植物精油的抑菌机制及剂型在食品保鲜中的应用

李 倩,艾淑娜,郭飞燕,李亚楠,左雪昊,安 康,刘 涵,范英姿,陈叶茂,王晓琦,谢岩黎

河南工业大学 粮油食品学院, 河南 郑州 450001

1 植物精油的抑菌机制

植物精油是植物的次级代谢产物,是具有挥发性的多种小分子物质的混合物,多数无毒无害,对环境和人体友好。特别值得关注的是,许多植物精油具有广谱抑菌活性,未来能够应用于食品储藏和保鲜领域[1]。目前,植物精油在亚细胞水平的抑菌机理包括:(1)破坏细胞膜的完整性。植物精油结合细胞膜的磷脂双分子层结构,使细胞膜通透性增加,造成细胞重要内容物渗出,导致细胞溶解、死亡[2]。如丁香精油[3]、鼠尾草精油[4]及竹叶精油[5]等处理的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌,薄荷精油[6]处理的酿酒酵母和紫苏精油[7]处理的黄曲霉菌,均发现了蛋白质和核酸等胞内大分子物质的泄漏。(2)破坏细胞壁的完整性。如神农香菊全草精油破坏大肠杆菌和枯草芽孢杆菌细胞壁,导致菌体变形[8]。绿茶精油[9]处理的米曲霉通过抑制细胞壁合成,从而对米曲霉产生间接损伤,导致细胞死亡。东方菟丝子精油[10]处理金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和沙门氏菌后碱性磷酸酶(AKP)泄漏,表明细胞壁结构和功能遭到破坏。(3)破坏线粒体的结构和功能。如菊花精油[11]破坏酿酒酵母线粒体膜的完整性,茶树精油[12]破坏灰霉菌线粒体结构,降低三羧酸循环中苹果酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶和ATP酶的活性。上述抑菌机理涉及多个多靶标,这可能是由于植物精油含有复杂的成分,如醛类、黄酮类、多酚类、烯类、醇类、醌类等[13]。如醛类化合物的疏水性使其易与细胞膜结合,从而破坏细胞屏障[14];黄酮类化合物的抗菌活性依赖于其结构,特别是芳环上A环位置5处和7处的羟基化对破坏蜡样芽孢杆菌的细胞膜结构尤为关键[15-16];醌类化合物C-2上的羟基和C-3位的亲脂性基团在抑制炭疽杆菌线粒体呼吸作用中发挥重要作用[17]。

2 不同植物精油剂型的抑菌效果

植物精油因其无毒和环保而受到广泛关注,但部分植物精油挥发性较强,抑菌时效不理想[18],除此之外,植物精油强烈的气味会影响食品的感官特性,限制了其应用范围[19]。因此,需提高其活性、稳定性,掩盖不良气味。实现这些目标的重要方式之一是制备特定的剂型。例如以壳聚糖[20]、淀粉[21]、明胶[22]等可食用天然高分子聚合物作为载体包裹植物精油。此外,还需针对食品的不同形态及应用场景制备不同的剂型,例如微胶囊、薄膜及涂膜多应用于固态食品,纳米乳液和微米乳液多应用于液态食品。部分精油制备的剂型及其抑菌效果如表1所示。

表1 植物精油的剂型及抑菌效果Table 1 Dosage form and antimicrobial effect of some plant essential oils

3 植物精油在食品保鲜中的应用

3.1 在固态食品中的应用

3.1.1 在果蔬中的应用

果蔬类食品在储藏过程中易受金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、链格孢菌和大肠杆菌等食源性致病菌的侵害[37],含精油的微胶囊或薄膜能够延长果蔬的保质期、提高品质。例如,Shankar等[38]制备含有柑橘、肉桂等混合精油的壳聚糖薄膜,该复合膜对大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌、鼠伤寒沙门菌和黑曲霉具有较强的抗菌活性,复合膜与γ射线辐照相结合,在4 ℃时,与对照样品相比,处理组减少草莓质量损失,保留更多的酚类化合物,果实的花青素含量、可溶性固形物总量较高,使用薄膜处理草莓后,在抑菌的同时提升了草莓的品质。Sessa等[39]发现含柠檬精油的壳聚糖涂膜抑制灰葡萄孢菌效果显著,并且能够显著延缓叶片硬度的增加,延长叶菜的货架寿命。Das等[40]研究发现甜橙精油-海藻酸钠纳米涂膜能有效抑制沙门氏菌和李斯特菌的生长,并且降低小番茄质量损失,同时,由于甜橙精油-海藻酸钠纳米涂膜具有独特宜人的香气,也提高了果实的感官质量。Esquivel-Chvez等[41]从感染黑斑病的芒果中分离出假环镰刀菌、链格孢菌、新丝孢菌、假枝孢菌和球孢炭疽菌,发现制备的百里香精油微胶囊对上述致病菌均有显著抑制作用,且该微胶囊能够在非接触模式下使芒果产生独特的香气,提升芒果的感官品质。除了精油和复合材料的联合抑菌功效之外,薄膜和涂膜作为对O2、CO2和水分的半渗透屏障,处理果蔬后,能够减少果蔬水分损失和呼吸速率,是降低果蔬质量损失的重要原因。对于精油提升果蔬香气的功效是否具有普遍性,还有待进一步的研究。

