天然植物源抑菌活性成分研究进展

贾睿，蔡丹*，刘景圣，李雪，沈月，杨敬博

1. 吉林农业大学食品科学与工程学院（长春 130118）；2. 小麦和玉米深加工国家工程实验室（长春 130118）

中国天然植物资源丰富，具有研究价值的植物多达万种。随着国内外学者对天然植物的研究不断深入，其化学组成、活性成分、生理功能、结构与功能关系逐渐被发现并广泛应用于功能性食品和医药领域[1]。天然植物资源中主要的化学成分有多糖、酚类、生物碱、苷类、有机酸、挥发油等，大量研究表明，这些化学成分广泛具有提高免疫力、抗肿瘤、预防心脑血管疾病、抗氧化、抑菌等生理活性[2-3]。

随着食源性疾病对人类健康的威胁，食品在生产、加工、运输及消费过程中的腐败性微生物和致病性微生物的控制越来越受到研究学者和产业的重视，天然植物源抑菌剂以其天然、安全、高效等特性已发展成为研究热点。因此，从不同天然植物源活性种类的角度，综述这些活性成分的抑菌效果、抑菌机理和应用现状，为天然植物源抑菌活性成分在食品、医药领域的应用提供理论支撑。

1 天然植物源活性成分种类及抑菌活性

随着天然抑菌剂的兴起，大批国内外研究者对植物活性物质进行研究与开发，发现植物中具有抑菌活性的次生代谢产物约400 000种[4]，多酚类、多糖类、挥发油、生物碱、萜烯类、酯类、醌类及有机酸等结构类型均有不同程度的抑菌作用。

1.1 酚类化合物

酚类化合物广泛分布于高等植物产生的次生代谢产物中，其基本结构主要有两类，一类是以C6—C1为基本碳架，另一类是以C6—C3—C6为基本碳架，后者即黄酮类化合物。根据酚类物质的化学结构可将其分为多聚体和单聚体，其中多聚体有鞣花酸单宁、原花色素苷；单聚体包括酚酸（没食子酸、对羟基苯甲酸、咖啡酸、龙胆酸等）、类黄酮（黄酮醇、查尔酮、黄烷酮、异黄酮等）。酚类化合物主要存在于水果、蔬菜、坚果、种子、茎、果实中，对植物的品质和产量起着重要作用。

1.1.1 酚类化合物对细菌的抑制作用

Kosikowska等[5]研究从棕榈根中提取大黄多酚，用肉汤微量稀释法测定其对金黄色葡萄球菌有较强的抑制活性。Smullen等[6]用70%丙酮水溶液提取出红、绿葡萄中的黄酮-3-醇，发现通过添加该提取物可抑制变形链球菌的产酸和生长。Nobakht等[7]从桉树树干中分离出的黄酮类物质3, 4, 5, 7-四羟基黄烷酮对铜绿假单胞菌有极好的抑菌作用。Rattanachaikunsopon等[8]从番石榴叶中分离的类黄酮槲皮素和槲皮素-3-O-阿拉伯糖苷显示所有受试细菌都有抑菌作用。Liu等[9]从柚子皮中提取黄酮类物质柚皮苷和乙酰柚皮苷，两者对革兰氏阴性菌的抑菌率分别为47.93%和83.54%。

1.1.2 酚类化合物对真菌的抑制作用

酚类化合物对引起食品腐败变质以及致病菌的真菌也具有明显的抑制作用。王虹玲等[10]研究表明，香蕉皮的单宁提取物对多种真菌具有较强的抑制作用，这些真菌包括根霉、青霉和酵母菌，并且香蕉皮单宁具有较强的抗氧化性。吕泽芳[11]采用甲醇溶剂作为提取剂对锦橙果实和果皮中酚类物质进行提取，试验结果表明提取的酚类物质对青霉菌和绿霉菌都有明显的抑制作用，并且抑制作用随着提取总酚含量的增加而越来越强。Pagnussatt等[12]从螺旋藻中提取以没食子酸为主要物质的酚类化合物，通过试验发现提取的酚类化合物对禾谷镰刀菌和黄曲霉均有良好的抑制作用。植物提取物的抗真菌活性与高含量的黄酮类化合物密切相关，通过研究发现香蕉皮黄酮对酵母菌有较强的抑制作用，并且通过纯化后的香蕉皮黄酮抑菌活性明显优于纯化前[13]。

1.2 植物挥发油

植物挥发油，即植物精油，广泛存在于植物的根、树干、树皮、茎、叶、花和果实中。植物挥发油被广泛用于医药、香水、化妆品和食品防腐剂行业。植物挥发油由萜烯类化合物（单萜、倍半萜和二萜）、酮类、环氧化合物、酯类、酸类、醇类和硫化物组成，具有良好的抗菌、抗病毒和抗氧化作用。

