Bài giảng Phụ gia thực phẩm - Phụ gia chống vi sinh vật - Đặng Bùi Khuê

Phụ gia chống vi sinh vậtThS. Đặng Bùi KhuêSelecting a food antimicrobial agentantimicrobial spectrum of the compound to be usedchemical and physical properties of both the antimicrobial and the food productconditions of storage of the product and interactionsfood must be of the highest microbiological quality initiallythe toxicological safety and regulatory statusBenzoic Acid and BenzoatesBenzoic acid is found naturally in apples, cinnamon, cloves, cranberries, plums, prunes, strawberries, and other berriesBenzoic Acid and Benzoatesstable, odorless, white granular or crystalline powder that is soluble in waterBenzoic acid less soluble in water than sodium benzoateAntimycotic agentsMost yeasts and molds are inhibited by 20–2000µg benzoic acid per mL at pH 5.0Benzoic Acid and BenzoatesOne yeast that it is particularly resistant is Zygosaccharomyces bailii: up to 0.3% sodium benzoate (salsa mayonnaise)Some bacteria associated with food poisoning are inhibited by1000–2000µg/mL undissociated acidZygosaccharomyces bailiisalsa mayonnaiseBenzoic Acid and BenzoatesBenzoates are most effective at pH 2.5–4.0 and significantly lose effectiveness at pH 4.5The undissociated from of benzoic acid (pKa4.19) is the most effective antimicrobial agentBenzoic Acid and Benzoatesdestroyed the proton motive force of the cytoplasmic membrane by continuous transport of protons into the cell causing disruption of the transport systemBenzoic Acid and Benzoatesinhibit enzymes in bacterial cells such as those controlling acetic acid metabolism and oxidative phosphorylationα-ketoglutarate and succinate dehydrogenases in the citric acid cyclelipase production by Pseudomonas fluorescenstrimethylamine-N-oxide reductase activity of Escherichia coliPseudomonas fluorescensBenzoic Acid and BenzoatesByssochlamys niveaPichia membranefaciensCladosporium herbarumBenzoic Acid and Benzoatescarbonated and still beverages (0.03–0.05%)syrups (0.1%)cider (0.05–0.1%)margarine (0.1%)olives (0.1%)Pickles (0.1%)relishes (0.1%)soy sauce (0.1%) jams (0.1%) jellies (0.1%) preserves (0.1%)pie and pastry fillings (0.1%) fruit salads (0.1%), and salad dressings (0.1%)relishes jams jellies pie and pastry fillings ciderGlycineHippuric acidGlucuronic acidDimethyl dicarbonatecolorless liquidslightly soluble in waterprimary target microorganisms: Saccharomyces, Zygosaccharomyces, Rhodotorula, Candida, Pichia, Torulopsis, Torula, Endomyces, Kloeckera, and Hansenula(CH3–O–O–C–O–C–O–O–CH3)TorulopsisDimethyl dicarbonatemore effective than sorbate/benzoate in controlling aerobic plate countsbactericidal at 30–400µg/mL: Acetobacter pasteurianus, E. coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, several Lactobacillus species, and Pediococcus cerevisiaeStaphylococcus aureusE. coliPseudomonas aeruginosaAcetobacter pasteurianusDimethyl dicarbonateMolds are generally more resistant to DMDC than yeasts or bacteria21 CFR 172.133wine, dealcoholized