植物精油稳定性的改善及其在食品中应用研究进展

2020-05-05汤友军鲁晓翔

食品工业科技 2020年7期

汤友军,鲁晓翔

(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)

水果和蔬菜、肉类等食品含有丰富的营养物质,不仅是人类饮食的重要组成部分,更是食品工业加工领域的重要原料,其供需量极大[1]。食品中微生物的污染是导致其在冷藏过程中腐败变质的主要原因之一[2]。然而,比之于传统的物理、化学等保鲜方法,植物精油作为一种天然植物提取物,能够抑制食品在冷藏过程中病原体的生长和微生物的污染[3],以其具有绿色、安全、高效、原料易得和提取工艺简单等优点成为新型食品保鲜方法应运而生,具有广泛的应用和开发前景。

但植物精油作为一种油状液体难溶于水、具有刺激性气味、易挥发、生物利用度不高,对温度、紫外线敏感,暴露在空气中易分解,在低温下还会有结晶析出等不足[4]。在利用精油进行食品保鲜中,需要精油在水相中发挥效用,精油的上述不足使其应用受到了极大的限制。因此,研究如何改善植物精油的稳定性,为植物精油的应用和综合开发拓宽途径具有重要的研究意义。

1 植物精油

植物精油(essential oil)是一类从植物中提取的次生代谢物质,分子量较小且可随水蒸气蒸出,具有一定芳香性、挥发性的油状液体物。精油类化合物广泛分布于桃金娘科、樟科、芸香科、伞形科、唇形科、姜科、菊科等植物中,集中在植物的根、茎、皮、叶和花果等非木质器官中,如丁香花蕾含有15%～20%的精油[5-6]。同一植物不同部位所含精油的有效成分也存在差异,如樟科桂属植物的树皮精油多含桂皮醛,叶中主要含丁香酚,根和茎的木质部主要含樟脑。植物精油所含化学成分复杂,主要成分有萜类衍生物、芳香族化合物、脂肪族化合物、含氮含硫类化合物等,如表1所示。目前,人们发现的精油已超过3000种,其中1340多种精油具有很好的抗菌、抑菌活性,已开发利用的约300余种[7-8]。植物精油作为一种无毒、无害的天然提取物,其有效成分具有抗氧化、抗病毒和抗菌等多重药理作用,已广泛的应用于食品保鲜等领域[9-11]。

表1 植物精油的主要成分Table 1 Main component of plant essential oils

2 改善植物精油稳定性的方法

对于改善植物精油的低水溶性、高挥发性等不足,国内外进行了大量的研究,研究表明,对精油进行包封能够提高精油的溶解度和生物利用率,保护其活性成分并控制其释放,提高精油的贮藏稳定性和使用性能。包封精油的主要方法有脂质体技术和微胶囊技术,此外,精油微乳液和纳米乳液对增强精油的水溶性、抑制其挥发及提高精油生物利用率也得到了很好的应用。

2.1 微胶囊

微胶囊(microencapsulation)是一种保存固体、气体和液体的微型包装技术,指利用天然或合成的高分子成膜材料为壁材将敏感性芯材包埋于其中的一种技术,可以有效防止芯材敏感成分受到外界不良因素的影响[12-13]。常用于微胶囊壁材的物质有:麦芽糊精、变性淀粉、环糊精等碳水化合物,单甘酯、硬脂酸甘油三酯和蜂蜡等脂类,明胶、麦醇溶蛋白、大豆蛋白、乳清蛋白等蛋白质[14]。

微胶囊化能够改变物料的溶解性、挥发性等物理状态,保护敏感性芯材成分,控制芯材释放,延长芯材的作用时间,从而提高芯材在应用过程中的稳定性。微胶囊还具有隔离活性成分,减少食品成分直接接触添加剂降低其效果,掩盖不良风味等作用[15-16]。但微胶囊的制作过程比较复杂,且成本较高,为固体粉末,限制了其在食品中的应用。

