植物源天然防腐剂应用及抑菌机理研究现状

杨连战，李言，钱海峰，张晖，齐希光，王立

(江南大学 食品学院，江苏 无锡 214122)

食品富含多种营养物质，可以为人体补充所需营养，但也为微生物生长、发育提供了舒适的环境。为改善食品品质以及为防腐、保鲜和加工工艺的需要，往往会在食品中加入食品添加剂[1]。部分食品(肉类和水产)由于水分含量高，容易在常温下滋生腐败而不耐储藏，应加入适量的防腐剂。按照来源进行区分，防腐剂可以分为化学防腐剂和天然防腐剂[2]。化学防腐剂成本低廉、抑菌效果好，在食品工业上广泛应用，但逐步发现其用量超过一定限度后对人体健康可能有一定毒副作用[3]。而天然防腐剂来源广泛、安全健康，因而有望成为化学防腐剂的替代品[2]，但也存在缺点，如效果较差、成本较高、影响食品感官风味。天然防腐剂指的是由生物体分泌或者体内固有的抑菌物质，经过人工提取加工获得的一类食品添加剂，可以分为3个类别：植物源天然防腐剂、动物源天然防腐剂和微生物源天然防腐剂[4]。常见的植物源天然防腐剂有茶多酚、香精油、大蒜素，动物源天然防腐剂有壳聚糖、蜂胶、鱼精蛋白，微生物源天然防腐剂有纳他霉素、乳酸链球菌素、ε-聚赖氨酸[5]。植物源天然防腐剂可从植物的根、茎、叶、花和果实中提取出来，包含香辛料[6]、中草药提取物[7]、果胶酶解物[8]和果蔬提取物[9]等，种类繁多、绿色健康，能够有效抑制食品中的多种霉菌和细菌生长，是理想的抑菌防腐材料,相比于动物源天然防腐剂和微生物源天然防腐剂，其抑菌活性更强，相关研究更多。

目前，国内外关于天然防腐剂的研究众多，本文对植物源天然防腐剂的应用和抑菌机理进行了综述，以期为植物源防腐剂在食品工业中深入应用提供新思路。

1 植物源天然防腐剂的应用

植物源天然防腐剂种类多样，包括酚类、黄酮类、醛类和挥发油类等，这些物质不仅具有防腐作用，还具有降血脂、降血压、抗衰老、预防肿瘤等健康作用[10]。已有报道显示植物源防腐剂已应用于多类食品中，如动物性[11]、水产[12]、植物性[13]和面制食品[6]。

1.1 在动物性食品中的应用

动物性食品容易氧化变质，因此在加工过程中需要添加抗氧化剂或防腐剂。传统的肉干和香肠通过添加亚硝酸钠延长保质期，但过量的亚硝酸钠对人体有一定的危害。AZIZKHANI等[14]在牛肉香肠中加入迷迭香提取物，发现能够显著抑制微生物生长，同时还能够降低脂质氧化速率，还发现迷迭香提取物和薄荷提取物复合使用可以增强抑菌能力。ALIREZALU等[15]比较了绿茶、刺荨麻和橄榄叶提取物的抑菌活性，发现刺荨麻提取物具有最强的抑菌活性，可使细菌总数、霉菌和酵母菌数量分别减少5.77和2.02 log CFU/g。薛婉瑞等[16]利用响应面法获得最优的复合保鲜剂配方(4.44%香辛料、0.28%茶多酚、0.18%壳聚糖和0.04%纳他霉素)，发现保鲜剂能够显著降低羊肉的菌落总数，使其货架期延长至15 d以上，且降低了汁液损失率，保持了羊肉的原有品质。

