调味香料丁香精油的生物活性及其在食品保鲜中的应用研究进展

王颖，孙璐，柴冉，王娟娟，李荣*，姜子涛,2*

(1.天津商业大学 生物技术与食品科学学院，天津市食品生物技术重点实验室， 天津 300134;2.天津天狮学院 食品工程学院，天津 301700)

为了防止食品腐烂变质而危害健康，常在食品中加入一定量的食品防腐保鲜剂以延长保质期。食品保鲜剂分为天然保鲜剂和化学合成保鲜剂，后者存在安全隐患，使用不当会严重危害身体健康[1]，因此研发绿色、安全的食品保鲜剂显得尤为重要。天然保鲜剂凭借其绿色、健康、安全的特点，成为食品保鲜剂新的研究热点。现阶段精油已被应用于食品保鲜，丁香精油作为天然调味香料具有广谱抗菌性，且抑菌效果通常优于其他植物精油，于君等[2]对丁香精油的化学成分、应用等进行了综述，但对于其生物活性的作用机理并未探讨，且仅简要介绍了果蔬与肉制品保鲜方面的应用。本文现着重探讨丁香精油的重要生物活性——抑菌性及抗氧化性的作用机理，并对丁香精油在果蔬、肉制品、豆制品、水产品等方面的保鲜应用进行较为全面的综述，最后探讨了丁香精油在食品保鲜中丞待解决的问题并提出可能的解决方法。

丁香(Syzygiumaromaticum)为桃金娘科(Myrtaceae)蒲桃属(Syzygium)植物，由于花蕾呈“丁”字形，且带有强烈的香味，故称“丁香”。药用未开放的花蕾为“公丁香”；圆形或长椭圆形的成熟果实为“母丁香”，形状似鸡舌，亦称“鸡舌香”。丁香原产于印度尼西亚等热带地区，我国海南、广东、广西等地亦是丁香属植物的主要分布区。丁香为传统的调味香料，同时也具有一定的药用价值，具有补肾助阳和温中降逆的功效，可用于治疗食少吐泄、脾胃虚寒等症状，其主要活性成分是丁香精油[3]。

1 丁香精油的生物活性

丁香精油香气飘逸，具有丁香花蕾清浓、温暖、辛甜的香气，稍有焦糖和酸甜气息。常温下呈透明无色或淡黄色，不溶于水，易溶于醚、醇或冰醋酸中，其主要活性成分是丁香酚，还含有萜类、苷类、有机酸类等有效成分等。公丁香精油中抑制作用最显著的化学成分为丁香酚，中医临床上多以公丁香入药，功效佳；而目前关于母丁香药理作用的研究鲜有报道，但根据公、母丁香精油中丁香酚的含量可以推断母丁香及其精油的抗菌消炎、抗氧化等作用略低于公丁香。丁香精油具有抑菌、抗炎、抗氧化、驱虫等生物活性，以下对丁香精油最显著的性质抑菌性及抗氧化性进行详细阐述。

1.1 丁香精油的抑菌性及其作用机理

食品腐烂的原因之一是由于微生物病原菌的污染，微生物可能导致食源性疾病的发生。丁香精油的主要活性成分丁香酚具有抑菌、抗氧化等生理活性，因此丁香精油作为天然食品防腐剂亦具有较强的抑菌活性。已有研究表明丁香能够阻止冷却牛肉贮藏过程中菌落总数的增加[4]；此外，丁香精油对金黄色葡萄球菌生物膜亦有较好的抑制和清除作用[5]。作为丁香精油的主要成分，丁香酚在不同实验条件下对几种常见食源性病原菌均表现出较强的抗菌活性，如丁香酚作用于大肠杆菌和痢疾杆菌的最小抑菌浓度(minimal inhibitory concentration,MIC值)和最小杀菌浓度(minimal bactericidal concentration, MBC值)相等且均为312.5 μg/mL，作用于其他菌株MIC值和MBC值为625 μg/mL[6]。综上，关于丁香精油强抑菌性的报道众多[7-11]，但深入探讨其抑菌机理的研究相对较少。

