Bài giảng Phụ gia thực phẩm - Chương 6: Antimicrobial additives - Huỳnh Tiến Đạt

Chương 6 ANTIMICROBIAL ADDITIVES Outline 1. Organic acids and low pH 2. Sulfur dioxide and Sulfites 3. Nitrates and nitrites 4. Parabens 5. Hydrogen peroxide 6. Antibiotics General properties of antimicrobials preservatives 1. Một chất bảo quản được sử dụng cho mục đích kháng khuẩn có khả năng tiêu diệt hoặc ức chế vi sinh vật 2. Chất ức chế vi sinh phải hiệu quả cho đến khi thực phẩm được tiêu thụ hoặc được chế biến tiếp. 3. Một chất bảo quản phải có tính chịu nhiệt. 4. Chất bảo quản kháng khuẩn phải hiệu quả với nhiều loại vi sinh vật có mặt trong thực phẩm 5. Chất bảo quản phải bền với thay đổi hóa học và không bị biến đổi do các sản phẩm chuyển hóa của VSV. General properties of antimicrobials preservatives 6. Không tạo ra các chủng VSV kháng lại các chất bảo quản sử dụng 7. Được định lượng dễ dàng bằng quy trình cụ thể 8. Giá rẻ 9. Không gây dị ứng và không độc General properties of antimicrobials preservatives 10. Không ảnh hưởng đến hệ tiêu hóa của người 11. Khi hấp thu, không bị phân hủy, chuyển hóa thành các chất gây độc 12. Không gây ra sự hiểu nhầm (e.g. có mặt hay không có mặt, có độc hay không độc) 13. Không ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng 14. Ức chế vi sinh vật gây bệnh (pathogens) ANTIMICROBIALS AS PRESERVATIVES Antimicrobial agents PRESERVATION PHYSICAL CHEMICAL Kill Stabilised Non-universal Very hard to find a compound: cheap, non-toxic, and effective • Mỗi loại VSV có một giá trị pH tối ưu cho sự phát triển • Lực ion của môi trường ảnh hưởng cả bên ngoài và bên trong tế bào VSV • Tế bào không cho phép các ion đi qua (cả ion âm và dương, acid và bazo) 6.1 Acid hữu cơ và pH thấp 6.1 Organic acids and low pH Tác động sinh học của pH thấp Thủy phân các nucleic acids (DNA, RNA, and ATP) Phá vỡ sự cân bằng nồng độ ion bên trong và bên ngoài màng tế bào VSV Gây tổn hại đến màng tế bào và protein pH trong tế bào được duy trì gần pH trung tính, pH thấp có thể dẫn đến: Ex: 6.1 Organic acids and low pH Acid hữu cơ không phân ly có thể đi qua màng tế bào vào bên trong tế bào VSV dễ dàng. Khi vào bên trong tế bào VSV, các acid hữu cơ này sẽ phân ly: Vì các acid hữu cơ sẽ bị ion hóa khi pH tăng RCOOH < pKa < RCOO- + H+ Tác động sinh học của pH thấp 6.1 Organic acids and low pH Tác động sinh học của pH thấp 6.1 Organic acids and low pH Tác động sinh học của pH thấp 6.1 Organic acids and low pH Tác động sinh học của pH thấp 6.1 Organic acids and low pH Các acid mạnh có thể làm giảm pH môi trường nhưng không vào được thành tế bào • Có tác dụng làm ức chế enzyme trên bề mặt, bên ngoài tế bào VSV do pH thấp • Có thể giảm pH tế bào chất (bên trong tế bào) bằng cơ chế chênh lệch rất lớn nồng độ gradient ion giữa bên trong và bên ngoài tế bào Tác động sinh học của pH thấp 