本章主要内容：熟悉食品变质的主要原因。掌握延长食品贮藏期限的食品添加剂的类别、作用机理、性能评价及评价方法，熟悉保藏用各类食品添加剂的复配原则、使用时的注意事项及规则，掌握常用保藏用食品添加剂品种的性能，了解果蔬可食性涂膜保鲜的原理及常用涂膜材料的特点。
概述
食品是人类赖以生存的物质基础，其含有丰富的营养物质。但是，这些营养物质在加工和贮藏中会由于多种因素发生变化，导致营养物质的损失或破坏，甚至还可能产生一些有毒物质，最终造成食品产品食用性的下降或丧失，或对人体产生一定的危害。
引起食品品质变化和/或贮藏期限缩短的主要因素有：微生物的繁殖代谢、内源酶类的催化作用以及化学反应的发生等。
微生物繁殖代谢是影响食品贮藏期限和安全性最重要的因素。包括细菌、酵母菌和霉菌等各种微生物可以在好氧和/或厌氧条件下以碳水化合物、脂类或蛋白质为底物进行适当地代谢，或者利用其代谢过程产生的胞外酶催化各种营养素及其他食品组分变化。这样，不仅各种营养素的含量减少，而且微生物的增殖、代谢和催化作用也会在食品中积累一定的有毒物质，包括腐败病原菌、细菌及真菌毒素、脂类氧化分解产物、蛋白质分解产物以及这些产物之间及与其他组分的反应产物等。
内源酶类也是引起食品营养素损失和贮藏期限降低的重要因素。尽管在食品加工过程中，一定的加工（如加热、杀菌等）可导致内源酶的失活，但在果蔬贮藏过程中，这些酶并未受到任何抑制。果蔬原料采收后仍完整的生命特征，即仍进行呼吸作用。但是，这种呼吸作用是在各种内源酶的作用下，以果蔬内贮存的营养物质为代价的。各种酶作用的结果，会造成果蔬的颜色（脂肪氧合酶、多酚氧化酶、叶绿素酶）、质构（淀粉酶、果胶酶、纤维素酶）、风味（脂肪氧合酶、过氧化物酶）和营养价值（脂肪氧合酶、抗坏血酸氧化酶、硫胺素酶、核黄素水解酶等）的破坏。另外，果蔬质构的破坏，通常表现为果蔬原料的软化，这将使其失去固有的自身的免疫体系，为微生物的侵蚀创造条件。
化学反应是造成食品营养素损失和贮藏期限降低的又一因素，特别是氧化反应。食品中天然的物质发生氧化时，不仅会产生异味（如油脂氧化产生的哈喇味），而且会产生大量的自由基和有害物质（如胆固醇氧化产物中的胆固醇环氧化物和氢过氧化物），自由基等具有致癌和致突变作用。脂类氧化是食品中一类重要的反应。其不仅可以发生在富含动植物油脂的食品中，也可以发生在新鲜或加工的豆类、谷物及一些蔬菜中。脂类的不饱程度越高，越容易发生氧化作用。脂类氧化后可在食品中生成过氧化物及环氧化物，并向食品体系中释放出氧，造成其他组分如维生素、色素和风味物质的破坏。此外，油脂氧化后也会生成具有致癌和致突变作用的毒性化合物。
因此，在食品加工和贮藏中，有效地抑制微生物繁殖代谢、控制内源酶的催化作用以及防止氧化反应的发生具有重要的意义。
在食品加工和贮藏过程中，有多种方法可以达到延长食品产品贮藏期限的目的。而使用食品添加是其中较为简便的方式。常用的食品添加剂有防腐剂、抗氧化剂及其组合。
抑制微生物的生长
能够抑制微生物生长的食品添加剂称作为食品防腐剂。它是指能够抑制食品中微生物的生长或者能够杀死食品中微生物的化学合成或天然物质。
防腐剂对微生物的作用有两种，一是抑制作用，另一是杀灭作用。但是这两种作用之间没有严格的界限，主要取决于使用的浓度、作用时间和微生物的种类。通常，在高浓度下多表现为杀菌，而在低浓度下常表现为抑菌效果；作用时间长时表现杀菌，而作用时间短时则表现抑菌；对一定的微生物具有杀菌作用，而对另外的微生物则只有抑菌作用或无作用。
具有抑制微生物生长或者杀灭微生物作用的物质很多，根据它们的结构和来源主要分为四大类：
第一类是无机物，主要包括亚硫酸及其盐类、二氧化碳、硝酸盐及亚硝酸盐类、次氯酸盐等。
第二类为有机化合物，主要包括苯甲酸及其盐类、山梨酸及其盐类、对羟基苯甲酸酯类、乳酸等。
第三类是生物抑菌素，这类物质主要是由微生物代谢产生的细菌素组成的，主要包括乳酸链球菌素、纳他霉素及各种抗菌素等。
