姜科植物精油抑菌作用的研究進展

李 萍，何麗華，魏 華，朱 江，秦保國，許恒毅，*

（1.南昌大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江西南昌330047；2.江西省輕工業(yè)研究所，江西南昌330029；3.南昌恒興發(fā)展有限公司，江西南昌330000）

姜科植物精油抑菌作用的研究進展

李 萍1，何麗華1，魏 華1，朱 江2，秦保國3，許恒毅1，*

（1.南昌大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江西南昌330047；2.江西省輕工業(yè)研究所，江西南昌330029；3.南昌恒興發(fā)展有限公司，江西南昌330000）

姜科植物精油來源廣泛，具有抗菌和抗氧化等多種生物活性，逐漸被廣泛應(yīng)用于食品防腐保鮮、化妝品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。本文綜述了不同產(chǎn)地、取材及提取方法所得姜科植物精油的主要成分和抑菌作用，分析了不同化學成分對其抑菌活性的影響，并總結(jié)了植物精油的抑菌機理，以期為探尋安全的天然抑菌劑提供參考。

姜科，精油，抑菌

姜科屬多年生草本單子葉植物姜目，科內(nèi)有約1500個種，主要代表植物有姜、砂仁、姜黃、高良姜，以及蘘荷等，其中姜、砂仁、高良姜和姜黃等為著名的藥材，具有較高的營養(yǎng)與保健價值。該科中多個種是重要的調(diào)味料，作為辛香料添加劑廣泛用于食品工業(yè)。除上述諸多用途外，姜科植物中蘘荷的花芽可作蔬菜，姜黃中還可提取用于食品工業(yè)的黃色染料。

姜科植物中有較多種是傳統(tǒng)的藥食兩用植物，主要活性成分有多糖、黃酮和精油等[1-2]。其中精油（也稱揮發(fā)油）是存在于姜科植物體內(nèi)的次級代謝產(chǎn)物，為油狀液體，具有芳香氣味和揮發(fā)性。由于植物精油源于天然，對環(huán)境無污染，對人體相對安全，且具有抗菌、抗氧化、抗腫瘤和殺蟲等多種生物活性，其在食品防腐保鮮、醫(yī)藥、農(nóng)藥及化妝品中的應(yīng)用和研究日益增多[3-4]。目前對姜科植物精油的研究主要集中在精油的提取及其成分分析和抑菌活性上，而對于抑菌機理的報道相對較少。本文介紹了姜科植物的提取方法并綜述了姜科植物精油的抑菌作用和抑菌機理研究進展。

1 姜科植物精油提取方法及主要化學成分

精油的提取方法已相對成熟，常見的方法主要有水蒸氣蒸餾法、溶劑浸提法、超臨界CO2萃取法和壓榨法等，不同提取方法得到的精油其成分和含量均有一定差異?，F(xiàn)有報道中對姜科植物精油成分分析的研究較多，主要借助于氣相色譜-質(zhì)譜法（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）。植物精油的化學成分較復(fù)雜，主要可分為四大類：萜烯類化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物，以及含氮含硫化合物。其中萜烯類化合物為主要成分，其次是脂肪族化合物。不同提取方法獲得的幾種姜科代表植物精油的主要成分總結(jié)于表1。

