精油脂質(zhì)體技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

包沅鑫,涂倩,黃茂微,孫榕澤,曾珍,劉韞滔,惠騰,李誠

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院,四川 雅安,625000)

微生物生長繁殖是食品品質(zhì)劣變的關(guān)鍵因素,為防止食品腐敗變質(zhì),通常在食品中加入保鮮劑以延長貨架期。食品保鮮劑按照來源可分為化學(xué)保鮮劑和天然保鮮劑。其中化學(xué)保鮮劑價(jià)廉且取材便捷,但存在潛在毒性。隨著消費(fèi)者安全意識(shí)的提高,追求更加綠色、安全的食品,天然保鮮劑無毒無害,廣譜抑菌,逐步成為市場(chǎng)的新寵。植物精油(plant essential oil,PEO)安全無毒且具備良好的抗菌能力和抗氧化活性,被公認(rèn)為良好的天然食品保鮮劑,成為替代化學(xué)添加劑的潛在選擇之一[1]。然而PEO存在水溶性和穩(wěn)定性較差的弊端,并常伴有刺激性氣味限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用,因此,如何解決這些問題成為目前PEO的研究熱點(diǎn)。

脂質(zhì)體是具有閉合囊泡結(jié)構(gòu)的磷脂雙分子層材料,基于其結(jié)構(gòu)可將營養(yǎng)成分、敏感成分、活性成分物質(zhì)等包封形成納米顆粒,并賦予表面效應(yīng)和空間位阻效應(yīng),以達(dá)到保護(hù)或緩釋作用,在食品工業(yè)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[2-3]。利用脂質(zhì)體包埋技術(shù)將PEO封裝于脂質(zhì)體內(nèi)可增強(qiáng)精油揮發(fā)物的穩(wěn)定性,降低刺激性氣味,延長活性成分的保留時(shí)間,有助于提高食品品質(zhì)和功能性。目前在食品中關(guān)于PEO脂質(zhì)體的應(yīng)用還未進(jìn)行詳細(xì)地闡述。本文從PEO的抑菌性能和抗氧化活性機(jī)制、PEO脂質(zhì)體概述、制備方法、穩(wěn)定性及應(yīng)用等方面展開綜述,以期為PEO脂質(zhì)體在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用研究提供理論參考。

1 植物精油概述

1.1 植物精油簡介

PEO是一類從葉、根、莖或果實(shí)等部位通過蒸餾、萃取、微波處理等提取的油狀非必需代謝產(chǎn)物[4]。根據(jù)化學(xué)成分,可將PEO分為四大類:萜類化合物(單萜類、倍半萜類和二萜類),芳香族化合物,脂肪族化合物,含氮、含硫類化合物等[5],其中主要是萜類和芳香族化合物賦予了PEO廣譜抑菌性和抗氧化活性[6]。

1.2 植物精油活性功能

1.2.1 抗菌性

PEO的抗菌機(jī)制如圖1所示,主要表現(xiàn)為對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的破壞。PEO活性成分通過疏水作用與細(xì)胞膜相互作用并結(jié)合到細(xì)胞內(nèi),與疏水性蛋白質(zhì)或其他化合物結(jié)合后促進(jìn)膜組織的變化、膜電位的降低、離子和其他細(xì)胞內(nèi)容物的泄漏。ALIZADEH BEHBAHANI等[6]將孜然精油作用于大腸桿菌和李斯特菌,改變了細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu),內(nèi)容物溢出導(dǎo)致細(xì)菌的死亡;艾蒿精油對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制作用表現(xiàn)為蛋白質(zhì)和鉀離子的外滲[7]。PEO能夠干擾微生物體內(nèi)能量代謝過程[8]。此外PEO還能結(jié)合蛋白質(zhì)如酶作用位點(diǎn)抑制酶系統(tǒng)和改變遺傳物質(zhì)[9],樟腦精油通過調(diào)控大腸桿菌基因的表達(dá)以抑制大腸桿菌的生長[10]、肉桂精油影響金黃色葡萄球菌菌體蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu),同時(shí)造成菌體細(xì)胞膜破損,內(nèi)容物溶出[11]。這表明PEO的抗菌性是一種或多種抗菌機(jī)制協(xié)同發(fā)揮作用[12]。