wine, and low alcohol wine that has less than 500 yeast CFU/mL at ≤ 200 ppmready-to-drink teas ( 4,5: mất hiệu quảDạng không phân ly của benzoic acid  hiệu quả kháng VSV tốt nhấtHoạt tínhSaccharomyces cerevisiae 1.1 Phổ kháng vi sinh vật của benzoate và benzoic acidVi khuẩnpHNồng độ ức chế VSV(μg/ml )Gram (+)Bacillus cereus6,3500Lactobacillus4,3 – 6300 – 1000Listeria monocytogenes5,6 (40C)5,6 (210C)20003000Micrococcus5,5 – 5,650 -100Streptococcus5,2 – 5,6200 – 400Gram (-)Escherichia coli5,2 – 5,650 – 120Pseudomonas6200 – 4801.1 Phổ kháng vi sinh vật của benzoate và benzoic acidNấm mốcpHNồng độ ức chế VSV(μg/ml )Aspergillus3 - 520 – 300Aspergillus parasiticus5,5> 4000Aspergillus 52000Byssochlamys nivea3,3500Cladosporium herbarum5,1100Mucor racemosus530 -120Penicillium2,6 – 530 – 280Penicillium citrinum52000Penicillium glaucum5400 – 500Rhizopus nigricans530 – 1201.1 Phổ kháng vi sinh vật của benzoate và benzoic acidNấm menpHNồng độ ức chế VSV(μg/ml )Candida krusei_300 – 700Debaryomyces hansenii4,8500Hansenula41800Pichia membranefaciens_700Rhodotorula_100 – 200Saccharomyces bayanus4330Zygosaccharomyces bailii4,84500Zygosaccharomyces rouxii4,810001.1 Cơ chế ức chế VSV của benzoate và benzoic acidPhá hủy và làm giảm động lực di chuyển proton của màng tế bào chấtẢnh hưởng đến các enzyme α-ketoglutarate và succinate dehydrogenasesTrimethylamine-N-oxide reductase6-phosphofructokinase 1.1 Liều lượng sử dụng benzoate và benzoic acid của một số SP Sản phẩm Liều lượng (%)Nước uống có gas0,03 – 0,05syrup0,1cider0,05 – 0,1margarine0,1olive0,1Đồ hộp 0,1Nước sốt, nước tương0,1Jelly, jam0,1Salad0,1Các lớp phủ trang trí cho bánh ngọt0,1Liều lượng tối đa 0,1%1.1 Độc tính của benzoate và benzoic acidĐộc tính thấp  cơ chế khử độcLiên kết với glycine trong gan để hình thành hippuric acid sau đó thải qua đường nước tiểu: 66–95%Liên kết với glucuronic acid: phần còn lạiKhông gây đột biến + không gây ung thư (Branen, 2009)1.1 Một số lưu ý khi sử dụngKết hợp: SO2 và benzoic  thức uống không cồnGiới hạn cho từng chất 300 mg/l (sorbic acid) và 150 mg/l (benzoic acid)Kết hợp: 250 mg/l sorbic acid với 150 mg/l benzoic acidTrẻ em bị chứng hiếu động thái quá khi sử dụng tartrazineJECFA: ADI 5mg/kg thể trọng1.2 Sorbic acid và sorbateSorbate: sorbic acid và muối natri, caxium và muối kaliNguồn gốc Thanh lương tràTần bì núi1.2 Một số tính chất Acid béo dạng trans-trans không bão hòaỨc chế hiệu quả đối với sự phát triển của nấm mốcHoạt tính kháng vi sinh vật của sorbic là cao nhất ở dạng không phân li Sorbate kháng sự hư hỏng vi sinh vật hiệu quả hơn Propionate và Benzoate ở cùng giá trị pH1.2 Một số loài VSV bị ức chếNấm men: Brettanomyces, Byssochlamys, Candida, Cryptococcus, Debaryomyces, Endomycopsis, Hansenula, Oospora, Pichia, Rhodotorula, Saccharomyces, Schizosaccharomyces, Sporobolomyces, Torulaspora, Torulopsis, và ZygosaccharomycesNấm mốc: Alternaria, Ascochyto, Aspergillus, Botrytis, Cephalosporium, Fusarium, Geotrichum, Gliocladium, Helminthosporium, Humicola, Mucor, Penicillium, Phoma, Pullularia (Auerobasidium), Rhizopus, Sporotrichum, và Trichoderma1.2 Một số loài VSV kháng lại sobateZygosaccharomyces bailii: loại thải sorbicPitt (1974)Deak and Novak (1972)Warth (1977)Saccharomyces rouxii: thích nghiPennicillium roquefoti: phản ứng decacboxyl  1,3 pentadiene (mùi kerosene)1.2 Một số lưu ý khi sử dụng sorbateKhả năng ngăn chặn sự hình thành độc tốPatulin: P. patulum, P. expansum và Byssochlamys niveaAflatoxin B1: A. parasiticus và A. flavusỨc chế sự phát triển và hình thành histamine: Proteus morgani và K. pneumoniaeTác dụng hỗ trợ: EDTA và VanilinMôi trường kỵ khí> môi trường có oxi: S.aureus1.2 Một số lưu ý khi sử dụng sorbateẢnh hưởng của sorbate là cao nhất khi có Natri clorua ở nồng độ 3.5%, pH< 6 và ở nhiệt độ bảo quản thấpKali Sorbate ở nồng độ 0.1% được thêm vào sò điệp ở pH từ 6.3-6.5 sẽ làm tăng nhanh ở tốc độ sản sinh độc tố Clostridium butulinumChỉ sử dụng acid sorbic ở nồng độ 0.2% cho những sản phẩm thịt có pH= 6.5 sẽ không ức chế một cách hiệu quả tế bào sinh dưỡng C.Botulinum.1.2 Một số lưu ý khi sử dụng sorbateẢnh hưởng của sorbate lên các vi sinh vật có catalase (+)Phillips và Mundt, 1950: actic acid bacteria và clostridiaEmard and Vaughn (1952): S. aureus (+) ↔ Lactobacillus (-)1.2 Cơ chế ức chếỨc chế enzyme:Dehydrogenases: tích lũy β-unsaturated fatty acidSulfhydryl enzymes: nhóm thiol của cysteine Hoạt động cạnh tranh với Acetate trong sự hình thành Acetyl CoAức chế hoạt tính làm tan huyết của Listeriolysin OCan thiệp vào quá trình vận chuyển xuyên màng tế động lực di chuyển protonthế năng xuyên màng1.2 Liều lượng sử dụng Những sản phẩm thực phẩmNồng độ sử dụng (%)Những dạng sirup dành cho đồ uống0.1Bánh cake và kem0.05-0.1Phô mai và những sản phẩm từ phô mai0.2-0.3Cider 0.05-0.1Trái cây dạng sấy khô0.02-0.05Nước quả0.025-0.075Margarine0.1Những hỗn hợp làm đầy0.05-0.1Thực phẩm cho động vật ở dạng bán ẩm0.1-0.3Salad trộn dầu dấm0.05-0.1Salad, rau chế biến sẵn0.05-0.1Rượu vang0.02-0.041.2 Độc tínhLD50 (chuột): 7.4-10.5g/kg thể trọngThử nghiệm dưới daKhông có khả năng gây ung thưkích ứng màng niêm mạc kích ứng da1.3 Nitrite và nitrateTạo màu đặc trưng cho sản phẩmTạo hương vị cho sản phẩmCải thiện cấu trúc Hiệu quả kháng vi sinh vật Nitrite dùng để kháng sự phát triển của bào tử vi khuẩn Clostridium botulinumTác dụng hỗ trợ của ascorbate và isoascorbate1.3 Nitrite và nitrateE.coli có khả năng kháng nitrite tốt hơn SalmonellaCác thử nghiệm về khả năng ức chế VSVClostridium perfringen Listeria monocytogenes Salmonella sp và Enteropathogenic 1.3 Cơ chế ức chếQúa trình phát triển và quá trình phân bào cuả vi khuẩn Những enzyme liên quan đến quá trình hô hấpPseudomonas aearuginosa: vận chuyển chủ động, sự hấp thu oxi và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.Ví dụ: cytochrome oxidase1.3 Cơ chế ức chếEscherichia coli: sự vận chuyển chủ động của proline  phosphoenol-pyruvateClostridium sporogenes và Clostridium botulinum: sự hoạt động của hệ thống phosphoroclastic Clostridium