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    纳他霉素的特性及应用-元泰宝

    纳他霉素的特性及应用-元泰宝

    分类:
    行业动态
    作者:
    2021/09/06 14:14

    在乳制品、肉制品、果汁饮料等食品工业中,霉菌、酵母等丝状真菌的污染和增殖给食品的生产和保藏带来危害,特别是当食品污染真菌后(如黄曲霉、寄生曲霉、储曲霉等)产生的真菌毒素(如黄曲霉素、储曲霉素、青霉酸等),具有强烈的致癌、致畸、致震颤、致出血、致皮炎等致病性,对人类的健康造成极大的伤害。因此,食品原料的收获、存放以及食品加工、保藏中防治真菌污染,在20世纪80年代初即引起了全世界的重视。

    为了延长食品保藏期和防止食品被真菌污染,人们在食品加工过程中需要添加防腐剂。随着人们对化学合成食品防腐剂安全性认识的提高,低毒、高效、广谱以及经济实用的生物食品防腐剂的研究和开发,愈来愈受到人们的重视,纳他霉素进入了人们的视野。

    中文名:纳他霉素;那他霉素;游霉素

    CAS号:7681-93-8

    英文名:Pimaricin;Natamycin

    分子式:C33H47NO13

    1. 纳他霉素发现史

    1955年,Struyk等人从南非Natal州附近的土壤中分离到纳塔尔链霉菌,并从中分离出一种新的抗真菌化合物。1957年,Struyk等称这种新的抗真菌药物为匹马菌素;1959年,Burns等人在美国的田纳西州Chattanooga的土壤中分离得到了恰塔努加链霉菌,并从其培养物中分离出田纳西菌素(Temecetin)。在同一时期,从褐黄孢链霉菌中也分离得到了化合物A-5283。此后的研究证明,匹马菌素、田纳西菌素和A-5283是同一种物质。60年代末,这三种名称被世界卫生组织统一命名为纳他霉素。我国早期曾译为游霉素。

     

    2. 纳他霉素简介

    纳他霉素也称游霉素,英文名称为natamycin/pimaricin/tenecetin,属于多烯大环内酯类抗生素,是纳塔尔链霉菌、恰塔努加链霉菌或褐黄孢链霉菌等微生物的次级代谢产物,从发酵液中提取纯化后获得。纳他霉素是一种高效、低毒的具有抑制霉菌、酵母及某些原生动物及某些藻类生长的功能,可以用于医疗、食品、饲料、粮储防霉,特别是在食品原料保鲜、食品防腐等方面具有良好的使用效果。

    1976年FAO/WHO专家委员会对纳他霉素进行了评价,编号为WHO报告系列559号、FAO报告营养系列1号。1982年6月,美国FDA正式批准纳他霉素可以用作食品防腐剂。1996年,中国食品添加剂标准化学技术委员会正式批准纳他霉素可作为食品防腐剂。FAO/WHO联合食品添加剂专家委员会规定了人体可无条件接受每天摄入每公斤体重0.3mg的纳他霉素。JECFA/EC也授权通过批准。人体通常摄入量远远低于安全量以下,即使消费量很大的奶酪和香肠也如此。1997年3月FAO/WHO罗马食品添加剂专门委员会批准纳他霉素使用于乳酪制品,美国食品与药品监督管理局(FDA)于2001年3月份颁布法令解除了在食品尤其是乳酪中限制使用纳他霉素的规定。该产品在欧洲已经有35年的使用历史。

    现在在国际市场上还有多家公司在生产销售该产品作为人类用药,例如,5%纳他霉素无菌溶液是世界上用于治疗角膜真菌炎症的首选抗生素,其商品名为NATACYN或PIMAFUCIN等。

