药食同源植物精油在食品保鲜中的应用进展

李娜,刘小杰,梅俊,谢晶*

1(上海城建职业学院 健康与社会关怀学院,上海,201415) 2(上海海洋大学 食品学院,上海,201306)

在我国中医食疗、健康养生的传统理念影响及新形势下经济高质量增长的发展要求背景下,药食同源植物的功能因子提取、成分生理功能特性及在食品营养加工、产品研发、保鲜应用等方面的研究受到了密切关注[1-3]。国家卫健委在2020年对药食同源植物种类目录进行了补充与更新,进一步奠定了药食同源植物在食品中应用的基础[4]。作为药食同源植物的重要功能成分,植物精油可经水蒸气蒸馏法、溶剂提取法、酶解辅助提取法等提取工艺获得,凭借其优良的抗氧化、抑菌特性被广泛应用于各类食品保鲜研究中[5]。李姗姗等[6]通过对比分析八角、金银花、香樟叶精油在樱桃番茄保鲜效果中发现：八角精油可显著减慢其失重率下降的同时,在维持营养成分含量、保持过氧化氢酶(catalase,CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性方面优势突出。MOHAMMADI等[7]研究表明,肉桂精油-壳聚糖复合涂膜液在抑制黄瓜贮藏期间微生物污染、理化特性劣变方面优势明显,实现了在10 ℃下货架期21 d的保鲜效果。IGNACIO等[8]将丁香精油协同大豆分离蛋白、蒙脱石制备的纳米活性复合膜用于蓝鳍金枪鱼的冷藏保鲜,发现蒙脱石可促进丁香精油活性成分的释放,并长时间保持丁香精油的抑菌、抗氧化活性,延缓金枪鱼的微生物腐败与油脂氧化进程。

本文针对药食同源植物精油的定义、保鲜原理及提取工艺等基本理论知识进行简要阐述,重点综述其在水果、蔬菜、畜禽肉、水产品各类食品保鲜中的应用研究进展,并就其技术壁垒进行分析,提出未来药食同源植物精油的发展趋势,旨在为拓宽药食同源精油在各类食品的保鲜应用提供参考依据。

1 药食同源植物精油概述

1.1 定义及种类

植物精油是由植物在生长代谢期间产生的小分子混合物质,其组成成分一般包括醇醛类、酸类、酚类、丙酮类、萜烯类等,具有生物降解性、高挥发性及低残留优势[9-10]。药食同源植物精油来源于兼具有医药、食用价值的草本植物,其中丁香精油、肉桂精油、迷迭香精油、薄荷精油、百里香精油、柠檬精油等多种类型精油已被广泛应用于食品保鲜应用[11-13]。我国作为精油生产大国[9],且对药食同源植物研究历史悠久,更多种类的药食同源植物精油将有待进一步开发,具有广阔的市场发展潜能与价值。

1.2 提取工艺

水蒸气蒸馏法是药食同源植物精油最简单、实现工业化生产应用最成熟的提取工艺,其提取效果取决于原料与水蒸气质量比、提取温度、提取时间等因素[14-15]。张怀予等[16]通过优化花椒精油的水蒸气蒸馏提取工艺,发现采用料液比11∶100(g∶mL)、蒸汽量73 mL条件下持续蒸馏1.6 h,可实现精油得率的最大化提升(6.71%)。研究表明,超临界CO2法、溶剂提取、超声波萃取、超声波辅助浸提等提取工艺可在不同程度上起到很好的药食同源植物精油提取效果[9,17]。每种提取工艺具有其独特优势的同时又具有其使用局限性,因此要根据提取原料、提取目标成分、提取纯度等实际出发,针对性地选择其最佳提取工艺。

在前期提取工艺基础上,近年来也陆续证实了新的提取工艺的有效性,CHEN等[18]研究分析超声辅助水蒸气蒸馏提取工艺参数对桂皮精油提取效率的影响,得出：此方法明显缩短萃取时间、提高萃取率,且提取得到的精油富含反式肉桂醛类化合物,经济价值高。ZHAO等[19]利用无溶剂微波辅助蒸馏-匀浆提取法提取桂皮精油,肉桂经71%乙醇匀浆处理后置于微波功率540 W条件下辐射40 min,可减少提取成分损失的同时具有提高精油得率、降低能耗等优势,比传统单一提取工艺具有更广阔的发展前景,这与CHOUHAN等[20]的研究结果一致。