天然产物的抑菌机理通常包括物理的、化学的、物理化学的和生物化学的机理，一般是几种高效性结果的累加或众多因素共同产生影响的结果。抑菌物质对微生物的抑制作用通常体现在对其细胞结构的破坏上，比如细胞膜、细胞壁、蛋白质、核酸及某些代谢相关的酶等[12]。丁香精油的主要抑菌机理大致有以下几方面：破坏细胞壁和细胞膜系统，致使细胞裂解甚至破碎，细胞内重要物质损失，最终导致细菌死亡[13]；在破坏细胞结构后进入细胞质膜或细胞内，抑制细菌生长所需的ATP和蛋白质的正常合成，并改变DNA或RNA的结构，比如丁香酚可通过形成丁香酚-DNA嵌合体改变DNA的结构，使微生物功能改变，发挥灭菌防腐作用；降低呼吸代谢所需关键酶的活性，使微生物细胞呼吸过程受抑制，呼吸链受阻碍，导致合成代谢受阻。

为进一步揭示丁香精油的抗菌机理，有学者还分别研究了其对单增李斯特菌的细胞膜、呼吸代谢及与DNA相互作用的影响，结果显示丁香精油会导致3个生物大分子(蛋白质、ATP和DNA)的减少和3个胞内酶(β-半乳糖苷酶和AKP)活性的降低，对细胞膜通透性有一定影响；抑制率和叠加率实验证实丁香精油影响单增李斯特菌呼吸代谢的途径为TCA途径，且可降低TCA途径中3个关键酶(异柠檬酸脱氢酶、柠檬酸合成酶和α-酮戊二酸脱氢酶)的活性，并影响代谢产物的含量；紫外吸收光谱结果表明丁香精油的主要成分丁香酚通过形成丁香酚-DNA嵌合体从而改变了DNA的结构。此外，亦有研究证明丁香酚可以抑制微生物生物膜的形成，且对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的细胞膜均有显著影响[14]。

1.2 丁香精油的抗氧化性及其作用机理

食品在生产、加工、贮藏、运输和销售过程中都易发生氧化和腐败变质[15]。丁香精油作为我国传统的植物精油，除上述抑菌作用外，在抗氧化、增香、保色、保鲜和防腐等方面均具有广泛的活性，故有关丁香精油抗氧化性的报道屡见不鲜。例如，研究丁香、牛至以及柠檬精油和生姜提取物的混合物对Balb/c小鼠器官抗氧化状态的影响，发现所有精油均能显著降低小鼠肝、脑组织LPO含量，提高肝、脑脂质抗氧化能力及肝脏抗氧化酶活性，其中丁香精油对红细胞的生物抗氧化作用最强[16]；丁香精油可通过Novozym 435催化其酯化反应，生产乙酸丁香酯、丁香精油和乙酸丁香酚的抗菌和抗氧化活性测定结果表明在酯化反应前后，尤其是酯化反应后，丁香精油的抗氧化能力均很高[17]；通过化学检测、拉曼光谱和感官评价测定丁香和肉桂精油在+4 ℃或-1 ℃冷藏条件下抑制即食猪排的脂质和蛋白质氧化的抗氧化作用，定期分析处理样品和对照样品中脂质和蛋白质的氧化，结果显示丁香精油比肉桂精油具有更高的抗氧化活性[18]。以上均证明了丁香精油的强抗氧化性，但上述研究仅测定了丁香精油的抗氧化活性，并未深入探讨其抗氧化机理。

天然香料的成分中通常都具有还原性成分，如酚羟基、还原性杂原子、不饱和双键等[19,20]。这些还原性成分单独存在时具有抗氧化性，它们组合时亦具有抗氧化作用，而且绝大多数会产生协同作用，使组合后的还原性增强。一般认为，植物精油同时具有直接和间接的抗氧化性：前者为精油的某些活性成分通过阻止链式反应的启动和阻断链式反应的传播两种方法来抑制或阻断自由基链式反应，即精油既可于启动阶段(Initiation)阻止自由基生成，亦可于传播阶段(Propagation)比氧化物质更快地与过氧化自由基反应生成较为稳定的物质，从而导致链式反应减缓或被阻断，其机制见图1[21]；而后者为精油作为抗氧化剂本身并不直接参加抗氧化过程，但可以借助其保护氧化基质的作用，从而提高机体的防御能力来发挥其抗氧化性。

图1 植物精油作为抗氧化剂阻断自由基链式反应示意图Fig.1 Schematic diagram of chain reaction of blocking free radicals with plant essential oil as antioxidant

1.3 丁香精油抑菌性及抗氧化性的影响因素

综上，丁香精油在众多食品中均具有较好的抑菌性和抗氧化性，这促使其在食品保鲜领域有良好的应用前景。但由于精油本身的一些性质缺陷，会对其抑菌性和抗氧化性造成很大的影响，比如：温度、浓度、pH值、有机质、提取方法等因素。

