菊花精油的提取及其抑菌性能的研究

王秀莲，向 往，熊 婕，王 军

1.湖北工业大学工业发酵省部共建协同创新中心,湖北 武汉 430068；2.湖北工业大学孤独症抑郁症与干预研究所，湖北 武汉 430068；3.湖北工业大学细胞调控与分子药物学科创新引智基地，湖北 武汉 430068

菊花属于菊科观赏植物，具有抗菌、抗真菌、抗螺旋体、抗炎和抗氧化活性等功能。菊花精油中含有类黄酮、生物碱和倍半萜内酯等有效生物活性物质。菊花中独特的酪氨酸抑制酶活性物质具有抗氧化的作用[1]，可被用于预防或治疗与氧化应激相关的疾病，还可被用于食品工业以预防食品变质，也可被用于化妆品领域以延缓皮肤老化[2]。

菊花精油是菊花的刺激代谢产物，是用不同方法从菊花中提取的挥发性和芳香成分组成的液体。多年来，合成化学防腐剂已被广泛应用于保持食品的质量和延长食品的保质期[3]。然而，合成防腐剂可能会对食品安全带来一些风险，而且其残留成分也可能会对环境造成一定的破坏。而菊花精油作为天然的抗氧化物质，既有维持食品新鲜度又具有保障食品安全的作用[4]。独特的生物活性及丰富的含量使菊花精油在食品和医药领域有巨大的应用价值。

1 菊花精油的提取方法

1.1 加压热水提取

加压热水萃取（PHWE）是一种绿色高效的萃取技术，减少了对有机溶剂的使用；以液态水为萃取剂，温度高于水的常压沸点（100 °C/273 K，0.1 MPa），低于水的临界点（374 ℃/647 K，22.1 MPa），在一定温度和压力的情况下，水的极性变化接近醇，可以溶解多种中低急性分解物[5]。以这种方法提取的菊花精油经过气相色谱-质谱联用[6]。相比于需要6 小时的传统水提法，通过这种方法只用20 分钟就可以从样品中提取出相同质量的菊花精油，提取物的回收率为桉叶素86%、樟脑90%、龙脑87%。

PHWE 具有操作简单、分析时间短、样品质量小、不需要有机溶剂等的优点。PHWE 在萃取过程中以水为溶剂，主要缺点是难以浓缩萃取物，这是因为与许多有机溶剂相比，水的蒸发率相对较高。水提取的精油中的生物活性物质的相对浓度较低，萃取中存在发生水解反应和其他降解反应的风险。目前这种方法主要用于提取热稳定的化合物，并没有被广泛使用。

1.2 水蒸气蒸馏提取

水蒸气蒸馏是一种古老且被广泛认可的从植物材料中提取精油的方法。在这个过程中，植物材料被放置在蒸馏器中，不经浸泡，而是通过注入蒸汽来进行处理。注入的蒸汽从蒸馏器底部上升到顶部，穿过植物材料。随后，携带精油的蒸汽流过冷凝柱，最后回流到圆底烧瓶收集瓶中。由于精油比水轻或重，因此，形成两个不混溶的相，便于简单分离。该技术的原理在于，当温度接近100 ℃时，综合蒸汽压等于环境压力，使得沸点在150 至300 ℃之间的挥发性成分能够在接近水的温度下蒸发。目前，研究者在提取前处理方面取得了显著进展。其中，在提取过程中引入超声辅助技术，通过超声破碎植物细胞，不仅能够有效地析出更多的精油，还能减少精油的热降解。此外，研究者还对提取得到的精油进行了微波处理，进一步优化了提取过程。

水蒸气蒸馏提取法也存在很明显的缺陷，提取的活性物质较少，时间相对较长，与加压热水提取一样，提取的精油中的活性物质都难以浓缩为萃取物[7]。

1.3 无溶剂微波萃取

无溶剂微波（SFME）萃取过程为在不添加水或任何有机溶剂的情况下对新鲜植物基质进行微波辅助干馏，即将植物材料置于密闭容器中，不添加任何溶剂或水，然后进行微波照射，使微波能够穿透植物基质并与极性分子（如水）相互作用，导致植物材料内部加热，使植物细胞组织的内部压力迅速增加。这种压力的升高会导致细胞壁破裂并释放溶质。SFME 既不是使用有机溶剂的改良微波辅助萃取，也不是使用大量水的改良水蒸馏方式。由于微波与含盐和营养物质的生理水具有强烈的相互作用，因此可以在显示较高介电损耗的样品中获得更有效的SFME[8]。由此，基质会经历剧烈的肿胀，随后组织破裂，精油能够流向水层。相于传统的提取方法，SFME能提取到高质量的植物精油，且不需要浓缩纯化就能直接用液相色谱进行分析[9]。相比于水提法和超临界流体提取法，SFME 是一种更有效的技术，并且含有最高量的庚烯醇、冰片和石竹烯氧化物[10]。

SFME 提取方法高效、绿色、提取率高，但对操作人员的要求也很高。由于该方法的提取过程存在微波辐射，因此操作人员必须经过专门的培训。干燥提取方法会降低精油中含氧化合物的比例[11]。

