植物精油在糧油食品抑菌中的應(yīng)用

張 鑫 ，耿慶何 ，郭 超 ，張逍遙 ，王 超 ，劉艷麗 ?

（1. 北京城市學(xué)院 生物醫(yī)藥學(xué)部，北京 100083；2. 國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院，北京 100037）

據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織統(tǒng)計，每年有 10億 t的農(nóng)產(chǎn)品在其生產(chǎn)、加工和運(yùn)輸?shù)冗^程中會受到真菌污染，這些真菌及真菌毒素的侵害不僅會使食品的質(zhì)量受到影響，同時對人們的身體健康也有一定的危害[1]。研究者們?yōu)榻鉀Q食品中的真菌污染問題，研究和開發(fā)了一系列抑菌產(chǎn)品。合成化學(xué)品的抑菌劑，如吡咯苯類、咪唑類、硫氰酸類等，雖具有一定抑菌效果，但是由于其毒性高、殘留高以及不可生物降解等問題，影響其在食品中的應(yīng)用[2]。因此，研發(fā)能夠廣泛應(yīng)用于各類食品中的新型、綠色、安全、高效的抑菌劑，已成為目前研究人員重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。

植物精油（the plant essential oils）是指萃取于植物不同部位、具有強(qiáng)烈芳香成分的揮發(fā)油[3]。植物精油的抑菌活性來源于主要成分的生物活性，或者主要和次要成分的整體協(xié)同作用，其中酚類、烯類、萜類和醛酮類等化合物起主要的抑菌作用，具有廣泛的抑菌、殺蟲、抗毒素和抗氧化性能[4]。與化學(xué)合成抑菌劑不同，植物精油的優(yōu)勢是從天然產(chǎn)物中提取、具有廣譜的抑菌特性以及對環(huán)境和人體危害小，是化學(xué)合成抑菌劑的優(yōu)良替代品。

本文對真菌及真菌毒素的危害、植物精油有效抑菌成分以及植物精油制劑的應(yīng)用研究進(jìn)行綜述，以期對植物精油在食品抑菌方面的研究和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 糧油食品中真菌的危害

真菌易產(chǎn)生真菌毒素（mycotoxin），導(dǎo)致糧油食品的腐敗變質(zhì)，目前已發(fā)現(xiàn)的真菌毒素有400多種[5]。在食品貯藏時期，食品腐敗主要是由曲霉屬（Aspergillus）、青霉屬（Penicillium）和鐮刀菌屬（Fusarium）等真菌附著在其表面繁殖入侵引起的[6-7]。真菌所產(chǎn)生的真菌毒素有致畸、致癌和致突變的性質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致人體生理機(jī)能紊亂，引起肝中毒和免疫系統(tǒng)損害等癥狀[8]。常見的真菌毒素、主要產(chǎn)毒菌株、易污染基質(zhì)如表1所示[9-14]。

表1 常見真菌及真菌毒素Table 1 Common fungi and mycotoxins

2 植物精油抑菌活性物質(zhì)

植物精油成分復(fù)雜，精油按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為脂肪族化合物、芳香族化合物、萜類化合物及其含氧衍生物。不同植物所含的特有成分都存在不同程度的生物活性。據(jù)研究統(tǒng)計植物精油中具有良好抑菌作用的化學(xué)物質(zhì)主要有醛類、酚類、醇類和酮類等。

2.1 醛類物質(zhì)

植物精油中具有抑菌作用的醛類物質(zhì)較多，主要有肉桂醛、檸檬醛、茴香醛和香茅醛等。醛類具有高活潑性的甲酰基結(jié)構(gòu)，可破壞多種霉菌的細(xì)胞壁、改變細(xì)胞膜的通透性和影響菌絲的形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而具有抑菌作用。李璐等[15]發(fā)現(xiàn)p-茴香醛可以誘導(dǎo)酸腐病菌病原體菌絲細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的損傷。劉光發(fā)等[16]將肉桂精油和檸檬草精油制備成抑菌膜，其主要成分肉桂醛和檸檬醛，對根霉、灰霉、青霉和交鏈孢霉等均具有良好抑制作用。

