大型藻类衍生天然抗菌剂在食品安全中的应用：化学性质、应用及未来展望

《Algal Research》：Macroalgae-derived natural antimicrobials for food safety: Chemistry, applications, and future perspectives

　　

海洋大型藻类正逐渐成为可持续的天然抗菌剂来源。红藻可产生具有强效活性的卤代生物活性化合物。藻类提取物对食品腐败微生物具有抑制活性。生物活性化合物将化学多样性与抗菌功能联系起来。安全性、细胞毒性和可规模化生产仍是关键研究重点。

**引言**

由于现有及新兴腐败和致病微生物的不断增加，粮食安全和食品安全已成为全球性重大关切。食源性疾病仍然是全球粮食安全和公共健康的重大威胁。世界卫生组织于2024年估计，不安全食品造成了约6亿例食源性疾病和42万人死亡，相当于全球损失3300万健康生命年[1]。这些疾病源于与微生物和化学危害相关的200多种疾病，包括腹泻感染和癌症。食源性腹泻疾病主要由细菌感染引起，其次是病毒和原生动物感染。最重要的病原体包括空肠弯曲菌属、产肠毒素大肠杆菌、非伤寒沙门氏菌、志贺氏菌属和致病性大肠杆菌。全球范围内，受污染的食品和水每年造成数十亿例腹泻病例和数百万人死亡[2]。非洲的负担最重，其次是东南亚和东地中海地区。五岁以下儿童尤其脆弱，在食源性人畜共患疾病中占很大比例。南亚，尤其是印度，面临大量腹泻死亡和食源性疾病造成的显著经济损失[3]、[4]。例如在澳大利亚，澳大利亚和新西兰食品标准局（FSANZ）最近的建模估计，食源性疾病的年度成本约为28.1亿澳元（以2019年为基准，经2023年通胀调整），其中空肠弯曲菌、非伤寒沙门氏菌、致病性大肠杆菌、诺如病毒和单核细胞增生李斯特菌贡献最大[5]。为管理这些风险，食品行业大量依赖合成抗菌防腐剂，如苯甲酸盐、山梨酸盐、丙酸盐、亚硫酸盐和亚硝酸盐，通常与其他屏障技术（如pH控制、冷藏、包装）结合使用[6]。除了食品防腐剂外，食品加工环境中的微生物控制通常涉及消毒剂，如季铵盐类化合物（QACs）、含氯消毒剂和过氧乙酸[7]。这些合成化合物广泛用于饮料、调味品、烘焙产品、乳制品和腌制肉类，能有效抑制食源性病原体和腐败微生物的生长[8]。然而，其长期使用已引发毒理学效应方面的担忧，加之消费者对"化学防腐剂"日益增长的抵触情绪以及许多市场中强劲的清洁标签趋势。监管机构也在重新评估几种合成添加剂的最高允许水平，包括欧洲食品安全局（EFSA）最近收紧亚硝酸盐和硝酸盐限量、修订亚硫酸盐暴露评估以及重新评估苯甲酸盐潜在的毒理学影响，这些均加大了寻找安全、有效且消费者可接受的替代品的压力[9]、[10]。

生物活性天然产物正日益受到关注，被视为合成食品防腐剂的潜在替代品，这主要受到消费者对天然来源食品原料日益增长的需求推动。植物精油、酚类提取物和细菌素是研究最多的替代方案之一，其中许多已在利基或高端产品中使用[11]。然而，尽管超过70%的地球表面被海洋覆盖，且其中蕴含着巨大的生物和化学多样性，但大多数研究仍集中在来源于陆地植物的天然产物上[12]。海洋生物，特别是大型藻类，代表了结构多样的抗菌化合物的未充分利用资源库，可能对食品体系具有重要价值[13]。

重要的是，多种大型藻类衍生的成分已获得批准并在食品工业中广泛用作添加剂，这有助于建立强大的消费者接受度和认知度。这些包括用作乳制品、饮料和烘焙产品中增稠剂和稳定剂的藻酸盐；用于肉类、糖果和植物基食品中凝胶化和保水作用的卡拉胶；以及用于糖果和结构化产品中的琼脂[14]、[15]、[16]。尽管如此，这些化合物已建立的安全性和广泛应用为探索大型藻类衍生代谢物作为食品体系中的天然抗菌防腐剂奠定了坚实基础[17]。

海洋大型藻类大致分为褐藻（褐藻门）、红藻（红藻门）和绿藻（绿藻门），每一类都具有独特的色素系统和次生代谢产物谱[18]。这些藻类产生一系列与防御相关的代谢物，包括褐藻单宁（褐藻）、硫酸化多糖（如岩藻多糖、卡拉胶和褐藻多糖）、溴代呋喃酮、甾醇和类萜[19]。许多这些化合物在体外对主要食源性病原体（如单核细胞增生李斯特菌、肠沙门氏菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）显示出活性，其作用机制包括破坏细胞膜、裂解细胞内容物、干扰群体感应和抑制生物膜形成[19]、[20]。它们的抗氧化和抗炎特性也可能通过限制脂质氧化和保护功能性成分间接贡献于食品质量。

