隨著對食品安全和健康問題的普遍關注，消費者對天然產物的興趣越來越高。由於化學防腐劑存在的問題和缺陷，天然生物防腐劑引起了食品工業界的極大重視。采用天然防腐劑，可以賦予食品更高的營養價值，減少或完全停用化學防腐劑，並且確保食品的微生物安全性。天然生物防腐劑是指來源於植物、動物、微生物的具有預防食品腐敗作用的抗菌物質，天然防腐劑的作用方式是抑製微生物的生長及發生在食品中的氧化反應和酶促反應。
目前控製食品微生物的主要措施是添加化學防腐劑，但由於化學防腐劑存在諸多缺陷，而且濫用和過量使用會導致出現新的食品安全問題。隨著越來越多的消費者對食品安全和健康的日益關注，如今的食品工業更加強調天然防腐劑的使用，因而探索天然產物作為食品防腐劑已成為研究的熱點。使用天然生物防腐劑可以保持食品的營養和品質特性，不受化學防腐劑汙染，並保證食品的微生物安全，這種日益增長的需求為生物防腐劑的使用提供了良好的機遇。
微生物源生物防腐劑
一些微生物本身或其代謝產物具有抑製微生物生長繁殖的作用，可以用作防腐劑的生產。微生物本身作為食品防腐劑目前主要有乳酸菌，微生物代謝產物作為食品防腐劑的有乳酸菌等細菌產生的細菌素及那他鏈黴菌產生的納他黴素等。
微生物活菌作為食品防腐劑研究最多的是乳酸菌，乳酸菌是國際公認的可食用的安全性微生物，且多數乳酸菌本身具有改善腸道益生菌菌群的功能，許多研究發現，多種乳酸菌具有抗菌特性。乳酸菌在食品及農產品中的抑菌作用可以通過兩種方式實現。其一是通過添加活性菌體作為發酵劑或輔助發酵劑，與農產品中汙染或存在的各種微生物共同培養，利用不同微生物間的拮抗和競爭抑製作用，抑製有害微生物的生長而不影響有益菌的增加；其二是利用微生物在正常生長代謝過程中產生的具有抗真菌和抗細菌作用的抑菌活性物質的提取分離組分，按一定量添加於食品和農產品中達到防腐保鮮的目的。
微生物代謝產物作為食品防腐劑研究最多的是細菌產生的細菌素和放線菌中的那他鏈黴菌產生的納他黴素等。
某些細菌可以產生許多對其他細菌具有抑製作用的化合物，它可以被用來抑製潛在的腐敗或病原微生物的生長。這些化合物包括發酵最終產物，如有機酸、過氧化氫、雙乙酰以及細菌素和其他抑菌化合物如羅伊氏菌素（reuterin）等。革蘭氏染色陰性細菌和革蘭氏染色陽性細菌均產生細菌素。細菌素是蛋白質性質的抗菌化合物，是由核糖體合成的抗菌肽。
細菌素根據產生菌不同和分類標準,可以分為五類。其中大多數屬於I和II類，是迄今為止研究最深入的。第I類稱為羊毛硫細菌素（lantibiotics），是含有一些不同尋常的氨基酸的小肽；II類細菌素很小，未經修飾、具有熱穩定性。另一個分類方法是根據產生細菌素的微生物的屬、種或群進行命名，如乳酸菌產生的羊毛硫細菌素，大腸杆菌產生的大腸杆菌素（colicin），肺炎克雷伯氏菌產生的克雷伯菌素（klebisin）等。
從乳酸菌中已分離出大量的細菌素，並對其特性進行了研究。一些乳酸菌細菌素對食品中重要致病和腐敗菌具有抗菌活性，已作為食品防腐劑在生產中使用。重要的有乳鏈球菌肽（Nisin）、雙球菌素（diplococcin）、嗜酸菌素（acidophilin）、保加利亞菌素（bulgarican）、瑞士菌素（helveticin）、乳酸菌素（lactacin）、植物乳杆菌素（plantaricin）。Nisin由乳酸乳球菌（Lactococcuslactis）菌株產生，是迄今為止研究最徹底的細菌素，作為食品添加劑在全球得到應用。除Nisin及相關化合物如片球菌素（pediocin）是廣泛用於食品保藏的細菌素之外，還有許多其他細菌素也已被認為具有作為食品防腐劑的潛力。