2.2 酚類物質(zhì)

植物精油中的酚類物質(zhì)多具有特殊芳香氣味，是植物精油氣味的來源之一，主要的抑菌成分有丁香酚、香芹酚、百里香酚等。不同濃度的酚類可使真菌的蛋白質(zhì)產(chǎn)生變性或沉淀，還可以降低微生物營養(yǎng)物質(zhì)可溶性糖的含量。王丹等[17]發(fā)現(xiàn)丁香精油中，一定濃度的丁香酚能顯著抑制致病菌灰葡萄孢菌、鏈格孢菌和膠孢炭疽菌的菌絲生長和孢子萌發(fā)。戚雯雯[18]等研究香芹酚可以破壞指狀青霉菌細(xì)胞膜，使菌體內(nèi)電解質(zhì)滲出，抑制其生長。

2.3 醇類物質(zhì)

植物精油中的醇類多為單萜醇，水溶性好，部分單萜醇具有很強(qiáng)的抑菌性，包括芳樟醇、香茅醇和香葉醇等。王進(jìn)等[19]研究香樟葉精油中的芳樟醇對處理48 h后的蘋果炭疽菌、番茄灰霉菌和小麥赤霉菌的半抑制濃度分別為：31.74、35.79和38.02 mg/L，具有顯著抑菌作用。楊文等[20]發(fā)現(xiàn)將香茅醇的兩旋光異構(gòu)體經(jīng)復(fù)配后可以產(chǎn)生協(xié)同作用，對茶炭疽病菌抑制作用顯著。

2.4 酮類物質(zhì)

植物精油中的酮類成分含量豐富，多為單萜酮，并具有毒性，包括香芹酮和薄荷酮等，控制其濃度可以在食品中起到抑菌作用。陳碩等[21]制備了含薄荷酮和薄荷醇的微乳體系，通過復(fù)配發(fā)現(xiàn)對釀酒酵母菌有抑制作用。王富軍等[22]合成的香芹酮化合物對水稻稻瘟病菌具有抑菌活性。

2.5 其他成分

植物中的其他活性物質(zhì)如蛋白質(zhì)類、生物堿類、多糖類和醌類等也具有高效抑菌作用[23]。近年來發(fā)現(xiàn)的植物多肽，如植物防衛(wèi)素等，也都具有抑菌作用。除上述物質(zhì)外，有些植物的提取物雖無抑菌作用，但是經(jīng)過酶解過程后會得到有較好抑菌作用的產(chǎn)物，如瓊膠，來自于海洋植物，瓊膠經(jīng)酶解后生成的瓊膠寡糖具有抑菌作用[24]。

3 植物精油抑菌劑的應(yīng)用

植物精油作為天然抑菌劑的原料，具有很高的利用價值，但其活性物質(zhì)也具有化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定和不易保存等缺點(diǎn)，使植物精油作為抑菌劑在應(yīng)用時受到限制。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，科研人員將植物精油開發(fā)為微膠囊、涂膜劑、脂質(zhì)體、氣霧劑等制劑，可以在食品的生產(chǎn)和保鮮中起到更好的抑菌作用。

3.1 精油微膠囊抑菌劑

采用天然或合成的高分子材料作為囊膜壁殼，將固態(tài)或液態(tài)藥物包裹成密封囊膜的微小固體顆粒藥庫，即微膠囊[25]。微膠囊化可以解決精油的化學(xué)成分性質(zhì)不穩(wěn)定、不易儲存和易揮發(fā)等問題。劉香軍[26]等以丁香精油為芯材制備抑菌保鮮微膠囊，抑菌效果好且釋放緩慢。黎星辰[27]等將肉桂精油制成微膠囊，發(fā)現(xiàn)添加微膠囊的大豆與對照組大豆含霉菌量有顯著性差異。以辛烯基琥珀酸酐改性淀粉和麥芽糊精為壁材包裹玫瑰精油制備微膠囊，實(shí)現(xiàn)了對精油中酯類、醇類和酚類物質(zhì)的控制釋放，如圖1所示[28]。

