植物精油抗菌機理及其在食品中的應(yīng)用

鄭渝川，陳方方，成會如，王靈慧，楊凌

（四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川成都 610066）

細菌污染和脂類氧化是食品質(zhì)量降低、貨架期縮短的主要原因[1]。長久以來，合成防腐劑在食品工業(yè)中被廣泛用來降低微生物污染、抑制脂類氧化，延長了貨架期，提升了食品質(zhì)量和安全。隨著生活水平的提高，消費者對天然食品添加劑的偏好和對合成添加劑安全性的擔(dān)憂，促使了天然防腐劑的發(fā)展和應(yīng)用[2]。人們希望天然防腐劑是廣譜抗菌的，且有抗氧化能力，能提高易腐食品的質(zhì)量和保質(zhì)期[3]。植物精油是廣泛研究和應(yīng)用的天然防腐劑，富含活性成分，不僅能延長食品貨架期，還能預(yù)防對抗人類多種疾病。目前已知精油大約有3 000種，其中約300種在制藥、農(nóng)學(xué)、食品、衛(wèi)生、化妝品和香料工業(yè)中有重要的商業(yè)價值[4]。本文綜述了不同植物精油的抗菌效果、抗菌機理以及在各類食品中的應(yīng)用，以期為植物精油的應(yīng)用提供參考。

1 植物精油概述

植物精油是天然的揮發(fā)性液體，成分復(fù)雜，可溶于脂質(zhì)和有機溶劑，具有低分子量的特征。精油由萜烯化合物（單萜、倍半萜和二萜）、醇、酸、酯、環(huán)氧化物、醛、酮、胺和硫化物組成，按組分區(qū)別可分為兩類：萜烯類和芳香類[4-5]。萜烯化合物是由異戊二烯結(jié)構(gòu)單元形成的烴，通式(C5H8)n，這些化合物可能是無環(huán)、單環(huán)、雙環(huán)或三環(huán)的。精油的大部分成分是單萜，約占精油的90%，使精油具有揮發(fā)性和令人愉悅的氣味[6]。

研究表明植物精油對幾種重要的食源性致病菌（大腸桿菌O157-H7、鼠傷寒沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、單核細胞增生李斯特桿菌、彎曲桿菌等）有抗菌作用。Mendel等[7]測試了96種精油和23種油類化合物對空腸彎曲桿菌、大腸桿菌O157-H7、單核增生李斯特菌和腸沙門氏菌的抗菌能力，結(jié)果表明27種植物精油和12種油類化合物對4種細菌均有一定的抗菌活性。抗空腸彎曲桿菌活性最高的精油主要來自生姜根、茉莉、胡蘿卜籽、芹菜籽和苦柳橙；抗大腸桿菌O157-H7活性最高的精油主要來自牛至、百里香、肉桂、月桂葉、丁香、檸檬草、百香果；抗單核增生李斯特活性最高的精油主要來自月桂葉、丁香、牛至、肉桂、多香果和百里香；抗腸沙門氏菌活性最高的精油主要來自百里香、牛至、肉桂、丁香、多香果、月桂葉和馬郁蘭。油類化合物肉桂醇、香芹酚、苯甲醇、檸檬醛、百里香酚和丁香酚對4種微生物均有一定的抗菌活性。Dussault等[8]研究了67種精油、含油樹脂及純化合物對大腸桿菌O157-H7、金黃色葡萄球菌、蠟樣芽孢桿菌、單核細胞增生李斯特氏菌、鼠傷寒沙門氏菌、綠膿桿菌的抗菌活性，異硫氰酸烯丙酯、肉桂油樹脂、肉桂樹皮、牛至和百里香精油對6種致病菌有很強的抗菌作用。

精油的抗菌活性成分主要存在于植物的葉（迷迭香、鼠尾草、牛至、百里香和馬郁蘭）、鱗莖（大蒜和洋蔥）、果實（小豆蔻和胡椒）、鮮花（丁香）和種子（芫荽、茴香、肉豆蔻）中。與其他痕量成分相比，精油通常包含了2～3種主要成分，占總量的20%～70%。例如，香芹酚（30%）和百里香酚（27%）是牛至精油的主要成分[9]。部分植物精油主要活性成分和可以抑制的微生物見表1。

2 精油的抗菌機理

疏水性是精油及其組分的重要特征，能夠分離細菌的細胞膜和脂質(zhì)層，通過使細菌細胞滲透性增加而死亡。一般認為精油對革蘭氏陽性菌更有效，細胞膜與精油的疏水組分能很好地相互作用；相反，革蘭氏陰性菌具有親水性細胞壁，對植物精油有一定抵抗力[24-26]。但也有研究報道稱，精油對革蘭氏陰性菌的作用有時間延遲，在較長時間內(nèi)，精油對革蘭氏陽性菌和陰性菌均有殺菌作用[21,27]。牛至、丁香、肉桂、大蒜、迷迭香、芫荽、檸檬草、鼠尾草精油對革蘭氏陽性和陰性細菌都有效[1,28]。精油影響微生物細胞有多種抗菌機制，包括攻擊細胞膜的磷脂雙層、破壞酶系統(tǒng)和細菌遺傳物質(zhì)并影響氧化不飽和脂肪酸形成脂肪酸氫過氧化物[1]。芳香族和酚類化合物會使細胞膜的結(jié)構(gòu)和功能喪失，大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌經(jīng)香芹酚和百里香酚處理后，細胞膜會分解，導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)滲漏[29]。百里香精油會破壞單核細胞增生李斯特氏菌的細胞壁，使其增厚、表面粗糙[30]。辣根和芥末中的異硫氰酸酯能使細菌二硫鍵斷裂，導(dǎo)致胞外酶失活[29]。萜類化合物能夠穿透細菌細胞壁并破壞脂質(zhì)層，使其胞質(zhì)滲漏、細胞裂解，并最終導(dǎo)致細胞死亡[30]。香芹酚能增加細胞膜的流動性，引起鉀離子滲漏，導(dǎo)致膜電位崩潰，抑制ATP合成[31-32]。茶樹精油對金黃色葡萄球菌的作用也是如此，會影響細胞壁，使K+損失、降低耐鹽性，抑制細胞的呼吸作用[33]。

