植物精油納米包埋技術(shù)的作用機(jī)制及其在肉品保鮮中的應(yīng)用

唐敏敏,王虹懿,劉 芳,諸永志,王道營(yíng),*,徐為民,*,孫芝蘭

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,江蘇南京 210095; 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工所,江蘇南京 210014)

冷鮮肉及肉制品在加工、貯運(yùn)過程中極易受到微生物污染而腐敗變質(zhì),不僅造成資源浪費(fèi),而且嚴(yán)重危害消費(fèi)者的身體健康。如何有效控制微生物生長(zhǎng)繁殖是肉品工業(yè)需面對(duì)的一大難題。眾所周知,食品防腐劑可有效抑制食源微生物生長(zhǎng)、延長(zhǎng)食品保質(zhì)期。隨著生活水平的提高,消費(fèi)者的食品安全意識(shí)也不斷增強(qiáng),純天然、無毒無害的生物防腐劑逐漸成為市場(chǎng)的新寵。植物精油是從天然植物中提取出來的一類小分子的植物源次生代謝產(chǎn)物,可通過水蒸汽蒸餾法、壓榨法、超臨界萃取法、溶劑浸提法等方法進(jìn)行提煉萃取[1],是一種具有揮發(fā)性的油狀液體。植物精油對(duì)革蘭氏陰性和陽性菌均有抑制作用,抑菌譜較廣[2],且其為天然產(chǎn)物,具有安全高效、應(yīng)用前景好等優(yōu)勢(shì)。然而多數(shù)植物精油的水溶性和熱穩(wěn)定性都很差,且生產(chǎn)成本較高,部分精油還帶有刺激性氣味,以上種種弊端阻礙了其在肉品工業(yè)的發(fā)展。就目前來說,植物精油在肉品產(chǎn)業(yè)中并未得到廣泛應(yīng)用,如何解決好這些問題已然成為植物精油的研究熱點(diǎn)。

納米包埋技術(shù)是微膠囊技術(shù)的延伸發(fā)展,可將植物精油包埋成納米顆粒,賦予其與眾不同的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)。納米包埋后的植物精油既能實(shí)現(xiàn)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的保護(hù),亦具備更高的穩(wěn)定性、更好的體內(nèi)吸收、控釋和靶向性功能[3]。此外,納米材料(尺寸<100 nm)可作為載體掩蓋植物精油的不良?xì)馕?并優(yōu)化其與肉品成分的相互作用。利用納米材料作為植物精油的傳遞介質(zhì),可有效提高肉品質(zhì)量、安全性和功能性。本篇綜述了植物精油的抗菌和抗氧化能力及作為肉品保鮮劑所面臨的問題、納米包埋植物精油的方法及對(duì)食源性微生物的作用機(jī)制,最后對(duì)納米包埋植物精油未來的開發(fā)和應(yīng)用做出展望。

1 植物精油在肉品保鮮中的應(yīng)用現(xiàn)狀

眾所周知,肉類產(chǎn)業(yè)規(guī)模宏大,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值中占有很大比例。由于肉制品富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),在生產(chǎn)運(yùn)輸和貯藏過程中極易暴露在空氣中被氧化,同時(shí)被一些食源性微生物分解而腐敗變質(zhì),從而給肉品產(chǎn)業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。研究表明,植物精油具有較強(qiáng)的抑菌和抗氧化作用,且揮發(fā)性較強(qiáng),近幾年來,其在肉品保鮮中的應(yīng)用已越來越廣泛[4-5]。由于植物精油存在溶解度低、穩(wěn)定性差以及人體毒理學(xué)效應(yīng)不明確等問題,因此仍需進(jìn)一步探索和改進(jìn)。