1.3.1 温度的影响

已有研究表明，浓度为0.4%的丁香精油于37 ℃时处理细菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌)的灭活效果比21 ℃时高18～19倍，即温度高时抑菌效果显著增强[22]。Tomaino等[23]的研究显示了温度对丁香精油等多种植物精油抗氧化活性的影响，在不同温度下(室温，80，100，120，180 ℃)处理3 h后，随着温度升高至180 ℃，除肉豆蔻精油的DPPH自由基清除效果显著升高外，丁香精油等其他精油均无显著变化，且在上述5种温度下丁香精油清除DPPH自由基的效果均显著高于其他精油(丁香>肉桂>肉豆蔻>罗勒>牛至>百里香)。另有研究采用分光光度法比较了12种植物精油气相清除DPPH自由基的能力，其中丁香精油的清除能力最强，且反应温度从10 ℃提高到50 ℃时，丁香精油清除DPPH的效果显著增加，清除率达到最高80.12%，实验表明提高反应温度利于精油活性成分的充分挥发，从而提高密闭环境中精油分压，促使其空间浓度升高，气相清除自由基的效率亦会提高[24]。综上可知，提高反应温度一般有利于丁香精油的抑菌和抗氧化活性作用。

1.3.2 浓度的影响

研究证明丁香精油的生物活性具有浓度依赖性，如体外熏蒸实验结果表明丁香精油对番茄果实灰霉菌和采后病原菌的抑菌效果随着高精油浓度的增加而增加，浓度为100 μL/L时效果最好；直接接触实验表明该抑菌效果随着精油浓度的增加先增加后降低，1.6 mL/L时最为显著，从而确定了丁香精油的最佳抑菌浓度。李玉邯等将酱牛肉置于不同浓度(0.05%、0.10%和0.15%)的丁香精油中浸渍后，进行真空包装，研究菌落总数的变化和2-硫代巴比妥酸过氧化生成物(TBA)来衡量浓度对丁香精油抑菌性和抗氧化性的影响。冷藏25 d后，0.05%精油浸渍的酱牛肉菌落总数超标，而0.10%和0.15%精油浸渍的酱牛肉菌落总数仍处于标准范围，且精油浓度越大，TBA值越低。TBA作为反映肉制品中脂肪氧化酸败程度的合适指标，其值越大，脂肪的氧化程度越高，酸败越严重。以上均说明随着丁香精油浓度的增加，其抑菌性和抗氧化性逐渐增强。

1.3.3 pH值的影响

丁香精油的抑菌活性pH值范围为4～6，丁香、甘草和迷迭香精油复配用于酱油防腐，除起到很好的抑菌效果外，也赋于酱油一种奇特香味，精油作为天然防腐剂在酱油或pH中性偏酸的介质中抑菌效力优于合成防腐剂苯甲酸钠[25]。酸性pH值时精油抑菌活性增强，这与酸性条件下菌体本身活性降低有关，且pH值的降低可以减少精油活性成分酚类化合物所含酚羟基的电离度，增加其疏水性，从而更易结合菌体细胞膜和脂蛋白，提高抑菌活性。

1.3.4 有机质的影响

研究显示加入有机质会降低丁香精油的抑菌活性，尤其牛血清蛋白(BSA)对金黄色葡萄球菌的干扰性最大，其减少细菌种群中的5个对数周期需要10 min(在无有机物存在的情况下仅需3 min)。首先，有机质导致丁香精油的抗菌活性降低，是由于精油与有机质之间相互作用导致精油不易被微生物吸收，无法进入菌体的细胞中破坏其结构。其次，不同的有机质使精油抑菌活性降低的程度不同，这是因为高浓度的蛋白质对细菌活性产生显著的干扰，故精油中所加有机质的蛋白质含量越高，精油抑菌性越差，反之亦然。米红波等[26]探讨了鱼类血红蛋白诱导脂质氧化的机理：新鲜鱼类富含大量血红素铁，随着储存时间的增加，血红蛋白逐渐变性，铁从血红素上释放，这些释放的铁离子促使生成高反应活性的自由基，最终启动了脂质氧化，而丁香精油中的酚类物质可以使铁离子还原为亚铁离子，从而可以有效抑制水产品在贮藏过程中发生的由血红蛋白诱导的脂质氧化，由此可推断对于血红蛋白含量高的水产品，丁香精油可以更好地发挥抗氧化作用。