    3. 纳他霉素的理化性质

    3.1 分子结构

    纳他霉素的CAS代码为7681-93-8,分子式为C33H47NO13,分子量为665.75,化学名称(IUPAC)为22-(3-amino-3,6-dideoxy-β-D-manno pyranosyl-oxy)-1, 3, 26-trihydroxy-12-methyl-10-oxo-6,11, 28-trioxatricyclo[22.3.1.05,7]octacosa-8, 14, 16, 18, 20-pentaene-25-carboxylic acid。

    纳他霉素属于多烯大环内酯类抗生素,含有四个相联的共轭烯键,主要化学结构是由25个碳原子构成的内酯环,内酯环C-15位置上以糖苷键连接着一个碳霉糖,即氨基二脱氧甘露糖。纳他霉素的紫外最大吸收波长位丁290,304,318nm处。

    纳他霉素是近白色至奶油黄色结晶粉末,几乎无臭无味,可含3分子的结晶水,熔点为280℃(分解),120℃下1小时可完全失活。

    3.2溶解性

    由于含有四个相连的双键结构,决定了纳他霉素几乎不溶于水,在水中的溶解度仅为52ug/mL。纳他霉素也几乎不溶于高级醇、醚、酯、二氧六环、环己醇及芳香族或脂肪族碳氢化合物。微溶于甲醇,溶于冰醋酸、二甲苯亚砜、二甲基甲酰胺、甘油、丙二醇。

    与内酯环相连的三个羟基决定了纳他霉素在大部分碳氢化合物中极低的溶解度。另外,在C-9和C-13位置上的缩酮结构也解释了纳他霉素的不溶解性。而纳他霉素在二甲亚砜和二甲基甲酰胺中的高溶解性则归因于溶质-溶剂之间的强相互作用。红外研究表明在羟基、羧基、氨基之间存在着分子间氢键。

    分子中有一个碱性基团和一个酸性基团,因此纳他霉素是一种两性物质,等电点为pH6.5。当pH值低于3或高于9时,可明显增加其溶解度。纳他霉素对氧化剂和紫外线较为敏感。1%w/v冰醋酸溶液的比旋度介于+250°至+295°之间。

    3.3稳定性

    结晶形式的纳他霉素在室温、避光条件下十分稳定,且能耐受短暂的高温(100℃,1-3h),但其环状结构能水解使其活性有所丧失,在50℃以上,24h后活性的衰减有明显的升高。在氯化钠、柠檬酸及蔗糖制剂中稳定性会有所降低。

    300~350nm紫外线会使纳他霉素迅速失活,紫外线破坏四烯结构,进而使纳他霉素失去生物活性。但是光降解并不改变纳他霉素在最大吸收波长279,290,304,318nm处的紫外吸收值。

    纳他霉素的水溶液在室温下稳定且活性最强。100℃条件下其水溶液也能稳定1-3小时(中性溶液约为3小时,酸性溶液约为1小时)。纳他霉素在pH值3-9中具有活性,在pH值5-7范围内活性最强。即使pH低于3或高于9,其活性损失也不会超过30%。纳他霉素是内酯结构,在碱性条件下,可皂化降解。在强酸存在的条件下,纳他霉素可水解失去碳霉糖,并从四烯变为五烯结构,并引起纳他霉素完全降解。

    纳他霉素溶液和悬浮液易氧化失活。高温可加速失活,当温度高于37℃时,在化学氧化剂的存在下,失活速度明显加快。能引起纳他霉素失活的氧化剂主要有过氧化物、高氯化物、高锰酸盐、碘、溴、亚硫酸盐和酸酐等。与紫外失活不同的是化学氧化失活将引起在最大吸收波长279nm、290nm、304nm、318nm处的紫外吸收值大幅度降低。与温度影响类似,过低或过高的pH值也加速纳他霉素的氧化失活。抗氧剂如叶绿素、抗坏血酸等可降低氧化失活的速度。

