菊花精油的提取及其抑菌性能的研究

王秀蓮，向 往，熊 婕，王 軍

1.湖北工業(yè)大學工業(yè)發(fā)酵省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430068；2.湖北工業(yè)大學孤獨癥抑郁癥與干預研究所，湖北 武漢 430068；3.湖北工業(yè)大學細胞調(diào)控與分子藥物學科創(chuàng)新引智基地，湖北 武漢 430068

菊花屬于菊科觀賞植物，具有抗菌、抗真菌、抗螺旋體、抗炎和抗氧化活性等功能。菊花精油中含有類黃酮、生物堿和倍半萜內(nèi)酯等有效生物活性物質(zhì)。菊花中獨特的酪氨酸抑制酶活性物質(zhì)具有抗氧化的作用[1]，可被用于預防或治療與氧化應(yīng)激相關(guān)的疾病，還可被用于食品工業(yè)以預防食品變質(zhì)，也可被用于化妝品領(lǐng)域以延緩皮膚老化[2]。

菊花精油是菊花的刺激代謝產(chǎn)物，是用不同方法從菊花中提取的揮發(fā)性和芳香成分組成的液體。多年來，合成化學防腐劑已被廣泛應(yīng)用于保持食品的質(zhì)量和延長食品的保質(zhì)期[3]。然而，合成防腐劑可能會對食品安全帶來一些風險，而且其殘留成分也可能會對環(huán)境造成一定的破壞。而菊花精油作為天然的抗氧化物質(zhì)，既有維持食品新鮮度又具有保障食品安全的作用[4]。獨特的生物活性及豐富的含量使菊花精油在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用價值。

1 菊花精油的提取方法

1.1 加壓熱水提取

加壓熱水萃?。≒HWE）是一種綠色高效的萃取技術(shù)，減少了對有機溶劑的使用；以液態(tài)水為萃取劑，溫度高于水的常壓沸點（100 °C/273 K，0.1 MPa），低于水的臨界點（374 ℃/647 K，22.1 MPa），在一定溫度和壓力的情況下，水的極性變化接近醇，可以溶解多種中低急性分解物[5]。以這種方法提取的菊花精油經(jīng)過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用[6]。相比于需要6 小時的傳統(tǒng)水提法，通過這種方法只用20 分鐘就可以從樣品中提取出相同質(zhì)量的菊花精油，提取物的回收率為桉葉素86%、樟腦90%、龍腦87%。

PHWE 具有操作簡單、分析時間短、樣品質(zhì)量小、不需要有機溶劑等的優(yōu)點。PHWE 在萃取過程中以水為溶劑，主要缺點是難以濃縮萃取物，這是因為與許多有機溶劑相比，水的蒸發(fā)率相對較高。水提取的精油中的生物活性物質(zhì)的相對濃度較低，萃取中存在發(fā)生水解反應(yīng)和其他降解反應(yīng)的風險。目前這種方法主要用于提取熱穩(wěn)定的化合物，并沒有被廣泛使用。

1.2 水蒸氣蒸餾提取

水蒸氣蒸餾是一種古老且被廣泛認可的從植物材料中提取精油的方法。在這個過程中，植物材料被放置在蒸餾器中，不經(jīng)浸泡，而是通過注入蒸汽來進行處理。注入的蒸汽從蒸餾器底部上升到頂部，穿過植物材料。隨后，攜帶精油的蒸汽流過冷凝柱，最后回流到圓底燒瓶收集瓶中。由于精油比水輕或重，因此，形成兩個不混溶的相，便于簡單分離。該技術(shù)的原理在于，當溫度接近100 ℃時，綜合蒸汽壓等于環(huán)境壓力，使得沸點在150 至300 ℃之間的揮發(fā)性成分能夠在接近水的溫度下蒸發(fā)。目前，研究者在提取前處理方面取得了顯著進展。其中，在提取過程中引入超聲輔助技術(shù)，通過超聲破碎植物細胞，不僅能夠有效地析出更多的精油，還能減少精油的熱降解。此外，研究者還對提取得到的精油進行了微波處理，進一步優(yōu)化了提取過程。