郑义等[17]研究表明,以桂花精油与壁材(阿拉伯胶∶麦芽糊精1∶2.5)为1∶6质量分数制成精油微胶囊,产品中桂花精油的含量为12.62%,能够有效防止光照、酸碱和氧气等外界因素对桂花精油在贮运过程中造成不良影响,提高桂花精油的贮藏稳定性。王娣等[18]以啤酒废酵母为壁材包埋制备百里香精油微胶囊,发现微胶囊对百里香精油具有很好的缓释作用,当精油与酵母为2∶1,包埋时间为10 h,包埋温度为60 ℃,百里香精油的包埋率为86.71%,在100 ℃的条件下加热30 h,精油微胶囊的挥发率为15.8%,有效延长了精油的使用寿命。孙旭等[19]研究表明,125 μL/L丁香精油微胶囊能够很好的抑制樱桃番茄的自然腐烂,7 d后仅为7.3%。250 μL/L丁香精油微胶囊对抑制葡萄自然腐烂效果最佳,7 d后仅为12.9%。

诸多研究结果表明,将桂花精油、百里香精油、丁香精油等植物精油微胶囊化能有效防止光照、氧气、酸碱等因素对精油的影响,对精油具有良好的包埋效果,能够延缓精油的油脂氧化及其活性成分的释放速度,提高精油贮藏稳定性,在樱桃番茄等果蔬保鲜中效果显著。因此,微胶囊技术是改善植物精油稳定性的有效方法之一。

2.2 微乳液

微乳液(micro-emulsion)是一种由一定比例的水、油、表面活性剂和助表面活性剂自发形成的透明或半透明、粘度低,粒径为1～100 nm的稳定体系[20]。微乳液可分为水包油型(O/W)、双连续型(B.C)和油包水型(W/O)。

微乳通过将油相包埋在颗粒内,利用微乳成膜机制避免与肠胃液直接接触,缓解了肠胃对油相的消化作用,提高载物在肠胃消化液中的稳定性,防止对载物的酶降解[21]。精油微乳液既能有效抑制精油挥发、增强其水溶性和抑菌活性,而且还可以保护包埋物不受光、热、氧等外环境因素的影响。

陶紫等[22]通过绘制伪三元相图制备香茅草精油微乳液,以吐温80为表面活性剂,无水乙醇为助表面活性剂、去离子水为水相,结果表明,吐温80与无水乙醇的质量比(Km)为3∶1,Km与精油的质量比为8∶2,水分含量为70%的O/W型的稳定均一的微乳液能够解决香茅草精油在应用过程中水溶性差等问题,通过DPPH自由基清除法,氧自由基及过氧自由基清除法分析比较香茅草精油和香茅草精油微乳液的体外抗氧化作用,结果表明,香茅草精油微乳液在水相环境中的抗氧化活性显著优于香茅草精油。赵瑞鹏等[23]研究发现,柠檬精油微乳液能显著提高柠檬精油在水油两相中的溶解能力,250 μL/L柠檬精油微乳液处理苹果,在4 ℃冷藏5 d后,对照组的可溶性固形物含量为12.18%,其处理组为13.08%,效果显著。500 μL/L柠檬精油微乳液处理苹果,与对照组相比,总菌数降低了0.32 lg cfu/g,能够较好地抑制苹果在冷藏过程中微生物的生长。

将香茅草精油、柠檬精油等植物精油制备成微乳液,精油微乳液可以实现精油的增效与增溶,对苹果等果蔬具有良好的保鲜效果。因此,将植物精油制备成微乳液对于提高其稳定性和增加其应用范围提供了新的思路。

2.3 纳米乳

纳米乳(nanoemulsion)是一类由水相、油相和表面活性剂按比例制成的粒径为10～100 nm,大小均匀,透明或半透明的胶体分散体系[24]。精油纳米乳液具有高生物活性,高稳定性,高光学透明度等物理化学性质。常用的制备纳米乳液的方法有高能乳化法和低能乳化法[25]。

纳米化可提高精油类等疏水性物质在水相体系中溶解性,增加分散度,防止精油生物活性物质的降解,提高其生物利用率,具有缓释和靶向等作用[26]。与微乳液相比,制备精油纳米乳所需的表面活性剂较少,且其具有更好的渗透性、稳定性,使得精油纳米乳液在食品中的应用越来越广泛[27]。但纳米乳为热力学不稳定体系,不能自发形成,需要外界提供机械作用力[28]。

