植物精油的功能特性及在果蔬保鮮中的應(yīng)用

榮培秀 何曉琴 王金秋 甘人友,3

(1. 成都大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，四川 成都 610106；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所，四川 成都 610213；3. 國(guó)家成都農(nóng)業(yè)科技中心，四川 成都 610213)

新鮮果蔬在采收后依然有生命活動(dòng)(如呼吸、新陳代謝等)，且水分和溶質(zhì)隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)不斷流失，極易導(dǎo)致質(zhì)量損失、營(yíng)養(yǎng)流失、食用質(zhì)量變差和貨架期縮短[1]。特別是鮮切果蔬因受到機(jī)械損傷，極易被微生物污染而發(fā)生劣變[2]，導(dǎo)致其顏色、硬度、風(fēng)味等發(fā)生改變，進(jìn)而縮短鮮切果蔬的貨架壽命[3]。在日常果蔬保鮮中，低溫貯藏方便快捷、營(yíng)養(yǎng)成分流失較少，但部分果蔬容易發(fā)生冷害，導(dǎo)致水分流失、理化活動(dòng)異常及果蔬變質(zhì)；氣調(diào)貯藏通過(guò)調(diào)節(jié)氣體比例控制果蔬呼吸，抑制有害菌增殖，但需要實(shí)時(shí)監(jiān)控氣體，能耗比較大[4]。因此，為延長(zhǎng)果蔬的貯藏時(shí)間，通常會(huì)選擇化學(xué)合成保鮮劑來(lái)延長(zhǎng)果蔬的貨架期。但若長(zhǎng)期食用濫用化學(xué)保鮮劑的果蔬，可能對(duì)人體健康產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至有致畸、致癌的風(fēng)險(xiǎn)，故天然保鮮劑取代化學(xué)保鮮劑成為一種必然趨勢(shì)[5]。

植物精油是天然保鮮劑中的一種，含有豐富的活性物質(zhì)賦予其廣譜的抗氧化和抑菌等特性，可作為天然抗菌劑，抑制果蔬病原菌菌落增殖，達(dá)到延緩果蔬衰老和維持果蔬感官及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的目的[6]。此外，與化學(xué)合成保鮮劑相比，植物精油具有綠色、環(huán)保、安全、無(wú)毒等優(yōu)勢(shì)，有廣闊的應(yīng)用前景[7]。因此，文章擬就植物精油的提取技術(shù)、功能特性及其在果蔬方面的應(yīng)用進(jìn)行綜述，重點(diǎn)對(duì)其抗氧化、抑菌、抗炎、殺蟲驅(qū)蟲等特性及不同應(yīng)用方式進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期為植物精油在果蔬保鮮上的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 植物精油的提取

植物的葉、花、果實(shí)、皮等部位通常含有較低或較高含量的精油，可通過(guò)不同的提取技術(shù)獲得，工業(yè)上常采用傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法或溶劑萃取法進(jìn)行提取。但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前有關(guān)植物精油提取技術(shù)的研究比較成熟。由表1可知，提取技術(shù)對(duì)植物精油的提取率和組分有顯著影響，且每種提取技術(shù)都各有優(yōu)勢(shì)和缺陷，實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)植物來(lái)源、提取效率、提取目標(biāo)組分等因素選擇合適的提取技術(shù)。

表1 植物精油提取技術(shù)比較Table 1 Comparison of extraction technologies of plant essential oils

2 植物精油的功能特性

2.1 抗氧化作用

植物精油中含有多種抗氧化活性成分，如芳樟醇[14]、D-檸檬烯、γ-松油烯、β-蒎烯[15]、百里酚、香芹酚、丁香酚[16]等(圖1)，其主要通過(guò)4個(gè)方面發(fā)揮抗氧化作用，從而達(dá)到果蔬保鮮的目的：① 植物精油通過(guò)降低呼吸速率、減少自由基的積累而延緩氧化傷害。有研究[17]發(fā)現(xiàn)，沉香精油清除羥基自由基的IC50值為0.45 mg/mL，清除超氧陰離子自由基的IC50值為2.53 mg/mL，且香茅精油對(duì)番木瓜保鮮時(shí)，番木瓜的呼吸峰值延遲、呼吸速率降低[18]。② 植物精油通過(guò)螯合金屬離子實(shí)現(xiàn)抗氧化，如植物精油中的酚類物質(zhì)與Fe2+、Cu2+等活潑金屬離子螯合生成較穩(wěn)定的配合物，從而減少自由基的生成[19]。③ 植物精油通過(guò)抑制脂質(zhì)過(guò)氧化實(shí)現(xiàn)抗氧化，如植物精油中的香芹酚通過(guò)降低丙二醛的積累以延緩膜脂的過(guò)氧化，提高樹莓的抗氧化作用[20]。④ 植物精油通過(guò)調(diào)控抗氧化酶活和抗氧化物含量實(shí)現(xiàn)抗氧化，如茴香精油可激活鮮切莧菜中過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶[21]；李子和等[22]復(fù)配的植物精油可提高馬鈴薯中還原型谷胱甘肽含量，降低過(guò)氧化氫物含量等，減緩衰老進(jìn)程。

