Tổng quan về nisin và ứng dụng trong bảo quản thực phẩm

Bài viết Tổng quan về nisin và ứng dụng trong bảo quản thực phẩm làm rõ về các đặc tính hóa lý của hợp chất nisin, các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng kháng khuẩn và làm nổi bật được lợi ích ứng dụng nisin trong ngành công nghiệp thực phẩm.

TỔNG QUAN VỀ NISIN VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO QUẢN THỰC PHẨM Phan Ngọc Hải Yến Võ Lê Ngân Hà *Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh GVHD: TS.GVC Nguyễn Lệ Hà TĨM TẮT Hiện nay, người tiêu dùng địi hỏi thực phẩm tự nhiên, đảm bảo an toàn thời hạn sử dụng kéo dài Nisin chất bảo quản tự nhiên cho nhiều sản phẩm thực phẩm, sản xuất Lactococcus lactis chủ yếu sử dụng sữa sản phẩm từ thịt Nisin ức chế vi khuẩn gây bệnh từ thực phẩm Listeria monocytogenes nhiều vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm Gram dương khác Nisin sử dụng kết hợp với chất bảo quản khác Bài viết làm rõ đặc tính hóa lý hợp chất nisin, yếu tố ảnh hưởng đến khả kháng khuẩn làm bật lợi ích ứng dụng nisin ngành cơng nghiệp thực phẩm Từ khóa: Nisin, bảo quản thực phẩm, đặc tính kháng khuẩn, ứng dụng thực phẩm GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ NISIN 1.1 Cấu tạo Nisin Chế phẩm nisin bacteriocin, có chất peptide đa vịng có tính kháng khuẩn, tổng hợp nhóm vi khuẩn Gram dương thuộc loài Lactococcus Streptococcus Nisin cấu tạo từ 34 gốc acid amin Các acid amin liên kết với acid amin khác thông qua cầu lưu huỳnh, tạo thành vòng đặc trưng Nisin liên kết với anion phospholipid sau di chuyển vào tế bào gây rối loạn trình trao đổi ion làm chết vi sinh vật (Lubelski cộng 2008; De Arauz cộng 2009) Vi khuẩn Gram âm bảo vệ lớp màng ngồi bị tác động nisin sau bị sốc nhiệt sau tạo tác nhân chelat hóa EDTA 387 1.2 Chức Nisin Nisin ức chế phát triển mầm bệnh thực phẩm, vi khuẩn gây hư hỏng bào tử Gram dương, sử dụng để cải thiện tính an tồn thời hạn sử dụng sản phẩm thực phẩm khác Cơ chế hoạt động nisin chủ yếu làm hư hỏng màng tế bào ức chế trình nảy mầm Đối với vi khuẩn gây hư hỏng thực phẩm, nisin chất kháng sinh mạnh Hiệu tác dụng nisin nhanh, biểu mức độ chủng bị cơng giảm nhanh sau vài phút có mặt nisin Nisin khơng độc, khơng kích thích tăng trưởng, có hoạt tính chống Clostridium, nên nisin trở thành chất bảo quản thực phẩm hiệu Nó sử dụng rộng rãi ứng dụng thương mại gần 50 quốc gia thường chấp nhận an tồn (GRAS) Tổ chức Nơng lương / Tổ chức Y tế Thế giới Liên minh Châu Âu phê duyệt (FDA 1988; EU 2004) ĐẶC TÍNH CỦA NISIN Juneja cộng (2012); Mills cộng (2011) báo cáo nisin có tác dụng ức chế vi khuẩn phổ biến cá, bao gồm Listeria monocytogenes, Escherichia coli Pseudomonas aeruginosa 2.1 Độ hòa tan Nisin chất peptide mang điện tích dương nên độ hòa tan phụ thuộc vào pH dung dịch Ở pH=2,2 độ hòa tan 56 mg/mL; pH=5,0 mg/mL pH =11 mg/mL, nisin hịa tan pH=3 sau đun nóng 1150C 20 phút giữ hoạt tính mạnh (97,5%) Ở mức pH khác, hoạt tính nisin giảm, pH=7 điều kiện nhiệt độ phòng nisin ngừng hoạt động Nisin biến đổi trình bảo quản dễ bị bất hoạt enzyme phân giải protein pH=8 Enzyme nisinase Steptococcus thermophilus, Lactobacillus plantarum, vi khuẩn lactic số loài Bacillus làm bất hoạt nisin Đối với vi khuẩn gây hư hỏng thực phẩm, nisin chất kháng sinh mạnh Nếu dùng hỗn hợp nisin với chất bảo quản khác acid sorbic