茶多酚的抗菌特性研究進(jìn)展

楊海倫,劉小香,*,朱軍莉,勵建榮

(1.浙江醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部,浙江杭州 310053;2.浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,浙江省食品安全重點實驗室,浙江杭州 310035;3.渤海大學(xué),遼寧省食品安全重點實驗室,遼寧錦州 121031)

茶多酚的抗菌特性研究進(jìn)展

楊海倫1,劉小香1,*,朱軍莉2,勵建榮3

(1.浙江醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部,浙江杭州 310053;2.浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,浙江省食品安全重點實驗室,浙江杭州 310035;3.渤海大學(xué),遼寧省食品安全重點實驗室,遼寧錦州 121031)

茶多酚(Tea Polyphenols,TP)是從茶葉中提取出來的純天然物質(zhì),具有廣譜的抗菌活性,為目前廣泛應(yīng)用的天然食品保鮮劑之一。隨著人們對食品安全的重視,茶多酚由于具備更高的安全性而被人們認(rèn)可和接受。本文根據(jù)國內(nèi)外對茶多酚抗菌特性的研究現(xiàn)狀,對茶多酚的化學(xué)成分、抗菌活性、細(xì)菌毒素滅活作用以及抗菌機(jī)理等方面作了系統(tǒng)介紹,旨在為茶多酚在食品與醫(yī)藥領(lǐng)域得到更為合理與廣泛的應(yīng)用提供一定的理論參考。

茶多酚,天然食品保鮮劑,抗菌特性,抗菌機(jī)理,研究進(jìn)展

近年來,食品安全問題日漸成為人們關(guān)注的焦點,傳統(tǒng)的食品保鮮劑已不能滿足人們對食品安全的需求。因此,直接來源于生物體自身組成成分或其代謝產(chǎn)物的天然保鮮劑愈益被消費者所接受。這些天然保鮮劑,不僅具有良好的抗菌作用,而且對人體的安全性高,有些還具備保健功效。目前所使用的天然植物保鮮劑中,茶多酚(Tea Polyphenols,TP)是研究最多的一種。1995年7月,在第十一屆全國添加劑標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會上,茶多酚被正式列為食品添加劑,并作為“九五”重點科技攻關(guān)項目而使其在食品領(lǐng)域的研究應(yīng)用備受關(guān)注。由于茶多酚具有良好的抗菌活性和抗氧化作用[1],還有抗腫瘤和抗輻射等保健功效[2-3],其已成為目前廣泛應(yīng)用的天然食品保鮮劑。此外,茶多酚在醫(yī)藥上也具有廣泛的應(yīng)用前景,并有望作為新型的抗菌劑應(yīng)用于治療多種細(xì)菌、某些真菌與病毒引起的感染[4-5]。

茶多酚的抗菌活性早在100年前就被證實[6],國內(nèi)外的研究者也長期致力于茶多酚抗菌特性的研究工作。目前,國內(nèi)對茶多酚抗菌特性的研究僅局限于茶多酚抑菌種類、抑菌效果與影響因素等方面,國外的研究則相對更加廣泛深入。本文主要從茶多酚的化學(xué)組成、抗菌活性、細(xì)菌毒素滅活作用以及抗菌機(jī)理等方面對茶多酚的抗菌特性進(jìn)行概述,以期為其在食品與醫(yī)藥領(lǐng)域得到合理有效的應(yīng)用提供一定的理論參考。