    纳他霉素在强盐酸作用下瞬间显示蓝色,自身形成阳离子。滴加一滴浓磷酸,颜色马上变绿,几分钟后,会变成浅红色。

    纳他霉素的活性受pH、温度、光照强度和氧化剂及重金属(如是铁、镍、铅、汞等)的影响,所以产品应避免与氧化物等接触,同时应存放在深色的玻璃、塑料和不锈钢容器中。

    4. 作用机理及抑菌作用

    作用机理是与真菌的麦角甾醇以及其他甾醇基团结合,阻遏麦角甾醇生物合成,从而使细胞膜畸变,最终导致渗漏,引起细胞死亡。在焙烤食品用纳他霉素对面团进行表面处理,有明显的延长保质期作用。由丁细菌的细胞膜缺乏麦角固醇,所以对纳他霉素很不敏感,已知纳他霉素对细菌的MIC(最小抑菌浓度)很高(大于10,000ug/mL)。实验结果表明,绝大多数霉菌在0.5-6ppm的纳他霉素浓度下就被抑制,极个别的菌种在10~25ppm的浓度下被抑制,多数酵母在10-50ppm的浓度下被抑制。

    纳他霉素对真菌的抑菌作用极强,大多数霉菌在质量浓度为(0.5~6.0)×10-3g/L的纳他霉素抑制,极个别的霉菌在质量浓度为(1.0~2.5)×10-2g/L的纳他霉素浓度下抑制;大多数酵母菌在纳他霉素质量浓度为(1.0~5.0)×10-3g/L时被抑制。

    5. 安全性

    一般认为纳他霉素很难被消化吸收,因为它难溶于水和油脂,大部分摄入的纳他霉素会随粪便排出。经卫生学调查和皮肤斑点试验,表明纳他霉素无过敏性反应。经降解处理后的纳他霉素在急性毒理和短期毒性试验中均无对动物的损害。

    急性毒性试验表明,口服给药方式下,小鼠和豚鼠的LD50分别为1.5g/kg和0.45g/kg。1966年,Levinskas等测定了鼠和兔子的LD50分别为2.7-4.7g/kg和1.4g/kg,同时Levinskas用鼠和狗进行了慢性毒性实验,实验结果表明,在饲料中添加0.2%的纳他霉素饲喂二年,小鼠没有明显的不良反应;在1%的浓度下观察,仅有轻微的采食量减少和轻微的生长减慢,对生殖没有影响。世界卫生组织(WHO)和世界粮农组织(FAO)规定了纳他霉素的最高日吸收量(ADI)为0.30mg/kg。由于WHO规定纳他霉素的使用量为20ppm,因此只有约0.002mg/kg纳他霉素被消费者食用,远远低于规定ADI值的1%。

    1977年,De Boer和Stolk Horsthuis研究了真菌对纳他霉素形成抗性的可能性,他们在连续数年使用纳他霉素的乳酪仓库中没有发现真菌形成抗性的证据;经过人为诱导,也没有发现真菌对纳他霉素形成抗性。纳他霉素的强抑菌活性和稳定性是真菌不对之产生抗性的原因。

    6. 纳他霉素的应用

      纳他霉素是一种天然、广谱、高效安全的酵母菌及霉菌等丝状真菌抑制剂,它不仅能够抑制真菌,还能防止真菌毒素的产生。纳他霉素对人体无害,很难被人体消化道吸收,而且微生物很难对其产生抗性,同时因为其溶解度很低等特点,通常用于食品的表面防腐、生物防腐剂,由于纳他霉素对细菌没有抑制作用,因此它不影响酸奶、奶酪、生火腿、干香肠的自然成熟过程。

    6.1应用特点

    与其它常用的化学防腐剂如山梨酸钾相比,纳他霉素具有以下显著的优势:

    6.1.1 无色无味

    纳他霉素是白色、无味且溶解性低的结晶性粉术。它对产品的口感特性无任何影响,当应用于食品表面时,只停留在表面上,抑制容易生长在表面的霉菌和酵母。

    6.1.2适用范围广

    纳他霉素和常用的山梨酸钾等防腐剂相比,在pH3~9中具有活性,其适用pH范围更宽。

    6.1.3 使用剂量低

    真菌对纳他霉素极为敏感,使用微量即可起到作用。

    6.1.4 专一性好

    由于纳他霉素对细菌没有作用,可直接添加到酸奶等发酵制品中,只抑制其中的霉菌和酵母菌,却不作用于酸奶中的细菌(如乳酸菌、双歧杆菌等)。纳他霉素可以抑制真菌毒素的产生,而其它的防腐剂则不具有这些功能。

    6.2在食品方面的应用

    6.2.1乳酪

    纳他霉素可防止乳酪在成熟时发霉,以限制霉菌毒素的形成。因它很难透入乳酪,只停留在乳酪表面,所以在控制乳酪表面霉菌生长很有优势,而且不影响乳酪的成熟过程。具体的应用方法有三种:① 0.05%-0.28%纳他霉素喷于乳酪制品的表面;②把盐渍后的乳酪在0.05%-0.28%浓度悬浮液中浸泡2-4min;③把 0.05%纳他霉素加到覆盖乳酪的涂层中。

    6.2.2广式月饼

    月饼营养丰富,饼皮饼馅以及咸蛋黄都常会发生霉变。纳他霉素对月饼有良好的防霉效果。 使用时一般采用喷洒法: 将纳他霉素产品配制成0.02%-0.04%的悬浮液,月饼烘烤后冷却至常温时,将 Natamycin的悬浮液喷涂在月饼的表面四周及底部,即可完成外部防霉。生咸蛋黄入炉烤至七八成熟,取出冷却后浸泡于Natamycin悬浮液中约2 min,即可防止蛋黄馅的霉变。

    6.2.3面包糕点

    将100~500ppm纳他霉素溶液喷在烘焙食品如蛋糕、白面包、酥饼的表面,或将纳他霉素喷洒在未烘烤的生面团表面,其防霉保鲜效果是非常理想,对产品的口感不产生任何影响。

    6.2.4肉制品

    采用浸泡或喷洒肉类食品的方法,使用4mg/cm2 纳他霉素时即可达到安全而又有效的防霉目的。以0.05%- 0.2% (w/v)浓度的纳他霉素悬浮液浸泡肠衣,或用来浸泡或喷洒已经填好馅料的香肠表面,都可有效地防止香肠表面长霉。烤肉、烤鸭等烤制品、鱼干制品,亦可通过喷洒 0.05%-0.1% (w/v) 浓度纳他霉素悬浮液,延长产品的货架期。

    6.2.5 沙拉酱

    沙拉酱是一种高脂肪食品,每年入夏以后品常有霉变发生。文献报道沙拉酱中加入10ppm纳他霉素,试验期间未发现变质现象,微生物数量无显著变化。沙拉酱与乳酪相似,脂肪含量较高,试验说明纳他霉素对高脂肪食品抑菌效果确切。

    6.2.6酱油

    在室温较高的夏季,在酱油中添加 15ppm的纳他霉素,可有效抑制酵母菌的生长与繁殖,防止白花的出现。将纳他霉素和乳酸链球菌素结合起来应用于酱油防霉,可以更有效的抑菌,并降低抑菌浓度。

    6.2.7饮料

    由于各种果汁中含糖量、有机酸的含量均较高,很适合酵母菌的生长繁殖,引起果汁的腐败变质。使用纳他霉素可以增加非酒精饮料的贮存稳定性。葡萄汁应用20ppm的纳他霉素即可防止因酵母的污染而导致的果汁发酵,添加100 ppm可完全终止发酵活性。橙汁由于在自然条件下受到真菌的污染,橙汁一般放置一周便会变坏,加入纳他霉素后,即使其剂量低至1.25ppm,存放在2-4℃下,保质期可长达8周。纳他霉素的抑菌效果与存放温度有一定的关系,10℃存放的浓缩橙汁,10ppm即可抑制其中的酵母生长;存放在室温下,则需 20ppm纳他霉素才有抑菌作用。 苹果汁30ppm的纳他霉素,其防止苹果汁发酵的时间可长达6周之久,且果汁的原有风味绝无改变。番茄汁70mg/kg浓度的纳他霉素对番茄汁有很好的防霉保鲜效果。