1.1 植物精油在肉品保鮮中的機(jī)理與應(yīng)用

植物精油的成分復(fù)雜,一般可分為四大類:萜類、芳香族類、脂肪族類和含氮含硫類。其中包含的酚類、醛類以及單萜和倍半萜等成分是植物精油首要的抗菌活性物質(zhì),對(duì)大多數(shù)革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌都有抑制作用,可替代人工合成的抑菌劑應(yīng)用在肉品中;含有的酚醛類物質(zhì)亦能夠消除肉品中過量的自由基,且抗氧化功效優(yōu)于VC,是一種安全高效的抗氧化劑[6]。然而,單方精油的保鮮效果有限,多數(shù)學(xué)者開始嘗試?yán)脧?fù)方精油延長(zhǎng)肉品的保鮮期。

1.1.1 植物精油的抗菌活性 微生物污染是引起肉品腐敗變質(zhì)的主因。它們不僅會(huì)使肉品失去原有的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和組織性狀,還會(huì)破壞肉品的外觀和口感。因此,通過抑制食源性微生物的生長(zhǎng)繁殖可以有效延長(zhǎng)食品的保藏期。植物精油中所含有的醇、醛、酮以及酚類等成分對(duì)食源性微生物有著較強(qiáng)的抑制作用,有些甚至對(duì)特定菌種具有專一抑制性[7]。此外,植物精油具有安全無毒、微生物對(duì)其不易產(chǎn)生抗藥性[8]等優(yōu)點(diǎn),作為天然抗菌劑在肉品行業(yè)具有很好的應(yīng)用前景。目前用于研究的植物精油種類繁多,如生姜精油、丁香精油、百里香精油、肉桂精油等。

精油及其成分對(duì)細(xì)菌細(xì)胞的作用機(jī)理主要包括兩種:一種是破壞細(xì)胞膜。細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)為磷脂雙分子層,具有選擇透過性,可選擇性地運(yùn)輸物質(zhì)和傳遞能量,還能識(shí)別和傳遞信息、保護(hù)細(xì)胞免受損傷。植物精油是疏水性物質(zhì),能夠進(jìn)入磷脂雙分子層內(nèi)部,破壞脂質(zhì)平衡和蛋白功能,導(dǎo)致膜滲透性增加,細(xì)胞內(nèi)容物滲出,造成細(xì)菌死亡,這也是最主要的抑菌機(jī)理。Blaszyk等[9]研究發(fā)現(xiàn)丁香精油中的丁香酚會(huì)使細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)變性,并與磷脂發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致膜滲透性增強(qiáng)。研究表明,使用丁香精油浸漬醬牛肉,并測(cè)試浸漬后醬牛肉的TBA值,一定程度上能夠抑制醬牛肉的菌落總數(shù),從而提高品質(zhì)[10]。另一種是對(duì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)和代謝途徑的影響。DNA是主要遺傳物質(zhì),在細(xì)胞合成和遺傳過程中都具有重要作用,而精油中的萜烯和酚類等主要化合物能夠抑制DNA修復(fù),破壞DNA結(jié)構(gòu),還可通過影響胞內(nèi)酶的活性抑制基因表達(dá),進(jìn)而影響遺傳物質(zhì)正常的復(fù)制及菌株的生長(zhǎng)繁殖[11]。如冷榨巴倫西亞橘精油能誘導(dǎo)耐藥金黃色葡萄球菌DNA的改變,干擾 DNA 的復(fù)制、重組與修復(fù),抑制與細(xì)胞壁合成有關(guān)的基因表達(dá),促使細(xì)胞溶解[12]。除兩種主要機(jī)理外,植物精油還可通過干擾細(xì)菌能量代謝系統(tǒng)、改變細(xì)胞形態(tài)、影響細(xì)胞分裂、破壞運(yùn)動(dòng)性、干擾信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)和毒力等方式抑制細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖[13]。具體的抑菌機(jī)理如圖1所示。

圖1 植物精油及其成分的抑菌機(jī)理[13]Fig.1 Antimicrobial mechanisms of essentialoil and its constituents

