天然抑菌剂的抑菌机理及其在果蔬保鲜中的应用

老莹，胡文忠*，冯可，萨仁高娃，宋卤哲，孙小渊

1(大连民族大学 生命科学学院，辽宁 大连，116600) 2(生物技术与资源利用教育部重点实验室，辽宁 大连，116600) 3(大连理工大学 生命科学与技术学院，辽宁 大连，116024)

天然抑菌剂是一种来源于动物、植物和微生物体内的新型防腐剂，无毒无害，具有杀菌、抑菌、抗氧化的作用，而且无抗药性[1]。其抑菌机理分为3方面[2-3]：一是破坏细胞壁、细胞膜结构，导致细胞内营养物质流失，细胞死亡；二是破坏DNA、RNA结构，抑制基因表达，造成细胞死亡；三是破坏细胞内线粒体结构，抑制微生物的呼吸作用，造成细胞缺氧死亡。

果蔬由于自身生理生化变化和微生物的污染，导致其在采后贮藏、运输过程中营养物质大量损失，果蔬损耗严重。尤其是致病菌的污染，不仅导致果蔬大量腐败，而且会对人体产生危害，引起食源性疾病，与生鲜食品相关的食源性疾病暴发是全球主要的公共卫生问题[4]。因此为了减少果蔬的损失率，保护消费者的安全，通常对果蔬进行保鲜处理。目前的保鲜方法有低温保鲜、气调保鲜、辐照保鲜、添加抑菌剂等，其中使用抑菌剂是最为常用的方法，果蔬抑菌剂常用化学抑菌剂和天然抑菌剂2类，但化学抑菌剂可能会对人体产生潜在的危害，而天然抑菌剂是从植物、动物和微生物中提取出的具有抑菌、抗氧化活性等功能的物质，不会对人体产生不良影响。

天然抑菌剂在对果蔬进行抑菌、杀菌的基础上，同时有效抑制了呼吸作用、延缓VC含量及失重率等生理生化指标的下降，有效改善果蔬的品质，减少果蔬的损失量，延长贮藏期，提高安全性。目前被应用于食品保鲜中的天然抑菌剂有植物精油、抗菌肽、壳聚糖、溶菌酶等。天然抑菌剂在果蔬保鲜中主要采用喷洒、浸泡、涂膜、熏蒸、制成外包装等，常用于苹果、梨、圣女果、葡萄等的抑菌保鲜。天然抑菌剂在果蔬保鲜方面具有良好的研究和发展前景。

1 天然抑菌剂的抑菌机理

1.1 对细胞壁、细胞膜的影响

微生物的细胞壁可以维持细胞的正常形态，起到保护细胞的作用。微生物的细胞膜可以控制细胞内、外营养物质和代谢产物的运送，维持细胞的正常生命活动。植物精油的烯萜类物质可以抑制几丁质的合成、抑制细胞壁降解酶的活性[5]；酚类和醛类物质可以抑制蛋白质合成[6]，与磷脂分子相作用、抑制麦角固醇的合成[7]来改变细胞膜的结构，增强其通透性，使细胞遭受不可逆损伤，造成细胞死亡。壳聚糖通过与微生物膜表面的带有负电荷的物质发生相互作用，导致微生物细胞内营养物质流失而死亡[8]。溶菌酶可以水解连接N-乙酰胞壁酸(NAM)和N-乙酰氨基葡萄糖(NAG)残基之间的β-1，4糖苷键，从而破坏细菌的细胞壁，使之松驰而失去对细胞的保护作用[9]。蜂胶增强细胞壁、细胞膜的通透性[10]。Nisin会捆绑肽聚糖的前体Lipid II，从而限制细胞壁的合成[11]；一些革兰氏阴性菌细胞壁外层的脂多糖会抵抗Nisin的抑制作用，加入EDTA后可螯合、限制脂多糖中的镁离子和钙离子，使脂多糖变得不稳定，Nisin就可以直接作用于细胞膜上[12]，破坏细胞膜的完整性，导致细胞死亡。ε-聚赖氨酸破坏细胞壁的完整性，使碱性磷酸酶渗出，进而破坏细胞膜的完整性，使其丧失生理功能，导致细胞死亡[13]。苯乳酸的作用位点主要在菌体的细胞壁上，能够破坏细胞壁的完整性[14]，但抑菌机理尚不明确，有待进一步的研究。

