植物精油對(duì)采后農(nóng)產(chǎn)品抑菌作用的研究進(jìn)展

盧 錕，龔吉軍

（中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

植物精油又稱香精油、芳香油和揮發(fā)油，是存在于植物中的一類具芳香氣味、可隨水蒸氣蒸餾出來(lái)而又與水不相溶的揮發(fā)性油狀成分的總稱，是植物的次生代謝產(chǎn)物，主要含有萜類、醇類、醛類、酸類、酚類、芳香族化合物類等。植物精油具有抑菌、殺蟲、抗氧化等作用[1-2]。

目前，食品抑菌保鮮劑絕大多數(shù)為化學(xué)合成保鮮劑，這類保鮮劑對(duì)食品的保鮮效果好且價(jià)格相對(duì)便宜。但是隨著科技的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到化學(xué)保鮮劑對(duì)人體健康的危害，如低毒農(nóng)藥殘留對(duì)人體有毒副作用、苯甲酸和亞硫酸鹽可能引起過(guò)敏、由亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化而成的亞硝胺具致癌性等。以天然、無(wú)毒、具高效且廣譜抑菌活性的植物精油開發(fā)食品保鮮劑，潛力大，前景好。本文主要對(duì)植物精油在農(nóng)產(chǎn)品保鮮方面的相關(guān)研究進(jìn)行綜述，以期為其進(jìn)一步研究、開發(fā)及利用提供參考。

1 植物精油的抑菌機(jī)理

植物精油中存在多種天然抑菌活性成分，賦予其在農(nóng)產(chǎn)品保鮮方面巨大的應(yīng)用潛力。但植物精油的成分復(fù)雜，其組分間的相互作用亦復(fù)雜。植物精油的抑菌作用主要由其中的一種或幾種主要成分決定，不同的成分間也可能存在協(xié)同作用[3]。植物精油的抑菌機(jī)理，迄今未完全闡明。植物精油發(fā)揮抑菌作用可能主要緣于以下幾方面：一是造成微生物細(xì)胞壁的損傷，細(xì)胞壁是植物精油作用微生物的初始靶點(diǎn)，革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞壁由多層網(wǎng)狀的肽聚糖組成，且有膜磷壁酸和壁磷壁酸與之相連，因而具有親脂性，而革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁由單層肽聚糖結(jié)合外覆含有脂多糖、脂蛋白、磷脂等的脂質(zhì)雙層膜組成，且不含磷壁酸，故具有親水性，因此革蘭氏陽(yáng)性菌對(duì)植物精油具有更強(qiáng)的敏感性，而革蘭氏陰性菌對(duì)疏水的植物精油抑菌成分具有更強(qiáng)的抵抗力。但也有特殊情況，如百里香精油對(duì)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌均有較好的抑制效果[4]，其機(jī)理有待深入研究；二是植物精油的疏水性引起革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞膜透性的增加，使膜結(jié)構(gòu)破壞而細(xì)胞內(nèi)容物外泄，引起膜脂、膜蛋白的改變，抑制酶系統(tǒng)，阻塞離子通透性[5-7]，引起能量代謝異常，或?qū)е孪汆堰屎塑杖姿幔ˋTP）與還原型輔酶Ⅱ（NADPH）的流失，或影響ATP的合成[8-9]；三是抑制基因表達(dá)，損傷DNA結(jié)構(gòu)，影響其遺傳信息的傳遞，抑制其繁殖，甚至導(dǎo)致死亡，但其機(jī)理仍不太清楚，有待進(jìn)一步研究[10]。上述作用的發(fā)揮，關(guān)鍵在于兩個(gè)方面：一是植物精油的疏水性導(dǎo)致微生物膜透性改變；二是誘發(fā)活性氧簇（Reactiveoxygen species，ROS）的爆發(fā)而形成對(duì)微生物酶系統(tǒng)、膜脂、膜蛋白及DNA的不可逆氧化損傷。

