植物精油微乳技術及在食品保鮮中的應用

石俊杰,魯曉翔

(天津商業(yè)大學 生物技術與食品科學學院，天津市食品生物技術重點實驗室，天津， 300134)

食品中含有豐富的營養(yǎng)物質，在貯藏過程中，由于自身生理代謝或外界微生物污染等原因，導致其營養(yǎng)價值降低、貨架期縮短[1]。因此，為保證食品的品質和延長貨架期，需要采取適當?shù)谋ｕr措施。

傳統(tǒng)食品保鮮技術主要分為：物理保鮮、化學保鮮和生物保鮮[2]。其中，物理保鮮主要是氣調貯藏、低溫冷藏、熱處理及輻照等，雖然效率高，但對能源要求也高[3]；化學保鮮方法主要利用天然的或化學合成的防腐劑，效果較好，但隨著消費者對健康、安全的消費意識增強，天然的、綠色的化學保鮮劑已成為當今發(fā)展的趨勢[4]；生物保鮮技術是指利用微生物及其抗菌產品的抗菌性能，以延長食品的貨架期，常見的有：噬菌體、細菌素等[5]。與之相比，植物精油是天然的化學保鮮劑，具有抑菌、抗炎、抗氧化等優(yōu)點而成為學術界研究的熱點。

1 植物精油概況

1.1 植物精油

植物精油(essential oils，EOs)是植物體內的次生代謝產物，具有強烈的芳香氣味，在常溫下能揮發(fā)成油狀液體物質，主要存在于植物的根、芽、莖、葉等[6]。植物精油所含化學成分復雜，主要成分包括萜類衍生物、芳香族化合物、脂肪族化合物、含氮含硫類化合物等[7]，如表1所示。大量研究表明，許多植物精油具有廣泛的抗菌性，對常見的致病菌和病毒都有一定的殺菌活性。例如,有研究證明肉桂精油主要成分是肉桂醛、香豆內酯等，具有抗氧化、抑制霉腐微生物生長等作用，在食品保鮮中發(fā)揮著重要的應用價值[8]；百里香精油主要成分是百里香酚、香芹酚等，可降低果蔬腐爛率和菌落總數(shù)等[9]。

表1 植物精油的主要成分Table 1 Main component of plant essential oils

1.2 植物精油在應用中存在的問題

植物精油易揮發(fā)，且對光、熱、氧等環(huán)境因素敏感，進而影響其作用功效[10]。此外，精油具有疏水性和強烈的芳香氣味，使其在食品中的應用受到極大地限制。研究表明,將精油微乳化，可增強精油的溶解性和生物利用度，提高其穩(wěn)定性[11]。

2 精油微乳液概述

2.1 微乳液定義、分類

微乳液(microemulsion,ME)是由油相、水相、表面活性劑和助表面活性劑組成的熱力學穩(wěn)定的膠體溶液，粒徑為1～100 nm[12]。與普通乳液相比，微乳液具有外觀透明，粒徑小、顆粒分散均勻，流動性好，且離心或長期放置不易發(fā)生絮凝、沉淀或相分離等優(yōu)勢，具有較高的穩(wěn)定性[13]。微乳液對水不溶性、油不溶性物質均有較強的增溶能力，因此可作為這類物質的載體。這一技術克服了精油不溶于水、穩(wěn)定性差、易揮發(fā)等缺點。

微乳液的結構取決于水，油和兩親物質，以及界面的性質[14]。通常，根據油和水作為分散相的情況，將微乳液分為三類：水包油型(Oil/Water型，O/W型)也稱為Winsor Ⅰ型、油包水型(Water/Oil型，W/O型)也稱為Winsor Ⅱ型以及雙連續(xù)型(Bicontinuous型，BC型)也稱為Winsor Ⅲ和Ⅳ[15]。Winsor I：水包油(O/W)型，即體系中含有少量的表面活性劑，并與過量的水相共存，常用來包埋一些脂溶性物質；Winsor II：油包水(W/O)型，即體系富含表面活性劑，并與過量的油相共存，多用來微乳化功能性物質，如可溶性維生素和功能活性肽；Winsor III：此時微乳液與過量的水相和油相共存，而Winsor IV型是一個單相各向同性的溶液形成添加更多的表面活性劑。Winsor III和IV都是雙連續(xù)型納米乳[16](圖1)。