6.1 Organic acids and low pH Các acid yếu thường ở dạng ưa béo, có thể đi qua màng tế bào dễ dàng tác động làm giảm pH tế bào chất, gây rối loạn chuyển hóa bên trong tế bào VSV Các ion hoạt hóa (như: carbonate, sulfate, and nitrite) hiệu quả chống vi sinh cao nhất trong môi trường pH thấp 6.1.1 Benzoic acid và benzoates Đặc tính hóa học • Benzoic acid (C6H5COOH) tan ít trong nước (0.27% at 18°C) • Sodium benzoate (C7H5NaO2) tan tốt trong nước • The melting point is 122°C • Dạng tinh thể màu trắng • Dạng không phân ly của acid benzoic (pKa = 4.2) có hiệu quả chống vi sinh cao nhất trong môi trường pH 2.5 – 4.5 • Làm hạn chế sử dụng acid benzoic và muối benzoate ở các thực phẩm có pH cao • Benzoic acid hiệu quả gấp 100 lần trong môi trường acid so với môi trường trung tính 6.1.1 Benzoic acid and benzoates Sử dụng trong thực phẩm • Được sử dụng ở nồng độ 500–1000 ppm (0.05–0.1%) • Nếu sử dụng trên liều lượng cho phép (0.1%), tạo ra vị cay, bỏng. • Ở pH 5.0 chống vi khuẩn ở liều lượng 0.05–0.5% và chống nấm men mốc ở liều lượng 0.05–0.1% • Sử dụng trong nhiều thức uống có cồn và không cồn, trong bánh kẹo, phô mai và nhiều loại thực phẩm khác. 6.1.1 Benzoic acid and benzoates Khả năng kháng vi sinh • Hiệu quả cao nhất đối với thực phẩm acid cao (pH < 4.0) không hiệu quả đối với thực phẩm có pH trung tính • Sử dụng chủ yếu để chống nấm men và mốc (antifungal agents) • GRAS to a maximum of 0.1% 6.1.1 Benzoic acid and benzoates Cơ chế tác động chống vi sinh • Acid benzoic là một lipophilic acid, do đó đi qua màng tế bào vào tế bào chất và phân ly thành ion hydro (H+) • Tăng nồng độ H+ bên trong tế bào gây biến tính protein và ức chế hiệu quả các hoạt động trao đổi chất • Chúng ức chế chức năng của nhiều enzyme và chức năng của protein màng • Ức chế hấp thu chất dinh dưỡng • Ảnh hưởng quá trình tổng hợp protein, RNA và DNA • Chúng ngăn chặn sự nảy mầm của bào tử thành tế bào sinh dưỡng (vegetative cells) 6.1.2 Acid sorbic and sorbates Chemical properties • Sorbic acid (CH3CH=CHCH=CHCOOH) được sử dụng ở dạng các muối Na, K và Ca • Sorbic acid is a trans–trans, unsaturated monocarboxylic fatty acid that is slightly soluble in water (0.16 g/100 ml) at 20°C • Muối của acid sorbic tan tốt trong nước (58.2 g/100 ml at 20°C) 6.1.2 Acid sorbic and sorbates Uses in foods • Acid sorbic và muối của nó được sử dụng làm chất phụ gia kháng khuẩn trực tiếp trong thực phẩm hoặc dưới dạng xịt, nhúng hoặc phủ lên vật liệu đóng gói. • Liều lượng sử dụng: 50 to 200 ppm (0.05 to 0.2%) • Được sử dụng rộng rãi chất ức chế nấm (fungistatic agents) trong nhiều loại thực phẩm 6.1.2 Acid sorbic and sorbates Antimicrobial effect • Hoạt động tốt nhất khi hợp chất ở trạng thái không phân ly • Hiệu quả hơn trong thực phẩm có tính axit (pK = 4,8) so với thực phẩm trung tính • Hợp chất này hiệu quả hơn benzoate ở khoảng pH 4.0 và 6.0 • Ở pH 3.0, propionate và benzoate có hiệu quả hơn axit sorbic • Có hiệu quả chống nấm men, nấm mốc và nhiều loại vi khuẩn NHƯNG hiệu quả chống nấm men và nấm mốc tốt hơn vi khuẩn • Aerobes nhạy hơn anaerobes khi xử lý sorbate • Một số vi khuẩn axit lactic kháng lại sorbate. Do đó, sorbate được sử dụng như một tác nhân chống nấm trong lên men lactic. 