考慮到植物精油成分的復(fù)雜性，其抑菌活性可能并不歸因于某個(gè)特定機(jī)制，而是多因素作用于微生物的多個(gè)靶點(diǎn)[11]。以α-蒎烯為主要成分的黃檗果實(shí)精油對(duì)沙門氏菌的抑制是通過(guò)破壞細(xì)胞膜的通透性與完整性、抑制能量代謝、氧化損傷來(lái)實(shí)現(xiàn)的[12]。丁香精油能溶解細(xì)菌細(xì)胞膜，致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)大量流出，也能抑制細(xì)菌ATP的合成，阻斷細(xì)胞的能量供給，還能抑制核酸的合成，從而影響細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖[13]。茶樹精油除了能導(dǎo)致番茄灰葡萄孢菌（Botrytis cinerea）和金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）細(xì)胞膜的通透性增強(qiáng)、菌絲形態(tài)畸變及超微結(jié)構(gòu)變化[14-15]外，還可通過(guò)H2O2的積累誘導(dǎo)活性氧（ROS）爆發(fā)引起氧化損傷[14]。山蒼子精油的主要成分檸檬醛能改變黃曲霉菌膜的選擇通透性，破壞其對(duì)表面形態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的控制，誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)和線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)異常而使其相應(yīng)的生理功能衰變，還能使細(xì)胞質(zhì)膜脂質(zhì)過(guò)氧化，產(chǎn)生大量自由基引起親核攻擊而致細(xì)胞核DNA鏈局部斷裂[16]。

鑒于植物精油的成分復(fù)雜，這些成分的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)、親脂性和相互作用都會(huì)影響微生物的結(jié)構(gòu)與功能，導(dǎo)致其能量代謝、物質(zhì)循環(huán)和/或遺傳能力的異常；另外，對(duì)微生物生理功能受植物精油干擾是否有先后順序或關(guān)聯(lián)性也并不清楚，因而其抑菌機(jī)制異常復(fù)雜，已有的研究遠(yuǎn)未透徹，仍有待系統(tǒng)、深入地研究。

2 植物精油對(duì)采后農(nóng)產(chǎn)品的抑菌作用

2.1 植物精油對(duì)采后果蔬的抑菌作用

果蔬采收后由于失去了外部營(yíng)養(yǎng)和水分來(lái)源，而其呼吸和蒸騰作用仍在繼續(xù)，造成果蔬的抗病能力與品質(zhì)下降。果蔬采后易受到病原微生物的侵染而引起腐爛變質(zhì)，而植物精油具有抑菌活性，可用于果蔬采后的抑菌保鮮。