圖1 PEO的抑菌機(jī)制Fig.1 Antibacterial mechanisms of plant essential oil

1.2.2 抗氧化性

PEO作為抗氧化劑,其活性表現(xiàn)為單一成分或許多活性成分之間的協(xié)同作用[13],其作用機(jī)制通常表現(xiàn)為增強(qiáng)抗氧化酶的活性、防止鏈引發(fā)、自由基清除劑、還原劑、終止過氧化物、單線態(tài)氧形成的猝滅劑和過渡金屬離子螯合等。夏光輝等[14]研究發(fā)現(xiàn)百里香精油對(duì)過氧化氫酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶活性等均具有顯著改善作用,吳昊等[15]發(fā)現(xiàn)精油中存在共軛碳雙鍵以及羥基,可以提供氫,抑制自由基和降低氧化應(yīng)激。

1.3 植物精油在食品中的應(yīng)用

PEO由于其良好的抗菌和抗氧化生理活性被廣泛應(yīng)用于食品保鮮,如李凱龍等[16]將1.5%肉桂精油添加到魚片,抑制草魚片冷藏期間菌落總數(shù)和嗜冷菌數(shù)的增加,觀感和色澤保持時(shí)間延長;張依潔等[17]將0.05 g/kg丁香精油和0.1 g/kg青花椒精油復(fù)合后應(yīng)用于醬鹵鴨肉后,抑制了肉品脂質(zhì)氧化,延長保質(zhì)期。這表明精油的添加會(huì)提高肉品質(zhì),增強(qiáng)保藏效果。然而植物精油水溶性較低、穩(wěn)定性差、對(duì)環(huán)境敏感,容易對(duì)食品的感官造成負(fù)面影響;同時(shí)PEO具有較強(qiáng)的氣味、易揮發(fā),從而導(dǎo)致食品風(fēng)味發(fā)生改變[18],限制了其在食品工業(yè)中的發(fā)展。為提高應(yīng)用范圍,采用脂質(zhì)體包埋等技術(shù)可有效改善精油的刺激性氣味和穩(wěn)定性,延長食品貨架期。

2 精油脂質(zhì)體概述

2.1 精油脂質(zhì)體簡介

脂質(zhì)體是由磷脂和膽固醇作為膜材,制成的一種類似生物膜的脂質(zhì)雙層囊泡,有單室和多室之分,由于其具有生物相容性、靶向性、緩釋性以及運(yùn)輸疏水和親水生物活性化合物的獨(dú)特能力而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、化妝品、食品等領(lǐng)域[19]。PEO脂質(zhì)體則是利用脂質(zhì)體的兩親性,將水溶性差的植物精油小分子包埋于類脂雙分子層之間,然后通過脂質(zhì)體結(jié)構(gòu)中的活性基團(tuán)與PEO中的酚類、醛類等活性成分相互作用,從而形成具有抗菌、緩釋、保鮮作用的功能脂質(zhì)體[20]。在食品工業(yè)中,脂質(zhì)體主要作為運(yùn)輸載體,保護(hù)一些功能性活性成分(如肽類、多酚類等)免受外界環(huán)境(pH值、氧氣、酶等)的破壞作用,同時(shí)具有緩、控釋作用。將精油成功包埋于脂質(zhì)體可使精油在食品表面緩釋,延長其抗菌時(shí)間,增強(qiáng)穩(wěn)定性,提高生物利用率,改善食品品質(zhì)[21]。圖2是精油脂質(zhì)體作用于食品的示意圖。

