基于植物精油的抗菌活性包装在食品保鲜中的研究进展

赵亚珠，刘光发，魏娜，郝晓秀，高翔

（1.天津职业大学 包装与印刷工程学院，天津 300410；2.天津科技大学 轻工科学与工程学院，天津300457；3.宏观世纪（天津）科技股份有限公司，天津 301700）

由于食品含有丰富的营养物质，在生产、加工、物流及贮藏过程中极易遭受食源性致病菌的污染而腐败变质，其中水果、蔬菜和肉类等生鲜食品极易腐烂[1]。近年来，食品流通更加频繁，对食品的货架期提出了更高的要求。为了控制食品的腐烂变质，抗菌剂被广泛应用于食品保鲜中。将防腐剂直接添加到食品中，可有效延长食品的货架期。然而，部分化学防腐剂可能存在一定的毒性，会影响消费者的健康[2]。食品包装可在一定程度上保护食品免受外界因素影响，在食品包装体系中加入活性成分（如抗菌剂、抗氧化剂、乙烯吸收剂等），不仅可以延长食品的货架期，而且还有助于维持其品质[3]。

抗菌剂作一类主要活性成分，被广泛应用于食品保鲜中，目前应用较多的有无机抗菌剂、有机合成抗菌剂和天然抗菌剂。使用化学防腐剂控制食品腐败具有一定的局限性，其可能会给消费者带来致癌、致毒、致畸等不良影响，并且降解缓慢还可能引起环境污染的问题[4]。来源于动物、植物或微生物的天然抗菌剂不仅可用于抑制食品中病原微生物的生长，而且对人体安全性较高，在食品防腐保鲜应用方面显示出巨大潜力。随着近年来食品安全受到越来越多的关注，食品行业对天然抗菌剂的需求逐渐增加。植物精油作为一种天然抗菌剂，具有广谱抗菌活性[5]，可认为是化学防腐剂的潜在替代品。然而，植物精油在食品防腐保鲜应用方面也存在一些问题，例如大多植物精油不溶于水、易挥发、在光热条件下稳定性较差，并且容易氧化分解。如何提升植物精油在应用过程中的稳定性和持久性一直是人们研究的重点。

目前，人们在利用植物精油对食品进行防腐保鲜方面做了很多研究，但这些成果距离产业化仍有一段距离。本文系统总结植物精油的抑菌效果及抑菌机制，介绍植物精油在食品包装领域的最新研究成果，综合分析其存在的问题并提出有效的解决方案，为植物精油在食品活性包装领域的技术研究及产业化应用提供参考和指导。

1 植物精油的抑菌活性

据统计，约有1 000 多种植物具有抑菌作用，其抑菌成分主要为酚类化合物、黄酮类化合物、萜类化合物、生物碱和多糖等[6]。植物精油通常为芳香族化合物的混合物，主要采用水蒸气蒸馏，超临界二氧化碳萃取，冷压、浸渍提取等工艺从植物中提取制得。近年来，使用植物精油（EOs）抑制生鲜食品的腐烂受到人们关注，植物精油对食源性致病菌的抑菌作用得到了广泛研究。在具有抑菌效果的植物精油中，其主要来源多为药草类烹饪原料和天然调料等。多种植物精油对食源性致病菌（如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、李斯特氏菌等）具有较强的抑制作用，主要有百里香精油、牛至精油、肉桂精油、丁香精油、柠檬草精油、大蒜精油、孜然精油等，其主要抑菌成分及含量见表1。植物精油的抑菌活性可归因于精油中的化合物，其中酚类和醛类物质是植物精油中常见的具有显著抑菌作用的活性成分，其次是萜烯和酮类物质，其抑菌作用相对较弱[7]。研究发现，同一种植物的精油成分也可能存在很大的差异，可归因于遗传变异、纬度位置、气候因素、植物采摘时间和提取工艺等因素存在差异[8]。

表1 具有抑菌作用的代表性植物精油Tab.1 Representative EOs with antimicrobial activity

2 植物精油对食源性细菌的抑菌机理

由于植物精油主要化学成分的分子结构和构型不同，它们之间的抑菌效果存在很大差异[27]。鉴于植物精油化学成分的多样性，精油对微生物细胞的作用机制也大相径庭。植物精油抑菌机制可归纳为以下几个方面：

1）影响或破坏细胞膜的结构和功能。由于植物精油具有亲脂性特征，可促进胞质膜中目标物质和细胞内成分向细胞外扩散。精油会引起细胞膜通透性增加，从而引起细胞膜内一些物质外渗，最终导致细胞死亡[28]。有研究表明，肉桂精油可以引起大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的菌体形态发生明显变化，从而导致菌体内电解质、蛋白质和核酸外渗，其渗透量随着肉桂精油浓度的增加而升高[29]。肉桂精油还可使腐生葡萄球菌的菌体表面发生明显皱缩现象，并导致部分菌体出现溶解和破裂[30]。百里香精油纳米乳液可导致细胞膜发生降解并引起细胞质膜损伤，对细菌细胞的完整性造成了明显破坏，进而致使细胞内物质泄漏[31]。