Nisin是目前應用最廣泛的細菌素，但是它的抑菌譜有局限性，對革蘭氏染色陰性細菌或真菌無抑製作用，僅在低pH時有效。商品化的Nisin 由乳酸乳球菌在經改良的牛奶培養基中發酵而生產，作用位點是細菌細胞質膜的磷脂成分，從而擾亂膜功能，通過抑製芽孢的膨脹過程預防其發芽。它對許多革蘭氏染色陽性細菌具有高活性，特別應用於奶酪工業控製梭狀芽孢杆菌的繁殖。
Pediocin由乳酸片球菌（Pediococcus acidilactici）和戊糖片球菌（P. pentosaceus）的一些菌株產生，屬於公認安全（GRAS）的細菌素。這些微生物通常從發酵香腸中分離得到，並用於發酵香腸的生產。由乳酸片球菌產生的細菌素有AcH、PA-1和JD，戊糖片球菌產生的片球菌素有A、N5p、ST18 和PD1。大多數片球菌素具有耐熱性和蛋白質性質，在廣泛的pH範圍內有效。片球菌素AcH對腐敗和致病菌有效，其中包括產單核細胞增多症李斯特菌、糞腸球菌、金黃色葡萄球菌和產氣莢膜梭狀芽孢杆菌。
羅伊氏菌素的化學本質是β-羥基丙醛（β-hydroxypropionaldehyde），是一種溶於水的非蛋白質性質的甘油代謝物。它是由羅伊氏乳杆菌（Lactobacillusreuteri）產生的具有廣譜抗菌作用的化合物，對革蘭氏染色陰性和革蘭氏染色陽性細菌、酵母和絲狀真菌有殺菌作用。羅伊氏菌素在廣泛的pH範圍內有效，對抗蛋白水解酶和脂肪分解酶有耐受性，對單核細胞增多症李斯特菌有抑菌活性，但僅在37℃時對金黃色葡萄球菌有輕微抑製作用。然而，對大腸杆菌O157:H7（Escherichia coli O157:H7）、豬霍亂沙門氏菌豬霍亂亞種（Salmonella choleraesuis subsp. choleraesuis）、小腸結腸耶爾森氏菌（Yersinia enterocolitica）、嗜水氣單胞菌嗜水氣亞種（Aeromonas hydrophila subsp.hydrophila）和空腸彎曲菌（Campylobacter jejuni）有較高的抗菌活性。
納他黴素由那他鏈黴菌（Streptomyces natalensis）產生，化學本質是多烯烴大環內酯類物質，對幾乎所有黴菌和酵母有效，但對細菌有很少或沒有影響。1955年斯塔克（Struyk）等人從南非Natal州Pietermaritzburg鎮附近的土壤中分離到納塔鏈黴菌，從中分離出了一種新的抗真菌物質。1957年Struyk等稱這種新的抗真菌物質為匹馬菌素（pimaricin)。1959年博潤（Burns）等人在美國田納西州Chattanooga 的土壤中也分離到了一株恰塔努加鏈黴菌（Streptomyces chattanoogensis），從其培養物中分離到了田納西菌素（tennecetin)。此後的研究證明，匹馬菌素和田納西菌素為同一物質，被世界衛生組織統一命名為納他黴素。
植物源生物防腐劑
植物出於物種保護和延續及防禦疾病的目的產生具有抑菌作用的化合物，包括某些芳香成分和多肽。這些芳香成分以一種前體形式存在，植物組織受到損害後被酶分解，成為有抗菌作用的芳香物質。植物多肽是植物自身合成的能夠防禦環境中微生物侵害的一類小分子多肽。
可食用、藥用和草本植物提取的植物精油包含大量的次生代謝物，具有延緩或抑製細菌、酵母、黴菌生長的作用。這些化合物現正處於研究階段，尚未達到商業化應用。植物精油作為一種主要植物化學成分廣泛存在於多種植物中。植物材料的抗菌化合物常見於枝葉（迷迭香、鼠尾草、羅勒、牛至、百裏香和馬鬱蘭）、鮮花或嫩芽（丁香）、根莖（大蒜和洋蔥）、種子（香菜）的精油組分。研究表明，作為植物次生代謝物的植物揮發性物質具有抑製細菌、酵母及黴菌生長的作用。植物精油在植物中的含量一般為0.001%—10%，少數可達到20%。