基于植物精油的抗菌活性包裝在食品保鮮中的研究進展

趙亞珠，劉光發(fā)，魏娜，郝曉秀，高翔

（1.天津職業(yè)大學 包裝與印刷工程學院，天津 300410；2.天津科技大學 輕工科學與工程學院，天津300457；3.宏觀世紀（天津）科技股份有限公司，天津 301700）

由于食品含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，在生產(chǎn)、加工、物流及貯藏過程中極易遭受食源性致病菌的污染而腐敗變質(zhì)，其中水果、蔬菜和肉類等生鮮食品極易腐爛[1]。近年來，食品流通更加頻繁，對食品的貨架期提出了更高的要求。為了控制食品的腐爛變質(zhì)，抗菌劑被廣泛應用于食品保鮮中。將防腐劑直接添加到食品中，可有效延長食品的貨架期。然而，部分化學防腐劑可能存在一定的毒性，會影響消費者的健康[2]。食品包裝可在一定程度上保護食品免受外界因素影響，在食品包裝體系中加入活性成分（如抗菌劑、抗氧化劑、乙烯吸收劑等），不僅可以延長食品的貨架期，而且還有助于維持其品質(zhì)[3]。

抗菌劑作一類主要活性成分，被廣泛應用于食品保鮮中，目前應用較多的有無機抗菌劑、有機合成抗菌劑和天然抗菌劑。使用化學防腐劑控制食品腐敗具有一定的局限性，其可能會給消費者帶來致癌、致毒、致畸等不良影響，并且降解緩慢還可能引起環(huán)境污染的問題[4]。來源于動物、植物或微生物的天然抗菌劑不僅可用于抑制食品中病原微生物的生長，而且對人體安全性較高，在食品防腐保鮮應用方面顯示出巨大潛力。隨著近年來食品安全受到越來越多的關注，食品行業(yè)對天然抗菌劑的需求逐漸增加。植物精油作為一種天然抗菌劑，具有廣譜抗菌活性[5]，可認為是化學防腐劑的潛在替代品。然而，植物精油在食品防腐保鮮應用方面也存在一些問題，例如大多植物精油不溶于水、易揮發(fā)、在光熱條件下穩(wěn)定性較差，并且容易氧化分解。如何提升植物精油在應用過程中的穩(wěn)定性和持久性一直是人們研究的重點。

目前，人們在利用植物精油對食品進行防腐保鮮方面做了很多研究，但這些成果距離產(chǎn)業(yè)化仍有一段距離。本文系統(tǒng)總結植物精油的抑菌效果及抑菌機制，介紹植物精油在食品包裝領域的最新研究成果，綜合分析其存在的問題并提出有效的解決方案，為植物精油在食品活性包裝領域的技術研究及產(chǎn)業(yè)化應用提供參考和指導。

1 植物精油的抑菌活性

據(jù)統(tǒng)計，約有1 000 多種植物具有抑菌作用，其抑菌成分主要為酚類化合物、黃酮類化合物、萜類化合物、生物堿和多糖等[6]。植物精油通常為芳香族化合物的混合物，主要采用水蒸氣蒸餾，超臨界二氧化碳萃取，冷壓、浸漬提取等工藝從植物中提取制得。近年來，使用植物精油（EOs）抑制生鮮食品的腐爛受到人們關注，植物精油對食源性致病菌的抑菌作用得到了廣泛研究。在具有抑菌效果的植物精油中，其主要來源多為藥草類烹飪原料和天然調(diào)料等。多種植物精油對食源性致病菌（如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、李斯特氏菌等）具有較強的抑制作用，主要有百里香精油、牛至精油、肉桂精油、丁香精油、檸檬草精油、大蒜精油、孜然精油等，其主要抑菌成分及含量見表1。植物精油的抑菌活性可歸因于精油中的化合物，其中酚類和醛類物質(zhì)是植物精油中常見的具有顯著抑菌作用的活性成分，其次是萜烯和酮類物質(zhì)，其抑菌作用相對較弱[7]。研究發(fā)現(xiàn)，同一種植物的精油成分也可能存在很大的差異，可歸因于遺傳變異、緯度位置、氣候因素、植物采摘時間和提取工藝等因素存在差異[8]。