圖2 精油脂質(zhì)體作用于食品Fig.2 Effects of essential oil liposome on food

2.2 精油脂質(zhì)體的制備方法

PEO脂質(zhì)體的制備方法按照其分散方法可分為機(jī)械分散法、溶劑分散法及其他脂質(zhì)體新型制備技術(shù),包括超聲分散法、均質(zhì)法、擠出法、注入法、反向蒸發(fā)法、加熱法、薄膜分散法、注入法、噴霧冷卻法、氣泡法臨界技術(shù)等。制備方法不同,脂質(zhì)體性能也各有差異,包括脂質(zhì)體粒徑的均一性、包埋率、緩釋效果等。表1列出了常見脂質(zhì)體生產(chǎn)方法的優(yōu)缺點(diǎn),為精油脂質(zhì)體在食品工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

表1 脂質(zhì)體制備方法Table 1 Liposome preparation method

2.3 精油脂質(zhì)體的穩(wěn)定性研究

2.3.1 環(huán)境因素對(duì)脂質(zhì)體穩(wěn)定性影響

開發(fā)和維持穩(wěn)定的脂質(zhì)體及其重要,存在如酸堿度、溫度、離子強(qiáng)度等因素均會(huì)對(duì)精油脂質(zhì)體制備、運(yùn)輸、貯存過程中的穩(wěn)定性,脂質(zhì)的氧化水解或脂質(zhì)體藥物緩釋造成影響。pH值會(huì)影響脂質(zhì)體的氧化水解,有研究表明在當(dāng)pH值為6.5時(shí),所制備脂質(zhì)體的磷脂的水解反應(yīng)速率常數(shù)最小,此時(shí)脂質(zhì)體系統(tǒng)最牢固[34];溫度上升會(huì)加劇脂質(zhì)分子運(yùn)動(dòng),脂質(zhì)體膜通透性增加,氧化加劇,從而造成內(nèi)容物的泄露。陳亮等[35]通過比較杜仲籽油脂質(zhì)體在4、25、40 ℃下的貯藏穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)15 d后,4 ℃下脂質(zhì)體的pH、丙二醛含量、包埋率及脂質(zhì)體粒徑情況均明顯優(yōu)于25 ℃和40 ℃;離子種類會(huì)對(duì)脂質(zhì)體的表面電荷產(chǎn)生影響,Na+可與磷脂分子相互作用,有助于提高脂質(zhì)體系統(tǒng)的穩(wěn)定;K+環(huán)境中的脂質(zhì)體更容易被破壞;Ca2+環(huán)境能促發(fā)脂膜自發(fā)組裝形成大囊泡,提高體系穩(wěn)定性[36]。同時(shí)離子濃度也會(huì)對(duì)脂質(zhì)體產(chǎn)生影響,研究發(fā)現(xiàn)Na+、K+、Ca2+添加量分別在0.9～3 mmol/L、1～7 mmol/L、0.3～1 mmol/L可提高精油脂質(zhì)體的穩(wěn)定性[37]。

有學(xué)者發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)體制備過程中表面活性劑、修飾物的加入同樣可以改善脂質(zhì)體的穩(wěn)定性。研究表明在脂質(zhì)體系中添加一定量的吐溫80通過物理作用吸附在脂質(zhì)體膜形成一定厚度的親水層,具有一定的空間位阻效應(yīng),能顯著降低界面效應(yīng),形成穩(wěn)定的乳化體系,使其比傳統(tǒng)脂質(zhì)體體系更加牢固[38];修飾物如蛋白、多糖等聚電解質(zhì)表面修飾脂質(zhì)體,可以改善脂質(zhì)體的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性,降低膜流動(dòng)性以防止內(nèi)容物泄露從而提高活性成分的持續(xù)釋放效果[39],如LIN等[40]采用β-環(huán)糊精對(duì)百里香精油脂質(zhì)體進(jìn)行修飾后,脂質(zhì)體的zeta電位提高,穩(wěn)定性增加并表現(xiàn)出較高的包埋率和抗菌活性。GIBIS等[41]考察殼聚糖和果膠修飾脂質(zhì)體并包封葡萄提取物,表明經(jīng)過修飾后的脂質(zhì)體具有長期氧化穩(wěn)定性,且脂質(zhì)體分散體在貯存期間物理穩(wěn)定性長達(dá)150 d以上。