1.1.3 復(fù)方精油 復(fù)方精油是在食品安全基礎(chǔ)上為達(dá)到特定療效將兩種及以上的單方精油按照比例混合生成,且精油與精油之間是相互協(xié)調(diào)、相輔相成的。由于植物精油大多具有抗菌和抗氧化等多種生物活性,且單個(gè)精油應(yīng)用在肉品中的作用效果有限,難以完全抑制肉品中微生物的生長(zhǎng)繁殖以及氧化變質(zhì)。因此,多種植物精油的復(fù)配在一定程度上可以提高生物活性,延長(zhǎng)肉品保鮮期。如顧仁勇等[19]將牛至、丁香、山蒼子以及肉桂四種香辛料精油進(jìn)行復(fù)配后涂抹于豬肉表面,再對(duì)其進(jìn)行真空包裝,發(fā)現(xiàn)在低溫條件下可冷藏18 d,延長(zhǎng)了豬肉的保質(zhì)期。楊柳等[20]將丁香和肉桂復(fù)配而成的精油處理香腸,發(fā)現(xiàn)處理過的香腸在儲(chǔ)藏期間的菌落總數(shù)會(huì)明顯低于普通香腸,且pH始終較低,貨架期得到延長(zhǎng)。由此可見,研發(fā)出具有協(xié)同效應(yīng)的復(fù)方精油應(yīng)用在肉品保鮮行業(yè)對(duì)探究新型肉品保鮮劑開拓了路徑。

1.2 植物精油作為肉品保鮮劑面臨的問題

就目前而言,已有不少種類的植物精油作為天然防腐保鮮劑投放到肉品產(chǎn)業(yè)中,但應(yīng)用還不夠廣泛,其發(fā)展還面臨著挑戰(zhàn)。首先,植物精油的抑菌機(jī)理不夠系統(tǒng)全面,目前研究多集中在植物精油對(duì)細(xì)胞膜的作用機(jī)制,對(duì)細(xì)胞壁、遺傳物質(zhì)等其他結(jié)構(gòu)和功能的影響的研究較少。加速對(duì)植物精油抑菌機(jī)理的研究,將有助于推廣在食品保鮮領(lǐng)域的應(yīng)用。其次,某些種類的植物精油含有低刺激性或毒性成分,還需加強(qiáng)對(duì)植物精油的毒理學(xué)研究和安全性評(píng)價(jià)。另外,盡管復(fù)配精油提高了抗菌活性,能起到較好的保鮮效果,但依舊不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要,還需進(jìn)一步探索提高植物精油生物活性的方法。最后,多數(shù)植物精油本身具有較強(qiáng)的刺激性氣味,在水中的溶解度低且不穩(wěn)定。利用納米包埋技術(shù)可以有效改善精油的穩(wěn)定性和氣味,提高溶解度,減少對(duì)產(chǎn)品風(fēng)味的影響。

2 植物精油納米包埋技術(shù)

如上所述,植物精油的應(yīng)用發(fā)展還存在較多障礙,利用納米材料作為植物精油的載體,能有效提高植物精油穩(wěn)定性、安全性和功能性。一般來說,植物精油是親脂化合物的混合物[21],因此,對(duì)納米包埋方法的研究大多基于脂質(zhì)體系。本文主要討論植物精油基于脂質(zhì)體、納米乳以及固體脂質(zhì)納米顆粒三種包埋技術(shù)下的防腐抑菌效果。具體結(jié)構(gòu)圖如圖2[21]。

圖2 植物精油的納米包埋結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Nano-embedding structures of plant essential oils

2.1 基于脂質(zhì)體的包埋技術(shù)

