植物精油對微生物作用機制及在魚類保鮮中的應用研究進展

藍蔚青,郎艾,梅俊,謝晶*

1(上海海洋大學 食品學院,上海 201306) 2(上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心,食品科學與工程國家級實驗教學示范中心(上海海洋大學),上海 201306)

我國海域遼闊,擁有豐富的海洋生物資源,發(fā)展?jié)摿薮?。據《中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒2020》統(tǒng)計顯示,我國2019年的水產品總產量為6480.36萬t,比2018年增長0.35%[1]。魚類水產品中的蛋白質、不飽和脂肪酸與水分含量高,是人類營養(yǎng)物質的重要來源[2]。然而,由于其具有易腐性,流通期間會受到保鮮技術與貯藏條件制約,在微生物和酶的作用下發(fā)生腐敗,產生不良口感、色澤與風味,甚至有害物質,降低了其營養(yǎng)與經濟價值[3]。目前,我國鮮活魚類水產品捕后腐損率達15%,而發(fā)達國家則低于5%[4],這已成為制約我國水產業(yè)發(fā)展,影響?zhàn)B殖戶與漁民增收,提高市場競爭力的重要因素。為降低水產品流通期間的損失,開展魚類保鮮技術研究意義重大。

現有研究表明,魚類水產品貯藏后期的腐敗變質主要由微生物活動引起[3,5]。新鮮魚類中的微生物種類繁多,主要為革蘭氏陰性桿菌[6]。其中少數微生物能適應貯藏環(huán)境,快速生長繁殖成為優(yōu)勢菌群,這些微生物稱為特定腐敗菌(specific spoilage organisms,SSO)[7]。SSO的種類受魚種類、貯藏溫度與環(huán)境條件等因素影響[8]。如未經冷藏鮮魚的SSO是弧菌屬等革蘭氏陰性發(fā)酵型細菌,冰鮮淡水魚和海水魚的SSO是假單胞菌與希瓦氏菌,CO2氣調包裝中魚類水產品的SSO是明亮發(fā)光桿菌與乳酸菌[9]。微生物主要通過代謝產生的蛋白酶、酯酶等,其能分解魚類產品中的蛋白質、脂質等營養(yǎng)物質,使魚的肌肉質構特性與營養(yǎng)改變,導致腐敗[10-12]；同時,微生物還會形成被膜等物質,使魚發(fā)黏[13],并進一步代謝氨基酸與寡肽,產生H2S、三甲胺、腐胺與尸胺等小分子揮發(fā)性風味物質,產生異味,進而使其品質劣變[10]。

魚類常用的保鮮方式有物理保鮮、化學保鮮與生物保鮮[3]。生物保鮮法是利用從生物中提取或用微生物工程技術獲得的天然、對人體安全的保鮮劑來進行保鮮的方法[14-15]。此法由于符合消費者對天然綠色食品的追求,因此受到廣泛關注。生物保鮮劑按其來源不同,可分為植物源、動物源、微生物源和酶類4種。動物源生物保鮮劑主要有殼聚糖、蜂膠與魚精蛋白等,其溶解性與抑菌性易受環(huán)境影響,且應用領域有限；微生物源生物保鮮劑主要有乳酸鏈球菌素(Nisin)、抗菌肽與聚賴氨酸等,環(huán)境條件會對其抑菌效果產生影響；酶類生物保鮮劑主要有溶菌酶與脂肪酶等,其價格昂貴,且在魚類保鮮中的應用還不深入；植物精油屬植物源生物保鮮劑,為芳香植物的高度濃縮脂溶性天然化合物,具有揮發(fā)性、高滲透與味道濃郁等特點[14],與其他類型的生物保鮮劑相比,植物精油具有抗菌與抗氧化能力,且用量少、經濟適用。植物精油中的化學成分復雜多樣,主要含萜烯類、醇類與酮類等多種成分,每種精油均由2～3種主要成分組成,占總量的70%,其主要成分決定了不同精油的性質[16]。由于植物精油含有豐富的化學成分,因此具有殺蟲、抗氧化和抗菌等多種生物學活性[13]。多項研究證實,植物精油對食源性致病菌和腐敗菌有抑制作用,可達到防腐保鮮效果[17]。

研究表明,植物精油的抗菌、抗氧化活性源于芳香化合物中的萜烯化合物、酸、醇、酯、醛、酮、胺類、環(huán)氧化物與硫化物等成分[18-19],魚類保鮮常用植物精油、主要成分與作用菌株如表1所示。