3 精油在食品中的應(yīng)用

在食品工業(yè)中，合理利用精油能夠起到抗菌、抗氧化、調(diào)香的作用，并提升食品的質(zhì)量。Burt[21]在報道中提到，在食品中添加0.5～20.0μL/g或0.1～10.0μL/mL精油清洗蔬菜和水果，可以起到很強的抗菌作用。Lu[34]開發(fā)了一種含百里香酚的水果洗滌液，相比對照組，圣女果上的沙門氏菌減少了3.16×107cfu，總需氧菌減少了20 cfu，洗滌廢液中的沙門氏菌減少了10 000 cfu，將圣女果在4℃和22℃條件下貯藏16d，發(fā)現(xiàn)處理組的顏色、pH值和質(zhì)地沒有受到負面影響。Fisher[35]在2cm2雞皮上分別接種3.16×108cfu單核細胞增生菌、蠟樣芽胞桿菌、金黃色葡萄球菌和大腸桿菌，使用檸檬、橘子、佛手柑精油及其組分檸檬醛和芳樟醇處理10min，發(fā)現(xiàn)細菌數(shù)量降至105～106cfu。Hayouni等[36]在接種了沙門氏菌的肉糜中添加了鼠尾草和胡椒精油，冷藏15d，當(dāng)添加濃度小于0.1%（w/v）時，僅觀察到抑菌作用；當(dāng)濃度大于3.0%時，有很強的殺菌作用。謝晶等[37]將牛至、大蒜、生姜、丁香精油復(fù)配成抗菌乳液，涂膜在雞蛋上，使雞蛋的品質(zhì)得到了提升；牛至和丁香精油對雞蛋的保鮮效果最好。孟玉霞等[38]考察了14種精油對冷藏大黃魚的保鮮抗菌作用，并從冷藏大黃魚中分離出6株優(yōu)勢腐敗菌，發(fā)現(xiàn)精油對腐敗菌具有不同的抑制活性，其中肉桂醇的抑制活性最強，其次是丁香酚、百里香酚、檸檬醛、檸檬草及山蒼子精油；同時，部分精油還能矯正大黃魚肉的腥味。

4 精油的缺陷和解決辦法

精油的抗菌效果與食品基質(zhì)有很大關(guān)系，在復(fù)雜的食品基質(zhì)中抗菌穩(wěn)定性差。高脂肪、蛋白質(zhì)、水分活度和酶都有可能降低精油的抗菌活性；低pH值可以增加精油的溶解度和穩(wěn)定性，增加鹽含量或降低貯藏溫度可以提高精油的活性[21,39]；精油的揮發(fā)性成分隨著貯藏時間增加而降低，影響抗菌性，例如芳樟醇和檸檬烯[40]；精油幾乎不溶于水，該特性限制了其在部分食品中的應(yīng)用；精油的抗菌作用與添加量在一定范圍內(nèi)呈正比，部分精油的異味與強烈氣味限制了精油在食品中的應(yīng)用。盡管體外抗菌試驗和精油組分表明牛至和肉豆蔻具有顯著的抗菌活性，在食品中添加1%～3%時有很強的抗菌作用，但大眾感官可接受性會因此降低[41]。

將精油微膠囊化并制成食用膜、熏蒸可以解決部分精油的應(yīng)用問題。Pan等[42]用酪蛋白酸鈉包埋百里酚，發(fā)現(xiàn)百里酚微膠囊可以增強精油的分布性和溶解性，從而更有效地抑制乳制品中的食源性病原體。Gao等人[43]用含丁香、肉桂醛和百里香的精油熏蒸蘑菇，冷藏16 d后研究對褐變和品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，所有精油均能抑制蘑菇的衰老和腐敗，其中肉桂醛的效果最好。譚瑞心等人[44]利用牛至精油與羧甲基纖維素混合，制備了具有抗氧化性和抗菌性的可降解活性包裝膜；使用瓊脂擴散法發(fā)現(xiàn)，精油包裝膜能夠顯著抑制金黃色葡萄球和大腸桿菌的生長。

5 展望

食品中的基質(zhì)是復(fù)雜的，如肉類在貯藏過程中，肉菌群會有極大的改變，即發(fā)生微生物的演替。目前，國內(nèi)更多的研究集中于精油的體外抗菌和抗氧化性能，而精油在各種食品基質(zhì)中對微生物的影響研究則較少。精油在食品中的化學(xué)變化、代謝以及對細菌演替的影響在世界范圍內(nèi)鮮有報道，且精油種類多、細菌演替復(fù)雜，需要更多先進的檢測手段和數(shù)據(jù)支撐。因此，需要克服這一難題，明確其變化規(guī)律，以利于精油的應(yīng)用。另一方面，精油的芳香氣味不適合在部分食品中運用，因此可以研究精油與精油之間的協(xié)同作用，通過復(fù)配以達到提升抗菌性能、減少添加量并降低芳香氣味的目的。