植物精油的抑菌活性及在鮮切果蔬中的應(yīng)用

馮 可,胡文忠,徐永平,姜愛麗,薩仁高娃

(1.大連理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧大連 116024;2.大連民族學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,遼寧大連 116600)

植物精油的抑菌活性及在鮮切果蔬中的應(yīng)用

馮 可1,2,胡文忠2,*,徐永平1,姜愛麗2,薩仁高娃1,2

(1.大連理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧大連 116024;2.大連民族學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,遼寧大連 116600)

鮮切果蔬由于具有營養(yǎng)、新鮮、方便等優(yōu)點,受到越來越多消費者的喜愛。鮮切果蔬中致病菌和致腐菌是影響鮮切果蔬品質(zhì)的重要因素,植物精油作為天然來源的抑菌物質(zhì),對鮮切果蔬產(chǎn)品具有防腐保鮮、維持品質(zhì)等作用。本文介紹了植物精油的抑菌活性及作用機理,并綜述植物精油對鮮切果蔬產(chǎn)品防腐、品質(zhì)控制等方面的研究進展,同時對其在鮮切果蔬應(yīng)用中存在的問題和應(yīng)用前景進行了展望,為植物精油保鮮劑的開發(fā)提供了理論依據(jù)。

植物精油,抗菌活性,鮮切果蔬,感官評價

鮮切果蔬(fresh-cut fruits and vegetables)是新鮮水果和蔬菜原料經(jīng)過挑選、清洗、去皮、切分、消毒、包裝等生產(chǎn)工藝形成的即食果蔬制品,也稱最少加工果蔬(minimally proceed vegetables and fruits)[1]。在去皮、切分等處理過程中,果蔬自身產(chǎn)生的汁液特性會給微生物提供繁殖條件,受到微生物侵染的鮮切果蔬產(chǎn)品會快速腐爛,從而影響產(chǎn)品營養(yǎng)和經(jīng)濟價值,也會引起食源性疾病而危害公眾的健康。因此,在生產(chǎn)和儲藏過程中,應(yīng)該對鮮切果蔬產(chǎn)品實施有效的抑菌措施及保障產(chǎn)品品質(zhì)。目前,化學(xué)合成類殺菌劑在鮮切果蔬保鮮中的應(yīng)用較多,雖然化學(xué)合成的抗菌劑價格低廉、殺菌迅速,但是該類殺菌劑存在一些誘癌性、致畸性以及易引起食物慢性中毒等不安全問題,因而,研究開發(fā)天然安全的食品殺菌和防腐劑顯得尤為重要[2]。此外,天然植物提取物替代化學(xué)保鮮劑用于鮮切果蔬的貯藏保鮮有著更加廣闊的開發(fā)前景[3]。天然殺菌和防腐劑的來源可分為植物源性(植物精油、醛類物質(zhì)、脂類物質(zhì)、中草藥提取物)、動物源性(酶制劑、多糖類物質(zhì))以及微生物源性(乳酸鏈球菌素、納他霉素、食用菌和聚賴氨酸等)。其中,植物精油能賦予食品香氣,矯正異味,還具有抗氧化、抗菌(防腐)等作用,是一類天然、安全的植物性添加劑,并被認(rèn)為是一種GRAS(generally recognized as safe)物質(zhì)[4]。可見,從植物精油中篩選出高效、經(jīng)濟、安全的防腐保鮮物質(zhì)作為食品防腐劑,具有更為廣闊的應(yīng)用前景,并可為人類提供更加營養(yǎng)、健康的食品。本文對植物精油的抑菌活性以及在鮮切果蔬防腐保鮮和品質(zhì)控制中的研究進展進行了綜述,以期為其在鮮切果蔬產(chǎn)品中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 植物精油的概述