2.2 抑菌作用

植物精油中含有多種抑菌活性成分，如香芹酚、姜烯、β-倍半水芹烯、反式肉桂醛、香茅醇、香葉醇、松油烯-4-醇等(圖1)，對(duì)金黃色葡萄球菌、灰霉、青霉等具有廣譜的抑菌作用(表2)。

表2 植物精油的抑菌作用Table 2 Antimicrobial action of plant essential oils

圖1 植物精油活性成分化學(xué)結(jié)構(gòu)式Figure 1 The chemical structures of bioactive compounds in plant essential oils

植物精油可以通過(guò)以下3個(gè)方面發(fā)揮抑菌作用(圖2)：① 破壞菌體的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的完整性、滲透性及膜脂質(zhì)過(guò)氧化[28]，致使?fàn)I養(yǎng)物和代謝物不能正常通過(guò)，具體表現(xiàn)為菌體表面皺縮、出現(xiàn)溶解、不致密現(xiàn)象，甚至部分菌體外膜脫落、破裂等[29]。② 破壞蛋白和相關(guān)基因表達(dá)，如肉桂精油可影響金黃色葡萄球菌菌體蛋白的二級(jí)和三級(jí)構(gòu)象，進(jìn)而影響菌體的結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)繁殖[30]；樟腦精油通過(guò)調(diào)控大腸桿菌基因的表達(dá)以抑制大腸桿菌的代謝和某些抗性反應(yīng)，進(jìn)而抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)[31]。③ 干擾菌體能量代謝過(guò)程，如香雪蘭精油可誘導(dǎo)白色念珠菌的線粒體功能障礙，致使活性氧積累，菌體氧化還原失衡，從而達(dá)到抑菌的目的[32]。

圖2 植物精油抑菌機(jī)制圖[27]Figure 2 The diagram of antibacterial mechanisms of plant essential oils

2.3 抗炎作用

植物精油中含有多種抗炎活性成分，如乙酸芳樟酯[33-34]、倍半萜[35]、龍腦、α-蒎烯、乙酸龍腦酯、石竹烯、反式-橙花叔醇、紅沒(méi)藥醇[36]等(圖1)，可通過(guò)調(diào)控炎癥因子達(dá)到抗炎作用(圖3)，如苦橙葉精油和佛手柑精油均能顯著降低細(xì)胞內(nèi)炎癥介質(zhì)一氧化氮(NO)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)含量[34]。而在脂多糖誘導(dǎo)小鼠巨噬細(xì)胞的炎癥模型中，紫莖澤蘭精油能抑制白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、白細(xì)胞介素-6(IL-6)、白細(xì)胞介素-8(IL-8)蛋白分泌量及相關(guān)mRNA的表達(dá)，增加白細(xì)胞介素-10(IL-10)蛋白分泌量及相關(guān)mRNA的表達(dá)，這些相關(guān)炎癥因子的表達(dá)量都與Toll樣受體4(TLR-4)蛋白表達(dá)水平增加有關(guān)，同時(shí)也與核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)信號(hào)通路被抑制有關(guān)，其IκBα蛋白、p65和p50胞漿蛋白等NF-κB信號(hào)通路中的關(guān)鍵蛋白表達(dá)水平增加[36]。此外，高小力等[35]研究發(fā)現(xiàn)沉香精油(10 μg/mL)通過(guò)降低p-傳感器和轉(zhuǎn)錄激活因子3(p-STAT3)的蛋白表達(dá)水平，進(jìn)而抑制炎癥因子IL-1β和IL-6的產(chǎn)生來(lái)發(fā)揮抗炎作用。