脂質(zhì)體是由磷脂雙分子層自組裝形成的中空狀、雙層球形結(jié)構(gòu),直徑大小在200～1000 nm,可包圍水溶性和脂溶性物質(zhì)。水溶性物質(zhì)被包裹在磷脂雙分子層內(nèi)部的空間里,脂溶性物質(zhì)被夾在雙分子層疏水尾部之間[22]。脂質(zhì)體被美國(guó)食藥局認(rèn)定為安全可降解物質(zhì),脂質(zhì)體的包埋可有效提高植物精油中酚類物質(zhì)的溶解度和生物利用度[23],保護(hù)其免受肉品中酶類的破壞,延長(zhǎng)抑菌效果并提高抗氧化能力。實(shí)驗(yàn)證明,將包載槲皮素的納米脂質(zhì)體與槲皮素納米乳和槲皮素固體脂質(zhì)納米粒進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)槲皮素納米脂質(zhì)體在模擬胃液中的穩(wěn)定性更好,生物接受性高[24]。但脂質(zhì)體對(duì)酸、熱等因素敏感,貯藏過程中易發(fā)生絮凝、聚集融合,使被包埋物泄露[25],因此基于脂質(zhì)體的包埋物應(yīng)貯藏在陰涼干燥處。脂質(zhì)體的制備方法有很多,傳統(tǒng)的制備方法有超聲分散法、高壓均質(zhì)法、薄膜水合法等。趙呈婷[26]采用波薄膜-超聲分散法制備丁香精油脂質(zhì)體,結(jié)果發(fā)現(xiàn)精油的穩(wěn)定性和水溶性都得到了顯著的提高,且使用壽命延長(zhǎng),對(duì)豬肉等肉制品的抑菌效果得到增強(qiáng)。然而傳統(tǒng)的制備方法大多難以滿足大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)要求且殘留物較多,為能夠較好地解決這些問題,近幾年逐漸研發(fā)出一些新興的制備方法,如:超臨界流體法、乙醇注入法、膜接觸器法等[27]。Zhao等[28]利用超臨界CO2技術(shù)通過超臨界相減壓法生產(chǎn)脂質(zhì)體,經(jīng)研究表明,當(dāng)降壓速率為120 bar/min,壓力為200 bar時(shí)可產(chǎn)生均勻度和穩(wěn)定性都較高的脂質(zhì)體。歐春鳳等[29]采用乙醇注入法制備姜了黃素脂質(zhì)體,并對(duì)其粒徑大小、包埋率進(jìn)行測(cè)定,發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)制備的脂質(zhì)體相比,該姜黃素脂質(zhì)體的粒徑更小,且包封率和穩(wěn)定性都得到了提高。目前,超臨界CO2流體技術(shù)法是食品工業(yè)生產(chǎn)中最常用的脂質(zhì)體制備方法,其操作過程中所用到的超臨界CO2具有低粘度、高密度、高溶解性以及高傳質(zhì)性等多種優(yōu)點(diǎn),并且價(jià)廉易得、安全無毒,因此備受歡迎。

2.2 基于納米乳的包埋技術(shù)

