植物精油抗菌机理及其在食品中的应用

郑渝川，陈方方，成会如，王灵慧，杨凌

（四川省林业科学研究院，四川成都 610066）

细菌污染和脂类氧化是食品质量降低、货架期缩短的主要原因[1]。长久以来，合成防腐剂在食品工业中被广泛用来降低微生物污染、抑制脂类氧化，延长了货架期，提升了食品质量和安全。随着生活水平的提高，消费者对天然食品添加剂的偏好和对合成添加剂安全性的担忧，促使了天然防腐剂的发展和应用[2]。人们希望天然防腐剂是广谱抗菌的，且有抗氧化能力，能提高易腐食品的质量和保质期[3]。植物精油是广泛研究和应用的天然防腐剂，富含活性成分，不仅能延长食品货架期，还能预防对抗人类多种疾病。目前已知精油大约有3 000种，其中约300种在制药、农学、食品、卫生、化妆品和香料工业中有重要的商业价值[4]。本文综述了不同植物精油的抗菌效果、抗菌机理以及在各类食品中的应用，以期为植物精油的应用提供参考。

1 植物精油概述

植物精油是天然的挥发性液体，成分复杂，可溶于脂质和有机溶剂，具有低分子量的特征。精油由萜烯化合物（单萜、倍半萜和二萜）、醇、酸、酯、环氧化物、醛、酮、胺和硫化物组成，按组分区别可分为两类：萜烯类和芳香类[4-5]。萜烯化合物是由异戊二烯结构单元形成的烃，通式(C5H8)n，这些化合物可能是无环、单环、双环或三环的。精油的大部分成分是单萜，约占精油的90%，使精油具有挥发性和令人愉悦的气味[6]。

研究表明植物精油对几种重要的食源性致病菌（大肠杆菌O157-H7、鼠伤寒沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、单核细胞增生李斯特杆菌、弯曲杆菌等）有抗菌作用。Mendel等[7]测试了96种精油和23种油类化合物对空肠弯曲杆菌、大肠杆菌O157-H7、单核增生李斯特菌和肠沙门氏菌的抗菌能力，结果表明27种植物精油和12种油类化合物对4种细菌均有一定的抗菌活性。抗空肠弯曲杆菌活性最高的精油主要来自生姜根、茉莉、胡萝卜籽、芹菜籽和苦柳橙；抗大肠杆菌O157-H7活性最高的精油主要来自牛至、百里香、肉桂、月桂叶、丁香、柠檬草、百香果；抗单核增生李斯特活性最高的精油主要来自月桂叶、丁香、牛至、肉桂、多香果和百里香；抗肠沙门氏菌活性最高的精油主要来自百里香、牛至、肉桂、丁香、多香果、月桂叶和马郁兰。油类化合物肉桂醇、香芹酚、苯甲醇、柠檬醛、百里香酚和丁香酚对4种微生物均有一定的抗菌活性。Dussault等[8]研究了67种精油、含油树脂及纯化合物对大肠杆菌O157-H7、金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌、单核细胞增生李斯特氏菌、鼠伤寒沙门氏菌、绿脓杆菌的抗菌活性，异硫氰酸烯丙酯、肉桂油树脂、肉桂树皮、牛至和百里香精油对6种致病菌有很强的抗菌作用。

精油的抗菌活性成分主要存在于植物的叶（迷迭香、鼠尾草、牛至、百里香和马郁兰）、鳞茎（大蒜和洋葱）、果实（小豆蔻和胡椒）、鲜花（丁香）和种子（芫荽、茴香、肉豆蔻）中。与其他痕量成分相比，精油通常包含了2～3种主要成分，占总量的20%～70%。例如，香芹酚（30%）和百里香酚（27%）是牛至精油的主要成分[9]。部分植物精油主要活性成分和可以抑制的微生物见表1。

2 精油的抗菌机理

疏水性是精油及其组分的重要特征，能够分离细菌的细胞膜和脂质层，通过使细菌细胞渗透性增加而死亡。一般认为精油对革兰氏阳性菌更有效，细胞膜与精油的疏水组分能很好地相互作用；相反，革兰氏阴性菌具有亲水性细胞壁，对植物精油有一定抵抗力[24-26]。但也有研究报道称，精油对革兰氏阴性菌的作用有时间延迟，在较长时间内，精油对革兰氏阳性菌和阴性菌均有杀菌作用[21,27]。牛至、丁香、肉桂、大蒜、迷迭香、芫荽、柠檬草、鼠尾草精油对革兰氏阳性和阴性细菌都有效[1,28]。精油影响微生物细胞有多种抗菌机制，包括攻击细胞膜的磷脂双层、破坏酶系统和细菌遗传物质并影响氧化不饱和脂肪酸形成脂肪酸氢过氧化物[1]。芳香族和酚类化合物会使细胞膜的结构和功能丧失，大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌经香芹酚和百里香酚处理后，细胞膜会分解，导致胞内物质渗漏[29]。百里香精油会破坏单核细胞增生李斯特氏菌的细胞壁，使其增厚、表面粗糙[30]。辣根和芥末中的异硫氰酸酯能使细菌二硫键断裂，导致胞外酶失活[29]。萜类化合物能够穿透细菌细胞壁并破坏脂质层，使其胞质渗漏、细胞裂解，并最终导致细胞死亡[30]。香芹酚能增加细胞膜的流动性，引起钾离子渗漏，导致膜电位崩溃，抑制ATP合成[31-32]。茶树精油对金黄色葡萄球菌的作用也是如此，会影响细胞壁，使K+损失、降低耐盐性，抑制细胞的呼吸作用[33]。