1 化學(xué)組成

根據(jù)制備工藝的不同,茶葉可分為綠茶(未發(fā)酵茶)、烏龍茶(半發(fā)酵茶)和紅茶(發(fā)酵茶)。中國和日本等亞洲國家茶葉消費以綠茶為主,因此國內(nèi)一般認(rèn)為茶多酚即綠茶多酚,是從綠茶中分離提純出來的多酚類化合物。按照化學(xué)結(jié)構(gòu),茶多酚可分為四類,即黃烷醇類(兒茶素)、花色苷類、黃酮醇類和酚酸類。在這四類物質(zhì)中,兒茶素含量最高,通常占茶葉干重的30%～40%,是茶多酚的主要功能活性物質(zhì)。兒茶素類化合物主要有4種,包括表沒食子兒茶素沒食子酸酯(EGCG,(-)-epigallocatechin gallate)、表沒食子兒茶素(EGC,(-)-epigallocatechin)、表兒茶素沒食子酸酯(ECG,(-)-epicatechin gallate)和表兒茶素(EC,(-)-epicatechin)。其中,EGCG是最主要的兒茶素物質(zhì)(約占兒茶素的50%～80%),也是最重要的功能性物質(zhì)[2]。雖然綠茶在國內(nèi)的消費量較大,但在世界范圍內(nèi),西方國家茶葉消費以紅茶為主,占世界茶葉總消費量的78%。在紅茶的加工過程中,約75%的兒茶素被氧化和聚合,產(chǎn)生紅茶的代表性物質(zhì)茶黃素,而烏龍茶則兼具一定量的兒茶素和茶黃素[2,5]。

2 茶多酚的抗菌活性

2.1 直接抗菌活性

茶多酚具有廣譜性的抗菌效果,既可抑制G+菌,也可抑制G-菌。研究證明,茶多酚對蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、霍亂弧菌(Vibriocholerae)、彎曲桿菌(Campylobacterjejuni)、單增李斯特菌(Listeriamonocytogenes)、致病性大腸桿菌(EscherichiacoliO157∶H7)、沙門氏菌(Salmonella)、假單胞菌(Pseudomonasspp.)等一系列典型食品致病菌及腐敗菌都有抑制作用[5,7-9]。不同的細(xì)菌對多酚的耐受力不同,取決于多酚類物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及細(xì)菌種類。由于結(jié)構(gòu)不同,茶多酚的4種主要兒茶素物質(zhì)的抗菌活性也不盡相同,表現(xiàn)出的抗菌活性強(qiáng)弱順序為EGCG>ECG>EGC>EC[10]。Friedman等[11]檢測了7種兒茶素物質(zhì)對蠟樣芽胞桿菌的抑制作用,得出以下研究結(jié)果:沒食子兒茶素沒食子酸酯(GCG,(-)-gallocatechin-3-gallate),EGCG,兒茶素沒食子酸酯(CG,(-)-catechin-3-gallate),ECG在納摩爾水平即能表現(xiàn)出對蠟樣芽孢桿菌的抗菌活性;一些兒茶素物質(zhì)的抗菌活性比某些傳統(tǒng)抗生素的活性更強(qiáng),如四環(huán)素(etracycline)和萬古霉素(ancomycin);缺失沒食子酸支鏈的兒茶素物質(zhì)不具有抗菌活性。茶多酚對不同細(xì)菌的抑制作用也有較大差別,一般情況下,茶多酚對G+菌的抑制作用比對G-菌的抑制作用強(qiáng)。Yoda等[12]通過比較葡萄球菌(S.aureus,S.epidermidis,S.hominis,S.haemolyticus)和G-桿菌(Escherichiacoli,Klebsiellapneumoniae,Salmonellatyphi,Proteusmirabilis,Pseudomonasaeruginosa,Serratiamarcescens)對EGCG的敏感性發(fā)現(xiàn),EGCG對葡萄球菌的最低抑菌濃度(MICs,minimum inhibitory concentrations)為50～100 μg/mL,而對G-桿菌的最低抑菌濃度均不低于800 μg/mL。Araghizadeh等[13]對綠茶提取物抗菌活性的研究也發(fā)現(xiàn)茶多酚對G+菌的抑制作用明顯高于對G-菌的抑制作用。

