植物精油對病原微生物抑菌作用和機制的研究進展

劉歡，肖苗，賀小賢，王意，曹娟娟，蔣合陽，李瑩玉，蘆平

(陜西科技大學 食品與生物工程學院，陜西 西安，710021)

植物精油(essential oils，EOs)是從植物中提取的、具有一定揮發(fā)性的油狀液體的總稱，其在植物中分布廣泛，可從花、葉、根、皮或全植物中提取。植物精油屬于芳香化合物，具有較強的揮發(fā)性、疏水性，不溶于水，但可溶于有機溶劑和脂類[1]。植物精油按其化學成分可分為四類，萜類是其中最為常見、含量最多的，如金合歡烯、茴香醇等；第二類是芳香族化合物，其含量僅次于萜烯類化合物，主要包括酚類、醛類、酮類、酯類及一些衍生物等，如麝香草酚、桂皮醛等；第三類是脂肪族化合物，常見的有香茅精油中的異戊醛、乙酸乙酯等；第四類是含氮和含硫的化合物，大部分存在于辛香料植物中，如洋蔥中的三硫化合物等[2]。不同成分的植物精油所發(fā)揮的作用和功能也不盡相同，如抑菌、殺蟲、抗氧化、抗炎癥和抗癌活性等[3]。植物精油還具有天然綠色、安全無殘留、香味獨特等優(yōu)點，目前已廣泛應用于農業(yè)殺蟲劑、食用香精、食品保鮮防腐劑和化妝品等領域，也可用于心血管疾病、糖尿病、老年癡呆癥、癌癥、類風濕性關節(jié)炎等多種疾病的治療[4-5]。

病原微生物是引起食品安全問題和疾病的微生物，抗菌素在病原菌防治中扮演重要角色，但過多使用會產生耐藥性。植物精油具有良好的抑菌活性，被認為是天然抑菌劑，在病原微生物防控方面具有廣闊的發(fā)展前景。本文將分別從植物精油對細菌、真菌和病毒的抑制活性和機制進行綜述，旨在為植物精油作為天然抑菌劑在食品工業(yè)等領域的進一步研究和應用提供依據(jù)。

1 抗細菌作用

由于種類和官能團位置的不同，植物精油對細菌的作用效果和機制不盡相同。目前的研究表明，植物精油抗細菌作用的機制主要有：(1)破壞細菌的細胞壁膜完整性；(2)影響細菌核酸和蛋白質的合成；(3)干擾細菌細胞代謝過程。

植物精油通過改變細胞壁膜完整性發(fā)揮抑菌作用。研究表明，植物精油可直接接觸細菌的細胞壁膜，改變細胞膜的極性，導致細胞內外質子失衡，細胞壁膜結構發(fā)生不可逆損傷，通透性增加，使細胞內重要金屬離子以及核酸、蛋白質等生物大分子外滲，引起細胞死亡[6]。植物精油主要通過以下方式影響細胞膜結構：(1)通過改變細胞膜的通透性來破壞細胞膜結構。TANG等[7]研究發(fā)現(xiàn)砂仁精油對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistantStaphylococcusaureus, MRSA)具有良好抑菌活性，可以改變其細胞形態(tài)，增加細胞膜的通透性，破壞細胞壁膜完整性，使得細胞內的酶、核酸等重要生物大分子流出，導致MRSA死亡。YIN等[8]研究發(fā)現(xiàn)肉桂醛可以破壞嗜水氣單胞菌(Aeromonashydrophila)細胞膜通透性，造成細胞壁膜破裂，細胞質外泄，細胞內部空化，影響蛋白質代謝，抑制嗜水氣單胞菌的生長。石超等[9]研究發(fā)現(xiàn)反式肉桂醛會對復原嬰幼兒牛乳中阪崎克羅諾腸桿菌(Cronobactersakazakii)細胞膜的通透性產生影響并使細胞破碎瓦解。袁中偉等[10]以耐甲氧西林金黃色葡萄球菌USA300為受試菌，探究了百里香酚對其細胞壁膜的影響，結果表明，百里香酚對USA300細胞壁和細胞膜具有破壞作用，通透性顯著增加，并干擾其正常的二分裂，抑制USA300的生長繁殖。GUO等[11]研究發(fā)現(xiàn)赤砂精油可以影響大腸桿菌細胞膜的骨架結構，從而影響膜完整性并使膜通透性增加，導致細胞內重要生物大分子泄漏，使得大腸桿菌的生長受到抑制。(2)植物精油還可作用于細菌外膜蛋白或磷脂分子，從而影響膜蛋白結構以及脂肪酸在細胞膜中的比例和結構。多酚提取物可以降低枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)細胞膜中直鏈脂肪酸和異支脂肪酸的比例，從而影響膜的流動性，阻礙枯草芽孢桿菌正常的細胞生長和分裂[12]。MARCHESE等[13]研究發(fā)現(xiàn)百里香油可以抑制蛋白質的合成，導致細菌外膜蛋白結構發(fā)生顯著變化，發(fā)揮抑菌作用。此外，百里香酚、香芹酚和肉桂醛可影響大腸桿菌O157∶H7、金黃色葡萄球菌、鼠傷寒沙門菌(Salmonellaentericaserovartyphimurium)和熒光假單胞菌(Pseudomonasfluorescens)細胞膜脂肪酸結構和比例，不飽和脂肪酸C18∶2trans和C18∶3cis含量下降，而飽和脂肪酸(特別是C17∶0)含量則有所增加[14]。

