植物精油在可食性抗菌膜中的应用

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(西南大学食品科学学院暨重庆市特色食品工程技术研究中心,重庆 400716)

植物精油在可食性抗菌膜中的应用

王丹,周才琼*

(西南大学食品科学学院暨重庆市特色食品工程技术研究中心,重庆 400716)

本文简要介绍了可食性抗菌膜的种类和抑菌机理,综述了近年来国内外植物精油的提取技术、化学成分、抑菌机理、植物精油对可食性抗菌膜性能的影响及其在食品保鲜上的应用的研究进展,并分析了植物精油应用在可食性抗菌膜上可能存在的问题,对其未来发展前景进行了展望。

可食性抗菌膜,保鲜,植物精油

随着消费者对天然、环保需求的增加,新包装材料有了新的发展,出现了活性、智能和可食性等新兴的包装材料。其中,以天然可食性物质(如多糖、蛋白质、脂类等)为原料,以包装或涂布等形式覆盖于食品表面,用于控制水气、氧气或各种溶质的渗透,起保护作用的可食性膜作为一种新型的无污染食品内包装材料,具有易被生物降解、无环境污染,可作为营养强化剂、抗氧化剂、抗微生物制剂等食品添加剂的载体,取材方便,可供食用等优点[1]。因此,能解决包装材料与环境保护之间矛盾的可食性膜成为食品包装和保鲜领域研究的一大热点。目前,与可食性膜搭配的抗菌剂主要有无机抗菌剂、合成抗菌剂和天然抗菌剂,其中,植物精油作为天然抗菌剂在可食性抗菌膜中的应用日益成为食品保鲜领域研究的新方向。

1 可食性抗菌膜概述

可食性抗菌膜是可食性膜在抑菌领域的发展趋势,是指在可食性膜中添加抗菌剂,制成的具有抗菌、保鲜作用的一种功能薄膜。将抗菌剂加入一种或几种可食性成膜材料中即可制成可食性抗菌膜,抗菌成分在膜中按一定的顺序缓慢释放,在较长时间内逐渐作用于食品,从而持久的抑制或防止微生物生长[2]。

1.1可食性抗菌膜种类

可食性抗菌膜按其基质大致可分为四类,常用成膜基质及特点见表1。多糖类可食性膜的水溶解性和较差的水蒸气阻隔性限制了其应用；蛋白质类膜虽有相对较好的阻气和机械特性,但较低的阻水汽性仍然限制了其在实际中的应用[7]。因此,为改善膜的渗透性和机械特性而合理利用多糖、蛋白质、脂类成膜基质各自的特性以制备复合类可食性抗菌膜的研究和应用是当前的研究方向。例如,在脂质-CMC复合类可食性抗菌膜中,随蜂蜡、硬脂酸含量增加,其水蒸气透过率下降,阻氧性提高[9]。

表1 可食性抗菌膜种类及特点

表2 植物精油提取及辅助提取方法及特点

1.2可食性抗菌膜抗菌剂添加方式及抑菌机理

Appendini等[2]提出使可食性膜具有抗菌活性的方式有4种：在膜基质中直接添加挥发性或非挥发性抗菌成分；在可食性膜表面喷涂抗菌剂；以离子键或共价键形式在膜材料中固定抗菌剂；采用天然的本身具有抗菌性的成膜材料如壳聚糖等。

可食性抗菌膜对食品的保鲜功能主要通过直接抗菌和间接抗菌实现。将某些具有抗菌功能的物质直接添加在载体内制成薄膜,为直接抗菌；这类薄膜会不断向与其接触的食品表面释放抗菌物质而实现对食品的防腐。间接抗菌是指在载体中添加一些能调节包装内微环境的物质或利用包装膜的选择透过性来调节包装内微环境使其不利于微生物的生长繁殖,从而达到抗菌目的[10]。直接抗菌用到的抗菌剂包括食品防腐剂、抗生素和溶菌酶等,这类抗菌包装膜的研究和使用较为广泛；间接抗菌则通过调节包装内气体组成和湿度等实现其抗菌功能。

