植物源天然防腐劑來源及其抗菌物質(zhì)基礎

張海玲

摘要隨著人們健康意識的提高，非化學合成的植物源天然防腐劑逐漸受到人們的關注。主要從防腐劑的植物來源及抗菌的物質(zhì)基礎兩方面進行探討，并指出其在開發(fā)利用中存在的問題，旨在為植物源天然防腐劑的研究提供參考。

關鍵詞植物源；天然防腐劑；抗菌；物質(zhì)基礎

中圖分類號TS202.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）33-0076-03

Botanical Natural Food Preservative and Their Antimicrobial Material Basis

ZHANG Hailing

（School of Life Sciences， Hefei Normal University， Hefei，Anhui 230601）

AbstractWith the rising awareness of health， nonchemosynthetic botanical natural food preservative draws public attention gradually. In this article， food preservative from natural resource and antimicrobial material basis are discussed. Meanwhile， the problems during the research and development are presented， regarded as the future reference for the research of botanical natural food preservative.

Key wordsBotanical；Natural food preservative；Antimicrobial；Material basis

食品在加工、保藏、儲運過程中易受微生物侵染造成腐敗，不僅使之喪失營養(yǎng)價值而產(chǎn)生損失浪費，還會引起食物中毒從而危害健康。延長食品保藏期限最為方便和經(jīng)濟的技術(shù)是添加食品防腐劑。過去人們大都使用合成防腐劑如苯甲酸、山梨酸及其鹽類等，但經(jīng)長期研究發(fā)現(xiàn)，這類化學合成防腐劑的過量使用會有致癌性、致畸性和易引起食物中毒等危害，還可能對人體造成積累性慢性傷害。例如日本全面禁止在食品、藥品、化妝品中使用苯甲酸鈉；也有相關對羥基苯甲酸酯類對人體不利影響的報道等[1-3]。

天然防腐劑因其抗菌譜廣、性能穩(wěn)定、安全性較高等優(yōu)點，成為近年研究開發(fā)的熱點。天然防腐劑主要來源于動植物提取物和微生物及其代謝產(chǎn)物。我國現(xiàn)有種子植物約25 700種，蕨類植物2 400余種，苔蘚植物2 100多種，合計有高等植物30 000多種[4]，我國的植物多樣性為開發(fā)天然防腐劑提供了寶貴的資源。

1植物源天然防腐劑的植物來源

1.1中草藥來源

1994年出版的《中國中藥資源志要》收錄了分布于383科2 313屬共11 020種的藥用植物[5]。大量的試驗證實了多數(shù)中草藥對多種菌有抑制殺滅作用，同時在中草藥中尋找天然防腐劑也是我國獨有的研究領域。經(jīng)大量試驗證實，多數(shù)中草藥均有較好的抑菌作用，目前中草藥抑菌試驗中發(fā)現(xiàn)黃連的抑菌能力最強，其次為大黃、黃苓、大青葉、艾葉、魚腥草等，再其次為黃柏、玄參、連翹、知母、馬鞭草、烏梅、白頭翁、茵陳、蒲公英等[6]。

楊文俠等[7]采用70%乙醇為浸提劑，研究了7種藥食同源植物對臍橙致腐霉菌的抑菌效果，發(fā)現(xiàn)臍橙經(jīng)厚樸提取液處理后腐爛率減少了59.7%，防腐效果最好。高倫江[8]研究發(fā)現(xiàn)，余甘子果實70%乙醇提取物對細菌抑菌活性最強，其次為酵母，而對霉菌幾乎沒有抑菌活性，粗提物對熱有較好的穩(wěn)定性，抑菌效果隨著食品基質(zhì)pH的減小而增強，分離后得到抑菌單體物質(zhì)沒食子酸、槲皮素和齊墩果酸，但發(fā)現(xiàn)抑菌活性并沒有因單體純度提高而增強，表明粗提物中可能存在具有協(xié)同抑菌作用的物質(zhì)。張雁南等[9]研究發(fā)現(xiàn)，丁香和甘草復配液存在協(xié)同抑菌作用，對細菌最低抑菌濃度為3125 mg/mL，對霉菌則為6.25 mg/mL，在較低質(zhì)量濃度下便可達到較好的抑菌效果。但中草藥復配也可能存在拮抗效應，王蟬[10]研究發(fā)現(xiàn)，單一中草藥植物提取液的保鮮效果要強于復配提取液，可能是由于單一成分之間存在拮抗效應，使得各成分的相互作用小于單一組分加和的抑菌效果，進而降低了抑菌活性。