6.1.2 Acid sorbic and sorbates Mechanism of antimicrobial effect • Tác dụng ức chế một số chức năng của enzyme • Ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp thành tế bào, protein, RNA và DNA • Ảnh hưởng đến điện thế màng tế bào và ức chế sự nảy mầm của bào tử • Axit sorbic làm tăng tiêu thụ ATP do tăng nồng độ proton (H+) từ sự phân ly 6.1.3 Propionic acid and propionates Chemical properties • Axit propionic (CH3CH2COOH) và muối của nó chủ yếu được sử dụng trong các sản phẩm thực phẩm • Hằng số phân ly (pKa) là 4.87 và, ở pH là 4.0, 88% hợp chất không phân ly (dạng axit); ở độ pH 6.0, 94.0% bị phân ly • Axit propionic cho hoạt động kháng khuẩn lớn nhất ở giá trị pH thấp của thực phẩm (pH < 5.0) 6.1.3 Propionic acid and propionates Uses in foods • Muối Ca và Na của propionic được sử dụng ở liều lượng 1000–2000 ppm (0.1–0.2%) trong bánh mì, bánh ngọt, các sản phẩm làm bánh, một số loại phô mai, mứt, thạch, cà chua xay nhuyễn, và các loại khác • Có thể thêm trực tiếp vào bột bánh mì (0,1%), không ảnh hưởng đến hoạt động nấm men bánh. • Được sử dụng trong nhiều loại thực phẩm như chất kháng khuẩn và tăng cường hương vị 6.1.3 Propionic acid and propionates Antimicrobial effect • Hiệu quả chống lại nấm mốc và vi khuẩn, và hầu như không hiệu quả đối với nấm men ở nồng độ cho phép trong thực phẩm • Chúng chủ yếu là tác nhân ức chế nấm chứ không phải là chất diệt nấm • Vi khuẩn gram âm nhạy hơn ở pH 5.0 • Có tác dụng trong thực phẩm axit thấp 6.1.3 Propionic acid and propionates Mechanism of antimicrobial effect • Tác dụng của axit propionic tương tự như các axit hữu cơ khác • Tác dụng kháng khuẩn: axit hóa tế bào chất; sự mất ổn định của gradient proton màng • Axit propionic ức chế sự hấp thu axit amin 6.1.4 Acid acetic Chemical properties • Acetic acid (CH3COOH) và muối acetate được sử dụng là chất chống vi sinh • pKa = 4.8 • Ở pH trên 5.0 dạng không phân ly khá thấp 6.1.4 Acid acetic Uses in foods • Axit axetic được sử dụng trong các sản phẩm nướng, pho mát, chất béo, dầu, nước thịt, dưa chua, giấm, kem salad, mayonnaise, nước sốt, nước sốt và thịt • Axit axetic được sử dụng trong giấm từ 5 đến 10% mang lại mùi thơm đặc trưng • Muối natri và canxi được sử dụng ở mức 25% hoặc cao hơn trong dưa chua, salad trộn và nước sốt • Được sử dụng như một chất kháng khuẩn chống lại các vi sinh vật không mong muốn 6.1.4 Acid acetic Antimicrobial effect • Nó thường là tác nhân kìm khuẩn ở mức 0,2% và chất diệt khuẩn