植物精油对病原微生物作用机制及 在浆果保鲜上的研究进展

李德海，蒋沙沙

（1.东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨 150040）（2.黑龙江省森林食品资源利用重点实验室，黑龙江哈尔滨 150040）

随着国内经济快速发展，饮食多元化成为为满足居民对日益增长的物质文化生活的一种需求，这也催促了中国浆果类鲜果市场需求持续攀升。浆果分为不同的科属，如茄科、猕猴桃科、忍冬科、杜鹃科、葡萄科等。浆果不但果肉水分含量高，并且含有丰富的 糖、蛋白质、有机酸、维生素、矿物质等营养物质，以及多酚、花青素、黄酮等具有生理活性的物质[1]。而采后由病原微生物污染导致浆果的腐烂变质是造成其采后浆果保鲜的主要原因之一。这些病原微生物一旦感染到浆果中，就会使其果皮破裂，果肉软烂，失去固有的光泽与风味。并造成浆果腐败变质，进而给果农造成巨大的经济损失。目前，化学防腐保鲜剂在我国浆果类水果贮藏中已得到广泛应用，但同时化学防腐剂存在诱癌性、致畸性和易引起食物的慢性中毒等不安全问题[2]。因此，开发天然安全无毒害的浆果保鲜抑菌剂显得尤为重要。

植物精油（essential oils，EOs），又称香精油、芳香油和挥发油，从植物的花、叶、根、皮或全植物中以蒸馏、压榨等方式提炼而得，属于植物体内的次生代谢物质，具有一定挥发特性的油状混合物液体的总称[3]。对病原微生物具有很好的抑菌作用，同时具有无毒低残留、天然环保、不易产生依赖性与抗药性等特点[4]，常用于水果、蔬菜、鲜肉、鲜蛋的保鲜。但是，植物精油提取成本高、耗时大、化学成分复杂，且本身易挥发的特殊香气有可能对有些浆果本身的香气造成影响[5]。因此，在使用天然植物精油对浆果进行贮存保鲜时，不同成分之间的协同作用可能产生更加有效的抑菌保鲜效果，也可以与其他的天然物质结合制成为微纳米材料代替单一植物精油的使用[6]。这就大大减少了贮藏浆果时的成本，也减少对浆果品质的影响。针对采后浆果遭受病原微生物侵入导致浆果腐败变质这一问题，总结近几年天然植物精油对病原微生物抑菌机制的研究进展，并对采后浆果类水果运用植物精油贮藏保鲜研究现状进行分类综述，展望了植物精油在浆果保鲜中的发展趋势，以期为后期拓展其应用领域提供理论参考。

1 植物精油来源及活性成分

植物精油是植物源保鲜剂的一种，在生物保鲜技术研究领域中备受关注[7]。植物精油为芳香植物的高度浓缩脂溶性天然化合物，具有挥发性、高渗透性等特点，并且借其安全、高效、可被人体消化道降解等诸多优点[8]，被作为很有应用前景的天然保鲜剂。目前研究发现植物精油天然来源广泛，已有17000多种芳香植物能够产生精油，通常属于被子植物科、唇形科、芸香科、桃金娘科、姜科和菊科木兰科等[9]，也是天然产物化合物的可持续资源。并且自中世纪以来，植物精油已被广泛用于制药、卫生、化妆品、农业和食品行业中[10]。植物精油构成成分复杂，包含100多种，主要是醇类、醛类、酸类、酚类、丙酮类、萜烯类等，大多成分具有抗氧化、抗菌、抗病毒等多方面的生物活性。其中，最主要的是它可作为天然抑菌剂的重要来源，对病原微生物具有很好的抑菌作用。常见植物精油的主要活性成分及对浆果中常见的病原菌的抑菌作用如表1所示。

表1 植物精油的主要活性成分及对浆果中常见的病原菌的抑菌作用 Table 1 The main active components of plant essential oils and their bacteriostasis to common pathogens in berries

2 植物精油对病原微生物的抑菌机理

由于植物精油的种类和官能团位置不同，所以针对不同的病原微生物的机制不尽相同，植物精油对微生物的作用靶点及抑菌机制如图1所示[27]。植物精油抗病原微生物作用的机制主要体现在四个方面：（1）破坏细胞膜结构；（2）影响细胞内生物大分子合成；（3）紊乱能量代谢；（4）破坏病原菌的菌丝和分生孢子的结构。