表1 魚類保鮮常用植物精油種類、主要成分與作用菌株

植物精油中的香芹酚可改變菌體細胞膜通透性,使鉀離子泄露,干擾質子運動,抑制ATP合成[26]；植物精油的異硫氰酸類硫化物會誘導菌體細胞周期阻滯,導致細菌絲狀化,影響細胞流動性和穩(wěn)定壓力,達到其抑菌目的[27]；植物精油還可抗脂質氧化,延緩其腐敗[28]。由于植物精油的化學成分復雜,其抑菌作用可能是一種或多種成分協(xié)同作用的結果[18]。植物精油對微生物的作用靶點及抑菌機制如圖1所示。

圖1 植物精油對微生物的作用靶點及抑菌機制[29]

1 植物精油在魚類保鮮加工中的應用

植物精油主要采用熏蒸、浸漬或噴灑等方式,通過抑菌與抗氧化等發(fā)揮作用,應用于魚類保鮮[20]。

1.1 單一植物精油保鮮

微生物是引起魚類水產品腐敗變質的主因,微生物數與其新鮮程度關系密切。新鮮魚類的細菌總數為102～104CFU/g,達到初期腐敗時為106CFU/g,當增至107～108CFU/g時,便能感受到強烈腐臭味[30]。植物精油中含有多種有效成分,具有良好的抑菌活性。楊勝平等[6]用體積分數0.062 5%牛至精油處理接種熒光假單胞菌的冷藏三文魚,發(fā)現貯藏12 d時,其菌落總數對數值較對照組樣品低1.34 lg CFU/g,總揮發(fā)性鹽基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)降低7.48 mgN/100 g,腐胺與尸胺含量分別降低48.5%與33.5%；雷志方等[31]用質量分數2%姜精油處理金槍魚后于4 ℃條件下貯藏,得出對照組樣品在第3 天時K值達47.2%,而姜精油處理組樣品到第10 天時,K值仍未超40%,處理組樣品到第10 天時的組胺含量為62.43 mg/kg,對照組已達82.33 mg/kg；常開顏等[32]用90 mg/kg肉桂醛處理魷魚魚丸后于4 ℃條件下貯藏,發(fā)現肉桂醛可有效抑制魚丸中的微生物生長,延緩TVB-N值與硫代巴比妥酸值上升、減緩pH值與硬度值變化,提高魚丸的咀嚼度與感官品質,能延長貨架期6～7 d。

1.2 植物精油復配保鮮

絕大多數植物精油都有抑菌作用,但不同種類的植物精油殺滅微生物的類型還有差異。因此,將不同種類的植物精油復配,能發(fā)揮其各自抑菌效能,提升綜合效果。其中,孟玉霞[20]用4 μL/mL山蒼子精油與6 μL/mL肉桂醛浸泡處理大黃魚后,4 ℃冷藏12 d,植物精油復配組樣品的微生物數均顯著低于對照組(P<0.05)；侯春宇[33]探究了百里香酚與丁香酚、松油醇、肉桂醛復配處理對大黃魚魚片冷藏期間品質變化影響,得出體積分數4.785%百里香酚與體積分數7.81%丁香酚聯(lián)合抗菌效果最強,其微生物、氨基酸與感官指標均優(yōu)于其余各組,能明顯減緩大黃魚貯藏期間的品質劣變。

1.3 與其他生物保鮮劑復配保鮮

近年來,也有相關科研人員開展了植物精油與其他生物保鮮劑復配用于魚類保鮮。余小亮[21]將茶多酚與肉桂精油按1∶1體積比例復配后處理鱸魚后冷藏,復合保鮮劑有效抑制了腐敗微生物繁殖與魚體內源酶活性,延緩營養(yǎng)物質降解,以3 g/L復配處理組效果最佳；趙厚菲[34]研究了2 g/L肉桂醛與3 g/L溶菌酶復合涂膜對美國紅魚冷藏貨架期的影響,證明復合涂膜綜合效果優(yōu)于單一涂膜,能使其貨架期延長5～10 d；REZAEIFAR等[35]研究了體積分數2%殼聚糖與0.5%檸檬馬鞭草精油、1%檸檬馬鞭草萃取物復合涂膜對真空包裝虹鱒魚品質變化的影響,復合處理能減緩樣品冷藏期間各項指標的升高,使其冷藏貨架期延至16 d；RAHIMABADI等[36]采用體積分數0.2%野薔薇精油與150 000 IU/kg Nisin結合處理虹鱒魚,與對照組樣品相比,精油復配組能延長虹鱒魚冷藏貨架期3 d；SHAHINFAR等[37]采用微膠囊化體積分數0.5%紫草精油與200 IU/kg Nisin結合可改善冷藏魚漢堡的感官品質。

