香辛料精油提取工藝、抑菌活性及開(kāi)發(fā)應(yīng)用的研究進(jìn)展

張麗，王玉真，高爽，孫越，薄福民，李凌軍

(山東中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，濟(jì)南 250355)

香辛料精油是由香辛料植物經(jīng)不同方法提取得到的一類(lèi)天然香料，具有獨(dú)特的氣味，成分復(fù)雜，不僅可以矯味，還具有抑菌、抗氧化等藥理作用。

食品腐敗問(wèn)題威脅著人類(lèi)的健康，而現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)許多香辛料對(duì)多種有害菌，如抗枯草芽孢桿菌、熒光假單胞菌、金黃色葡萄球菌等具有顯著抑制作用[1]。抑菌的主要成分常存在于精油中，對(duì)于香辛料精油的研究已成為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2,3]。香料作為一種新型、安全的抗菌藥物具有很大的開(kāi)發(fā)潛力，符合人們對(duì)天然無(wú)添加的價(jià)值追求。本文綜述了香辛料(八角茴香、小茴香、花椒、丁香、肉桂等)精油的提取工藝、抗菌活性及應(yīng)用等研究進(jìn)展，以期對(duì)其綠色、安全、高效的開(kāi)發(fā)有所幫助。

1 提取工藝

1.1 水蒸氣蒸餾(SD)

水蒸氣蒸餾法是常用的制備精油的方法，其原理是利用精油易揮發(fā)的特性，可隨水蒸氣蒸餾，然后冷凝成液滴，經(jīng)有機(jī)溶劑萃取制備得到的。鄒俊波等[4]采用水蒸氣蒸餾法提取小茴香揮發(fā)油，并通過(guò)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)技術(shù)分析提取過(guò)程中的成分溶出規(guī)律。Valtcho D Zheljazkov等[5]采用水蒸氣蒸餾萃取動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)孜然揮發(fā)油的得率、成分、抗瘧和抗氧化能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，還建立了在一定時(shí)間內(nèi)水蒸氣蒸餾時(shí)間(DT)下?lián)]發(fā)油產(chǎn)量和成分的回歸模型，得出在600 min內(nèi)，隨著DT的增加，揮發(fā)油產(chǎn)量增加的結(jié)論。該方法操作簡(jiǎn)單，成本較低，適合工業(yè)化生產(chǎn)，但溫度高，熱敏性成分易分解。

1.2 超聲波提取

超聲波提取是利用超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)烈空化、振動(dòng)、粉碎等特殊作用，破壞藥材細(xì)胞，將藥材中成分提取到溶劑中，使有效成分得以分離的技術(shù)。謝志新等[6]對(duì)超聲波輔助提取八角茴香油的工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果證實(shí)：3個(gè)考察因素影響超聲波輔助提取法的程度依次為料液比>粉碎粒徑>超聲時(shí)間；提取工藝的最佳條件是料液比1∶15，粉碎粒徑60目，超聲時(shí)間30 min，提取率(28.438±0.11)%。左喜釗等[7]采用正交設(shè)計(jì)優(yōu)選出超聲提取花椒揮發(fā)油的最佳工藝為料液比1∶50(g/mL)，超聲溫度40 ℃，超聲時(shí)間90 min。該方法具有提取時(shí)間短、出油率高、能耗低、設(shè)備簡(jiǎn)單且沒(méi)有噪音污染等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 超臨界CO2萃取(SFE-CO2)

