姜精油抑菌作用的研究进展

兰景尧,薛文通

(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)



姜精油抑菌作用的研究进展

兰景尧,薛文通*

(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

姜精油是从生姜中提取的挥发性油分,具有广谱抑菌效果。本文介绍了姜精油的化学成分及提取方法,主要阐述了姜精油对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌和酵母菌的抑制作用及抑菌机理,以期为姜精油的综合利用拓展方向。

姜精油,抑菌作用,抑菌机理

姜(ZingiberOfficinaleRoscoe)是姜科属多年生草本植物的嫩根茎。姜精油(Ginger essential oil)是从生姜根茎中得到的挥发性油分,呈透明、浅黄至桔黄色的液态,有浓郁芳香,主成分为倍半萜烯类碳水化合物(50%～66%)和氧化倍半萜烯(17%),有良好的自由基清除能力和Fe3+离子还原能力[1]。其中倍半萜烯类化合物主要为α-姜烯(15%～30%),β-没红药烯(6%～12%),α-法呢烯(3%～10%),β-半水芹烯(7%～10%),芳基-姜黄(5%～19%)[2]。单萜烯类碳水化合物和氧化单萜烯类物质是姜中风味物质的主要贡献者。研究发现,姜精油经瞬时高温加热,仍能保持60%的抑菌效果[3],表明姜精油具有一定的热稳定性。由于地域和品种不同,姜精油的主成分和含量也有差别[4],例如:广西姜精油(柠檬醛49.39%),四川姜精油(α-姜烯44.26%),澳洲姜精油(β-姜烯20%),印度姜精油(β-姜烯35%)[5-6]。

1 姜精油的提取

姜精油的提取方法包括压榨法、溶剂萃取法、水蒸气蒸馏法等传统方法,也包括超临界CO2萃取、微波辅助萃取、超声复合酶法[7]等现代工艺。王琴君等[8]通过乙醇浸取法和超声波辅助石油醚提取新丰姜精油。结果表明,乙醇浸取法和超声波辅助法的姜精油得率分别为4.11%和5.11%,两种方法所得的姜精油成分差异较大,前者不含姜辣素成分,后者含大量姜酮(属于姜辣素成分),因而不同提取方法所得姜精油的性质不同。

另外,战琨友[9]对生姜根茎部位的姜精油和姜辣素进行了组织化学定位,通过光镜及透射电镜观察,发现姜精油和姜辣素混合存在于同一类型的油细胞中,该油细胞在生姜根茎中不同程度地分布于韧皮部和木质部的薄壁细胞内,并指出姜精油不需要衍生化处理,即可用GC/MS联用技术测定其中的挥发性成分和非挥发性成分。杨明等[10]采用超临界CO2萃取和水蒸气蒸馏法提取姜精油,用GC/MS分析其化学成分发现,从水蒸气蒸馏法提取得到的姜精油中分离检测出30种成分,超临界法检测出19种成分,超临界法的姜精油得率是水蒸气蒸馏法的3.8倍,并检出了在水蒸气蒸馏法所得姜精油中未检出的有效成分6-姜酚(12.82%)。

2 姜精油的抑菌作用

自古以来,芳香植物常被用于民间药方及食品防腐中,生姜、甘草、迷迭香、葫芦巴、茴香等众多芳香植物,均具有药食两用价值[11],并且人们在实践中逐渐发现植物精油中含有抑菌活性物质。由于植物精油源自天然,对环境无污染,对人体相对安全,且具有抑菌、抗氧化、抗肿瘤和杀虫等多种生物活性,其在食品防腐保鲜、医药、农药及化妆品中的应用和研究日益增多[12-14]。Kalemba等[15]对姜精油、百里香精油、迷迭香精油、丁香精油、牛至精油、豆寇精油的抑菌活性进行研究,发现它们对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌,及真菌、酵母菌均有抑制作用。Mahendran[16]分别以甲醇和水为溶剂,提取红姜和白姜精油,发现红姜提取物的抑菌活性大于白姜,红姜的甲醇提取物抑菌活性强于水提物的抑菌活性。G.S.El-Baroty等[17]采用薄层色谱法-生物自显影法、平板扩散法测试发现,姜精油对枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷白杆菌均有良好的抑制作用,对黑曲霉、匍枝根霉、尖镰孢的最低抑菌浓度分别为70,75,75 μg/mL,由GC/MS测得薄层板上宽大清晰的抑菌圈中的化合物为倍半石竹烯和柠檬烯,说明姜精油中的这两种化合物在抑菌过程中体现了较强的抑菌活性。