抗菌膜以两种方式应用于食品中,一是直接接触,指直接将膜液用于浸渍或喷涂食品,添加到成膜溶液中的抗菌剂一般是非挥发性的,抗菌剂通过在膜材料与食品之间的扩散而不断进入食品中,起到持久的抑菌作用；二是食品与可食性抗菌膜之间存在缝隙,添加到膜材料中的抗菌剂具有挥发性,抗菌剂通过在缝隙、膜材料和食品中的蒸发和迁移达到平衡分布,在食品外部形成一个抑菌的环境[2]。

2 植物精油概述

植物精油(Essential oils,EOs)是植物体内产生的具有挥发性芳香气味的次生代谢物,大多具有一定的抗菌性,可从植物的花、叶、枝、根、皮、树胶、全草和果实中获得。

2.1植物精油的提取及辅助提取方法

植物精油的传统提取方法、新兴提取方法和辅助提取方法及特点见表2。超临界CO2萃取技术(SFE-CO2)是近年来发展较快的高新提取分离技术,具有萃取能力强、收率高、生产周期短、有效成分不被破坏、工艺简单、操作参数易控、无溶剂残留等优点[13],广泛应用于食品加工、医药品和保健食品等领域,例如,用SFE-CO2法提取可得到更高产量和更好质量的广藿香精油[14]和最高比例的活性抗氧化成分的丁香精油[15]。

亚临界水提取技术是近年发展起来的一种新型提取技术,具有提取时间短、效率高、环境友好等优点[11],Jiménez-Carmona等[16]用连续亚临界水萃取15min和水蒸气蒸馏方法3h提取了马郁兰叶的精油,相比于水蒸气蒸馏法,连续亚临界水萃取能在较短时间内高效提取出具有更高含量含氧化合物的马郁兰精油,鉴于其具备的许多优势,亚临界水提取技术会在植物精油提取分离方面具有很好的应用前景。

植物精油辅助提取方法中,微波辅助提取是国内外研究较多的方法,如微波辅助水蒸气蒸馏法[17]、无溶剂微波提取法(SFME)[18-21]、干燥扩散-重力法(MDG)[22]、离子液体微波辅助萃取(ILMAE)[23]、微波辅助水扩散重力法(MHG)[24]等。其共同的优点是更快速高效,低成本及节能环保等。其中,SFME在近几年被广泛研究,通过SFME提取得到的迷迭香精油[18-19]、腺毛牛至挥发油[20]、香草精油[21]具有更高含量含氧化合物及更好抗菌性能。Tígrine-Kordjani通过动力学分析发现,用SFME(30min)和HD(3h)所提取出的迷迭香精油成分虽相似,但在不同提取时间获得的馏分不同,用SFME 5min即可提取出含66.54%的α-蒎烯、莰烯、苎烯和对伞花烃的精油,而传统的水蒸气蒸馏技术需要2h才能提取出含63.08%这些化合物的精油；然而,在提取富含以含氧单萜为活性化合物的精油时,用HD只需5min即可提取出含24.29%的芳樟醇、樟脑、冰片、α-萜品醇和马鞭草烯酮的样品,用SFME提取含36.76%这些化合物的样品则需30min[18]。Bousbia等[24]用微波辅助水扩散重力法(MHG)提取迷迭香精油也表现出具有更高含量含氧化合物,更好抗菌性能的优势。

超声波辅助萃取法(UAE)的优点是提取时间短、温度较低、收率高。目前UAE已大量应用于植物精油的提取,Wei等用超声雾化-加热气流传递-顶空单滴微萃取法萃取花椒精油,发现该方法快速灵敏,所需样本少,可测定植物材料中的挥发性和半挥发性成分[25]。而欧姆辅助水蒸气蒸馏法(OAHD)是一种在水蒸气蒸馏中结合欧姆加热提取精油的新方法,是一种耗时少,耗能低的绿色提取技术[12]。

上述方法各有其优缺点,应根据所需精油的品质来选择合适的提取方法,一些新兴提取方法虽然相对传统提取技术具有很多优点,但还不具有普适性,需要进行更深入、全面的研究,找到一种环保、高效并适用于更大范围的植物精油提取的方法是未来努力的方向。