3 精油在食品中的应用

在食品工业中，合理利用精油能够起到抗菌、抗氧化、调香的作用，并提升食品的质量。Burt[21]在报道中提到，在食品中添加0.5～20.0μL/g或0.1～10.0μL/mL精油清洗蔬菜和水果，可以起到很强的抗菌作用。Lu[34]开发了一种含百里香酚的水果洗涤液，相比对照组，圣女果上的沙门氏菌减少了3.16×107cfu，总需氧菌减少了20 cfu，洗涤废液中的沙门氏菌减少了10 000 cfu，将圣女果在4℃和22℃条件下贮藏16d，发现处理组的颜色、pH值和质地没有受到负面影响。Fisher[35]在2cm2鸡皮上分别接种3.16×108cfu单核细胞增生菌、蜡样芽胞杆菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，使用柠檬、橘子、佛手柑精油及其组分柠檬醛和芳樟醇处理10min，发现细菌数量降至105～106cfu。Hayouni等[36]在接种了沙门氏菌的肉糜中添加了鼠尾草和胡椒精油，冷藏15d，当添加浓度小于0.1%（w/v）时，仅观察到抑菌作用；当浓度大于3.0%时，有很强的杀菌作用。谢晶等[37]将牛至、大蒜、生姜、丁香精油复配成抗菌乳液，涂膜在鸡蛋上，使鸡蛋的品质得到了提升；牛至和丁香精油对鸡蛋的保鲜效果最好。孟玉霞等[38]考察了14种精油对冷藏大黄鱼的保鲜抗菌作用，并从冷藏大黄鱼中分离出6株优势腐败菌，发现精油对腐败菌具有不同的抑制活性，其中肉桂醇的抑制活性最强，其次是丁香酚、百里香酚、柠檬醛、柠檬草及山苍子精油；同时，部分精油还能矫正大黄鱼肉的腥味。

4 精油的缺陷和解决办法

精油的抗菌效果与食品基质有很大关系，在复杂的食品基质中抗菌稳定性差。高脂肪、蛋白质、水分活度和酶都有可能降低精油的抗菌活性；低pH值可以增加精油的溶解度和稳定性，增加盐含量或降低贮藏温度可以提高精油的活性[21,39]；精油的挥发性成分随着贮藏时间增加而降低，影响抗菌性，例如芳樟醇和柠檬烯[40]；精油几乎不溶于水，该特性限制了其在部分食品中的应用；精油的抗菌作用与添加量在一定范围内呈正比，部分精油的异味与强烈气味限制了精油在食品中的应用。尽管体外抗菌试验和精油组分表明牛至和肉豆蔻具有显著的抗菌活性，在食品中添加1%～3%时有很强的抗菌作用，但大众感官可接受性会因此降低[41]。

将精油微胶囊化并制成食用膜、熏蒸可以解决部分精油的应用问题。Pan等[42]用酪蛋白酸钠包埋百里酚，发现百里酚微胶囊可以增强精油的分布性和溶解性，从而更有效地抑制乳制品中的食源性病原体。Gao等人[43]用含丁香、肉桂醛和百里香的精油熏蒸蘑菇，冷藏16 d后研究对褐变和品质的影响。结果表明，所有精油均能抑制蘑菇的衰老和腐败，其中肉桂醛的效果最好。谭瑞心等人[44]利用牛至精油与羧甲基纤维素混合，制备了具有抗氧化性和抗菌性的可降解活性包装膜；使用琼脂扩散法发现，精油包装膜能够显著抑制金黄色葡萄球和大肠杆菌的生长。

5 展望

食品中的基质是复杂的，如肉类在贮藏过程中，肉菌群会有极大的改变，即发生微生物的演替。目前，国内更多的研究集中于精油的体外抗菌和抗氧化性能，而精油在各种食品基质中对微生物的影响研究则较少。精油在食品中的化学变化、代谢以及对细菌演替的影响在世界范围内鲜有报道，且精油种类多、细菌演替复杂，需要更多先进的检测手段和数据支撑。因此，需要克服这一难题，明确其变化规律，以利于精油的应用。另一方面，精油的芳香气味不适合在部分食品中运用，因此可以研究精油与精油之间的协同作用，通过复配以达到提升抗菌性能、减少添加量并降低芳香气味的目的。