精油成分的種類、含量和提取率等受多方面因素的影響，如植物的不同部位和組織、產(chǎn)地、采摘季節(jié)和精油提取方法等。Leopold等[13]利用水蒸氣蒸餾法分別提取了高良姜根、莖和葉中的精油成分，通過氣相色譜-火焰離子化檢測（gas chromatographyflame ionization detector，GC-FID）和GC-MS對其精油成分進行了分析，結(jié)果顯示高良姜葉子精油中的主要成分是1，8-桉葉素和樟腦，含量分別是28.3%和15.6%，從莖中提取的精油中1，8-桉葉素和樟腦的含量分別是31.1%和11.0%，而從根中提取的精油中主要成分是1，8-桉葉素和α-乙酸小茴香酯，含量分別為28.4%和18.4%，樟腦含量僅占7.7%。Indu等[8]提取并分析了新鮮生姜和干姜的精油成分，結(jié)果顯示雖然兩種姜精油中的主要成分為姜烯，但其所占含量比例不同，干姜和新鮮生姜中含量分別為30.3%和28.6%。此外，干姜中總氧化物的含量由新鮮生姜中的14.4%上升到了29.2%，而新鮮生姜中香葉醛的含量約為干姜中的2倍。上述現(xiàn)象可能是由于在對新鮮生姜進行干燥的過程中將其切碎并在50℃烘干所引起，在加熱烘干時生姜長時間暴露在空氣中，使得部分化學物質(zhì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，而由于香葉醛較易揮發(fā)，在加熱烘干的過程中大量的香葉醛揮發(fā)，香葉醛具有強烈的檸檬氣味，這也能解釋新鮮生姜的氣味較干姜更刺鼻的原因。

表1 姜科植物主要化學成分Table.1 Chemical component of zingiberaceae

另外，由于種植的土壤及氣候環(huán)境不相同，姜科植物在生長過程中產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物其含量和成分也不相同，因此提取所得的精油也具有一定的差異性。陳福北等[12]用水蒸氣蒸餾法和索式提取法分別提取了干、生兩種姜黃的精油，并用GC-MS對其主要成分進行了分析，結(jié)果顯示利用兩種方法所得的干、生姜黃精油中，含量均超過4.5%的共有成分為α-姜黃烯和芳姜黃酮。生姜黃中含有1.13%的α-香檸檬烯，卻不含β-倍半水芹烯，而干姜黃中不含α-香檸檬烯，但含有0.88%的β-倍半水芹烯。此外，通過水蒸氣蒸餾法所得的干、鮮姜黃精油中α-姜黃烯的含量明顯高于索式提取法所得精油中α-姜黃烯的含量，且兩種方法所得精油相比較發(fā)現(xiàn)，干姜黃精油中α-姜黃烯的含量較高。利用水蒸氣蒸餾法提取的干、生姜黃揮發(fā)油中都不含有反式大茴香腦和（-）-姜烯。比較兩種提取方法的提取率可知，干姜黃得油率較生姜黃高，且用索式提取法提取干、生姜黃的得油均比水蒸氣蒸餾法高。

2 姜科植物精油的抑菌作用

2.1 姜精油的抑菌作用

研究表明姜精油具有廣譜抗菌的效果，對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和真菌等均有一定的抑菌活性。但由于取材和提取方法的不同，姜精油的抑菌活性也有明顯的差異。國內(nèi)外已對姜精油的抑菌活性做了較多的研究，總結(jié)于表2。

Yasodha等[7]提取了生姜葉和根的精油并進行了抑菌活性研究，結(jié)果顯示兩種精油對金黃色葡萄球菌、地衣芽孢桿菌和大腸桿菌等均有抑制作用，且對革蘭氏陽性菌的抑菌效果較革蘭氏陰性菌好。另外，生姜不同組織提取的精油對不同菌的抑制效果也有所不同，生姜葉精油對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最低抑菌濃度分別是0.630mg/mL和0.160mg/mL，而生姜根莖部分所得精油對上述兩種菌的最低抑菌濃度如表2所示。Indu等[8]提取了新鮮生姜和干姜的精油并研究了其抑菌效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新鮮生姜和干姜的精油對銅綠假單胞菌、釀酒酵母、枯草芽孢桿菌和黑曲霉等幾種菌均有抑制效果，兩種姜精油對蠟樣芽孢桿菌的最低抑菌濃度均為10.0μg/mL。此外，新鮮生姜精油對黑曲霉的最低抑菌濃度＜1.00μg/mL，而干姜的精油對黑曲霉的最低抑菌濃度為5.00μg/mL。鮮姜精油對銅綠假單胞菌的抑菌圈直徑為（7.11± 0.0600）mm，干姜精油的抑菌圈直徑為（9.06± 0.110）mm，其抑菌效果較鮮姜的好。可見，相同材料來源但不同含水量的姜精油其抑菌效果也有差異，但其抑菌活性在革蘭氏陽性菌和陰性菌及真菌之間沒有明顯的規(guī)律。原因可能是由于不同的細菌細胞膜結(jié)構(gòu)有一定差異，對胞內(nèi)外滲透壓的變化及對外界危害的耐受程度也不同，此外產(chǎn)地、取材部位和提取方法等的不同造成所得精油在成分和含量上有所差異，又由于精油中不同成分之間在抑菌活性方面存在協(xié)同增效作用，在抑菌過程中抑菌方式和能力也可能不同，因此不同的細菌在抵抗精油對其損害時也表現(xiàn)出不同的結(jié)果。