植物精油亦可作用于細胞壁及其合成相關酶。王桂清等[15]研究了遼細辛精油對灰葡萄孢菌(Botrytiscinerea)細胞壁降解酶的影響，發(fā)現(xiàn)遼細辛精油能激活細胞外的果膠甲基轉移酶、果膠酶、細胞外C1和蛋白酶活性。ZHANG等[16]研究發(fā)現(xiàn)，肉桂精油可對大腸桿菌細胞壁造成損傷，抑制細胞壁組分的合成，從而起到抑菌殺菌作用。由于細胞壁的構成不同，植物精油對革蘭氏陽性菌和陰性菌效果也不同。通常，革蘭氏陽性菌比陰性菌對植物精油更敏感。革蘭氏陽性菌細胞壁大多由肽聚糖組成，這使得疏水分子很容易穿透細胞，并在細胞壁和細胞質內發(fā)揮作用。革蘭氏陰性菌細胞壁除了有肽聚糖層外，還有一層由脂多糖相連的磷脂外膜，因此，革蘭氏陰性菌更具耐藥性。研究表明，粉椒揮發(fā)油對金黃色葡萄球菌和單核增生李斯特菌(Listeriamonocytogenes)有較明顯的抑菌活性，但對革蘭氏陰性菌無效[17]。NAKSANG等[18]研究發(fā)現(xiàn)，芍藥揮發(fā)油對蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)、金黃色葡萄球菌和單核細胞增生李斯特菌具有較強的抑菌活性，抑菌活性為0.1%～0.3%(體積分數(shù))。段偉麗等[19]通過比較艾蒿精油對金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌的抑制效果，發(fā)現(xiàn)精油對金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌的最低抑菌濃度(minimum inhibitory concentration，MIC)分別為2.5、5、10 μL/mL。

植物精油對細菌核酸和蛋白質合成的影響。李亞茹等[20]研究發(fā)現(xiàn)萜烯類成分能夠降低細胞內氧化反應的水平，從而影響核酸修復。PENG等[21]發(fā)現(xiàn)，黃連素可以通過增加細菌的細胞膜通透性、破壞細菌細胞膜結構，同時抑制蛋白質和DNA的合成，從而導致無乳鏈球菌最終死亡。植物精油及其主要成分不僅能阻遏DNA合成，還能抑制基因的表達。MUTHAIYAN等[22]研究了無萜冷榨巴倫西亞橙精油對金黃色葡萄球菌生長的影響，發(fā)現(xiàn)該精油能夠引起與抑制細胞壁合成一致的基因表達變化，包括氨基酸生物合成、細胞包膜、中央中介代謝、DNA代謝、蛋白質合成和信號轉導，同時能夠觸發(fā)細胞裂解。

植物精油對細菌能量代謝的影響。QIAN等[23]研究發(fā)現(xiàn)香草酸可以改變耐碳青霉烯類陰溝腸桿菌(carbapenem-resistantEnterobactercloacae)細胞內ATP的濃度。其他研究人員發(fā)現(xiàn)，麝香草酚可抑制沙門氏菌ATP合成酶活性，影響檸檬酸代謝途徑，進而干擾三羧酸循環(huán)進程[24-25]。何靜如等[26]研究發(fā)現(xiàn)(-) -β-蒎烯主要是通過破壞沙門氏菌細胞形態(tài)和結構，導致離子的泄漏，增強三羧酸循環(huán)中琥珀酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶的活力以及降低ATP含量，干擾其能量代謝過程來實現(xiàn)抑菌作用。