trên 0,3%, và hiệu quả hơn đối với vi khuẩn gram âm • Hiệu quả diệt khuẩn cao hơn ở pH thấp (dưới 4,5) • Axit axetic có hiệu quả chống vi khuẩn hơn nấm men và nấm mốc 6.1.4 Acid acetic Mechanism of antimicrobial effect • Các phân tử không liên kết của axit axetic là cần thiết cho hoạt động kháng khuẩn của nó • Axit axetic ức chế sản xuất ATP trong tế bào vi khuẩn • Acetate ức chế vận chuyển cơ chất vào tế bào và phosphoryl hóa oxy hóa trong hệ thống vận chuyển điện tử • Chúng có thể làm biến tính protein bên trong các tế bào 6.1.5 Lactic acid Chemical properties • Axit lactic (CH3CHOHCOOH) được sản xuất tự nhiên trong quá trình lên men thực phẩm bởi vi khuẩn lactic • Hằng số phân ly (pKa) là 3,80 • Ở các giá trị pH cao (trên 5.0), các phần không phân tách của axit lactic khá thấp 6.1.5 Lactic acid Uses in foods • Được sử dụng làm axit hoặc muối natri của nó ở nồng độ từ 1 đến 2% trong thực phẩm làm chất chống vi trùng, chất kiểm soát pH, chất tăng hương vị và khử trùng thân thịt của động vật • Được sử dụng trong đồ uống có ga, trộn salad, rau ngâm, thịt lên men, các sản phẩm từ sữa, thạch, mứt, và nước sốt 6.1.5 Lactic acid Antimicrobial effect • Ít hiệu quả hơn axit axetic, propionic hoặc sorbic, nhưng hiệu quả hơn axit citric • Hiệu quả chống lại vi khuẩn và không hiệu quả chống lại nấm men và nấm mốc • Thuốc xịt hoặc dung dịch axit lactic ở mức 0,2, 2,5% có thể được sử dụng làm chất khử trùng để giảm ô nhiễm trên thân thịt bò và thịt gia cầm để cải thiện thời hạn sử dụng • Natri Lactate ức chế vi khuẩn gây bệnh và làm hỏng trong các sản phẩm thịt. 6.1.5 Citric acid Chemical properties • C3H4OH(COOH)3 hòa tan trong nước và ít tan trong dung môi hữu cơ • Một lượng lớn axit citric có trong nước ép của các loại trái cây có múi mà nó được kết tủa bằng cách thêm vôi • Kết quả là canxi citrat được xử lý bằng axit sulfuric để tái tạo axit citric • Nó được sản xuất thương mại bằng cách sử dụng Aspergillus niger 6.1.5 Citric acid Uses in foods • Thêm vào một số thực phẩm và đồ uống để tạo ra một hương vị axit dễ chịu • Axit citric được sử dụng rộng rãi trong sản xuất thực phẩm (như bánh kẹo, nước ngọt và làm rõ rượu vang) • Axit citric được sử dụng ở mức 1,0% (hoặc nhiều hơn) trong đồ uống không cồn, nước ngọt, mứt, thạch, bánh kẹo, kẹo, sản phẩm bánh, pho mát, rượu vang, rau đóng hộp và nước sốt 6.1.5 Citric acid Antimicrobial effect • Ít hiệu quả chống lại vi khuẩn cũng như nấm men và nấm mốc • Axit citric kìm hãm sự phát triển và sản sinh độc tố của Aspergillus paracyticus và Aspergillus Vers màu nhưng không phải là Penicillium expansum • Axit citric (0,15%) trong nước ép (pH 3,5) làm giảm một số nấm mốc chịu nhiệt 6.1.5 Citric acid Mechanism of antimicrobial effect • Các phân tử axit citric không liên kết có tác dụng kháng khuẩn • Cơ chế tác dụng kháng khuẩn dựa trên nguyên