天然植物提取物的抑菌机理及其在果蔬保鲜中的应用

李元政，胡文忠*，萨仁高娃，龙娅，老莹，杨香艳，廖嘉

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)

植物提取物(plant extract)是指以植物为原料，按照对提取的最终产品用途的需要，通过物理或者化学的提取分离过程，科学定向地获取和浓缩和富集植物中某一种或多种具有生物活性的物质，而不改变其有效成分结构。植物提取物种类繁多，来源广泛，按其有效成分不同可分为生物碱、有机酸、挥发油、黄酮、多酚、多糖、皂苷、单宁等。植物提取物中的生物活性物质具有抗菌、杀菌和抗氧化的作用，应用在各类食品保鲜与贮藏中也不易出现残留与毒副作用，是纯天然安全可靠的植物源添加剂[1]。植物提取物的抑菌机理可概括为以下3种[2-3]：(1)对细胞壁、细胞膜的影响；(2)对DNA、蛋白质的影响；(3)对细胞内能量代谢过程的影响。

植物提取物因其天然可食的特性，在动植物加工与贮藏保鲜应用的报道正逐年增加，正在成为国内外科研工作者们关注的焦点与研究热点。YE等[4]研究发现茶多酚可用于樱桃保鲜包装复合膜的材料，当复合膜用于樱桃保鲜时，可以显著降低腐烂率和质量损失率，延缓可溶性固体和Vc的消耗，保持樱桃的品质，延长保质期。王婷[5]通过研究丁香提取物发现，经丁香提取物-壳聚糖复合保鲜液浸泡处理的草莓保鲜效果得到显著提高。

本文综述了近5年天然食用性植物提取物不同活性成分抑菌效果与抑菌机理，并评价各成分在果蔬保鲜中的应用进展，对植物提取物的进一步研究与应用进行展望，以期为之后抑菌性植物提取物在食品保鲜包装与加工等方面提供一定理论基础研究。

1 植物提取物的抑菌活性成分分类

1.1 生物碱类

生物碱主要存在于天然植物中，是一类重要的含氮的碱性有机化合物。生物碱大多数具有包含有氮素的复杂的环状结构，可与酸结合生成盐类。大多数生物碱几乎不溶或难溶于水，能溶于有机溶剂，具有显著的生物活性与光学活性。生物碱的结构较为复杂，种类很多，按结构分为有机胺衍生物类、吡咯烷衍生物类、吡啶衍生物类、异喹啉衍生物类、莨菪烷衍生物类、咪唑类、嘌呤类、二萜类和其他等。绝大多数生物碱分布于高等植物，尤其是双子叶植物中，如茄科、罂粟科等，极少数分布于低等植物中。存在于天然植物中的生物碱具有抗过敏、抑菌与灭菌的作用[6]。

近年来，国内外学者对有关生物碱的研究与应用渐渐增加。研究人员通过研究从麻黄草中提取出的麻黄碱对细菌与霉菌等的抑菌情况得出结论，麻黄碱具有一定的抑菌性，且对大肠杆菌具有明显的抑制效果。此外他们还对苯甲酸钠和麻黄碱的抑菌效果进行了对比试验，实验结果中麻黄碱较苯甲酸钠对细菌与霉菌的抑菌作用更为明显，证明生物碱可作为天然防腐剂被应用于食品制药及化工等行业中[6]；MRICZ等[7]通过薄层色谱法和直接生物自显影法(thin layer chromatography-direct bioautography，TLC-DB)检测白屈菜根、叶和茎的生物碱、甲醇和乙酸乙酯提取物的成分对枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的抗菌活性，结果发现只有白屈菜碱、血根碱和白屈菜红碱对大肠杆菌有抑制作用；戴五好等[8]对苦参、山豆根中生物碱及其总碱的体外抑菌活性进行了研究，发现其对7种菌株均有抑制作用，且苦参碱及槐果碱的抑菌效果强于各自氧化产物。