表3 结合植物精油的可食性抗菌膜的抑菌活性

注：抑菌活性有抑菌圈直径(mm)和抑菌圈面积(mm2)两种表示方法。2.2植物精油的化学成分

大多数植物精油主要含醇类、醛酮类、酸类、酚类、萜类及某些芳香族化合物[7]。按其母核可分为萜烯族、芳香族、脂肪族及含硫含氮化合物四类,其中萜烯类是精油的主要成分。

目前国内外大量研究已证实很多植物精油对细菌、酵母菌等均有抗菌作用,常用的抑菌效果比较好的精油主要有百里香、丁香、牛至、肉桂、大茴香、小茴香、辣椒、大蒜等,例如丁香精油对革兰氏阴性菌、阳性菌都有很强的抑制作用；牛至精油对细菌、真菌具有强的广谱抗菌活性；肉桂和当归精油对血液中的炭疽杆菌具有致死作用[26]；百里香精油对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、黑曲霉菌、啤酒酵母菌具有很强的抑制作用[27]。研究表明,在大量的精油成分中,小分子的酚类物质、萜烯类物质和醛酮类物质是主要的抑菌有效成分。此外,醇类、醚类和烃类物质也具有一定的抑菌活性[28]。

2.3植物精油的抑菌机理

目前,对植物精油抑菌机理的研究较多,通常认为是精油及其组分的疏水性使其能够直接作用于微生物细胞膜,增加细胞膜的流动性,破坏膜结构,导致膜透气性增加,使胞内重要离子和内含物渗漏和微生物酶系统损伤[29-30],细胞膜内含物的大量渗漏导致细胞死亡[31]。Lv等研究表明牛至、罗勒、佛手柑和紫苏精油间的复合物能够破坏细胞膜完整性,造成微生物死亡[32]。

近年来对精油抑菌机理的研究仍在进一步深化。萜类化合物能够破坏和穿透细菌细胞壁的脂质结构,使蛋白质变性、破坏细胞膜结构,导致细胞质泄漏,细胞裂解,致使细胞死亡[33],有研究表明植物精油影响食源性致病菌膜渗透性最有可能的组分是萜烯类挥发物[34]。此外,精油中的酚类物质会进攻微生物的细胞膜或细胞壁,导致细胞膜功能受损,细胞内容物外泄,致使细菌死亡[35]。如香芹酚已被证明能够增加膜的流动性,引起质子和钾离子的泄漏,导致膜电位的崩溃和抑制ATP的合成[36-37]。百里香酚被证明能够破坏细胞膜,抑制ATP酶活性,释放细胞内ATP和其他成分[38-39]。

在对微生物酶系统的损伤上,Knobloch等[40]研究发现在5×10-3mol/L的浓度下,精油中40种供试萜类都能抑制微生物初生能量代谢、还原型辅酶(NADH)及丁二酸脱氢酶(SDH)的活性及呼吸过程的电子传递和氧化磷酸化过程,表明精油可影响菌类呼吸作用及细胞膜功能。精油成分中的茴香醛、肉桂醛和香芹酚对致病性大肠杆菌琥珀酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶和钠钾-ATP酶活性表现出良好的抑制作用[41],而柠檬醛(柠檬精油主成分之一)可通过其α,β-不饱和键与某些酶结合,进而导致微生物代谢系统紊乱[42]。

总之,目前对植物精油抑菌机理的研究还不成熟,活性抑菌物质的具体作用方式和作用靶点还有待进一步探讨。

3 植物精油在可食性抗菌膜中的应用

具有抗菌物质的包装薄膜,在食品保藏的应用上具有巨大潜力,尤其是对肉类产品,因为肉类腐败的主要原因是其表面微生物的污染[43]。

3.1植物精油对可食性抗菌膜性能的影响

食品包装中用可食性膜释放抗菌成分是一种备受关注的包装形式,而香料提取物的抗菌性能已为人所知,因此,越来越多的学者开始关注和研究植物精油在可食性抗菌膜上的应用,有关植物精油、成膜基质及目标菌研究见表3。