但是目前微膠囊較多使用單層結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用中常面臨穩(wěn)定性、抗?jié)裥砸约把趸缘葐栴}，利用雙層微囊制備技術(shù)可以進(jìn)一步解決這些問題。同時，如何簡化復(fù)雜制備操作，減少材料化學(xué)殘留等也是微膠囊制劑研究的熱點(diǎn)問題[29]。

圖1 辛烯基琥珀酸酐改性淀粉和玫瑰精油微膠囊[28]Fig.1 Microencapsulation of starch and Rose essential oil modified by octenylsuccinic anhydride

3.2 精油復(fù)合涂膜劑

精油復(fù)合涂膜是指將植物精油作為抑菌劑加入天然可食用材料制成涂膜液，再將食品農(nóng)作物等浸泡風(fēng)干成膜。研究表明經(jīng)植物精油涂膜后的食品表面可以有效防止細(xì)菌、真菌等微生物侵染導(dǎo)致的腐爛變質(zhì)。楊震宇[30]利用1.5%的殼聚糖和不同濃度肉桂精油制成的復(fù)合膜，能夠減緩雪蓮果的呼吸作用，具有抑菌的效果。Guerra等[31]研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖復(fù)合薄荷精油涂膜可有效防止櫻桃番茄果實(shí)在貯藏期間黑曲霉、灰霉病菌、擴(kuò)展青霉和黑根霉引起的霉菌侵染。Marjan等制備的百里香、夏香精油與羅勒籽膠抑菌膜能顯著降低雞肉片中總活菌數(shù)和嗜冷菌數(shù)，如圖2所示[32]。

涂膜劑雖然具有良好的抑菌效果，但是涂膜過程中易導(dǎo)致果蔬菜葉損害萎蔫和營養(yǎng)物質(zhì)損壞等問題，故不適用于體積小，葉菜類等物質(zhì)保鮮抑菌。

3.3 精油脂質(zhì)體緩釋抑菌劑

脂質(zhì)體是一種新型的載體，其結(jié)構(gòu)類似于生物膜[33]。脂質(zhì)體是將物質(zhì)包封于類脂質(zhì)雙分子層薄膜中間而制成的超微型球狀載體制劑。脂質(zhì)體可包封水溶性或脂溶性藥物，具有靶向性緩釋性保護(hù)被包封物等特點(diǎn)[34]。脂質(zhì)體可提高揮發(fā)油穩(wěn)定性，同時增強(qiáng)其溶解性，與作物相結(jié)合達(dá)到長效抑菌。崔海英等[35]將豆蔻精油包裹在納米脂質(zhì)體里面，測定其在肉制品中對大腸桿菌及單核細(xì)胞增生李斯特菌的生長具有長效抑制作用。Laura等研制的三葉丹參和迷迭香脂質(zhì)體在 4 ℃條件下貯存一個月，具有明顯的抗氧化、抗炎和抑菌活性，如圖3所示[36]。

圖2 羅勒籽膠與百里香、夏香精油復(fù)合抑菌膜延長冷凍雞肉片貨架期[32]Fig.2 Compound film of basil seed gum, Thymus and Summer Fragrant oil prolongs shelf life of frozen chicken slices

圖3 三葉丹參和迷迭香精油脂質(zhì)體[36]Fig.3 Liposom es loaded with Salvia triloba and Rosmarinus officinalis essential oils

但目前脂質(zhì)體主要用于人體內(nèi)的靶向制劑，且制備工藝較復(fù)雜，尤其在包封率的控制方面較為困難，應(yīng)用到抑菌領(lǐng)域中易受到溶劑影響，故可將脂質(zhì)體凍干成粉使用。

3.4 精油水凝膠抑菌劑

水凝膠是一類極為親水的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠，它在水中迅速溶脹并在此溶脹狀態(tài)下可以保存大量的水而不溶解。相比于其他傳統(tǒng)的包埋材料，水凝膠具有生物相容性好、易于合成以及pH響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[37]。梁樂誼等[38]將辛夷油制成微乳凝膠發(fā)現(xiàn)對金黃色葡萄球菌大腸桿菌與綠膿桿菌的抑菌圈直徑分別為（15.97±0.29）、（15.07±0.12）、（15.73±0.25）mm，并具有良好穩(wěn)定性。張琳等利用 Fmoc-F（Phe）多肽水凝膠包埋丁香精油，隨著環(huán)境 pH的變化，水凝膠會產(chǎn)生不同響應(yīng)而控制精油的釋放，如圖4所示[39]。