1.2 有机酸类

有机酸是指一些广泛存在于植物的根、茎、叶、特别是果实中的具有酸性的有机化合物，但氨基酸除外。有机酸具有的羧基可与醇反应生成酯，可溶于水或乙醇，难溶于其他有机溶剂。存在于植物中常见的有机酸可分为脂肪族与芳香族，如酒石酸、草酸、苹果酸和抗坏血酸属于脂肪族，苯甲酸、水杨酸和咖啡酸属于芳香族。有机酸有一定的生物活性，具有抑菌、抗菌作用，有些可作药用，有机酸在禽畜水产养殖中也可起到降低养殖环境污染、促进消化与增强抵抗力的作用[9]。有机酸绿色环保，抑菌效果好，其应用前景非常广阔，有关其生理作用与机理越来越被更多的学者关注与研究。

苏红等[10]通过Box-Behnken试验设计响应面法得到配比最优化的柠檬酸、百里香酚及海藻酸钠复合生物保鲜剂，该保鲜剂含有多种天然植物抑菌成分，避免了采用化学保鲜剂的残留有害物质，即显著抑制了各类微生物的生长，有极佳的保鲜作用；FINTEN等[11]对柠檬酸进行了研究，发现柠檬酸可作为用于消毒菠菜叶的次氯酸钠的替代品，柠檬酸不仅在减少菠菜叶变质方面发挥了关键作用，而且柠檬酸能起到更好的抑菌作用；WANG等[12]通过研究d-苹果酸存在下苏云金芽抱杆菌三苯基锡降解、磷脂合成和膜特性的相互作用，结果表明，1 mg/L三苯基锡在0.5或1 mg/Ld-苹果酸条件下被苏云金芽孢杆菌(1 g/L)降解，由于促进了元素代谢和细胞活性，并抑制了d-苹果酸诱导的脂肪酸合成，降解效率达到了90%左右。d-苹 果酸的加入导致更多亚油酸转化为10-氧代-12(Z)-十八碳烯酸，增加了膜的渗透性，减缓了膜电位的下降程度，导致三苯基锡的运输和降解。苏云金杆菌可以作为膜电位和细胞活性的指标。

1.3 挥发油类

挥发油，又被称为精油，是具有芳香气味易挥发的油状成分的总称。其广泛存在于植物中，可通过水蒸气蒸馏的方法从植物中提取，易溶于乙醇等有机溶剂，不溶于水。精油成分较为复杂，按化学结构可分为芳香族、脂肪族和萜类。精油在日常生活中随处可见，能起到净化空气、消毒和杀菌的功效，其具有广谱抗菌性，可促进细胞新陈代谢及再生功能。精油因其抗菌性与不含有对人体有害的化学成分在食品保鲜贮藏和制药等方面得到广泛应用[13]。

ZHANG等[14]对香附根茎精油的化学成分、抑菌活性及作用机理进行了研究，结果表明，香附根茎精油对金黄色葡萄球菌具有很强的抗菌活性，最低抑菌浓度(minimum inhibitory concentration，MIC)为10 mg/mL，最低杀菌浓度(minimum bactericidal concentration，MBC)为20 mg/mL，且随着精油浓度的增加和处理时间的延长，抑菌效果增强。

1.4 多糖类

多糖类广泛存在于高等植物、动物、微生物、地衣和海藻等中，如植物的种子、茎和叶组织等。多糖在抗病毒、抗肿瘤等方面发挥着重要的生物活性作用。因此对多糖的进一步研究与开发已引起人们的广泛关注[15]。

ZHAI等[16]研究发现石榴皮多糖具有优异的还原能力和清除自由基的作用，通过将石榴皮多糖施用在CCI4诱导的肝损伤小鼠上，观察到小鼠总超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽非酶活性分别显著增加，因此可得，其对CCI4诱导的小鼠肝损伤具有很强的保护作用；胡爱军等[17]通过对超声波辅助提取得到的鹰嘴豆中粗多糖进行研究，发现鹰嘴豆非淀粉中性多糖与鹰嘴豆非淀粉酸性多糖具有清除自由基的作用，2种多糖均在体外表现出较强的抗氧化活性。