當(dāng)植物進行光合作用時,細(xì)胞分泌出芬香的分子會聚集成香囊散落于花瓣、葉子、果實或樹干等部位上,將其蒸餾、萃取后即為植物精油,又稱揮發(fā)油、芳香油和香精油,具有一定的芳香氣味。植物精袖在植物體內(nèi)的相對含量較少,一般均在1%以下,其分布并不是很平均,有的在全株植物中都含有,有的則在花、果、葉、根或根莖、籽部分器官中含量較多,如鳶尾屬植物精油集中分布在根部和塊莖內(nèi);松柏科以莖桿中精油含量最高;薄荷則以葉中含量高;茉莉、桂花以花中含量最高;而茴香和芫荽以果實中含量最高。此外,植物精油的含量和化學(xué)組成會隨植物體所處的環(huán)境和生長時期不同而發(fā)生變化[5]。植物精油含有一百多種揮發(fā)性成份,不同種屬的植物中所含有的揮發(fā)性成份相差很大。多數(shù)植物精油的成份由芳香族、萜烯類、脂肪族和含硫含氮化合物組成。其中,萜烯類在精油中所占的比重較大。芳香族類成分作為精油中第二大化學(xué)成分且具有良好的防腐性并可起提神興奮作用,由于其不具危險性,因此才顯得植物精油具有無公害和安全性。目前,已發(fā)現(xiàn)的精油有3000多種,其中有300種已經(jīng)用于商業(yè)用途,如,含有維生素、荷爾蒙和抗生素的精油,能夠為人體細(xì)胞提供營養(yǎng);含有防腐抗菌成分的精油,可作為抗菌、殺菌劑;精油所特有的氣味會刺激中樞神經(jīng),引起心理和生理做出相應(yīng)的反應(yīng),從而使機體達到平衡。精油的提取方法有很多,傳統(tǒng)的提取方法有蒸餾法、脂吸法、浸漬法、榨取法、浸泡法和壓縮法。隨著科技的進步,新興的植物精油的提取技術(shù)也得到了進一步發(fā)展,主要有超臨界萃取技術(shù)、亞臨界水提取技術(shù)、水蒸氣蒸餾法、連續(xù)亞臨界水萃取。此外,還有一些輔助提取方法,如,微波輔助水蒸氣蒸餾法、無溶劑微波提取法、干燥擴散重力法、離子液體微波輔助萃取技術(shù),微波輔助水?dāng)U散重力法以及超聲波輔助萃取法。

2 植物精油的抑菌活性

植物精油因其對果蔬產(chǎn)品具有殺菌、抗菌的潛力而引起了廣泛的關(guān)注,精油的成分與其抑菌作用之間存在著密切的關(guān)系,抑菌效果主要是由精油中多種復(fù)雜成分中的一種或者幾種有效成分而決定的[6],如,百里香精油含有一定的抑菌成分,并能夠有效的抑制草莓中葡萄孢菌和葡枝根菌,其抑菌效率可達到90%[7-8]。周建新等[9]人研究發(fā)現(xiàn),丁香精油中抑菌的有效成分為丁香酚,對黃曲霉,大腸桿菌,產(chǎn)黃青霉,粘紅酵母的抑菌效果較為明顯,抑菌圈均可達到30～40 mm。在抑菌過程中,植物精油多組分協(xié)同作用的效果明顯高于單一組分抑菌效果[10],此外,單一組分的抑菌方式可能會導(dǎo)致抗藥性的產(chǎn)生,如,錢昆等人[11]發(fā)現(xiàn),將多種植物精油合理復(fù)配后的抑菌效果要明顯強于單一組份植物精油的抑菌效果。龐建光等人[12]將山蒼子精油和廣藿香精油進行合理復(fù)配后,可有效的抑制霉菌生長,特別是對糧油儲藏過程中滋生的黃曲霉菌有明顯抑制作用。這些研究也表明,多種植物精油的合理配比應(yīng)用同樣符合農(nóng)藥混配原理。單一或者多種植物精油與其它抗菌物質(zhì)相混合可不同程度的增加抑菌效果,如,百里香的酚和殼聚糖混合的復(fù)合物對多種病原菌存在著顯著的抑制作用,抑菌范圍和時間都比單一成分有所提高和延長[13]。此外,殼聚糖、山梨酸酯與多種精油混合后同樣可以對大腸桿菌的抑制啟到增效作用[14]。同樣,植物精油用做防腐的研究也較多,并對果蔬產(chǎn)品防腐方面具有一定的應(yīng)用前景。如,袁萍[15]等人將三種植物精油(肉桂、山蒼子和丁香精油)與常用的苯甲酸鈉的防霉效果進行了對比,在21 d內(nèi),肉桂、山蒼子和丁香精油對黃曲霉、黑根霉、毛霉、青霉、黑曲霉、棕曲霉、草酸青霉和土曲霉的抑菌效果明顯高于苯甲酸鈉。Viuda-Martos等人[16]從檸檬、柑橘、葡萄柚、桔子中提取精油,并觀察其對與食物腐敗有關(guān)的霉菌的抑制效果。結(jié)果表明,桔子精油對黑曲霉菌,柑橘精油對黃曲霉菌,葡萄柚精油對青霉菌和綠青霉菌均具有較好抑制效果。此外,樟油和肉桂油對番茄灰霉病的抑制效果較好,橙葉精油、丁香羅勒精油、丁香葉精油等能顯著抑制采后番茄在室溫高濕條件下的腐爛變質(zhì),肉桂精油和百里香精油對櫻桃番茄、棗、櫻桃和葡萄的采后真菌引起的病害抑制效果較好,對甜橙的綠霉病也有一定的抑制效果[17]。