圖4 Fmoc-F 凝膠形成示意圖[39]Fig.4 The process of Fmoc-F hydrogel formation

但水凝膠在應(yīng)用時面臨溶脹率高，易損壞，殘留高等弊端，通過加入不同凝膠因子改善這些問題也是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。

3.5 精油抑菌氣霧劑

氣霧劑是指將藥液乳液或混懸液與適宜的拋射劑共同封裝于具有特制閥門系統(tǒng)的耐壓容器中，使用時借助拋射劑的壓力將內(nèi)容物呈霧狀物噴出的制劑。將精油直接噴灑揮散于空中進(jìn)行氣調(diào)，可以直接抑制貯藏時空氣中霉菌的繁殖和生長。李煬[40]將姜黃、苦參及花椒揮發(fā)油和適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┗旌现苽渌幮Ш?、穩(wěn)定性高、符合現(xiàn)代藥物儲藏特點(diǎn)的微乳，并灌裝至 100 mL棕色噴壺內(nèi)，制備揮發(fā)油噴霧劑，有良好抑菌殺蟲功效。YanjunLi等研究八角精油主要成分為反式茴香醚（91.32%）、D-檸檬烯（2.0%）和雌二醇（2.0%），發(fā)現(xiàn)八角精油具有對黃曲霉體外抑菌活性，最低抑菌濃度為2.0 μL/mL，最低殺菌濃度為4.0 μL/mL，如圖 5 所示[41]。

但噴霧劑在使用中需加入穩(wěn)定劑，同時調(diào)節(jié)倉儲的溫度和濕度，來達(dá)到控制更好的抑菌效果。

圖5 八角精油熏蒸劑[41]Fig.5 A natural fumigant of Illiciumverum essential oil

4 結(jié)論與建議

植物精油作為一種天然綠色抑菌劑應(yīng)用于食品抑菌中，已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。但天然植物抑菌劑的開發(fā)還需要更深層次的研究，如何解決以下問題也是未來深入研究的關(guān)鍵。

4.1 植物精油中有效成分研究有待于進(jìn)一步開展

植物精油中成分復(fù)雜，雖然研究表明現(xiàn)有已知的一些醛類、酮類等精油成分已經(jīng)具有很好的抑菌作用，但目前在研究與應(yīng)用中使用的精油，大部分是粗提物，還有很多能夠起到抑菌作用的有效成分還是未知的，應(yīng)當(dāng)盡快建立快速高效的提取分離、純化和篩選鑒定有效抑菌成分的方法，以便植物精油更好應(yīng)用于食品抑菌中。

4.2 植物精油抑制真菌的作用機(jī)理研究相對較少

研究精油抑菌不應(yīng)只研究效果，在如何抑菌方面也是重點(diǎn)。研究時需要微生物學(xué)、生物化學(xué)和食品科學(xué)等多學(xué)科的技術(shù)和理論支持，從細(xì)胞水平和分子生物學(xué)水平研究多種有效成分的抑菌機(jī)理和與真菌的相互作用入手。

4.3 研發(fā)應(yīng)用的植物精油抑菌譜窄

單一植物精油很難完全抑制多種真菌的生長，通過研究不同精油復(fù)配增效，開發(fā)出抑菌譜廣和使用劑量低的抑菌精油，是未來植物精油研究的方向。

4.4 植物精油制劑開發(fā)具有局限性

且現(xiàn)有加工技術(shù)不夠先進(jìn)。精油制劑在當(dāng)前應(yīng)用中，具有成本高、包埋率低、釋放性差等缺點(diǎn)，因此應(yīng)在完善現(xiàn)有抑菌制劑工藝基礎(chǔ)上，開發(fā)具有穩(wěn)定性好、抑菌時間長和低殘留的新制劑，同時開展抑菌劑在食品中的安全性研究，從而使精油作為綠色無公害的抑菌劑在食品領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。