    6.2.8水果保鲜

    用纳他霉素的悬浮液浸泡苹果、梨、李子、桔子、草莓、樱桃、栗子等可有效防止水果变坏。

    6.2.9其他

    在年糕和馒头中的使用,可防止霉变,有效地延长货架期。在食醋等调味品中,使用的纳他霉素,可防止霉菌和酵母菌引起的变质。在啤酒、葡萄酒中,2.5mg/kg的纳他霉素可使保质期大大延长。此外,在酸奶中添加5-10ppm的纳他霉素,可以使产品的货架期延长4周以上。

    6.3其它用途

    6.3.1医药方面的应用

      纳他霉素被用于治疗真菌感染,包括假丝酵母、曲霉菌、镰刀霉等,也被用作眼药水或者口腔药剂中,在这些应用中,人体对纳他霉素的吸收较少。口服时,基本没有从胃肠道被吸收,因此使它不适用为系统传染的药物。纳他霉素在眼药水中也有应用,其5%的纳他霉素含量适用于治疗微生物引起的真菌性睑炎、结膜炎和角膜炎,包括腐皮镰刀菌角膜炎。

    6.3.2 饲料行业中的应用

    用0.00055-0.0011%的纳他霉素与动物饲料混在一起可有效地防止饲料发霉,减少动物疾病的发生。美国食品与药品监督管理局(FDA)已经批准了纳他霉素用于小鸡饲料的防霉。

    7.使用方法

    FDA推荐用含纳他霉素200-300mg/kg的水溶液或喷雾于干酪切面或乳酪、肉制品、肉汤、西式火腿、广式月饼、糕点表面、果汁原浆、易发霉食品、加工器皿表面等,也可以用200-300mg/kg混悬液喷雾或浸泡,可有效地抑制酵母菌、真菌的生长。FDA规定纳他霉素在食物中的残留量应小于10mg/kg。

    中国国标GB2760规定的该产品应用范围、最大用量及使用方法如下表:

    产品

    成分

    应用范围

    最大用量(g/kg)

    备  注

    纳他霉素

    纳他霉素

    干酪和再制干酪及其类似品(01.06)

    0.3

    表面使用,残留量<10mg/Kg

    糕点(07.02)

    0.3

    表面使用,混悬液喷雾或

    浸泡,残留量<10mg/kg

    酱卤肉制品类(08.03.01)

    0.3

    表面使用,混悬液喷雾或

    浸泡,残留量<10mg/kg

    熏、烧、烤肉类(08.03.02)

    0.3

    表面使用,混悬液喷雾或

    浸泡,残留量<10mg/kg

    油炸肉类(08.03.03)

    0.3

    表面使用,混悬液喷雾或

    浸泡,残留量<10mg/kg

    西式火腿(熏烤、烟熏、蒸煮火腿)类(08.03.04)

    0.3

    表面使用,混悬液喷雾或

    浸泡,残留量<10mg/kg

    肉灌肠类(08.03.05)

    0.3

    表面使用,混悬液喷雾或

    浸泡,残留量<10mg/kg

    发酵肉制品类(08.03.06)

    0.3

    表面使用,混悬液喷雾或

    浸泡,残留量<10mg/kg

    蛋黄酱、沙拉酱(12.10.02.01)

    0.02

    残留量≤10mg/kg

    果蔬汁(浆)(14.02.01)

    0.3

    表面使用,混悬液喷雾或

    浸泡,残留量<10mg/kg

    发酵酒(15.03)

    0.01g/L

     

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