1.3 保鲜原理

药食同源植物精油的抑菌性与抗氧化性主要是因其含有的芳香族化合物、醇醛类及有机酸成分,这也是其延缓食品腐败变质的重要因素[20-21]。药食同源植物精油中的抑菌成分一方面可通过破坏微生物细胞结构完整性使其细胞壁或细胞膜通透性改变,导致营养物质外泄而无法生长繁殖。另一方面,抑菌成分会造成微生物细胞酶系统功能紊乱,阻碍能量代谢与呼吸代谢[22]。同时,药食同源植物精油能够对细胞膜的类脂结构具有破坏作用,抑制分生孢子产生路径,有效控制食品中腐败菌的大量繁殖[23]。药食同源植物精油的抗氧化成分会明显减慢食品贮藏期间经氧化产生氢过氧化物与自由基的速率,进而减缓蛋白质氧化进程,尤其对富含蛋白质、脂质的食品保鲜效果良好[24]。但是,药食同源植物具有有效成分繁杂、不稳定的特性,目前对其保鲜机制的研究还不够成熟,因此还有待开展更加深入的研究,比如从分子结构水平。

植物精油自身具有易氧化、易挥发、有异味特性,采取有效途径缓释其有效成分也将是其保鲜应用中的技术壁垒与攻克重点,如将百里香精油与具有良好成膜性的壳聚糖协同制备可食性涂膜可有效发挥其抑菌特性,对西兰花表现出有效的保鲜作用[25]。

2 药食同源植物精油在食品保鲜中的研究进展

2.1 药食同源植物精油在水果保鲜中的研究进展

水果在采收后的包装、运输、贮藏、销售阶段,极易因机械挤压、微生物侵染、温度波动、冻害等环境因素改变而腐败变质。药食同源植物精油的提取工艺,不同类型植物精油对水果的保鲜效果差异等研究近年来受到中外学者广泛关注,也经常将药食同源植物精油与具有良好成膜性的糖基物质协同制备可食性涂膜保鲜液,用于各类水果保鲜。宋姝婧等[26]通过对比薰衣草、红百里香、迷迭香等5种精油对圣女果常温贮藏期间品质特性的影响,得出：相比于其他精油,红百里香精油可明显降低可溶性固形物、可滴定酸及抗坏血酸含量降低速率,也可有效延缓丙二醛(malondialdehyde amount,MDA)含量积累量,实现25 d贮藏坏果率仅为31.66%的保鲜效果,表明药食同源植物精油可保持圣女果的抗氧化活性、维生素C营养成分含量。蒋小飞等[27]经水蒸气蒸馏法制备鱼腥草挥发油,并将其与黄连生物碱、壳聚糖协同制备的可食性涂膜液处理芒果,结果表明,鱼腥草挥发油协同黄连生物碱可减缓芒果病情指数、水分及有机营养物质流失现象,药食同源植物精油复合膜在保持芒果安全卫生、营养价值等保鲜中具有广阔应用前景。PERDONES等[28]通过研究柠檬精油-壳聚糖对常温贮藏期间草莓挥发性成分的影响,实验发现：添加柠檬精油的壳聚糖涂膜处理会增加萜类化合物含量,对草莓感官风味特性具有明显积极作用。NAEEM等[29]研究小茴香精油对冷藏青芒品质特性的影响,结果表明：添加醇类小茴香精油的瓜尔豆胶涂膜可明显抑制青芒贮藏期间腐败菌的生长繁殖及理化品质特性劣变速率,与对照组相比货架期可延长14～18 d,实现24 d的货架期保鲜效果,这可能与小茴香可抑制霉菌等微生物污染密切相关[30]。从保鲜研究对象出发,目前针对药食同源植物精油在各类水果保鲜中的应用研究繁多,包括浆果类、柑橘类、仁果类等[31-33],且集中于对鲜切水果保鲜的应用研究。

不过,保鲜效果也因药食同源植物精油种类、精油添加量、水果种类、贮藏温度等因素影响,植物精油保鲜成分分析、保鲜机制还需进一步深入研究总结。同时,目前存在水果品质特性评价体系不够完善的问题,建立基于各类水果的品质高效针对性评价体系,也将助力药食同源植物精油在水果保鲜中的应用研究,为实际保鲜应用奠定理论基础。