納米乳是一類由水相、油相和表面活性劑按比例制成的透明或半透明的膠體分散體系,其大小均勻,且粒徑大小通常為50～500 nm[30]。由于納米乳液的粒子直徑小,總表面積大,從而增加了納米顆粒與肉制品的接觸面積,提高了植物精油的抑菌效果。與普通乳液相比,納米乳液在外觀、質(zhì)地、穩(wěn)定性和生物活性等方面表現(xiàn)出更好的功效,且對(duì)界面活性要求較低,但熱力學(xué)體系的穩(wěn)定性變差,須加入適當(dāng)?shù)娜榛瘎┖椭榛瘎┻M(jìn)行維持。納米化可以提高植物精油在水中溶解度和分散度,防止生物活性物質(zhì)被降解,增加生物利用率,并且具備緩釋和靶向等作用[31]。此外,納米化能最大限度地減少植物精油在感官特性上的負(fù)面影響。納米乳的制備方法有兩種,分別是高能乳化法和低能乳化法[32]。低能乳化法較為傳統(tǒng),主要通過改變環(huán)境和體系組分,來使水、油和乳化劑自發(fā)組合形成非常細(xì)小的球滴,此操作過程簡(jiǎn)單且所需設(shè)備和能源的成本較低。任婧楠等[33]與Marília等[34]采用相轉(zhuǎn)變點(diǎn)法分別制備了甜橙精油和牛至精油納米乳,體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:兩種納米乳均能降低金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的活性,可取代人工合成防腐劑應(yīng)用在肉品中。但傳統(tǒng)方法大多不利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。高能乳化法是通過相應(yīng)機(jī)械裝置所產(chǎn)生的超強(qiáng)破壞力來破壞油水兩相的平衡態(tài),使其均勻分散在連續(xù)相中,從而形成微小球滴[35]。此方法利于大規(guī)模生產(chǎn),制備出來的植物精油納米乳能延緩肉品在儲(chǔ)藏過程中菌落總數(shù)的增長(zhǎng),延長(zhǎng)貨架期。Moghimi等[36]采用超聲處理法將百里香精油制備成納米乳液,并與精油原液作對(duì)比,探究對(duì)食品腐敗菌的抑菌效果,結(jié)果表明,百里香精油納米乳液的抗菌活性是其精油原液的10倍以上,有很強(qiáng)的防腐保鮮效果。但是高能乳化法也有巨大的劣勢(shì),即乳化能量利用效率通常較低[37],且設(shè)備成本較高。在如今的食品工業(yè)中,最常用高能乳化法制備植物精油納米乳,但低能乳化法依舊值得關(guān)注。

2.3 基于固體脂質(zhì)納米粒的包埋技術(shù)

作為繼脂質(zhì)體和乳液后的新一代納米載體,固體脂質(zhì)納米粒是以天然或人工合成的高熔點(diǎn)固態(tài)類脂作為載體,使活性物質(zhì)吸附或包裹于脂質(zhì)基質(zhì)中的新一代納米載運(yùn)系統(tǒng)[38],其粒徑大小通常為50～1000 nm。固體脂質(zhì)納米粒常用于包埋化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的疏水性化合物,譬如植物精油,可大大提高其儲(chǔ)藏穩(wěn)定性和生物利用度。此外,基于固體脂質(zhì)納米粒的包埋技術(shù)對(duì)活性物質(zhì)有更好的控制、釋放及靶向作用;運(yùn)載的活性物質(zhì)受外界因素影響也進(jìn)一步減小;生物相容性較高,對(duì)機(jī)體毒性小[39]。但與此同時(shí),它也表現(xiàn)出一些新的缺陷[40]:對(duì)活性物質(zhì)的負(fù)載量低,存儲(chǔ)過程中脂質(zhì)重結(jié)晶導(dǎo)致包埋物析出等。固體脂質(zhì)納米粒的制備方法有很多,主要包括:超聲/高壓均質(zhì)法、微乳法、薄膜-超聲分散法、溶劑分散法和溶劑乳化法[41]。上述方法各有優(yōu)勢(shì),但多使用超聲/高壓均質(zhì)法,此方法不僅高效可靠,還可同時(shí)適用于實(shí)驗(yàn)室研究以及工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。如Ramalingam等[42]就通過超聲/高壓均質(zhì)法制備了姜黃素修飾的固體脂質(zhì)納米粒子。姜黃素通常用作肉類食品著色劑和酸堿指示劑,包埋后的姜黃素不僅水溶性、穩(wěn)定性、口服生物利用度得到改善,其抑菌、抗氧化等功效也得到提高。

