他霉素最大使用量的20%60乳酸链球菌素最大使用量的20%602-聚赖氨酸最大使用量的20%30纳他霉素最大使用量的60%180乳酸链球菌素最大使用量的20%603-聚赖氨酸最大使用量的20%30纳他霉素最大使用量的20%60乳酸链球菌素最大使用量的60%1804-聚赖氨酸最大使用量的100%150纳他霉素最大使用量的0%0乳酸链球菌素最大使用量的0%05-聚赖氨酸最大使用量的0%0纳他霉素最大使用量的100%300乳酸链球菌素最大使用量的0%06-聚赖氨酸最大使用量的0%0纳他霉素最大使用量的0%0乳酸链球菌素最大使用量的100%300

由图3、图4可知,所有复配组合对细菌和霉菌的抑菌效果,都比单一防腐剂明显更好,说明复配能够扩展单一防腐剂的抑菌范围,提高防菌效果。在所有实验组别中,第1组(60% ε-聚赖氨酸最大使用量)展现了最好的防腐作用,可能是由于ε-聚赖氨酸对细菌和真菌均有良好抑制作用,抑菌谱更广。

图3 第1次复配比对蛋糕细菌总数的影响
Fig.3 Effect of the first compound ratio on total bacterial count in cake

图4 第1次复配比对蛋糕霉菌数的影响
Fig.4 Effect of the first compound ratio on mold count in cake

2.2.2 第2次复配筛选

根据第1次复配实验的结果,在3种生物防腐剂复配使用中,ε-聚赖氨酸表现出最佳的防腐效果,所以本次实验提高ε-聚赖氨酸的比例为80%,进行实验设计,具体比例见表2。

表2 蛋糕中防腐剂第2次复配筛选
Table 2 Second compounding screening of preservatives in cake

组别配比添加量/(mg/kg)1-聚赖氨酸最大使用量的80%120纳他霉素最大使用量的20%60乳酸链球菌素最大使用量的0%02-聚赖氨酸最大使用量的80%120纳他霉素最大使用量的0%0乳酸链球菌素最大使用量的20%603-聚赖氨酸最大使用量的80%120纳他霉素最大使用量的10%30乳酸链球菌素最大使用量的10%30

由图5可知,对于细菌总数,第2、3组的抑菌效果明显强于第1组,且两组差距较小。而在图6中,第1、3组对霉菌的抑菌能力比第2组好,同样2组的抑制效果很相近。综合细菌和霉菌2项指标,确定第3组作为3种防腐剂在蛋糕中的最佳复配组合:ε-聚赖氨酸最大使用量的80%、纳他霉素最大使用量的10%、乳酸链球菌素最大使用量的10%,即ε-聚赖氨酸120 mg/kg、纳他霉素30 mg/kg、乳酸链球菌素30 mg/kg。

图5 第2次复配比对蛋糕细菌总数的影响
Fig.5 Effect of the second compound ratio on total bacterial count in cake

图6 第2次复配比对蛋糕霉菌数的影响
Fig.6 Effect of the second compound ratio on mold count in cake

2.3 生物防腐剂最佳复配比与脱氢乙酸钠、山梨酸钾防腐效果比较

在图7、图8中,与脱氢乙酸钠、山梨酸钾相比,生物防腐剂的复配使用,展现了远远更好的防腐作用,细菌总数和霉菌数都显著低于对照组,并且保质期也超过了10 d以上。以上实验结果说明,在蛋糕保鲜中,生物防腐剂的复配使用,不仅具有很好的安全性,在防腐性能上也有更为优越的表现,展示了在焙烤制品中应用的巨大潜力。

图7 蛋糕中最佳复配比与等浓度脱氢乙酸钠、山梨酸钾细菌总数对比
Fig.7 Isoconcentration comparison of the optimal compounding ratio with sodium dehydroacetate and potassium sorbate for total bacterial counts in cake

注:3组样品在蛋糕中的使用量均为180 mg/kg。其中,最佳复配比组使用量为ε-聚赖氨酸120 mg/kg、纳他霉素30 mg/kg、乳酸链球菌素30 mg/kg(图8同)。