提取技术强烈影响大型藻类生物活性成分在食品中的抗菌潜力、稳定性和适用性。传统的溶剂提取、浸提和索氏提取等方法仍被广泛使用，但可能耗时、耗溶剂且对热不稳定化合物具有破坏性[21]。新兴技术，包括超声辅助提取、微波辅助提取、加压液体提取和超临界流体提取，旨在提高收率、选择性和环境绩效，同时保持生物活性[22]。然而，这些提取物在复杂食品基质中的稳定性、溶解度和生物利用度，尤其是中性pH、高蛋白或高脂肪食品基质中，仍然是实际应用的关键限制因素。

尽管在模型体系和一些食品应用（包括可食性涂层、活性包装以及直接掺入肉类、海产品、乳制品和植物基产品）中越来越多的证据证明其抗菌有效性，但大型藻类抗菌剂在传统食品防腐策略中仍然被严重低估[23]。主要挑战包括：跨物种、季节和采收地点标准化生物活性成分组成；以具有成本效益的方式扩大培养和提取规模；确保在不同食品基质中的性能一致性；保持可接受的感官特性（如口感、气味和色泽）；以及为新型食品原料导航法规路径[24]。总体而言，这些挑战凸显了当前研究发现与实际食品防腐应用之间的关键差距。

本综述通过以下方式弥补这些差距：（i）概述合成食品防腐剂及相关挑战作为当前行业基准；（ii）总结绿藻、褐藻和红藻中抗菌次生代谢产物的多样性和关键化学类别；（iii）研究其对相关腐败和致病微生物的作用机制；（iv）评估传统和新兴提取策略及其对抗菌性能、稳定性和食品中潜在生物利用度的影响；（v）确定当前限制其更广泛采用的主要技术和法规障碍。通过整合食品微生物学、经典和现代天然产物化学以及过程工程学的视角，本综述旨在综合和批判性地评估当前关于大型藻类衍生抗菌剂在增强食品安全和防腐应用方面作用的知识。

**章节摘要**

**合成食品防腐剂及相关挑战**

合成抗菌防腐剂仍然是现代食品防腐的必需品，因为它们在各种产品中提供了可预测的、具有成本效益的且特征明确的抑制效果[25]。其在工业加工条件下的稳健性、易用性以及与现有法规框架的兼容性，使其成为饮料、酱汁、水果产品、烘焙食品、乳制品和肉类体系中微生物控制策略的核心。主要...

**大型藻类作为天然抗菌剂的来源**

尽管植物来源的天然抗菌剂已被广泛研究和应用，但探索具有可比或增强生物活性潜力的替代和未充分利用来源的兴趣日益增长。在此背景下，海洋大型藻类已成为食品体系中天然抗菌应用的有前景的候选者。

大型藻类正日益被认为是天然生物活性化合物的有前景来源，这得益于对可持续的日益增长的...

**挑战、限制与未来方向**

尽管大型藻类提供了化学多样化的具有已证实抗菌活性的化合物来源，但多种科学、毒理学、法规和技术挑战仍然限制其在食品防腐中的更广泛应用。一个基本的限制因素是大型藻类生物质及其相关化学组成的天然变异性。包括褐藻单宁、卤代类萜和硫酸化多糖在内的潜在活性代谢物的浓度...

**结论**

大型藻类是抗菌化合物的多样化来源，在食品防腐中具有潜在应用。在绿藻、褐藻和红藻中，包括褐藻单宁、卤代类萜、类胡萝卜素、生物碱和硫酸化多糖在内的化合物已显示出对食源性腐败和致病微生物的活性。其抗菌性能受到藻类物种、化学组成、提取条件、目标微生物和...的影响。

**关于生成式人工智能和人工智能辅助技术在稿件准备过程中使用的声明**

在本文准备过程中，作者使用了ChatGPT和Grammarly来提高本综述文章中呈现语言的整体清晰度。使用此工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

**CRediT作者贡献声明**

Hemavaruni Nisansala Fernando：撰写——初稿、概念构思。Matthew Flavel：撰写——审稿与编辑、监督。Russell S.J. Keast：撰写——审稿与编辑、监督。Snehal R. Jadhav：撰写——审稿与编辑、监督。Daniel Anthony Dias：撰写——审稿与编辑、监督。

**资金来源**

作者感谢迪肯大学高级食品科学中心、运动与营养科学学院的资助，以及由澳大利亚政府通过澳大利亚研究理事会的衔接计划资助的澳大利亚研究理事会分离分析技术联合中心（HyTECH，项目编号IC220100035）的支持。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

作者衷心感谢迪肯大学健康学院运动与营养科学学院高级食品科学中心，以及HyTECH ARC研究训练中心提供的设施、资源和技术支持。我们同样衷心感谢墨尔本大学的Gerald T. Kraft博士在藻类分类和鉴定方面提供的专业指导。此外，我们感谢使用ChatGPT和Grammarly。

Hemavaruni Nisansala Fernando | Matthew Flavel | Russell S.J. Keast | Snehal R. Jadhav | Daniel Anthony Dias