1.2香辛料來源

香辛料為食品烹調(diào)中常見調(diào)味料，如姜、蒜、丁香、肉桂、花椒、茴香、薄荷、桂皮等，其中含有的揮發(fā)油使得大多數(shù)香辛料都具有天然的抗菌作用。Hernndez等[11]研究發(fā)現(xiàn)，孜然、丁香揮發(fā)油對肉中常見的5種病原菌的抑菌濃度分別為500和750 mg/L，對肉的保鮮效果顯著。劉瑜等[12]研究了3種不同部位姜揮發(fā)油對6種菌的抑菌活性，發(fā)現(xiàn)抑菌強弱順序為姜皮揮發(fā)油、全姜揮發(fā)油、去皮姜揮發(fā)油，其中姜皮揮發(fā)油對6種菌的最低抑菌濃度均小于0.9 mg/mL。大蒜素是從大蒜鱗莖中分離出的具有廣譜抗菌活性的硫醚化合物，也存在于洋蔥和其他蔥科植物中。研究發(fā)現(xiàn)，大蒜素對10種細菌的LD50≤15 μg/mL[13-14]。Hussein等[15]研究了大蒜素對5種魚類病原菌的抗菌作用，發(fā)現(xiàn)最低抑菌濃度僅為63～500 μg/mL。

利用納米包埋的手段可克服香辛料提取物易揮發(fā)的缺陷，包埋后的緩釋作用可有效地延長提取物的保鮮作用時間。劉占東等[16]采用離子凝膠法制備了一種殼聚糖納米粒的肉桂精油，包埋質(zhì)量分數(shù)1%的肉桂精油殼聚糖納米粒試驗組的冷卻肉在（4.0±0.5）℃時儲藏期可達6 d，明顯優(yōu)于對照組3 d的儲藏期。此外，不同香辛料復配以及香辛料提取物與其他天然防腐劑復配，可有效提高其抗菌強度，兩者之間存在一定的協(xié)同抗菌作用。楊柳等[17]研究發(fā)現(xiàn)，丁香精油和肉桂精油按1∶1比例復配時，對大腸桿菌的抑菌效果要優(yōu)于單一精油；呂曉楠等[18]利用乳酸鏈球菌與黃芩、黃連、大黃按1∶6、1∶5、1∶6復配后進行抑菌試驗，結(jié)果表明復配物效價分別是乳酸鏈球菌的1.78、1.54、1.27倍。

1.3果蔬來源

果膠是一種水溶性天然聚合物，廣泛存在于檸檬、橙、柚、柑橘、葡萄等果皮中或甜菜、蘋果等廢渣中，果膠的酶分解物在酸性條件下（pH<6）具有抗菌作用，主要的抗菌物質(zhì)是聚半乳糖醛酸和半乳糖醛酸[19]。李拖平等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在pH 5 的條件下，10 mg/mL 乳酸鈉與5 mg/mL 的山楂果膠分解物——果膠寡糖的復配物即可完全抑制枯草芽孢桿菌的生長，防腐效果出色。李大峰等[21]發(fā)現(xiàn)，適度水解的柚皮果膠對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌的最低殺菌濃度為3.75、7.50、7.50 g/L，水解過度會使得具有較高抑菌活性的低聚半乳糖醛酸進一步水解為抑菌活性較弱的D-半乳糖醛酸。邱蓉蓉[22]研究發(fā)現(xiàn)，石榴皮的乙醇提取物對常見的9種食品腐敗菌均有抑制作用，且提取物經(jīng)過高溫處理及紫外線照射后抗菌活性依然沒有減弱。

常見的瓜果蔬菜也具有一定抗菌活性，郭奇等[23]發(fā)現(xiàn)，黃瓜、南瓜、苦瓜、冬瓜和絲瓜5種瓜類蔬菜的有機溶劑提取物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有一定程度的抑菌效果，其中南瓜的乙酸乙酯提取物抑菌活性最強。Miceli等[24]研究發(fā)現(xiàn)，琉璃苣、芥菜葉的水浸液對常見的35株食源性細菌均有抑制作用，其中芥菜葉對革蘭氏陽性細菌的抗菌效果更強，琉璃苣葉對革蘭氏陰性細菌的抗菌效果更強。

