Низин в качестве пищевого консерванта
Низин является натуральным, нетоксичным, антибактериальным пищевым консервантом. Он считается натуральным, поскольку представляет собой полипептид, выработанный определёнными штаммами пищевых молочно-кислых бактерий Lactococcus lactis, подвид lactis (далее - L. lactis), в процессе ферментации. Низин проявляет антимикробную активность в отношении широкого спектра грамположительных бактерий и оказывается особенно эффективен против спор. Он демонстрирует слабую активность или её полное отсутствие в отношении грамотрицательных бактерий, дрожжевых и плесневых грибков.
В 1969 году низин был одобрен Совместной Экспертной Комиссией ФАО/ВОЗ* (FAO/WHO) по пищевым добавкам к использованию в качестве антимикробного для продуктов питания. С тех пор низину был присвоен номер пищевой добавки 234, и в настоящий момент его применение разрешено в более 50 странах. В Австралии и Новой Зеландии он допускается в сливочных продуктах (ароматизированных, взбитых и сгущённых сливках, сметане) при максимальном содержании 10 мг/кг; в лепёшках, блинах и сдобной выпечке (горячие мучные продукты) при максимальном содержании 2.50 мг/кг; в сырах и сырных продуктах, масляных эмульсиях (содержание масла <80%), томатных продуктах с pH 4,5, пиве и родственных продуктах, продуктах из яичной массы, десертах на основе молока и жира, соусах для обмакивания и закусках, подливках, топпингах, майонезе и заправках к салатам в количестве, соответствующем правильной производственной практике. Пригодность низина как пищевого консерванта определяется следующими характеристиками: он нетоксичен, производственные штаммы бактерии L. lactis считаются безопасными (согласно пищевым кондициям); он не используется в клинических целях; в бактерии не наблюдается явной перекрёстной резистентности, которая могла бы повлиять на лечение антибиотиками; он легко усваивается. С 1953 года низин продаётся под маркой Nisaplin®. Nisaplin® содержит примерно 2,5% низина – масса, состоящая из молока и молочных веществ, полученных методом ферментации модифицированного молока при помощи низина, продуцирующего штаммы L. lactis. Продукт стандартизирован относительно активности одного миллиона международных единиц на грамм. В настоящей статье все уровни содержания низина выражены в мг чистого низина на килограмм или литр. Количественный метод часто предполагает измерение зон полного ингибирования в агаре, засеянного тест-организмом Micrococcus lactis.
Способ действия
Действие низина зависит от его концентрации: так, чем больше бактерии содержится в продукте, тем больше требуется низина. На начальном этапе низин образует комплекс с липидом II, бактерией-предшественником в образовании бактериальных клеточных стенок. Комплекс низин-липид II затем самостоятельно включается в образующие поры цитоплазменной мембраны и способствует оттоку важных клеточных компонентов, что заканчивается ингибированием или смертью данной бактерии.
Грамотрицательные бактерии устойчивы к низину, поскольку их клеточные стенки являются менее проницаемыми по сравнению со стенками грамположительных бактерий. Однако любая обработка грамотрицательных бактерий с целью увеличить проницаемость их клеточных стенок делает их восприимчивыми к низину. К таким обработкам относятся: обработка хелатообразующими веществами, близкой к летальной температурой, осмотический шок и замораживание. Несмотря на то, что хелатообразующие вещества хорошо проявляют себя в in vitro в буферных системах, в пищевой системе они не дают ярко выраженных результатов, что объясняется преимущественным взаимодействием хелатообразующих возбудителей с двухзарядными ионами в пище. Действие низина, направленное против спор, ещё менее понятно. Оно преимущественно споростатичное, а не спороуничтожающее: чем больше споры подвергаются обработке высокой температурой, тем более они становятся восприимчивы к низину, и низин в этом случае связывает группы сульфгибрила на поверхности спор.
Стабильность и растворимость
Низин является очень стабильным продуктом, не проявляя снижение активности на протяжении более двух лет, при условии хранения в сухом и тёмном месте при температуре ниже 25°C. Низин демонстрирует повышенную растворяемость в кислотной среде и становится менее растворимым при повышении pH. Однако, при том низком количестве низина, которое используется для пищевой консервации, его растворимость не является проблемой. Растворы низина наиболее устойчивы к автоклавированию (при температуре 121°C в течение 15 минут) при pH в диапазоне 3,0-3,5 (потеря активности <10%). При значении pH ниже или выше данного диапазона наблюдается значительное снижение активности (потеря >90% при рН от 1 до 7). Снижение активности при температуре пастеризации значительно меньше (примерно 20% при стандартном процессе производства сыра при рН в диапазоне 5,6-5,8). Пищевые компоненты также могут защитить низин в процессе тепловой обработки, по сравнению с буферной системой.