通常植物精油的抑菌過程可通過以下四種方式進行:a.植物精油會降低或抑制病菌中分生孢子的產(chǎn)生和萌發(fā),或破壞其受精作用,從而抑制或阻斷病菌后代繼續(xù)危害的可能性。如,丁香,百里香,甜橙外果皮,山香,牛至,紫蘇,天竺葵,薰衣草,孔雀草,迷迭香,月桂,小茴香,紫玉蘭等植物精油,能作用于病菌細(xì)胞的分生孢子,具有一定的抗菌效果。b.植物精油的有效成分會導(dǎo)致腐敗及致病菌的細(xì)胞壁、膜蛋白遭受損傷,從而影響細(xì)胞的生理功能。如,丁香、羅勒精油可以增厚白假絲酵母菌的細(xì)胞壁,使得細(xì)胞壁的生理功能受到影響,從而降低了白假絲酵母菌的出芽率。植物精油中的有效成分(松油烯)能夠通過基因調(diào)控手段誘導(dǎo)及影響釀酒酵母細(xì)胞壁的功能基因,進而發(fā)揮抑菌作用。丁香精油中的丁香酚會與細(xì)胞膜中的磷脂發(fā)生反應(yīng),從而影響細(xì)胞膜的通透性,使得微生物的生長受到抑制。戴向榮[18]等探究了肉桂油中有效成分肉桂醛對黃曲霉的抑菌機理,結(jié)果表明肉桂醛損傷細(xì)胞質(zhì)膜后進入細(xì)胞,使得胞內(nèi)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,破壞了有序的新陳代謝,從而抑制了黃曲霉的繁殖。c.植物精油的有效成分還會影響相關(guān)細(xì)胞器的能量代謝及酶系變化。如,蒎烯通過抑制線粒體的有氧呼吸,影響其能量代謝,萜烯和酚類化合物能抑制大腸桿菌胞內(nèi)氧化反應(yīng),阻礙,修復(fù)。大蒜素通過有效的與微生物體內(nèi)含巰基的氨基酸,蛋白質(zhì)或酶結(jié)合,抑制酶的活性,從而使與酶相關(guān)的細(xì)胞代謝受到抑制。d.植物精油有效成分對微生物DNA損傷的影響,當(dāng)DNA受到損傷時,微生物的遺傳信息和生物體的繁殖會受到很大程度上的影響。植物精油中的主要成分,如萜烯和酚類化合物[19]能夠通過抑制微生物中胞內(nèi)氧化反應(yīng)而促進DNA損傷。蒿屬植物茵陳蒿(Artemisia iwayomogi)精油中的Vulgarone B成分以濃度為1 mg/mL對待金黃色葡萄球菌時,可使其DNA發(fā)生裂解現(xiàn)象[20]。Sperotto等[21]以釀酒酵母為模式菌研究胡椒(Piper gaudichaudianum Kunth)精油及其主要成分苦橙花醇的抑菌機理,結(jié)果表明,精油和苦橙花醇可以誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生活性氧自由基,引起單鏈DNA斷裂,同時抑制BER酶活性,妨礙DNA修復(fù)。目前,對植物精油的作用機制研究尚少,還有許多不明之處,主要原因是由于植物精油成分復(fù)雜,組分間的相互作用復(fù)雜多變,因此,精油中的活性物質(zhì)對植物病原菌是否存在其他影響還有待進一步研究。