2）作用于遗传物质。DNA 是微生物的重要遗传物质，一些植物精油可以破坏菌体的DNA 结构，阻碍其DNA 复制[32]。丁香精油可以阻碍细菌的DNA转录为mRNA，还可以抑制mRNA 的翻译，进而影响细菌DNA 的复制[33]。Liu 等[34]发现百里香可引起绿脓杆菌细胞内活性氧（ROS）的积累，导致氧化应激介导的DNA 损伤，百里香还可以嵌入绿脓杆菌基因组的DNA 中，影响DNA 的正常功能，最终导致细菌死亡。DNA 拓扑异构酶是介入DNA 复制、转录、重组和修复，以及染色质组装所需的拓扑调整酶，可以参与或影响DNA 的代谢。Cui 等[35]研究发现菊花精油可有效抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的拓扑异构酶I 和拓扑异构酶Ⅱ的活性，导致其生成更高比例的超螺旋DNA。

3）影响酶的活性和代谢功能。酚类化合物中携带的羟基会损害微生物体内酶在三羧酸循环中的活性。山胡椒精油可有效诱导福氏志贺氏菌细胞中的氧化应激、脂质过氧化和H2O2的积累，引起能量和呼吸代谢中断，从而导致细胞氧化还原发生紊乱[36]。三磷酸腺苷酶（ATP 酶）和碱性磷酸酶（ALP 酶）对细菌的生长具有重要作用，菊花精油可以大幅降低2 种供试细菌中ATP 酶和ALP 酶的活性。菊花精油还可以通过戊糖磷酸途径（HMP 途径）抑制大肠杆菌的呼吸代谢[35]。肉桂醛在处理大肠杆菌、单核细胞增生性李斯特菌等细菌后，菌体细胞内的ATP 水平显著降低，肉桂醛的作用部位可能是菌体细胞中的ATP合成酶中的α 链蛋白[37]。

植物精油对细菌的主要抑菌机制见图1。

图1 植物精油对细菌的抑菌机制Fig.1 Action mechanisms of EOs against bacteria

3 植物精油抗菌活性包装最新研究成果

将植物精油与天然材料或合成聚合物等材料结合制备成食品包装材料，是延长食品货架寿命的有效途径。然而，由于植物精油具有高挥发性、气味刺激性、化学不稳定性和低水溶性等缺点，在制备食品活性包装材料时受到很多限制。此外，活性材料中释放的抗菌剂浓度过高可能会对被包装食品的感官和毒理特性产生不利的影响。为了克服这些缺点，人们已采用很多工艺来调控植物精油，制备出了基于植物精油的抗菌活性材料。

3.1 植物精油抗菌活性包装的主要制备工艺

近年来，国内外研究人员在精油活性包装的制备方面进行了研究，精油活性包装的主要制备方法及抑菌效果见表2。制备具有抗菌功能的植物精油活性材料主要有以下4 种方式。

表2 精油活性包装的主要制备方法及抑菌效果Tab.2 Main preparation process of active packaging based on EOs and its antimicrobial activity

1）将植物精油加入到包装材料中。将抗菌剂与包装材料的基材进行物理混合，通过控制一定的工艺条件来制备活性包装材料。此类方法是目前利用植物精油制备抗菌材料的常用方法，主要有以下3 种方式：采用流延/浇注法制备抗菌膜，一般先将抗菌剂分散于成膜材料制成抗菌涂料，然后采用溶液浇注或流延的方法制成抗菌膜；制备可食用活性涂膜，将精油与淀粉、壳聚糖、大豆蛋白等成膜材料配制成涂膜液，然后采用浸渍或喷洒等方式处理果蔬等食品；采用静电纺丝的方法制备抗菌纤维，该制备方法主要有如下3 种[38]。

①将精油与聚合物溶液混合，然后对混合物进行静电纺丝来制备精油与聚合物（E/O）混合的纳米纤维（NFs）。

②首先将E/O 负载到载体中，然后进行静电纺丝制得包含E/O 载体的NFs。

③制备具有核壳结构（E/O 和聚合物）的NFs。

2）将植物精油涂布于包装材料表面。涂布工序在纸和塑料包装领域中广泛应用，将植物精油与多孔介质材料等制备成抗菌涂料，涂布于纸张、纸箱和塑料薄膜等材料的表面，可制备涂布抗菌纸、抗菌纸箱和抗菌膜。

3）将植物精油微胶囊化后制成抗菌小袋。植物精油的抑菌效果显著，部分植物精油的最低抑菌浓度（质量分数）可达到千分之一。然而植物精油易挥发，其抑菌效果通常会随着时间的延长而降低。为解决植物精油易挥发的问题，部分科研人员采用离子凝胶化反应、逐层组装法、喷雾干燥法等方法可将植物精油制成具有缓释效果的抗菌微胶囊。