1.2.1 植物挥发油对细菌的抑制作用

王书平等[14]从辛夷、艾蒿和黄花蒿3种芳香植物中提取得到精油，通过菌丝生长法进行抑菌活性的探究，发现这3种芳香植物精油对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都有一定抑菌作用。Basile等[15]从马兜铃中提取的香豆素对金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、阴沟肠杆菌和幽门螺杆菌均有明显的抑制作用。Longbottom[16]从植物白术中提取的茶树精油通过添加乙二胺四乙酸提高对铜绿假单胞菌的抗菌活性。

1.2.2 植物挥发油对真菌的抑制作用

Prakash等[17]提取花椒油，其主要成分芳樟醇和肉桂酸甲酯对黄曲霉具有较好的抑制效果。Shukla等[18]通过水蒸气蒸馏分离出菖蒲精油，经过试验发现菖蒲精油在0.4～0.25 μL/mL时完全抑制黄曲霉菌株的生长，在0.5 μg/mL时对筛选的16种食品中出现的真菌有较强的抑制活性。Freires等[19]用干柱分流法提取的芫荽叶精油对念珠菌有较强的抑制作用。

1.3 生物碱

生物碱是一类重要的次生代谢产物，它主要来源于植物并且具有不同结构，已发现有超过12 000种不同结构。从化学角度来看，生物碱是一类含氮杂环化合物，可能由一个或多个氮原子组成。并且一些生物碱具有很强的生理活性，在抑菌和抗生素增强方面表现出不同的机制。生物碱对抑菌活性起作用的常见官能团是羟基、甲氧基及亚甲基二氧基，位于骨架环结构的指定位置。

1.3.1 生物碱对细菌的抑制作用

Mabhiza等[20]测定香茅中的提取物桔霉素对金黄色葡萄球菌具有较强的抑菌活性。小蘖碱是广泛存在于植物中的一种异喹啉生物碱，Yan等[21]试验发现从黄连中提取的小蘖碱和黄连碱对大肠杆菌有着极强的抑制作用。Móricz等[22]以甲醇和乙酸乙酯为提取剂，从马钱子的根、茎、叶中提取生物碱，通过薄层色谱表明了提取物对枯草芽孢杆菌和大肠杆菌具有抑菌活性。

1.3.2 生物碱对真菌的抑制作用

多甜甜等[23]采用生长速率法测定马铃薯糖苷生物碱对腐皮镰刀菌、核桃盘二孢和煤炱菌的抑制效果，结果发现该生物碱对3种受试菌均有抑制效果，但是对腐皮镰刀菌效果最明显。黄连中的小蘖碱对于真菌的抑制效果较弱，因此Quan等[24]研究小蘖碱与氟康唑协同作用，通过琼脂扩散试验显示协同作用下的小蘖碱提高对真菌的抑制活性。陈乃东等[25]用乙醇溶液提取白芍中的生物碱芍药苷，通过抑菌测试发现白芍提取物对酵母菌和黑曲霉菌均有良好的抑制作用。

1.4 植物多糖类化合物

植物多糖是由多个具有α-糖苷键或β-糖苷键的单糖组成的化合物，广泛存在于淀粉、纤维素、果胶等天然植物材料中。植物多糖具有多种生物活性，如免疫调节、抗病毒、降血糖、抗肿瘤、抑菌等。

1.4.1 植物多糖对细菌的抑制作用

绞股蓝草根中分离得到一种多糖GCP，试验证实GCP对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌活性，且对金黄色葡萄球菌的抑菌活性优于大肠杆菌[26]。Khemakhem等[27]证实橄榄叶多糖对大肠杆菌、蜡样芽胞杆菌和肠杆菌有一定抑菌作用。1.4.2 植物多糖对真菌的抑制作用

李瑜等[28]研究枸杞多糖和黄芪多糖的抑菌活性，结果发现这2种植物多糖对黑曲霉和产黄青霉的抑菌活性随着提取物的浓度增加而增强。袁海娜[29]证明仙人掌多糖对酵母菌的抑菌效果优于青霉，与其具有相似抑菌效果的还有甘草多糖。

2 天然植物源活性成分的抑菌机理

2.1 天然植物源活性成分对细菌的抑制机理

近年来，国内外学者对植物提取物的抑菌机理开展了大量的研究工作，不同来源的植物提取物其抑菌机理不同，主要通过探究细菌细胞膜的流动性、细菌细胞内各组分物质的流失、抑制细菌细胞内核酸的合成、影响细菌体内代谢酶活性等来揭示天然植物源活性成分对抑制细菌的机理。苦参黄酮G中的羟基与脂肪族取代基团能有效降低细菌细胞膜的流动性，一旦细菌细胞膜被穿透，小分子活性物质就会进入细胞，破坏细胞的新陈代谢，从而抑制细菌活性[30]。丁香酚的疏水性使其能够渗透到革兰氏阴性菌的外脂多糖膜中，破坏细胞壁结构，从而导致细胞内成分的泄露[31]。高良姜乙醇提取物能引起细胞内pH的变化和变性，破坏细菌细胞的细胞质功能，使核酸和离子丢失[32]。聚甲氧基黄酮能够提高细菌细胞膜中的转氨酶的含量，改变细菌细胞膜的选择通透性，导致大量内源性酶的渗出[33]。植物精油通过破坏磷脂双分子层和多糖分子的排列，导致细胞质内细胞成分凝固以及脂类和蛋白质层间联系破裂；另有研究表明，植物源活性成分的抑菌作用还与膜电位降低、质子泵破裂和ATP消耗有关[34]。