tác dụng sát trùng chúng phạm vi rộng vi sinh vật 388 2.2 Độ bền nhiệt Hoạt tính gần không đổi nhiệt độ 4-100C Ở 30-600C sau 30 phút giữ 80-90% hoạt tính ban đầu Độ bền nhiệt nisin phụ thuộc vào pH, pH thấp độ bền nhiệt cao Trong q trình bảo quản thực phẩm, hoạt tính nisin bị giảm, đặc biệt nhiệt độ pH cao Tuy nhiên, nisin bền sau 30 tuần phomat với pH=5,8 nhiệt độ 200C 2.3 Hoạt tính kháng khuẩn nisin 2.3.1 Tính kháng khuẩn Nisin có khả ức chế tiêu diệt vi khuẩn Gram dương: Alicyclobacillus, Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Enterococcus, Lactobacillus, Leuconostoc, Listeria, Pediococcus, Staphylococcus Sporolactobacillus Hiệu tác dụng nisin nhanh, biểu mức độ chúng bị cơng giảm nhanh sau vài phút có mặt nisin Tác dụng nisin lên tế bào pha sinh trưởng thường mạnh nhiều so với tế bào pha cân 2.3.2 Phổ kháng khuẩn Nisin khơng có khả ức chế tiêu diệt vi khuẩn Gram âm, nấm men, nấm mốc, khác thành tế bào vi khuẩn Gram dương Gram âm Bacteriocin tạo lỗ thủng thành tế bào Gram dương mà không tế bào Gram âm Giá trị quan trọng nisin thể tác dụng ức chế vi khuẩn sinh bào tử Clostridium Bacillus, tác nhân gây hư hỏng thực phẩm Nhiều nghiên cứu chứng minh nisin ngăn chặn phát triển bào tử Clostridium botulium loại A, B, E 2.3.3 Cơ chế tác động nisin Hoạt động nisin bị ảnh hưởng số yếu tố mơi trường: pH, kích thước vi sinh vật, tương tác với thành phần thực phẩm Hoạt động nisin tăng lên với việc giảm pH giảm số lượng ban đầu vi sinh vật Sự có mặt thành phần thực phẩm chất béo protein ảnh hưởng tới hoạt động nisin Nisin chống lại L monocytogenesin sữa kem nồng độ chất béo tăng Điều giải thích liên kết nisin với hạt cầu béo, khắc phục cách thêm chất nhũ hóa (ví dụ Tween 80) Thomas cộng (1998) chứng minh ester đường acid béo (sucrose, palmitate sucrose stearat) chất nhũ hóa tăng cường hoạt động nisin chống lại Bacillus cereus, Listeria monocytogen, Lactobacillus plantarum Staphylococcus aureus, không ảnh hưởng đến hoạt động nisin việc chống lại vi khuẩn Gram âm ỨNG DỤNG CỦA HỢP CHẤT NISIN TRONG BẢO QUẢN THỰC PHẨM Một số khả xem xét để ứng dụng nisin bảo quản thực phẩm như: phun tẩm vào thực phẩm có chủng tạo nisin, sử dụng sản phẩm lên men có nisin, bổ sung nisin tinh khiết bán tinh khiết chất bảo quản bổ sung nisin bao bọc cố định nisin thể rắn để tạo hạt, gel, màng nhằm kiểm soát phát triển bảo vệ khỏi suy giảm cách cắt enzyme phân giải protein 389 Nisin nên thêm dạng dung dịch nước trộn với thức ăn trình sản xuất Khi nisin thêm vào dạng bột, người ta phải đảm bảo phân phối thích hợp đồ ăn Ngồi ra, nisin sử dụng để khử nhiễm bề mặt thực phẩm cách phun Suốt giai đoạn sản xuất, nisin phải thêm vào bước cuối để nisin giữ hoạt tính đầy đủ Trong thực tế, nisin thường kết hợp phun bề mặt sản phẩm dạng bột thương mại khơ có chứa lượng nhỏ 2,5% nisin nguyên chất so với trọng lượng sản phẩm 3.1 Sản phẩm từ sữa Bổ sung nisin vào sữa q trình làm mát mà khơng có q trình lên men lactic cho phép kiểm sốt nhiễm vi sinh vật mà không làm biến đổi nisin trình trùng Nisin ức chế phát triển bào tử Cl botulinum mát (Cleveland cộng 2001) Trong mát cấy với 104 CFU g-1 Listeria monocytogenes, giảm log Quần thể L monocytogenes xuất vòng ngày 20°C sau bổ sung 50 µg g-1 nisin (Ferreira Lund 1996) Bổ sung nisin nồng độ 100 mg kg-1 ức chế hoàn toàn bào tử nảy mầm tháng trình