植物源防腐剂在抑制肉制品中微生物的同时，也会改变肉制品的感官风味和质构特性。HERNNDEZ等[17]发现牛至精油处理对肠炎沙门氏菌和大肠埃希菌具有较好的抑制作用，其最小抑菌浓度(minimum inhibitory concentration,MIC)分别为0.038和0.028 mL/L(精油/干燥空气),但也发现牛至精油的浓度过高会严重影响感官特性，因此建议将牛至精油与其他天然防腐剂复配以获得较好的风味。禹迎迎[18]发现复合植物提取物可以降低熏煮火腿切片的pH值、改善质构，但当添加量提高到8 g/kg时，熏煮火腿切片色泽变暗，感官品质严重受损。SHAHBAZI等[19]将3种不同含量(0.5%、1%、1.5%，v/w)的薄荷精油加入骆驼肉中，在冷藏温度下放置12 d，发现微生物群的数量降低1～4 log CFU/g，且添加量为0.5%时骆驼肉具有更加优异的气味、颜色和外观。

动物性食品富含蛋白质和脂肪，易由于微生物污染或脂肪氧化而影响到食用品质。因此，肉品保鲜时，应当同时考虑所食用防腐剂的抑菌活性及其对脂肪氧化抑制的活力。但天然防腐剂的防腐效果一般比化学防腐剂差，需要更大的添加量。然而这样虽然起到了防腐的作用，也易导致肉制品的原有风味丧失。同时，天然防腐剂的MIC一般较高，现有的研究表明，使用复配防腐剂可以起到协同效应，因此在这方面可以加强研究。

1.2 在水产食品中的应用

植物源防腐剂在起到防腐作用的同时，也会影响水产品的质构和感官品质。ZHANG等[24]发现罗非鱼片经过体积分数为2%的苦荞肽处理过后，感官特性变差，其硬度、黏度、咀嚼度都高于未经处理的鱼片。唐艳[25]将乌梅提取物与稳定态二氧化氯进行复配，获得预制水产品复合生物防腐剂，发现其在鲐鱼加工过程中对微生物的抑制率高达98.3%，且鲐鱼的硬度略有上升，弹性和咀嚼性略有下降，黏聚性没有变化。ABBASVALI等[26]研究发现藏红花叶提取物能够延缓白虾脂质氧化、微生物生长和黑变的速率，使白虾的货架期增加3 d。

天然植物源防腐剂在水产品中的应用以鱼类为主，鱼制品同样也会因脂肪氧化而变质，所以在防腐效果相近时，应优先选用抗氧化能力较强的天然防腐剂。同时，虽然植物源防腐剂对水产品有较好的防腐效果，但部分效果较好的香辛料精油会由于其自身的刺激性气味严重影响水产品的感官特性。另外，水产类型多样，如保鲜、冷藏、冻藏等，不同类型有不同的需求，建议在这些方面可以开展研究。

1.3 在植物性食品中的应用

香辛料和中草药对水果中常见的青霉菌和灰葡萄孢菌有很强的抑制作用。CASTILLO等[27]研究结果显示250 mL/L的芦荟凝胶可使果实中的青霉菌、灰葡萄孢菌丝体分别减少4和2个对数值，且水果收获之前用芦荟凝胶进行喷洒，采后果实的呼吸速率可以降低约4 mg CO2/(kg·h)，失重率可以降低约1.5%。此外郭松年[28]和牛少恒[29]分别报道丁香提取液和冬凌草提取物对柑橘青霉菌、苹果褐腐菌和灰葡萄孢菌有抑制作用。GOLLY等[30]报道在低温储藏条件下用添加了1 mg/mL抗坏血酸或柠檬酸的黄原胶能抑制葡萄中的微生物活性，保护葡萄的化学组成、色泽、抗氧化性和质构不被破坏。

植物源防腐剂在抑制微生物的同时，也能抑制果蔬中氧化酶的活性。XU等[31]将葡萄柚种子提取物浸涂在葡萄果实表面，先在(2±1) ℃储藏9周后在(18±3) ℃储藏5 d，发现果实的呼吸速率和乙烯释放速率下降，超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶的活性得到增强，多酚氧化酶的活性受到抑制，果实的失重率下降3.79%。ALVAREZ等[32]将新鲜切好的芹菜、韭菜和南瓜分别用15 μL/mL茶树精油、15 μL/mL蜂胶提取物和2 mg/mL没食子酸进行处理，发现蔬菜中的过氧化物酶和微生物受到显著抑制，保质期可以延长至14 d。郑炯等[33]发现将1.5%的茶多酚与1.5%的壳聚糖、0.05%的纳他霉素复配，可以降低麻竹笋在储藏过程中苯丙氨酸解氨酶和过氧化物酶的活性，使酶活性峰值出现延后至27 d，将麻竹笋的保质期延长至36 d。