2.1 改变细胞膜发挥抑菌作用

植物精油可以通过破坏病原微生物的细胞膜，使膜结构发生巨大变化，细胞内物质的流失，致使病原菌死亡，从而达到抑菌效果。通过破坏膜内外的电位差、通透性、完整性3种方式作用于病原微生物细胞膜，产生抑制作用。首先细胞膜内外形成电位差。Song等[28]研究柑橘精油处理过的金黄色葡萄球菌的荧光强度显著下降，使细胞膜电位发生变化，导致细胞代谢活动异常，扫描电子显微镜图像也显示出细胞膜受到破坏，从而实现抑菌作用。其次影响细胞膜的通透性。薄荷精油对病原微生物的抗菌机理，利用流式细胞术技术通过荧光探头的渗透能力不同，来识别细胞中的DNA是否外流。结果表明薄荷精油通过破坏大肠杆菌、单增李斯特菌和肠炎沙门氏菌的细胞膜，增加膜的渗透性，抑制了细菌呼吸活性[29]。再者是破坏细胞膜的完整性。水晶紫罗兰很容易进入受损细胞，并对其吸收的特点，根据细胞对紫罗兰的吸收量的大小，可以判断细胞膜破坏的完整性的程度[30]。另外，以1.00 g/L浓度的芥末精油包合物处理棘孢曲霉60 h后（处理组），同时以未进行芥末精油包合物处理的为对照组。处理组β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶活性相比对照有所上升，推测细胞壁的主要结构成分β-1,3-葡聚糖和几丁质发生了更多的降解，导致棘孢曲霉死亡[31]。

2.2 改变核酸和蛋白质发挥抑菌作用

病原微生物的基本结构核酸或者蛋白质，任何一个受到损伤或破坏，都会影响遗传物质正常的复制表达及病原微生物的生长繁殖。植物精油及其主要成分不但可以破坏核酸基本的双螺旋结构，还可以抑制基因表达，阻止蛋白质合成。丁香油通过阻止单核细胞相关基因中的蛋白质表达，进而阻碍相关蛋白质和酶的合成进而发挥抗菌作用，导致细胞中蛋白质表达量减少，产生抑菌活性[32]。Rodrigo等[33]证实了丁香精油和迷迭香精油对黄曲霉的作用机制，结果显示两种精油通过核浓缩和质膜损伤来诱导细胞凋亡，并且可以使laeA基因、lipA基因和metP基因（编码金属蛋白酶）三个基因的表达量发生下调，达到抑菌的效果。Tagliati等[34]研究发现百里香、香茅、迷迭香挥发精油可直接作用于蛋白质，使得其合成过程中的复合物的稳定性发生变化。李燕妮等[35]研究了芥末精油包合物对红毛丹的优势致腐微生物棘孢曲霉的DNA和RNA的生物合成和代谢受到显著影响；酶活性相关基因、跨膜运输调节相关基因受到显著影响；有丝分裂过程受到严重抑制从而抑制体细胞产生；呼吸电子传递链及能量代谢水平受到显著抑制。精油对蛋白质结构影响尚存在短板，并且对DNA的具体作用位点也尚不明确。

2.3 改变细胞代谢过程发挥抑菌作用

天然植物精油从通过影响病原微生物的代谢过程，发挥抑菌作用。Qian等[36]研究发现香草酸可以改变耐碳青霉烯类阴沟肠杆菌细胞内ATP的浓度。麝香草酚可抑制沙门氏菌ATP合成酶活性，影响柠檬酸代谢途径，进而干扰三羧酸循环进程。另外，通过线粒体中活性氧供给变化可以影响细胞代谢，马鞭草精油去处理黄曲霉，发现菌体内活性氧迅速增加，线粒体的功能紊乱使细胞死亡[37]。葡萄糖是微生物形成ATP的重要物质，改变培养基中葡萄糖含量，对比精油主要成分丁香酚对单增李斯特菌能量合成过程中的抑制作用，当含量少时能够抑制合成ATP过程反应途径中关键酶ATP合成酶的活性。并可能引起细胞离子泄漏，从而分散质子动力，导致其代谢紊乱[38]。这些精油极大地改变了病原微生物的形态结构，最终抑制病原微生物生长。