1.4野生植物及其他來源

荸薺味甜多汁、清脆可口、營養(yǎng)豐富。Zhan等[25]研究發(fā)現(xiàn)，荸薺皮的乙酸乙酯提取物對金黃色葡萄球菌、大腸埃希氏菌和李斯特菌均有抑制作用，通過檢測發(fā)現(xiàn)活性物質(zhì)為10種黃酮苷元。茶多酚為茶葉中多酚類物質(zhì)總稱，已被GB2760—2011收錄作為抗氧化劑使用，但它也具有較強的抗菌活性，其中的表沒食子兒茶素沒食子酸酯為其抗菌的主要活性成分[26]。甘蔗糖蜜為制糖工業(yè)副產(chǎn)品，Takara等[27]從中分離出2種酚類物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)對引起齲齒的表兄鏈球菌最低抑菌濃度為4 mg/mL。WANG等[28]利用丙酮提取板栗殼中含有的單寧類物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其對不同細菌均有抑制作用，對大腸桿菌的最低抑菌濃度僅為97.65 μg/mL。松針的水提物對大腸桿菌、普通變形桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和蠟狀芽孢桿菌表現(xiàn)出較強抑菌活性，對5種菌的最低抑菌濃度為0.78～12.50 mg/mL[29]；松針的精油提取物表現(xiàn)出更強的抑菌活性，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、蠟樣芽胞桿菌、釀酒酵母、黑曲霉、青霉等9種常見食品污染菌的最低抑菌濃度僅為0.20～1.56 μg/mL[30]。

此外，荷葉、艾葉、花生殼、竹葉、銀杏葉、蒲公英等均有不同程度的抗菌作用。

2植物源天然防腐劑抗菌的物質(zhì)基礎

2.1簡單酚類和酚酸

中藥材當歸、川穹富含阿魏酸，通常以阿魏酸為有效成分來評價其優(yōu)劣，阿魏酸具有抗炎作用，在歐美國家已被批準用做食品抗氧化劑[31]。常見的草本植物龍蒿葉和百里香含有的咖啡酸，對病毒、細菌、真菌均有較好的抑制作用[32]。Zeng等[29]對松針水提取物進行分離純化后發(fā)現(xiàn)，提取物中主要抑菌成分為莽草酸。

肉桂酸、兒茶酚和沒食子酚都是常見的羥基取代酚，它們的羥基取代位點及數(shù)目被認為對微生物的毒性有關，有研究表明，隨著羥基化數(shù)目的增加對微生物的毒性也隨之增加。另有研究發(fā)現(xiàn)，酚氧化程度越高，對微生物抑制越強[33]。酚類對微生物的毒性機制包括氧化物對酶的抑制作用，可能是通過與蛋白質(zhì)的巰基反應或通過與蛋白質(zhì)的非特異性相互作用而產(chǎn)生[34]。

2.2醌類

在中藥中以蒽醌及其衍生物為主，還有一部分不同程度的還原產(chǎn)物，如蒽酚、氧化蒽酚、蒽酮及其二聚體，主要存在于蓼科的大黃、何首烏、拳參、虎杖，豆科的番瀉葉、決明子，百合科的蘆薈，茜草科的鼠李、茜草等植物中[31]。田兵等[35]發(fā)現(xiàn)，從蘆薈中得到的蒽醌化合物蘆薈苷是主要抗菌成分，具有較強的抑制革蘭氏陽性菌能力。Kazmi等[36]研究發(fā)現(xiàn)，意大利番瀉葉中含有的蒽醌類物質(zhì)對炭疽桿菌、假白喉棒狀桿菌、銅綠色假單胞菌有抑制作用，對類鼻疽伯克氏菌有殺菌作用。蒽醌類化合物對微生物的毒性機制為通過抑制菌體糖代謝中間產(chǎn)物的氧化及脫氫過程，并與DNA結(jié)合，抑制核酸及蛋白質(zhì)合成[37]。

2.3黃酮類

黃酮類化合物泛指2個苯環(huán)通過中央三碳相互連接而成的一系列化合物，廣泛分布于植物界，花、葉、果中的黃酮類常以苷的形式存在，而木質(zhì)部中多為游離的黃酮類，竹葉、銀杏葉、槐米、荷葉、陳皮、黃岑、葛根等都含有黃酮類化合物[38]。黃酮類化合物如槲皮素、鼠李素、黃岑苷、木犀草素和石吊藍苷表現(xiàn)出抗菌活性，二氫槲皮素、山奈酚有抗病毒活性。渡邊和浩[39]發(fā)現(xiàn)，甘草查耳酮對HIV病毒有一定抑制作用。兒茶素是黃酮類化合物在C3單元的最簡化形式，在體外表現(xiàn)出對霍亂弧菌O1、變形鏈球菌、痢疾桿菌和其他細菌和微生物的抑制作用[40]。大量研究表明，黃酮類化合物對細菌的抑制效果明顯，但對霉菌和酵母效果較弱?？咕钚钥赡苡捎谒鼈兛梢耘c細胞外可溶性蛋白、細胞膜形成復合物，許多親脂類黃酮還可能破壞微生物細胞膜[41]。