国内研究较多的是植物精油在以海藻酸钠为成膜基质的膜上的抑菌性。蒋世全等[44]研究表明：在海藻酸钠质量浓度为20mg/mL,甘油的添加质量分数为1.0%,肉桂精油的添加质量分数为2.0%,干燥温度为50℃和干燥时间为4.5h的条件下,所制备的膜具有最佳的力学性能和抑菌性能。姜绍通等[47]采用大蒜素、茶多酚与天然可食性膜溶液研制成涂膜保鲜剂进行冷却肉的涂膜保鲜研究,结果表明：0.4%大蒜素、0.7%茶多酚和膜溶液(0.6%海藻酸钠、3%可溶性淀粉、0.2%单甘酯)组成的涂膜保鲜剂,对冷却肉的涂膜保鲜效果良好。用此涂膜保鲜剂处理冷却猪肉,可在0～4℃条件下贮藏保鲜19d以上。

国外则对可食性膜基质的研究更广,包括壳聚糖、大豆分离蛋白、鳕鱼类蛋白质及乳清蛋白等,Seydim等[46]研究发现牛至、迷迭香、大蒜精油的抗菌活性可在乳清蛋白可食用膜中表达出来。Sanchez-Gonzalez[48]将不同浓度的佛手柑(BO)、柠檬(LO)和茶树(TTO)精油加入到壳聚糖(CH)膜中,研究发现结合几种精油的壳聚糖膜均表现出对单增李斯特菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌显著的抗菌活性。研究也发现不同成膜基质结合不同种类植物精油时,对同一目标菌具有不同的抑菌活性,同时结合不同种类精油的抗菌膜的抗菌性能亦存在差异。例如结合甜胡椒精油、丁香花蕾精油和肉桂精油的壳聚糖膜对大肠埃希氏菌O157∶H7、沙门氏菌、单核细胞增生李斯特氏菌抑菌作用的大小为肉桂精油>丁香精油>甜胡椒精油,而肉桂精油对于壳聚糖膜的性能影响最小[49]。Pires等[50]测定了结合香茅、芫荽、龙蒿和百里香精油的鳕鱼类蛋白质膜的抗菌特性,结果表明,结合了百里香精油的膜展现出对腐败希瓦菌最高的抑菌性。

此外,可食性膜材料的主要配方如植物精油的种类和含量的不同会使可食性抗菌膜具有不同的物理力学性能和抗菌性能。Ojagh等[45]在实验中以壳聚糖为基质,添加肉桂精油制备可食性抗菌膜,结果表明,精油的加入增加了膜的抗菌性能,降低了壳聚糖膜的含水量和水溶性、水蒸气透过率和断裂伸长率。Abdollahi等[51]将MMT,迷迭香精油(REO)加入壳聚糖膜中制备一种新型的纳米复合膜,通过XRD和FTIR证明,壳聚糖膜吸水性、水蒸气渗透性、溶解性的改善与MMT的剥离和REO存在下,壳聚糖与MMT良好的相互作用有关,1.5%REO的加入能显著改善可食性膜的抗菌特性。Pires等[50]测定了香茅、芫荽、龙蒿和百里香精油的鳕鱼类蛋白质膜的物理,力学特性。结果表明,在所有结合了精油的膜中,百里香精油膜表现出最差的力学性能(穿刺力和断裂伸长率)。有研究表明在制备添加了茶树精油的羟丙基甲基纤维素膜中,茶树精油(TTO)含量的增加能大幅改善成膜溶液微粒的尺寸和表面电荷,至于膜的性能,TTO含量越高,膜WVP值和水吸附值越低,同时也导致膜光泽度和透明度明显降低,降低了弹性系数和抗张强度[52]；除此之外,可食性膜材料制膜方式的不同也会对可食性抗菌膜的物理力学性能和抗菌性能产生影响。Du等[53]用连铸和批量铸造两种不同方法制备苹果基质可食性膜,研究发现铸造方法会影响膜中牛至油主要成分-香芹酚的浓度、抗菌活性和膜的物理化学性质及其颜色。

3.2结合植物精油的可食性抗菌膜在食品保鲜上的应用

可食性膜结合植物精油后,在实际食品保藏如肉制品品质的维持和货架期的延长上具有较好的效果,Pranoto[54]研究发现向壳聚糖可食性膜中加入大蒜油,可提高即食肉制品的抗菌能力。Gómez-Estaca等[55]测试了丁香、茴香、丝柏、薰衣草、百里香、马鞭草、松树及迷迭香精油在鱼提取物上防腐的有效性,其中,丁香和百里香精油的防腐有效性最高,然后将添加了丁香精油的明胶-壳聚糖膜应用在鱼的冷藏,发现革兰氏阴性菌生长受显著抑制,特别是肠道菌,但乳酸菌的生长几乎保持稳定,表明此可食性抗菌膜在鱼货保存上具有可行性。