圖1 微乳結構模型Fig.1 Microemulsion structure model

2.2 微乳液的組成

微乳主要是由表面活性劑、助表面活性劑、水、油四部分組成。

2.2.1 表面活性劑

表面活性劑可分為離子型、兩性離子型及非離子型等。表面活性劑是構成微乳液最基本的物質，其作用主要為降低液體表面張力，促進微乳液的形成[17]。表面活性劑一端是非極性的碳氫鏈(烴基)與水的親和力極小，常稱疏水基；另一端則是極性基團(如—OH、—COOH、—NH2、—SO2H等)與水有很大的親和力，故稱親水基，表面活性劑的親水親油平衡值(hydrophilic-lipophilic balance，HLB)在3～8的表面活性劑,適合用于制備 W/O 型微乳液;HLB 值在8～16時,則適合制備O/W型微乳液[18]。常用的表面活性劑有吐溫系列和斯盤系列。Tween-20,Tween-40,Tween-80都是聚合物，在宏觀結構上的差別是酯鍵的取代基不同，常作為O/W型乳化劑,使其他物質均勻在溶液中分散， Tween系列作為親水乳化劑被切割成親水部分和親脂部分[19](圖2)。此外，在制備微乳的過程中，單一表面活性劑提供的 HLB 值可能難以達到適宜的乳化效果，通常將表面活性劑復配得到合適的 HLB 值用于制備理化性質穩(wěn)定的微乳[20]。

圖2 Tween系列的親水部分和不同疏水部分的三維結構模擬圖Fig.2 Three-dimensional structure simulation of hydrophilic part and different hydrophobic part of Tween series

2.2.2 助表面活性劑

助表面活性劑能夠促進表面活性劑降低油水兩相的界面張力，對結晶相的形成有抑制作用，從而促使微乳自發(fā)形成,并提高其穩(wěn)定性[21]。常用的助表面活性劑有醇類、脂肪酸、胺類、醚類等[22]。其中短鏈醇是最常見的助表面活性劑。研究表明，化學結構中含羥基數(shù)越多，其親水性和極性越強，是因為其分子組成的羥基能破壞液晶相的穩(wěn)定性，提高油相增容的能力[23]。劉欣等[24]在制備玫瑰精油微乳時，研究了乙醇、甘油、1,2丙二醇和聚乙二醇等助表面活性劑對玫瑰精油微乳體系的影響。結果表明，當乙醇作為助表面活性劑時，微乳具有最大的面積比、最小的稀釋比和最佳的穩(wěn)定性。乙醇具有良好的流動性，而其他的微乳則黏度大，流動性差，因此，乙醇被選為最佳助表面活性劑。

2.2.3 油相

油相作為微乳液的重要組成部分，其結構和大小對微乳液的形成有重要影響。在微乳液制備的過程中，當油相分子很小時，容易滲透表面活性劑進行有序安排，促進微乳液的形成；當油相分子非常大時，將會聚集在表面活性劑的疏水端，這并不利于微乳液的形成[25]。

2.2.4 水相

制備微乳液常用的水相有去離子水和蒸餾水。此外，陶紫等[26]在制備微乳過程中通過添加不同濃度的氯化鈉，研究不同離子強度對微乳液形成的影響。結果表明，隨著離子強度的升高，體系微乳化的效果更好。另外也有在微乳體系中添加碳酸鈉、羧甲基殼聚糖等[27]。

2.3 植物精油微乳液的制備方法

微乳常用的制備方法有3種：低能乳化法、高壓均質法和相變溫度法[28]。

2.3.1 低能乳化法

低能乳化法應用最為廣泛，低能乳化法又包括：(1)加水法：將油、助表面活性劑和表面活性劑混合均勻，然后向體系中滴加水相，體系在某一時刻從渾濁變成澄清透明，從而形成為微乳液；(2)加油法：在水與表面活性劑的混合物中滴加油，體系在某一時刻從渾濁變成澄清透明，從而形成為微乳液；(3)3組分直接混合法：將組合物中的所有組分混合到一起的方法[29]；此外，各組分的加入順序液會影響到微乳液的形成[30]。

2.3.2 高壓均質法

均質化也可用于形成微乳狀液，隨著高壓均質次數(shù)和壓力的增加，油滴動能增加，相互碰撞加速，導致微乳的平均粒徑不斷降低，從而提高精油的穩(wěn)定性[31]；但是，乳化過程通常效率低下(由于散熱)。此外，由于一些體系在未形成微乳液時黏度極大，不利于均質操作。因此，高壓均質法的應有范圍有限。

2.3.3 相變溫度法(phase inversion temperature method，PIT)