2.2 協(xié)同抗菌作用

茶多酚的抗菌作用也體現(xiàn)在能與多種已知的抗生素具有協(xié)同作用。如茶多酚和四環(huán)素對金黃色葡萄球菌及表皮葡萄球菌(Staphylococcusepidermidis)具有協(xié)同作用[14];茶多酚和青霉素共同使用對表皮葡萄球菌具有協(xié)同作用[15];對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA),茶多酚和多種抗生素共同使用都具有協(xié)同效應(yīng),包括青霉素,苯唑青霉素,氨芐青霉素與亞胺培南[5,16-17];對具不同程度耐藥性的大腸桿菌,茶多酚和氯霉素,環(huán)丙沙星或者頭孢噻肟共同作用均具有協(xié)同效應(yīng)[18-20]。

2.3 食品體系抗菌活性

茶多酚作為天然的食品保鮮劑在食品中應(yīng)用非常廣泛,不少研究證明茶多酚能有效抑制食品中微生物的生長。Bari等[21]發(fā)現(xiàn)在熟的碎牛肉,雞肉及豬肉的冷藏過程中,綠茶提取物能顯著抑制莢膜梭狀芽孢桿菌(Clostridiumperfringens)的孢子萌發(fā)及生長。茶多酚在水產(chǎn)品中貯藏過程中能有效降低微生物的污染。Fan等[22]用0.2%茶多酚浸泡銀鯽90 min后冰上冷藏,能有效抑制腐敗菌的生長,貨架期可比未經(jīng)茶多酚處理的對照延長7 d。另外,茶多酚能有效降低梅魚魚丸、石首魚魚片及黑鯛魚冷藏過程中的微生物總數(shù)[9,23-24]。鐘艷梅等[25]比較了茶多酚、山梨酸鉀、苯甲酸鈉對新鮮原果汁的保鮮效果,發(fā)現(xiàn)100 mg/kg的茶多酚與500 mg/kg的山梨酸鉀防腐效果相當(dāng),對酵母菌、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有明顯抑制作用,能有效保持果汁原有風(fēng)味并延長保鮮期7～10 d。但是,在某些情況下,食品中的一些成分可能會對茶多酚的抑菌作用產(chǎn)生影響。如在腦心浸出液肉湯培養(yǎng)基中,綠茶提取物對金黃色葡萄球菌和單增李斯特菌均有明顯抑制作用,但是在碎牛肉中,綠茶提取物對這兩種細(xì)菌的抑制作用卻并不顯著。該研究結(jié)果預(yù)示著多酚物質(zhì)與蛋白質(zhì)的結(jié)合可能抑制其與細(xì)菌的相互作用,但是這種現(xiàn)象還需進(jìn)一步研究[26]。

3 茶多酚對細(xì)菌毒素的滅活作用

很多病原菌都能通過產(chǎn)生外毒素而誘發(fā)疾病。細(xì)菌外毒素通常以蛋白質(zhì)形式存在,且這些蛋白毒素的三級結(jié)構(gòu)對其毒性起決定作用。因此,破壞細(xì)菌毒素的三級結(jié)構(gòu)可阻止其與宿主細(xì)胞膜受體的相互作用。近年來,越來越多的報道顯示茶多酚對細(xì)菌毒素有很好的滅活作用。金黃色葡萄球菌的外毒素腸毒素B(SEB,Staphylococcal enterotoxin B)能引發(fā)急性腸胃炎。在小鼠腹膜腔內(nèi)注射綠茶提取物或EGCG,能結(jié)合并抑制SEB。EGCG對SEB的抑制作用存在著劑量和時間的依賴性[27]。此外,茶葉提取物對肉毒桿菌的神經(jīng)毒素、霍亂弧菌的霍亂毒素及大腸桿菌的Shiga毒素均具一定的滅活作用[28]。近年來,研究者對于變形鏈球菌的研究發(fā)現(xiàn),茶多酚,特別是EGCG,對于變形鏈球菌(Streptococcusmutans)的毒力因子葡糖基轉(zhuǎn)移酶具有明顯的抑制作用,能起到良好的預(yù)防齲齒的作用[29]。