Стабильность низина в продуктовой системе во время хранения зависит от трёх факторов: температуры хранения, длительности хранения и рН. Наиболее сильная удерживающая способность низина проявляется при низких температурах. Например, производство плавленого сыра путём пастеризации (при 85-105°C в течение 5-10 минут при pH 5,6-5,8) заканчивается начальной потерей 20-30%, удерживающая способность низина после 30 недель хранения составляет примерно 80% при 20°C, 60% при 25°C и 40% при 30°C. Таким образом, необходимо добавление большего количества низина, если планируется хранение при более высоких температурах.
В продуктах холодного приготовления протеолитические ферменты могут повлиять на стабильность низина. Пищевые добавки, диоксид титана и пиросульфит натрия также могут отрицательно сказаться на стабильности низина.
В таблице приводятся основные категории продуктов, в которых применяется низин, и типичные бактерии, вызывающие порчу, или патогенные бактерии в этих продуктах, которые подавляются низином.
Молочные продукты
Продукты на основе плавленого сыра
Продукты на основе плавленого сыра охватывают широкий спектр, в том числе брикетированный сыр (влагосодержание 44-46%), нарезанный сыр (влагосодержание 46-50%), пастообразный сыр (влагосодержание 52-60%), а также подливки и соусы (влагосодержание 56-65%). Все они подвергаются термической обработке и содержат соли-эмульгаторы. В составе могут быть маложирные компоненты или компоненты с уменьшенным содержанием хлорида натрия, а также различные вкусовые добавки, такие как приправа, рыба, морепродукты и мясо. Все эти факторы, наряду с бактериальным качеством изначальных ингредиентов, строгостью процесса плавки, температурой разлива и требованиями к срокам хранения могут повлиять на микробиальную стабильность продуктов на основе плавленого сыра и потому потребовать применение низина.
Ингредиенты, используемые в производстве данных продуктов: свежий сыр, масло, сухое обезжиренное молоко, сухая молочная сыворотка, фосфатные эмульгатные соли или соли лимонной кислоты и вода. Споры анаэробных клостридиальных видов часто присутствуют в этих ингредиентах, особенно в сыре, и способны выдержать процесс тепловой обработки при температуре 85-105°C в течение 6-10 минут. Плавленый сыр, с относительно высоким рН (5,6-6,0), содержанием влажности и низким редокс-потенциалом (анаэробные условия) может прорасти. Виды Clostridium часто связаны с бактериями, участвующими в порче плавленого сыра, - C. sporogenes, C. butyricum, и C. tyrobutyricum. В опытах, проведённых с продуктами на основе плавленого сыра, инокулированные смесью спор Clostridium при количестве примерно 200 спор на грамм, порча товара была предотвращена при температуре 37°C при концентрации низина 6,25 мг/кг. Частичное подавление оказалось возможным при соотношении низина 2,5 мг/кг, в то время как контрольные образцы без низина оказались совершенно испорченными.
Потенциальная возможность роста и образования токсинов за счёт C. botulinum в продуктах из плавленого сыра, в особенности в сырной пасте, очень высока. В обработанном плавленом сыре наличие низина в размере 12,5 мг/кг и больше оказывается эффективным для отсрочки или предотвращении роста и последующего образования токсинов, вызванного инокулированными спорами C. botulinum (типы А и В). Факультативные аэробные виды Bacillus, которые также могут привести к порче продуктов из плавленого сыра, тоже контролируются при содержании низина 5-20 мг/кг.
Другие пастеризованные молочные продукты
Другие пастеризованные молочные продукты, как например молочные десерты, топлёные сливки и сыр маскарпоне, зачастую нельзя подвергать полной стерилизации, не повредив качество, а потому иногда консервируются низином. Тесты, проведённые с шоколадным молочным десертом, показали, что его срок годности составляет 20 дней при температуре 7°C при наличии низина 3,75 мг/кг, в то время как то же содержание низина увеличило срок годности сливочного карамельного десерта на 30 дней при температуре 12°C.
Добавление низина в пастеризованное молоко в некоторых странах разрешено. В опытах, проведённых Университетом Ридинга (Reading University, Великобритания), низин добавлялся в количестве 1 мг/л до начала пастеризации при 72°C /15сек, 90°C /15сек или 115°C/2сек, что в результате значительно увеличило срок годности молока при температуре 10°C.