3.1.2 在肉类及肉制品中的应用

肉类及肉制品在冷藏过程中极易受李斯特菌、沙门氏菌和芽孢杆菌等食源性致病菌的污染[42],这类食品多使用复合薄膜等固态剂型实现抑菌和提升品质的目标[43]。Kazemeini等[44]制备的沙棘精油-海藻酸钠涂膜在冷藏12 d后仍能抑制火鸡胸片中李斯特菌的生长,未涂层样品中李斯特菌的数量为5.13×108CFU/g,而经涂膜处理后样品中李斯特菌数量降低到1.35×105CFU/g。Li等[45]将热稳定的多孔蛭石吸附柠檬精油,形成络合物,再与魔芋葡苷聚糖/聚乙烯醇偶联制成包装膜,能够有效抑制冷藏过程中大肠杆菌的生长,使猪肉的保质期从9 d延长到11 d。除此之外,涂膜和包装膜还可以减缓肉制品的氧化速率,从而改善肉制品的品质。Wang等[46]制备了含1.0%杏仁精油的壳聚糖膜,能显著抑制李斯特菌的生长,且24 d后,与不含精油的薄膜处理过的五香牛肉相比,该复合膜降低了五香牛肉的氧化速率,具体表现在过氧化值从0.21 mg/100 g降低到0.09 mg/100 g、硫代巴比妥酸值从0.8 mg/kg降低到0.4 mg /kg,pH值从6.60降低到5.70,且用含精油的膜处理后的五香牛肉的口感、颜色、质地和整体接受度等品质远高于无精油的壳聚糖膜处理组。Souza等[47]发现用壳聚糖与迷迭香精油混合制备的薄膜,对蜡样芽孢杆菌有很好的抑菌效果,菌落数从对照的1.58×108CFU/mL降低到1.26×103CFU/mL,用薄膜处理新鲜禽肉15 d后,硫代巴比妥酸从对照的2.03 mg/kg降到0.21 mg/kg,显著提高了新鲜禽肉的品质。Homayonpour等[48]用含有孜然精油的涂膜处理沙丁鱼片,16 d后,与不做任何处理的沙丁鱼片相比,经涂膜处理后的沙丁鱼片中假单胞菌数由7.80 CFU/g降为3.50 CFU/g,且过氧化值由0.15 mg/100 g降到0.06 mg/100 g、pH值由7.02降到6.85、硫代巴比妥酸从0.13 mg/kg降到0.03 mg/kg,表明涂膜在抑菌的同时改善了食品品质。与果蔬应用类似的是,这些复合薄膜发挥抗氧化作用是由于精油和基膜的双重作用,与此同时,也降低了水分和/或蒸汽的迁移。

3.2 在液态食品中的应用

液体食品常常受到金黄色葡萄球菌、链球菌等致病菌的污染[49],添加含精油的纳米乳液可以抑制微生物的生长、延长食品的保质期。例如,Ben Jemaa等[50]制备了含百里香精油的纳米乳液,在牛奶中接种金黄色葡萄球菌24 h后,百里香精油处理后的菌落数为2.02×105CFU/mL,而含精油的纳米乳液处理后菌落数显著降低为1.32×105CFU/mL,且能够提高牛奶中的蛋白质含量。Donsi等[51]以葵花油为油相,将包埋柠檬烯得到的纳米乳液添加到橘子汁中,对大肠杆菌和酿酒酵母都有很好的抑菌性,在室温下可以将橘子汁中微生物的生长延缓5 d,并且提高了可溶性固形物的含量。刘星等[52]以β-环状糊精为壁材,制备含连翘叶精油的微胶囊,60 ℃与猪油混合后,在12 d的储藏期间发现随着连翘叶精油微胶囊用量的增大,其对油脂氧化的抑制作用逐渐增强。陈鑫沛等[53]将蕹菜精油加入葵花籽油进行30 d的储藏期实验,结果发现加入蕹菜精油后,明显抑制葵花籽油中的脂质氧化,对酸价和过氧化值的抑制率分别为55.38%和54.84%。这类可降解型包装膜较合成类材料具有绿色环保的优势,然而其机械性能、防水性、有效使用时间等仍需进一步改进。

4 展望

植物精油种类丰富、取材广泛,且相较于化学合成抑菌剂安全性更高。迄今为止,多种具有抑菌活性的植物精油已筛选获得,对于其剂型也有深入的探讨,然而目前仍然存在下述几方面问题:一是成本较高;二是活性成分复杂,有待进一步鉴定;三是抑菌机理未全面揭示;四是使用场景受限。但随着抑菌机理的深入研究和新型复合材料的开发,植物精油将在食品储藏、保鲜甚至品质提升中发挥更加重要的作用。