Công nghệ thực phẩm - Phụ gia chống vi sinh vật

Nội dung text: Công nghệ thực phẩm - Phụ gia chống vi sinh vật

1. Phụ gia chống vi sinh vật ThS. Đặng Bùi Khuê
2. • Selecting a food antimicrobial agent – antimicrobial spectrum of the compound to be used – chemical and physical properties of both the antimicrobial and the food product – conditions of storage of the product and interactions – food must be of the highest microbiological quality initially – the toxicological safety and regulatory status
3. • Benzoic Acid and Benzoates – Benzoic acid is found naturally in apples, cinnamon, cloves, cranberries, plums, prunes, strawberries, and other berries
4. • Benzoic Acid and Benzoates – stable, odorless, white granular or crystalline powder that is soluble in water – Benzoic acid less soluble in water than sodium benzoate – Antimycotic agents – Most yeasts and molds are inhibited by 20–2000µg benzoic acid per mL at pH 5.0
5. • Benzoic Acid and Benzoates – One 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 acid Zygosaccharomyces bailii salsa mayonnaise
6. • Benzoic Acid and Benzoates – Benzoates are most effective at pH 2.5–4.0 and significantly lose effectiveness at pH 4.5 – The undissociated from of benzoic acid (pKa4.19) is the most effective antimicrobial agent
7. • Benzoic Acid and Benzoates – destroyed the proton motive force of the cytoplasmic membrane by continuous transport of protons into the cell causing disruption of the transport system
8. • Benzoic Acid and Benzoates – inhibit enzymes in bacterial cells such as those controlling acetic acid metabolism and oxidative phosphorylation • α-ketoglutarate and succinate dehydrogenases in the citric acid cycle • lipase production by Pseudomonas fluorescens • trimethylamine-N-oxide reductase activity of Escherichia coli Pseudomonas fluorescens
9. • Benzoic Acid and Benzoates Cladosporium herbarum Pichia membranefaciens Byssochlamys nivea
10. • Benzoic Acid and Benzoates – carbonated 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%) relishes jams – soy sauce (0.1%) – jams (0.1%) – jellies (0.1%) – preserves (0.1%) cider – pie and pastry fillings (0.1%) pie and pastry fillings jellies – fruit salads (0.1%), and salad dressings (0.1%)
11. • Glycine • Hippuric acid • Glucuronic acid
12. • Dimethyl dicarbonate – colorless liquid – slightly soluble in water – primary target microorganisms: Saccharomyces, Zygosaccharomyces, Rhodotorula, Candida, Pichia, Torulopsis, Torula, Endomyces, Kloeckera, and Hansenula (CH3–O–O–C–O–C–O–O–CH3) Torulopsis
13. • Dimethyl dicarbonate – more effective than sorbate/benzoate in controlling aerobic plate counts – bactericidal at 30–400µg/mL: Acetobacter pasteurianus, E. coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, several Lactobacillus species, and Pediococcus cerevisiae Acetobacter pasteurianus Pseudomonas aeruginosa E. coli Staphylococcus aureus
14. • Dimethyl dicarbonate – Molds are generally more resistant to DMDC than yeasts or bacteria – 21 CFR 172.133 • wine, dealcoholized wine, and low alcohol wine that has less than 500 yeast CFU/mL at ≤ 200 ppm • ready-to-drink teas (<500 yeast CFU/mL) at ≤ 250 ppm • carbonated or noncarbonated, nonjuice-containing (≤ 1%), flavored or unflavored beverages containing added electrolytes at ≤ 250 ppm • carbonated, dilute beverages containing juice, fruit flavor, or both, with juice content ≤ 50% at ≤ 250 ppm
15. • Propionic Acid and Propionates – Swiss cheese: Propioni-bacterium freudenreichii ssp. shermanii. – primarily against molds – Some yeasts and bacteria, particularly gram negative strains – depends upon the pH – bread dough that causes rope formation, Bacillus subtilis (mesentericus), was inhibited at 0.19% at pH 5.8 Bacillus subtilis Propioni-bacterium
