作者：游洁、高民凤
作者单位：重庆第二师范学院 生物与化学工程学院
作者邮箱：2193020097@qq.com; 3239469528 @qq.com
指导老师：袁紫亮
通讯作者邮箱：yuan-zi-liang@outlook.com
摘要：防腐剂是一类能够抑制微生物生长和繁殖的化学物质，在延长食品保质期和保持食品品质方面发挥着重要作用。本文将综合微生物学、化学及食品工程等多学科视角，深入剖析食品腐烂的原因，详尽阐述防腐剂的作用机理及分类，并探讨其在食品工业中的应用现状，旨在为公众提供清晰、全面的认知，以增强公众食品安全意识，促进防腐剂的合理使用。
关键词：食品腐烂; 防腐剂; 机制; 挑战
Abstract:Preservatives are a class of chemicals that inhibit the growth and reproduction of microorganisms and play a significant role in extending the shelf life of food and maintaining food quality. This paper analyzes the causes of food decay from the perspective of microbiology, chemistry and food engineering, elaborates the mechanism and classification of preservatives, and discusses their application, challenges and future development trends in the food industry, so as to provide a clear and comprehensive understanding for the public, so as to enhance the public's awareness of food safety and promote preservatives.
Keywords:Food Decay, Preservatives, Mechanisms, Challenges
引言
食品腐烂是食品科学领域的一个核心问题，它不仅可以影响食品的经济价值，更关乎着人类健康与食品安全。随着消费者对食品品质要求的提升，如何有效延长食品保质期，减少食品浪费，成为亟待解决的关键问题。防腐剂（图1）作为一类重要的食品添加剂，被广泛应用于食品工业中，在食品防腐保鲜方面发挥着关键作用。本文旨在通过深入分析，为公众提供全面的科学认识。
图1. 食品防腐剂（来源：AI绘制）
一、食品腐烂的多元成因
1.1 微生物活动
微生物，特别是细菌、霉菌和酵母菌，是食品腐烂的主要驱动力。它们通过分解食品中的营养成分，产生有害化合物，从而导致食品变质。同时微生物活动的速率也受到多种因素影响，包括食品成分、环境条件（如温度、湿度、氧气浓度）及微生物种类和数量等（图2）。
图2. 引起食物腐败的因素（自制）
1.2 物理化学变化
除了微生物作用外，食品自身的物理化学性质也是影响腐烂的重要因素。酶在适宜条件下会加速水解反应，导致食品结构遭到破坏，从而分解成各种小分子有机化合物；氧化反应会引起食品颜色、气味等发生变化；非酶促褐变也会影响食品的色泽和风味。此外，光照、温度、湿度等环境因素也能促进或抑制这些物理化学变化（图2）。
二、防腐剂的作用机理与分类
2.1 作用机理
2.1.1 细胞膜破坏
防腐剂能够改变微生物细胞膜的通透性，使细胞内的物质外泄，从而破坏细胞的正常代谢功能。例如，苯甲酸及其盐类可以干扰细胞膜的正常功能，导致细胞内物质流失。此外某些防腐剂能够与细胞膜上的特定成分进行结合，破坏细胞膜的结构完整性。比如，一些阳离子防腐剂可以与细胞膜上的阴离子成分相互作用，使细胞膜破裂（图3）。
图3. 阳离子防腐剂与细胞膜阴离子结合（AI绘画）
2.1.2 代谢干扰
防腐剂通过抑制微生物体内某些关键酶的活性，干扰其代谢途径，如糖酵解、三羧酸循环等过程，从而阻断能量供应和生物合成，抑制微生物生长。
2.1.3 蛋白变性
部分防腐剂能与微生物蛋白质结合，导致蛋白质构象改变，失去原有功能，进而抑制微生物的生命活动。
2.2 分类
图4. 食品防腐剂分类（自制）
2.2.1 天然食品防腐剂
天然食品防腐剂是从动植物或微生物代谢产物中提取到的天然抑菌物质，其具有抗菌性强、安全性高、热稳定性好等优点，根据其来源可分为植物防腐剂、动物防腐剂和微生物防腐剂[1]。
（1） 植物防腐剂
植物防腐剂主要是从植物中提取得到，如大蒜、生姜、肉桂等。一般都具有以下特性：
抗菌性：含有多种抗菌成分，如大蒜中的大蒜素具有强烈的抗菌作用，能有效抑制多种细菌、真菌和病毒。
安全性：一般来源于日常食用的植物，安全性高，对人体健康风险较小。
热稳定性：部分植物防腐剂具有较好的热稳定性，在一定温度范围内能保持其抗菌活性。植物源：如茶多酚、大蒜素、壳聚糖等（图5），具有天然、安全、易降解的特点。
图5. 植物防腐剂（大蒜和茶多酚）
动物防腐剂
