植物精油的抗氧化活性及其在果蔬保鮮上的應(yīng)用研究進(jìn)展

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(1.大連民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,遼寧大連 116600; 2.生物技術(shù)與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連 116600; 3.大連理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧大連 116024)

精油是一類植物源的次生代謝產(chǎn)物,是萃取自植物的葉、花、根、莖或果實(shí)等不同組織部位的具有揮發(fā)性油狀液體的芳香類物質(zhì)[1-2]。精油的成分十分復(fù)雜,通常主要由單萜、倍半萜烯、脂、醛、酮、醇等化學(xué)成分組成,具有特殊氣味,可用作天然的抗氧化劑和抗菌劑[3-4]。目前,化學(xué)合成的抗氧化劑雖然抗氧化能力比較強(qiáng),但長期使用會對人體產(chǎn)生一定的潛在毒性,越來越受到消費(fèi)者的排斥,由此更加安全的天然抗氧化劑擁有更強(qiáng)的應(yīng)用價值[5]。

植物精油可作為一類純天然、無毒、無害的植物性添加劑[6],其內(nèi)含有大量酚類化合物,可有助于保護(hù)細(xì)胞免受自由基引起的氧化損傷,從而降低心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和各種癌癥的風(fēng)險(xiǎn)[7],因此常作為抗氧化劑或天然食品添加劑應(yīng)用于食品工業(yè)。Kasniewska等[8]研究發(fā)現(xiàn)添加1%～10%牛至精油的普蘭士多糖涂膜處理可有效降低多酚氧化酶(PPO)和過氧化物酶(POD)的活性,保持貯藏期內(nèi)小洋白菜的外觀和色澤,從而延長其貨架期,由此可見植物精油具有良好的抗氧化活性。

本文從植物精油的抗氧化活性成分、抗氧化作用機(jī)制及其在果蔬保鮮中的應(yīng)用進(jìn)行綜述,以期為植物精油的抗氧化活性功能在開發(fā)果蔬保鮮劑方向應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 植物精油的抗氧化活性

1.1 植物精油的抗氧化活性成分

植物精油所含化學(xué)成分的種類、所占比例的不同是導(dǎo)致植物精油生物學(xué)功能性差異的主要原因。一般而言,每種精油中可能含有2～3種成分，其所占比例較大,而所占比例較大的活性成分在很大程度上直接決定該植物精油的生物學(xué)特性[9]。Bourgou等[10]在對四種艾草精油進(jìn)行抗氧化活性測試時發(fā)現(xiàn)四種精油均具有良好的抗氧化活性,但不同種類的精油抗氧化活性有所不同。

植物精油的種類眾多,其中很多精油都含有抗氧化活性物質(zhì),目前受到廣泛關(guān)注且研究較多的是一些唇形科植物、樟科植物、姜科植物和桃金娘科植物等[11]。從唇形科植物提取出的植物精油,特別是百里香、迷迭香、牛至和鼠尾草精油,其抗氧化活性已被廣泛研究及應(yīng)用。根據(jù)酸度和極性對牛至精油進(jìn)行分離,結(jié)果發(fā)現(xiàn)香芹酚和百里香酚占精油成分的78%～82%,這兩種酚類物質(zhì)是牛至精油發(fā)揮抗菌和抗氧化活性的關(guān)鍵成分[12]。此外,兩種單萜烯類物質(zhì)(γ-萜烯和對傘花烴)分別占精油成分的5%和7%,有助于牛至精油發(fā)揮抗氧化活性[11]。Han等[13]通過氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用技術(shù)對牛至不同部位提取出的精油進(jìn)行化學(xué)成分鑒定,并通過2,2-二苯基-1-苦基肼(DPPH)自由基清除實(shí)驗(yàn)來研究該精油的抗氧化活性,研究發(fā)現(xiàn)從牛至花葉中提取出的精油抗氧化活性最好,這是因?yàn)榕Ｖ粱ㄈ~中香芹酚和百里酚活性成分含量接近50%,是起抗氧化作用的主要成分,且當(dāng)精油濃度為1.25 mg/mL時,其抗氧化活性最高。Pinto等[14]對百里香精油的成分含量及其組分分析進(jìn)行了研究,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)百里香精油所含揮發(fā)油成分占總成分的98.5%,百里香酚及香芹酚含量最多,分別占總成分的26%和21.0%,C-松油烯和對傘花素含量較少,分別占總含量的8.8%和7.8%。其中百里香酚及香芹酚是百里香精油發(fā)揮抗氧化活性的主要成分。Lee等[15]采用氣相色譜和氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對百里香精油的成分進(jìn)行了鑒定,測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),該精油所含的百里香酚跟香芹酚相比其他成分表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗氧化活性。迷迭香精油為唇形科迷迭香屬亞灌木或多年生草本植物,其主要依靠鼠尾草酚、迷迭香酸、迷迭香酚等活性成分發(fā)揮抗氧化活性。鼠尾草精油主要是依靠1,8-桉葉素、樟腦和β-蒎烯等活性成分發(fā)揮出抗氧化活性作用,快速TLC-DPPH篩選實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該精油發(fā)揮抗氧化活性是許多活性成分協(xié)同作用的結(jié)果,單獨(dú)使用某個活性成分并不具有很強(qiáng)的抗氧化活性[11]。