超臨界 CO2萃取法是利用壓力和溫度對(duì)超臨界流體溶解能力的影響而進(jìn)行的，在超臨界狀態(tài)下，選擇經(jīng)濟(jì)方便的CO2作為超臨界流體，它具有很好的流動(dòng)性和滲透性，當(dāng)與待分離的物質(zhì)接觸時(shí)，有選擇性地把極性大小、沸點(diǎn)高低和分子量大小的成分依次萃取出來(lái)。路廣平等[8]采用超臨界流體萃取(SFE)和分子蒸餾(MD)相結(jié)合的方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的姜黃揮發(fā)性組分的分離純化進(jìn)行了優(yōu)化，解決了揮發(fā)性成分質(zhì)量控制中參比化合物的不足，提出了利用多種校準(zhǔn)組分對(duì)主要生物活性物質(zhì)進(jìn)行放大和定量評(píng)價(jià)的方法。此法也應(yīng)用于丁香等其他物質(zhì)精油的萃取[9]，具有溫度低、分離效率高、無(wú)溶劑殘留等優(yōu)點(diǎn)；但是成本高，限制了其應(yīng)用。

1.4 其他

微波提取(MAE)主要是利用微波產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱效應(yīng)，具有簡(jiǎn)單快速、加熱均勻、清潔高效等優(yōu)點(diǎn)，Lo?c Petigny等[10]采用響應(yīng)面法對(duì)微波萃取分離法進(jìn)行了優(yōu)化，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上提取可溶性物質(zhì)，并從植物中分離出揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的最佳工藝條件為微波200 W，提取時(shí)間56 min，固液比7.5%。以及采用同時(shí)蒸餾萃取法提取揮發(fā)油，優(yōu)化提取-共沸精餾耦合技術(shù)工藝等，使揮發(fā)油的品質(zhì)得到更好的保證，對(duì)所適用的藥材的提取工藝不斷改進(jìn)、優(yōu)化，保證方法穩(wěn)定可行。

多種提取方法提取揮發(fā)油各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要針對(duì)不同精油的特點(diǎn)選擇合適的方法。常規(guī)的水蒸氣蒸餾法適合工業(yè)化大生產(chǎn)，操作簡(jiǎn)單方便，但有不足，仍需將多種方式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，繼續(xù)探索優(yōu)化提取工藝，彌補(bǔ)不足。

2 抑菌活性

2.1 八角茴香

八角茴香(IlliciumverumHook.F.)是木蘭科八角屬植物，其干燥成熟果實(shí)藥食兩用，既可溫中散寒，又可調(diào)味，八角茴香精油的化學(xué)成分主要由大茴香醛、檸檬烯、反式茴香腦、草蒿腦及β-石竹烯等多種化合物組成[11]。張赟彬等[12]研究表明：檸檬烯和八角茴香精油抑菌效果較好；一定濃度下，檸檬烯和八角茴香精油可提高菌液中的還原糖、蛋白質(zhì)含量以及增大電導(dǎo)率；說(shuō)明檸檬烯的含量和八角茴香精油的抑菌效果有一定的關(guān)聯(lián)。有研究采用濾紙片法測(cè)定八角茴香油(含大茴香醛、對(duì)丙酮基茴香醚、大茴香酸)對(duì)多種菌株(金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、黑曲霉、黃曲霉和桔青霉)具有抑制作用，水溶性揮發(fā)成分好，揮發(fā)性成分中的油相抑菌強(qiáng)弱有待討論[13]。

精油具有易揮發(fā)、不穩(wěn)定的特點(diǎn)。溫度、光照時(shí)間、熱處理和精油濃度等因素均對(duì)八角茴香精油保持肉糜優(yōu)良的感官特征產(chǎn)生影響，加入精油的新鮮肉糜的保存期隨著溫度的升高而減少，光照顯著破壞揮發(fā)油的穩(wěn)定性，長(zhǎng)時(shí)間熱處理導(dǎo)致精油的抑菌活性下降[14]。張光杰等[15]用羥丙基-1-環(huán)糊精(HPCD)選擇性包封八角精油(SAEO)，改善其揮發(fā)性高、氣味強(qiáng)烈、物理性質(zhì)不穩(wěn)定的情況，且提高了SAEO對(duì)匍匐根霉、釀酒酵母和大腸桿菌的抑菌效果。