4 茶多酚的抗菌機(jī)理

目前,國內(nèi)外對于茶多酚的抗菌機(jī)理還不十分明確,被認(rèn)為是多種因素共同作用的結(jié)果。既然茶多酚已經(jīng)作為天然的食品保鮮劑廣泛應(yīng)用于食品的加工及貯藏過程中,充分了解其抗菌機(jī)制是非常必要的。目前國內(nèi)外對于茶多酚抗菌機(jī)理的研究主要集中在以下三個方面:

4.1 茶多酚破壞細(xì)胞膜的功能

相關(guān)研究表明,G+菌比G-菌對EGCG更為敏感的原因在于,EGCG對G+菌和G-菌細(xì)胞膜的結(jié)合能力不同[12]。EGCG對金黃色葡萄球菌的抑制作用可被純化的肽聚糖阻斷,但不能被脂多糖或右旋糖苷阻斷。EGCG極易結(jié)合暴露在G+菌細(xì)胞表面的肽聚糖層,而G-菌的肽聚糖層外還有一層主要由脂多糖構(gòu)成的外膜,阻止了EGCG與G-菌的肽聚糖層的結(jié)合,最終導(dǎo)致G+菌和G-菌對EGCG敏感性的差異。由此也可推斷,EGCG與肽聚糖的結(jié)合最終可能引起細(xì)胞膜的損傷。除與細(xì)菌的肽聚糖結(jié)構(gòu)相互作用,還有相當(dāng)多的報道顯示兒茶素物質(zhì)可結(jié)合細(xì)胞膜的磷脂雙分子層,從而導(dǎo)致細(xì)胞膜的破壞[30-31]。細(xì)菌細(xì)胞膜的破壞削弱了細(xì)菌與宿主細(xì)胞結(jié)合的能力[32],同時也抑制了細(xì)菌聚集結(jié)合形成生物膜,而生物膜的形成與細(xì)菌的致病性和耐受性密切相關(guān)[33-34]。另外,Shah等[35]對金黃色葡萄球菌的研究發(fā)現(xiàn),細(xì)菌細(xì)胞膜的破壞還會抑制細(xì)菌毒素的釋放,削弱細(xì)菌的毒力。Yi等[36-37]研究了茶多酚對銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)和粘質(zhì)沙雷氏菌(Serratiamarcescens)的抑制作用,發(fā)現(xiàn)茶多酚可導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性增加。另外,通過對細(xì)胞膜蛋白的雙向電泳分析,發(fā)現(xiàn)經(jīng)茶多酚處理過的細(xì)菌的膜蛋白成分發(fā)生了很大變化,推測這些膜蛋白變化可能導(dǎo)致細(xì)胞代謝紊亂。