Sivasothy等[16]采用水蒸餾法從生姜葉中提取的精油多含石竹烯,而根莖中提取出的精油主要是單萜類化合物,其中莰烯、天竺葵和乙酸香葉酯是生姜精油中3種最豐富的成分。但姜科植物主要依靠黃酮類物質(zhì)發(fā)揮抗氧化活性的功效。傘形科植物(如茴芹和香菜)表現(xiàn)抗氧化活性主要是黃酮類物質(zhì)和花青素等,桃金科植物(如香桃木、桉樹和千層樹等)發(fā)揮抗氧化活性的主要成分是苯丙酯類和丁香酚等[11]。

1.2 植物精油的抗氧化活性機(jī)制

植物精油作為一種天然安全物質(zhì),可以與自由基結(jié)合形成更穩(wěn)定的化合物,起到清除自由基的作用,從而達(dá)到抗氧化效果[19]。這是因?yàn)橹参锞椭谐撕羞€原性雜原子、不飽和雙鍵之外,還含有多酚及黃酮類物質(zhì)[2]。其中多酚物質(zhì)可以直接淬滅單線態(tài)氧、阻止自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng),還可與過氧自由基有較高的反應(yīng)活性,可將活潑氫原子傳遞給自由基,使自由基變成活性較低的物質(zhì)并將其清除,反應(yīng)式如下[11]:

R·+POH→RH+PO·

中間產(chǎn)物苯氧自由基(PO·)由于苯環(huán)的共軛效應(yīng),相對穩(wěn)定,不易發(fā)生下一步反應(yīng)。此外,PO·可以迅速與下一個自由基產(chǎn)生反應(yīng),將其清除,反應(yīng)式如下[11]:

PO·+R·→POR

Shao等[20]通過測定DPPH自由基和ABTS+自由基清除實(shí)驗(yàn)來研究金線蓮精油的抗氧化活性。研究發(fā)現(xiàn)在0.05～2 mg/mL的精油濃度范圍內(nèi),自由基的清除率與精油濃度呈正相關(guān)。當(dāng)精油濃度為2 mg/mL時,該精油對DPPH自由基和ABTS+自由基的清除率分別達(dá)到70%和90.5%以上,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該精油表現(xiàn)出較好的自由基清除能力。吳克剛等[21]對12種精油在氣相條件下清除DPPH自由基的能力進(jìn)行分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明丁香精油對DPPH·的清除效果最佳,清除率可高達(dá)80.12%,其次為肉桂精油,清除率為43.07%,牛至精油和茶樹精油次之,清除率分別為35.52%和27.63%,其他精油對DPPH·的清除效果都較差,實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明12種植物精油均含有抗自由基活性成分,其清除自由基的效果不僅與精油種類有關(guān),還與植物精油中抗自由基活性含量有關(guān)。