2.1 姜精油对革兰氏阳性菌的抑制

大量研究发现,姜精油对革兰氏阳性菌有良好的抑制作用。Natta[18]等用乙醇和石油醚为萃取剂,水蒸气蒸馏萃取生姜根部精油,由平板扩散法得出姜精油对单增李斯特菌的最小抑菌浓度(MIC)为6.25 mg/mL;萃取剂为乙醇时,对蜡样芽胞杆菌的抑菌圈直径为10 mm,萃取剂为石油醚时,对单增李斯特菌的抑菌圈直径为11 mm。在金黄色葡萄球菌、蜡样芽胞杆菌、单增李斯特菌三种革兰氏阳性受试菌中,蜡样芽孢杆菌对姜精油最敏感,这与此前Alzoreky[19]的实验结果一致。

Mity Thambi[20]选定四种革兰氏阳性菌测试姜精油抑菌活性,发现姜精油浓度为2.5 mg/L时,粪链球菌的抑菌圈直径为12 mm,而金黄色葡萄球菌、白色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的抑菌圈直径均为10 mm。抑菌效果不仅跟菌种差异性有关,也与精油的主成分差异性相关,主成分中的极性基团[16]、芳香族化合物都可能在抑菌机制中发挥了重要作用[17],使细菌或真菌的细胞膜、线粒体与脂质分离,破坏细胞结构,导致细胞死亡[21]。Mity测得的姜精油中主成分为反式丁香烯,α-环氧葎草烯,δ-3-蒈烯等,其中具有抑菌作用的成分是δ-3-蒈烯[20]。目前国内研究更侧重于姜精油中挥发性物质和呈味物质的成分鉴定,而对姜精油各抑菌成分的协同效应、构效关系等研究较少。国内研究大多采用莱芜大姜、张良姜等品种为原料提取精油,所测得姜精油主成分多为α-蒎烯、莰烯、β-水芹烯等[22],这也是国内外研究差异之一。

A. Smith-Palmer[23]等采用琼脂技术测试姜精油对四种食源性病菌的抑制作用,发现姜精油对肠炎沙门氏菌、空肠弯曲杆菌、大肠杆菌和单增李斯特菌均有一定抑制作用。通常,食品防腐中使用的精油浓度应高于抑菌实验中的精油浓度[24],然而高浓度的精油又会改变食品的感官品质,因而无法在食品防腐过程中直接使用。姜精油在食品防腐中的有效应用还有广阔的研究空间与发展前景。

2.2 姜精油对革兰氏阴性菌的抑制

A. Smith-Palmer[23]等发现,生姜根茎精油对鼠伤寒沙门氏菌的最低抑菌浓度为2.00%(v/v),且姜精油对金黄色葡萄球菌和单增李斯特菌这两种阳性菌的抑制效果比肠炎沙门氏菌、空肠弯曲杆菌、大肠杆菌这三种阴性菌的抑制效果好。

Yasodha Sivasothy[25]等利用微量稀释技术评价了生姜叶片精油与生姜根茎精油的抑菌活性,发现这两个部位的姜精油对革兰氏阴性菌的最低抑菌浓度均在0.31～0.63 mg/mL,高于革兰氏阳性菌的0.16～0.31 mg/mL,此结果与Kivrak[26]的实验结果一致:大肠杆菌>肺炎克雷白杆菌>斯氏假单胞菌。再次证明姜精油对革兰氏阳性菌的抑制效果较革兰氏阴性菌好,其原因目前还无确切阐释,但可确定的是,革兰氏阴性菌的外膜赋予其细菌表面强烈亲水性,产生渗透屏障,保护细菌不被渗透。

另外,生姜不同部位的精油成分也不同,姜精油存在于根茎部位的角状细胞空隙内,在根茎的表皮层和内部均有分布,特别在表皮层组织含量较丰富。有文献[27]表明,影响生姜精油得率的一个重要因素为姜是否去皮。从生姜精油的提取过程知,全姜精油的得率明显高于去皮姜精油,约为后两者的3倍以上。因此,在相同条件下,全姜油的抑菌效果比去皮姜油好。除金黄色葡萄球菌外,姜皮精油对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、根霉、黑曲霉、绳状青霉的抑制作用明显强于全姜和去皮姜精油,总体抑菌效果由强到弱依次为:姜皮精油>全姜精油>去皮姜精油[28]。因此,提取姜精油的生姜部位不同,抑菌实验结果不同。