3 納米包埋植物精油對(duì)肉品中微生物的作用機(jī)制

納米包埋的植物精油及其具有較強(qiáng)抗菌活性的生物活性物質(zhì)可作為人工合成抑菌劑的安全替代品。由于植物精油是萜類、醛類和酚類等幾種生物活性化合物的揮發(fā)性混合物,它們可同時(shí)作用于不同的位點(diǎn),干擾微生物的穩(wěn)態(tài),因此,產(chǎn)生耐藥性的幾率可以忽略不計(jì)[43]。植物精油的作用機(jī)制取決于其內(nèi)在的生化特征及其在原油中的比例,并具有級(jí)聯(lián)反應(yīng)?？偟膩碚f,植物精油會(huì)對(duì)食源微生物的結(jié)構(gòu)和生理功能產(chǎn)生影響,比如導(dǎo)致其細(xì)胞膜功能、細(xì)胞質(zhì)含量、以及與細(xì)胞正常功能相關(guān)的酶和蛋白受到干擾,從而打破微生物的新陳代謝平衡,促使細(xì)胞死亡[44-46]。然而植物精油的水溶性較低且易氧化,在一定程度上降低了自身的抑菌活性,使用合適的材料將其包埋成納米級(jí)顆?？墒咕秃褪澄锘|(zhì)之間形成屏障,并將植物精油傳遞到微生物優(yōu)先增殖的富水相,從而增強(qiáng)了穩(wěn)定性和分散性[47-49]。納米包埋技術(shù)可使部分植物精油通過細(xì)胞膜,并作用于胞質(zhì)膜內(nèi)側(cè)。由于納米包埋植物精油后所得到的顆粒直徑很小,增加了單位體積的表面積,因此,它們與微生物細(xì)胞膜的相互作用增強(qiáng),導(dǎo)致細(xì)胞在最佳劑量下死亡[50]。此外,像殼聚糖、葡聚糖、纖維素等作為載體的納米材料也可通過破壞膜電位、活性氧生成以及改變代謝過程而表現(xiàn)出抗菌性能[51]。張力等[52]以明膠-殼聚糖復(fù)合物為載體制備丁香酚納米粒,并研究其在冷鮮豬肉保鮮中的應(yīng)用。研究證明,丁香酚納米粒的水溶性和不穩(wěn)定性得到改善,且有效延緩了冷鮮豬肉持水力、質(zhì)構(gòu)指標(biāo)彈性和粘聚性的下降,將豬肉貯藏期延長(zhǎng)至13 d。有些植物精油還能與具有抗菌活性的載體材料產(chǎn)生協(xié)同作用,從而增強(qiáng)納米包埋植物精油的抗菌活性。Chen等[53]用玉米醇溶蛋白和殼聚糖包埋姜黃素和白藜蘆醇制備納米復(fù)合物時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著玉米醇溶蛋白和殼聚糖相對(duì)分子量的增加,姜黃素和白藜蘆醇的包埋率和物理穩(wěn)定性都有所增大,進(jìn)一步增強(qiáng)抗菌活性。綜上所述,植物精油與納米載體在抗菌方面具有協(xié)同作用,納米包埋處理后的植物精油對(duì)食源性微生物的作用時(shí)間延長(zhǎng),整體的抑菌活性增加。

4 結(jié)論與展望

隨著全球?qū)Π踩】凳称返男枨笕找嬖鲩L(zhǎng),越來越多的消費(fèi)者傾向于購買低防腐劑食品。在此背景下植物精油及其所含有的活性物質(zhì)既能抑菌防腐,又能抗氧化,故可作為新型食品防腐保鮮劑應(yīng)用在肉品中。但植物精油的具體成分還不明確,未來應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其成分的鑒定,并進(jìn)行相應(yīng)的安全性評(píng)價(jià),保障消費(fèi)者權(quán)益。納米包埋技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用,增強(qiáng)了食品系統(tǒng)中植物精油的水溶性、穩(wěn)定性以及生物活性。因此,納米包埋植物精油一旦在肉品中被允許大規(guī)模使用,便可為肉品保鮮行業(yè)提供一條安全又創(chuàng)新的發(fā)展路線。此外,新型包埋材料的研發(fā),也可拓展植物精油作為防腐保鮮劑的應(yīng)用領(lǐng)域,為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。