1.4 超临界CO2 萃取-超临界流体萃取

超临界流体萃取是提取植物中有价值成分最有效的方法。超临界流体萃取（SFE）是使用以二氧化碳为萃取溶剂的超临界流体，将一种组分（萃取剂）与另一组分（基质）分离的过程。二氧化碳是用于植物萃取的溶剂之王。超临界CO2的萃取条件为临界温度31 ℃以上，临界压力74 bar 以上。超临界流体是高度压缩的气体，结合了气体和液体的特性。超临界流体可以引发相关反应，用传统溶剂很难甚至不可能实现在10 到60 min 内快速完成。超临界流体可以通过简单地释放压力从分析物中分离出来，CO2无毒、不易燃、无臭、无味、惰性且廉价[12]，超临界CO2，GC-MS 鉴定了26 种化合物，并用面积归一化法测定了它们的相对含量。菊花中的主要成分是单萜烃、倍半萜烃及其含氧衍生物等[13]。

SFE 不仅广泛应用于食品和药品领域，还广泛应用于毒理学、化学、环境、纺织、石化、聚合物等领域。其重要之处在于它能够在低压和接近室温的条件下进行超临界操作[14]。超临界二氧化碳（SC-CO2）作为一种有机溶剂替代品具有一定的吸引力[15]，这是因为它不爆炸、无毒、价格低廉、可溶解亲脂性物质，并且容易从最终产物中去除[16]。二氧化碳被描述为能够确保生物活性化合物变化最小，并保持它们的治疗或功能特性的理想选择。

2 菊花精油的抑菌活性

目前，已经有很多有关植物精油抑制细菌作用的研究。比如迷迭香精油对金黄色葡萄球菌具有良好的抑制作用，迷迭香、鼠尾草、罗勒三种植物精油混合在抑制粪肠杆菌中具有协同作用，百里香-肉桂精油对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌有很好的抑制作用[17]。植物精油在抑菌方面有很大的功效。菊花作为一味药材本就可以直接入药。菊科植物的干燥花头被广泛用于治疗普通感冒[18]、发烧、偏头痛、结膜炎、眼睛刺激、高血压、炎症、溃疡性结肠炎、眩晕、眼炎肿胀及皮肤感染。菊科植物的精油具有抗菌活性[19]，对细菌和病毒都有抑制作用，同时还具有灭除软体动物和抗氧化的作用。菊花精油的主要成分为1，8-桉树脑、樟脑、冰片和醋酸冰片酯[20]，具有多药理作用。不同产地、用不同提取方法得到的菊花精油的颜色略有区别，基本为淡蓝色[21]或浅金黄色[22]。

2.1 菊花精油的抑菌成分

由表1 可知，菊花精油的成分主要包括单萜和倍半萜及其含氧衍生物、芳香族化合物和烷烃组成。

表1 菊花精油中活性成分表

2.1.1 1，8-桉树醇

1，8-桉树醇主要从植物精油中提取，是一种饱和单萜，主要调节NF-κB 和Nrf2，表现出了广泛的药理特性，包括抗炎和抗氧化，可用于治疗呼吸系统疾病和心血管疾病等[23]。桉叶油是肿瘤坏死因子（TNF）-α 和白细胞介素（IL）-1β 等促炎细胞因子的强抑制剂，可抑制人淋巴细胞和单核细胞产生LPS诱导的细胞因子[24]，并降低LPS 诱导的NF-κB。1，8-桉树醇具有很强的抑菌能力，月桂花精油中的桉树醇对细菌具有很好的抑制作用，能够有效抑制大肠杆菌[24]。目前为止，只有1，8-桉树醇的抑菌机制尚不明确[25]。

2.1.2 樟脑

樟脑是一种酮。传统医学认为樟脑具有开窍、清热、止痛功效，常被用于治疗发热、抽风、中风、痰昏、喉痛、口痛、炭疽、目血等病症[26]。樟脑已被广泛用作化妆品中的香料、调味食品添加剂、糖果制品中的防腐剂、驱虫剂、增塑剂以及合成芳香化学品的中间体[27]。樟脑可以直接破坏金黄色葡萄球菌的细胞膜，能有效杀死金黄色葡萄球菌[28]。1，8-桉树醇和樟脑组合产生了协同作用，增强了对白色念珠菌的抵抗性。樟脑能增加超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的浓度，增加诱导大鼠的抗氧化活性并降低脂质过氧化和氧化应激水平[29]。

2.1.3 醋酸冰片酯

醋酸冰片酯（BA）作为一种双环单萜，是一种广泛存在于全球植物中的活性挥发性成分，具有抗菌、清除自由基、降低正菌活性的功效。BA 含有的疏水基团、CH3、COO 基团据报道对枯草芽孢杆菌具有杀孢子作用。BA 对各种细菌菌株具有很强的抑制作用，包括金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌、大肠杆菌，抑制活性依次降低[30]。BA 作为一种表面活性剂成分可以通过孢子外衣的极性基团与表面活性剂成分亲水和疏水基团的结合来改变和破坏孢子外衣的蛋白质结构，增加更多的疏水基团可以提高这些化合物的杀孢子活性，从而使BA 成为一种有潜力的表面活性剂成分。