八角茴香揮發(fā)油具有良好的抗菌活性，抑菌作用與其化學(xué)組成有關(guān)，但穩(wěn)定性方面需進(jìn)一步探索。

2.2 小茴香

小茴香(FoeniculumvulgareMill.)為傘形花科茴香屬植物，屬于藥食同源物品[16]。小茴香揮發(fā)油具有抑菌作用，反式茴香腦是小茴香揮發(fā)油的主要成分，含量高，但不同產(chǎn)地的小茴香反式茴香腦含量差異較大[17]；黃酮類(lèi)成分具有抗氧化活性，但是抗氧化作用不及維生素C和β-胡蘿卜素[18]。

小茴香對(duì)水果中常見(jiàn)霉菌中的灰霉、黑根霉、交鏈孢、青霉和黑曲霉均有良好的抑制作用，研究發(fā)現(xiàn)小茴香揮發(fā)油對(duì)紅棗黑斑病菌離體(菌絲、孢子萌發(fā)和生物量的抑制作用)和活體的抗菌活性是通過(guò)破壞它的細(xì)胞膜的完整性而達(dá)到抑菌作用的[19]。實(shí)時(shí)逆轉(zhuǎn)錄RT-PCR實(shí)驗(yàn)和蛋白免疫印跡實(shí)驗(yàn)證明了茴香醛對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制作用是通過(guò)抑制金黃色葡萄球菌中毒力蛋白基因(hla,sea和seb)的轉(zhuǎn)錄而抑菌的[20]，推測(cè)了其可能的抑菌機(jī)制。

2.3 花椒

花椒 (ZanthoxylumbungeanumMaxim.) 來(lái)源于蕓香科花椒屬植物，作為藥食兩用之品，味辛，芳香味濃烈，具有溫中止痛、燥濕、殺蟲(chóng)止癢等功效，花椒香氣成分可作為一種天然、無(wú)毒的抑菌防腐劑用于食品防腐，其抗菌防腐能力較食品行業(yè)中常用的山梨酸鉀更強(qiáng)，其中檸檬烯、芳樟醇、β-蒎烯和 α-萜品醇等都具有較強(qiáng)的抗菌活性?；ń肪蛯?duì)金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、微球菌、大腸桿菌等多種細(xì)菌均有抑殺作用[21]?；ń方嵋簩?duì)枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌等陽(yáng)性菌的抑菌活性具有明顯的抑制作用，而對(duì)大腸桿菌和乙型副傷寒沙門(mén)氏菌等陰性菌的抑菌活性不明顯[22]。麻琳等[23]通過(guò)抑菌圈實(shí)驗(yàn)和96孔板二倍稀釋法對(duì)3種花椒(漢源紅花椒、江津青花椒、峨眉山藤椒果皮)精油的抑菌特性進(jìn)行了研究，3種精油的芳樟醇相對(duì)含量均最高，結(jié)果表明：紅花椒果皮精油對(duì)細(xì)菌和真菌的抑菌效果最好，尤其是金黃色葡萄球菌。可能的抑菌機(jī)制是通過(guò)破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁，引起細(xì)胞內(nèi)K+、Mg2+、AKP 等物質(zhì)滲漏至胞外，從而導(dǎo)致細(xì)菌死亡，抑制細(xì)菌增殖的[24]。

2.4 丁香

丁香(Caryophylliflos)為桃金娘科(Myrtaceae)植物丁香的干燥花蕾，又稱(chēng)公丁香，為藥食兩用中藥。丁香精油的主要成分為丁香酚，丁香精油具有廣泛的藥理和生物活性，對(duì)一定菌屬具有抑菌效果，而且不僅是丁香的精油，也包括它的醇提物，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、香料等行業(yè)，有研究表明丁香精油及丁香酚對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的抑制效果優(yōu)于革蘭氏陰性菌，其中，對(duì)金黃色葡萄球菌及蠟樣芽孢桿菌的毒力最強(qiáng)，對(duì)綠膿假單胞菌的抑制活性最弱[25]。用表型、蛋白質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法揭示細(xì)胞形態(tài)和功能的變化[26]，推測(cè)其抑菌機(jī)理可能是破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，抑制細(xì)菌生長(zhǎng)所需的DNA和蛋白質(zhì)的正常合成，從而抑制菌的生長(zhǎng)代謝及其繁殖而發(fā)揮抑菌作用[27]。