對于非離子型表面活性劑，溫度變化對其親水性有較大的影響，使親水基團的水合程度減少，從而使親水性下降。利用這一特性低溫時可制備O/W型微乳液，高溫時可制備W/O型微乳液。因此，在某一溫度范圍，當溫度升高時，體系從O/W型微乳液轉變?yōu)閃/O型微乳液，此時發(fā)生轉相的溫度稱為相轉變溫度(即PIT)，也稱HLB溫度[32]。

2.4 植物精油微乳液的性質

2.4.1 抗菌性

食品體系中存在脂質、蛋白質等成分產生相互作用，影響精油抗菌功效[33]。微乳化技術可以使抗菌劑在產品中均勻分布，提高生物利用率，減少成分相互作用，并提高食品的質量和安全性。

2.4.1.1 破壞細胞膜的完整性

細胞膜的完整性是菌體正常生長代謝的一個主要影響因素。核酸、蛋白質類的大分子物質貫穿于整個胞膜和胞質當中，是重要的單位結構物質。已有文獻證明通過測定蛋白質含量和260 nm下核酸的吸光度表示細胞內溶物的釋放，即細胞膜完整性遭到破壞[34]。陳碩[35]通過薄荷屬精油微乳液處理大腸桿菌細胞，測定其吸光度，結果表明，薄荷精油微乳液殺菌首先與細菌細胞膜的相互作用導致膜結構和功能的根本性變化，然后導致細菌破裂而死亡。

2.4.1.2 誘導細胞膜上相關酶的活性

當精油微乳液從水相進入到細胞膜后，通過誘導膜上相關酶的活性，導致微生物死亡。徐士翔[36]通過月桂精油微乳液處理櫻桃番茄，發(fā)現(xiàn)櫻桃番茄的過氧化物酶，多酚氧化酶等酶活性均有顯著的上升，主要原因是月桂精油微乳液粒徑較小，且微乳液油相液滴表面為表面活性劑，更易通過植物細胞膜磷脂雙分子層進入植物細胞內部，產生誘導作用，從而達到抑菌、抗病的作用。

2.4.2 抗氧化性

很多精油微乳液中都含有抗氧化活性物質，其抗氧化機制[37]主要為：(1)清除自由基；(2)與金屬離子螯合；(3)抑制脂質過氧化?？寡趸栽u價主要有自由基清除能力和對脂質氧化的抑制效果。買爾哈巴·塔西帕拉提[38]利用DPPH自由基清除能力評價百里香酚微乳體系的抗氧化活性，發(fā)現(xiàn)水包油型微乳百里香酚微乳體系具有較強的自由基清除能力，展現(xiàn)出良好的抗氧化活性較強的抗氧化活性。

2.4.3 穩(wěn)定性

植物精油對光、熱、氧等外界條件的穩(wěn)定性較差，影響其抗菌效果。因此，采用微乳技術既能保護精油不受光、熱、氧等外環(huán)境因素的影響，而且還可以有效抑制精油揮發(fā)、增強其水溶性和抑菌活性。崔綺嫦等[39]通過構建牛至精油和百里香精油微乳體系，在精油微乳液中添加適量無機電解質、改變微乳液pH以及低溫和常溫放置一段時間等方法評價了微乳液的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)微乳液仍保持透明狀態(tài)，說明精油微乳液具有良好的穩(wěn)定性。郭錦棠等[40]通過將丁香、肉桂、大蒜3種抗菌性微乳液放置在室溫下, 并定期進行取樣觀察和測試, 在實驗時間內, 微乳液的外觀未發(fā)生明顯變化, 均為澄清透明的液體, 且沒有出現(xiàn)分層破乳的現(xiàn)象，表明該體系具有較好的穩(wěn)定性。

2.5 微乳制備過程中存在的問題

2.5.1 制備微乳需要大量的表面活性劑和助表面活性劑

微乳液中表面活性劑的含量一般大于20%，但表面活性劑用量較大時均有一定的毒性，在今后的研究中需要尋找低毒甚至無毒的表面活性劑，從而真正實現(xiàn)綠色、安全的保鮮效果。

2.5.2 微乳液各組分的最佳配比不易判斷

目前，通常以偽三元相圖法對微乳形成的各組分配比做定性和定量實驗，在具體的實驗操作中，需要消化大量的實驗材料。在今后的研究中需要其他的方法進行輔助，減少實驗材料的消耗。