3 植物精油在鮮切果蔬中的應(yīng)用

3.1 防腐保鮮

鮮切果蔬產(chǎn)品多數(shù)呈酸性,在加工過程中發(fā)生的交叉污染會引起果蔬產(chǎn)品腐爛變質(zhì)。而將植物精油應(yīng)用到切割后的果蔬中,能夠表現(xiàn)出良好的抑菌作用,從而抑制致病腐及致病菌的生長。如:王建清等人[22]研究發(fā)現(xiàn),百里香精油對果蔬中常見的致腐菌(青霉,灰霉菌等)均有明顯的抑菌效果。將百里香精油與殼聚糖組合的復(fù)配劑應(yīng)用于鮮切冬瓜時,腐爛率和失重率均有明顯降低,且可溶性固形物含量的下降也受到抑制,減少了營養(yǎng)成分的流失,從而延長了鮮切冬瓜的貨架期,保障了產(chǎn)品的品質(zhì)。Jorge G等人[23]同時對比了12種植物精油對鮮切萵苣和胡蘿卜的抑菌效果,最終篩選出牛至精油對鮮切果蔬中的腸道菌和假單胞菌等腐敗微生物有抑菌能力。據(jù)分析,植物精油中含有的主要化學(xué)成分(香芹酚、丁香酚、麝香草酚、肉桂醛、羅勒烯和芳樟醇等)均具有抑菌能力。在此基礎(chǔ)上,采取不同的處理方法對鮮切果蔬進行防腐保鮮也會得到不同的效果。如,Singh等人[24]將多數(shù)芳香精油按照一定濃度進行配比后,將混合精油的水乳劑對即食果蔬進行清洗處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn),果蔬上的腐敗性菌群和食源性致病菌的繁殖均得到了控制,同時果蔬的腐爛程度也有所降低。Chu等人[25]發(fā)現(xiàn),用麝香草酚(百里酚)對即食甜櫻桃果實進行熏蒸處理,也可有效抑制果蔬常見病(灰霉病和褐腐病)的發(fā)生,使灰霉病的發(fā)病率降低70倍,甜櫻桃的腐爛率顯著下降。植物精油的抑菌能力在氣調(diào)包裝和可食性涂膜方面也有顯著表現(xiàn),如,Johann等人[26]采用百里香精油對氣調(diào)包裝中的鮮切果蔬(萵苣,胡蘿卜片,卷心菜)進行抑菌能力測定,結(jié)果表明,胡蘿卜和百里香精油之間具有相互協(xié)同作用,從而可以達到對鮮切胡蘿卜防腐保鮮的作用。此外,植物精油對果蔬中食源性致病菌也有明顯的抑制效果,Nural K等人[27]研究發(fā)現(xiàn),薄荷和羅勒精油可以抑制接種于鮮切馬莧菜中的沙門氏菌和大腸桿菌O157∶H7,相比之下,薄荷精油表現(xiàn)出更高的抑菌能力?？梢?植物精油具有新型植物源性防腐保鮮劑的潛力。