1.2 对DNA及孢子的影响

植物精油能够破坏微生物DNA的结构，进而抑制基因表达[15]，影响微生物的正常生命活动及繁殖。但目前植物精油对微生物DNA的影响还处于初步研究阶段，具体的作用位点和作用方式还不明确，有待进一步的研究。壳聚糖可以作用于微生物体内的DNA或RNA，造成微生物生理功能紊乱而死亡，研究发现，低聚壳聚糖能够抑制mRNA的转录，进而杀死微生物细胞[16]。ε-聚赖氨酸能够嵌插DNA中，与DNA结合，使细胞丧失基因表达作用[17]。

植物精油能够抑制分生孢子的产生，阻碍病菌的繁殖，李文茹[18]等研究了5种精油的抑菌活性，结果表明，肉桂精油、大蒜精油、山苍子精油、丁香精油及香茅精油均对霉菌的孢子产生了抑制作用。壳聚糖也具有抑制微生物孢子的作用，李小芳[19]对壳聚糖的抑菌活性及机理进行了研究，结果表明，壳聚糖主要对霉菌的孢子起到抑制作用。

1.3 对呼吸作用及能量代谢影响

植物精油可以破坏微生物细胞内的线粒体膜，影响微生物的呼吸作用，导致细胞死亡， NOGUEIRA[20]等研究了藿香蓟精油对黄曲霉的抑制作用，结果表明，藿香蓟精油能够使细胞内线粒体的膜裂解，使细胞丧失供氧功能。蜂胶[21]和壳聚糖[22]均具有成膜性，可抑制微生物的呼吸作用并影响营养物质的吸收，导致细胞缺氧、能量供应不足，造成微生物死亡。Nisin能够破坏细胞膜，使ATP外流，进而被水解，微生物细胞缺少能量供应，细胞死亡[23]。刘洪霞[24]研究了ε-聚赖氨酸的抑菌活性，结果表明，ε-聚赖氨酸能够抑制细胞膜上ATP酶的活性。

2 天然抑菌剂的分类及其应用

2.1 植物源抑菌剂

2.1.1 植物粗提物

植物粗提物包括水提和醇提2种，水提常用的方法有浸渍、蒸煮、回流；醇提采用的溶剂有乙醇、石油醚、甲醇和正丁醇。植物粗提常采用药食同源材料，有丁香、迷迭香、黄芪、甘草、连翘、肉桂、八角、大蒜等。近年来，植物粗提物已在荔枝、蓝莓、苹果、猕猴桃、草莓、柑橘、香蕉等进行了应用实验，王伟等人[25]以迷迭香、青花椒、绿茶、丁香、牛至等21种天然植物为原料，以牛津杯法研究其粗提物对蓝莓在贮藏中分离出来的3种病原真菌和运输过程中常见2种食源性致病菌的抑菌活性，结果表明，丁香粗提物对真菌的抑制能力最强，对灰霉、链格孢霉和青霉的平均抑菌圈直径分别为47.58、39.68和40.54 mm；五味子粗提物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌效果最强，平均抑菌圈直径分别为42.08和28.49 mm。陈建中等人[26]研究了黄花蒿提取物对黄瓜的保鲜效果，经过黄花蒿提取液处理的黄瓜在贮藏期间生理生化指标有所改善，维持了较好的果皮颜色，腐烂率较低。

2.1.2 植物精油

植物精油是从中草药及香辛料的花、叶、茎、根、果实中萃取得到的小分子挥发性芳香类物质，具有抗菌、天然无毒的特点。其含有的醛酮类物质、酚类物质以及萜烯类物质是主要抑菌成分，植物精油的抑菌性通常是几种成分协同作用[27]，而不是单一作用。

植物精油作为纯天然的保鲜剂在食品中得到广泛应用，目前在樱桃番茄、番木瓜、杨梅、葡萄、芒果、梨、马铃薯、哈密瓜、油桃、小白菜等果蔬上均有深入研究。李明珠[28]等人研究了不同温度下，在相对湿度的条件下，以不同浓度肉桂精油对红提葡萄进行保鲜，在2 ℃，90%相对湿度下，肉桂精油的保鲜效果最好，红提葡萄的烂果率、失重率显著降低。尚艳双[29]等人采用浸泡法用不同体积分数的枫香叶精油对枇杷果实进行保鲜效果的研究，枫香叶精油可以减缓果实硬度上升，维持可溶性固形物，减少木质素的积累、果实腐烂率，降低质量损失和丙二醛含量。