2.5 肉桂

肉桂(CinnamomumcassiaPresl)為樟科植物肉桂的干燥樹(shù)皮，揮發(fā)油的主要化學(xué)成分為肉桂醛，肉桂醛是抑制細(xì)菌生長(zhǎng)和具有殺菌作用的主要生物活性化合物，肉桂醛的抗菌活性與一線抗結(jié)核抗生素乙胺丁醇的抗菌活性相當(dāng)[28，29]。肉桂醇提物和肉桂精油對(duì)肉中常見(jiàn)的腐敗菌和致病菌(包括大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、黑曲霉、酵母菌等)均有較強(qiáng)的抑制作用，而且發(fā)現(xiàn)一定濃度的肉桂精油能抑制細(xì)菌和真菌包括G+、G-，表明肉桂精油具有廣譜抑菌作用[30，31]，用于食品保鮮領(lǐng)域?qū)⒕哂休^好的開(kāi)發(fā)潛力。張小飛等[32]分別采用紙片法及刃天青染色法測(cè)定四川產(chǎn)肉桂油的抑菌圈及最小抑菌濃度(MIC)，并考察其對(duì)大鼠離體小腸平滑肌張力的影響，結(jié)果表明：在肉桂揮發(fā)油中鑒定出 21 種成分，其中桂皮醛和蒎烯的相對(duì)含量為 72.54%和 8.19%，肉桂揮發(fā)油對(duì)白色念珠菌、大腸埃希菌的抑菌作用最強(qiáng)，對(duì)青霉菌、黑曲霉、枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌作用次之，對(duì)綠膿桿菌的抑菌作用最差，肉桂揮發(fā)油還具有抑制大鼠小腸平滑肌張力的作用。經(jīng)肉桂精油處理的 3 種病原菌(尖孢鐮刀菌Fusariumoxysporum、鏈格孢菌Alternariaalternata、灰葡萄孢霉Botrytiscinerea)菌絲形態(tài)在掃描電子顯微鏡下可以看出其發(fā)生凹陷、皺縮、粗糙等一系列變形現(xiàn)象，推測(cè)其可能的抑菌機(jī)理是破壞細(xì)胞壁，影響細(xì)胞膜的通透性[33，34]。

3 開(kāi)發(fā)應(yīng)用

3.1 調(diào)味

八角茴香、小茴香、花椒、丁香、肉桂等是五香粉、十三香及鹵肉料的主要香辛料成分之一，香氣濃烈，常備于家庭調(diào)味。尤其在制作鹵味食品過(guò)程中，香辛料可以起到增香去腥的作用，是改善鹵制品風(fēng)味的重要香辛料成分?；ń?、肉桂等具有特殊風(fēng)味，入口辛香，在復(fù)合調(diào)味品中常用作配香原料，各自具有主要呈味的化學(xué)成分，持香時(shí)間較好，使食品香味持久，回味無(wú)窮。利用含有風(fēng)味成分的調(diào)料腌制肉制品，不僅能夠提供獨(dú)特的風(fēng)味，還能有效避免腌制過(guò)程中受到微生物的污染。