表1 具有抑菌作用的代表性植物精油Tab.1 Representative EOs with antimicrobial activity

2 植物精油對食源性細菌的抑菌機理

由于植物精油主要化學成分的分子結構和構型不同，它們之間的抑菌效果存在很大差異[27]。鑒于植物精油化學成分的多樣性，精油對微生物細胞的作用機制也大相徑庭。植物精油抑菌機制可歸納為以下幾個方面：

1）影響或破壞細胞膜的結構和功能。由于植物精油具有親脂性特征，可促進胞質(zhì)膜中目標物質(zhì)和細胞內(nèi)成分向細胞外擴散。精油會引起細胞膜通透性增加，從而引起細胞膜內(nèi)一些物質(zhì)外滲，最終導致細胞死亡[28]。有研究表明，肉桂精油可以引起大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的菌體形態(tài)發(fā)生明顯變化，從而導致菌體內(nèi)電解質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸外滲，其滲透量隨著肉桂精油濃度的增加而升高[29]。肉桂精油還可使腐生葡萄球菌的菌體表面發(fā)生明顯皺縮現(xiàn)象，并導致部分菌體出現(xiàn)溶解和破裂[30]。百里香精油納米乳液可導致細胞膜發(fā)生降解并引起細胞質(zhì)膜損傷，對細菌細胞的完整性造成了明顯破壞，進而致使細胞內(nèi)物質(zhì)泄漏[31]。

2）作用于遺傳物質(zhì)。DNA 是微生物的重要遺傳物質(zhì)，一些植物精油可以破壞菌體的DNA 結構，阻礙其DNA 復制[32]。丁香精油可以阻礙細菌的DNA轉錄為mRNA，還可以抑制mRNA 的翻譯，進而影響細菌DNA 的復制[33]。Liu 等[34]發(fā)現(xiàn)百里香可引起綠膿桿菌細胞內(nèi)活性氧（ROS）的積累，導致氧化應激介導的DNA 損傷，百里香還可以嵌入綠膿桿菌基因組的DNA 中，影響DNA 的正常功能，最終導致細菌死亡。DNA 拓撲異構酶是介入DNA 復制、轉錄、重組和修復，以及染色質(zhì)組裝所需的拓撲調(diào)整酶，可以參與或影響DNA 的代謝。Cui 等[35]研究發(fā)現(xiàn)菊花精油可有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的拓撲異構酶I 和拓撲異構酶Ⅱ的活性，導致其生成更高比例的超螺旋DNA。

3）影響酶的活性和代謝功能。酚類化合物中攜帶的羥基會損害微生物體內(nèi)酶在三羧酸循環(huán)中的活性。山胡椒精油可有效誘導福氏志賀氏菌細胞中的氧化應激、脂質(zhì)過氧化和H2O2的積累，引起能量和呼吸代謝中斷，從而導致細胞氧化還原發(fā)生紊亂[36]。三磷酸腺苷酶（ATP 酶）和堿性磷酸酶（ALP 酶）對細菌的生長具有重要作用，菊花精油可以大幅降低2 種供試細菌中ATP 酶和ALP 酶的活性。菊花精油還可以通過戊糖磷酸途徑（HMP 途徑）抑制大腸桿菌的呼吸代謝[35]。肉桂醛在處理大腸桿菌、單核細胞增生性李斯特菌等細菌后，菌體細胞內(nèi)的ATP 水平顯著降低，肉桂醛的作用部位可能是菌體細胞中的ATP合成酶中的α 鏈蛋白[37]。

植物精油對細菌的主要抑菌機制見圖1。

圖1 植物精油對細菌的抑菌機制Fig.1 Action mechanisms of EOs against bacteria

3 植物精油抗菌活性包裝最新研究成果

將植物精油與天然材料或合成聚合物等材料結合制備成食品包裝材料，是延長食品貨架壽命的有效途徑。然而，由于植物精油具有高揮發(fā)性、氣味刺激性、化學不穩(wěn)定性和低水溶性等缺點，在制備食品活性包裝材料時受到很多限制。此外，活性材料中釋放的抗菌劑濃度過高可能會對被包裝食品的感官和毒理特性產(chǎn)生不利的影響。為了克服這些缺點，人們已采用很多工藝來調(diào)控植物精油，制備出了基于植物精油的抗菌活性材料。