Натуральный сыр
Первые случаи использования низина были обусловлены стремлением предотвратить вспучивание в полутвёрдом выдержанном сыре, как то Эменталь и Гауда, возникающего в результате прорастания C. butyricum и C. tyrobutyricum. Несмотря на то, что были получены многообещающие результаты, проблема ингибирования заквасочных культур и вызванная тем самым задержка процесса созревания привели к тому, что работа была прекращена. Используя технику коньюгации по генетическому трансферу в области продовольствия, сегодня уже стало возможным производить заквасочные культуры, продуцирующие низин и устойчивые к нему, с желаемыми свойствами для производства качественного сыра. Сыр изготавливается с содержанием низина, необходимым для защиты от роста таких видов бактерий, как Clostridium, Staphylococcus aureus и Listeria monocytogenes.
Йогурт
Добавление низина во взбитый йогурт в пост-производственный период оказывает ингибирующее действие на заквасочную культуру (смесь видов Lactobacillus delbrueckii со штаммами Streptococcus thermophilus), и таким образом предотвращает последующее сверхокисление йогурта. Так, получено увеличение срока годности при одновременном сохранении вкуса йогурта (меньше кислотности) и предотвращении синерезиса. Типичный уровень добавки в данном случае составляет 0,5-1,25 мг/кг.
Яйцепродукты
Пастеризованные продукты из яичной массы (яйцо целиком, желток и белок) и яйцепродукты с добавлением других (омлеты из яиц, яичницы, смеси для блинов) проходят тепловую обработку, чтобы уничтожить бактерии Salmonella. Например, в Великобритании вся яичная масса должна быть пастеризована в течение как минимум 2,5 минут при температуре 64,4°C. Несмотря на это, такая тепловая обработка неэффективна в борьбе с бактериальными спорами, а также с ещё более стойкими к высокой температуре не-спорами, образующими грампозитивные бактерии, как например Enterococcus faecalis. Низин при наличии 2,5-5 мг/л позволяет значительно увеличить срок годности и защитить от прорастания психродурических бактерий B. cereus и L. monocytogenes, способствующих порче пищи.
Пастеризованные супы
Новейший тренд в производстве супа заключается в его приготовлении из свеже пастеризованных продуктов с относительно ограниченным сроком годности в прохладном месте. Споры видов Bacillus, устойчивые к термообработке, способны выжить в процессе пастеризации. Низин в количестве 2,5-5,0 мг/л оказывается эффективен, предотвращая или задерживая рост психродурической бактерии Bacillus, способствующей порче продукта при длительном хранении.
Ароматизированные продукты
Пончики, так популярные в Великобритании, Австралии и Новой Зеландии, изготавливаются на горячей плите из теста, приготовленного на дрожжах или с использованием разрыхлителя, или того и другого вместе, чтобы тесто поднялось и приобрело воздушность. Перед употреблением их поджаривают. Пончики обладают некислым рН (рН 6,0), высоким содержанием влаги (48-54%) и повышенной водной активностью (0,95-0,97). Этот продукт продаётся при температуре внешней среды и его срок годности составляет 5 дней. Уже были зафиксированы случаи порчи продукта, вызванной ростом в пончиках бактерии Bacillus cereus, особенно в Австралазии. Мука, используемая для приготовления пончиков, всегда содержит небольшое количество спор B. cereus , которые не погибают в процессе жарки. В течение 3-5 дней естественного срока годности продукта B. cereus могут вырасти от едва заметного уровня до >105 кое/г – количество достаточное, чтобы вызвать отравление пищи. Добавление низина в белковую смесь в количестве > 3,75 мг/кг для предотвращения роста B. cereus уже получило разрешение надзорного органа в Австралии и Новой Зеландии.
Баночные консервы
Низин используется в баночных консервах в основном для предотвращения термофильной порчи товара. В большинстве стран обязательной считается проведение тепловой обработки баночных консервов с низким уровнем кислотности (рН>4,5) как минимум при F0=3, чтобы уничтожить споры C. botulinum. Низкокислотные пищевые продукты, обработанные при F0 ≥ 3, остаются подверженными порче, вызванной выжившими в тепловой обработке спорами некоторых видов термофильных бактерий B. stearothermophilus (вызывающие плоскокислую порчу) и C. thermosaccharolyticum (вызывающие вздутие консервов).