3.2 品質(zhì)控制

3.2.1 感官評價 鮮切果蔬的感官屬性(顏色,香氣,硬度)在消費者的選擇中扮演著重要的角色,果蔬廠商非常關(guān)心產(chǎn)品的感官評價分?jǐn)?shù)以及消費者對芳香味道的反映。所以,植物精油與鮮切果蔬之間合理搭配是至關(guān)重要的,如,經(jīng)牛至精油涂膜和氯處理的鮮切萵苣,由感官評價分析后發(fā)現(xiàn),萵苣的顏色變化,組織結(jié)構(gòu)以及水分活度變化幾乎一致?？梢?植物精油具有替代化學(xué)試劑對果蔬進行防腐保鮮的潛力。按照無污染的方式,將混合的植物精油噴灑到唐萵苣表面,貯藏于0 ℃和5 ℃的環(huán)境中,相對濕度為97%～98%，在此期間,果蔬中評估微生物的數(shù)量變化和感官屬性。結(jié)果表明,在0 ℃的環(huán)境中,處理過的樣品與對照沒有顯著不同;而在5 ℃的環(huán)境中,經(jīng)桉樹,茶樹和丁香精油處理的唐萵苣中的微生物數(shù)量明顯低于對照,感官評價方面并沒有明顯差異[28]。然而,植物精油的芳香族揮發(fā)性物質(zhì)成分能夠被食品吸收,并改變他們的感官特性。此外,與脂類、蛋白質(zhì)、碳水化合物以及其他食品添加劑發(fā)生反應(yīng),可能會導(dǎo)致抗菌活性下降[29]。一般抑制果蔬中的微生物需要較高濃度的植物精油,這樣可以得到更好的抗菌活性,采用高濃度的植物精油進行抑菌時,會影響果蔬原有的香氣。因此,為了更好的將植物精油應(yīng)用于鮮切果蔬產(chǎn)品中,同時能夠滿足消費者對果蔬原始香味的要求,植物精油的抑菌程度與揮發(fā)芳香氣味之間的相互制約應(yīng)該引起足夠的重視。值得注意的是,純天然植物帶來的新鮮味道常會受到青年消費者的喜愛,這也應(yīng)該引起果蔬經(jīng)銷商的關(guān)注。

3.2.2 理化特性 植物精油可以從多個方面保持并延長貯藏期間鮮切果蔬的品質(zhì)、可食用性、商品性及貨架期。植物精油可與可食性抗菌膜結(jié)合應(yīng)用于鮮切果蔬,如Nima A等人[30]評價并對比了經(jīng)高濃度和低濃度的檸檬草精油與藻朊酸鹽可食用涂膜結(jié)合處理的鮮切菠蘿的呼吸率、理化特性、微生物數(shù)量以及感官品質(zhì)的變化情況,結(jié)果表明,通過精油可食用性涂膜處理的鮮切菠蘿表面的酵母菌和霉菌的繁殖明顯受到抑制,高濃度植物精油會使鮮切菠蘿的感官評價分?jǐn)?shù)降低,而低濃度的檸檬草植物精油處理的鮮切菠蘿在保持果蔬品質(zhì)的同時還可使其貨架期延長。有些植物精油還能通過促進果蔬中的酶活性變化而保持果蔬品質(zhì)。如,誘導(dǎo)過氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)等抗性相關(guān)酶活性的上升,提高果蔬對病菌的抗性,從而抑制果蔬腐爛,使得果蔬品質(zhì)得到保障。茉莉?qū)偎剀盎ㄏ憔椭械闹饕煞周岳蛩峒柞?Methyl Jasmonate,MeJA)具有廣譜的生理學(xué)效應(yīng),可作為信號分子參與生物體對病菌的防御反應(yīng)[31]。茉莉酸甲酯處理的鮮切甘藍和萵苣的研究表明,經(jīng)MeJA處理后,能夠提高鮮切萵苣和鮮切甘藍的PAL活性,促進總酚、類黃酮以及木質(zhì)素的積累,從而增強組織的抗氧化活性,延長鮮切產(chǎn)品的采后壽命[32]。賴毅東[33]發(fā)現(xiàn),丁香提取液及其丁香的配伍液均能顯著抑制采后青梨硬度、失水率、果肉褐變、VC含量、SSC、TA的變化,有利于保持采后青梨的品質(zhì),Liu等人[34]發(fā)現(xiàn)了采用熏蒸發(fā)時,百里香精油對李子的褐變腐爛癥狀具有更好的效果,其濃度為2～4 mg/L能夠很快的減少采后植物中毒。綜上所述,植物精油將會成為保障鮮切果蔬品質(zhì)及貨架期的潛在保鮮劑。