第四类是植物杀菌素，主要是存在于天然植物提取物中，如植物精油、各种酚类物质等。
尽管抑制或杀灭微生物的物质很多，但作为食品防腐剂使用的只是其中的一部分。我国批准使用的食品防腐剂主要是有机防腐剂和生物防腐剂（乳酸链球菌素和纳他霉素）。
一、防腐剂的作用机理
食品防腐剂对细菌的抑制作用可以通过影响其细胞的亚结构而实现。这些亚结构包括细胞壁、细胞膜、与代谢有关的酶、蛋白质合成系统及遗传物质。由于每个亚结构对于菌体而言都是必需的，因此，理论上食品防腐剂只要能作用于其中的一个亚结构，便可达到抑菌的目的。
目前，有关防腐剂的抑菌机理普遍认为有以下几个方面：
一是对微生物细胞膜的影响，防腐剂可以破坏微生物细胞膜的结构或者改变细胞膜的渗透性，使微生物体内的酶类和代谢物逸出，导致微生物正常的生理平衡被破坏而失活。
微生物的生物膜系统是微生物进行生命活动的主要场所，其结构的完整性保证了细胞能量代谢及对物质选择透过性等生命活动的正常进行。当防腐剂分子中的疏水基团结合于生物膜相后，一方面破坏了细胞膜结构的完整性，扰乱了微生物的正常生命活动；另一方面生物膜中的脂溶性成分代谢速率较低，不易被微生物自身的酶系分解，从而延缓了微生物的生长。
二是防腐剂进入微生物细胞内，通过与酶的作用干扰微生物体的正常代谢，对原生质的各种组分产生影响，从而影响微生物的生存和繁殖。
许多研究都证实了苯甲酸或苯甲酸钠可选择性地抑制微生物细胞的呼吸酶活性，特别是阻碍乙酰辅酶A缩合反应；山梨酸或山梨酸钾可与微生物酶系中的巯基结合而破坏许多重要酶系的作用，干扰传递机能；对羟基苯甲酸酯类可抑制微生物的呼吸酶系和电子传递酶系。或者是改变原生质体的pH值，引起蛋白质、核酸和磷酸酯结构的改变，并且影响一些酶的作用速度。另外，进入细胞的有机酸可使胞质pH值降低，为了恢复到原来胞质的pH值，多余的质子必须经胞膜渗出，这个过程就要消耗细胞的能量，影响菌体的生理活动，从而起到抑菌作用。
另外，有人从化学渗透理论分析了防腐剂的作用机理。这一理论认为，细胞被一层质子不能渗透过的膜包围，质子若通过膜转运到外而就要通过空间定位系统（例如电子传递链）产生电化学势，也称作质子移动力。这种电化学势被定义为Δp＝Δφ—ZΔ，其中Δφ和Δ分别代表电动势和膜两例pH值的变化。Z=23RT/F，其中R、T和F分别代表气体常数、绝对温度和Faraday常数。进入细胞的有机酸可使胞质pH值降低，为了恢复到原来胞质的pH值，多余的质子必须经胞膜渗出，这个过程就要消耗细胞的能量，影响菌体的生理活动，从而起到抑菌作用。
从抑制微生物生长的角度考虑，由于微生物菌体细胞是一个整体，因而生长抑制作用是一个总的结果，而不仅仅是防腐剂作用于哪一个目标的结果。因此，防腐剂分子必须同时具备亲水基团和易溶于生物膜相的疏水基团。防腐剂透过细胞壁进入菌体的能力与水相中的溶解度直接有关，抑菌性则取决于防腐剂在菌体细胞膜双磷脂层中的溶解度。
二、防腐剂的构效关系
防腐剂的抑菌能力与其结构之间有关密切关系。如前所述，防腐剂分子应具有双亲性才能表现出抑菌活性。此外，一些研究者还探讨了防腐剂的抑菌能力与其化学结构的关系。
Kubo等人研究了从腰果壳油中分离的16种酚类化合物的抗菌活性，发现其中的4种漆树酸（6-烷基水杨酸）具有显著的抗G+细菌活性，且随烷基侧链上双键数的增加，抗菌活性增强。另外，他们确认了长链脂肪族醇对致龋性细菌链球菌属（Streptococcusmutans）的抗菌活性与始于亲水性羟基的链长有关。显示最强抗菌活性分子的链长低于C14但应尽可能接近C14，同时，脂肪族基团中双键的位置、数量及立体化学会以一定方式影响抗菌活性，疏水部分的体积也有一定的影响。