图8 蛋糕中最佳复配比与等浓度脱氢乙酸钠、山梨酸钾霉菌数对比
Fig.8 Isoconcentration comparison of the optimal compounding ratio with sodium dehydroacetate and potassium sorbate for mold counts in cake

2.4 MIC的测定

大肠杆菌和枯草芽孢杆菌分属革兰氏阴性短杆菌和革兰氏阳性芽孢菌,均为焙烤食品中常见的典型腐败菌[19];黄曲霉菌是一种常见的腐生真菌,常污染农作物、谷物及粮食制品等,导致食品腐败和安全问题[20]。故本文选用这3种菌,作为实验供试菌。由表3可知,3种防腐剂中,乳酸链球菌素对革兰氏阳性细菌,特别是对产芽孢的细菌,如枯草芽孢杆菌,有抑制作用,MIC为1 024 mg/L,但对大肠杆菌等革兰氏阴性菌以及真菌,没有明显效果;纳他霉素仅对黄曲霉菌表现出优异的抑菌效果,MIC为64 mg/L,ε-聚赖氨酸则显示了更好的抑菌范围,对3种供试菌都有很好的抗菌效果,MIC分别为32、32、64 mg/L。从表3数据看出,复配防腐剂对枯草芽孢杆菌的抑菌效果最好,MIC为8 mg/L;对大肠杆菌的抑菌效果次之,为16 mg/L;对黄曲霉菌的抑菌效果最弱,为32 mg/L。但对3种供试菌的防腐效果来说,复配防腐剂的MIC都比3种防腐剂单独使用的MIC小,即复配的效果要好于单一防腐剂的效果。

表3 生物防腐剂的MIC
Table 3 MIC of biological preservatives

菌种防腐剂质量浓度/(mg/L)-聚赖氨酸乳酸链球菌素纳他霉素复配防腐剂大肠杆菌32——16枯草芽孢杆菌321 024—8黄曲霉菌64—6432

注:—表示无抑菌作用。

2.5 对细胞表面形态的测定

在图9中通过扫描电镜观察细胞形态,经过生物防腐剂处理的细胞,均出现菌体形态不完整,表面呈现褶皱坍塌状并有孔洞现象。从电镜结果可看出,3种生物防腐剂及其复配对微生物的作用,是由于对细胞表面结构的破坏所导致的。推测其机理可能是防腐剂分子因静电作用吸附在细胞表面,改变细胞表面形态和细胞膜通透性,导致细胞膜的皱缩、塌陷、形成孔洞,阻碍细胞壁与细胞膜的形成,从而使内容物析出而影响细胞的正常生命活动,造成细胞生长抑制或死亡[21-22]

a-大肠杆菌空白组;b-大肠杆菌ε-聚赖氨酸处理组;c-大肠杆菌复配处理组;d-枯草芽孢杆菌空白组;e-枯草芽孢杆菌ε-聚赖氨酸处理组;f-枯草芽孢杆菌乳酸链球菌素处理组;g-枯草芽孢杆菌复配处理组;h-黄曲霉菌空白组;i-黄曲霉菌ε-聚赖氨酸处理组;j-黄曲霉菌纳他霉素处理组;k-黄曲霉菌复配处理组

图9 微生物细胞表面形态
Fig.9 Cell surface morphology of spoilage microorganisms

2.6 对细胞内DNA含量的测定

细胞内DNA条带越亮则光密度值越大,说明其DNA含量也越高。图10的泳道1~3显示的是大肠杆菌细胞内DNA变化情况,相比空白组,ε-聚赖氨酸和复配组条带亮度明显变弱;在枯草芽孢杆菌的泳道4~7中,DNA条带亮度从高到低依次为空白组、ε-聚赖氨酸、乳酸链球菌素和复配组。在黄曲霉菌细胞的DNA凝胶电泳图中,除了空白组外,防腐剂处理的其余各组,其条带亮度极弱几乎不可见。以上结果均说明,生物防腐剂处理的微生物细胞,内部的DNA含量大大降低甚至丧失。这可能是由于细胞壁、细胞膜结构的破损形成孔洞、DNA外泄导致的,但更可能的原因是,生物防腐剂进入细胞内,与DNA结合,破坏或阻碍了微生物的DNA分子结构和作用。刘佳怡[23]曾报道,纳他霉素可以进入微生物细胞内,破坏DNA导致其含量降低,与本文的实验结果相似。