腐乳調(diào)味醬以紅腐乳和芝麻醬為主料，以八角茴香油、花椒油調(diào)味，混合醬香突出,色澤明亮油潤(rùn),具有腐乳和芝麻兩者的營(yíng)養(yǎng),該醬成分天然,營(yíng)養(yǎng)健康,為企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了思路[35]。北五味子藤莖調(diào)味粉配以陳皮、八角茴香、香葉的適當(dāng)比例，其產(chǎn)品芳香柔和，帶有北五味子獨(dú)特的清香，口感辛辣帶甜，余味略帶苦澀[36]。孫靈霞等[37]研究了八角茴香添加到鹵雞腿中，使雞腿本身的揮發(fā)性成分的相對(duì)含量改變，改善口味，且采用電子鼻技術(shù)能將不同八角茴香添加量的鹵雞腿區(qū)分開(kāi)。適量添加不僅可以提高風(fēng)味，改善品質(zhì)，還可以替代山梨酸鉀、丙酸鈣等防腐劑，也能賦予果汁飲料、蛋糕點(diǎn)心和冰激凌獨(dú)特的口感和風(fēng)味，在食品中應(yīng)用前景廣闊。

3.2 抑菌防腐、抗氧化

微生物感染造成食品腐敗變質(zhì)威脅著人們的健康，而天然無(wú)害的防腐添加劑是人們的追求，香辛料精油中的某些特殊成分具有很好的抑菌保鮮效果，對(duì)多種細(xì)菌和真菌微生物都有較強(qiáng)的抑制能力，不僅可以解決食品的保鮮問(wèn)題，也能夠增加果蔬產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，適合工業(yè)化生產(chǎn)，保障人們健康。例如丁香精油對(duì)食品中常見(jiàn)致病菌的抑制作用顯著，將丁香精油浸漬醬牛肉后真空包裝，于4 ℃貯藏過(guò)程中，不僅2-硫代巴比妥酸過(guò)氧化生成物(TBA)明顯低于空白樣品，而且色澤、滋味和口感等方面均較空白樣品好，說(shuō)明丁香精油的添加對(duì)醬牛肉脂肪氧化有一定的抑制效果，可降低醬牛肉的菌落總數(shù)，有利于將丁香進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成安全、有效的天然食品防腐劑[38]。

果蔬產(chǎn)業(yè)具有季節(jié)性、地域性和易腐性的特點(diǎn)，解決果蔬保鮮可以保障人們的需求。八角茴香油對(duì)“富士”具有延緩硬度，保持口感、風(fēng)味的作用，對(duì)“富士”蘋(píng)果的保鮮效果與常用保鮮劑1-甲基環(huán)丙烯(1-MCP)的效果相當(dāng)，作為天然保鮮物質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景[39]。肉桂、花椒、八角茴香、百里香精油都能對(duì)從“紅提”葡萄上分離純化出的 3 種致病菌發(fā)揮抑菌效果，但效果最好的為花椒精油，能有效地抑制青霉菌(Penicillum)、黑根霉菌(Rhizo-pusnigricans)和黑曲霉菌(Aspergillusniger) 的生長(zhǎng)，可用于后續(xù)的葡萄鮮果保鮮研究[40]。

混合精油具有協(xié)同作用，例如孜然精油和花椒精油、肉桂醛和丁香精油混合均比它們單獨(dú)使用的抑菌效果要好，混料設(shè)計(jì)法可有效優(yōu)化不同精油聯(lián)合使用時(shí)的組合比，以實(shí)現(xiàn)較低精油用量下較好的抑菌效果，為天然抑菌劑的減量使用提供了方法指導(dǎo)[41]。張一等[42]對(duì)孜然豆蔻按1∶1復(fù)配，對(duì)某些菌的抑制效果明顯，且優(yōu)于單獨(dú)使用，體現(xiàn)了復(fù)配精油抑菌的協(xié)同作用，但對(duì)另一些菌效果一般，說(shuō)明復(fù)配精油具有一定選擇性。楊順開(kāi)等[43]使用肉桂精油(CBO)和美羅培南作為添加劑的模型，利用聯(lián)合療法治療耐藥細(xì)菌感染，結(jié)果顯示：CBO與美羅培南的可加性相互作用與以往報(bào)道的協(xié)同組合相比具有相似的膜破壞能力，精油和抗生素之間的協(xié)同增效性降低了兩種抗菌藥物的最低有效劑量，因此有必要進(jìn)一步研究這種相互作用機(jī)制的影響。