bảo quản mát 5°C Ngoài ra, số loài Bacillus bị ức chế sử dụng mg kg-1 nisin (Plockova cộng 1996) Ngoài ra, đo nồng độ nisin dư mát cho thấy mát không vượt 32% sau ủ 6-8°C 10 tuần (Davies cộng 1997) 3.2 Sản phẩm thủy sản Ảnh hưởng nisin lên chất lượng sinh hóa vi sinh vật thời hạn sử dụng cá hồi vân đóng gói chân khơng (Oncorhynchus mykiss) 16 ngày bảo quản 4°C nghiên cứu Theo kết thu được, cá xử lý nisin cho thấy số sinh hóa thấp (p0,05) giữ acid thiết yếu cá acid eicosapentaenoic acid docosahexaenoic So sánh thành phần acid béo hai nhóm mẫu tồn thời gian bảo quản chứng minh cá xử lý nisin có chứa tỷ lệ acid béo nguyên chất (EPA + DHA) cao Hơn nữa, giá trị lớn ω3/ω6 PUFA/SFA cá hồi vân xử lý xác nhận cá hồi vân đóng gói chân khơng xử lý nisin giàu PUFA sau 16 ngày bảo quản 4°C, giá trị dinh dưỡng cao đối chứng Có thể kéo dài đến 16 ngày so với 12 ngày xử lý khơng có nisin Nghiên cứu kết luận xử lý cá hồi vân đóng gói chân không với nisin dẫn đến cải thiện chất lượng kéo dài thời gian bảo quản cá từ 12 đến 16 ngày 4°C có lẽ hoạt động diệt khuẩn chống oxy hóa chất bảo quản sinh học Ảnh hưởng tinh dầu Oregano (EO) nisin lên thời hạn sử dụng ức chế vi sinh vật cá trắm cỏ fillet (Ctenopharyngodon idellus) đóng gói mơi trường chân khơng Một nghiên cứu sơ thực để xác định nồng độ tối ưu hai chất kháng khuẩn mà chúng ức chế phát triển vi khuẩn cải thiện chất lượng cảm quan cá trắm cỏ fillet Các kết oregano EO (0,1% v/v) nisin (0,2% w/v) thỏa mãn tiêu chí bảo quản thực phẩm Thời hạn sử 390 dụng mẫu cá đánh giá dựa thuộc tính cảm quan số hư hỏng, bao gồm màu sắc, mùi, kết cấu, tổng nitơ dễ bay amin sinh học Việc bổ sung oregano EO kết hợp với nisin kéo dài đáng kể thời hạn sử dụng cá từ 16 ngày lên 20, 20 28 ngày, tương ứng Việc bổ sung oregano EO nisin ức chế đáng kể phát triển vi sinh vật cá, đặc biệt vi khuẩn acid lactic vi khuẩn gây hư hỏng chiếm ưu cá fillet Trong việc sử dụng oregano EO nisin không làm thay đổi vi khuẩn chiếm ưu mẫu cá, chúng làm giảm đáng kể tổng số lượng sống sót Xử lý cá fillet nisin làm giảm mức tyramine tăng giá trị pH, tác dụng ức chế vi khuẩn Gram dương Kết cho thấy oregano EO kết hợp với nisin có tiềm lớn sử dụng làm chất kháng khuẩn tự nhiên để kéo dài thời gian bảo quản cá trắm cỏ Vơ hiệu hóa vi khuẩn Listeria innocua cá tầm trắng (Acipenser transmontanus) cá hồi Thái Bình Dương (Oncorhynchus keta) nghiên cứu sau xử lý nisin sưởi ấm tần số vô tuyến sau điều trị hóa chất kháng khuẩn sưởi ấm vừa phải (Al-Holy cộng 2005) Các tác giả nhận thấy nisin kết hợp với tần số vô tuyến nhiệt vừa phải, ức chế phát triển L innocua L monocytogenes tổng số vi sinh vật ưa thích tương ứng, mà khơng làm thay đổi chất lượng sản phẩm qua xử lý Elotmani Assobhei (2004) đánh giá ức chế hệ vi sinh vật cá mòi với nisin lactoperoxidase, quan sát thấy hiệu việc kết hợp nisin lactoperoxidase việc ức chế hệ vi sinh vật gây hại cho cá Gần đây, nisin sử dụng để giảm số lượng bề mặt L monocytogenes, Salmonella hệ vi sinh địa tơm ngun liệu đóng gói hút chân không bảo quản 4°C (Wan Norhana cộng 2012) 3.3 Thực phẩm rau Tế bào E coli L innocua, sử dụng làm mơ hình cho mầm bệnh từ thực phẩm, cấy vào nước ép táo cà rốt (7 log CFU/mL) chứa 10 IU / mL nisin (Pathanibul cộng 2009) Ở nghiên cứu này, lượng nhỏ nisin (0,25 mg L-1) thêm vào nước ép táo cà rốt trước Khơng