2.3.2 脂質(zhì)體所處狀態(tài)對(duì)其穩(wěn)定性的影響

磷脂是常用的脂質(zhì)體載體材料,在水中自組裝形成的閉合囊泡可能會(huì)造成藥物泄漏以及囊泡聚集融合形成更大的顆粒。因此常規(guī)方法制備的脂質(zhì)體乳液可能無法長時(shí)間貯存。許多學(xué)者在控制環(huán)境因素的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)脂質(zhì)體所處狀態(tài)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)體的凝膠化、固態(tài)化(冷凍干燥、噴霧干燥)等,可以有效抵御外界不良環(huán)境,降低藥物損失,降低含水量,降低脂質(zhì)體流動(dòng)性,提高脂質(zhì)體的穩(wěn)定性、貯藏期和使用率。趙寧等[42]以白及多糖為凝膠基質(zhì)交聯(lián)黃藤素脂質(zhì)體形成凝膠體系,對(duì)比脂質(zhì)體懸濁液,在30 d內(nèi)的粒徑、電位變化程度小,物理及化學(xué)穩(wěn)定性顯著升高,包封率提高并增強(qiáng)長效緩釋作用。GüLTEKIN-?ZGüVEN等[43]使用殼聚糖涂層與麥芽糖糊精負(fù)載藥物脂質(zhì)體,并經(jīng)過噴霧干燥形成花青素脂質(zhì)體粉末,在極端pH和溫度下,仍具有高保留率。

3 精油脂質(zhì)體在食品中的應(yīng)用

精油對(duì)食源性致病菌生長具有抑制作用,同時(shí)延緩氧化,精油脂質(zhì)體利用脂質(zhì)體體系的控制緩釋提高精油利用率,進(jìn)一步延長保質(zhì)期并改善食品品質(zhì)。目前可采用涂抹、浸泡、噴淋、成膜包裹等方式將脂質(zhì)體應(yīng)用于食品上。表2列出了精油脂質(zhì)體在食品中的應(yīng)用。

3.1 精油脂質(zhì)體在魚和水產(chǎn)品中的應(yīng)用

魚類及水產(chǎn)品具有較高的水分活度、豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和適宜的pH值,適合病原微生物生長,這使得魚類和水產(chǎn)品的防腐和貯藏成為研究人員的重要課題。PEO脂質(zhì)體的開發(fā)并運(yùn)用在水產(chǎn)品上已有報(bào)道。以魚類為基礎(chǔ)的產(chǎn)品最容易受到銅綠假單胞菌、李斯特菌等的污染和生長,危害食品安全。LAEIN等[44]通過比較游離薄荷精油、薄荷精油脂質(zhì)體以及明膠涂層結(jié)合脂質(zhì)體使用,發(fā)現(xiàn)對(duì)比游離形式的精油,脂質(zhì)體包埋薄荷精油具有更高的抗菌活性,并且當(dāng)與涂層結(jié)合使用時(shí),對(duì)防止魚片中的微生物生長效果顯著。這在CUI等[45]開發(fā)出的山蒼子精油脂質(zhì)體的可食用涂層中同樣能夠證明,精油脂質(zhì)體涂層作用于4 ℃的鮭魚對(duì)溶血性弧菌污染具有更高的抑制作用,延緩了鮭魚的氧化,有效保持了鮭魚的品質(zhì)。表明經(jīng)過脂質(zhì)體包埋EO不僅具有更好的抗菌和抗氧化性,而且對(duì)水產(chǎn)品品質(zhì)影響較小,具有較好市場(chǎng)前景。