2.4 破坏菌丝和分生孢子结构

根据病原微生物菌丝或孢子的生长情况，选择抑制其生长作用强的植物精油以达到阻断病原微生物的生长繁殖。目前国内外对病原微生物菌丝以及孢子生长的影响情况研究较少。（1）针对菌丝形态。Bomfim等人[39]探究百里香酚在一定浓度能够有效抑制枯萎病菌，主要表现为菌丝生长缓慢，菌丝表现外形细弱，分支有明显的减少并会伴随部分菌丝发生断裂的情况发生。甜樱桃采后优势致腐真菌分别为灰葡萄孢菌、链格孢菌和胶孢炭疽菌。丁香精油有较强的精油疏水性，通过抑制3种真菌菌丝生长和孢子萌发，破坏了菌丝形态，抑制其生长[40]。（2）针对分生孢子。用槟榔叶精油处理的黄曲霉孢子，使细胞内成分释放，黄曲霉孢子受损，最终使孢子失活，孢子失活的最小浓度为15 μL/mL。但是，当花椒精油浓度为8 µL/mL时，黄曲霉菌丝生长和孢子萌发完全被抑制[41]。这说明导致浆果霉变的主要优势菌种根据其种类的不同而有所差异，所以选取多种植物精油的抑菌效果不一。

3 植物精油在浆果保鲜中的应用

3.1 植物精油对浆果的保鲜

植物精油在浆果保鲜中的应用分为两种，一是植物精油单独作用于浆果的保鲜，二是不同植物精油复配组合用于浆果保鲜。Jhalegar等[42]研究了柠檬草、桉树、丁香等精油对金诺柑桔采后病原菌的抑菌活性。结果表明，精油处理对指状青霉和意大利青霉引起的青霉病和蓝霉病有较好的防治效果。对处理后的果实未造成任何伤害，也未表现出其他植物毒性作用，果实品质也未发生变化。另外，有研究用香樟精油、罗勒精油以及薄荷精油协同处理草莓中的炭疽菌、灰霉菌和念珠菌，结果维持草莓的Vc含量，减少了黄酮和多酚的损失速率，呼吸代谢、抑制非酶类抗氧化物质的分解、抗氧化酶活性的下降，可较长时间保持草莓的新鲜度[43]。

3.2 精油与气调保鲜方式协同保鲜作用研究

目前，以植物精油为基础，辅以气调、紫外、无菌膜、纳米管道等方式处理用于控制即食新鲜浆果中的微生物种群。在Valverde等[44]进行的一项研究中，将鲜食葡萄放入含有丁香酚、百里香酚或薄荷醇精油（各0.5 mL）的无穿孔取向聚丙烯袋中，在1 ℃的黑暗条件下贮藏35 d。植物精油联合气调包装保持了果实的颜色、质地、硬度，减少了果肉的老化、腐烂、失重等的现象。然而，在打开包装后有精油的微小气味，但很快消失。即使品尝了葡萄，特有的香气仍然存在。也有研究用0.2%的柠檬草精油结合5%～10% O2和10%～15% CO2气调包装在4±1 ℃下贮藏3、6、9、12、15、18和21 d，结果表明精油与气调包装协同作用条件下可以有效抑制草莓霉变的速率，使其保鲜时间最长可延长到18 d，并对草莓的感官影响极小[45]。这可能与精油的使用种类和浆果的主要风味物质有关。

3.3 植物精油纳米微胶囊保鲜作用研究

微胶囊技术是利用天然高分子材料对物质进行诱捕，形成微粒子产品包埋的技术。微胶囊化减少了精油使用中的高挥发性和快速消散等问题，且缓慢释放有效地减缓活性组分的挥发[46]。近年来，纳米微胶囊技术在我国浆果保鲜中也充当十分重要的角色，主要是通过向浆果储藏环境中释放抗菌、抗氧精油挥发物来延长浆果的保鲜周期。在5 ℃冷藏条件下研究了丁香精油壳聚糖纳米胶囊对石榴的保鲜效果，通过总可溶性固体含量、可溶性酸度、pH值、总苯酚和总花青素含量的测定，证明使用丁香精油壳聚糖纳米胶囊保鲜可以明显减少酵母菌和霉菌的数量，延长保质期并控制石榴中不良微生物的生长代谢，且不会发生不良的理化和感官变化[47]。Cheng等[48]将肉桂精油加入微胶囊对芒果进行涂膜，加入微胶囊的活性包装通过缓释精油有效物成分保鲜芒果，从而控制包装内部的微环境，达到抗菌抗氧化保鲜的目的。另一项研究中，采用离子胶凝法以丁香精油为芯材，壳聚糖为壁材，三聚磷酸钠为交联剂，制备丁香精油壳聚糖纳米微胶囊。对从樱桃番茄中分离纯化的3种真菌微生物产生抑菌作用，5 ℃贮藏可以维持樱桃番茄机体内活性物质的含量，延缓果实软化，将货架期延长至12 d，并且与对照相比，樱桃番茄的硬度和颜色得到了更好的保持[49]。这为浆果保鲜开发新型天然保鲜剂奠定理论基础。因此，在延长新鲜水果的保质期的同时，这些物质被包裹起来以控制不良的感官变化。