植物精油易挥发、氧化，且具有挥发性芳香物质，可能会影响果蔬本身的风味，将精油与可食性膜结合，添加到包装材料中或制备成微胶囊[30]可以延缓油脂氧化和香气释放的速度，避免与果蔬直接接触，解决了影响果蔬品质这一问题。黄巍[31]等对丁香精油涂布纸箱保鲜水蜜桃的效果进行了研究，丁香精油浓度为0.6%的涂布纸箱的保鲜效果最好，延缓了水蜜桃硬度、失重率和VC含量的下降。MOHAMMADI等[32]研究了添加月桂精油的壳聚糖涂膜对黄瓜货架期的影响，结果表明月桂精油-壳聚糖复合涂膜能显著改善黄瓜的理化性质，防止微生物污染，涂膜的果实更坚硬，维持一定的含水量和果皮颜色。

2.1.3 小结

我国在植物源天然抑菌剂的研究方面已取得了不小的成就，无论是在果蔬的保鲜方面还是抑菌方面均有良好的效果，但是还存在很多的问题：植物源天然抑菌剂在果蔬保鲜方面的应用还没有达到产业化；大多研究实验是在单一微生物存在和恒定的环境条件下进行的，在多种微生物共同存在和多变的环境条件下，缺乏对合适的天然植物提取物复合及应用技术条件的深入研究；现阶段的研究多是对植物提取物抑菌特性及保鲜效果的研究，对抑菌成分及其抑菌机理的研究不深入。

2.2 动物源抑菌剂

2.2.1 壳聚糖

壳聚糖(Chitosan，CTS)是自然界中的唯一碱性多糖，是甲壳素脱乙酰化后的衍生物，广泛存在于甲壳类动物的外壳中[33]。壳聚糖及其衍生物因具有无毒无害且抑菌、易成膜、可降解的优点被广泛应用于食品的保鲜。壳聚糖作为一种天然的保鲜材料常与其他保鲜剂制成复合涂膜对圣女果、番茄、枇杷、樱桃、生姜、马铃薯、山药等进行了应用实验。林素英[34]等对羧甲基壳聚糖保鲜枇杷果实进行了研究，结果表明，经过羧甲基壳聚糖涂膜处理枇杷果实质量损失率显著下降，而且羧甲基壳聚糖能够抑制总酸、VC和可溶性固形物的减少。壳聚糖本身的保鲜效果有限，常与其他保鲜剂复合，曹雪慧[35]等对壳聚糖复合涂膜对草莓的保鲜效果进行了研究，壳聚糖分别与无水CaCl2、水溶性迷迭香提取物、Na2SO3复配对草莓进行涂膜处理，结果表明每种处理均对草莓有一定的保鲜作用。

2.2.2 溶菌酶

溶菌酶(Lysozyme)，又称胞壁质酶、N-乙酰胞壁质聚糖水解酶，是一种广泛存在于动物体内的酶类。动物源溶菌酶分为c型溶菌酶、g型溶菌酶、i型溶菌酶3种，具有分解细菌、抑制外源微生物生长的作用。WU[36]等将溶菌酶整合到壳聚糖纳米粒子(CS-NPs)中以提高抗菌活性，结果表明，将溶菌酶整合入CS-NPs增强了对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的抗菌活性，这可能在食品工业和其他应用中以直接添加或并入包装的形式显示出巨大的潜力，目前溶菌酶已被应用为食品和医药的防腐剂。目前，溶菌酶已对苹果、草莓、梨、樱桃番茄、油桃、杨梅、葡萄等进行了保鲜效果的应用实验，冯叙桥[37]等以“寒富”苹果为原料，探究溶菌酶涂膜对鲜切“寒富”苹果的贮藏保鲜效果，结果表明，浓度为0.08%的溶菌酶保鲜效果最好，能够抑制苹果硬度的下降和可溶性固形物含量的降低，防止苹果表面褐变，维持鲜切苹果良好的品质。