3.1 植物精油抗菌活性包裝的主要制備工藝

近年來，國內(nèi)外研究人員在精油活性包裝的制備方面進行了研究，精油活性包裝的主要制備方法及抑菌效果見表2。制備具有抗菌功能的植物精油活性材料主要有以下4 種方式。

表2 精油活性包裝的主要制備方法及抑菌效果Tab.2 Main preparation process of active packaging based on EOs and its antimicrobial activity

1）將植物精油加入到包裝材料中。將抗菌劑與包裝材料的基材進行物理混合，通過控制一定的工藝條件來制備活性包裝材料。此類方法是目前利用植物精油制備抗菌材料的常用方法，主要有以下3 種方式：采用流延/澆注法制備抗菌膜，一般先將抗菌劑分散于成膜材料制成抗菌涂料，然后采用溶液澆注或流延的方法制成抗菌膜；制備可食用活性涂膜，將精油與淀粉、殼聚糖、大豆蛋白等成膜材料配制成涂膜液，然后采用浸漬或噴灑等方式處理果蔬等食品；采用靜電紡絲的方法制備抗菌纖維，該制備方法主要有如下3 種[38]。

①將精油與聚合物溶液混合，然后對混合物進行靜電紡絲來制備精油與聚合物（E/O）混合的納米纖維（NFs）。

②首先將E/O 負載到載體中，然后進行靜電紡絲制得包含E/O 載體的NFs。

③制備具有核殼結構（E/O 和聚合物）的NFs。

2）將植物精油涂布于包裝材料表面。涂布工序在紙和塑料包裝領域中廣泛應用，將植物精油與多孔介質(zhì)材料等制備成抗菌涂料，涂布于紙張、紙箱和塑料薄膜等材料的表面，可制備涂布抗菌紙、抗菌紙箱和抗菌膜。

3）將植物精油微膠囊化后制成抗菌小袋。植物精油的抑菌效果顯著，部分植物精油的最低抑菌濃度（質(zhì)量分數(shù)）可達到千分之一。然而植物精油易揮發(fā)，其抑菌效果通常會隨著時間的延長而降低。為解決植物精油易揮發(fā)的問題，部分科研人員采用離子凝膠化反應、逐層組裝法、噴霧干燥法等方法可將植物精油制成具有緩釋效果的抗菌微膠囊。

4）將植物精油制成抗菌襯墊后放于包裝內(nèi)部。一些冷鮮肉在貯藏過程中會滲出汁水，為了更好地維持冷鮮肉的品質(zhì)，襯墊在一些冷鮮肉包裝領域被廣泛使用。將精油與纖維素襯墊等材料制備成活性襯墊，不僅對很多食源性致腐微生物具有很好的抑制作用，還能有效維持被包裝食品的品質(zhì)。

3.2 植物精油抗菌活性包裝在食品保鮮中的應用研究

隨著人們對食品安全需求的增加，開發(fā)天然、環(huán)保、健康的食品活性包裝已成為食品科學領域的一個研發(fā)方向，植物精油活性包裝被認為具有很大的應用潛力。由于植物精油良好的抑菌性能，國內(nèi)外一些科研人員將植物精油制備成抗菌膜、抗菌紙、抗菌紙箱、可食用涂膜、微膠囊小袋、抗菌襯墊、納米抗菌纖維等活性包裝材料，在肉類（如豬肉、雞肉、去皮淡水蝦）、水果類（如草莓、桃），以及漢堡、面包等食品中進行了防腐保鮮應用（見表3），并取得了一些成效。

表3 精油活性包裝在食品保鮮中的應用研究Tab.3 Application research of active packaging based on EOs in food preservation

然而，由于食品成分復雜，精油活性包裝的研發(fā)需要充分考慮食品的風味特征、貯藏和銷售環(huán)境等因素。在提升食品貨架壽命的同時不應對食品的風味造成影響，更不能帶來食品安全隱患。雖然國內(nèi)外的一些科研人員在使用植物精油活性包裝對食品保鮮方面做了一些研究，但是這些研究距離產(chǎn)業(yè)化應用仍存在一定的距離。