1.5 黄酮类

黄酮类化合物是指具有2-苯基色原酮结构的一类存在于自然界的化合物，它们分子中有1个酮式羰基，第一位上的氧原子具有碱性，能与强酸生成盐，其羟基衍生物多具黄色，故又称黄碱素或黄酮。黄酮类化合物具有广泛的生物活性，存在于绝大多数植物体内。黄酮类化合物具有抗菌防病的作用，它们在植物的生长发育过程中也起着重要的作用[18]。

银杏制剂中被认为具有药理活性的植物化学物质是萜类和黄酮类化合物。主要黄酮类化合物是槲皮素和山奈酚。据报道，银杏黄酮具有优良的抑菌性，其通过抑制扩展青霉菌丝体中的酶活性使抗性酶降低对青霉的保护作用，进而抑制扩展青霉的生长。此外银杏黄铜还具有清除自由基和抗过氧化的作用[19]。

1.6 皂苷类

皂苷，又叫碱皂体或皂甙，是一类具有复杂化学结构的苷类化合物，同时它也是一种表面活性剂。其结构可分为糖和苷元两部分，苷元为三萜类化合物则称为三萜皂苷，三萜皂苷分子中多含有羧基，显酸性；苷元为螺旋甾烷类化合物则称为甾体皂苷，甾体皂苷则不含有羧基，显中性。皂苷多分布于陆地高等植物中，在许多中草药中被作为主要有效成分，有些皂苷有着抗癌、抗肿瘤、解热和解毒等药用价值，具有显著的抑菌灭菌效果[20]。

KACZOREK等[21]发现卤代酚生物转化过程中，在皂苷的存在下，假单胞菌株显示出内膜通透性和细胞表面疏水性的变化，这使其能够更有效地从环境中去除污染物，此外，表面活性剂的加入使得卤代酚具有更高的生物降解性；董生昭[22]对不同种类的5个皂苷类化合物进行研究发现，皂苷类化合物可以通过抑制胰脂肪酶的活力从而起到防治肥胖的作用。

1.7 单宁类

单宁，又称鞣酸或鞣质，是一类复杂的高分子多元酚类化合物。单宁一般分为2种：(1)水解类单宁，由多元酚酸与糖主要以酯键形成的化合物；(2)缩合类单宁，为黄烷醇及其衍生物。单宁可以沉淀生物碱、明胶，与蛋白质有着强烈的结合能力，具有较强的生物和药理活性，其在医药、食品、化妆品等工业中有着广泛的应用[23]。

尚俊等[24]通过研究柠檬桉树皮中提取的单宁发现，单宁具有较强的清除自由基能力，其抗氧化能力随提取工艺中萃取相不同相应变化，且乙酸乙酯萃取物的抗氧化活性最强；BERA等[25]发现，红果榄仁果树的果实具有显著的抗氧化功能，从果实中提取的食用油含有的高质量单宁表现出良好的抗氧化性能，在皮革与食品工业中可作为一种新型的抗氧化剂被有效的利用。

单宁类化合物多数具有显著的抗氧化性，但对其抑菌活性方面的研究与应用有待深入探索。

2 植物提取物的抑菌机理

2.1 对细胞壁、细胞膜的影响

近年通过对植物提取物抑菌成分的研究，通常认为植物提取物中所含酚类成分可对微生物的细胞壁与细胞膜产生直接或间接作用，使细胞壁结构破坏，细胞膜通透性与流动性增加，进而导致微生物细胞膜结构破坏，其内部诸多细胞器等成分渗出，最终使细胞失活死亡。

在莫熙礼等[26]研究中，花椒、蒲公英和射干提取物可对薏苡黑粉菌菌丝细胞膜产生破坏作用，使其细胞内电解质外渗；NING等[27]对苯乳酸的研究发现，苯乳酸可破坏单增李斯特氏菌与大肠杆菌细胞结构，造成细胞质的流出；精油主要通过破坏细胞膜和膜介导的凋亡途径发挥抗菌活性，通过电导率、细胞膜完整性、1-N-苯基甲胺(NPN)摄取和膜电位分析表明精油可破坏致病菌等的膜完整性。进一步探索精油的抗菌机制，发现大量核苷酸和蛋白质泄漏表明它导致病原体的膜破裂。通过扫描电镜观察到精油诱导的细胞壁和膜受到不同程度的损伤。此外，基于凋亡分析，发现精油可以通过凋亡途径诱导细胞死亡[14]。