2.2.3 蜂胶

蜂胶是蜜蜂将从植物芽孢或树干上采集的树脂，混入其上腭腺、蜡腺的分泌物中加工而成的一种具有芳香气味的胶状固体物。蜂胶中黄酮类化合物、烯萜类化合物及酯类化合物对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物均有很好的抑制作用，因此，蜂胶也被应用于果蔬的保鲜防腐。蜂胶的抑菌作用能够防止果蔬腐败和微生物污染[38]，而且蜂胶液具有良好的成膜性，覆于果蔬表面能够有效降低果蔬的呼吸强度、减少水分蒸发、阻止外界病原微生物的污染。目前，蜂胶已对苹果、草莓、冬枣、番茄、油麦菜、杏鲍菇等进行了应用实验。郭东起[39]等以原蜂胶为原料制备蜂胶水提取液和75%乙醇提取液，对冬枣通过蜂胶粗提物涂膜处理的保鲜效果进行了研究，结果表明，75%乙醇提取方法效果最好，蜂胶粗提物涂膜处理能够维持冬枣的品质、降低失重率及腐烂率。张蓓[21]以圣女果为原料，将蜂胶和纳米SiO2复合对圣女果进行涂膜处理，探究蜂胶/纳米SiO2复合涂膜材料对圣女果的保鲜效果，结果表明，复合涂膜降低了圣女果的腐烂率、失重率、呼吸速率、软化速度；蜂胶/纳米SiO2复合涂膜显著延缓了圣女果品质的变化，并维持了圣女果中自由基清除酶的活性。

2.2.4 小结

动物源天然抑菌剂提取原料丰富，对环境无害，而且对果蔬有较好的保鲜及抑菌效果。虽然国内外对动物源天然抑菌剂保鲜效果的研究较多，但研究对象比较单一，多集中于单一提取物的研究，缺少果蔬的种类、品种及环境因素等对天然提取物处理的综合效果对比，如温度、pH、水分等条件均会对溶菌酶的活性产生影响，另外，对于动物源天然抑菌剂的研究还只限于抑菌效果及保鲜效果的研究，对于有效成分及抑菌机理的研究不够深入。

2.3 微生物源抑菌剂

微生物类防腐剂主要以其次生代谢产物为主，如抗生素、激素、生物碱以及毒素等，具有抑菌、抗氧化的作用，是微生物经过发酵获得的，具有周期短、不受地域、季节条件限制的优点。常用的生物保鲜剂有纳他霉素、乳酸链球菌素、曲酸、ε-聚赖氨酸、苯乳酸等。

2.3.1 纳他霉素

纳他霉素(Natamycin)是一种白色或乳黄色的无臭、无味结晶粉末，通常以烯醇式结构存在。纳他霉素只对细胞膜上存在甾醇化合物的微生物起作用，因此纳他霉素对真菌产生抗菌活性，对细菌和病毒无作用，常作为一种低剂量、安全性高的天然食品防腐剂被广泛应用于果蔬的采后贮藏保鲜中，目前已对葡萄、樱桃番茄、蓝莓、冬枣、甜樱桃、芦笋、西兰花的保鲜效果有了一定的研究。林本芳[40]等研究了纳他霉素对西兰花的保鲜效果，以不同浓度的纳他霉素处理西兰花，在(0±1)℃贮藏条件下测定西兰花的生理生化指标，质量纳他霉素能有效抑制西兰花的呼吸强度，延缓Vc含量、可溶性固形物含量以及叶绿素含量的下降，因此纳他霉素对西兰花具有很好的保鲜效果。李昱[41]等研究了纳他霉素在0 ℃对银杏的保鲜效果，结果表明，浓度为500 mg/L的纳他霉素对银杏果有明显的保鲜效果，能显著降低贮藏期银杏果的呼吸强度，延缓含水量和淀粉含量的下降，维持过氧化物酶和过氧化氢酶活性，降低果实的霉变率。