甜橙精油是由85%～99%挥发性物质和1%～15%非挥发性物质组成,具有良好的抑菌作用,其抑菌性能与其高含量的挥发性物质有关,任婧楠等[29]采用相转变点法制备甜橙精油纳米乳液,结果表明,14%甜橙精油纳米乳液可以克服甜橙精油的不稳定性、高挥发性和水不溶性等不足,对桔青霉、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的抑菌圈直径分别为9.0、9.7、14.0和11.7 mm。青霉和黑曲霉是引起粮食霉变的常见微生物。周汉军[30]以12.77%(m/m)的复合表面活性剂(Cremophor EL30与无水乙醇为4∶1)和12.05%(m/m)桉叶精油制备纳米乳,其平均粒径为(39.29±1.21) nm,多分散系数为0.155±0.006,纳米乳液存放90 d后仍然稳定,精油纳米化增加了精油在水中的溶解性,增强了其抑菌活性,与常乳对青霉的最低杀菌浓度(MBC)为16 μL/mL相比,粒径为164.2和352.4 nm纳米乳对青霉的MBC分别为14和15 μL/mL。

将甜橙精油、桉叶精油等植物精油制备成纳米乳,纳米乳可以延缓精油及其活性成分的挥发,能够提高精油在水中的溶解性,增强其抑菌性能,扩大了植物精油在食品工业中的应用范围。因此,采用纳米技术对植物精油进行包封以提高其稳定性具有一定的应用前景。

2.4 脂质体

脂质体(liposome)是一种人工制备的球状小囊泡,由脂质双分子层组成,直径在25～1000 nm。脂质体的脂质双分子层的内外表面通常由磷脂分子的亲水性头部形成,磷脂分子的疏水性尾部位于中间,如图1所示。脂质体一般由胆固醇、磷脂和一些表面活性剂等材料构成。脂质体的制备方法有超声法、薄膜法、超临界CO2法等。

图1 脂质体结构示意图Fig.1 Structure diagram of liposome

脂质体包封精油提高了其在水中的溶解性,能够保护被包埋的活性物质,使它在转运过程中免受酶和免疫系统的破坏,提高其稳定性;同时还具有缓释作用,延长被包埋物的杀菌作用[31]。有研究表明[32],利用脂质体对天然抗氧化剂进行包埋,可以使活性物质选择在特定部位靶向释放,有效防止活性成分的挥发,显著提高抗氧化效果。然而脂质体对酸、热等因素敏感,贮藏过程中易发生絮凝、聚集融合,使被包埋物泄露,在澄清的饮料等产品中的应用受到限制[33]。

赵呈婷等[34]采用波薄膜-超声分散法制备丁香精油脂质体,结果表明,丁香精油浓度为5 mg/mL时,脂质体的稳定性最好,其平均粒径为149.2 nm,pH为7.12,Zeta电势为-24.5 mV,包封率为20.41%。原子力显微镜观测到丁香精油脂质体颗粒分散均匀、无明显聚集现象,脂质体储存至60 d具有较好的稳定性。丁香精油脂质体具有长效杀菌作用,将其应用于豆制品中5 d,其对豆制品中的金黄色葡萄球菌的杀菌率为99.995%。肉类食品含水量高,且富含蛋白质、脂类,是微生物生长繁殖的“天然培养基”。张雪婧[35]采用薄膜分散法制备豆蔻精油脂质体以提高其化学稳定性,结果表明,当脂质体中豆蔻精油为4 mg/mL时,其精油包封率为28.5%,Zeta电势为-49.2 mV。脂质体包封的豆蔻精油具有缓释,高抗菌活性等性能,经豆蔻精油脂质体处理的牛肉、猪肉和鸡肉,其单核细胞增生李斯特菌几乎均减少99.9%。

将丁香精油、豆蔻精油等植物精油制备成脂质体,能显著提高植物精油的水溶性和稳定性,延长植物精油的使用寿命和在食品应用中控释保鲜效果,对抑制猪肉等肉类食品中微生物的生长效果显著。精油脂质体作为一种绿色无毒的保鲜技术具有一定潜力。