水蒸氣蒸餾提取法也存在很明顯的缺陷，提取的活性物質(zhì)較少，時間相對較長，與加壓熱水提取一樣，提取的精油中的活性物質(zhì)都難以濃縮為萃取物[7]。

1.3 無溶劑微波萃取

無溶劑微波（SFME）萃取過程為在不添加水或任何有機溶劑的情況下對新鮮植物基質(zhì)進行微波輔助干餾，即將植物材料置于密閉容器中，不添加任何溶劑或水，然后進行微波照射，使微波能夠穿透植物基質(zhì)并與極性分子（如水）相互作用，導致植物材料內(nèi)部加熱，使植物細胞組織的內(nèi)部壓力迅速增加。這種壓力的升高會導致細胞壁破裂并釋放溶質(zhì)。SFME 既不是使用有機溶劑的改良微波輔助萃取，也不是使用大量水的改良水蒸餾方式。由于微波與含鹽和營養(yǎng)物質(zhì)的生理水具有強烈的相互作用，因此可以在顯示較高介電損耗的樣品中獲得更有效的SFME[8]。由此，基質(zhì)會經(jīng)歷劇烈的腫脹，隨后組織破裂，精油能夠流向水層。相于傳統(tǒng)的提取方法，SFME能提取到高質(zhì)量的植物精油，且不需要濃縮純化就能直接用液相色譜進行分析[9]。相比于水提法和超臨界流體提取法，SFME 是一種更有效的技術(shù)，并且含有最高量的庚烯醇、冰片和石竹烯氧化物[10]。

SFME 提取方法高效、綠色、提取率高，但對操作人員的要求也很高。由于該方法的提取過程存在微波輻射，因此操作人員必須經(jīng)過專門的培訓。干燥提取方法會降低精油中含氧化合物的比例[11]。

1.4 超臨界CO2 萃取-超臨界流體萃取

超臨界流體萃取是提取植物中有價值成分最有效的方法。超臨界流體萃?。⊿FE）是使用以二氧化碳為萃取溶劑的超臨界流體，將一種組分（萃取劑）與另一組分（基質(zhì)）分離的過程。二氧化碳是用于植物萃取的溶劑之王。超臨界CO2的萃取條件為臨界溫度31 ℃以上，臨界壓力74 bar 以上。超臨界流體是高度壓縮的氣體，結(jié)合了氣體和液體的特性。超臨界流體可以引發(fā)相關(guān)反應(yīng)，用傳統(tǒng)溶劑很難甚至不可能實現(xiàn)在10 到60 min 內(nèi)快速完成。超臨界流體可以通過簡單地釋放壓力從分析物中分離出來，CO2無毒、不易燃、無臭、無味、惰性且廉價[12]，超臨界CO2，GC-MS 鑒定了26 種化合物，并用面積歸一化法測定了它們的相對含量。菊花中的主要成分是單萜烴、倍半萜烴及其含氧衍生物等[13]。

SFE 不僅廣泛應(yīng)用于食品和藥品領(lǐng)域，還廣泛應(yīng)用于毒理學、化學、環(huán)境、紡織、石化、聚合物等領(lǐng)域。其重要之處在于它能夠在低壓和接近室溫的條件下進行超臨界操作[14]。超臨界二氧化碳（SC-CO2）作為一種有機溶劑替代品具有一定的吸引力[15]，這是因為它不爆炸、無毒、價格低廉、可溶解親脂性物質(zhì)，并且容易從最終產(chǎn)物中去除[16]。二氧化碳被描述為能夠確保生物活性化合物變化最小，并保持它們的治療或功能特性的理想選擇。

2 菊花精油的抑菌活性

目前，已經(jīng)有很多有關(guān)植物精油抑制細菌作用的研究。比如迷迭香精油對金黃色葡萄球菌具有良好的抑制作用，迷迭香、鼠尾草、羅勒三種植物精油混合在抑制糞腸桿菌中具有協(xié)同作用，百里香-肉桂精油對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌有很好的抑制作用[17]。植物精油在抑菌方面有很大的功效。菊花作為一味藥材本就可以直接入藥。菊科植物的干燥花頭被廣泛用于治療普通感冒[18]、發(fā)燒、偏頭痛、結(jié)膜炎、眼睛刺激、高血壓、炎癥、潰瘍性結(jié)腸炎、眩暈、眼炎腫脹及皮膚感染。菊科植物的精油具有抗菌活性[19]，對細菌和病毒都有抑制作用，同時還具有滅除軟體動物和抗氧化的作用。菊花精油的主要成分為1，8-桉樹腦、樟腦、冰片和醋酸冰片酯[20]，具有多藥理作用。不同產(chǎn)地、用不同提取方法得到的菊花精油的顏色略有區(qū)別，基本為淡藍色[21]或淺金黃色[22]。