植物精油對於革蘭氏陽性菌的抑製作用要強於對革蘭氏陰性菌的抑製作用，也有許多植物的揮發性物質（如牛至、丁香、桂皮）對於這兩類細菌都有很強的抑製作用。一般來說，植物精油的抗菌效果取決於組分的化學結構和濃度，具有抗菌作用的大部分植物精油組分是酚類、萜烯類、脂肪族醇、醛類、酮類、酸類及異黃酮類化合物。精油中富含的丁子香酚（如甜胡椒、丁香芽、丁香葉和肉桂葉揮發性物質）、肉桂醛及檸檬醛（如山胡椒和檸檬揮發性物質）都是極強的抗菌劑。鼠尾草和迷迭香的抗菌活性歸因於龍腦和酚類化合物的貢獻，牛至、百裏香和香薄荷揮發性物質中含有的揮發性萜烯類化合物香芹酚、γ-萜品烯及百裏香酚都對抗菌活性有重要的貢獻。
植物抗菌肽是植物自身合成的能夠防禦環境中微生物侵害的一類小分子多肽。它們大都是陽離子多肽，有較好的熱穩定性，作用位點和抗菌機理各不相同。研究較多的植物抗菌肽可分為三大類，分別是硫堇、植物防衛素和脂質轉移蛋白。
硫堇（Thionins）最早發現於禾本科植物的種子，是一類分子量在5kD 左右的堿性蛋白，氨基酸殘基數約為45—47，都含有較高比例的半胱氨酸殘基。硫堇廣泛存在於植物的種子、葉片及根係的表皮細胞中，可以抑製多種植物病原細菌以及20多種病原真菌的生長。編碼硫堇的基因主要在花、果實和葉中表達，其他器官中表達量很少，但在微生物侵害後可以大量表達。合成的硫堇多積累在表皮細胞中，其中的95%位於液泡中。當植物體感染真菌部位的細胞及其液泡遭到破壞時，儲存在內的硫堇就會釋放出來並作用於真菌，從而起到保護作用。
植物防衛素（Plant defensins）於1990年從大麥和小麥種子中首先分離得到。最初此類物質由於分子大小及半胱氨酸含量與硫堇極其相似而被命名為γ-thionins。因其與哺乳動物防衛素和昆蟲防衛素在結構上的相似性及同源性，γ-thionins被命名為植物防衛素。植物防衛素分子量在5kD左右，一般由45—54個氨基酸殘基構成，其中有8個半胱氨酸殘基。植物防衛素對多種真菌有較強的抑製作用，而對細菌的作用卻不明顯，廣泛分布於種子植物的各類器官中（胚、子葉、莖、葉、果實及花器官）。對擬南芥的研究表明，防衛素的表達具有嚴格的器官特異性。目前大部分防衛素是從植物種子中分離得到的。免疫染色和原位雜交技術表明，防衛素優先在植物表皮細胞如種子表皮、莖及葉原基表層細胞中積累。
脂質轉移蛋白（Lipid transfer proteins）是一類小分子量蛋白，由90—93個氨基酸殘基構成，其中有8個半胱氨酸以及12個疏水和芳香氨基酸位點具有序列保守性。此類蛋白由於在體外能將磷脂從膜表麵轉運到胞內而得名，而這一功能是通過一個由4個二硫鍵固定的中央隧道狀疏水蛋白區域完成的。絕大多數轉脂蛋白不但能抑製多種革蘭氏陰性菌，還能抑製部分陽性菌和真菌的生長。植物許多器官中都存在脂質轉移蛋白，而且在圍繞植物器官的表皮細胞和外周細胞、器官脫落區的表達特別高，免疫細胞化學定位研究揭示擬南芥和花椰菜中的轉脂蛋白可能存在於植物體的細胞壁中。
動物源生物防腐劑
動物來源的抗菌係統有很多，他們往往由宿主的防禦機製進化而來。溶菌酶為殺細菌的酶類，商業化的溶菌酶來自雞蛋的蛋白，抑製酪丁酸梭狀芽孢杆菌的孢子在奶酪中的發芽。溶菌酶可有效抑製各種食品腐敗微生物，可以成功地用於延長各種食品的保質期，包括原料和加工肉類、奶酪和其他乳製品。
乳過氧化物酶出現在天然牛乳中，對細菌和真菌具有強大的抗菌效果，可廣泛抑製革蘭氏陰性和革蘭氏染色陽性細菌，而革蘭氏染色陰性細菌更加敏感。許多動物固有的抗菌物質的存在形式為抗菌肽。抗菌肽廣泛分布在自然界中，作為生物非特異性宿主防禦係統的重要成分。過去20年間發現的抗菌肽數量不斷增加，動物細胞產生的抗菌肽包括蛙皮素（magainin）、豬卡薩林素（cathelicidin）、企鵝β-防禦素（spheniscin）、美洲擬鰈素（pleurocidin）、皮抑菌肽（dermaseptin）、天蠶素（cecropin）。抗菌肽為解決傳統抗生素耐藥性問題提供了一個有前途的解決方案，抗菌肽不以特異性分子作為靶位，對細胞膜的破壞迅速，使細菌細胞甚至沒有足夠的時間發生突變而快速生長。