16. • Propionic Acid and Propionates – retard the growth of S. aureus, Sarcina lutea, Proteus vulgaris, Lactobacillus plantarum, Torula (Candida), and Saccharomyces cerevisiae var.ellipsoideus for up to 5 days Sarcina lutea Proteus vulgaris Lactobacillus plantarum Torula
17. • Propionic Acid and Propionates – The minimum inhibitory concentration of undissociated propionic acid against three Bacilluss pecies, E. coli, and Staphylococcus aureus ranged from 0.13% to 0.52% – the yeast Candida albicans, 0.29% Candida albicans
18. • Propionic Acid and Propionates – the most effective inhibitor of Salmonella serotypes Anatum, Senftenberg, and Tennessee among acetic, adipic, citric, lactic, propionic, and tartaric acids – The activity of propionic acid against Aspergillus and Fusarium was enhanced by the presence of EDTA Salmonella Aspergillus Fusarium
19. • Propionic Acid and Propionates – sodium propionate inhibition of E. coli was overcome by the addition of β-alanine – Penicillium may grow in nutrient media containing over 5% propionic acid – mechanism of inhibition: acidification of the cytoplasm and inhibition of an unspecified function Penicillium β-alanine
20. • Propionic Acid and Propionates – flour in white bread and rolls: 0.32% – whole wheat products: 0.38% – cheese products: 0.3%
21. • Phosphates – sodium acid pyrophosphate (SAPP) – tetrasodium pyrophosphate (TSPP) – sodium tripolyphosphate (STPP) – sodium tetrapolyphosphate – sodium hexameta phosphate (SHMP) – trisodium phosphate (TSP)
22. • Roles of Phosphates • Roles of Phosphates – Buffering – Deflocculation – Acidification – Dispersion – Alkalization – Peptization – Sequestration – Emulsification – formation of – nutrient supplementation complexes with – Anticaking organic polyelectrolytes (e.g., – antimicrobial proteins, pectin, and preservation starch) – leavening
23. • Phosphates – Gram positive bacteria appear to be generally more susceptible to phosphates than gram negative bacteria – SAPP, SHMP, or polyphosphates increase the effectiveness of the curing system (nitrite–pH–salt) against Clostridium botulinum Gram positive bacteria Gram negative bacteria Clostridium botulinum
24. • Phosphates – The presence of magnesium has been shown to reverse inhibition of gram positive bacteria by antimicrobial phosphates – chelating ability of polyphosphates was responsible for growth inhibition of Bacillus cereus, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Lactobacillus and Aspergillus flavus Listeria monocytogenes Bacillus cereus Aspergillus flavus Lactobacillus
25. • Phosphates – Orthophosphates had no inhibitory activity against any of the microorganisms and have no chelating ability – inhibition was reduced at lower pH due to protonation of the chelating sites on the polyphosphates Orthophosphates chelating ability
26. • Phosphates – polyphosphates inhibited gram positive bacteria and fungi by removal of essential cations from binding sites on the cell walls – interfere with RNA function or metabolic activities of cells
27. 1.1 Benzoic acid và benzoate Táo Hồi Đinh hương Nguồn gốc phụ gia Man việt quất Dâu tây
28. 1.1 Một số tính chất của benzoic acid và benzoate • Độ hòa tan:benzoic acid 4,5: mất hiệu quả • Dạng không phân ly của benzoic acid → hiệu quả kháng VSV tốt nhất – Hoạt tính – Saccharomyces cerevisiae