1.2.2 與金屬離子螯合 植物精油中的某些酚類物質(zhì)含有兩個酚羥基,具備良好的螯合性能,與銅、鐵、鈣能發(fā)生螯合反應(yīng),起到抑制油脂的自動氧化作用及防止金屬離子誘導(dǎo)自由基的產(chǎn)生,還可減少金屬離子對氧化反應(yīng)的催化作用[22]。

某些過渡金屬離子(如Fe2+、Cu2+等)可以與H2O2發(fā)生芬頓(Fenton)反應(yīng),生成羥自由基(·OH),反應(yīng)過程如圖1所示,它是人體在新陳代謝過程中產(chǎn)生對生物體危害最大、反應(yīng)性最強(qiáng)的一種氧自由基,可以啟動與幾乎所有生物大分子的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng):

圖1 Fenton反應(yīng)產(chǎn)生·OH示意圖[11]Fig.1 Schematic diagram of ·OH generated by Fenton reaction[11]

植物精油中的多酚類物質(zhì)可以與金屬離子螯合,生成相對穩(wěn)定的配合物,從而抑制金屬誘導(dǎo)的自由基的生成,反應(yīng)過程如圖2所示。

圖2 酚類物質(zhì)與金屬離子發(fā)生螯合反應(yīng)示意圖[11]Fig.2 Schematic diagram of chelate reaction between phenols and metal ions[11]

1.2.3 抑制脂質(zhì)過氧化 對食品質(zhì)量而言,脂類的氧化不僅會破壞食品的良好風(fēng)味,食用過多對人體的健康也會造成一定的損傷,是造成食品感官品質(zhì)下降的主要因素之一[26]。目前,越來越多研究人員為了防止脂質(zhì)過氧化作用而不斷趨向于研究天然抗氧化劑。植物精油的抗氧化活性主要與其所含的活性成分酚類物質(zhì)的氧化還原特性和化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān),酚羥基可以作為脂肪氧化過程中過氧自由基的供養(yǎng)體,阻止過氧化羥基的生成,阻斷脂質(zhì)過氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng),從而保護(hù)脂質(zhì)類基質(zhì)不被氧化[11]。

張麗敏等[27]通過研究發(fā)現(xiàn)廣藿精油不僅能夠清除超氧陰離子自由基及羥自由基,還對Fe2+引發(fā)的卵磷脂脂質(zhì)體過氧化有明顯的抑制作用,且抑制率與精油濃度呈正相關(guān),具有一定的還原能力和總抗氧化活性,可作為一種良好的自由基清除劑和抗氧化劑。劉艷燦等[28]研究發(fā)現(xiàn)紅蔥頭精油對羥基自由基(·OH)的清除能力可達(dá)90%以上,對DPPH自由基清除能力達(dá)到70%以上,同時對超氧陰離子自由基的清除能力和抗脂質(zhì)過氧化能力均在50%以上,且隨著紅蔥頭精油質(zhì)量濃度的增加,其抗脂質(zhì)過氧化能力提高,說明紅蔥頭精油除具有較強(qiáng)的自由基清除能力以外，還具有效抑制脂質(zhì)的過氧化作用。

2 植物精油在果蔬保鮮中的應(yīng)用

植物精油雖然具有較強(qiáng)的抗氧化作用,但直接使用植物精油對果蔬保鮮,會因其本身的氣味影響果蔬的風(fēng)味,且精油濃度過高時還會破壞果蔬的組織結(jié)構(gòu),不利于貯藏。但將植物精油復(fù)合其他技術(shù)對果蔬進(jìn)行保鮮,不僅能使植物精油抗氧化活性物質(zhì)逐漸釋放到果蔬表面,還可減少精油對鮮切果蔬風(fēng)味的不良影響,也能很好地保持抗氧化效果。