1.4 與抗菌包裝組合保鮮

多數植物精油具有厚重氣味、易揮發(fā)、高滲透的特點,故直接添加到魚類水產品中會有感官不可接受、精油發(fā)揮作用時間短與保鮮效果不佳等問題。部分學者用精油與包裝材料組合的抗菌活性包裝來改善產品感官特性,達到保鮮目的[38]。目前植物精油在魚類抗菌包裝體系中,可制成膜液涂于魚類水產品表面或食用性膜包裹在產品表面。劉善智[39]將2 mg/mL殼聚糖+1.5 mg/mL三聚磷酸鈉+2 mg/mL迷迭香精油,按5∶2∶1的體積比例復配,在pH值為4.0的條件下制備成迷迭香精油殼聚糖納米粒,涂抹在草魚肉上后予以冷藏,該處理能有效保護魚肉色澤,改善冷藏期間其感官品質,使其冷藏貨架期達7 d；FARSANIPOUR等[40]將龍蒿精油與分離乳清蛋白、殼聚糖制成可食涂層作用于康氏似鲹,得出精油與分離乳清蛋白、殼聚糖涂層組樣品的冷藏貨架期為10 d,較對照組延長了6 d,可見其具有較強的保鮮效果；楊輝[41]發(fā)現添加質量分數1%丁香精油與質量分數1%葡萄籽精油的乙烯-乙烯醇共聚物薄膜能使草魚冷藏貨架期達8 d；ATREA等[42]在添加體積分數0.4%牛至精油后真空包裝地中海章魚,可使其冷藏貨架期延長20 d。

1.5 其他方式協(xié)同處理保鮮

雖然植物精油抑菌效果好,但魚類水產品腐敗變質的機理復雜,受外界條件影響大,單一植物精油作用效果有限。因此,還可將植物精油處理結合其他保鮮方式進行組合保鮮。目前,以植物精油為基礎,輔以氣調[43-44]、被膜、超高壓處理及添加其他抗菌物質等作用于魚類水產品,得到較好效果。其中,劉蒙佳等[45]將蒙脫土與體積分數2%丁香精油、殼聚糖制成復合抑菌保鮮襯墊,協(xié)同55%O2+30%CO2+15%N2氣調包裝貯藏金鯧魚,結果得出復合抑菌墊協(xié)同氣調處理在-1 ℃下貯藏,可延長金鯧魚貨架期約4 d；YILDIZ等[46]用體積分數1%百里香精油結合50%CO2+50%N2氣調包裝處理熱熏蒸后的虹鱒魚,精油與氣調包裝協(xié)同作用可有效抑制微生物的生長,使產品冷藏貨架期延長40 d。將植物精油加入滲透液中,利用食物與周圍溶液的滲透壓差,降低水分活度,抑制微生物生長,這種雙重殺菌作用可延長冷凍滲透預處理魚制品的貨架期,提升其商業(yè)價值;TSIRONI等[47]用500 g/L高葡萄糖當量麥芽糊精與體積分數0.5%香芹酚對金槍魚片進行滲透處理,在5 ℃貯藏條件下,可延長貨架期8 d。

2 存在問題與解決方法

2.1 安全性

大部分植物精油從古至今都在使用,安全性高,是一般公認安全(Generally Recognized as Safe,GRAS)產品[48]。另外,植物精油在食品工業(yè)中使用時,其化學與毒理學特性表征已得到指數評估[48]。自2018年4月1日起,肉桂、香樟、小花百里香、迷迭香等156種芳香植物精油被《聯(lián)邦法規(guī)》認可在監(jiān)管限制下安全。因此,根據“安全使用的悠久歷史”和“限制原則”等概念判斷植物精油是在預期使用條件下是安全的。但有人提出,由于植物精油提取自植物,而植物有可能含有農藥殘留,導致植物精油被污染,將其用于魚類保鮮,會影響其安全性[49]。目前這一說法尚需后續(xù)驗證。

2.2 對魚類水產品風味和色澤產生影響

植物精油具有刺激性氣味,作用于魚類水產品會對其風味、色澤等感官可接受性帶來影響。如將2 μL/mL肉桂醛溶液浸漬大黃魚與大菱鲆15 min,使其氣味與色澤接受度降低[20]；CAI等[50]研究發(fā)現,4 μL/L丁香、薄荷與孜然精油熏蒸紅鼓魚片后,魚片的氣味感官良好,但體積分數為8 μL/L時,其氣味不可接受;TSIRONI等[47]用0.5%香芹酚滲透液處理金槍魚魚片后,有輕微異味。因此,將精油做成活性包裝[39]、加入可食用包裝膜[40]、制備成納米乳劑[51]用于食品中,不僅可降低精油對風味影響,避免精油直接涂抹導致色澤不佳,且可使精油及其抑菌成分緩控釋放,提高保鮮效果。其中,CHUESIANG等[52]用4 g肉桂精油制成納米乳液處理25 g亞洲鱸魚魚片,得出經生物聚合物納米載體包裏的肉桂精油不僅在抑制細菌生長、減緩不良化學反應方面表現出更好效果,且防止了樣品色澤與質地改變；VITAL等[53]研究了體積分數0.1%生姜和0.1%牛至精油褐藻酸鹽涂層魚片的質量和感官接受度,發(fā)現精油涂層處理組樣品的脂質氧化、顏色與質量損失相應降低。