2.3 姜精油对真菌、酵母菌的抑制

Flavio等[29]发现,姜精油能有效抑制轮状镰刀菌的生长以及伏马菌素的滋生,姜精油浓度为2000～4000 μg/mL 时,对伏马菌素B1、伏马菌素B2的抑制活性随浓度的增大而增强。

通常认为精油的生物特性由精油的主成分及其浓度体现,然而一些微量成分同样能影响精油的功效[30],同时,精油中各成分的协同效应也通过影响细胞壁修复、细胞膜的亲水亲油性而影响细胞通透性,从而体现精油生物特性。酵母菌所产的麦角固醇是酵母菌细胞膜的重要组成部分,也是激素类物质的中间体,它能确保膜结合酶的活性与流动性、细胞活力以及细胞物质的正常运输[31],Flavio通过HPLC检测知,姜精油破坏了麦角固醇的生物合成,达到了抑制真菌生长的目的。

Indu Sasidharan[32]等以鲜姜和干姜为原料提取精油发现,鲜姜精油对黑曲霉的最低抑菌浓度<1.00 μg/mL,干姜精油为5.00 μg/mL;对酿酒酵母的抑菌圈直径分别为6.03±0.06、7.09±0.04 mm。因而鲜、干姜精油对黑曲霉的抑制效果均与Baurer[33]的平板扩散实验结果相同,而对青霉菌、酿酒酵母的抑制效果较弱。鲜姜精油中所含的香叶醛含氧化合物(29%)高于干姜精油(14%),使得鲜姜的精油抑菌效果优于干姜,而干姜精油中含更多的碳氢化合物,活性低于含氧化合物[34-35]。鲜姜精油中的含氧化合物电负性对于抑制黑曲霉和假丝酵母有重要作用[34];干姜精油对绿脓杆菌、青霉菌、假丝酵母的抑制能力更强的原因是干姜精油中含有更多含双键的倍半萜烯碳氢化合物,因而比单萜类的活性更强[35]。

3 姜精油抑菌特性在食品领域的应用

姜精油的抑菌特性在食品领域有广泛应用。在肉类保鲜方面,王跃猛[36]将3%的姜精油添加到明胶-碳酸钙可食膜中,发现能够减缓冷鲜肉的挥发性盐基氮含量20%,从而提高对肉的保鲜效果,延长产品货架期。Syed[37]喷涂姜提取物于鸡肉、牛肉、羊肉上,发现喷涂之后的肉类,其风味口感更受人青睐。

在抗油脂氧化方面,L. Atarés[38]将酪蛋白酸钠和姜精油制成可食用膜,将葵花籽油装填入特制的丙烯酸甲酯细胞中,再用该可食用膜包裹,制作Trolox标准溶液曲线,探究含有5%姜精油的可食用膜对ABTS自由基的清除率,发现对ABTS自由基阳离子的清除率为23%,说明含有姜精油的可食用膜可有效防止葵花籽油的氧化。

在果蔬保鲜方面,姜精油可与包埋控释体系结合,采用分子包埋技术,制作姜精油抑菌膜,控制其释放速率,延长抑菌时间,有效延长果蔬的储存时限。蔡丹丹[39]等研究了负载迷迭香、肉桂油、姜精油、丁香缓释抑菌膜的缓释性、透气性和抑菌性发现,负载姜精油的缓释抑菌膜在2个月后的释放率为78.5%,仅低于丁香的80%,但水蒸气透过率在四者中最高,到达0.14 g/m2·d。负载姜油的缓释抑菌膜对大肠杆菌、枯草杆菌、霉菌的抑菌圈直径分别为13、7、8 mm。

4 前景与展望

目前研究多停留在姜精油的抑菌效果方面,而对抑菌机制的研究尚处于起步阶段,可知的是精油中的抑菌成分使细菌的细胞膜通透性增加,改变细胞膜渗透压,使细胞内容物溶出,细胞质凝结[40]。因此,植物精油的抑菌作用与其化学结构上的亲油性、疏水性以及植物精油主成分的含量都有关系[41-42]。但目前的研究还没有针对姜精油抑菌过程中的构效关系的完整、准确阐释。综合国内外研究成果发现,姜精油中各组分的物理、化学性质各异,单组分抑菌与多组分复合抑菌的效果不同,需分别探讨。

未来研究趋势是进一步探究姜精油组分对病原菌的细胞膜结构、线粒体功能、细胞代谢的影响,借助基因组学和蛋白组学,探讨各作用靶点与作用效应之间的关系,以掌握姜精油抑菌机理,达到有效利用姜精油的抑菌活性的目的。

[1]El-Ghorab AH,Nauman M,Anjum FM,et al. A comparative study on chemical composition and antioxidant activity of ginger(Zingiberofficinale)and cumin(Cuminumcyminum)[J]. Agricultural Food Chemistry,2010,58(14):8231-8237.