có hiệu ứng bất hoạt bổ sung quan sát thấy kết hợp với cao áp lực chống lại tế bào E coli K12 Tuy nhiên, hiệu ứng tổng hợp quan sát thấy trường hợp L innocua điều kiện tương tự Trong nghiên cứu khác, Xu cộng (2007) cho hỗn hợp nisin với acid citric chiết xuất hạt bưởi ức chế đáng kể vi khuẩn thử nghiệm (chủng Salmonella spp chủng L monocytogenes) kéo dài thời gian bảo quản tươi cắt loại rau ăn sẵn dưa chuột rau diếp Sun cộng (2012) cho nisin sử dụng thành công để bảo quản sản phẩm thực vật lên men bia rượu ức chế vi khuẩn gây hư hỏng, khơng ảnh hưởng đến q trình lên men ethanol 3.4 Kết hợp với chất kháng khuẩn khác Nghiên cứu thực để đánh giá tác dụng kháng khuẩn bảo quản kết hợp nisin (NS), polyphenol trà (TP), chiết xuất hương thảo (RE) chitosan (CS) xúc xích gà tiệt trùng Một thử nghiệm cho thấy chất bảo quản hiệu hỗn hợp 0,05% NS cộng với 0,05% TP cộng với 0,03% 391 RE cộng với 0,55% CS (trọng lượng theo trọng lượng xúc xích) Hỗn hợp có tác dụng kháng khuẩn chống oxy hóa xúc xích gà tiệt trùng kéo dài thời hạn sử dụng 30 ngày 4°C Tác dụng ức chế NS, TP, RE CS đánh giá Pseudomonas aeruginosa, vi khuẩn lactic (LAB) Staphylococcus aureus, vi khuẩn gây hư hỏng gây bệnh chiếm ưu xúc xích gà tiệt trùng NS có tác dụng ức chế lớn LAB S aureus, với đường kính vùng ức chế 19,7 17,8 mm Những kết kết hợp NS, TP, RE CS sử dụng chất bảo quản tự nhiên để ức chế hiệu phát triển vi sinh vật xúc xích gà tiệt trùng cải thiện độ an toàn thời hạn sử dụng Ảnh hưởng chitosan kết hợp với nisin đến việc tăng cường chất lượng bảo quản mực jumbo (Dosidicus gigas) nghiên cứu trình bảo quản lạnh (4 ± 1°C) Chitosan 1% kết hợp với nồng độ nisin khác (0, 6g/L) sử dụng làm chất bảo quản Có ba loại chất bảo quản điều chế bao gồm 1% chitosan (T1), 1% chitosan kết hợp với g/L nisin (T2) 1% chitosan kết hợp với 6g/L nisin (T3) Ba nhóm mực jumbo nhúng vào ba dung dịch bảo quản 30 phút, nhóm đối chứng xử lý 1000ml nước khử ion Sau để nước 15 phút, tất mẫu đóng gói túi vơ trùng PE bảo quản ± 1°C ngày Các nhóm bảo quản xử lý 1% chitosan kết hợp với nồng độ khác nisin, so với nhóm đối chứng xử lý cách sử dụng nước khử ion Đánh giá cảm quan, GC – MS, kết kiểm tra vi sinh hóa lý chứng minh chitosan 1% kết hợp với xử lý nisin 6g/L công thức bảo quản tối ưu cho mực jumbo 1% chitosan kết hợp với 6g/L nisin trì hiệu khả chấp nhận cảm quan cao, giảm độ ẩm sản phẩm hư hỏng dễ bay hơi, ức chế phát triển vi sinh vật, chất dinh dưỡng (protein, nucleotide, v.v.) phát xạ Do đó, chitosan làm giàu cách xử lý nisin cung cấp giải pháp thay chất bảo quản đầy hứa hẹn cho cá với số ưu điểm bao gồm tự nhiên, phân hủy sinh học, hiệu quả, chi phí thấp, v.v KẾT LUẬN Sử dụng nisin để bảo quản thực phẩm mang lại số lợi ích: tăng thời hạn sử dụng sản phẩm, giảm nguy lây truyền mầm bệnh qua thực phẩm, giảm việc sử dụng muối, acid, chất bảo quản hóa học khác, cho phép sử dụng phương pháp xử lý mềm giúp bảo quản tốt vitamin đặc tính cảm quan Tuy nhiên, phần lớn báo liên quan đến ứng dụng nisin giải kết hợp với phương pháp điều trị khác Bởi giảm nhanh hoạt tính ức chế nisin bị phân huỷ enzym phân giải protein tương tác với hợp chất béo, cơng trình nghiên cứu nhằm mục đích cải thiện độ ổn định nisin hiệu cách kết hợp vi nang, liposome màng bao gói 392 TÀI LIỆU THAM KHẢO Al-Holy, M., Lin, M., and Rasco, B (2005) Destruction