2.2 药食同源植物精油在蔬菜保鲜中的研究进展

蔬菜种类繁多,其价格及经济效益受到不易贮存、运输设备落后的不对等因素影响,开发诸如气调包装、电解水短时处理、辐照等安全稳定性高且高效的天然保鲜技术近年来尤其受到广泛关注,其中植物精油被证明是有效途径之一[34-36]。赵昕等[37]经有机溶剂萃取法制备得到橘皮精油,并将其用于小白菜保鲜,通过研究不同浓度橘皮精油对2、20 ℃贮藏的小白菜保鲜效果的影响发现,添加1.5%橘皮精油有效抑制小白菜失重率、叶绿素和维生素C含量的损失,且对于不同贮藏温度表现出一致性,有效减缓了小白菜贮藏期间理化特性的劣变速率,延长货架期。研究也发现,药食同源植物精油存在活性成分不稳定、易挥发等弊端,通过包埋法、喷雾干燥等工艺制备缓释性精油微胶囊,可延长药食同源植物精油的缓释期限,明显提高保鲜效果[38-39]。张静[40]利用环糊精为壁材,以丁香精油、肉桂精油作为芯材制备微胶囊用于香菇保鲜,得出添加4%的肉桂精油微胶囊对香菇保鲜效果最好,能更好地保持香菇的理化特性。宋文龙等[41]将生姜精油通过喷雾干燥工艺填充于壳聚糖-明胶壁材中得到精油微胶囊,并制备得到聚乙烯-生姜精油胶囊活性包装,通过研究发现：微胶囊活性包装可明显改善秋葵保水性和感官特性,表现出良好抗氧化性能,保持其采后良好品质特性。这也充分表明,以克服植物精油自身缺陷为出发点的微胶囊制备工艺改进也是未来保鲜应用中的重要发力点,特别是与活性智能包装等技术的协同应用。

总体而言,目前药食同源植物精油用于蔬菜保鲜的研究明显少于水果保鲜,且以壳聚糖基作为基础物质复配制备得到的复合膜为主[42]。因此,可借鉴药食同源植物精油在水果保鲜中的应用研究,另外关于药食同源植物精油对蔬菜贮藏期间腐败菌群生长繁殖(优势腐败菌)、理化特性及风味感官特性研究还需要进一步深入,以对实际蔬菜保鲜应用起指导性作用。

2.3 药食同源植物精油在畜禽肉保鲜中的研究进展

畜禽肉及制品含有丰富的脂类、蛋白质等营养物质,水分活度高,其具有营养丰富的特性恰好可作为微生物大量繁殖的培养基,因此极易因环境因素而出现腐败菌繁殖、油脂氧化酸败、肌红蛋白氧化变色等现象,近年来也见到药食同源植物精油用于畜禽肉保鲜的相关研究报道,其中涉及对药食同源植物精油保鲜机理的初探[43-44]。齐文等[45]将八角茴香精油协同生物源保鲜剂制备复合涂膜液用于冷鲜牛肉保鲜,实验结果表明：药食同源植物精油复合涂膜液在保持牛肉质构特性、保水性方面具有明显优势,延缓牛肉品质劣变,实现了货架期延长8 d。刘倩[46]研究发现,花椒、肉桂精油协同孜然精油对7种羊肉腐败菌、致病菌具有明显抑制作用,同时对抗氧化酶活性降低具有减缓效果。WANG等[47]研究了添加不同浓度杏仁精油的壳聚糖可食性涂膜对牛肉中单增李斯特菌及品质特性的影响,得出添加1%杏仁精油的涂膜处理对保持牛肉感官质构特性、减慢单增李斯特菌侵染及油脂、蛋白质氧化方面均表现优良,应用前景广阔。以上研究均反映出药食同源植物精油可通过抑制营养物质氧化、微生物增殖、感官指标劣变途径,从而延长货架期。同时,针对于植物精油自身不稳定的缺陷,也有关于将植物精油微胶囊工艺、活性包装协同应用于畜禽肉保鲜的相关研究,精油种类包括丁香精油、生姜精油、玫瑰精油等[48]。ALIZADEH等[49]通过制备含TiO2-迷迭香精油的纤维素纳米纤维/乳清蛋白活性包装用于牛肉保鲜,发现其具有明显抑制牛肉中腐败菌生长、减弱油脂氧化及分解速率的作用,货架期可由原先的6 d延长至15 d。这与前面关于蔬菜保鲜的应用阐述类似。总体而言,药食同源植物精油在畜禽肉制品保鲜的应用研究集中于多种精油复配尤其是精油与其他种类生物源保鲜剂应用于生鲜畜肉研究较多,而关于药食同源植物精油对禽肉保鲜相关的研究还需进一步拓展延伸,而药食同源植物精油与冰温、真空包装等的协同功效研究也是重要的研究方向[50]。