圖3 植物精油抗炎機(jī)制圖[34,36]Figure 3 The diagram of the anti-inflammatory mechanisms of plant essential oils

2.4 殺蟲驅(qū)蟲作用

植物精油具有殺蟲驅(qū)蟲作用，對(duì)果蔬采前采后的常見(jiàn)病蟲害，如煙粉虱、蚜蟲、小菜蛾和甜菜夜蛾等具有較好的防控效果，其主要活性成分包括丁香酚、α-松油醇[37]、檸檬醛[38]等(圖1)。研究[39]發(fā)現(xiàn)薄荷精油對(duì)埃及伊蚊幼蟲有驅(qū)殺作用，其IC50值和IC90值分別為78.1，125.7 mg/L。植物精油對(duì)病蟲害有不同的表現(xiàn)方式，如香樟精油對(duì)米象有較好的趨避效果；丁香精油對(duì)米象有較好的觸殺作用；丁香及肉桂皮精油對(duì)米象有最高的熏蒸致死率，其中丁香精油熏蒸致死機(jī)理是對(duì)米象內(nèi)谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶的誘導(dǎo)作用，抑制米象體內(nèi)的羧酸酯酶酶活，且熏蒸處理時(shí)間越長(zhǎng)、精油濃度越大，對(duì)酶活的抑制越強(qiáng)[40]。今后可深入研究精油趨避、觸殺病蟲害的機(jī)理。

3 植物精油在果蔬保鮮中的應(yīng)用

植物精油含有抗氧化、抑菌、抗炎、殺蟲驅(qū)蟲等功能特性的活性成分，因而可以將植物精油應(yīng)用于果蔬保鮮，以期達(dá)到延長(zhǎng)保鮮期的目的。其保鮮方式包括單精油直接保鮮，精油與保鮮劑復(fù)配保鮮，精油納米保鮮，精油微膠囊保鮮，精油聯(lián)合紫外光、微波、超聲波等保鮮，精油與包裝紙箱聯(lián)用保鮮等。

3.1 單精油保鮮

單精油保鮮是指將植物精油以熏蒸、浸泡等處理方式對(duì)果蔬進(jìn)行保鮮。其中精油熏蒸處理是將精油滴在濾紙片上，然后將濾紙片與果蔬放置在聚乙烯塑料袋中，實(shí)現(xiàn)精油對(duì)果蔬的熏蒸保鮮。李彥虎等[41]利用精油對(duì)雙孢蘑菇進(jìn)行熏蒸處理，常溫條件下，花椒精油(0.1 mL/kg)和芥末精油(0.15 mL/kg)能抑制雙孢蘑菇褐變，延緩腐爛，將貨架期延長(zhǎng)2 d；低溫貯藏條件下能減緩雙孢蘑菇的失重率和呼吸強(qiáng)度，抑制子實(shí)體內(nèi)多酚氧化酶活性，降低菇表面菌落總數(shù)，從而達(dá)到保鮮效果。精油浸泡處理是將果蔬浸泡在精油中，或者浸泡在一定濃度的精油溶液(含有適量的吐溫-80和蒸餾水)中，然后取出風(fēng)干，置于包裝袋或包裝盒內(nèi)保鮮。如將鮮切杭白菜浸泡在丁香精油(1 mL/L) 3 min后裝于塑料盒中，可使杭白菜表面的微生物增長(zhǎng)緩慢，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失降低，貨架期延長(zhǎng)6 d[42]。單精油保鮮操作方便、快捷，但果蔬經(jīng)過(guò)熏蒸、浸泡處理后，精油易揮發(fā)，保鮮時(shí)間不長(zhǎng)，且果蔬含有精油的刺激性氣味，影響其售賣。

3.2 精油簡(jiǎn)單復(fù)配保鮮

精油簡(jiǎn)單復(fù)配是指精油與常用的涂膜保鮮劑簡(jiǎn)單混合后形成穩(wěn)定的復(fù)配液體系，再將復(fù)配液以涂膜、浸泡等方式應(yīng)用于果蔬保鮮。由于常用的保鮮劑的涂膜透氣性、物理和力學(xué)性能較差[43]，當(dāng)添加植物精油后，能與精油中酚類物質(zhì)的官能團(tuán)相互作用，可提高涂膜的阻隔性和抗氧化性能，還可降低膜的含水率、水溶脹率和溶解度[44]，使果蔬色澤、硬度、質(zhì)地等品質(zhì)較好地保持，降低營(yíng)養(yǎng)物的損失(表3)。與單精油保鮮相比，復(fù)配保鮮能延長(zhǎng)精油作用時(shí)間，更能顯著提高果蔬貯藏保鮮效果，但果蔬表面依然會(huì)存有精油刺激性氣味，可能呈現(xiàn)負(fù)面的感官評(píng)分。