2.1 菊花精油的抑菌成分

由表1 可知，菊花精油的成分主要包括單萜和倍半萜及其含氧衍生物、芳香族化合物和烷烴組成。

表1 菊花精油中活性成分表

2.1.1 1，8-桉樹醇

1，8-桉樹醇主要從植物精油中提取，是一種飽和單萜，主要調(diào)節(jié)NF-κB 和Nrf2，表現(xiàn)出了廣泛的藥理特性，包括抗炎和抗氧化，可用于治療呼吸系統(tǒng)疾病和心血管疾病等[23]。桉葉油是腫瘤壞死因子（TNF）-α 和白細胞介素（IL）-1β 等促炎細胞因子的強抑制劑，可抑制人淋巴細胞和單核細胞產(chǎn)生LPS誘導的細胞因子[24]，并降低LPS 誘導的NF-κB。1，8-桉樹醇具有很強的抑菌能力，月桂花精油中的桉樹醇對細菌具有很好的抑制作用，能夠有效抑制大腸桿菌[24]。目前為止，只有1，8-桉樹醇的抑菌機制尚不明確[25]。

2.1.2 樟腦

樟腦是一種酮。傳統(tǒng)醫(yī)學認為樟腦具有開竅、清熱、止痛功效，常被用于治療發(fā)熱、抽風、中風、痰昏、喉痛、口痛、炭疽、目血等病癥[26]。樟腦已被廣泛用作化妝品中的香料、調(diào)味食品添加劑、糖果制品中的防腐劑、驅(qū)蟲劑、增塑劑以及合成芳香化學品的中間體[27]。樟腦可以直接破壞金黃色葡萄球菌的細胞膜，能有效殺死金黃色葡萄球菌[28]。1，8-桉樹醇和樟腦組合產(chǎn)生了協(xié)同作用，增強了對白色念珠菌的抵抗性。樟腦能增加超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的濃度，增加誘導大鼠的抗氧化活性并降低脂質(zhì)過氧化和氧化應(yīng)激水平[29]。

2.1.3 醋酸冰片酯

醋酸冰片酯（BA）作為一種雙環(huán)單萜，是一種廣泛存在于全球植物中的活性揮發(fā)性成分，具有抗菌、清除自由基、降低正菌活性的功效。BA 含有的疏水基團、CH3、COO 基團據(jù)報道對枯草芽孢桿菌具有殺孢子作用。BA 對各種細菌菌株具有很強的抑制作用，包括金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、銅綠假單胞菌、肺炎克雷伯菌、大腸桿菌，抑制活性依次降低[30]。BA 作為一種表面活性劑成分可以通過孢子外衣的極性基團與表面活性劑成分親水和疏水基團的結(jié)合來改變和破壞孢子外衣的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，增加更多的疏水基團可以提高這些化合物的殺孢子活性，從而使BA 成為一種有潛力的表面活性劑成分。

2.2 菊花精油的抑菌機制

菊花精油中的活性成分可以破壞細胞膜的通透性，導致細胞破裂和細胞內(nèi)容物滲出。菊花精油處理后的酵母細胞質(zhì)膜破裂[3]，菊花精油中富含萜類化合物，精油中的親脂性萜烯和萜類化合物可以快速插入膜系統(tǒng)，增加膜的通透性并進一步破壞膜，精油分子可以與磷脂分子相互作用，從而改變細胞膜中脂肪酸的結(jié)構(gòu)和比例[31]。菊花精油能干擾線粒體膜的功能，通過影響線粒體膜兩側(cè)電位差，誘導釀酒細胞產(chǎn)生更多活性氧?；钚匝蹩梢赃M攻核酸堿基上的雙鍵，導致開環(huán)反應(yīng)等；還可以破壞磷酸核糖骨架，導致DNA 單鏈斷裂。氧化磷酸化和電子傳遞鏈被干擾導致線粒體產(chǎn)生細菌生命活動所需的能量受到嚴重干擾，伴隨自氧化和過氧化降解，化合物和細菌裂解，從而抑制真菌活性。抑菌機制示意圖見圖1.