2.1 植物精油熏蒸處理

精油熏蒸處理是指采用植物精油作為熏蒸劑和果實(shí)一起放入密閉的場所或容器內(nèi)反復(fù)處理,處理結(jié)束后將果實(shí)放入消毒的塑料筐內(nèi),內(nèi)襯聚苯乙烯(PE)袋,然后進(jìn)行封口在室溫下放置[4]。植物精油中由于含有多種生物活性物質(zhì),且具有良好的抗氧化活性及安全無毒的特點(diǎn),被認(rèn)為是一種理想的天然果蔬保鮮劑[29]。因此將植物精油作為熏蒸劑對果蔬保鮮具有綠色安全,保鮮效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)樵谡麄€熏蒸處理過程中植物精油不需要直接接觸果蔬,而是通過氣體的空間擴(kuò)散作用將植物精油的揮發(fā)性活性成分均勻的覆蓋在果蔬表面,從而有效地保持果蔬抗氧化潛力及延緩果蔬的腐敗變質(zhì),還可減少果實(shí)營養(yǎng)物質(zhì)的流失,降低精油對果蔬的傷害及影響等眾多功效。不僅如此,植物精油許多揮發(fā)性活性成分都是醛類、醇類等化合物,這些物質(zhì)都能在一定條件下轉(zhuǎn)化為醇類,而脂肪族的醇類通常被認(rèn)為是多酚氧化酶的抑制劑,可以起到抑制水果褐變的作用[30]。

Perumal等[31]研究發(fā)現(xiàn)用百里香精油熏蒸處理可提高采后芒果的抗氧化酶活性,包括過氧化物酶、幾丁質(zhì)酶、苯丙氨酸解氨酶、β-1,3-葡聚糖酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶,也有助于保持酚類含量。李彥虎等[32]用花椒精油和芥末精油做供試熏蒸劑對雙孢菇進(jìn)行熏蒸處理,研究結(jié)果表明,在低溫(4±1) ℃條件下,0.1 mL/kg花椒精油和1.5 mL/kg芥末精油均能有效防止腐爛，降低失重率和可溶性蛋白質(zhì)含量、抑制褐變，減緩呼吸強(qiáng)度，降低多酚氧化酶和過氧化物酶活性,降低膜脂過氧化水平,可將雙孢蘑菇貯藏期延長至10 d。錢霄晨等[33]研究發(fā)現(xiàn)在4 ℃低溫下貯藏30 d后,肉桂醛熏蒸處理可明顯提高香菇抗氧化物酶(APX、CAT、SOD、GR)的活性、TEAC值和總抗氧化能力。其中,40 nmol/L的肉桂醛熏蒸處理的效果最佳。由此可知,肉桂醛熏蒸處理能夠很好地提高香菇的抗氧化性及抗逆性。

2.2 植物精油微膠囊

植物精油微膠囊是利用天然或合成的高分子成膜材料把分散均勻的植物精油包覆形成一種具有半途性或密封囊膜的微小固體顆粒[34],再將制好的微膠囊顆粒加入用于包裝果蔬的紙箱或塑料薄膜中。植物精油微膠囊化后,可提高植物精油的穩(wěn)定性并能很好地防止精油敏感成分受到外界環(huán)境的影響,解決植物精油易揮發(fā)、不穩(wěn)定性及作用時效短等一系列不良問題,同時可將液態(tài)精油轉(zhuǎn)化為固體狀態(tài),有利于精油貯藏運(yùn)輸和使用,有效地減少其損失,擴(kuò)寬植物精油的應(yīng)用領(lǐng)域[35]。目前已有研究將植物精油微膠囊化后用于果蔬保鮮上,研究發(fā)現(xiàn)微膠囊化的植物精油揮發(fā)性延緩,對果蔬風(fēng)味的不良影響也相對減少,能很好地維持植物精油的抗氧化活性及抗菌效果,使果實(shí)保持良好的感官品質(zhì),延長果蔬貨架期[4]。因此將精油微膠囊化后用于果蔬保鮮方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