表3 植物精油簡(jiǎn)單復(fù)配的果蔬保鮮Table 3 Simple combination of plant essential oils for the preservation of fruits and vegetables

3.3 精油納米乳液、納米薄膜保鮮

納米乳液是粒徑為10～100 nm的膠體分散體系[50]，植物精油在添加果膠、玉米醇溶蛋白、吐溫-80等表面活性劑后[51]，經(jīng)攪拌、超聲、均質(zhì)等混合形成植物精油納米乳液。精油納米乳化不僅可提高精油的穩(wěn)定性、抗氧化、抑菌等特性[52]，還可取代氯基消毒殺菌劑，減少環(huán)境污染[53]。李子和等[22]將吐溫-80與復(fù)配的4種精油(孜然精油、蒔蘿精油、芫荽精油、葛縷子精油)納米乳化，隨后將制得的乳液霧化處理馬鈴薯，發(fā)現(xiàn)納米乳化后的精油能調(diào)控抗氧化酶酶活及抗氧化物質(zhì)含量，延長(zhǎng)休眠期，抑制馬鈴薯發(fā)芽。

除了將納米乳液以液態(tài)形式作用于果蔬外，還可通過(guò)溶劑蒸發(fā)法，使納米乳液成膜，用于包裝保鮮果蔬。Chi等[54]制備含有佛手柑精油的聚乳酸納米復(fù)合膜用于包裝芒果，發(fā)現(xiàn)貯藏期間，該復(fù)合膜能延緩芒果顏色、總酸度、維生素C和微生物性質(zhì)的有害變化，延長(zhǎng)芒果采后壽命15 d。此外，還可利用植物精油的抑菌特性制備具有抗菌性能的pH指示劑纖維素納米纖維包裝薄膜[55]，顯著降低精油對(duì)果蔬感官品質(zhì)的影響。與精油簡(jiǎn)單復(fù)配相比，植物精油納米化使精油形成眾多的納米顆粒，可提高精油的分散性，具有一定的緩釋作用，進(jìn)行果蔬保鮮時(shí)，能降低果蔬表面刺激性氣味，延長(zhǎng)保鮮時(shí)間，但納米乳液處理耗能較大，在果蔬保鮮中的應(yīng)用范圍較窄。

3.4 精油微膠囊保鮮

精油微膠囊化是指將精油包裹制得微小粒子，形成小膠囊，如殼聚糖和羧甲基纖維素鈉作為壁材的精油膠囊，能較好地保留精油的緩釋、包封效率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[56]。以4%牛至精油為芯材，明膠、阿拉伯膠為壁材，芯壁比為1∶1的牛至精油微膠囊為例[57]，水通過(guò)壁材進(jìn)入微膠囊內(nèi)部后，溶解微膠囊內(nèi)部的精油形成高濃度的溶液，該溶液通過(guò)壁材釋放到微膠囊外部[58]，從而使精油緩慢作用于杏果實(shí)，降低空氣中精油的刺激性氣味，延長(zhǎng)保鮮時(shí)間。Yin等[59]將芒果在海藻酸鈉溶液和含肉桂精油微膠囊液中進(jìn)行交替浸泡沉淀，得到有5層覆膜的芒果，其pH值、硬度、呼吸速率、維生素C含量等變化均得到改善。此外，室溫條件下芥末精油微膠囊可替代部分殺菌劑，與0.8或0.9倍濃度咪鮮胺結(jié)合處理荔枝時(shí)，其保鮮效果與咪鮮胺單獨(dú)保鮮無(wú)明顯差異[60]。與精油納米乳化相比，精油微膠囊能進(jìn)一步延長(zhǎng)精油的作用時(shí)間、減緩氣味的散發(fā)，可部分或完全替代殺菌保鮮劑，但因壁材、精油及其濃度的選擇、成本的控制、繁瑣的操作等其他因素，導(dǎo)致精油微膠囊在果蔬保鮮中的應(yīng)用不廣泛。