1.3.5 提取方法的影响

不同的提取方法所提取精油化学成分、含量和结构有很大的不同。即使是同一种方法，提取条件(比如：加热温度、时间、料液比、萃取压力等)不同，得到天然植物中活性成分的抑菌与抗氧化效果亦不相同。丁香精油主要活性成分是丁香酚、乙酰基丁香酚及β-石竹烯，故也可用其主要活性成分的含量来判断丁香精油抑菌性和抗氧化性的差别。

众多学者研究了不同提取方法所提取精油成分的差异，从而影响其抑菌性及抗氧化性[27，28]。比如，李鹏等比较了水蒸气蒸馏法(hydro-distillation,HD)、微波法(microwave-assisted extraction,MAE)、超声波提取法、溶剂提取法和超临界CO2萃取法(supercritical fluid extraction,SFE)5种方法，发现SFE法具有提取温度低、提取时间短、无溶剂残留等优点，且此法的精油提取率和丁香酚总含量均最高，故可推断所得丁香精油的抑菌性及抗氧化活性均最强。Golmakani等对比了HD法和微波辅助水蒸气蒸馏(MAHD)提取丁香精油的工艺，MAHD法的升温速率是HD的5倍，而且MAHD法提取丁香酚含量(88.80%)稍高于HD法(87.26%)，同时使用自由基清除活性(RSA)、亚铁离子还原抗氧化力(FRAP)、铜离子降低抗氧化能力(CuPrAc)和亚铁离子螯合(FIC)4个指标更全面地评价所得精油的氧化性，结果显示MAHD所得精油的抗氧化活性显著高于HD法。Kennouche等[29]比较了HD法、MAE法和微波水蒸气蒸馏(MAHD)3种方法提取丁香精油，结果表明MAE和MAHD技术的精油产率和主要活性成分含量高，故具有更好的抑菌性和抗氧化活性。Podariu等[30]对比了HD和MAE两种方法提取丁香精油得率和主要活性成分，虽然HD法的得率(15%)低于MAE法(20%)，但其主要成分丁香酚含量(80.12%)却高于MAE法(78%)。此结论与Kennouche和Golmakani的研究结果有差异，通常情况下，MAE法由于微波作用，其提取率及有效成分含量应高于传统的HD法，微波萃取是丁香精油更为有效的提取方式，且可通过影响精油的活性成分从而影响丁香精油的抑菌性与抗氧化性。故不同提取方法对精油的提取率及活性成分都有很大的影响，从而影响精油的抑菌性及抗氧化性。即便是同一种提取方法，工艺不同，精油的抑菌性及抗氧化性也会有差别。

综上所述，丁香精油的生物活性及其作用机理、影响因素见图2。

图2 丁香精油的生物活性及其作用机理、影响因素Fig.2 Bioactivities, action mechanisms and influencing factors of clove essential oil

2 丁香精油于食品保鲜中的应用

2.1 果蔬保鲜中的应用

陈梅通过丁香精油番茄体外抑菌实验和番茄果实采后的防腐实验，证明了丁香精油既可以在体外条件下抑制番茄采后病原菌的生长，又可有效抑制番茄果实采后灰霉病的发生。Rizwana[31]经实验证明丁香精油对香蕉炭疽病病原体具有杀菌和抑菌作用。Torre等[32]评估了丁香精油预防番茄枯萎的效果，研究发现丁香精油能抑制菌丝生长和分生孢子萌发，效果显著。由此可知，丁香精油在果蔬保鲜方面应用的价值，故丁香精油可成为果蔬化学合成保鲜剂的潜在替代品。

2.2 肉制品保鲜中的应用

丁香精油对老北京肉肚中葡萄球菌、假单胞菌和环丝菌属均有较好的抑菌效果；丁香、肉桂及其复配精油处理香肠，经比较得出按1∶1复配的精油的抑菌效果最佳，贮藏期间菌落总数显著低于普通香肠，pH值始终较低，可延长香肠的货架期[33]；若使用丁香精油对酱牛肉进行浸渍，测试了处理后酱牛肉的TBA值，证明了丁香精油的添加一定程度上抑制了酱牛肉的脂质氧化，抑制了酱牛肉的菌落总数，并可提高酱牛肉的抗氧化性能。以上均显示丁香精油的添加可以一定程度上提高肉类食品的品质和抑菌及抗氧化性能。