另一方面,不同药食同源植物精油因活性成分差异,且受提取工艺、提取条件因素影响较大,保鲜机理研究繁杂困难,这也在一定程度上决定了其保鲜应用的局限性。从这个角度来看,建立标准化的药食同源植物精油提取工艺、精油贮藏环境优化将会是未来药食同源保鲜应用的“上游”研究方向,而深入研究不同药食同源植物精油活性成分的保鲜机理将是重要的“下游”工作重心。

2.4 药食同源植物精油在水产品保鲜中的研究进展

水产品营养丰富,富含优质蛋白、不饱和脂肪酸,是居民膳食中重要的蛋白质食物来源。近年来随着绿色安全、环境友好意识的提升,在水产品保鲜技术中,包括药食同源植物精油在内的生物源保鲜剂被认为是应用最具潜力的保鲜方式[51]。HEYDARI等[52]通过分析发现,薄荷精油-海藻酸钠复合涂膜处理后的鲤鱼在冷藏期间总挥发性盐基氮(total volatile base nitrogen,TVB-N)、过氧化值(peroxide value,PV)、硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid,TBA)值及微生物变化速率明显减缓,能够保持其良好品质特性。这表明药食同源植物精油在有效延缓水产品贮藏期间蛋白质氧化分解、油脂酸败及腐败菌无限增殖方面具有突出优势,类似的实验结果也在其他文献中得出[53-54]。刘善智等[53]在迷迭香精油-壳聚糖纳米粒制备工艺基础上,通过探讨其对冷藏草鱼贮藏期间品质特性的影响,发现迷迭香精油-壳聚糖纳米粒在抑制微生物繁殖、脂肪氧化方面效果显著。VIEIRA等[54]研究表明,丁香精油-壳聚糖涂膜对贮藏期间鱼片致病菌(大肠杆菌、单增李斯特菌、肠炎沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌)积累量及积累速率均具有明显抑制作用。同时,也能发现壳聚糖作为具有良好成膜性的优良基质,被作为载体协同药食同源植物精油广泛应用于水产品保鲜中。另外,随着居民对食品包装的安全意识增强,基于纳米抑菌剂的新型活性包装材料与药食同源植物精油也受到了研究者的关注,姜悦[55]制备茴香精油Nano-TiO2改性抑菌薄膜用于鲢鱼保鲜包装,保鲜效果良好。

与前面类似,药食同源植物精油在水产品保鲜中的应用也存在植物精油种类有限、机理研究不够深刻的局限性。另外,目前关于药食同源植物精油协同气调包装、臭氧、超高压处理等保鲜技术的组合保鲜方式用于水产品保鲜的相关报道甚少,因此在对药食同源植物精油保鲜机理研究的基础上,开展关于其组合保鲜技术的保鲜效果、协同增效机理也将是未来研究趋势。

另外,不管对于何种食品,关于药食同源植物精油的安全性也需要进一步研究确认,特别是用于各类食品保鲜的药食同源植物精油添加量、应用范围等方面也同样需要在理论研究基础上建立配套的准许准则。

3 总结与展望

药食同源植物精油凭借其绿色天然、活性成分丰富、保鲜性能优良等特性,被广泛应用于果蔬、畜禽肉制品、水产品等各类食品保鲜,其可通过延缓营养物质氧化分解、腐败菌生长繁殖途径来抑制食品腐败变质进程,实现延长货架期的目的。但药食同源植物精油自身活性成分尚不明确且繁杂,活性成分含量也会因提取工艺、提取条件等因素影响,这在一定程度上为植物精油的保鲜应用机理研究带来一定的挑战。因此,药食同源提取工艺优化、成分鉴定、保鲜机理及精油间协同功效作用将会是未来重点研究方向。同时,针对药食同源植物精油自身易挥发、难溶解、有效成分易分解的特性,采用微胶囊包埋技术、喷雾干燥分离、活性包装等提高药食同源植物精油功能特性的技术研究也有待进一步加深。目前用于食品保鲜的药食同源植物精油种类也主要集中于特定的几种类型,未来更多种类药食同源植物精油的开发与保鲜应用需要进一步拓展延伸,植物精油与目前低温贮藏、气调包装、超高压处理等保鲜技术的协同组合保鲜效果也将是未来重要的研究方向,特别是与大健康时代背景下提倡的绿色安全观念相一致,药食同源植物精油与活性智能包装材料的结合也将带来食品保鲜技术的变革。而从行业发展出发,关于各类食品品质特性评价体系的完善、药食同源植物精油相关系列标准建立(包括提取工艺、贮藏环境条件、使用范围、使用量等),是实现科研成果向实际生产应用转化的重要途径与支撑力,以促进食品保鲜行业的整体发展。