宁正样等人认为，防腐剂分子的基团空间位阻是抗菌活性中心发挥抗菌活性的第一限制因素。食品防腐剂的抗菌性能，本质上取决于防腐剂分子与微生物生命分子间相互作用时的电子行为。只有抗菌剂的抗菌活性中心与微生物的生命分子的活性功能域间的有效碰撞，才能产生抗菌作用。和抗菌剂相比，生命分子的质量都非常大，二者相互碰撞发生相互作用，主要依赖于抗菌剂的基团立体空间特性。抗菌剂反应活性中心周围空间位阻愈小，其抗菌活性中心原子受到碰撞而参入反应的概率就愈大，则其抗菌活性也相对愈大。分子中由电子容纳接受中心和电子供给中心组成的电子中继系统是食品防腐剂体现抗菌活性的必备分子结构条件，且该电子中继系统相距025nm时分子的抗菌效果最有效。因此，α，β-不饱和羰基结构是食品防腐剂表现抗菌活性的有效功能结构，如常用的食品防腐剂苯甲酸盐及其酯类、山梨酸盐类、富马酸及其酯类、肉桂醛类等分子中均含有α，β-不饱和羰基结构，这些分子由羰基氧和α-碳组成相距025nm左右的电子中继系统，另外这些分子中的羰基p电子与相邻的烯键π电子之间形成共轭效应，具有强的电子缓冲能力，增强了分子的抗菌活性。而对于醋酸、丙酸和乳酸等有机酸而言，其分子中由羰基氧和与氧成键的碳构成的电子中继系统相距约014nm，且分子中无共轭体系，故这些有机酸的抑菌活性明显弱于上述分子。Bisogno等人在研究肉桂酸衍生物的结构与抗真菌活性时发现，肉桂酸侧链上的COOH基团是必需的结构，铡链中没有双键的化合物是无抗菌活性的。
Greenberg等人用定量结构—活性关系（QSAR）技术研究了酚类对口腔细菌的抑制活性，提出了分子的亲油性和空间效应是决定其抑菌活性的两个关键指标，并给出了以下关系：
log（1/C）=alogP+bEs+c
式中，C——抑菌的摩尔浓度；
P——抑菌的摩尔浓度；
Es——Taft空间常数；
a，b，c——相关系数。
三、防腐剂的抑菌效力
判断防腐剂抑菌效力的指标有两类：一是抑菌谱范围，二是抑菌能力。
1.抑菌谱（InhibitionSpectrum）
抑菌谱指一种或一类防腐剂所能抑制微生物的类、属、种范围。通常，防腐剂只对一定的微生物种类起到抑制作用，因此，要判断防腐剂的抑菌效力，必须首先确定其抑菌范围，即抑菌谱。
2.最小抑菌浓度（MinimumInhibitoryConcentration，MIC）防腐剂抑菌特性之一，指防腐剂在特定培养条件下抑制微生物生长的最低浓度，常采用肉汤稀释分析法确定防腐剂的MIC（图2-1）。
在肉汤稀释分析法中，防腐剂被逐次稀释，并以单一浓度添加到非选择性肉汤培养基的培养试管中。防腐剂的浓度通常采用双倍稀释（如128μg/mL，64μg/mL，32μg/mL，16μg/mL，8μg/mL），浓度间隔要保证得到狭小范围内的实际MIC。在试管中接种大约log57CFU/mL的供试菌种，对照试管中不添加防腐剂。试管在供试菌种的最佳生长温度下培养16～24h，培养时间取决于试验时的环境条件。
3.最大抑菌圈直径
这是一种传统的确定防腐剂抑菌能力的方法。在该方法中，将含一定尝试防腐剂的滤纸圆片放在固体琼脂培养基表面皿的中央。由于防腐剂在琼脂表面的扩散，形成了从滤纸圆片向外逐渐减小的防腐剂浓度梯度。在这种培养基中接种微生物时，会出现一个环绕在滤纸圆片周围的无微生物生长的区域（如图2-2所示），该区域称作“抑菌圈”。防腐剂的抑菌能力由抑菌圈的直径表示，其大小取决于防腐剂的扩散速度和微生物的生长速率。
在这种方法中，评价的防腐剂不能是高度疏水性的，因为疏水性防腐剂不能扩散，造成观测到极小的抑制作用或无抑制作用。选择的试验微生物必须快速且均匀地生长，生长太慢的微生物将导致较大的抑菌圈。另外，该方法也不适用于对厌氧微生物的抑制试验。
四、防腐剂的增效与复配
由于防腐剂作用的有限性，即每种防腐剂仅能对一定的微生物群有抑制作用，因此，在食品中使用单一防腐剂是不能达到完全抑制微生物生长的目的，也就不能有效地延长食品的贮藏期限。这就有必要采用不同的防腐剂进行共同作用，即进行防腐剂的复配。