對(duì)高溫季節(jié)上市、易腐果蔬的抑菌效果是植物精油保鮮研究的重點(diǎn)，大部分研究?jī)H探究了植物精油對(duì)從果蔬分離出的主要病原微生物的體外抑菌活性，也有在此基礎(chǔ)上進(jìn)行人工接種病原菌的體內(nèi)抑菌試驗(yàn)。草莓為漿果，采后極易受到灰霉菌、根霉菌和黑曲霉菌等侵染而發(fā)生病害，百里香精油對(duì)灰霉菌、根霉菌和黑曲霉菌的最低抑菌濃度（Minimuminhibitory concentration,MIC）均低為2μL/L，其主要抑菌成分為百里香酚和香芹酚，百里香精油有望開發(fā)為草莓天然植物抑菌劑，但小茴香精油、羅勒精油的抑菌效果不明顯，而迷迭香精油對(duì)灰霉菌幾乎沒(méi)有抑菌作用[17]。這說(shuō)明不同植物精油因成分不同導(dǎo)致其抑菌活性存在明顯差異，而植物精油對(duì)特定病原菌的良好抑菌活性在于其所含有的特定抑菌成分。將草莓人工接種灰葡萄孢霉后，用0.1‰的加拿大一枝黃花精油熏蒸處理草莓12 h，該處理能使發(fā)病率降低51%，病斑直徑僅為4 mm，遠(yuǎn)低于對(duì)照的15 mm[18]，該精油對(duì)灰葡萄孢霉主要抑菌成分可能為(+)-大牻牛兒烯D、α-蒎烯、檸檬烯[19]。茶樹精油熏蒸處理可以顯著抑制草莓灰葡萄孢霉和葡枝根霉孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)，使用0.9 g/L茶樹精油熏蒸能顯著降低人工接種后灰霉病與軟腐病的發(fā)生[20]。從產(chǎn)于南非的馬鞭草（Lippia scaberrima）提取的精油對(duì)從采后芒果中分離出的葡萄座腔菌（Botryosphaeria parva）和膠孢炭疽菌（Colletotrichum gloeosporioides）菌絲體的生長(zhǎng)具有良好的抑制作用，在23～25℃下，2.4 mL/L精油濃度對(duì)葡萄座腔菌的抑制率達(dá)86%，對(duì)膠孢炭疽菌則能完全抑制其生長(zhǎng)；將芒果分別接種膠孢炭疽菌和葡萄座腔菌后再用植物精油與芒果專用果蠟（MangoshineR）復(fù)合的保鮮劑處理，室溫下放置6 d后，其病斑直徑分別為1.7 mm和3.4 mm，效果顯著好于對(duì)照水處理組（P＜0.05），但其要成為可商業(yè)應(yīng)用的采后芒果保鮮劑，仍需進(jìn)一步研究[21]。15μL/L丁香精油對(duì)從番茄病部分離出的灰葡萄孢霉（Botrytis cinerea）和粉紅單端孢霉（Trichothecium roseum）的體外熏蒸抑制率分別可達(dá)39.97%和43.65%；100μL/L的濃度熏蒸處理對(duì)接種至健康番茄上的灰葡萄孢霉（Botrytis cinerea）的抑制率為41.5%，但采用涂抹法時(shí)精油濃度需提高至0.8 mL/L才能產(chǎn)生較好的效果[22]。使用0.5%的香檸檬精油、檸檬桉葉精油、綠薄荷精油及甜橙精油處理大白菜72 h后，能降低大白菜對(duì)所接種胡蘿卜果膠軟桿菌一個(gè)亞種Pectobacterium carotovorum subsp.carotovorum的敏感性[23]。有些植物精油被直接用于采后果蔬的抑菌保鮮，表現(xiàn)出較好的效果。將濃度為1.0%的肉桂精油噴灑于紅提葡萄表面，在2℃和相對(duì)濕度（RH）90%條件下貯藏63 d后，葡萄的爛果率僅為30%左右，顯著低于空白對(duì)照[24]。而采用30μL/L芥茉精油對(duì)采后冬棗進(jìn)行熏蒸處理，發(fā)現(xiàn)該處理對(duì)抑制冬棗青霉菌、灰霉菌和鏈格孢菌具有良好的效果，顯示出一定的抑菌保鮮作用[25]。在鮮切果蔬的抑菌保鮮方面，植物精油也有較好的效果。將2.5 mL/L丁香精油與5.0 mL/L茶樹精油用乳糖膠囊包埋后作為微加工生菜葉的緩釋保鮮劑，在8℃、7 d的保鮮期內(nèi)發(fā)現(xiàn)其對(duì)乳酸菌、酵母菌和霉菌具有顯著的抑菌效果[26]。