[2]张相年,郭振德.姜精油的研究进展[J]. 广州化学,1992,(2):65-73.

[3]张鲁明. 生姜姜油的提取、成分分析及其抑菌活性研究[D].长沙:湖南农业大学,2010.

[4]徐汝巽,林祖铭.芳香物质研究手册[M].北京:轻工业出版社,1989:21-28.

[5]张宏志,管正学,王建立.贵州生姜精油化学成分研究[J]. 贵州农业科学,2001,29(4):8-10.

[6]余德顺.一种治疗痤疮的天然功能性护肤品-珊瑚姜精油乳剂的研制[J]. 香料香精化妆品,2003,(2):16-18.

[7]张薇,吴昊,杨绍兰,等. 不同方法提取姜油及其化学成分的气相色谱-质谱法比较分析[J]. 食品安全质量检测学报,2014,(2):533-540.

[8]王琴君,林晓露,李晓红，等. 乙醇浸取法与超声波法提取新丰生姜精油的对比分析[J]. 广州化工,2015,(6):80-82.

[9]战琨友.姜油的化学成分分析与姜辣素的分离纯化研究[D].泰安:山东农业大学,2009.

[10]杨明,余德顺,田弋夫，等.超临界CO2萃取与水蒸气蒸馏提取姜油的GC-MS分析[J].贵州化工,2011,(3):34-37.

[11]崔超. 姜科香料精油抗氧化及防霉效用的研究[D].西安:西北大学,2014.

[12]Adeyinka A,Richard F. Application of phytochemical extracts and essential oils in food products:a review[J]. International Journal of Biotechnology and Food Science. 2015,3(3):31-35.

[13]Vergis J.,Gokulakrishnan P.,Agarwal R.,et al. Essential oils as natural food antimicrobial agents:a review[J]. Critical reviews in food science and nutrition. 2015,55(10):1320-1323.

[14]Bakkali F,Averbeck S,Averbeck D,et al. Biological effects of essential oils-A review[J]. Food & Chemical Toxicology An International Journal Published for the British Industrial Biological Research Association,2008,46(2):446-475.

[15]Kalemba D,Kunicka A. Antibacterial and Antifungal Properties of Essential Oils[J]. Current Medicinal Chemistry,2003,10(10):813-29.

[16]Sekar M,Ting C P,Abdullah M S B,et al. Comparative evaluation of antimicrobial properties of red and white ginger[J]. Asian journal of pharmaceutical and clinical research,2014,7(1):108-110.

[17]El-Baroty G S,Abd El-Baky H H,Farag R S,et al. Characterization of antioxidant and antimicrobial compounds of cinnamon and ginger essential oils[J]. African Journal of Biochemistry Research,2010,4(6):167-174.

[18]Natta L,Orapin K,Krittika N,et al. Essential oil from five Zingiberaceae for anti food-borne bacteria[J]. International Food Research Journal,2008,15(3):337-346.

[19]Alzoreky N S,Nakahara K. Antibacterial activity of extracts from some edible plants commonly consumed in Asia[J]. International Journal of Food Microbiology,2003,80(3):223-230.

[20]Mity Thambi,Mohamed P Shafi. Rhizome Essential Oil Composition of Zingiber Cernuum and Its Anti Microbial Activity[J]. International Journal of Pharmaceutical Science And Research,2016,7(2):829-833.

[21]El-Baky H H A,El-Baroty G S. Chemical and biological evaluation of the essential oil of Egyptian Moldavian balm[J]. International Journal of Essential Oil Therapeutics,2008,2(2):76-81.

[22]骆海林,陆宁. 同时蒸馏-萃取法(SDE)提取/GC-MS分析姜精油的组分[J]. 中国调味品,2010,(10):104-106,109.

[23]Smith-Palmer,Stewart,Fyfe. Antimicrobial properties of plant essential oils and essences against five important food-borne pathogens[J]. Letters in Applied Microbiology,1998,26(2):118-122.

[24]Farbood M I,Macneil J H,Ostovar K. Effect of Rosemary Spice Extractive on Growth of Microorganisms in Meats[J]. Journal of Milk & Food Technology,1976(5):675-679.

[25]Sivasothy Y,Chong W K,Hamid A,et al. Essential oils of Zingiber officinale var. rubrum Theilade and their antibacterial activities[J]. Food Chemistry,2011,124(2):514-517.