2.2 天然植物源活性成分对真菌的抑制机理

植物提取物对于真菌的抑菌机理主要是对真菌细胞的细胞壁正常生理功能的影响，以及影响真菌细胞的脂质层稳定性、膜流动性等。如植物精油会导致真菌细胞内成分的凝固，在酵母细胞中，植物精油会在细胞膜上形成电位，破坏细胞内ATP的产生，从而导致细胞膜损伤；因为电子传输系统通路内电子流动的改变使植物精油通过渗透过程穿透和破坏真菌细胞壁和细胞质膜，从而导致线粒体膜的分解[35]。此外植物精油还能影响真菌细胞内离子通道，尤其是Ca2+、质子泵及ATP，从而破坏线粒体膜的去极化，导致膜电位的降低。细胞膜流动性的这种变化可能导致电解质的渗漏，并且阻碍细胞蛋白质代谢，改变Ca2+浓度[36]。因此，线粒体内外膜的通透性可能导致细胞凋亡或坏死，最终起到抑菌效果。不同植物源活性成分的抑菌机制不尽相同，因此对于植物提取物的抑菌机理还有待于更深层次的研究。

3 天然植物源活性成分在食品工业领域的应用现状

多年来，防止食品腐败、延长食品货架期，始终是学者关注的研究热点。化学防腐剂虽然具有较强的抑菌活性，但随着人们食品安全意识的不断增强，对天然植物源防腐剂和抑菌剂的关注度也越来越高。目前，天然植物源抑菌活性成分在食品领域的应用主要体现在2个方面。

（1）采用喷洒、涂抹或包埋的方式将抑菌剂应用于食品防腐。如Chiu等[37]采用喷洒的方式将绿茶提取物喷洒在水果沙拉、生菜心和猪肉片的表面并探究其抑菌效果，结果表明绿茶提取物对革兰氏阳性菌有较强的抑制活性，同时还能有效抑制沙拉中酵母菌和霉菌的生长，从而使3种食品的保质期延长。Giarratana等[38]研究发现利用百里香精油和迷迭香联合，用包埋的方式使香肠中的单核细胞增生李斯特菌的生长受到抑制，从而能够延长香肠的储藏期，且能够保持香肠的良好风味。Ntzimani等[39]采用牛至精油和迷迭香复配应用于真空包装的半熟鸡肉中，延长了4 ℃真空包装的半熟鸡肉保质期7～8 d。

（2）将抑菌剂与蛋白混合制备可食性保鲜膜用于食品防腐和保鲜，在薄膜中加入抑菌剂会降低包装材料在产品中的扩散速率，从而有助于包装材料维持高浓度的活性成分。Zinoviadou等[40]在大豆蛋白可食膜中加入合理剂量的牛至与百里香精油，有效抑制碎牛肉冷藏过程中大肠菌群及金黄色葡萄球菌的生长，延长碎牛肉的货架期。Brink等[41]研究在乳清蛋白和壳聚糖可食用膜中添加蔓越莓和昆斯果汁酚类粗提物包裹火鸡肉发现，复合可食膜能有效延缓新鲜火鸡肉中伤寒沙门氏菌、大肠杆菌和空肠弯曲菌的生长，在不影响火鸡肉感官特性的前提下，明显延长火鸡肉的保质期。Mushtaq等[42]提取石榴皮中的酚类化合物作为抑菌剂，结合玉米醇溶蛋白成膜液制成复合膜在没有显著改变干酪的感官属性的前提下，有效延长KARALI奶酪贮藏过程中的氧化反应和微生物腐败。

4 结语与展望

具有抑菌活性成分的天然植物来源广泛，但大量研究工作集中于天然植物源抑菌活性成分的提取及药用植物的抑菌活性方面，对药用植物以外的植物提取物的抑菌活性研究较少，对抑菌机理的研究不够深入，同时对抑菌产品的开发与应用研究不够系统。因此，需要从几个方面开展研究工作：（1）扩大天然抑菌剂原料的选择范围。如杂粮、杂豆及粮食加工副产物中富含的酚类、黄酮、多糖等活性物质，目前对于这些成分的抑菌活性研究较少，因此扩大原料的选择范围对天然抑菌剂的发展和应用具有重要意义。（2）利用生物和信息技术开展天然植物活性成分与抑菌活性之间的构效关系，深度揭示植物提取物的抑菌机理。（3）应用场辅助手段提高天然植物源活性成分与传统保鲜材料的复合性和有效性，开发安全、高效、可降解的天然植物源可食性保鲜材料。随着科学技术不断进步，人们对食品安全及环保的不断重视，研究和开发天然、安全、有效的植物源天然抑菌剂对确保食品质量与安全、推动食品产业的可持续性发展具有重要意义。