2.3 豆制品保鲜中的应用

Cui等通过实验研究了丁香精油在内酯豆腐、盐卤豆腐、嫩豆腐以及老豆腐中的抑菌特性，精油的抑菌率在24 h后可高达99.9999%，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制效果均很显著。林琳等[34]研究丁香精油于4种豆制品(豆腐、豆干、素鸡、百叶)中的保鲜作用，1～2 d时，加入丁香精油的培养基上金黄色葡萄球菌的菌落数明显低于对照组，但3 d之后，两种培养基的菌落数几乎无差别，说明丁香精油对豆制品可以达到保鲜作用，但保质期较短，这亦和丁香精油的稳定性有关。综上，丁香精油作为食品添加剂，在短时间内减少导致豆类食品腐败的微生物数量是可实现的。

2.4 水产品保鲜中的应用

Dehghani等[35]利用含丁香精油和百里香精油乳剂的波斯氏全口香糖涂层(FGC)来延长冷藏虹鳟鱼片的货架期，结果表明在FGC中添加丁香精油可显著提高鱼片的品质。Binsi等[36]研究了添加丁香精油的涂层对冷藏鲶鱼片氧化稳定性和质构稳定性的影响，在冷藏过程中丁香精油包衣能更有效地保护鱼片的质构，延缓鱼片的脂质氧化。Rocha等[37]研究了丁香精油对牙鲆鱼片琼脂膜性能和货架期的影响，对涂膜牙鲆鱼片在5 ℃下贮藏15 d的微生物及理化性质进行了监测，结果表明丁香精油膜表现出更低的总挥发碱和pH值，且更显著地延缓了产H2S的微生物生长。

3 丁香精油于食品保鲜中丞待解决的问题

丁香精油虽广泛应用于食品保鲜行业，但其成分均为芳香性易挥发物质，用于食品保鲜时容易挥发，难以维持长久的防腐效果，且精油溶解度小，不易贮藏和添加。此外，丁香精油应用于食品保鲜中，用量少时可能对抑制细菌无效，无法维持食品的品质；用量大时，虽能抑制细菌增长乃至杀死细菌，但其浓郁的香味也可能影响甚至改变食物原本的风味。微胶囊技术[38]作为一种新兴包封技术，可保护被封装物质，避免在生产、储存和加工期间的不良反应，弥补其原有的缺陷，实现控制释放，隔离与食品物料之间的反应，亦可提高溶解度和耐湿性。通常，微胶囊由核心材料(填充物)和壁(涂层)组成(见图3中A)；精油由壁材包裹形成微胶囊后，可在不同的化学、物理或者机械的影响因素下进行控制释放见(见图3中B)。壁材料决定了微胶囊的稳定性、加工效率和对芯材的保护程度。脂质体是由磷脂分散在水中自聚集形成的具有双分子层结构的小囊泡的一种人工细胞膜。赵呈婷[39]通过纳米脂质体包裹丁香精油来显著提高精油的稳定性和水溶性，并制备出智能的α-溶血素刺激响应型丁香精油纳米脂质体来提高精油于食品应用中的控释保鲜作用。李丁等[40]采用β-环糊精(β-CD)包埋丁香精油制备抗菌微胶囊，并研究了其抗菌性能。β-CDs的微胶囊要比普通的微胶囊更具优势，β-CDs的微胶囊溶于水时不会析出丁香精油，而普通的微胶囊仅能解决精油分散的问题，若溶于水则会析出丁香精油。客体物质(Guest)被β-CDs包埋后，可提高光照、温度和酸碱的稳定性，并能提高其溶解度、挥发性等各种理化性质，尤为重要的是β-CDs对人体无毒害作用且成本低廉、简单易得。

图3 精油微胶囊(A)及精油控制释放(B)示意图Fig.3 Schematic diagram of essential oil microcapsule (A) and essential oil controlled release (B)

4 总结和展望

丁香精油天然、安全，已被众多国家和地区作为防腐保鲜剂应用于食品行业。其防腐效果甚至超过化学合成的食品防腐剂，气味清淡，只要很低的浓度便具有很强的抑菌和抗氧化效果，可以减少对食品风味的影响。丁香精油和其他植物精油的抑菌效果相比作用强，这预示着其作为天然防腐剂具有显著优势。目前，丁香精油的应用一般为直接用于食品的保鲜，但由于其易挥发、溶解度小，导致其不易贮藏和添加，从而限制了其应用。而丁香精油结合其他材料提高其稳定性、扩大其应用范围的研究是今后值得关注的问题。因此，丁香精油作为食品防腐剂还有极大的探索空间和应用空间。