2.3 作用效果易受影響

植物精油的作用效果會受種類、食品基質成分與物理結構等因素影響,同種精油對不同腐敗菌的抑制效果存在差異。楊輝[41]用體積分數2%丁香精油處理草魚可有效減緩菌落總數的升高,而賈亦森[54]用30 μL/L丁香精油處理大鯢分割肉發(fā)現其抑菌效果不顯著。已有研究發(fā)現,植物精油的功效可在與某些食品基質(如蛋白質、脂肪、碳水化合物)與食品pH值相互作用的同時進行改良。如在酸性食品中,由于低pH值使植物精油的疏水能力更強,其在細菌膜中溶解的能力隨之增強,細菌對精油的敏感性增加[55]。孟玉霞[20]實驗得出,2倍最小抑菌濃度的山蒼子精油對希瓦氏菌的作用效果僅在第3 天和12 d時減少了1.3～1.4個對數值,其他時間點無顯著差異。此外,溫度、氣體組成、包裝方法、微生物性質與初始濃度等也會對植物精油的作用效果產生影響[55-56]。因此,要使植物精油穩(wěn)定高效發(fā)揮其抑菌作用,應根據不同精油的特性,選擇合適的作用方式和環(huán)境,還可將精油中有效抑菌成分優(yōu)化后制成保鮮劑,增強其作用效果。

2.4 作用機制尚未完全明確

植物精油具有廣譜抗菌性,但其抗菌化學成分復雜、可變性高,與細菌作用的靶點多,可能不是單一機制形成抑菌作用。目前研究認為,植物精油主要作用于細菌的細胞膜,同時影響細菌代謝與核酸物質,達到其抑菌效果。

植物精油中高濃度醛、酚類物質通過破壞細胞膜、細胞質膜,影響細菌正常生命活動,MYSZKA等[57]發(fā)現120 nL/mL青椒精油可改變銅綠假單胞菌菌體膜流動性,抑制彈性蛋白酶活性,降低綠膿桿菌素的生物合成,減緩魚制品中菌體生長和毒力；陳夢玲等[24]發(fā)現腐生葡萄球菌經體積分數0.25%牛至精油處理后,其細胞壁、細胞膜通透性與完整性遭到破壞,菌體內的活性物質可與精油的疏水活性物質相互結合,影響菌體生長與代謝；SHARMA等[58]認為革蘭氏陰性菌的外膜具有強大的脂多糖分子,使各種抗菌劑不可滲透,但PATRA等[59]研究結果證實了植物精油作用能使菌體內的活性氧過量積累,導致胞內DNA單鏈斷裂損傷,對革蘭氏陰性菌具有較好抗菌作用。還有研究發(fā)現,胡椒精油能誘導釀酒酵母產生活性氧[60]。因此,植物精油的作用機制還有待于后期深入研究。

3 前景與展望

采用天然保鮮劑替代化學防腐保鮮劑是食品行業(yè)和消費市場發(fā)展的大趨勢,植物精油用于果蔬保鮮取得了良好效果。然而,由于其成分復雜、作用靶點多樣、抑菌抗氧化機制尚未完全明確、氣味影響產品感官、某些精油或組分對人體的安全性還需系統(tǒng)評價等特點,其在魚類保鮮中的應用仍存在一些問題。因此,在探究某類精油能否用于魚類保鮮時,可研究精油的抑菌抗氧化主要化學成分、抑菌機制及作用條件,并結合其他保鮮技術和魚類水產品特點優(yōu)化保鮮效果,達到經濟安全適用的目的。在GB 2760—2014《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》中,僅肉桂醛(CNS17.012)可用作防腐劑,還限制了使用范圍,基本所有精油被歸類于食用香料物質,這限制了精油在魚類防腐保鮮中的應用。但總體來講,植物精油因其安全性高,抑菌力強,且歷年來許多實驗證明其安全性與優(yōu)良的保鮮效果,將植物精油予以精制提取,或與其他生物保鮮劑、抗菌包裝、保鮮技術等復合處理,能進一步降低其使用量,提升其綜合作用效果,是一類前景較好的生物保鮮劑。