4）将植物精油制成抗菌衬垫后放于包装内部。一些冷鲜肉在贮藏过程中会渗出汁水，为了更好地维持冷鲜肉的品质，衬垫在一些冷鲜肉包装领域被广泛使用。将精油与纤维素衬垫等材料制备成活性衬垫，不仅对很多食源性致腐微生物具有很好的抑制作用，还能有效维持被包装食品的品质。

3.2 植物精油抗菌活性包装在食品保鲜中的应用研究

随着人们对食品安全需求的增加，开发天然、环保、健康的食品活性包装已成为食品科学领域的一个研发方向，植物精油活性包装被认为具有很大的应用潜力。由于植物精油良好的抑菌性能，国内外一些科研人员将植物精油制备成抗菌膜、抗菌纸、抗菌纸箱、可食用涂膜、微胶囊小袋、抗菌衬垫、纳米抗菌纤维等活性包装材料，在肉类（如猪肉、鸡肉、去皮淡水虾）、水果类（如草莓、桃），以及汉堡、面包等食品中进行了防腐保鲜应用（见表3），并取得了一些成效。

表3 精油活性包装在食品保鲜中的应用研究Tab.3 Application research of active packaging based on EOs in food preservation

然而，由于食品成分复杂，精油活性包装的研发需要充分考虑食品的风味特征、贮藏和销售环境等因素。在提升食品货架寿命的同时不应对食品的风味造成影响，更不能带来食品安全隐患。虽然国内外的一些科研人员在使用植物精油活性包装对食品保鲜方面做了一些研究，但是这些研究距离产业化应用仍存在一定的距离。

4 植物精油抗菌活性包装存在的问题及解决方案

目前，国内外一些科研人员在植物精油活性包装的研究方面取得了诸多成果，为实现食品的绿色防腐保鲜探索了新的方向。总体来说，国内外关于精油活性包装的研究成果多处于实验阶段，还存在以下问题：在食品安全评估方面缺乏深入研究；有些精油活性包装存在气味和刺激性，对食品风味可能存在影响；部分精油活性包装的抑菌效果不够持久；精油活性包装的生产成本较高。为了解决植物精油活性包装存在的问题，可从以下几个方面努力。

4.1 针对精油活性包装开展食品安全风险研究

与食品直接接触的活性包装材料及制品必须满足国家相关法律和标准。植物精油大多来自食药同源性植物，其安全性似乎在前人千百年的生活实践中已经得到证实。然而，摄入较高剂量的这些天然化合物也可能会引起口服毒性问题，有必要在精油的有效剂量和毒性风险之间找到平衡点。在目前的一些研究中，关于抗菌剂在包装材料中的迁移规律研究相对较少。此外，有部分活性包装材料在制备过程中使用了植物精油和纳米材料，可能存在食品安全风险。在今后的研究中，需对精油活性包装开展食品安全风险研究，开发出对人体健康安全的抗菌活性包装产品。

4.2 降低活性包装中精油对食品感官品质的不利影响

部分研究表明，当植物精油超过一定的剂量时会对被包装产品的口感、风味、外观品质存在一定的不利影响[55]。一些基于植物精油的抗菌材料在与水果接触时可能会产生一些负面作用，例如可能会改变水果原有的色泽，当精油使用剂量过高时甚至会加速水果腐烂。如何避免植物精油在食品包装过程中带来的负面作用，可通过对植物精油活性包装的制备工艺进行改进，例如在食品接触部位进行隔离，研究精油缓释技术，探索气相抑菌方式等。

4.3 提升活性包装中精油抑菌成分的稳定性

部分植物精油中的有效抑菌成分属于易挥发性物质，在食品防腐保鲜过程中容易损失[56]，有些植物精油抑菌成分暴露于空气、温度、光照、不同pH 值和湿度等不同因素时稳定性较差[57]。有效控制抗菌剂的释放速率一直是抗菌材料研发领域亟待解决的难题。在今后的工作中，应探索实现植物精油有效抑菌成分的可控释放，探明使用/加工环境对其性质的影响，并建立相应的理论基础，在微生物生长动力学和受控释放速率之间寻找到平衡点，以保证活性包装在贮藏期内具有适当的保护功能。为实现精油活性包装的推广应用，还应在产业化应用研究和降低生产成本等方面进一步深入研究。

5 结语

近年来，消费者对食品安全和饮食健康日益关注，推动了食品防腐保鲜技术必将朝着安全和绿色方向发展。由于目前食品防腐保鲜过程中常用的化学防腐剂存在一系列潜在危害，具有抗菌作用的植物精油将成为化学防腐剂在食品保鲜领域的有效替代者。然而，植物精油存在易挥发、气味性、刺激性等问题，其化学稳定性和食品安全性也有待进一步研究，这些因素限制了植物精油在食品防腐保鲜中的应用。今后，在精油缓释控制技术、精油最佳剂量调控、活性包装材料应用方式、食品安全风险等方面仍需进行深入研究。此外，还可将植物精油与其他保鲜技术（如气调、低温、高压等）联合使用，通过产生协同作用，最大程度地延长被包装食品的货架寿命，并减少精油带来的气味和刺激性等负面影响，最终实现食品的绿色防腐保鲜。