3.2 精油脂質(zhì)體在果蔬制品中的應(yīng)用

新鮮果蔬水分含量高,不易貯藏,在運(yùn)輸和貯存不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致食品產(chǎn)業(yè)鏈的重大經(jīng)濟(jì)損失,PEO因其抗菌特性可以作為化學(xué)殺菌劑的天然替代品,防止果蔬中的真菌腐敗同時(shí)延長果蔬的保質(zhì)期。ALIKHANI-KOUPAEI[46]將迷迭香和檸檬提取物利用脂質(zhì)體進(jìn)行包裹,并對(duì)降低蔬菜中過氧化物和多酚氧化酶活性、促進(jìn)酶促褐變和營養(yǎng)損害的酶的作用進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果表明該精油脂質(zhì)體抑制了蔬菜的氧化和褐變。然而脂質(zhì)體乳液貯存過程中容易聚集和沉淀,XU等[47]利用β-環(huán)糊精作為干燥保護(hù)劑,制備百里香精油固體脂質(zhì)體,提高脂質(zhì)體材料的熱穩(wěn)定,作用在桃子上,抑制了采后褐腐病,保持采后果實(shí)品質(zhì)。因此可以看出PEO脂質(zhì)體可以用作新鮮果蔬的可食用涂層或噴霧,延長采后貯藏期,保持品質(zhì),該技術(shù)有望成為一種安全有效的延長新鮮果蔬保質(zhì)期的方法。

3.3 精油脂質(zhì)體在乳及乳制品的應(yīng)用

乳及乳制品中的營養(yǎng)豐富, 微生物容易生長繁殖造成腐敗。常見在奶酪中添加植物提取物或PEO有助于賦予風(fēng)味和抑制病原微生物。GIL等[50]通過在脂質(zhì)體中添加百里香精油,延長了精油中生物活性物質(zhì)在奶酪中的有效時(shí)長,同時(shí)羊奶酪中的總酚含量提高,抗氧化活性也得到提升。CUI等[52]將含有5.0 mg/mL的檸檬草油的脂質(zhì)體應(yīng)用于奶酪中,極大限度地減少了李斯特菌的污染風(fēng)險(xiǎn)并延長有效的抗菌時(shí)間,并不會(huì)影響感官特性。這表明PEO脂質(zhì)體在奶酪制品具有較大的市場(chǎng)前景。

表2 精油脂質(zhì)體在食品中的應(yīng)用Table 2 Applications of essential oil liposomes in food

3.4 精油脂質(zhì)體在肉及肉制品中的應(yīng)用

肉及肉制品由于富含蛋白質(zhì)、脂肪等營養(yǎng)物質(zhì),易受到大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、單增李斯特菌等多種微生物污染[61],造成肉品腐敗變質(zhì),同時(shí)氧氣、水分活度、溫度等因素也會(huì)對(duì)肉品品質(zhì)造成不利影響。有研究表明經(jīng)PEO脂質(zhì)體處理的肉品,能夠抑制肉品中的微生物生長、延緩脂質(zhì)氧化、維持肉品良好的風(fēng)味和感官并延長貨架期[59]。ZHU等[62]將冷氮等離子處理的1%肉豆蔻精油固體脂質(zhì)體應(yīng)用于豬肉面糊的保鮮中,結(jié)果得出經(jīng)脂質(zhì)體技術(shù)處理后的肉樣在貯藏4 d內(nèi)微生物數(shù)量、脂質(zhì)氧化、蛋白質(zhì)的氧化和降解得到明顯抑制,改善了肉組織的微觀結(jié)構(gòu)、保水能力和黏彈性,有效保護(hù)豬肉面糊在貯存過程中的功能成分,延長了貨架期。經(jīng)脂質(zhì)體包封的PEO具有更持久的抗菌效果,同時(shí)經(jīng)過PEO脂質(zhì)體作用的肉品顏色質(zhì)構(gòu)及感官不會(huì)產(chǎn)生影響[58],這在CUI等[56]研究的百里香油脂質(zhì)體中同樣有所體現(xiàn),精油脂質(zhì)體作用在雞肉中對(duì)腸炎沙門氏菌的抗菌活性明顯,以及該雞肉的色澤、風(fēng)味、口感品質(zhì)無明顯差異。然而常規(guī)脂質(zhì)體存在穩(wěn)定性差的問題,為了更好的擴(kuò)大脂質(zhì)體在食品中的應(yīng)用,常利用聚合物,如殼聚糖、黃原膠體、聚環(huán)氧乙烷等形成納米纖維或膜對(duì)脂質(zhì)體表面進(jìn)行包裹以達(dá)到保護(hù)效果。CUI等[60]通過靜電紡絲技術(shù)修飾SiO2-丁香酚脂質(zhì)體后并應(yīng)用于牛肉保鮮中,肉品在長達(dá)60 d的貯存期間表現(xiàn)出穩(wěn)定的抗氧化活性,有效延長牛肉貨架期。同時(shí)胡楊兵[63]研究證明經(jīng)過殼聚糖包裹的精油脂質(zhì)體提高了脂質(zhì)體材料的熱穩(wěn)定性,且相比于普通脂質(zhì)體抗氧化性能提升。上述結(jié)果充分說明了精油脂質(zhì)體在肉品保鮮領(lǐng)域應(yīng)用中有進(jìn)一步的研究價(jià)值。