3 精油微乳液在食品中的應用

3.1 微乳液在果蔬保鮮中的應用

新鮮果蔬在采摘、加工、運輸和貯藏過程中，極易受到物理機械損傷和微生物污染，導致水果和蔬菜的營養(yǎng)價值降低和貨架期縮短。因此世界各國對果蔬采后的保鮮工作也來越重視。近年來，植物精油作為一種天然的化學保鮮劑, 將植物精油制成微乳液用于果蔬保鮮成為國內外學者的研究熱點。微乳液在果蔬保鮮中應用簡要描述如表2 所示。與純精油相比，精油微乳液可以實現(xiàn)精油的增效與增溶，對果蔬具有良好的保鮮效果。因此，將植物精油制備成微乳液以提高其穩(wěn)定性和抗菌性具有一定的應用前景。

表2 微乳液在果蔬保鮮中的應用Table 2 Application of microemulsion in the preservation of fruits and vegetables

3.2 微乳液在肉類食品保鮮中的應用

肉類食品營養(yǎng)豐富，物理結構和化學成分復雜，極易發(fā)生氧化、微生物污染而腐敗變質。目前，我國肉類加工業(yè)中微生物污染引起的肉制品腐敗問題十分嚴重，迫切需要尋找高效、穩(wěn)定、廉價的防腐劑或防腐手段。植物精油微乳液作為一種天然抗菌劑，具有良好的抗菌效果。

表3 微乳液在肉類食品保鮮中的應用Table 3 Application of microemulsion in fresh-keeping of meat food

將肉桂精油、丁香精油、生姜精油和柑橘精油制備成微乳液，微乳液可以延緩精油及其活性成分的揮發(fā)，能夠提高精油在水中的溶解性，增強其抑菌性能，擴大了植物精油在食品工業(yè)中的應用范圍。因此，精油微乳液為肉制品保鮮提供了新的思路。

3.3 微乳液在飲品中的應用

飲品中，調味劑通常以微乳狀液和納米乳狀液的形式使用，以保持風味品質并防止產生不良風味。迄今為止，已將各種方法用于調味劑的納米囊封，其中最重要的是乳化方法。微乳液適用于在透明飲料中同時輸送香精油和親脂性生物活性化合物。CHEN等[49]研究了在薄荷油和Tween-20與各種向日葵卵磷脂混合物配制的微乳液中遞送β-胡蘿卜素的可行性。發(fā)現(xiàn)水溶性和油溶性差的β-胡蘿卜素溶解在顆粒尺寸小于10 nm的透明微乳液中，并且在室溫下可穩(wěn)定存放65 d。吳芳等[50]通過研究微乳對紅茶茶湯沉淀的影響，發(fā)現(xiàn)微乳液處理后的紅茶茶湯澄清透明無沉淀,茶湯中可溶性蛋白質、茶多酚、咖啡堿和兒茶素的保留率均有所提高。

將薄荷精油制成微乳液，能顯著提高其水溶性和穩(wěn)定性，延長飲品的保質期，對抑制飲品中微生物的生長效果顯著。因此，精油微乳液將在飲品中具有一定的應用價值。

4 結語

植物精油是植物的次生代謝產物，是一種綠色、高效、天然的抗菌物質。它具有抑制食品中微生物的生長，維持食品品質等作用。但植物精油性質不穩(wěn)定、易揮發(fā)等缺點影響其在食品中的應用。因此將植物精油制成微乳液,能提高其穩(wěn)定性及生物利用率。本文簡要介紹微乳液的定義及分類，詳細介紹了微乳液的制備條件、制備方法和微乳液性質，總結了精油微乳液在果蔬、肉制品、飲品中的保鮮應用。

未來的研究方向：

(1)現(xiàn)階段對精油微乳液的抑菌作用研究主要在細胞膜方面，未來進一步研究，嘗試從分子角度對其抑菌機理進行解釋；

(2) 精油成分復雜，各成分之間的相互作用機理尚不明確，進一步深入研究發(fā)揮作用的具體物質，開發(fā)出更高的精油利用價值；

(3)進一步優(yōu)化微乳液的配方，使用具有抑菌作用的表面活性劑和助表面活性劑，進一步增加微乳液的抑菌效果；

(4)將植物精油微乳液，運用到食品包裝材料，進一步研究是否具有一定的抗菌性和抗氧化性；

(5)精油微乳液在飲料、肉制品中應用較少，未來應擴大應用范圍，探究是否具有優(yōu)良的抑菌、抗氧化效果。