4.2 茶多酚對細(xì)菌特定靶蛋白的抑制作用

傳統(tǒng)的抗生素大多具備作用于細(xì)菌的靶蛋白,例如四環(huán)素類抗生素可結(jié)合核蛋白體的30S亞單位,從而阻止氨?；?tRNA同核糖核蛋白體結(jié)合;利福霉素(rifamycin)可結(jié)合RNA聚合酶而抑制細(xì)菌的RNA轉(zhuǎn)錄起始。因此,人們也研究了茶多酚對一些特定細(xì)菌靶蛋白的抑制作用,發(fā)現(xiàn)茶多酚也能通過作用于細(xì)菌的某些靶蛋白而起到抗菌作用。DNA旋轉(zhuǎn)酶是喹諾酮類(4-quinolones)抗菌劑的作用靶蛋白,這類藥物通過抑制DNA旋轉(zhuǎn)酶的活性影響DNA的正常形態(tài)與功能,阻礙DNA的正常復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)運(yùn)與重組,從而產(chǎn)生殺菌作用。Gradisar等[38]發(fā)現(xiàn)兒茶素物質(zhì)能通過結(jié)合DNA旋轉(zhuǎn)酶B亞基的ATP結(jié)合位點而抑制純化的DNA旋轉(zhuǎn)酶的活性。二氫葉酸還原酶(dihydrofolate reductase)是甲氧芐氨嘧啶(trimethoprim)作用的靶蛋白,該抗菌劑可通過抑制二氫葉酸還原酶活性來阻礙二氫葉酸的合成,最終導(dǎo)致DNA合成的紊亂。Navarro-Martínez等[39]發(fā)現(xiàn)EGCG與甲氧芐氨嘧啶在結(jié)構(gòu)上有一定的相似性,EGCG也是二氫葉酸還原酶的抑制因子。此外,細(xì)菌的脂肪酸合成酶也是一些抗生素作用的靶蛋白。Zhang等[40]研究結(jié)果顯示,EGCG和相關(guān)的兒茶素物質(zhì)能夠抑制脂肪酸延伸過程中的FabG和FabI還原酶。EGCG通過競爭性地抑制FabG和FabI還原酶的輔因子來抑制這兩個酶的活性,沒食子結(jié)構(gòu)對其抑制活性非常關(guān)鍵。以上研究結(jié)果都證實茶多酚,特別是EGCG,能夠作用于細(xì)菌的靶蛋白起到抗菌作用。但這些結(jié)果都是通過純化的蛋白進(jìn)行的體外實驗,目前并沒有直接證據(jù)顯示茶多酚物質(zhì)可以穿過細(xì)胞膜屏障而進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)起作用,茶多酚能否在細(xì)胞內(nèi)對這些靶蛋白產(chǎn)生抑制作用還需要進(jìn)一步的研究和驗證。

4.3 茶多酚的氧化抑菌作用

Arakawa等[42]還證實茶多酚的抗菌作用依賴于過氧化氫的產(chǎn)生,因為添加過氧化氫酶可以完全抑制茶多酚的抗菌作用。不過,Cui等[8]通過原子力顯微鏡和流式細(xì)胞儀檢測EGCG處理后細(xì)胞的形態(tài)和細(xì)胞內(nèi)活性氧水平,發(fā)現(xiàn)EGCG在抑制G+菌和G-菌的過程中,EGCG產(chǎn)生的過氧化氫起到的作用是不同的。對于G+菌,EGCG主要是通過直接結(jié)合肽聚糖層來起到抑制作用,過氧化氫的氧化作用不明顯;對于G-菌,則主要是由于EGCG產(chǎn)生過氧化氫對細(xì)菌產(chǎn)生了氧化抑制作用。Maeta等[45]研究茶多酚對酵母的作用發(fā)現(xiàn),茶多酚可在弱堿性的培養(yǎng)基中產(chǎn)生過氧化氫,1 mg/mL的綠茶多酚就可以在培養(yǎng)基中產(chǎn)生約400 μmol/L的過氧化氫,并且可促使酵母細(xì)胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)。作者所在研究團(tuán)隊近年來通過研究茶多酚對銅綠假單胞菌抑制作用機(jī)制也發(fā)現(xiàn),茶多酚在弱堿性條件通過產(chǎn)生過氧化氫對細(xì)菌產(chǎn)生抑制作用,同時誘導(dǎo)抗氧化相關(guān)基因的上調(diào)表達(dá),并導(dǎo)致細(xì)菌對高溫、有機(jī)酸等多種脅迫條件產(chǎn)生耐受性[46-47]。目前,國內(nèi)外對于茶多酚氧化抑菌作用的研究還非常有限,茶多酚對細(xì)胞產(chǎn)生氧化損傷的現(xiàn)象主要來自于對人體細(xì)胞系的研究結(jié)果。例如,高濃度(10-3mol/L)的EGCG可以作為氧化劑對人細(xì)胞DNA產(chǎn)生氧化損傷,但是低濃度(10-8～10-5mol/L)的EGCG就表現(xiàn)出抗氧化的效果[40]。Nakagawa等[48]發(fā)現(xiàn)50 μmol/L EGCG可以在磷酸緩沖液(pH7.8)中產(chǎn)生約40 μmol/L的過氧化氫,從而造成腫瘤細(xì)胞的凋亡。