表2 姜精油抑菌作用Table.2 The antibacterial action of ginger essential oil

2.2 姜科其他植物精油的抑菌作用

國內(nèi)外學者對姜科其他植物精油的抗菌活性也做了大量研究，研究表明其他姜科植物精油也具有較好的抑菌活性，不同方法提取的精油其抑菌效果總結(jié)于表3。

研究表明，由于植物不同部位精油所含的成分不同，其抑菌效果也有所不同。張生潭等[9]首次利用Bligh-Dyer法提取了砂仁種子和果殼中的精油，并研究了砂仁精油對幾種細菌和真菌的抑菌活性，結(jié)果表明，Bligh-Dyer法的精油提取率比水蒸氣蒸餾法高。且該方法提取的精油對金黃色葡萄球菌、糞腸球菌和紅色毛癬菌均有顯著的抑菌效果。該實驗結(jié)果還表明，雖然水蒸氣蒸餾法提取的精油提取率較Bligh-Dyer法低，但前者提取的精油抑菌效果更好，且對真菌的抑制效果比細菌好。另外，通過Bligh-Dyer法從砂仁果殼中提取的精油對金黃色葡萄球菌和糞腸球菌無明顯抑菌活性，而從砂仁種子中提取的精油對上述兩種菌的抑菌效果較果殼的好。其原因可能是從種子獲得的精油中含有β-蒎烯、β-月桂烯、樟腦、異龍腦、龍腦等萜類物質(zhì)，而從果殼獲得精油中沒有上述物質(zhì)，由于精油中的萜類物質(zhì)能降低細菌生物膜的穩(wěn)定性，為進一步破壞細胞膜奠定基礎(chǔ)[33]，因此從果殼中獲得的精油對金黃色葡萄球菌和糞腸球菌的抑菌活性相對較低。

陳新等[34]選取了27份海南野生分布的益智并提取其精油，抑菌實驗表明其中有2份精油對金黃色葡萄球菌有一定抑制作用，且其抑菌的顯著性與石竹烯、香橙烯和乙酸香茅酯等8種化合物有關(guān)。Joy等[16]提取了鮮、干姜花的精油并研究了其抑菌活性，結(jié)果顯示，姜花精油對真菌和細菌均有抑制作用，且從鮮姜花中提取的精油其抑菌效果較干姜花更好。

3 精油的抑菌機理

國內(nèi)外對姜科植物精油抑菌機理研究的報道較少，但對其他香辛料精油的抑菌機理已有較多報道。研究表明，不同種類植物之間和同種植物不同組織部位的精油抑菌效果有一定差異，而造成該結(jié)果的原因與精油的成分有著密切的關(guān)系。Cosentino等[35]探討了百里香精油的成分及抑菌活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抑菌效果與酚類物質(zhì)含量多少有關(guān)。