Marker-DNA分子质量标准;1-ε-聚赖氨酸-大肠杆菌;2-空白-大肠杆菌;3-复配-大肠杆菌;4-乳酸链球菌素-枯草芽孢杆菌;5-ε-聚赖氨酸-枯草芽孢杆菌;6-空白-枯草芽孢杆菌;7-复配-枯草芽孢杆菌。

图10 大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的DNA凝胶电泳图
Fig.10 DNA gel electrophoresis of E. coli and B. subtilis

Marker-DNA分子质量标准。

图11 黄曲霉菌的DNA凝胶电泳图
Fig.11 DNA gel electrophoresis of A. flavus

3 结论与展望

本文研究了生物防腐剂ε-聚赖氨酸、乳酸链球菌素和纳他霉素,在焙烤食品蛋糕中防腐保鲜的作用和效果,确定了防腐剂的最佳添加量,通过复配实验获得了3种生物防腐剂的最佳复配组合,并与化学防腐剂脱氢乙酸钠、山梨酸钾进行比较,以获得焙烤制品更安全、高效的防腐方案。在此基础上,进一步探索了生物防腐剂及其复合使用,对于微生物的抑菌机理。结果证明,生物防腐剂因其安全和高效的特性,可成为目前常用化学防腐剂完美的替代,填补因脱氢乙酸钠在焙烤食品应用上的限制而留下的空白。

目前,生物防腐剂及其复配使用,在焙烤食品中的应用,特别是抑菌机理的研究,还较为缺乏。本文为焙烤食品的防腐保鲜提出了新的可应用的方案,也为后续更深入的探索提供了一定的方向。

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The preservative effects and antimicrobial mechanism of biological preservatives on cakes

LUO Yuwei1, TAI Huazhang1, HUANG Caizhen1, ZHANG Guodong1*, SHUI Yuanchun2, HUANG Jiali3

1(Sichuan Key Laboratory of Food Microbiology, School of Food and Bioengineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)2(Sichuan Ba Shu Hao Li Food Co. Ltd., Luzhou 646200, China)3(College of Biomass Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

ABSTRACT The preservative effects and actions of three biological preservatives, ε-polylysine, natamycin, and nisin, were studied in baked food cakes.Through single factor and compound screening experiments, the optimal combination of the three preservatives in the cake was determined as follows:ε-polylysine 80% of its maximum usage (120 mg/kg), meanwhile natamycin and nisin 10% of their maximum usage (30 mg/kg).Compared with sodium dehydroacetate and potassium sorbate, the biological preservatives exhibited significantly more outstanding antimicrobial properties in cakes.Based on minimum inhibitory concentration, the effects of the preservatives on the surface morphology and DNA content of spoilage organisms were investigated.Results showed that the biological preservatives and their combination could not only change the surface morphology of spoilage organisms but also enter the cells, and disrupt or prevent the structure and function of DNA molecules, which resulted in a significant decrease and even loss of DNA content.

Key words biological preservatives;ε-polylysine;nisin;natamycin;cake;preservation;antibacterial mechanism

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.040406

引用格式:罗语薇,太华璋,黄才真,等.生物防腐剂对蛋糕的防腐作用及机理[J].食品与发酵工业,2025,51(13):294-300.LUO Yuwei, TAI Huazhang, HUANG Caizhen, et al.The preservative effects and antimicrobial mechanism of biological preservatives on cakes[J].Food and Fermentation Industries,2025,51(13):294-300.

第一作者:硕士研究生(张国栋副教授为通信作者,E-mail:448634937@qq.com)

基金项目:四川大学-泸州科技创新研发项目(2022CDLZ-13)

收稿日期:2024-07-05,改回日期:2024-09-28