3.4 植物精油合成复合可食薄膜保鲜作用研究

食用薄膜是用于食品保存和延长货架寿命的活性包装。具有抗氧化和抗菌性能，防止浆果中微生物的腐败，最大限度地保护浆果的感官性能和固有品质[50]。Perdones等[51]研究将柠檬精油-壳聚糖形成复合薄膜用于野草莓的保鲜，复合薄膜处理保持其主要的风味物质萜类化合物含量，大大减弱了相关成分的挥发，这说明在一定贮存条件下对野草莓品质、感官、风味特性都有明显的积极作用。Mei等[52]用碳甲基纤维素与中国冷杉精油结合研究，复合薄膜对革兰阳性细菌和青霉素具有极好的抑制作用。使用碳甲基纤维素+1%中国冷杉精油处理葡萄，在储存过程中保持最佳活性性能。He等[53]研究以壳聚糖为外层，以海藻酸钠和两亲性淀粉包覆的抗菌肉桂精油为内层，用壳聚糖替代聚乙烯薄膜，制备了可降解抗菌膜，当壳聚糖添加量为0.5%时，可降解抗菌膜具有较好的保鲜性和力学性能。对樱桃的保鲜试验表明，其保鲜效果能达到两周左右。具有较高的保鲜应用潜力。

3.5 植物精油合成纳米乳液保鲜作用研究

除了上面提到的几种活性包装外，纳米乳液还因其能够克服植物精油稳定性低。由于其纳米尺寸的液滴增加了活性表面积，能够改善了植物精油活性化合物在目标致病菌优先位于食物基质区域的功效。因此纳米乳液被认为比常规乳液具有优异的抗菌活性。目前，精油纳米乳液作为优秀活性包装在浆果保鲜应用中在迅速发展[54]。Oh等[55]利用动态高压处理（DHP）技术与高剪切探针混合（HSM）技术制备了两种含有中等分子量壳聚糖-柠檬草精油纳米乳液，分别对4 ℃和25 ℃储存葡萄上的鼠伤寒沙门氏菌进行抑菌活性的测定。与未做处理的葡萄相比，DHP纳米乳液与HSM纳米乳液涂层都有效减少了葡萄浆果贮藏过程中的微生物生长和品质劣化。并使颜色、可溶性固形物（SSC）和抗氧化活性（DPPH）保留。Hf等[56]将丁香、肉桂和薰衣草精油单独封装并组合成纳米乳液，然后研究其物化特性和大肠杆菌灭活动力学特性。利用乳化作为改善活性物质在水中的分散性，赋予增加聚合和减少降解的功能。减弱香蕉保存过程中大肠杆菌的活性。总体而言，乳化方法通过补充活性物质成功地为薄膜提供了多功能性，而不会对其在浆果保鲜过程中的基本性能产生负面影响。

4 存在的问题以及解决办法

4.1 植物精油的安全性

植物精油是天然且可生物降解的化合物，对非目标生物的影响有限，常用于食品保鲜[57]，且长期以来，植物一直是人类生活中不可或缺的一部分，是一般公认安全（generally recognized as safe，GRAS）产品[58]。随着消费者需求的增加，测试“天然产品”的成分变得更加重要。因此，研究食品工业中使用的植物精油的化学和毒理学特征更为突出。其中食品法典委员会、食品化学法典等国际组织已经制定了植物精油的良好使用指南，以及植物精油中的最小和最大挥发性成分的数量限制[59]。根据“安全使用的悠久历史”和“限制原则”等概念判断植物精油在预期使用条件下的安全性。但有人提出，由于植物精油提取自植物，而植物有可能含有多种化学成分，导致植物精油提取纯度下降，若将其用于果蔬保鲜，会影响其安全性[60]。但目前这一说法尚需后续验证。