張靜[36]以丁香,肉桂及大蒜精油為囊芯,以β-環(huán)糊精(p-CD)為壁材制成微膠囊后用于香菇保鮮的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,精油微膠囊處理后可降低香菇中的酶活力,使香菇的生命活動維持在最低水平,其中添加4%的肉桂精油微膠囊可顯著抑制PPO酶活力,從而抑制了香菇褐變及營養(yǎng)成分的損失,起到維持香菇的良好品質(zhì),及延長其貨架期的效果。薛瓊等[37]研究發(fā)現(xiàn)將肉桂精油制成微膠囊可有效減少肉桂精油的氣味,延緩了抗氧化活性物質(zhì)成分的揮發(fā),可對芒果具有良好的保鮮效果。張洪軍等[38]將丁香精油以微膠囊化的形式應(yīng)用到紙箱中對桃進(jìn)行保鮮,實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在瓦楞紙箱中添加6.5 g丁香精油微膠囊并復(fù)合PE膜處理后,可維持桃的良好感官品質(zhì)及提高桃果實(shí)的抗氧化能力,貯藏13 d后好果率依然達(dá)到80%,可以延長其貨架期5～6 d,且精油微膠囊化后可避免果蔬在保鮮過程中保鮮劑的殘留問題,同時也可解決植物精油易揮發(fā)的問題。

2.3 植物精油復(fù)合可食性涂膜

精油復(fù)合涂膜是指將植物精油作為抗菌劑或抗氧化劑加入殼聚糖、海藻酸鈉等這類天然可食性材料制成的涂膜液中,再將果實(shí)侵入其中,撈出后自然風(fēng)干會在果蔬表層形成一種無色透明的半透膜,可延長果蔬的貯藏時間。這是因?yàn)樵撎幚矸椒蓽p少植物精油揮發(fā)性物質(zhì)的散失,還具有調(diào)節(jié)果蔬內(nèi)部氣體交換、抑制果蔬的呼吸和蒸騰作用、降低水分損失及延長貨架期的特性[39]。另外,除半透膜能夠有效抑制多酚氧化酶的活性外,植物精油所含的醛類、醇類等活性成分已被認(rèn)為是多酚氧化酶的抑制劑,也可以起到抑制水果褐變的作用,從而達(dá)到改善果蔬貯藏品質(zhì)的效果。且植物精油與成膜材料均為可食性物質(zhì),因此制得的保鮮薄膜具有安全無毒及可食用的優(yōu)點(diǎn),在果蔬貯藏保鮮領(lǐng)域中已引起廣泛關(guān)注。

Xing等[40]研究表明,殼聚糖復(fù)合肉桂精油涂膜處理可顯著抑制棗果實(shí)多酚氧化酶的活性,且良好維持棗果實(shí)中維生素C和酚類化合物的含量。Azarakhsh等[41]采用不同濃度檸檬草精油(0.1%、0.3%、0.5%)復(fù)合海藻酸鈉涂膜對新鮮菠蘿進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,精油濃度過高時會破壞菠蘿的硬度及外觀,當(dāng)添加0.3%檸檬草精油時,復(fù)合涂膜可抑制與褐變相關(guān)的酶PPO和POD活性,改善了菠蘿的理化及感官特性,延長菠蘿的貨架期和保持其良好的質(zhì)量。馮可等[42]將殼聚糖與牛至精油復(fù)合對鮮切菠蘿進(jìn)行涂膜處理,研究發(fā)現(xiàn),添加0.5%的牛至精油可有效減緩菠蘿組織結(jié)構(gòu)軟化,使得VC含量的降低緩慢,且添加0.3%和0.5%牛至精油時,可顯著降低鮮切菠蘿的POD和CAT活性,在保持鮮切菠蘿品質(zhì)良好的情況下延長它的貯藏期。Mohammadi等[43]研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖復(fù)合肉桂精油涂膜可以提高黃瓜貯藏期間的理化品質(zhì)和抗氧化活性,在10 ℃條件下其貨架期可延長至21 d。Xing等[44]研究表明,殼聚糖復(fù)合肉桂精油涂膜處理可以降低甜椒果實(shí)的腐爛率,良好地保持果實(shí)的品質(zhì)。在第35 d時復(fù)合涂膜處理過的甜椒果實(shí)中清除抗氧化酶(SOD、POD、CAT)的活性更高。