2.4單寧類

單寧又稱鞣質(zhì)，是一類水溶性多酚類化合物，分為水解鞣質(zhì)和縮合鞣質(zhì)兩大類，分子量為500～3 000，廣泛存在植物的樹皮、果皮、葉、果實、根莖上，對細菌、真菌和酵母菌有明顯抑制作用，如柿子鞣質(zhì)對破傷風桿菌、葡萄球菌、白喉桿菌有抗性，茶葉、檳榔中的縮合鞣質(zhì)，丹皮、熊果、老鸛草中的水解鞣質(zhì)對鏈球菌有抗性[37]。單寧具有抑菌作用的機制主要有以下幾點：一是單寧與生物大分子（如蛋白質(zhì)、纖維素、半纖維素、膠質(zhì)等）的絡合反應；二是單寧與金屬離子的螯合作用（降低了含金屬酶的活性）；三是單寧可以降低細胞膜的流動性，抑制細胞膜合成[42]。

2.5萜類

萜類是各類天然產(chǎn)物中種類最多的一類化合物，其中單萜、倍半萜及其含氧衍生物是植物揮發(fā)油的主要組成成分，富含揮發(fā)油的植物有菊科、木蘭科、唇形科、蕓香科、傘形科、姜科、樟科、禾本科等，例如菊、八角、薄荷、橙、當歸、樟樹、丁香等都含有揮發(fā)油，具有抗菌活性[37]。Knobloch等[43]提出了植物揮發(fā)油在水中的溶解度直接影響揮發(fā)油有效成分透過細胞壁進入菌體的能力，而抗菌性則基于在菌體細胞膜雙磷脂層中的溶解度；揮發(fā)油中的類萜類降低了生物膜的穩(wěn)定性，從而干擾了能量代謝的酶促反應的觀點。

2.6生物堿類

狹義地講，植物中的含氮有機化合物（蛋白質(zhì)、肽類、氨基酸及維生素B除外）稱為生物堿。按化學結(jié)構(gòu)類型可分為異喹啉類、喹啉類、吲哚類、哌啶類、萜類、甾體類、肽類生物堿等，大多數(shù)生物堿具有抗菌作用。李楊等[44]報道了79個具有抗菌活性的生物堿，其中最受關注的為傳統(tǒng)民間藥用植物中的異喹啉生物堿，但有關生物堿的抗菌作用是否與含氮官能團相關還有待進一步研究。通過對生物堿的結(jié)構(gòu)修飾也可得到更強抗菌活性的物質(zhì)，Park等[45]通過對小檗堿和9-去甲小檗堿的結(jié)構(gòu)修飾，在C-13位上引入不同芳香基團，使得新的衍生物具有了更好的細胞膜滲透性，顯著提高了抗真菌活性。

2.7多肽類

植物抗菌肽主要為二硫鍵鉸鏈多肽類，這些抗菌肽幾乎都富含半胱氨酸，而且所有的半胱氨酸都具有分子內(nèi)二硫鍵結(jié)構(gòu)[46]。海洋生物為適應特殊生存環(huán)境和防御天敵，代謝出許多結(jié)構(gòu)新穎、功能獨特的活性肽、蛋白質(zhì)和生物酶類，是尋找抗菌物質(zhì)具有開發(fā)潛力的領域，Tan等[47]從紅海藻中分離出七環(huán)肽ceratospongamide，其反式異構(gòu)體具有很強的抗炎作用（ED50=32 nmol/L）。

3問題及展望

我國具有開發(fā)植物源天然防腐劑的資源優(yōu)勢，但在其研究與開發(fā)中仍存在以下問題：

①植物源防腐劑的開發(fā)需要植物學、微生物學、食品科學、毒理學、中醫(yī)藥學和生物化學等多門學科的理論為基礎，但目前各學科交叉合作較少，在探索中做了許多重復的工作，導致天然防腐劑開發(fā)缺乏系統(tǒng)的理論指導。

②目前植物提取物的研究還大多集中在粗提物，防腐的作用機理、抗菌譜和可應用范圍研究也不夠清楚，甚至部分植物提取物中到底是何種物質(zhì)起作用還不清楚，導致無法進行毒理學評價。

③在對植物源防腐劑從各方面進行研究的同時，必須對其現(xiàn)有標準或規(guī)定等內(nèi)容不斷地進行補充、完善，為植物源防腐劑的開發(fā)提供指導。

21世紀是個“綠色”的世紀，綠色食品、有機食品的發(fā)展離不開植物源防腐劑的開發(fā)和應用，開發(fā)廣譜、高效、安全、低成本的植物源防腐劑將會成為下一個食品工業(yè)中的熱點。

安徽農(nóng)業(yè)科學2017年

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