5 結(jié)語

隨著茶多酚在食品領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用,人們必須更加全面和深入地了解茶多酚的抗菌特性。本文初步總結(jié)了前人對于茶多酚的抗菌特性的研究成果,目前尚存在某些不足及有待加強(qiáng)之處。茶多酚抗菌效果的檢測方法尚缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),對來源于不同文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析存在困難;大多數(shù)實驗數(shù)據(jù)均來自于非食品體系的研究結(jié)果,至于食品成分對茶多酚抗菌作用的影響還需進(jìn)一步研究;茶多酚和其他植物來源的抗菌物質(zhì)協(xié)同作用的研究較少,開發(fā)對茶多酚有增效活性的天然物質(zhì)也將是今后的一個重要發(fā)展方向;食源致病菌的耐藥情況越來越嚴(yán)重,而目前茶多酚對食源耐藥菌的抑制作用或者協(xié)同抑菌的研究不多;茶多酚之所以能夠得到廣泛應(yīng)用,是因為人們對其安全性的認(rèn)可,但是,茶多酚與細(xì)菌相互作用的研究還非常有限,對于茶多酚是否會誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生對其他抗菌劑以及逆境條件(如食品加工過程中的高溫、低溫、酸堿、高鹽等極端條件)產(chǎn)生耐受性還不是很清楚,缺少風(fēng)險評估;另外,目前國內(nèi)外對于茶多酚抑菌機(jī)制尚不十分清楚,使得茶多酚的應(yīng)用缺乏科學(xué)的依據(jù)和指導(dǎo),很大程度上限制了茶多酚在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣。因此,為了更好地開發(fā)茶多酚的應(yīng)用潛能,對于茶多酚的抗菌特性及機(jī)理的研究必須更加廣泛和深入。

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Research progress in antibacterial properties of tea polyphenols

YANG Hai-lun1,LIU Xiao-xiang1,*,ZHU Jun-li2,LI Jian-rong3

(1.Faculty of Basic Medicine,Zhejiang Medical College,Hangzhou 310053,China;2.College of Food Science and Biotechnology,Zhejiang Gongshang University,Food Safety Key Lab of Zhejiang Province,Hangzhou 310035,China;3. Food Safety Key Lab of Liaoning Province,Bohai University,Jinzhou 121013,China)

Tea polyphenols(TP)as the natural compounds extracted from tea with broad-spectrum antimicrobial activity,are widely used as natural food preservatives. With the increasing concern of food safety,TP was recognized and accepted for its better security. Based on the research status on antimicrobial properties of TP at home and abroad,the researches that concerned with the chemical composition,antimicrobial activities,inactivation effect on bacterial toxins and antimicrobial mechanisms of TP were reviewed systematically in this paper. This work aimed at providing some references for wider and more proper application of TP in food and medicine field.

tea polyphenols;natural food preservative;antimicrobial property;antimicrobial mechanism;research progress

2015-02-12

楊海倫(1995-)，女，大專，研究方向：中草藥活性成分研究，E-mail:806549068@qq.com。

*通訊作者:劉小香(1982-)，女，博士，副教授，研究方向：食品微生物安全，E-mail:liuxiaoxiang413@126.com。

國家自然科學(xué)基金(31501581)；浙江醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)?？蒲谢痦椖?2013B03)；國家自然科學(xué)基金(31271954)。

TS201.1

A

1002-0306(2015)21-0385-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.21.072