botulinum và C. Pasteurianum: enzyme chứa S, Fe (ferredoxin)1.3 Cơ chế ức chếNitric oxide là thành phần kháng vi sinh vật chính của nitrite  Mục tiêu: pyruvate decarboxylaseClostridium botulinum: enzyme oxidoreductase + protein chứa Fe, S, (hydrogenase)Clostridium: ferridoxin + pyruvate-ferroxin oxidoreductasePerigo inhibitor: sulfhydryl và sắt 1.3 Cơ chế ức chếBổ sung sắt vào thịt chứa nitrite  giảm hiệu quả ức chếTác nhân chelate hóa: arcorbate, EDTA, polyphosphateStreptococcus faecalis và Streptococcus lactis: không bị ức chế bởi nitrite vi khuẩn ưa khí: liên kết nitrite + Fe (phi hem)  enzyme cytochrome oxidase1.4 Luật và cách sử dụngLuật sử dụng nitrite trong thịt muối (9 CFR 318.7) Cách 1: 120 ppm natri nitrite hoặc 148 ppm kali nitrite + 550 ppm sodium erythorbate hoặc isoascorbateCách 2: 100 ppm sodium nitrite hoặc 123 ppm kali nitrite + 550 ppm sodium erythorbat hoặc isoascorbateCách 3: Sử dụng 40-80 ppm natri nitrite hoặc 49-99 ppm kali nitrite + 550 ppm sodium erythorbate hoặc isoascorbate + 0.7% sucrose canh trường vi khuẩn lactic (Pediococcus)1.4 Luật và cách sử dụngdư lượng cực đại 200 ppm Lượng nitrite đầu vào: 2 lb/100 gal đối với dưa chua1oz/100 lb (625 ppm) đối với thịt được chế biến khô 0.25 oz/100 lb (156 ppm) đối với thịt cắt lát.1.4 Luật và cách sử dụngCá ngừ xông khói với dư lượng cực đại 10 ppmCá than xông khói, cá hồi xông khói, cá trích mình dày xông khói, cá tuyết xông khói: 20 ppm (lượng nitrite ở đầu vào không vượt quá 550 ppm) Cá bống xông khói: 100-120 ppm .1.4 Độc tínhLiều lượng gây chết nitrite ở người là 32mg/kg thể trọngChứng methemoglobinemiaNghiên cứu của Newberne: nitrosamine phản ứng nitrite với những amin bậc hai + các amit có khả năng thay thếtác động trực tiếp nitrite lên tế bào bách huyết1.5 SulfiteCác dạng sulfite: potassium sulfite (K2SO3; 250, 200C)sodium sulfite (Na2SO3; 280, 400C)potassium bisulfite (KHSO3; 1000, 200C)sodium bisulfite (NaHSO3; 3000, 200C)potassium metabisulfite (K2S2O5; 250, 00C)sodium metabisulfite (NaS2O5; 540, 200C)1.5 SulfitepH: SO2 . H2O ↔ HSO3- + H+ ↔ SO32- + H+Hoạt tính: không phân ly  pH<4Dạng liên kết ít có hoạt tính chống vi sinh vật: α – hydroxysulfornate, thiol (R-SH) và S-substituted thiosulfate (R-SSO3) phức pyruvate-sulfite nấm men và nấm mốc ít nhạy cảm với sulfure dioxide hơn so với vi khuẩn1.5 SulfiteNồng độ ức chế của sulfur dioxide trong việc kháng lại nấm men như sau tính bằng µg/mL: Saccharomyces, 0.1 – 20.2; Zygosaccharomyces, 7.2 – 8.7, Pichia, 0.2; Hansenula, 0.6; Candida, 0.4 – 0.6Saccharomyces và Torulopsis Sulfur dioxide có hiệu quả kháng vi sinh vật tốt hơn khi nó sử dụng một mình so với việc kết hợp benzoate và sorbate trong việc chống lại Saccharomyces cerevisiae Montrachet 5221.5 Sulfitekết hợp sulfur dioxide với kali sorbate và butylated hydroxyanisole Phosphates polyphosphates inhibited grampositive bacteria and fungi by removal of essential cations from binding sites on the cell wallsinterfere with RNA function or metabolic activities of cells