2.4 植物精油保鮮紙

精油保鮮紙是通過將植物精油添加到保鮮紙中得到新型保鮮紙,實(shí)現(xiàn)對果蔬的保鮮。精油保鮮紙有一定的透氣性,既可以隔離外界有害物質(zhì)和減少果蔬水分與營養(yǎng)成分散失,又可以提供一定的氣體環(huán)境,進(jìn)行氣體交換,防止果蔬本身產(chǎn)生的不利氣體累積[4]。目前我國關(guān)于精油保鮮紙的研究主要是通過將抑菌性及抗氧化性良好的天然植物研成粉末添加到造紙醬料中,或者將其提取物制成涂膜液涂布、噴淋、浸漬等方式附著在紙張上面,雖然使用方便但是不利于長期保存及遠(yuǎn)距離運(yùn)輸,影響了精油保鮮紙的應(yīng)用與發(fā)展。

譚瑞心等[45]利用牛至精油加入羧甲基纖維素中混合制備出新型可降解活性包裝膜保鮮紙。并對該保鮮紙的微觀結(jié)構(gòu)、抗氧化活性及抑菌性能等進(jìn)行研究。結(jié)果表明,該保鮮紙膜樣表面會出現(xiàn)微孔,使精油能夠從中釋放出來,從而發(fā)揮抗氧化和抑菌作用。通過進(jìn)行DPPH自由基清除實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),牛至精油的加入能夠顯著提高保鮮紙膜的抗氧化能力,且抗氧化活性隨著精油濃度的增加而顯著增強(qiáng),其中當(dāng)添加2%的牛至精油時該保鮮紙具有最好的抗氧化活性。秦曉芳等[46]制備了一種以PVA涂層為阻隔層,以牛至精油和1-甲基環(huán)丙烯(1-MCP)為保鮮劑的保鮮紙,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)該保鮮紙對油桃的呼吸作用產(chǎn)生了良好的抑制作用,可明顯降低油桃的PPO酶活性及腐爛指數(shù)。林曉雨等[47]研究發(fā)現(xiàn)以PVA涂層為阻隔層,以牛至精油為抗氧化劑和抗菌劑制備的保鮮紙可降低杏果實(shí)的失重率、抑制杏果實(shí)呼吸速率及可溶性固形物含量的降低,且該保鮮紙還具有減緩精油抗氧化活性物質(zhì)的釋放,從而延長杏果實(shí)的貨架期。Kwon等[48]用含有牛至精油的聚乙烯醇膜包裝圣女果,結(jié)果表明,含牛至精油的保鮮紙對圣女果上的病原菌和腐敗菌都有明顯的抑制作用,可良好維持圣女果的理化特性,延長了圣女果的貯存時間。

3 討論與展望

植物精油抗氧化活性被認(rèn)為是精油對許多食品貯藏保鮮應(yīng)用的基礎(chǔ),植物精油大多數(shù)抗氧化效能,可緩解自由基對機(jī)體的傷害,有益于延緩機(jī)體的衰變。同時它還可與其他有活性物質(zhì)互利共同維護(hù)機(jī)體。且在抗菌、抗腫瘤、清除自由基等方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的功效。綜合考慮,植物精油相對于目前用于食品、制藥等工業(yè)的傳統(tǒng)合成抗氧化劑更安全,其作為天然抗氧化劑及抗菌劑在果蔬貯藏保鮮與加工等方面有著廣闊的應(yīng)用前景與研究價值。

植物精油作為一種天然混合物,由于其組成成分十分復(fù)雜。導(dǎo)致目前針對精油中各種單體成分的抗氧化活性的研究相對較少。因此,以后可多注重植物精油單體活性成分的抗氧化及抑菌機(jī)制方向的研究,且植物精油容易受到氣候、環(huán)境、種植地等各種因素的影響,使得精油的研究應(yīng)用受到一定局限,還應(yīng)聯(lián)系實(shí)際繼續(xù)探索開發(fā)。