一些動物源抗菌肽有作為食品添加劑的潛力。Pleurocidin是一個25 個氨基酸的多肽，由美洲擬鰈（Pleuronectes americanus）皮膚黏液層中分離得到。該抗菌肽熱穩定，耐鹽，對生理濃度的鎂和鈣不敏感，對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌有抑菌活性。Pleurocidin可有效預防食源性微生物，包括副溶血性弧菌、單核細胞增多症李斯特菌、大腸杆菌O157:H7、釀酒酵母、展青黴。Pleurocidin對食源性微生物的抗菌活性劑量遠低於法規規定的Nisin 的劑量（10 000 IU/g），對人類紅細胞無顯著影響，從而表明其作為天然食品防腐劑和替代傳統的化學防腐劑的潛力。然而，Pleurocidin可被鎂和鈣抑製，這可能會限製在富含這些陽離子環境中的使用。
動物防禦素是不同動物體內廣泛存在的抗菌肽，包括哺乳動物、雞、火雞等。它們在細胞和組織中含量豐富，發揮宿主防禦微生物的作用。防禦素具有光譜的抗菌活性，對革蘭氏陽性細菌、革蘭氏陰性細菌、真菌和被膜病毒等具有抗菌活性。
乳鐵蛋白是牛奶中的鐵結合糖蛋白，對革蘭氏染色陽性和陰性細菌、真菌和寄生蟲具有廣譜抗菌作用。乳鐵蛋白最近已在美國獲得許可（USDA-FSIS 2008.FSIS Directive 7120.1 Amendment 15），已被應用於肉製品。
魚精蛋白，如鮭精蛋白和鯡精蛋白，從魚體中分離得到，可有效抑製革蘭氏染色陰性和陽性細菌、酵母、黴菌。蛙皮素從青蛙中分離得到，發現其對一係列食品相關病原體有抑菌效果，顯示可能作為食品防腐劑。
殼聚糖為天然生物聚合物，從甲殼類動物和節肢動物的外骨骼中獲得，多陽離子性質，具有抗真菌活性和抗細菌活性。殼聚糖的分子量似乎對其抗菌活性有影響，低分子量殼聚糖可有效控製大腸杆菌的生長。殼聚糖分子量對金黃色葡萄球菌的活性也有重要影響。
動物源脂質對多種微生物具有抗菌活性。在黏膜表麵的遊離脂肪酸可以抑製金黃色葡萄球菌。乳脂質可以使革蘭氏陽性細菌包括金黃色葡萄球菌、肉毒梭狀芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、蠟樣芽孢杆菌、單核細胞增多症李斯特菌失活，使革蘭氏陰性細菌如綠膿杆菌、大腸杆菌和腸炎沙門氏菌血清型失活，並對各種真菌如黑曲黴、釀酒酵母、白念珠菌有抑製作用。脂質可以抑製和預防致病性或食品中腐敗微生物在食品基質中的增殖。二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）和二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）形成於動物（包括魚類和貝類）組織，而不產生於植物組織。DHA是膜結構脂質的成分，在某些動物神經係統的視網膜和非鞘磷脂膜的磷脂膜成分中很豐富，生物轉化的EPA和DHA表現出對四種革蘭氏陽性細菌，包括枯草芽孢杆菌、單核細胞增多症李斯特菌、金黃色葡萄球菌ATCC 6538、金黃色葡萄球菌KCTC1916 和七個革蘭氏陰性細菌，包括產氣腸杆菌、大腸杆菌、大腸杆菌O157:H7、銅綠假單胞菌、腸炎沙門氏菌、鼠傷寒沙門氏菌的抑菌活性。EPA和DHA對革蘭氏陽性細菌的生長抑製作用相似，而DHA的生物轉化提取物對革蘭氏陰性細菌的作用比EPA更有效。
生物防腐劑在食品中的應用