29. 1.1 Phổ kháng vi sinh vật của benzoate và benzoic acid Vi khuẩn pH Nồng độ ức chế VSV(μg/ml ) Gram (+) Bacillus cereus 6,3 500 Lactobacillus 4,3 – 6 300 – 1000 Listeria monocytogenes 5,6 (40C) 2000 5,6 (210C) 3000 Micrococcus 5,5 – 5,6 50 -100 Streptococcus 5,2 – 5,6 200 – 400 Gram (-) Escherichia coli 5,2 – 5,6 50 – 120 Pseudomonas 6 200 – 480
30. 1.1 Phổ kháng vi sinh vật của benzoate và benzoic acid Nấm mốc pH Nồng độ ức chế VSV(μg/ml ) Aspergillus 3 - 5 20 – 300 Aspergillus parasiticus 5,5 > 4000 Aspergillus 5 2000 Byssochlamys nivea 3,3 500 Cladosporium herbarum 5,1 100 Mucor racemosus 5 30 -120 Penicillium 2,6 – 5 30 – 280 Penicillium citrinum 5 2000 Penicillium glaucum 5 400 – 500 Rhizopus nigricans 5 30 – 120
31. 1.1 Phổ kháng vi sinh vật của benzoate và benzoic acid Nấm men pH Nồng độ ức chế VSV(μg/ml ) Candida krusei _ 300 – 700 Debaryomyces hansenii 4,8 500 Hansenula 4 1800 Pichia membranefaciens _ 700 Rhodotorula _ 100 – 200 Saccharomyces bayanus 4 330 Zygosaccharomyces bailii 4,8 4500 Zygosaccharomyces rouxii 4,8 1000
32. 1.1 Cơ chế ức chế VSV của benzoate và benzoic acid • Phá hủy và làm giảm động lực di chuyển proton của màng tế bào chất • Ảnh hưởng đến các enzyme – α-ketoglutarate và succinate dehydrogenases – Trimethylamine-N-oxide reductase – 6-phosphofructokinase
33. 1.1 Liều lượng sử dụng benzoate và benzoic acid của một số SP Sản phẩm Liều lượng (%) Nước uống có gas 0,03 – 0,05 syrup 0,1 cider 0,05 – 0,1 Liều lượng margarine 0,1 tối đa olive 0,1 0,1% Đồ hộp 0,1 Nước sốt, nước tương 0,1 Jelly, jam 0,1 Salad 0,1 Các lớp phủ trang trí cho bánh ngọt 0,1
34. 1.1 Độc tính của benzoate và benzoic acid • Độc tính thấp → cơ chế khử độc – Liên 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 lại • Không gây đột biến + không gây ung thư (Branen, 2009)
35. 1.1 Một số lưu ý khi sử dụng • Kết hợp: SO2 và benzoic → thức uống không cồn – Giới 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 acid • Trẻ em bị chứng hiếu động thái quá khi sử dụng tartrazine • JECFA: ADI 5mg/kg thể trọng
36. 1.2 Sorbic acid và sorbate • Sorbate: sorbic acid và muối natri, caxium và muối kali • Nguồn gốc Thanh lương trà Tần bì núi
37. 1.2 Một số tính chất • Acid béo dạng trans-trans không bão hòa • Ức chế hiệu quả đối với sự phát triển của nấm mốc • Hoạt 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 pH
38. 1.2 Một số loài VSV bị ức chế • Nấm men: Brettanomyces, Byssochlamys, Candida, Cryptococcus, Debaryomyces, Endomycopsis, Hansenula, Oospora, Pichia, Rhodotorula, Saccharomyces, Schizosaccharomyces, Sporobolomyces, Torulaspora, Torulopsis, và Zygosaccharomyces • Nấm mốc: Alternaria, Ascochyto, Aspergillus, Botrytis, Cephalosporium, Fusarium, Geotrichum, Gliocladium, Helminthosporium, Humicola, Mucor, Penicillium, Phoma, Pullularia (Auerobasidium), Rhizopus, Sporotrichum, và Trichoderma
39. 1.2 Một số loài VSV kháng lại sobate • Zygosaccharomyces bailii: loại thải sorbic – Pitt (1974) – Deak and Novak (1972) – Warth (1977) • Saccharomyces rouxii: thích nghi • Pennicillium roquefoti: phản ứng decacboxyl → 1,3 pentadiene (mùi kerosene)
40. 1.2 Một số lưu ý khi sử dụng sorbate • Khả năng ngăn chặn sự hình thành độc tố – Patulin: P. patulum, P. expansum và Byssochlamys nivea – Aflatoxin B1: A. parasiticus và A. flavus – Ức chế sự phát triển và hình thành histamine: Proteus morgani và K. pneumoniae • Tác dụng hỗ trợ: EDTA và Vanilin • Môi trường kỵ khí> môi trường có oxi: S.aureus
41. 1.2 Một số lưu ý khi sử dụng sorbate • Ảnh hưởng của sorbate là cao nhất khi có Natri clorua ở nồng độ 3.5%, pH< 6 và ở nhiệt độ bảo quản thấp • Kali 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 butulinum • Chỉ 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.