动物防腐剂常见的有鱼精蛋白、蜂胶、壳聚糖、溶菌酶等。蜂胶是蜜蜂从植物芽孢或树干上采集的树脂，混入其上腭腺、蜡腺的分泌物加工而成的一种具有芳香气味的胶状固体物。壳聚糖主要来源于甲壳类动物的外壳。它们都具有特定的抗菌活性，能够抑制部分微生物的生长。具体表现为以下特性：
抗菌性：蜂胶（图6）具有广谱抗菌作用，对多种细菌、真菌有抑制效果。壳聚糖也能抑制部分微生物的生长。这些成分能够与细菌细胞壁发生相互作用，对食品中细菌细胞壁的形成起到抑制作用。同时，鱼精蛋白还可通过抑制细菌的代谢，致使细菌细胞走向死亡[2]。
安全性：动物防腐剂在合理使用的情况下，通常具有较高的安全性。
热稳定性：不同的动物防腐剂热稳定性有所差异，例如壳聚糖在一定温度下仍能保持较好的抗菌性能。
图6. 动物防腐剂（蜂胶）
（3） 微生物防腐剂
微生物防腐剂主要包括由细菌产生的乳酸链球菌素、由真菌产生的纳他霉素等。这些微生物在特定的生长环境下合成具有抗菌活性的代谢产物。现广泛应用于乳制品、肉制品、饮料、糕点等食品中，延长食品的保质期，以保证食品的质量和安全。
抗菌谱有针对性：不同的微生物防腐剂对特定的微生物具有高效的抑制作用，可针对性地应用于不同的食品体系。例如，在鲜乳制品添加 0.03 ~ 0.05 g/kg 乳酸链球菌素就可抑制芽孢杆菌和梭状芽孢杆菌孢子的发芽和繁殖[3]。
热稳定性较好：在一定的温度范围内能够保持其抗菌活性，适应食品加工过程中的热处理环节。
2.2.2 化学合成防腐剂
化学防腐剂是通过化学合成的方式得到的具有防腐作用的物质。因其相对容易合成和生产，价格便宜、防腐效果显著、稳定性较好而被广泛应用，现已成为我国应用最广泛的一类防腐剂[4,5]，主要有以下三种类型：
（1）苯甲酸及其盐类：如苯甲酸钠，在酸性环境下具有较好的抗菌效果，常用于饮料、果酱等食品中。
（2）山梨酸及其盐类：如山梨酸钾在肉制品中有着广泛应用，其抑菌作用主要体现在能够与微生物酶系统中的巯基相结合，进而破坏诸多重要的酶类，实现抑制微生物增殖与防腐的目的。在鲜肉保鲜中，山梨酸钾既可以单独发挥作用，也能够与磷酸盐、乙酸共同作用[4]。
（3）丙酸及其盐类：丙酸钙、丙酸钠等，对霉菌有较好的抑制效果，常用于面包等烘焙食品中。但在某些特定食品中作为防腐剂使用时，需要严格控制用量，否则会造成不可弥补的后果。
图8. 防腐剂在肉类产品中的使用情况
三、防腐剂在食品工业中的应用现状
3.1化学类食品防腐剂应用现状
化学类食品防腐剂是一类能够抑制微生物生长、延缓食品腐败或代谢的化学制品。由于其具有高效防腐、稳定性好、使用便捷且成本低廉的优势，现则广泛应用于食品工业中。目前，我国食品加工中常用的化学类防腐剂主要包括有机和无机两大类：
有机化学防腐剂：如苯甲酸及其盐类、山梨酸及其盐类和对羟基苯甲酸酯类。这类防腐剂通过破坏微生物细胞膜，导致细胞物质外泄，从而抑制微生物活性。同时，有机防腐剂还能干扰微生物的酶活性，阻碍其代谢。山梨酸及其盐类是应用最广泛的有机防腐剂，因其低毒性、高安全性且不会改变食品风味，被广泛用于饮料、罐头、调味品、糕点和肉类制品等食品中。山梨酸通过破坏微生物细胞结构而抑制其生长，延长食品的保质期，同时保持食品的新鲜度和口感[6]。由于其生产成本较低，山梨酸类防腐剂在普通食品加工中被大量使用。
无机化学防腐剂：如亚硫酸盐、硝酸盐、游离氯和次氯酸盐等。无机防腐剂一般在食品表面形成保护膜，阻止氧气和水的进入以达到防腐效果；此外，它们还可通过氧化还原反应生成稳定的氧化膜，进一步阻止腐蚀。在食品工业中，无机防腐剂常用于保障食品的新鲜度和防腐性能。然而，这类防腐剂的毒性相对较大，长期食用可能会导致人体内毒性物质累积，甚至可能诱发致癌风险。因此，无机化学防腐剂的使用需受到严格控制，以确保食品安全和消费者健康。
3.2天然类食品防腐剂应用现状
天然防腐剂是指从自然界中的来植物、动物和微生物或其代谢产物中分离提取出来的一类具有抗菌腐蚀作用的物质，其良好的抗菌和抗氧化性能使其在食品保鲜中具有广阔的应用前景[7]。并且随着消费者对食品安全和健康问题的关注度不断提高，对天然类食品防腐剂的需求也在不断增加。在天然防腐剂生产的过程中，大部分也都是应用酶法转化、发酵等生产工艺，能够延迟食品的保质期，保持食品的新鲜度和口感。
四、结语
食品防腐剂在保障食品安全和延长保质期方面起着关键作用。本文探讨了食品腐败的原因、防腐剂的种类、作用机理、应用现状及面临的挑战。通过分析，食品防腐剂主要分为化学防腐剂和天然防腐剂两大类。化学防腐剂尽管防腐效果显著，但过量或长期摄入可能对健康产生不利影响，因此其使用量和使用范围受到严格监管。相比之下，天然防腐剂因其高安全性和广泛来源备受推崇，已成为未来防腐剂研发的重要方向。
（1）作用机理：食品防腐剂主要通过降低食品的水分活度、破坏微生物的生长环境或代谢系统、抑制微生物的生长和繁殖等方式，来延长食品的保质期。这些作用机理为食品防腐剂的开发和优化提供了理论基础，并帮助科学家研发出更高效且安全的防腐配方。
（2）应用现状：食品防腐剂现已广泛应用于各种食品中，如饮料、罐头、调味品、糕点和肉制品等。并且由于不同食品在成分、储存条件及保质要求上的差异，防腐剂的选择则需要根据食品的具体需求和特性来优化。在未来，食品防腐剂的研发将朝着更加注重健康、安全和天然性的领域，以满足消费者对食品安全日益增长的需求。
参考文献
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