[26]Kivrak,I.,Duru,M. E. Antioxidant,anticholinesterase and antimicrobial constituents from the essential oil and ethanol extract of Salvia potentillifolia[J]. Food Chemistry,2009,116(2):470-479.

[27]唐传核.植物功能性食品[M].北京:化学工业出版社,2004:415.

[28]刘瑜,张卫明,单承莺，等. 生 姜 挥 发 油 抑 菌 活 性 研究[J]. 食品工业科技,2008,29(3):88-90.

[29]Garcia,Yamamoto-Ribeiro,Milene,et al. Effect of Zingiber officinale essential oil on Fusarium verticillioides and fumonisin production[J]. Food Chemistry,2013,141(3):3147-3152.

[30]Franzios G,Mirotsou M,Hatziapostolou E,et al. Insecticidal and genotoxic activities of mint essential oils.[J]. Journal of Agricultural & Food Chemistry,1997,45(7):2690-2694.

[31]Bendaha H,Yu L,Touzani R,et al. New azole antifungal agents with novel modes of action:synthesis and biological studies of new tridentate ligands based on pyrazole and triazole[J]. European Journal of Medicinal Chemistry,2011,46(9):4117-4124.

[32]Sasidharan I,Menon A N . Comparative chemical composition and antimicrobial activity fresh & dry ginger oils(Zingiber officinale Roscoe)[J]. International Journal of Clinical Pharmacology Research,2010,2(4):40-43.

[33]Bauer AW,Kirby WMM,Sherries JC,et al. Antibiotic susceptibility testing by a standardize disc diffusion method[J]. American Journal of Clinical Patholagy.1966,45:49.

[34]Srivastava A,Shukla YN,Kumar S. Recent development in plant derived antimicrobial constituents-A Review[J]. Med Aroma Plant Sci 2000,22:349-405.

[35]Sinha GK,Gulati BC. Antibacterial and antifungal study of some of their constituents[J]. Indian Perfume,1990,34(2):204-208.

[36]王跃猛,刘安军,李鑫，等.姜精油对明胶-CaCO3可食膜理化及抑菌特性影响的研究[J]. 现代食品科技 . 2015,31(2):57.

[37]Syed Z K. Effect of organic acids and spices on quality and shelf life of meats at ambient temperature[J]. Food Science Technology,1996,33(3):2.

[38]Atarés L,Bonilla J,Chiralt A. Characterization of sodium caseinate-based edible films incorporated with cinnamon or ginger essential oils[J]. Journal of Food Engineering,2010,99(3):384-391.

[39]蔡丹丹,肖凯军,王兆梅,等. 缓释抑菌膜的抑菌性研究. 现代食品科技. 2012,28(3):267.

[40]Devi K,Nisha S A,Sakthivel R,et al. Eugenol(an essential oil of clove)acts as an antibacterial agent against Salmonellatyphi by disrupting the cellular membrane[J]. Journal of Ethnopharmacology,2010,130(1):107-115.

[41]Farag R S,Daw Z Y,Abo-Raya S H. Influence of Some Spice Essential Oils on Aspergillus Parasiticus,Growth and Production of Aflatoxins in a Synthetic Medium[J]. Journal of Food Science,1989,54(54):74-76.

[42]Daw Z Y,GE El-Barot,Mahmoud E A. Inhibition of Aspergillus parasiticus growth and aflatoxin production by some essential oils[J]. African Crop Science Journal,1995,16(4):511-517.

Research progress in antibacterial activity of ginger essential oil

LAN Jing-yao,XUE Wen-tong*

(Food science and nutritional engineering academy,Chinese agricultural university,Beijing 100083,China)

GingeressentialoilisextractedfromZingiber Officinale,whichhasabroad-spectrumantibacterialeffect.Thechemicalcompositionofgingeressentialoilandtheextractionmethods,especiallytheinhibitioneffectsofgingeressentialoiltoGram-positivebacterium,Gram-negativebacterium,fungalaswellassaccharomyceteswereintroducedinthispaper,andthepurposewastopromotethedevelopmentofcomprehensiveutilizationofgingeressentialoil.

Gingeressentialoil;antibacterialeffect;antibacterialmechanism

2016-04-25

兰景尧(1992-)，女，硕士研究生，研究方向：功能性食品研究，E-mail:joylan1027@163.com。

*通讯作者:薛文通(1962-)，男，博士，教授，研究方向：功能性食品研究，E-mail：xwt@cau.edu.cn。

国家科技支撑计划项目(2015BAD19B01)。

TS202.3

A

1002-0306(2016)19-0387-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.067