2.3.2 乳酸链球菌素

乳酸链球菌素(Nisin)为抗菌肽的一种，又称为乳酸链球菌肽，是乳酸链球菌产生的一种多肽物质，由于乳酸链球菌素可对大多数革兰氏阳性细菌产生抗菌活性，并对芽孢杆菌的孢子产生强烈的抑制作用[42]，而且食用后，在人体生理pH条件下，很快被α-胰凝乳蛋白酶水解成氨基酸，既不会改变人体肠道内的正常菌群、出现如其他抗菌素所出现的抗性问题，也不会同其他抗菌素出现交叉抗性，因此乳酸链球菌素作为一种高效、安全、无副作用的天然食品防腐剂被广泛应用于果蔬的防腐保鲜中。目前，乳酸链球菌素已在杨梅、枇杷、胡萝卜、草莓、皇冠梨等果蔬进行了应用实验。陈晨[43]等研究了Nisin对鲜切黄瓜中单增李斯特菌的抑制效果，结果表明Nisin具有一定的杀菌效果，且浓度及处理时间越长杀菌效果越好。

2.3.3 曲酸

曲酸(kojic acid)又称曲酸菌，是好氧微生物利用糖类物质发酵产生的次级代谢产物，具有抑菌、抗氧化、抑制酪胺酸酶活性和黑色素形成的特点，被广泛应用于食品、医药和化妆品领域。目前，关于曲酸抑菌机理的研究较少，且不够深入。自20世纪初以来，它被认为是一种添加剂，用于防止螃蟹，虾和新鲜蔬菜等食物的褐变，工业上作为抗氧化剂或抗褐变剂以保持其新鲜度和抑制变色[44]。近年来，国内外学者对西兰花、山药、荔枝、马铃薯、菠萝蜜等进行了应用实验。SHAH[45]等研究了曲酸对荔枝的影响，结果表明，在荔枝果实贮藏前施用曲酸可延缓果皮的褐变，并维持了抗氧化酶的活性。孙蕊[46]等研究了曲酸对鲜切山药的色泽及生理变化的影响，结果表明，曲酸能有效延缓鲜切山药的褐变，并抑制多酚氧化酶、过氧化物酶等的活性。

2.3.4 ε-聚赖氨酸

ε-聚赖氨酸是一种从白色链霉菌的代谢产物中分离出来的多肽，具有广谱抗菌性，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌、酵母菌和霉菌均有抑制作用，且其热稳定性好、安全性高，不会对人体产生危害，可以广泛应用于食品保鲜中。目前，ε-聚赖氨酸已对荔枝、茄子、苹果、樱桃、蓝莓、石榴等进行了应用实验。刘伟[47]研究了ε-聚赖氨酸对荔枝的防腐保鲜效果，结果表明，ε-聚赖氨酸对荔枝炭疽菌和霜疫霉菌均起到了很好的抑制效果，能够对荔枝起到防腐保鲜作用。姚昕[48]等研究ε-聚赖氨酸对石榴果实的贮藏品质的影响，结果表明，ε-聚赖氨酸能够有效降低石榴果实的腐烂率，保持较好的果实品质。

2.3.5 苯乳酸

苯乳酸是乳酸菌产生的一种新型天然防腐剂，具有广谱抗菌性，稳定性高、溶解性好，对食源性致病菌、腐败菌、真菌等均具有很好的抑制效果，但目前苯乳酸在果蔬保鲜中的应用研究较少。赵珊[49]等研究了苯乳酸-海藻酸钠涂膜对甜樱桃的保鲜效果，结果表明，经过苯乳酸-海藻酸钠涂膜处理的甜樱桃腐烂率明显降低，能保持较好的果实品质。

2.3.6 小结

我国微生物资源丰富，成本低，有利于微生物天然抑菌剂的研究与开发，而且天然抑菌剂安全性高，对环境无污染，但研究多集中于瓜果类的研究，对绿叶类蔬菜的研究较少，品种比较单一。另外对于微生物源天然抑菌剂抑菌成分、抑菌机理的研究也不够深入。

3 展望

天然抑菌剂具有无毒、无害的优点，能够对大肠杆菌、沙门氏菌等致病微生物起到很好的抑制作用，并能保持果蔬品质，对人体无害，资源丰富。天然抑菌剂作为果蔬采后保鲜剂的同时，也可以应用于鲜切果蔬的保鲜中，可以更好地推动鲜切果蔬的发展。目前，虽已研制出多种果蔬天然保鲜剂，在实践应用中也取得了一定的效果，但仍存在诸多问题，有些抑菌剂的抑菌机理尚不明确，此方面的研究较少，而且一些抑菌剂是否会对果蔬的某些生理生化指标产生负面影响也没有更多的研究，因此，天然抑菌剂的应用及抑菌机理有待更深入的探索。