2.2 菊花精油的抑菌机制

菊花精油中的活性成分可以破坏细胞膜的通透性，导致细胞破裂和细胞内容物渗出。菊花精油处理后的酵母细胞质膜破裂[3]，菊花精油中富含萜类化合物，精油中的亲脂性萜烯和萜类化合物可以快速插入膜系统，增加膜的通透性并进一步破坏膜，精油分子可以与磷脂分子相互作用，从而改变细胞膜中脂肪酸的结构和比例[31]。菊花精油能干扰线粒体膜的功能，通过影响线粒体膜两侧电位差，诱导酿酒细胞产生更多活性氧。活性氧可以进攻核酸碱基上的双键，导致开环反应等；还可以破坏磷酸核糖骨架，导致DNA 单链断裂。氧化磷酸化和电子传递链被干扰导致线粒体产生细菌生命活动所需的能量受到严重干扰，伴随自氧化和过氧化降解，化合物和细菌裂解，从而抑制真菌活性。抑菌机制示意图见图1.

图1 抑菌机制示意图

3 菊花精油的在食品保鲜中的应用

菊花精油可有效抑制白色念珠菌、光滑念珠菌、热带念珠菌、酿酒酵母、汉氏酵母菌和帕拉拜氏酵母菌生长。在食品保鲜方面，生物活性与抗菌、抗真菌、抗氧化花卉精油的保鲜能力最为相关。将低浓度的菊花精油作为食品防腐剂，其本身的风味并不会影响食物本身[32]。菊花精油本身具有抗菌、抗病毒、抗幽门螺杆菌的功效，这种具有抗氧化潜力的天然防腐剂可以被掺入不同的食品和药物制剂中[33]。

3.1 菊花精油食品添加剂

菊花精油中含有大量的萜烯物质，可以通过扩散和破坏细胞膜结构来抑制革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的活性。添加62.5 μg/mL 的菊花精油能抑制枯草芽孢杆菌、幽门螺杆菌[33]。脂肪氧化是肉制品储存过程中质量下降的主要因素，菊花精油可以抑制过氧化氢诱导的氧化应激[34]，清除自由基。菊花精油既有很好的抑菌活性还有很强的抗氧化能力，具有充当天然食品防腐剂的潜力。为了保持菊花精油本身的活性，有研究者使用壳聚糖和果胶改性的菊花精油脂质体来保存鸡肉，发现其可以抑制鸡肉中的空肠弯曲杆菌，在4～37°C 的温度范围内储存14 d后，对鸡肉上的空肠弯曲杆菌仍具有很强的抗菌活性，且不会影响鸡肉的品质[35]。

3.2 菊花精油保鲜膜

菊花精油具有抗氧化功能和抗菌活性。保鲜膜作为活性物质的载体可以起到延长食品保质期的目的。食物本身对霉菌而言就是一个天然的培养基，在食物保存过程中不控制保存条件会导致霉菌、酵母菌大量繁殖，导致食物变质。将精油掺入薄膜中可以增强薄膜的抗菌和抗氧化活性。抗菌抗氧化的物质可以抑制食品保存过程中微生物的分解及氧化，避免食品变质；还会降低薄膜的水溶性和水蒸气的渗透性，进而抑制包装中的物质在储存过程中产生的有害菌的活性[36]。在聚乳酸包装中加入百里香油可以降低鳄梨果实贮存过程中炭疽病的发病率，且保留了更多的膳食植物化学物质[37]。在热塑性淀粉保鲜膜中加入香芹酚和百里酚，可以在保存草莓的过程中结合草莓本身含有的防御酶增强草莓对灰霉病的抑制作用[35]。植物精油与包装材料的结合有助于保持抗菌剂的浓度，也可以让抗菌剂从包装中缓慢释放，从而增加食品运输和储藏的时间。菊花精油中含量丰富的樟脑和萜烯物质都具有强效抑菌能力，可以用于植物精油保鲜膜。

4 结语及展望

目前，相关产业对菊花精油的提取集中使用水提法，此方法操作简单，设备便宜，更适合工业中的大剂量提取。但用超临界CO2萃取法可以提取到更高质量的菊花精油，且后续的浓缩分离会更方便，但由于其设备昂贵，还没有在工业生产中被广泛使用。菊花精油的提取方法仍需要进一步的研究与探讨。

菊花精油不仅具有很强的抑菌作用，还具有抗氧化功能。使用菊花精油作为食品添加剂，可以在不影响食品本身风味的同时延长其保鲜时长。随着人们生活质量的提高，天然绿色的食品成为目前市场的主流需求。抗菌包装是未来活性包装的发展趋势，能够在保鲜的同时增加食品的安全性，不会因为化学降解对环境造成污染。植物精油本身的生物活性多种多样，如何更好地利用其特性、更高效地发挥其作用，是值得我们探究的问题。