多糖可与细胞膜上卵磷脂结合，使细胞膜脂肪酸游离，从而改变细胞膜的渗透性并伴随内溶物外溢[28]；银杏黄酮具有使细胞膜裂解的能力，通过升高扩展青霉菌细胞膜通透性与菌丝体膜质氧化程度，使菌丝体电导率上升，黄酮类化合物还可作用于细胞膜极性头部与细胞膜的疏水区域，导致细胞膜流动性发生改变[18-19]；多酚类物质中含有的羟基与氢键可嵌入细胞膜疏水结构，使细胞膜流动性减慢，阻碍病毒宿主细胞膜物质交换，从而抑制病毒感染[29]；皂苷可与膜甾醇相互作用，两者可相互结合形成复合物，进而破坏细胞膜脂质体[30]。

2.2 对DNA、蛋白质的影响

脱氧核糖核苷酸作为主要的遗传物质，可引导生物的发育与各项机能运作，其与多糖-蛋白质体系的研究在医药、食品、化学和其他工业中有非常重要的地位，对植物提取物与蛋白质、DNA的作用和影响的研究仍需继续深入探索。

POWOLNY等[31]证明了大蒜素可通过影响线虫基因skn-1途径，使促长寿转录因子skn-1的功能发生改变，进而影响线虫的寿命；灵芝多糖可与牛血清白蛋白相互作用，通过美拉德反应形成复合物，两者之间产生共价键，使得蛋白质的构象发生变化，进而影响到蛋白质的功能特性[32]；唐琴[33]发现，黄酮类化合物可与羟基喜树碱产生联合抗癌作用，二者通过作用于靶点TopoⅠ，使TopoⅠ的催化活性受到抑制；酚类化合物中的氢键、共价键等与蛋白质相互作用，形成加合物或使蛋白质聚合，导致蛋白质的结构改变，进而影响到蛋白质的功能性质[34]。

2.3 对细胞内能量代谢过程的影响

植物提取物中有效物质能够进入细胞内，破坏细胞内线粒体等结构，抑制细胞呼吸作用，从而影响细胞腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)合成途径，使微生物正常生理活动受到抑制，导致其死亡，植物提取物可通过促进过氧化氢酶(catalase，CAT)等抗氧化酶活性，并且抑制与自由基生成有关的氧化酶来促进自由基的催化与减少自由基的产生[35]。

TIAN等[36]研究发现莳萝种子中提取的精油可使黄曲霉线粒体膜电位升高，使黄曲霉细胞中ATP和脱氢酶活性降低，使得黄曲霉中活性氧增加，活性氧在细胞内通过氧化生物大分子等过程最终使黄曲霉死亡；苏柳等[37]对砂地柏精油进行了研究，发现砂地柏精油可显著抑制枸杞木虱成虫离体Na-K-ATPase 的活力，且随着精油浓度的增加，对枸杞木虱成虫离体Na-K-ATPase的抑制作用逐渐增强，在最高浓度时其酶活抑制率可达37.87%。

3 植物提取物在果蔬保鲜中的应用

果蔬在采摘后需要经过多种加工工艺与运输才能被消费者食用，但在此过程中新鲜果蔬易发生腐败变质、病原微生物等入侵导致果蔬食品安全受到影响。植物提取物具有广谱抗菌性与显著的保鲜效果，但是化学抑菌剂残留会对人体健康造成化学危害，因此植物提取物被广泛应用于果蔬保鲜中。早期对植物提取物的研究应用主要是其水提液与果蔬浸蘸进行保鲜，也可通过熏蒸、喷淋、复合涂膜与保鲜纸等载体结合的方式对果蔬进行保鲜处理，经植物提取物处理的果蔬保鲜效果较为显著。其中，植物提取物以有机酸类、植物精油与多糖类在各类果蔬保鲜中的研究与应用居多，而生物碱、皂苷与单宁类因其含有药用成分较为丰富，具有药用价值，故多数应用集中于医学临床与制药工业，在果蔬保鲜方面的研究较少[38]。