本課題組一直致力于精油對水產病原微生物(主要為弧菌)抑菌活性和機制的研究。發(fā)現(xiàn)檸檬醛對溶藻弧菌(Vibrioalginolyticus)具有良好的抑菌活性，MIC為0.125 mg/mL。檸檬醛處理可使溶藻弧菌培養(yǎng)液電導率和丙二醛含量增加，同時場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察表明，檸檬醛可作用于溶藻弧菌細胞壁和細胞膜，造成細胞壁膜的破損[27]。此外，檸檬醛對副溶血弧菌(Vibrioparahaemolyticus)RIMD2210633也顯示出良好的抗菌活性，MIC為0.125 mg/mL。檸檬醛可引發(fā)細胞膜脂質過氧化，導致細胞膜受損，而引起胞內物質的外泄。掃描電鏡觀察進一步證實了檸檬醛的作用靶點為細胞膜和細胞壁，可引起細胞壁膜的內陷、皺縮、破損甚至斷裂。在斑馬魚感染實驗中，斑馬魚注射了經檸檬醛處理的溶藻弧菌后，其表現(xiàn)出死亡率降低以及感染癥狀減輕等現(xiàn)象[28]。

2 抗真菌作用

植物精油可對真菌的細胞膜和細胞壁造成影響。TIAN等[29]研究發(fā)現(xiàn)，蒔蘿油抑制黃曲霉細胞生長的主要作用機制是破壞其正常的甾醇生物合成途徑，導致麥角甾醇合成減少，對細胞膜造成直接損傷，從而改變質膜結構，造成黃曲霉細胞的完整性缺失。米嘉琦等[30]評價了肉桂醛、丁香酚、檸檬醛、香芹酮、香葉醇、己醛6種植物源精油對芒果膠孢炭疽菌(ColletotrichumgloeosporioidesPenZ)的抑菌機理，結果表明肉桂醛對芒果膠孢炭疽菌有很強的抑制作用，破壞其細胞壁膜的完整性，導致膜的通透性顯著增加，從而使細菌死亡。李路等[31]探究了p-茴香醛對柑橘酸腐病菌的抑制作用和機制，發(fā)現(xiàn)p-茴香醛能夠破壞酸腐病菌菌絲體細胞壁完整性，同時對細胞膜造成損傷，使得酸腐病菌菌絲呈現(xiàn)褶皺、干癟、不規(guī)則等現(xiàn)象。戴向榮等[32]研究顯示發(fā)現(xiàn)肉桂醛對黃曲霉(Aspergillusflavus)孢子的細胞質膜可造成氧化損傷，影響其完整性和透過性，從而抑制其生長。植物精油能夠穿透和破壞真菌細胞壁和細胞質膜，從而導致線粒體膜的解體。植物精油還可影響離子通道，特別是Ca2+，破壞線粒體膜的極化，從而降低膜電位。膜流動性的這種變化可能導致電解質滲漏，并阻礙細胞色素C途徑、蛋白質代謝和鈣離子攝取。

植物精油影響真菌核酸和蛋白質的合成。羅曼等[33]采用相差顯微鏡、掃描電鏡、單細胞凝膠電泳分析技術，從膜、細胞器和細胞內大分子水平研究了檸檬醛對黃曲霉孢子的影響。結果顯示，檸檬醛進入細胞后，一方面損傷了黃曲霉孢子細胞質膜，使其彈性下降，導致細胞膜功能喪失；另一方面可增加磷酸二酯鍵斷裂頻率，導致細胞核DNA損傷；同時還可損傷細胞壁膜上的功能脂質蛋白，導致蛋白大分子的非功能性聚集，從而使得細胞、細胞器和大分子失去正常的結構和功能，最終導致黃曲霉孢子失去萌發(fā)能力。植物精油還可影響真菌毒素合成基因的表達水平。DA SILVA BOMFIM等[34]研究發(fā)現(xiàn)，迷迭香精油在質量濃度為250 g/mL(15.3%)時抑制了黃曲霉的菌絲生長。經迷迭香精油處理后黃曲霉毒素B1和B2的產生受到了抑制，說明迷迭香精油可能直接作用于毒素的生物合成，進而影響黃曲霉菌的產毒能力。YAGUCHI等[35]通過實時熒光定量PCR法分析了從洋甘菊和桉樹中分離的早熟素II和薄荷酮對禾谷鐮刀菌(Fusariumgraminearum)產毒基因tri4、tri5、tri6、tri10轉錄的影響。結果表明早熟素II對tri4、tri5的轉錄抑制最為明顯，而tri6、tri10轉錄水平也分別在培養(yǎng)48和96 h后顯著降低，呈現(xiàn)劑量依賴性；當薄荷酮的體積分數(shù)為300或1 000 μL/mL時，能夠明顯抑制4種產毒基因的mRNA水平。