4 展望

植物精油作為一種安全、高效的鮮切果蔬防腐保鮮劑已受到人們的廣泛關(guān)注,國內(nèi)外研究均顯示植物精油在果蔬保鮮方面具有良好的效果,并且能夠延緩鮮切果蔬品質(zhì)下降,延長產(chǎn)品貨架期,防御果蔬冷害癥狀等。然而,植物精油在鮮切果蔬防腐保鮮中的應(yīng)用并不多見,其原因是植物精油中所含有的成分存在不確定性,并且不同來源的植物所含有的有效成分也是不同的,此外,一些植物精油在應(yīng)用于鮮切果蔬保鮮時,會對果蔬產(chǎn)生異味和雜色等現(xiàn)象。鮮切果蔬所吸收的芳香味、香氣及風(fēng)味可能會對消費者產(chǎn)生積極或者消極兩方面的影響,均在不同程度影響了消費者的味覺評價。如,大蒜精油與鮮切西紅柿的混合芳香味易受到眾多美國和歐洲各地人們的青睞。而經(jīng)牛至精油處理過的鮮切蘋果,會導(dǎo)致樣品感官評價分?jǐn)?shù)降低,且14 d后仍能夠檢測到牛至精油殘留的芳草香味。

隨著人們對新鮮、方便、營養(yǎng)、綠色、健康的果蔬產(chǎn)品的需求,以及環(huán)境保護意識的不斷加強,鮮切果蔬保鮮劑的研究方向應(yīng)該向著天然、安全、有效的方向發(fā)展。因此,未來的研究及開發(fā)工作應(yīng)該注意以下幾個方面。a.為了使鮮切果蔬產(chǎn)品和植物精油之間的混合芳香氣味更易受到消費者的接受,應(yīng)該了解并確認(rèn)消費者對味道的喜好,所選用的植物精油不會引起消費者的反感。b.在不影響鮮切果蔬感官評價分?jǐn)?shù)的前提下,確定植物精油濃度的最優(yōu)濃度配比。c.對植物精油的藥理及毒理及安全性評價應(yīng)該進行深入研究,從而保障應(yīng)用于鮮切果蔬的抑菌劑的無毒副作用。d.植物精油的抗菌機理及在植物細(xì)胞中的活動機理并沒有被完全的了解,這也是未來研究的重點之一。隨著這些研究方向的不斷深入,具有液體黃金之美譽的植物精油的開發(fā)利用必將迎來更加廣闊的應(yīng)用前景。

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Antibacterial activity of plant essential oil and the application in fresh cut fruits and vegetables

FENG Ke1,2,HU Wen-zhong2,*,XU Yong-ping1,JIANG Ai-li2,Sa-ren-gao-wa1,2

(1.School of Life Science and Biotechnology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China;2.College of Life Science,Dalian Nationalities University,Dalian 116600,China)

Fresh-cut fruits and vegetables are becoming increasingly popular among consumers due to their nutrition,fresh and convenience. The foodborne pathogen and spoilage microbiology is a key factor for the quality of fresh-cut fruits and vegetables. The plant essential oils as antimicrobial agent of natural origin has the advantage of maintain preservation and quality to of fresh cut fruits and vegetables. The antibacterial activity and mechanism of plant essential oil were discussed. And the research progress in plant essential oil on the preservation,quality of fresh-cut fruits and vegetables were summarized. The problem and application prospects of plant essential oils on fresh cut fruits and vegetables were forecasted. This paper provided a theory foundation for research development of preservative with plant essential oil.

plant essential oil;antibacterial activity;fresh cut fruit and vegetables;sensory evaluation

2014-09-17

馮可(1985-),男,在讀博士研究生,研究方向:食品生物技術(shù)，E-mail:fengkessky@sina.com。

*通訊作者:胡文忠(1959-),男,博士,教授,研究方向:采后生物學(xué)與技術(shù)，E-mail:hwz@dlnu.edu.cn。

國家科技支撐計劃項目(2012BAD38B05);國家自然科學(xué)基金項目(31172009);大連市科技計劃項目(2012E13SF106);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(DC2013010107)。

TS201.3

A

1002-0306(2015)15-0382-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.072