何丽芳等[39]通过实验测定经0.5 mg/mL芒果皮提取液与1%羧甲基壳聚糖复合涂膜处理的巨峰葡萄在贮藏过程中的腐烂率、失重率、呼吸强度等各项指标，结果发现在低温贮藏条件下，芒果皮提取液与羧甲基壳聚糖复合保鲜液具有显著的抑菌效果，同时可显著维持巨峰葡萄的质构品质，降低其烂果率与失重率，为巨峰葡萄的贮藏保鲜提供了一种新的方法；有学者将从银杏中提取出来的黄酮分别适量涂抹至被扩展青霉侵染的病害苹果与无病害苹果上，发现在4 ℃贮藏条件下黄酮能够有效抑制扩展青霉的生长，降低苹果的失重速度与褐变程度，以保持苹果的品质[18]。

壳聚糖柠檬精油涂层对草莓有显著的保鲜作用，减缓了样品的呼吸速率，它们会影响果实的代谢模式，添加柠檬精油提高了接种灰葡萄孢孢子悬浮液的草莓在体外试验和冷藏期间的壳聚糖抗真菌活性，根据这些结果，壳聚糖柠檬精油涂层可以作为延长草莓货架期的替代方法[40]；邓雯瑾等[41]将抗菌涂层包装应用于鲜切生菜的贮藏，利用百里香精油抗菌涂层包膜包装处理鲜切生菜，检测鲜切生菜货架期VC含量、多酚氧化酶活性与感官品质，并测定其对鲜切生菜中荧光假单胞菌的抑菌效果，结果显示在低温条件下，该抗菌薄膜具有显著的抑菌性与保鲜效果，能够降低鲜切生菜中营养物质损失与劣变程度，抑制微生物的生长及多酚氧化酶的活性，结合百里香精油抗菌薄膜包装在4 ℃下可将鲜切生菜的货架期显著延长4～5 d。

GINÉS等[42]研究了载香芹酚壳聚糖-三聚磷酸盐纳米粒子(carvacrol-loaded chitosan-tripolyphosphate nanoparticles，Np-EO)对鲜切胡萝卜片理化、感官和微生物质量的影响，结果显示与用相同浓度的香芹酚溶液处理的样品相比，用Np-EO溶液处理的胡萝卜切片没有显示出香芹酚相关的异味。胡萝卜片的理化品质在贮藏过程中也得到很好的维持，可高度保持产品如胡萝卜片的质量，而氯处理的样品在同样的贮存期间显示出2～3个对数单位的高水平；含有柠檬酸的生物活性乳清蛋白分离膜对苹果酶促褐变的抑制作用和理化性质的维持具有很好的效果，通过将膜施加到苹果切片上，检测其在贮藏期间的色泽、可溶性固形物、水活性以及多酚氧化酶和过氧化物酶活性，结果显示，苹果片在贮藏过程中的酶促褐变得到显著抑制，含有柠檬酸的薄膜维持了处理组颜色特征，减少了质量损失，延长了苹果的货架期[43]。

4 讨论与展望

植物提取物作为从植物中提取的纯天然化合物，具有显著的抗氧化活性，且在抗菌、抗肿瘤、清除自由基等方面表现出较强的功效。天然抗菌剂不会对环境与人体造成危害且具有较强抗菌性的优点，而植物提取物既可以改善食品的品质，防止过氧化，又起到抑菌杀菌的作用，且可保证其食用安全性。综合考虑，天然植物提取物可逐步替代目前用于食品、制药等工业的化学合成保鲜剂，其作为天然抗菌剂在食品保鲜、包装与加工方面有着广阔的应用前景与研究价值[2]。

国内外针对植物提取物中各类有效成分的提取工艺与配方暂时还未得到完善，提取过程或多或少会对其有效成分造成破坏导致提取效率降低，也会有一些不需要的化合物掺杂，使提取纯度降低，对植物提取物的稳定性与有效性产生不利影响。此外，仍有许多植物提取物的抑菌机理与生理作用未得到深入研究与应用，其对果蔬的保鲜机理在分子水平还未得到完整的验证与研究。