3.5 精油聯(lián)合物理保鮮

果蔬常用的物理保鮮技術(shù)有低溫、紫外光、微波、超聲波、氣調(diào)等，雖然有操作簡(jiǎn)單、安全、應(yīng)用廣等優(yōu)點(diǎn)，但是物理處理會(huì)造成果蔬組織的損傷，蛋白質(zhì)、果膠等營(yíng)養(yǎng)成分的分解和流失[61]。而植物精油聯(lián)合物理技術(shù)保鮮時(shí)，果蔬的保鮮時(shí)間比物理技術(shù)單獨(dú)處理要好，還可降低對(duì)果蔬品質(zhì)的傷害。研究[62]發(fā)現(xiàn)百里香精油與氣調(diào)技術(shù)聯(lián)用時(shí)，草莓的保鮮期比單獨(dú)用氣調(diào)保鮮延長(zhǎng)了4 d以上；與單獨(dú)微波處理相比，西蘭花經(jīng)肉桂精油清洗后用300 W微波處理40 s，其維生素C、總酚、總黃酮含量等得到有效保持，葉綠素分解減緩[63]。但是植物精油聯(lián)合物理技術(shù)保鮮仍會(huì)有植物精油的特殊氣味殘留，需將精油納米化或膠囊化。

3.6 精油涂布包裝紙箱保鮮

將精油納米化或膠囊化后噴涂于包裝紙箱上，使紙箱具有抗氧化、抑菌等特性，當(dāng)果蔬封裝于該紙箱后，既避免精油直接接觸果蔬而造成感官及品質(zhì)的降低，又可提供封閉的、狹窄的、良好的保鮮環(huán)境，是未來(lái)果蔬貯藏保鮮的一種新趨勢(shì)。Buendía-moreno等[64]將香芹酚、牛至、肉桂按重量比70∶10∶20制成精油混合物隨后加入一定量的β-環(huán)狀糊精等其他物制成納米膠囊的水性丙烯酸乳液，將該乳液噴涂到包裝紙箱上對(duì)番茄進(jìn)行保鮮，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，8 ℃貯藏6 d后，番茄的硬度幾乎不受影響，未引起顯著的水分流失，且感官質(zhì)量也并未產(chǎn)生負(fù)面影響；當(dāng)香芹酚、牛至、肉桂以質(zhì)量比70∶10∶20有效地封裝在β-環(huán)狀糊精后，噴涂于紙箱上對(duì)甜椒進(jìn)行貯藏保鮮，使其在8 ℃下的貨架期延長(zhǎng)18 d[65]。此外，將4%百里香精油、吐溫-80、大豆分離蛋白形成的納米乳劑涂布于箱坯內(nèi)壁并用其盛裝草莓，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，箱內(nèi)草莓表面的菌落數(shù)減少，能在一定程度上維持草莓感官質(zhì)量和硬度指標(biāo)[66]。

4 結(jié)論及展望

植物精油因其具有抗氧化、抑菌、抗炎、殺蟲驅(qū)蟲等功能特性而被逐漸應(yīng)用于果蔬保鮮中?，F(xiàn)植物精油在果蔬保鮮中的應(yīng)用方式主要是單精油保鮮、精油簡(jiǎn)單復(fù)配保鮮、精油乳化保鮮、精油微膠囊化保鮮、精油聯(lián)合物理保鮮、精油與紙箱聯(lián)用保鮮等。但單精油保鮮、精油簡(jiǎn)單復(fù)配保鮮等方式會(huì)使果蔬帶有植物精油的刺激性氣味而影響消費(fèi)者接受度，導(dǎo)致植物精油應(yīng)用有所限制，故植物精油需經(jīng)過(guò)一定的處理以降低或掩蓋氣味，如精油微膠囊化、納米乳化等技術(shù)，在達(dá)到果蔬保鮮的同時(shí)能降低消費(fèi)者對(duì)植物精油刺激性氣味的排斥，提高消費(fèi)者的購(gòu)買欲。后續(xù)需在提高植物精油穩(wěn)定性、減少揮發(fā)、緩慢釋放等方面進(jìn)行積極創(chuàng)新。為了保證植物精油被攝食后在人體中的安全性，還需大量的臨床試驗(yàn)，從而使植物精油在果蔬保鮮方面得到更廣泛的應(yīng)用。