植物精油對真菌細胞能量代謝的影響。TIAN等[29]發(fā)現(xiàn)，蒔蘿精油可抑制黃曲霉線粒體ATP酶和脫氫酶的活性，導致ATP含量明顯下降，使細胞正常能量代謝受阻。羅曼等[36]研究發(fā)現(xiàn)，黃曲霉經檸檬醛處理后，與對照組相比線粒體受到了損傷，表面呈現(xiàn)皺褶、形態(tài)不規(guī)則、結構混亂、表面不光滑的現(xiàn)象，而且線粒體氧化還原蘋果酸脫氫酶和琥珀酸脫氫酶的能力明顯下降，呼吸速率顯著降低。上述結果表明檸檬醛不僅會損傷黃曲霉細胞的線粒體結構，降低細胞的能量合成和代謝，而且還能減少代謝過程中ATP和還原型輔酶 Ⅱ 等的合成量，從而降低氧化還原力，不可逆地抑制核酸、蛋白質、脂類及糖的合成而導致細胞死亡。

3 抗病毒作用

近年來研究證明，植物精油具有巨大的抗病毒潛力。牛至和丁香精油對幾種未轉化的RNA和DNA病毒(如腺病毒3型、脊髓灰質炎病毒和柯薩奇病毒B1)有強抗病毒活性[37]。NAGY等[38]發(fā)現(xiàn)，未成熟和成熟的果皮油在2.5 μL/mL的濃度下對H5N1病毒有中等抑制作用。鼠尾草、薄荷、奇異果、鷹爪草和羊茅精油等對人類皰疹病毒1型和2型均有抗病毒活性[39]。

對于包膜病毒，植物精油可干擾包膜功能，使包膜解體而導致病毒滅活。ASTANI等[40]研究了八角茴香精油、丁香酚、反式茴香腦等抗氧化物對HSV-1病毒(herpes simplex virus type 1)的抗病毒作用，發(fā)現(xiàn)HSV-1顆粒在植物精油的作用下直接失活，推測主要作用于其包膜，導致包膜解體。此外，有學者提出精油及其化學成分由于親脂性可用于SARS-CoV-2感染控制，精油可穿透SARS-CoV-2病毒包膜并導致其破裂[41]。對于無包膜病毒，有研究表明，牛至精油可直接作用于諾如病毒衣殼，致使衣殼直徑增大，膨脹解體[42]。

少數(shù)植物精油還可影響病毒核酸和蛋白質。POURGHANBARI等[43]研究了山茱萸(檸檬薄荷)精油和奧司他韋對H9N2亞型禽流感病毒(avian influenza A virus，AIV)的體外抗病毒活性及其協(xié)同作用。結果發(fā)現(xiàn)，不同濃度的檸檬薄荷精油可以抑制流感病毒的復制。反式激活蛋白(transactivator，Tat)是HIV轉錄所必需的蛋白質，與HIV復制所需的TAR-RNA相互作用，形成Tat/TAR-RNA復合物。FERIOTTO等[44]研究發(fā)現(xiàn)百里香、香茅、迷迭香揮發(fā)油可直接與Tat蛋白相互作用，使得Tat/TAR-RNA復合物不穩(wěn)定。

4 結論

病原微生物是引起食品安全問題和疾病的重要元兇，隨著人們對健康生活品質的追求，抗菌素因其微生物耐藥性及體內殘留等問題逐漸在相關行業(yè)限用甚至禁用，開發(fā)新型抑菌劑成為亟待解決的問題。越來越多的植物精油展現(xiàn)出良好的體外抑菌活性，本文分別從植物精油對細菌、真菌和病毒的抑制活性和機制進行綜述，目前植物精油對病原微生物的抑制機制主要體現(xiàn)在3個方面：(1)破壞細胞壁膜結構；(2)影響生物大分子合成；(3)紊亂能量代謝。植物精油是環(huán)境友好型的天然抑菌劑，在食品、醫(yī)療等相關領域病原微生物危害防控方面具有廣闊的發(fā)展前景。

5 展望

由于植物精油的廣譜抑菌活性和綠色安全性等特點，使得其在食品、醫(yī)藥、農業(yè)等行業(yè)越來越受到重視。目前，關于植物精油的抑菌機制主要集中于對細胞壁膜完整性和通透性的影響。但是，目前對于植物精油如何靶向作用于細胞膜和細胞壁的內在分子機制尚不清楚，后期可通過代謝組學或轉錄組學等方法，比較不同濃度或不同作用時間下抑菌劑處理后代謝物和總的基因轉錄的變化，明確抑菌劑對病原微生物細胞壁和細胞膜合成相關代謝通路的影響，從分子、基因水平深度研究精油抗菌、抗病毒的作用機理。目前對于植物精油的抑菌活性主要集中在體外研究，后續(xù)應進一步針對不同動物模型開展體內及臨床安全性評價試驗。此外，植物精油具有易揮發(fā)、不穩(wěn)定等特點，限制了其進一步應用，可加強微膠囊包被以及納米乳液或納米顆粒等技術的研究，提高其穩(wěn)定性。