植物精油抗菌作用機理歸納為以下幾點[36-38]：破壞細胞膜、細胞內(nèi)容物滲出、細胞質(zhì)凝結(jié)和改變細胞膜滲透壓等。Ulte等[39]探討了牛至和百里香精油中丁香酚對蠟樣芽孢桿菌的抑菌機理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，丁香酚影響了蠟樣芽孢桿菌細胞膜的陰陽離子，破壞了離子梯度，從而破壞了細胞最基本的代謝過程，最終導致細胞死亡。張赟彬等[40]通過測定菌懸液電導率和還原糖含量等變化研究了荷葉精油對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌等幾種常見食源致病菌的抑菌機理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)荷葉精油使細菌的細胞膜通透性發(fā)生了變化，使得菌體內(nèi)容物滲出，同時荷葉精油還可抑制細菌蛋白質(zhì)的合成，從而引起菌體死亡。Nguefack等[41]利用流式細胞術(shù)分析了檸檬草、羅勒和生姜等幾種植物的精油對單增李斯特菌和金黃色葡萄球菌的抑菌機理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)精油使細胞的通透性增加，改變了細胞膜的滲透壓，從而引起細胞破裂和細菌死亡。Tyagi等[42]利用掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）等方法研究了檸檬草精油對大腸桿菌的抑菌機理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過精油處理的細菌表面變的皺縮粗糙，透射電子顯微鏡（TEM）結(jié)果顯示細菌不再飽滿，且有細胞質(zhì)滲出，這表明精油使大腸桿菌細胞膜受損，從而抑制細菌生長。

目前，姜科植物精油的抑菌機理報道較少，但有報道推測生姜精油中親脂性的物質(zhì)在抑菌過程中起到較為重要的作用，此類物質(zhì)可滲入細菌或真菌的細胞膜，與細胞膜上的酶反應(yīng)，破壞細菌或真菌的酶系統(tǒng)，進一步對其遺傳物質(zhì)的功能造成損傷。另外，這些物質(zhì)還可與細胞膜上的蛋白發(fā)生反應(yīng)，破壞磷脂雙分子層和細胞結(jié)構(gòu)，使更多的精油滲入胞內(nèi)，最終導致細菌或真菌死亡[43-46]。

4 展望

近年來，各國學者在姜科植物精油的成分分析和抗菌作用以及其他生物活性方面做了較多的研究，但其主要抑菌成分和抑菌機理尚不明確。因此，在明確姜科植物精油具體的活性成分和抑菌機理等方面還有待進一步的探索和研究。姜科植物中的多種植物作為重要的調(diào)味品和藥材，其精油來源豐富，安全低毒，且具有多種生物活性，因此可將其作為天然防腐劑用于食品防腐保鮮，從而減少化學防腐劑的使用，降低了化學防腐劑對人體和環(huán)境造成的危害。此外，還可將姜科植物精油微囊化，生產(chǎn)成可食用的保健產(chǎn)品。姜科植物精油具有諸多用途，然而目前開發(fā)并生產(chǎn)的姜科植物精油種類較少，因此有必要在已有的研究基礎(chǔ)上加大對姜科植物精油資源的開發(fā)和利用?？傃灾浦参镔Y源豐富，具有多種生物活性，其在食品及醫(yī)藥等各領(lǐng)域均具有較好的發(fā)展前景。

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Research progress in zingiberaceae essential oils on bactriostasis

LI Ping1，HE Li-hua1，WEI Hua1，ZHU-Jiang2，QIN Bao-guo3，XU Heng-yi1，*
（1.State Key Laboratory of Food Science and Technology，Nanchang University，Nanchang 330047，China；2.Light Industry Institution of Jiangxi Province，Nanchang 330029，China；3.Nanchang Hengxing Development Co.，Ltd.，Nanchang 330000，China）

Zingiberacea eessential oils are the secondary metabolites isolated from steam of zingiberaceae plant，which has many biological activities.In this article，as a reference for finding natural and safety bacteriostatic agent，studies for composition of zingiberaceae essential oils and antibacterial activity were summarized and recent researches in antibacterial mechanism of essential oils were reviewed and discussed.

zingiberaceae；essential oil；antibacterial

TS264.3

A

1002-0306（2014）06-0377-06

2013－07－17 *通訊聯(lián)系人

李萍（1989-），女，碩士研究生，研究方向：營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學。

江西省學術(shù)學科帶頭人培養(yǎng)計劃；國家自然科學基金（31271863）。