已有的研究表明，有些植物精油對(duì)采后果蔬主要病原微生物具有較好的體外和接種果蔬后的抑制效果，而直接用于果蔬的抑菌保鮮亦有不錯(cuò)的效果，但因不同果蔬的貯藏特性有異，其常見的病原菌也不同?？傮w而言，目前的研究仍不夠系統(tǒng)，抑菌效果也有待進(jìn)一步提高。另外，不同植物精油復(fù)配后的抑菌效果及植物精油在果蔬活體上的抑菌機(jī)理仍有待深入研究。

2.2 植物精油對(duì)儲(chǔ)糧的防霉作用

霉變是造成糧食收儲(chǔ)過(guò)程中損失的主要因素之一。抑制糧食霉變的發(fā)生，提升其食用安全性，意義重大。目前，有關(guān)植物精油對(duì)糧食防霉保鮮效果的研究多集中在大米上。檸檬草精油對(duì)大米中提取的黃曲霉菌株的抑殺效果好，該精油對(duì)供試菌株的抑菌和殺菌濃度分別為0.6 mg/mL和1.0 mg/mL，在0.1 mg/mL濃度下可完全抑制黃曲霉毒素的產(chǎn)生，而精油熏蒸對(duì)供試菌株孢子形成和菌絲生長(zhǎng)的抑制濃度分別為2.80 mg/mL和3.46 mg/mL，其滅菌活性成分被認(rèn)為是檸檬醛a和檸檬醛b[27]。肉桂精油對(duì)大米霉菌的體外與儲(chǔ)藏抑菌效果均較好，體外抑菌的效果甚至優(yōu)于雙乙酸鈉，將其應(yīng)用于大米的儲(chǔ)藏保鮮，在30℃、RH 83%、儲(chǔ)藏空間內(nèi)精油濃度為150 mg/L以上時(shí)，大米15 d內(nèi)未出現(xiàn)表觀霉變現(xiàn)象；當(dāng)精油濃度在175 mg/L以上時(shí)，可完全抑制霉菌孢子的生長(zhǎng)[28]。很多研究結(jié)果表明，有些植物精油的復(fù)合可提高其對(duì)糧食霉菌的抑制效果。肉桂精油與山蒼子精油以3∶1（V/V）的比例復(fù)配，對(duì)大米青霉和黑曲霉的抑制效果最佳，其MIC僅為0.1μL/mL[29]，說(shuō)明肉桂與山蒼子復(fù)合精油在大米防霉保鮮上具有良好的開發(fā)利用前景。丁香精油、肉桂精油和小茴香精油均能有效抑制大米中黑曲霉（Aspergillus niger）和黃曲霉（Aspergillus flavus）的生長(zhǎng)，肉桂精油、丁香精油和小茴香精油對(duì)黑曲霉的MIC分別為0.02%、0.04%和0.05%，對(duì)黃曲霉的MIC分別為0.02%、0.05%和0.06%[30]，有望開發(fā)為大米儲(chǔ)藏防霉保鮮劑。當(dāng)大蒜精油與肉桂精油以1∶3（V/V）復(fù)配時(shí)，對(duì)大米中的黃曲霉具有最佳的抑制作用效果，在人工模擬高溫高濕（30℃，RH＞90%）條件下，能顯著降低大米的菌落總數(shù)，并延緩大米的陳化[31]。將海帶、花椒、八角等具有芳香性的農(nóng)產(chǎn)品混合儲(chǔ)藏大米，每100 kg大米加100 g干海帶、20 g八角和50 g花椒，在同等條件下大米發(fā)霉時(shí)間較空白對(duì)照晚且霉變程度輕，說(shuō)明海帶、花椒、八角能有效抑制大米的霉變，且海帶的抑菌效果最佳，這些農(nóng)產(chǎn)品的揮發(fā)性精油可抑制霉菌的生長(zhǎng)[32]，這為包括大米在內(nèi)的農(nóng)產(chǎn)品防霉儲(chǔ)藏提供了新的思路。正常儲(chǔ)藏條件下，稻谷不易長(zhǎng)霉，但當(dāng)?shù)竟瘸霈F(xiàn)發(fā)熱情況時(shí)，如不及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)、降溫、降水等有效處理，大多數(shù)霉菌會(huì)在適宜的溫濕度條件下大量生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)而稻谷中的有機(jī)質(zhì)被逐漸消耗，霉菌菌落生長(zhǎng)造成稻谷霉變板結(jié)[33]。因此，稻谷在收割后至干燥達(dá)標(biāo)入儲(chǔ)前的這段濕度較高的階段，采用具有防霉作用的植物精油進(jìn)行熏蒸處理應(yīng)是解決問(wèn)題的有效辦法之一。而在稻谷儲(chǔ)藏期間，糧堆中霉菌的菌群結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生改變：初儲(chǔ)稻谷中禾谷鐮刀菌為優(yōu)勢(shì)菌；儲(chǔ)藏3個(gè)月后，優(yōu)勢(shì)菌主要為灰綠曲霉；儲(chǔ)藏6個(gè)月后，主要優(yōu)勢(shì)菌為青霉菌、疑似黃曲霉和白曲霉[34]。因此，生產(chǎn)實(shí)踐中仍需使用防霉劑。為了減少化學(xué)防霉劑的潛在危害，采用植物源活性成分抑菌或殺滅儲(chǔ)藏稻谷中的真菌日漸受到重視[35]。迄今為止，對(duì)其他糧食的防霉研究相對(duì)較少，但研究發(fā)現(xiàn)肉桂醛、檸檬醛、丁香酚和薄荷醇精油以體積比3∶3∶2∶2復(fù)合時(shí)，對(duì)玉米黃曲霉和鐮刀菌的抑制效果顯著，儲(chǔ)藏240 d時(shí)對(duì)上述2種菌的抑制率分別為99.4%和100.0%，可有效防控玉米儲(chǔ)藏過(guò)程中霉菌和真菌毒素的污染[36]。

采用適宜的單一或復(fù)合植物精油處理對(duì)儲(chǔ)糧的防霉保鮮效果良好，具有替代化學(xué)保鮮劑的良好前景。但值得一提的是，植物精油濃厚的芳香氣味對(duì)糧食食用時(shí)的感官品質(zhì)可能會(huì)有負(fù)面影響，如何既能有效發(fā)揮植物精油的防霉作用，又盡可能減少其不利影響，是值得研究的課題。