42. 1.2 Một số lưu ý khi sử dụng sorbate • Ảnh hưởng của sorbate lên các vi sinh vật có catalase (+) – Phillips và Mundt, 1950: actic acid bacteria và clostridia – Emard and Vaughn (1952): S. aureus (+) ↔ Lactobacillus (-)
43. 1.2 Cơ chế ức chế • Ức chế enzyme: – Dehydrogenases: tích lũy β-unsaturated fatty acid – Sulfhydryl enzymes: nhóm thiol của cysteine – Hoạt động cạnh tranh với Acetate trong sự hình thành Acetyl CoA – ức chế hoạt tính làm tan huyết của Listeriolysin O • Can thiệp vào quá trình vận chuyển xuyên màng tế – động lực di chuyển proton – thế năng xuyên màng
44. 1.2 Liều lượng sử dụng Những sản phẩm thực phẩm Nồng độ sử dụng (%) Những dạng sirup dành cho đồ uống 0.1 Bánh cake và kem 0.05-0.1 Phô mai và những sản phẩm từ phô mai 0.2-0.3 Cider 0.05-0.1 Trái cây dạng sấy khô 0.02-0.05 Nước quả 0.025-0.075 Margarine 0.1 Những hỗn hợp làm đầy 0.05-0.1 Thực phẩm cho động vật ở dạng bán ẩm 0.1-0.3 Salad trộn dầu dấm 0.05-0.1 Salad, rau chế biến sẵn 0.05-0.1 Rượu vang 0.02-0.04
45. 1.2 Độc tính • LD50 (chuột): 7.4-10.5g/kg thể trọng • Thử nghiệm dưới da – Không có khả năng gây ung thư – kích ứng màng niêm mạc – kích ứng da
46. 1.3 Nitrite và nitrate • Tạo màu đặc trưng cho sản phẩm • Tạo hương vị cho sản phẩm • Cải thiện cấu trúc • Hiệu quả kháng vi sinh vật • Nitrite dùng để kháng sự phát triển của bào tử vi khuẩn Clostridium botulinum • Tác dụng hỗ trợ của ascorbate và isoascorbate
47. 1.3 Nitrite và nitrate • E.coli có khả năng kháng nitrite tốt hơn Salmonella • Các thử nghiệm về khả năng ức chế VSV – Clostridium perfringen – Listeria monocytogenes – Salmonella sp và Enteropathogenic
48. 1.3 Cơ chế ức chế • Qúa trình phát triển và quá trình phân bào cuả vi khuẩn • Những enzyme liên quan đến quá trình hô hấp • Pseudomonas aearuginosa: vận chuyển chủ động, sự hấp thu oxi và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.Ví dụ: cytochrome oxidase
49. 1.3 Cơ chế ức chế • Escherichia coli: sự vận chuyển chủ động của proline → phosphoenol-pyruvate • Clostridium sporogenes và Clostridium botulinum: sự hoạt động của hệ thống phosphoroclastic • Clostridium botulinum và C. Pasteurianum: enzyme chứa S, Fe (ferredoxin)
50. 1.3 Cơ chế ức chế • Nitric oxide là thành phần kháng vi sinh vật chính của nitrite → Mục tiêu: pyruvate decarboxylase • Clostridium botulinum: enzyme oxidoreductase + protein chứa Fe, S, (hydrogenase) • Clostridium: ferridoxin + pyruvate-ferroxin oxidoreductase • Perigo inhibitor: sulfhydryl và sắt
51. 1.3 Cơ chế ức chế • Bổ sung sắt vào thịt chứa nitrite → giảm hiệu quả ức chế • Tác nhân chelate hóa: arcorbate, EDTA, polyphosphate • Streptococcus faecalis và Streptococcus lactis: không bị ức chế bởi nitrite • vi khuẩn ưa khí: liên kết nitrite + Fe (phi hem) → enzyme cytochrome oxidase
52. 1.4 Luật và cách sử dụng • Luật 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 isoascorbate – Cách 2: 100 ppm sodium nitrite hoặc 123 ppm kali nitrite + 550 ppm sodium erythorbat hoặc isoascorbate – Cách 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)
53. 1.4 Luật và cách sử dụng • dư lượng cực đại 200 ppm • Lượng nitrite đầu vào: – 2 lb/100 gal đối với dưa chua – 1oz/100 lb (625 ppm) đối với thịt được chế biến khô – 0.25 oz/100 lb (156 ppm) đối với thịt cắt lát.
54. 1.4 Luật và cách sử dụng • Cá ngừ xông khói với dư lượng cực đại 10 ppm • Cá 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 .
55. 1.4 Độc tính • Liều lượng gây chết nitrite ở người là 32mg/kg thể trọng • Chứng methemoglobinemia • Nghiên cứu của Newberne: nitrosamine – phản ứng nitrite với những amin bậc hai + các amit có khả năng thay thế – tác động trực tiếp nitrite lên tế bào bách huyết
56. 1.5 Sulfite • Các dạng sulfite: 0 – potassium sulfite (K2SO3; 250, 20 C) 0 – sodium sulfite (Na2SO3; 280, 40 C) 0 – potassium bisulfite (KHSO3; 1000, 20 C) 0 – sodium bisulfite (NaHSO3; 3000, 20 C) 0 – potassium metabisulfite (K2S2O5; 250, 0 C) 0 – sodium metabisulfite (NaS2O5; 540, 20 C)
57. 1.5 Sulfite - + 2- + • pH: SO2 . H2O ↔ HSO3 + H ↔ SO3 + H • Hoạt tính: không phân ly → pH<4 • Dạng 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 khuẩn
58. 1.5 Sulfite • Nồng 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 – 0.6 • Saccharomyces 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 522
59. 1.5 Sulfite • kết hợp sulfur dioxide với kali sorbate và butylated hydroxyanisole
60. • Phosphates – polyphosphates inhibited grampositive bacteria and fungi by removal of essential cations from binding sites on the cell walls – interfere with RNA function or metabolic activities of cells