植物性食品极易受到病原微生物的侵染而腐败变质，并产生有害物质；同时，果蔬中氧化酶的活性越高其衰老速率越快，为降低果蔬的呼吸速率和失重率，提高好果率，需要同时考虑防腐剂的抑菌性和抗氧化性。而天然防腐剂复配可以同时增强抑菌和抗氧化效果、降低添加量，建议未来可在植物源复配防腐剂方面开展研究。

1.4 在面制品中的应用

香辛料中丁香、百里香和肉桂的主要活性成分是丁香酚、百里酚和肉桂醛，具有很强的杀菌能力，可以延长面制食品的保质期[34]。VAZIRIAN等[35]利用柠檬草精油制成蛋糕，再加入1.5×105CFU的大肠杆菌、白色念珠菌、蜡状芽孢杆菌和鼠伤寒沙门氏菌，72 h之后检测发现蛋糕中的微生物都已死亡。李巧巧等[36]研究了柑橘精油及D-柠檬烯的抑菌性，发现以液体形式作用，抑菌能力由大到小为D-柠檬烯>柠檬油>柚油>橙油，而以气体形式作用时只有D-柠檬烯可对酵母菌和青霉起到作用，且将气体D-柠檬烯应用于面包可使酵母菌和霉菌总数下降2～3个对数值。植物精油具有挥发性，易在使用过程中挥发，而将精油封装于微胶囊中能够增强稳定性[37]。PASSARINHO等[38]将15%牛至精油填充到小香袋中，然后利用其挥发性逐渐扩散到包装袋中，储藏15 d后发现面包中酵母和霉菌的数量只增加2 log CFU/g。

植物源防腐剂尤其是香辛料在抑制腐败菌的同时，也会对烘焙食品的质构和风味造成影响。WANG等[39]发现鹿角漆树提取物虽然能够延长面包的保质期，但降低了面包的比容、水分含量、硬度和感官品质。另外，有报道显示通过喷洒精油在面包上延长保质期，是一种很有前景的储藏技术[6]。可SALIM-UR-REHMAN等[40]研究表明将柑橘皮精油喷洒在切片面包上虽然能够抑制微生物生长，但影响了面包的硬度、色泽、味道和质构。为削弱天然防腐剂的负面作用，SNCHEZ等[41]同时考虑水分活度和精油添加量2个因素，发现水分活度为0.925和香芹酚添加量为100 mg/kg时面包具有很强的保鲜能力，且感官特性不会遭受损害。

面制食品包括面包、饼干和各类糕点等，有着优良的口感和风味，保质期长的产品基本都使用化学防腐剂。随着消费者对健康的追求，天然植物防腐剂是消费者的首要选择。但植物源防腐剂可能会对面制食品的感官品质产生负面影响，且植物源防腐剂的加入方式(直接添加、胶囊包埋、抗菌薄膜、喷洒添加)会影响其在面制食品中的抑菌效果，建议可在这些方面加强研究。

2 植物源天然防腐剂抑菌机理

植物源天然防腐剂具有很强的抑菌活性，其作用机理也不尽相同，主要可以分为以下3种方式：破坏细胞壁和细胞膜、抑制蛋白质功能或与遗传物质结合、抑制细胞呼吸作用。

2.1 破坏细胞壁和细胞膜

一些植物源防腐剂，如丁香、百里香和肉桂精油等能够破坏细胞壁和细胞膜的结构，导致AKP、K+和核苷酸泄漏，从而促使细胞死亡[42-44]。LVAREZ-ORDNEZ等[45]研究发现柑橘提取物能够使细胞屏障功能丧失，甚至引起核苷酸泄漏，导致细菌受到不可逆的损伤。ALI等[46]发现芦荟凝胶能破坏大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的细胞壁和细胞膜，导致细胞的蛋白质和核苷酸大量渗漏。ZHANG等[47]发现香茅精油对金黄色葡萄球菌的作用是通过破坏其细胞结构的完整性，使细胞发生凹陷和皱缩。CAI等[48]发现柠檬醛可以使大肠杆菌和沙门氏菌细胞中的AKP、电解质和核苷酸被释放到细胞外，从而降低细胞活力。已有研究表明，细胞壁和细胞膜体系的完整性和通透性受到破坏是微生物凋亡的一个重要原因，同时该过程会促使膜内物质漏出、膜外防腐剂渗入，导致细胞中蛋白质、遗传物质的功能以及呼吸作用被抑制。