3.3 其他作用

香辛料精油外用可殺蟲(chóng)抑菌，其揮發(fā)性成分具有刺激性香味，例如花椒在殺蟲(chóng)中具有一定的作用功效。

面對(duì)越來(lái)越多的多藥耐藥菌和抗生素抗性的事實(shí)，需要發(fā)現(xiàn)對(duì)感染的替代治療，研究者們把目光轉(zhuǎn)向了精油。Kamillacs等[44]研究了丁香、肉桂皮、桉樹(shù)、百里香、松、薄荷、香茅等多種精油(EOS)對(duì)呼吸道病原體如鏈球菌的抗菌評(píng)價(jià)。Amornrat Intorasoot等[45]采用瓊脂擴(kuò)散法、最小抑菌濃度法、最小殺菌濃度法從藥用植物中提取10種揮發(fā)油對(duì)4種標(biāo)準(zhǔn)菌株(金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、銅綠假單胞菌、鮑曼不動(dòng)桿菌)的抑菌活性，結(jié)果顯示：肉桂揮發(fā)油對(duì)人類(lèi)最常見(jiàn)的病原菌金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、銅綠假單胞菌和鮑曼氏菌具有較強(qiáng)的抗菌活性，得出結(jié)論：揮發(fā)油提取物是治療人類(lèi)最常見(jiàn)病原菌和MDR-A的替代天然產(chǎn)物。

4 總結(jié)與展望

香辛料因其特殊的香味具有一定深入探索的價(jià)值，尤其是其提取的精油成分。精油具有揮發(fā)性，成分復(fù)雜，屬于混合物，天然的香辛料提取的精油是天然的防腐劑，其某些特殊成分可以延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期，提高食品的安全性。多數(shù)香辛料既可藥用，又可食用，屬于藥食兩用的藥品[46]。

植物的化學(xué)成分和生物學(xué)活性聯(lián)系緊密，精油也不例外。植物精油的化學(xué)成分常因原料來(lái)源及提取方法等差異導(dǎo)致精油的化學(xué)成分呈現(xiàn)明顯差異，因此不斷探索新的提取方法、優(yōu)化提取工藝對(duì)保留更多精油的有效成分尤其重要，這是進(jìn)一步研究其可能存在的藥理作用的基礎(chǔ)?？偨Y(jié)已有的研究，精油的可能作用機(jī)制包括破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，使細(xì)胞質(zhì)外流以及破壞蛋白質(zhì)等。

采用高效、安全的天然防腐劑替代傳統(tǒng)常見(jiàn)的化學(xué)防腐劑已經(jīng)成為一種新的趨勢(shì),研究發(fā)現(xiàn)香辛料精油的抑菌成分具有協(xié)同增效作用。在香辛料植物精油中，一些次要成分可能在其抗菌作用中起關(guān)鍵性的作用，在其他成分之間起協(xié)同作用，多種成分共存時(shí)可提高各成分單獨(dú)使用的效果，這可能是兩種或兩種以上的成分相互協(xié)同作用的結(jié)果。

香辛料精油作為天然防腐劑和保鮮劑在肉制品及果蔬等食品領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價(jià)值。由于精油本身的特性以致于在應(yīng)用中仍然存在許多問(wèn)題，為了更好地保存精油的芳香氣味，增加精油的穩(wěn)定性以及研究精油的抗菌活性成分等，需要進(jìn)一步探索、改進(jìn)優(yōu)化提取工藝、制備合適的制劑和研究多精油聯(lián)合抑菌，以期為揮發(fā)油的實(shí)際應(yīng)用提供方向，更好地創(chuàng)造價(jià)值，保障人們的食品安全。