4 展望

PEO脂質(zhì)體包埋技術(shù)的研究與應(yīng)用,增強(qiáng)了食品體系中PEO的穩(wěn)定性和生物利用率,改善食品品質(zhì),延長貨架期。因此,PEO脂質(zhì)體的研發(fā)與推廣將為食品貯藏保鮮領(lǐng)域提供一條新的發(fā)展路線。雖然目前對(duì)PEO脂質(zhì)體的制備及應(yīng)用的研究有一定的進(jìn)展,但仍有很多問題亟待解決。首先,食品安全是消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn),脂質(zhì)體包封PEO運(yùn)用在食品貯藏保鮮上,前提需保證脂質(zhì)體膜材的安全性;第二,脂質(zhì)體的傳統(tǒng)制備方法不適用于大規(guī)模生產(chǎn),且存在包封率低和有機(jī)物殘留等問題;第三,脂質(zhì)體與活性物質(zhì)的相互作用機(jī)理模糊,精油從脂質(zhì)體中釋放以及作用于不同食品基體的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律尚不清楚;第四,不同PEO脂質(zhì)體都有各自優(yōu)勢(shì)的抑菌和抗氧化特性,單一應(yīng)用在食品中可能達(dá)不到預(yù)期的保藏效果。

針對(duì)以上問題,關(guān)于PEO脂質(zhì)體的研究建議關(guān)注以下方面:a)開發(fā)新型脂質(zhì)體膜材,提高穩(wěn)定性、安全性,并降低成本;b)在傳統(tǒng)制備方法的基礎(chǔ)上開發(fā)新方法,將常規(guī)方法與新技術(shù)(如超臨界流控技術(shù)、超聲等)聯(lián)用,更有利于開發(fā)安全、穩(wěn)定性高且包封效率好的PEO脂質(zhì)體;c)通過構(gòu)建模型進(jìn)一步研究PEO脂質(zhì)體、不同食品狀態(tài)之間的相互作用以及PEO從脂質(zhì)體中緩釋和在基體中的遷移規(guī)律;d)由于不同食品中類存在狀態(tài)不同、菌相不同,可有針對(duì)性研究具體的PEO脂質(zhì)體配方,有效延長食品的保鮮時(shí)間,為精油脂質(zhì)體在食品領(lǐng)域應(yīng)用提供一定參考;e)同時(shí)為各類食品達(dá)到更好的防腐保鮮效果,可嘗試運(yùn)用柵欄技術(shù),將PEO脂質(zhì)體與各類保鮮技術(shù)聯(lián)用(如氣調(diào)、真空包裝、輻射處理等),減少PEO使用,降低成本,并有效延長食品的貯藏時(shí)間。因此,盡管PEO脂質(zhì)體的應(yīng)用受到諸多挑戰(zhàn),但隨著研究的深入,PEO脂質(zhì)體將具有廣泛的應(yīng)用前景。