4.2 对浆果采后感官特性的影响

感官方面主要包括风味、色泽、质地等，对消费者的购买决定有很大的影响。在贮藏的新鲜浆果中，风味往往比外观的下降更快，在某些情况下，风味对消费者来说是货架寿命的实际指标[61]。蓝莓采后在冷藏条件（7 ℃）下对腐烂真菌进行防治，采用精油熏蒸法对蓝莓进行处理，发现使用迷迭香精油与百里香精油的蓝莓风味有负面影响。处理后显着增加了酸味、涩味与苦味。但是蓝莓的抗氧化性和单体花青素含量没有太大影响[62]。所以针对不同的浆果选择合适的精油也很重要。Jahani等[63]将百里香精油和桉树精油固封于琼脂平板中，制成精油香膏，并采用熏蒸法熏蒸石榴，通过石榴保鲜指数，经过33 d贮藏，与不经精油香膏熏蒸的相比，虽然腐烂指数降低了12.5%，但石榴的色泽也发生一定的变化，这有可能和植物精油的使用量有关。因此在运用植物精油对浆果进行保鲜时，不同贮存条件以及使用量有可能是导致感官性能变化的原因。Siriwardana等[64]进行的测试营销试验。关于消费者对罗勒精油处理香蕉的偏好显示，由于其具有令人愉悦的味道，并对香蕉的色泽具有一定的保护作用，消费者对精油处理的香蕉接受度更高，也可能因为罗勒精油对香蕉质地具有保护作用。综上所述，根据食物类型和抑菌浓度谨慎选择精油，可以降低对感官的负面影响。

4.3 解决方法

植物精油对少数物理化学因素敏感，如氧气、光、温度和pH值。在光照下，氧气会导致精油中不饱和化合物氧化并产生自由基，在高温下储存时会损失少量挥发性抑菌成分。此外，一些成分在不同的pH值下非常不稳定，例如柠檬醛，它在酸性环境中很容易分解，而浆果大多数含量酸性物质[65]。使用植物精油来贮藏浆果对其条件有一定的要求，应该根据不同的浆果选择对应的精油进行保鲜研究。精油在储存、运输和加工过程中可以通过封装得到保护，这不仅可以免受各种物理化学因素的影响，还可以掩盖其特殊气味，并将其转化为水溶性粉末[66]。另外，微纳米结合精油的技术可以缓慢释放精油成分，最大限度保留浆果固有风味并延长保质期。并且，食品级封装材料和封装技术应与含有精油的食品基质的性质一致。要引入液体中的精油必须转化为液体胶体分散体或纳米乳液和微乳液，或者它们可以包含在水溶性分子系统中，减少对精油抑菌成分的影响[67]。

5 结论与展望

5.1 采用天然保鲜剂替代化学防腐保鲜剂是食品行业和消费市场发展的大趋势，天然植物精油用于果蔬保鲜取得了良好效果。虽然近年来对植物精油的抑菌机理的研究逐步深入，但由于植物精油活性物质成分组成复杂、气味多样、机制靶点多变、抑菌机制尚未完全明确。另外，在未来对于植物精油结合不同浆果自身的特点及致病微生物的差异性，筛选最佳的植物精油或植物精油纳米技术保鲜剂仍然是研究的重点。

5.2 精油具有独特的香气，使用不当时会对浆果本身的感观特性产生一定的影响。所以在将来对不同种类的浆果进行保鲜时，可以通过精油特殊香气成分针对性的进行选择，也可加入微纳米技术解决这一问题。针对外部环境对精油的影响，精油生物活性化合物的封装保护可以免受外部环境条件的影响，并掩盖其强烈的风味。有效减弱精油对浆果感官品质的影响，使浆果最大可能保持原有的特性。当然，在保持新鲜浆果质量方面的整体效果取决于精油的类型及其成分、包装材料类型、食品品种、病原体类型、应用方法等。总体来讲，植物精油安全性高，抑菌力强，保鲜效果突出，是一类前景较好的天然保鲜剂。