Nisin是唯一得到商業化和大規模應用的細菌素。1961年，WHO允許在食品中使用該細菌素，現在全世界大約有50個國家允許將其作為食品添加劑。盡管Nisin具有抗菌譜較廣、天然、無毒副作用、安全、高效等優點，但仍有其在中性和堿性條件下溶解度低，對食品中一些酶敏感，及一些細菌可對其產生抗性等問題。因此，對僅單獨使用一種細菌素保鮮貯藏的食品，抗細菌素的病原微生物的出現可能存有潛在威脅。對Nisin作為食品防腐劑抑製各種致病菌的效果已進行了大量的評估研究。Nisin已被用於抑製牛肉、香腸、全蛋液、碎牛肉、家禽、即食肉製品和果汁中微生物的生長。
1982年6月，美國FDA正式批準納他黴素可用作食品防腐劑。1997年3月28日，我國衛生部批準納他黴素（美國pfizer公司的產品Natamax）作為食品防腐劑可以在國內使用。使用範圍為乳酪、肉製品、廣式月餅和糕點表麵、果汁原漿表麵、易發黴食品、加工器皿表麵。目前，全世界已有50多個國家采用納他黴素作為食品防腐劑。
甘油一酸酯可增加包括醬油、味噌、香腸、蛋糕和麵條等多種食物的保質期。月桂酸單甘酯對海鮮沙拉和各式各樣的新鮮食物包括剔骨雞肉、切碎魚肉、冷凍牛肉、法蘭克福肉醬有防腐作用。
多種植物提取物在食品防腐中的應用也取得了一係列研究進展。如丁香酚、丁香油、牛至和肉豆蔻精油、辣椒提取物、香芹酚、肉桂醛、百裏酚等，分別在冷藏加工雞肉、法蘭克福雞肉香腸、肉湯、生牛肉等食品中微生物的抑菌防腐上取得了可觀的抑菌效果。
動物源防腐劑的抗菌性質及其可能的潛在的食品應用仍處於初級階段，動物來源的抗菌劑雖具有重要潛力，但仍沒有加以利用。
其他一些受到關注的是抗菌活性生物防腐劑包裝技術的應用。這些係統可以適用於植物、動物和微生物源的抗菌劑，將其以一個小包裝袋的形式放入食品包裝內，在包裝袋中使抗菌劑處於分散狀態，或在包裝袋表麵用抗菌劑進行塗層，或利用抗菌高分子的成膜性能。塗膜包裝已應用於肉、魚、家禽、麵包、奶酪、水果和蔬菜的防腐。
結論與展望
隨著消費者對食品安全和綠色添加劑需求的增長，近年來興起了對天然生物防腐劑的研發熱潮。在過去的20年裏，天然防腐劑已經逐漸投入實際應用，並證明這些技術可以有效滅活食品中的微生物和酶而對其感官和營養屬性沒有顯著的影響。研究表明，天然生物防腐劑為食品加工提供了獨特的優勢，除了改善食物的保質期和安全性外，天然生物防腐劑有利於食品新產品的開發，有助於保持食品品質和營養。
天然生物防腐劑的應用很可能在未來得到穩步增長，因為食品消費的趨勢是消費者要求食品最低化加工和隻含天然的防腐劑成分。盡管生物防腐劑顯示了在食品保藏中的巨大潛力，但要將生物防腐劑大規模推廣應用，還有許多問題需要解決。首先，大部分的文獻報道的抗菌數據來自模擬汙染食品樣品或實驗室培養基。在實際食品係統中使用生物防腐劑的水平可能比實驗室試驗所需的水平高很多，但動植物和微生物體內天然抗菌物質的含量一般極其微量，加之分子量小，分離純化困難，提取步驟繁瑣，得率低。其次，生物防腐劑的抑菌活性一般較化學防腐劑低、抑菌譜也比較窄。而且添加生物防腐劑也可能會對食品的感官性質產生負麵影響。這些是影響開發應用的主要問題。許多生物抗菌物質屬於肽類物質，由核糖體合成，具有相應的編碼基因。因此對這類抗菌肽的研究，可以采用基因工程技術進行高效異源表達，解決其產量低的問題。為克服生物防腐劑抑菌譜較窄的問題，需要將各種防腐技術聯合使用，需要更加複雜的設計和對技術組合的優化。而且，對抑菌效果進行評估的技術需要更加嚴密和智能化，各種食品產品配方、不同外部貯藏環境、不同防腐技術的組合等因素對生物防腐劑功效和應用的影響需要進一步研究。
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