在一些涂覆产品成熟过程中观察到的变化通常是由于涂覆产品呼吸速率的改变,可食性涂料可通过对代谢气体选择性渗透的方式改变内部气体环境,从而延迟果蔬的成熟。而结合精油的可食性抗菌膜在这方面的研究并不多见,Rojas-Graü等[56]研究表明结合柠檬香茅精油的海藻酸钠-苹果泥可食性抗菌膜的透氧性略微下降,并表现出较低的氧气消耗和较少二氧化碳的生成,这可能是由于精油的亲脂性阻止了气体扩散。

由于精油强烈的香味可能会掩盖果蔬产品本身的风味,所以当结合精油的可食性涂膜运用在果蔬保鲜上时,可食性涂膜对果蔬感官特性的影响是限制其应用的因素之一,因此Rojas-Graü等[56]还评价了涂膜对苹果切片的感官影响,感官分析表明,牛至精油会导致样本整体偏好降低,尽管使用较低浓度(0.1%)的牛至精油,在储存两周后仍然能够检测到残余的芳草香味。

4 问题与前景展望

我国对可食性抗菌膜的研究工作相对于国外起步较晚,只在近些年才逐步展开,还有很多问题需要解决。如可食性膜中抗菌剂释放的动态变化规律、抑菌机理及与包装材料协同抗菌的优化等还需深入研究,微胶囊技术、纳米技术等在抗菌剂缓释控制上的应用也将是未来研究的重点。

可食性膜在作为抗菌物质的载体时,抗菌物质的稳定性,其在食品表面的浓度,生物利用率和它的缓释速度都与抗菌物质的抑菌效果息息相关,所以,在进行膜延长食品保质期的效果的优化研究时,应对防腐剂在膜中的释放速率,其抑菌活性的变化规律进行综合评估。对可食性抗菌膜中添加的植物精油进行选择时,应主要考虑对目标微生物有效性和植物精油与成膜基质,食品成分之间可能的相互作用,因为这些相互作用可能改变膜的抗菌活性。此外,膜组成成分和膜形成条件会影响植物精油的迁移,也会影响其有效性。

在实际应用中,植物精油通过接触或迁移到食品中,除了考虑植物精油的抗菌特性外,为防止植物精油对食品感官质量和安全性的影响,必须了解植物精油的感官特性和毒性。首先,具有强刺激性气味植物精油的使用会对产品风味产生不良影响,限制其在食品保鲜领域的应用,所以需要选择或研究开发出与产品风味相适宜的植物精油。其次,一些研究表明,植物精油中有些成分具刺激性或毒性,其在安全性方面有待进一步研究。在将植物精油应用于可食性抗菌膜时,应对其进行全面的毒理学研究及安全性评价,以保证对人体健康不会造成影响。

尽管我国对植物精油应用在可食性抗菌膜中的研究还十分有限,但随科学技术的不断发展和人民生活水平的不断提高,人们对食品的安全性要求越来越高,科研工作者也会不断深入在这个领域的研究。相信,植物精油可食性抗菌膜因为易降解、无污染、可供食用等优点,定会在倡导绿色安全的今天,在食品保鲜领域具有极其广阔的应用前景。

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Application of essential oils in the edible antimicrobial films

WANGDan,ZHOUCai-qiong*

(Engineering & Technology Research Centre of Characteristic Food,College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400716,China)

This article introduced the type and antimicrobial mechanism of edible antimicrobial films,and summarized the extract method,chemical composition,antimicrobial mechanism of essential oils as well as it’s influence on the edible antimicrobial films property and its application on food preservation in recent years. This work also analyzed the possible problems as essential oils applied in the edible antimicrobial films,and its developing prospect.

edible antimicrobial film;preservation;essential oils

2013-04-17 *通讯联系人

王丹(1989-)，女，硕士研究生，研究方向：食品化学与营养学。

TS206.4

：A

：1002-0306(2014)01-0349-07