Низин как пищевая добавка

Не наносящим ущерба здоровью и окружающей среде консервантам в наше время отдают предпочтение потребители, а, следовательно, и производители. Одним из немногих таких консервантов и является Е234.

E234, низин, Nisin — пищевой консервант естественного происхождения, в отличие от опасных пищевых добавок, например, формальдегид (Е240).  Низин обладает широким спектром антибактериальной активности, в том числе и против патогенных микроорганизмов. Он принадлежит к классу лантибиотиков, названных так из-за содержания в них лантионина.

Е234 — единственный лантибиотик, разрешенный ВОЗ к использованию в качестве пищевой добавки.

Свойства

Производство

Синтез Е234 химическим путем невозможен.

Низин относится к полициклическим антибактериальным пептидам. Вырабатывают его лактобактерии Lactococcus Lactis. Получают E234 путем культивирования L.Lactis на молоке или декстрозе.

Простота производства Е234 и безопасность его использования в качестве консерванта привели к широкому распространению этой пищевой добавки. Впервые E234 получили в начале 1930-х годов, а промышленное производство было налажено в 1950-х. Выпускаемый препарат получил имя Nisaplin, таким названием производители хотели подчеркнуть, что основой для выращивания L.Lactis является натуральное альпийское молоко. Лаборатории, производящие препарат, находились в Биминстере, городе в графстве Дорсет, Великобритания. В конце 60-х Nisaplin получил официальный статус пищевой добавки в США, а в 1983 году веществу был присвоен код Е234.

На данный момент в мире всего два крупных предприятия, производящих У234 — Aplin & Barrett Ltd (Великобритания), производящее упомянутый выше Nisaplin и Chr. Hansen A/S (Дания), которое присвоила своему препарату название Chrysin.

E234 упаковывают в пластиковые контейнеры по 500г.

Добавка Е234 признана безопасным для употребления консервантом более чем в 50 странах. Среди них США, Россия, страны ЕС и Китай.

Применение

Е234 позволяет сократить затраты при производстве множества продуктов. Дело в том, что он справляется с бактериями, которые погибают только после длительной тепловой обработки, и тем самым сокращает время производства продуктов, а также увеличивает сроки их хранения.

E234 добавляют в выпечку, молочные продукты, соусы, кремы, фруктовые и овощные консервы.

Безопасный, но слишком сильный

Широкое антимикробное действие — это главная сила, но и основная опасность Е234. В организме человека присутствуют не только вредные микроорганизмы, и сильный антимикробный удар может привести к дисбалансу микрофлоры.

Существуют рекомендованные нормы использования низина — от 150 до 600 гр на тонну готового плавленного или обычного сыра, от 100 до 200 на тонну овощных и фруктовых консервов, от 10 до 150 грамм на тонну молока и молочных продуктов.

Лекарство будущего

Исследование, проведенное Мичиганским Университетом показало, что низин не только подавляет активность бактерий, но еще и «убивает» злокачественные клетки. Доктор Ивонна Капила, профессор кафедры стоматологии, изучая влияние E234 на заболевания полости рта, ставил эксперименты на лабораторных мышах. Он кормил их молоком с высоким содержанием низина девять недель, и добился 70-80% сокращения раковых клеток в течение этого срока.

И хотя еще рано говорить о найденном лекарстве от рака, это и другие исследования показывают, что потенциал Е234 значительно шире области его нынешнего использования.

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.