4 植物精油抗菌活性包裝存在的問題及解決方案

目前，國內(nèi)外一些科研人員在植物精油活性包裝的研究方面取得了諸多成果，為實現(xiàn)食品的綠色防腐保鮮探索了新的方向。總體來說，國內(nèi)外關于精油活性包裝的研究成果多處于實驗階段，還存在以下問題：在食品安全評估方面缺乏深入研究；有些精油活性包裝存在氣味和刺激性，對食品風味可能存在影響；部分精油活性包裝的抑菌效果不夠持久；精油活性包裝的生產(chǎn)成本較高。為了解決植物精油活性包裝存在的問題，可從以下幾個方面努力。

4.1 針對精油活性包裝開展食品安全風險研究

與食品直接接觸的活性包裝材料及制品必須滿足國家相關法律和標準。植物精油大多來自食藥同源性植物，其安全性似乎在前人千百年的生活實踐中已經(jīng)得到證實。然而，攝入較高劑量的這些天然化合物也可能會引起口服毒性問題，有必要在精油的有效劑量和毒性風險之間找到平衡點。在目前的一些研究中，關于抗菌劑在包裝材料中的遷移規(guī)律研究相對較少。此外，有部分活性包裝材料在制備過程中使用了植物精油和納米材料，可能存在食品安全風險。在今后的研究中，需對精油活性包裝開展食品安全風險研究，開發(fā)出對人體健康安全的抗菌活性包裝產(chǎn)品。

4.2 降低活性包裝中精油對食品感官品質(zhì)的不利影響

部分研究表明，當植物精油超過一定的劑量時會對被包裝產(chǎn)品的口感、風味、外觀品質(zhì)存在一定的不利影響[55]。一些基于植物精油的抗菌材料在與水果接觸時可能會產(chǎn)生一些負面作用，例如可能會改變水果原有的色澤，當精油使用劑量過高時甚至會加速水果腐爛。如何避免植物精油在食品包裝過程中帶來的負面作用，可通過對植物精油活性包裝的制備工藝進行改進，例如在食品接觸部位進行隔離，研究精油緩釋技術，探索氣相抑菌方式等。

4.3 提升活性包裝中精油抑菌成分的穩(wěn)定性

部分植物精油中的有效抑菌成分屬于易揮發(fā)性物質(zhì)，在食品防腐保鮮過程中容易損失[56]，有些植物精油抑菌成分暴露于空氣、溫度、光照、不同pH 值和濕度等不同因素時穩(wěn)定性較差[57]。有效控制抗菌劑的釋放速率一直是抗菌材料研發(fā)領域亟待解決的難題。在今后的工作中，應探索實現(xiàn)植物精油有效抑菌成分的可控釋放，探明使用/加工環(huán)境對其性質(zhì)的影響，并建立相應的理論基礎，在微生物生長動力學和受控釋放速率之間尋找到平衡點，以保證活性包裝在貯藏期內(nèi)具有適當?shù)谋Ｗo功能。為實現(xiàn)精油活性包裝的推廣應用，還應在產(chǎn)業(yè)化應用研究和降低生產(chǎn)成本等方面進一步深入研究。

5 結語

近年來，消費者對食品安全和飲食健康日益關注，推動了食品防腐保鮮技術必將朝著安全和綠色方向發(fā)展。由于目前食品防腐保鮮過程中常用的化學防腐劑存在一系列潛在危害，具有抗菌作用的植物精油將成為化學防腐劑在食品保鮮領域的有效替代者。然而，植物精油存在易揮發(fā)、氣味性、刺激性等問題，其化學穩(wěn)定性和食品安全性也有待進一步研究，這些因素限制了植物精油在食品防腐保鮮中的應用。今后，在精油緩釋控制技術、精油最佳劑量調(diào)控、活性包裝材料應用方式、食品安全風險等方面仍需進行深入研究。此外，還可將植物精油與其他保鮮技術（如氣調(diào)、低溫、高壓等）聯(lián)合使用，通過產(chǎn)生協(xié)同作用，最大程度地延長被包裝食品的貨架壽命，并減少精油帶來的氣味和刺激性等負面影響，最終實現(xiàn)食品的綠色防腐保鮮。