tắc của một axit hữu cơ yếu -1 0 1 2 3 3 4 5 6 7 8 9 lo g C ( g / l) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 2 4 6 8 C ( % ) pH pH 6.2 Sulfur Dioxides and Sulfites Chemical properties 6.2 Sulfur Dioxides and Sulfites Chemical properties Dạng SO2 hay sulfites phụ thuộc vào môi trường: SO2: khi pH < 3.0, HSO3 - khi pH 3.0 - 5.0, và dạng SO3 khi pH ≥ 6.0. SO2 có pKa 1.76 và 7.20 6.2 Sulfur Dioxides and Sulfites Uses in foods • Liều lượng sử dụng trong khoảng 200–300 ppm • SO2sử dụng trong bảo quản rượu vang ở mức 50–75 ppm để diệt nấm men dại • Nấm men công nghiệp Saccharomyces cerevisiae kháng lại SO2ở mức 100 mg/l nên không ảnh hưởng quá trình lên men. • Lượng cho phéo SO2 trong trái cây sấy là 2000 mg/kg 6.2 Sulfur Dioxides and Sulfites Antimicrobial effects • SO2 có hiệu quả chống cả nấm men, mốc và v khuẩn. Nhưng một số loại nấm men và mốc có thể kháng lại • Ở môi trường pH thấp (4.5) và có aw thấp, tác dụng tiêu diệt nấm cao hơn. NHƯNG tác dụng chống vi khuẩn hiệu quả cao khi pH cao (5.0) • Sử dụng nồng độ thấp có tác dụng ức chế nhưng nồng độ cao có tác dụng tiêu diệt vi khuẩn • SO2 tác dụng ức chế vi khuẩn Gram âm hơn vi khuẩn Gram dương • Bisulfite có thể được sử dụng để phá hủy aflatoxins • Chú ý: Bisulfite gây dị ứng mạnh với người mẫn cảm (hen suyễn) 6.2 Sulfur Dioxides and Sulfites Mechanism of antimicrobial effect • Dạng không phân ly của SO2 và sulfurous acid (H2SO3) có thể đi vào tế bào VSV và gây tác hại cho tế bào VSV • SO2 là một phân tử có hoạt tính và phá vỡ quá trình chuyển hóa của VSV • SO2 bẻ gãy cầu nối disulfide và tương tác vói cầu nối disulfide trên protein • Hoạt động chống vi sinh cũng xuất phát từ khả năng khử mạnh, làm mất oxy sẵn có cho hoạt động của VSV hiếu khí • Phá vỡ màng tế bào chất, bất hoạt sự sao chép DNA, tổng hợp protein 6.3 Nitrates and Nitrites Chemical properties • Sodium hoặc potassium nitrate (NaNO3 or KNO3) và sodium hoặc potassium nitrite (NaNO2or KNO2) thường được sử dụng trong thịt muối (xông khói) • Nhiều loại vi khuẩn sử dụng nitrate và khử nitrate thành nitrite • Ion nitrite ions là chất hoạt hóa mạnh, vừa có tác dụng khử vừa có tác dụng oxy hóa mạnh 6.3 Nitrates and Nitrites Chemical properties • Trong môi trường acid, nitrite ion hóa cho nitrous acid (HONO, pKa3.4). • Nitrous acid tiếp tục phân hủy cho nitric oxide (NO), chất này tương tác với cơ thịt tạo ra màu đỏ (nitrosomyoglobin) • Nitrous acid cũng có thể phản ứng với amin bậc hai (dimethyl amine), đặc biệt trong môi trường pH thấp và tạo thành nitrosamines (R2N=O). • Nitrosamines là một chất gây đột biến gen và ung thư 6.3 Nitrates and Nitrites Uses in foods • Nitrate và nitrite được sử dụng ở mức 150–300 ppm trong thực phẩm • Trong sản phẩm thủy sản và gia cầm sử dụng ở liều lượng 156 ppm • Nitrite/nitrate thêm vào thực phẩm nhằm mục đích chống vi