3 植物精油的協(xié)同抑菌作用

不同植物精油的成分不同，植物精油的化學(xué)成分也多種多樣。在抑菌方面，同一植物精油的不同成分間及不同植物精油復(fù)合后來(lái)源不同的成分間會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的作用，由此可能產(chǎn)生4種效應(yīng)，即無(wú)關(guān)效應(yīng)、加性效應(yīng)、拮抗效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)[37]。常用分級(jí)抑菌濃度指數(shù)（Fractional inhibitory concentration index，F(xiàn)ICI）來(lái)評(píng)價(jià)不同植物精油復(fù)配后對(duì)抑菌效果的影響，F(xiàn)ICI≤0.5為具有協(xié)同作用，0.5＜FICI≤1為具有相加作用，1＜FICI≤2為無(wú)關(guān)作用，F(xiàn)ICI＞2為具有拮抗作用。不同植物精油如能產(chǎn)生相加或協(xié)同作用，則植物精油復(fù)合后其抑菌活性可得到增強(qiáng)。牛至與檸檬草精油分別以0.025μL/mL的濃度按1∶1（V/V）進(jìn)行復(fù)配后對(duì)黑曲霉和草本枝孢霉的FICI均為0.75，表現(xiàn)為相加作用，這是牛至精油中香芹酚和檸檬草精油中檸檬醛同時(shí)作用的結(jié)果，但香芹酚與檸檬醛兩者間并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[38]。當(dāng)肉桂精油與牛至精油以體積比8∶2和9∶1的比例復(fù)配并進(jìn)行熏蒸時(shí)，對(duì)供試的金黃色葡萄球菌顯示出很強(qiáng)的協(xié)同抑菌作用（FICI為0.25），其MIC僅為5μL/L[39]。桂皮精油與紅色百里香復(fù)合精油對(duì)金黃色葡萄球菌菌（Staphylococcus aureus）的FICI為0.47，存在協(xié)同作用，而對(duì)銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的FICI為0.64±0.09，二者產(chǎn)生了相加作用[40]。

不同植物精油之間存在不同形式的相互作用，這對(duì)采后農(nóng)產(chǎn)品抑菌保鮮劑的開發(fā)具有重要意義。為了提高植物精油對(duì)采后農(nóng)產(chǎn)品的抑菌保鮮效果，首先篩選出具有較強(qiáng)抑菌活性的單一植物精油，再進(jìn)行復(fù)配后的抑菌效果研究，考察復(fù)配劑是否存在協(xié)同或相加作用，如有上述作用則可展開進(jìn)一步研究。首先是進(jìn)一步明確各單一植物精油中的主要抑菌成分，其次是探究以各單一植物精油中主要抑菌成分進(jìn)行復(fù)配后的抑菌效果，并與原精油復(fù)配的抑菌效果進(jìn)行對(duì)比，從而為基于植物精油的抑菌保鮮劑的標(biāo)準(zhǔn)化研發(fā)提供參考。

4 展望

雖然目前國(guó)內(nèi)外對(duì)有關(guān)植物精油在農(nóng)產(chǎn)品抑菌保鮮中的研究報(bào)道已經(jīng)很多，但植物精油要成為可商業(yè)化應(yīng)用的天然抑菌保鮮劑，仍有很長(zhǎng)的路要走。因?yàn)橹参锞瓦^(guò)于復(fù)雜，不僅不同植物精油的化學(xué)成分差異巨大，即便是同一植物精油的化學(xué)成分也很復(fù)雜，且其含量隨植物的部位、產(chǎn)地、采收季節(jié)和提取方法的不同而存在差異。要利用其抑/殺菌生物活性，需結(jié)合不同種類農(nóng)產(chǎn)品自身的特點(diǎn)及致腐/致病微生物的差異性而篩選最佳的植物精油或具有相加/協(xié)同作用的植物精油組合。如何把產(chǎn)植物精油的相關(guān)植物的培管與采收規(guī)范化管理、基于高效獲取關(guān)鍵活性成分的植物精油提取工藝標(biāo)準(zhǔn)化與相應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品的抑殺菌目標(biāo)需求相結(jié)合，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用需深入考量與研究的關(guān)鍵問(wèn)題。另外，除了要進(jìn)一步探究植物精油對(duì)微生物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、線粒體功能和細(xì)胞代謝的影響外，植物精油抑菌過(guò)程中的構(gòu)效關(guān)系、作用靶點(diǎn)與作用效應(yīng)之間的關(guān)系、對(duì)微生物從蛋白組學(xué)和基因組學(xué)角度的調(diào)控作用、對(duì)農(nóng)產(chǎn)品自身抗病能力的調(diào)節(jié)機(jī)制等都是未來(lái)對(duì)植物精油抑菌機(jī)理研究的重點(diǎn)。