Добавление низина может продлить срок хранения овощных консервов при тёплой температуре за счёт предотвращения споровидного роста этих термофильных организмов, а также может способствовать снижению до минимума F0=3, не боясь, что возрастёт риск порчи в результате термофилии. Количество используемого низина в низкокислотных овощных консервах составляет 2,5-5,0 мг/кг. Остаточный уровень низина в баночных консервах после высокотемпературной обработки может сократиться до 2% от добавленного количества. Тем не менее, тот факт, что устойчивые к теплу термофильные споры очень чувствительны к низину, а также то, что они прошли обработку высокой температурой, усиливающей их чувствительность, свидетельствует о том, что даже такой низкий уровень остаточного низина всё же оказывается эффективным. Предварительное закисление рассола с помощью лимонной кислоты повышает сопротивляемость низина, минимально влияя на рН овощей после обработки.
Примеры использования: консервированный горох, морковка, перец, картошка, грибы, окра, мини-кукуруза и спаржа. Низин также применяется в консервированных молочных пудингах, содержащих манную крупу и тапиоку.
Порча консервированных продуктов с повышенной кислотностью (рН ниже 4,5) под действием бактерий происходит из-за непатогенных видов, участвующих в порче, как например C. pasteurianum, B. macerans и B. coagulans. Добавление низина в количестве 1,25-2,50 мг/кг применяется в продуктах с повышенной кислотностью, приготовленных на основе томатов.
Мясные продукты
Недовольство высоким уровнем нитрита в консервируемом мясе послужило толчком к проведению исследований на возможность использования низина в качестве частичной замены нитрита. Лишь большое (и неэкономичное) содержание низина позволило качественно подавить C. botulinum. Необходимо проведение дальнейших работ, чтобы доказать возможность такого применения. Более обнадёживающие результаты были получены в сосисках континентного способа приготовления, хранящихся в вакуумной упаковке, в которых порчу могут спровоцировать молочно-кислые бактерии. Низин в составе 1,25-6,25 мг/кг или же погружение готовых сосисок в раствор низина с концентрацией 5,0-25,0 мг/л увеличило их срок годности при температуре 6-12°C. Низин проявляет более сильную устойчивость к молочно-кислым бактериям в сосисках с пониженным содержанием жира, а также в сосисках, содержащих дифосфат, а не ортофосфат. Его применение уже получило одобрение контролирующего органа в США.
Морепродукты
Потенциальный риск ботулизма как в рыбе в вакуумной упаковке, так и в рыбе, упакованной с регулируемым составом газовой среды, послужил началом работ в Исследовательском центре Торри (Torry Research Station) в Великобритании, где применение низина в форме опрыскивания филе трески, сельди и копчёной скумбрии, инокулированных с помощью спор C. Botulinum типа Е, показало, что выработка токсина при температуре 10 и 26°C существенно затормаживается. Другая проблема относительно копчёной рыбы связана с ростом психродурической патогенной бактерии L. monocytogenes, особенно в свежих или слегка законсервированных продуктах. Низин в копчёном лососе является эффективным антилистериальным средством, особенно когда он упакован в атмосфере диоксида углерода.
Содержание низина в количестве 25 мг/кг в сочетании с сокращённым процессом термообработки, который не вызывает порчу мяса омара, значительно эффективнее уничтожает Listeria, чем термообработка или низин по отдельности. Промывка крабового мяса низином сокращает уровень L. monocytogenes.
Заправки к салатам
Меньшая степень кислотности может улучшить вкус заправок к салату холодного способа приготовления, но использование меньшего содержания уксусной кислоты и увеличение рН с 3,8 до 4,2 может сделать заправки к салату подверженными порче, спровоцированной молочно-кислыми бактериям. Такой рост был эффективно подавлен при уровне низина 2,5-5,0 мг/л.
Алкогольные напитки
Кислотостойкая молочно-кислая бактерия вида Lactobacillus, Pediococcus и Leuconostoc может испортить пиво или вино, а низин в соотношении 0,25-2,5 мг/л оказывается эффективным в предотвращении подобной порчи. На дрожжи низин влияние не оказывает, а потому консервант может быть добавлен уже в процессе ферментации. Низин можно добавлять к ферментёрам, чтобы предотвратить или проконтролировать смешение, а также может быть использован для увеличения срока годности не пастеризованного и бутылочного пива. Более того, низин может применяться в промывке задаточных дрожжей при содержании 25,0-37,8 мг/л вместо обработки кислотой, цель которой – подавление молочно-кислых бактерий.