sinh, tăng cường thời gian bảo quản. 6.3 Nitrates and Nitrites Antimicrobial effect • pH trên 7.5 không ức chế mà còn giúp vi sinh phát triển (cung cấp như nguồn N cho VSV) • Ở giữa pH 6.0 và 7.0 ít có tác dụng chống vi sinh • Dạng không phân ly của nitrous acid có tác dụng chống VSV cao nhất ở pH 4.5 và 5.5 • Ở pH dưới 4.5 nitrous acid phân hủy cho nitric acid, nitric oxide và water 6.3 Nitrates and Nitrites Mechanisms of antimicrobial effect • Tác dụng kháng vi sinh: ức chế tế bào sinh dưỡng và ngăn sự nảy mầm của bào tử • Tác dụng chính của nitrate và nitrite trong sản phẩm thịt là ức chế Clostridium botulinum (kỵ khí, sinh bào tử). Hạn chế ngộ độc thực phẩm do Clostridium botulinum 6.4 Parabens Chemical properties • Ester của para-hydroxybenzoic acid (PHB-ester): Methylparaben (E218), Ethylparaben (E214), Propylparaben (E216) and Butylparaben • Độ hòa tan giảm theo chiều dài chuỗi alkyl • Hoạt tính chống vi sinh tăng theo chiều dài chuỗi alkyl • Hoạt tính phụ thuộc vào pH 6.4 Parabens Antimicrobial effects and mechanism • Parabens hiệu quả hơn trong chống nấm mốc và men hơn vi khuẩn • Parabens ức chế hoàn toàn vi khuẩn Gram-positive (ở mức 10-100 ppm) và Gram-negative (ở mức 1000–4000 ppm) • Ức chế hoạt động của nhiều enzymes của VSV • Tan trong màng lipid của VSV và ảnh hưởng đến màng tế bào VSV. Ức chế tính thấm chọn lọc và vận chuyển chất dinh dưỡng cho tế bào Me Et Pr Bu 0 0.1 0.2 0.3 0.4 C(%) 6.7 Hydrogen peroxides Antimicrobial effects and mechanism • Hydrogen peroxide (H2O2) là một chất lỏng không màu, không mùi dạng trong • Là một chất bảo quản và khử trùng • Dung dịch H2O2(0.05-0.1%) sử dụng khử trùng cho sữa tươi trong sản xuất phô mai. Ngoài ra cũng được sử dụng trong xử lý trứng để loại bỏ Salmonella ở nhiệt độ thấp. • Sau khi xử lý sữa và trứng, H2O2 bị loại đi bằng cách thêm enzyme catalase vào để chuyển đổi H2O2 thành nước và oxy • Đây là một chất có tính oxy hóa mạnh PIMARICIN (NATAMYCINE) INS 235 O O O O O O Me OH OH OH COOH Me OH OH NH2 • Tạo ra từ Streptomyces natalensis và S. chattanogensis • Ở nồng độ 5-100 ppm có tác dụng chống nấm (molds and yeasts) • Thông thường ở nồng độ 1–5 ppm là đủ để ngăn chặn hư hỏng do VSV • Natamycin liên kết với sterols của màng tế bào VSV làm mất tính thấm chọn lọc của màng • Được sử dụng trên bề mặt của phô mai cứng, xúc xích, trái cây, berries, gia cầm, ngũ cốc, và đậu phộng để ngăn ngừa hình thành độc tố nấm mốc mycotoxin 6.8 Chất kháng sinh nguồn gốc vi sinh 6.8.1 Pimaricin (natamycin) NISIN H–Ile–Dhb–Ala Ile Dha Leu Ala–Abu S Pro Gly Ala–Lys–Abu S Gly Ala Leu Met Gly AlaS Asn Met Abu–Lys AlaAbu AlaHis S S HO–Lys–Dha–Val–His–Ile–Ser–Ala • Là một polypeptide kháng nhiệt từ Lactococcus lactis • Ức chế vi khuẩn Gram dương và sự hình thành bào tử • Ứng dụng cho sản phẩm phô mai và sữa cô đặc 6.8 Antibiotics 6.8.2 Nisin