圖1 抑菌機制示意圖

3 菊花精油的在食品保鮮中的應(yīng)用

菊花精油可有效抑制白色念珠菌、光滑念珠菌、熱帶念珠菌、釀酒酵母、漢氏酵母菌和帕拉拜氏酵母菌生長。在食品保鮮方面，生物活性與抗菌、抗真菌、抗氧化花卉精油的保鮮能力最為相關(guān)。將低濃度的菊花精油作為食品防腐劑，其本身的風味并不會影響食物本身[32]。菊花精油本身具有抗菌、抗病毒、抗幽門螺桿菌的功效，這種具有抗氧化潛力的天然防腐劑可以被摻入不同的食品和藥物制劑中[33]。

3.1 菊花精油食品添加劑

菊花精油中含有大量的萜烯物質(zhì)，可以通過擴散和破壞細胞膜結(jié)構(gòu)來抑制革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的活性。添加62.5 μg/mL 的菊花精油能抑制枯草芽孢桿菌、幽門螺桿菌[33]。脂肪氧化是肉制品儲存過程中質(zhì)量下降的主要因素，菊花精油可以抑制過氧化氫誘導的氧化應(yīng)激[34]，清除自由基。菊花精油既有很好的抑菌活性還有很強的抗氧化能力，具有充當天然食品防腐劑的潛力。為了保持菊花精油本身的活性，有研究者使用殼聚糖和果膠改性的菊花精油脂質(zhì)體來保存雞肉，發(fā)現(xiàn)其可以抑制雞肉中的空腸彎曲桿菌，在4～37°C 的溫度范圍內(nèi)儲存14 d后，對雞肉上的空腸彎曲桿菌仍具有很強的抗菌活性，且不會影響雞肉的品質(zhì)[35]。

3.2 菊花精油保鮮膜

菊花精油具有抗氧化功能和抗菌活性。保鮮膜作為活性物質(zhì)的載體可以起到延長食品保質(zhì)期的目的。食物本身對霉菌而言就是一個天然的培養(yǎng)基，在食物保存過程中不控制保存條件會導致霉菌、酵母菌大量繁殖，導致食物變質(zhì)。將精油摻入薄膜中可以增強薄膜的抗菌和抗氧化活性?？咕寡趸奈镔|(zhì)可以抑制食品保存過程中微生物的分解及氧化，避免食品變質(zhì)；還會降低薄膜的水溶性和水蒸氣的滲透性，進而抑制包裝中的物質(zhì)在儲存過程中產(chǎn)生的有害菌的活性[36]。在聚乳酸包裝中加入百里香油可以降低鱷梨果實貯存過程中炭疽病的發(fā)病率，且保留了更多的膳食植物化學物質(zhì)[37]。在熱塑性淀粉保鮮膜中加入香芹酚和百里酚，可以在保存草莓的過程中結(jié)合草莓本身含有的防御酶增強草莓對灰霉病的抑制作用[35]。植物精油與包裝材料的結(jié)合有助于保持抗菌劑的濃度，也可以讓抗菌劑從包裝中緩慢釋放，從而增加食品運輸和儲藏的時間。菊花精油中含量豐富的樟腦和萜烯物質(zhì)都具有強效抑菌能力，可以用于植物精油保鮮膜。

4 結(jié)語及展望

目前，相關(guān)產(chǎn)業(yè)對菊花精油的提取集中使用水提法，此方法操作簡單，設(shè)備便宜，更適合工業(yè)中的大劑量提取。但用超臨界CO2萃取法可以提取到更高質(zhì)量的菊花精油，且后續(xù)的濃縮分離會更方便，但由于其設(shè)備昂貴，還沒有在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用。菊花精油的提取方法仍需要進一步的研究與探討。

菊花精油不僅具有很強的抑菌作用，還具有抗氧化功能。使用菊花精油作為食品添加劑，可以在不影響食品本身風味的同時延長其保鮮時長。隨著人們生活質(zhì)量的提高，天然綠色的食品成為目前市場的主流需求。抗菌包裝是未來活性包裝的發(fā)展趨勢，能夠在保鮮的同時增加食品的安全性，不會因為化學降解對環(huán)境造成污染。植物精油本身的生物活性多種多樣，如何更好地利用其特性、更高效地發(fā)揮其作用，是值得我們探究的問題。