of Listeria monocytogenes in sturgeon (Acipenser transmontanus) caviar by a combination of nisin with chemical antimicrobials or moderate heat J Food Protect 68: 512–520 Chung, K., Dickson, J s., Crouse, J D 1989 Effects of nisin on growth of bacteria attached to meat Appl Environ Microbiol 55:1329-1333 Chollet, E., Sebti, I., Martial-Gros, A., and Degraeve, P (2008) Nisin preliminary study as a potential preservative for sliced ripened cheese: NaCl, fat and enzymes influence on nisin concentration and its antimicrobial activity Food Control, 19: 982-989 Davies, E A., Bevis, H E., and Delves-Broughton, J (1997) The use of the bacteriocin, nisin, as a preservative in ricotta-type cheeses to control the food-borne pathogen Listeria monocytogenes, Lett Appl Microbiol De Arauz LJ, Jozala AF, Mazszola PG, et al Nisin biotechnological production and application: a review Trends Food Sci Tech 2009 Đàm Sao Mai, Nguyễn Thị Hoàng Yến, Đặng Bùi Khuê (2012) Phụ gia thực phẩm Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Elotmani, F and Assobhei, O (2004) In vitro inhibition of microbial flora of fish by nisin and lactoperoxidase system Lett Appl Microbiol Garde, S., Ávila, M., Medina, M., and Nuňez, M (2004) Fast induction of nisin resistance in Streptococcus thermophilus INIA 463 during growth in milk Int J Food Microbiol Hansen, J N 1994 Nisin as a model food preservative CRC Crit Rev Food Sci.Nutr 10 Jie Peng, Feixiang Zheng, Liu Wei, Han Lin, Jinghao Jiang, Guohua Hui (2017) Jumbo squid (Dosidicus gigas) quality enhancement using complex bio-preservative during cold storage 11 J Delves-Broughton, P Blackburn, R J Evans & J Hugenholtz (1996) Applications of the bacteriocin, nisin 12 Lubelski J, Rink R, Khusainov R, et al Biosynthesis, immunity, regulation, mode of action and engineering of the model lantibiotic nisin Cell Mol Life Sci 2008 13 Mengsha Gao, Lifang Feng, Tianjia Jiang, Junli Zhu, Linglin Fu, Dongxia Yuan, Jianrong Li (2013) The use of rosemary extract in combination with nisin to extend the shelf life of pompano (Trachinotus ovatus) fillet during chilled storage 393 14 Shabnam B., Mohammad A., Masoud R., Siyavash S & Reza S (2013) Effect of nisin as a biopreservative agent on quality and shelf life of vacuum packaged rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) stored at 4°C 15 Sun, J., Zhu, H xia, Guo, J., and Xiao, D G (2012) The bacteriostasis study of nisin for the raspberry health draft beer 16 Wan Norhana, M N., Poole, S E., Deeth, H C., and Dykes, G A (2012) Effects of nisin, EDTA and salts of organic acids on Listeria monocytogenes, Salmonella and native microflora on fresh vacuum packaged shrimps stored at °C Food Microbiol 394 ... động nisin việc chống lại vi khuẩn Gram âm ỨNG DỤNG CỦA HỢP CHẤT NISIN TRONG BẢO QUẢN THỰC PHẨM Một số khả xem xét để ứng dụng nisin bảo quản thực phẩm như: phun tẩm vào thực phẩm có chủng tạo nisin, ... Chức Nisin Nisin ức chế phát triển mầm bệnh thực phẩm, vi khuẩn gây hư hỏng bào tử Gram dương, sử dụng để cải thiện tính an toàn thời hạn sử dụng sản phẩm thực phẩm khác Cơ chế hoạt động nisin. .. thời hạn sử dụng sản phẩm, giảm nguy lây truyền mầm bệnh qua thực phẩm, giảm việc sử dụng muối, acid, chất bảo quản hóa học khác, cho phép sử dụng phương pháp xử lý mềm giúp bảo quản tốt vitamin