2.2 抑制蛋白质功能或与遗传物质结合

研究发现，丁香酚、百里酚和香芹酚能够阻止细菌迁移、黏附、代谢、合成蛋白质，从而抑制常见的食物源大肠杆菌、沙门氏菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、链球菌和李斯特氏菌生长[49]。FRIEDMAN[50]发现肉桂醛会诱导氧化应激，阻碍DNA复制，抑制大肠杆菌中各基因的功能表达，并能与膜蛋白或其他蛋白、核苷酸等成分发生化学相互作用，从而影响细菌正常代谢。WU等[51]研究发现杨梅素在破坏细胞膜之后，能够通过凹槽结构与DNA结合，进一步抑制细胞遗传功能的表达，从而促使细胞凋亡。宋卫国[52]报道大蒜素的主要活性成分是含硫有机化合物和皂苷类化合物，能够竞争性地抑制蛋白酶、细胞壁酶的活性和细菌DNA、蛋白质的合成。已有研究表明，当细胞膜被破坏之后，植物源防腐剂中的部分物质能与细胞中的蛋白质或遗传物质结合，从而抑制细菌各种功能的表达，导致细胞失去生长、发育和繁殖的能力。

2.3 抑制细胞呼吸作用

对于细菌来说，维持其ATP合成的能力至关重要，因为ATP是几乎所有生物化学过程的主要能源。QIAN等[53]发现香草酸可以降低阴沟肠杆菌细胞内ATP浓度、pH和膜电位，并能显著改变细胞的形态结构，从而抑制细菌的生理活性。另外，研究表明牛至精油[54]可以抑制细菌的三羧酸循环和ATP酶的活性，显著提高细菌细胞内丙酮酸的浓度，降低ATP的浓度，改变细胞膜的通透性，导致代谢功能紊乱，使细胞无法转换和利用能量而凋亡。细胞膜两侧的离子浓度梯度是细胞生长和代谢过程的基础，BOUHDID等[55]报道肉桂精油通过增加铜绿假单胞菌细胞膜对K+的通过率以抑制细胞呼吸作用，而精油处理后的金黄色葡萄球菌的代谢活动和复制能力大幅下降，进入一种活的但不能培养的状态。因此，植物源防腐剂能够抑制呼吸作用，降低细胞中ATP的浓度，使细胞无法进行正常的生理代谢过程而死亡。

3 结论与展望

植物源天然防腐剂较为安全，符合消费者对食品安全的追求，因此可对其进行深入研究，将其更广泛地使用到食品工业中。已有研究表明，植物源天然防腐剂能够通过破坏细胞壁或细胞膜、抑制蛋白质功能或与遗传物质结合、抑制细胞呼吸作用的方式抑制细菌和真菌，且可以用于动物性、水产、植物性和面制食品。但是植物源天然防腐剂对食品存在诸多负面作用，且没有得到广泛应用，主要还存在以下几个方面的问题需要进一步开展研究：(1)天然防腐剂抑菌效果稍弱，且不同来源的防腐剂抑菌活性和范围都不尽相同，复配防腐剂的研究还处于起步阶段，可作为重点研究方向；(2)各类防腐剂对食品本身质构和感官特性有一定的影响，研究或应用时需综合考虑防腐效果和食品品质；(3)动物性和水产等食品的品质会由于氧化而降低，应该同时考虑防腐剂的抑菌活性和抗氧化能力；(4)现有植物源天然防腐剂抑菌机理的研究大多是细胞实验，建议更多地在食品体系中进行研究。