植物精油蒸氣與空氣負離子在食品保藏中的應用研究進展*

楊喬木，謝春，閆博文，陳碩，王一非

(上海應用技術學院香料香精技術與工程學院，上海，201418)

近年來中國的食品安全問題廣受關注。隨著人們對健康生活的日益追求，迫切需要安全和高效的天然抗菌劑來代替化學合成抗菌劑。天然抗菌劑需要具備抑制微生物初始數量和生長速率的雙重功能，既能作為食品添加劑直接加入到食品中，也能作為抗菌劑對食品的表面以及周圍的暴露環境進行殺菌。

植物精油是一類由植物產生的次生代謝物質，具有強烈氣味。有關精油抑菌性的研究始于近10年，這些研究囊括了數種精油對于食品腐敗菌的抑制作用，并且探究了其中抑菌效果較好的幾種精油的抑菌原理。精油在水溶液中具有良好的抑菌效果，但作為食品添加劑加入到食品中可能會影響食品本身的感官效果。解決這一問題的有效方法是利用精油蒸氣，既可以達到防腐保鮮的效果，又可以減少對食品感官的影響。

空氣離子發生器是一種使用高壓促使空氣分子電離，產生空氣離子的設備?？諝怆x子是空氣分子在光照、輻射、流動氣體和水的作用下分解產生的。大多數商業離子發生器產生空氣負離子(negative air ions，NAI)。近年來，空氣負離子作為抗菌劑應用于食品中，成為新的研究熱點。

1 精油蒸氣在離體條件下的抑菌活性研究進展

1.1 精油蒸氣在離體條件下抑菌活性的測定方法

精油蒸氣在離體條件下的抑菌活性的研究尚未系統化，Lopez等(2005)采用圓盤揮發法，將浸漬了精油的圓紙片放在培養皿蓋中，然后將接種了試驗菌的培養皿底板立刻倒扣在蓋子上，并用保鮮膜密封［1］。該方法的缺點是精油或精油蒸氣可能與培養皿材料相互反應，或者密封不足導致蒸氣流失。Becerril等(2007)對此法做了改進，在修改了的方法中，將5mL的瓊脂培養基加入到培養皿蓋中，對整個培養皿進行密封，從而防止精油蒸氣吸附在塑料的培養皿蓋上［2］。Tyagi等(2011)使用“致死時間實驗(kill time assays)”，將細菌暴露于某濃度的精油蒸氣中一段時間，隨后移除浸漬過精油的紙片，繼續培養并觀察微生物的生長，從而確定精油蒸氣的動態抑菌活性［3］。Caccioni等(1997)提出了一種不同的方法來研究活性分子在頂空、培養基表面和內部之間的分配，他們設計了一種特殊的瓶蓋，瓶蓋內部帶有小鋼鉤，小鋼鉤末端固定一個直徑6 mm的濾紙片，在容積為10mL的瓶子中裝入5mL接種了微生物的固體培養基，然后將瓶蓋蓋在瓶子上并密封。隨著時間的變化，通過頂空自動氣相色譜儀，對揮發性物質(頂部空間和培養基之間)的分配動態和微生物代謝物的產生等進行分析［4-5］。

1.2 精油蒸氣的抑菌活性研究

研究者通過1.1的離體方法，發現多種精油蒸氣對多種細菌、霉菌和酵母具有抑菌活性。Nerin團隊(2007，2005，2009)發現丁香、肉桂、百里香、牛至精油蒸氣對于細菌、真菌和酵母菌均有良好的抑制效果，而生姜，迷迭香等精油蒸氣的抑菌性略差［6-8］。Lopez等(2007)采用單滴微萃取，氣相色譜-質譜聯用(SDME，GC-MS)檢測精油蒸氣的成分隨時間的變化，并通過主要成分分析法確定香荊芥酚、百里香酚、肉桂醛為最有效的成分［9］。此外，Nedorostova等(2009)通過改進的圓盤揮發法研究了27種精油蒸氣對5種食源性細菌的離體抑菌效果，發現含硫精油和百里香精油效果最好［10］。Goni等(2009)研究了肉桂和丁香精油蒸氣結合使用時對于4種革蘭氏陰性菌和4種革蘭氏陽性菌的抑制作用，并對2種成分之間的相加效應、協同效應和拮抗效應加以確定，結果發現在一定濃度范圍內(肉桂18～136 mg/L，丁香9～90 mg/L)，肉桂和丁香精油蒸氣的組合沒有協同效應［8］。劉曉麗等(2010)比較了丁香精油、肉桂精油及混合精油蒸氣對供試細菌、霉菌和酵母菌的抑制作用，發現它們對霉菌的抑菌作用明顯高于酵母菌和細菌，同時發現混合精油中的2種成分對細菌的抑制有拮抗作用，對酵母菌的抑制沒有影響，對Aspergillus flavu和A.nier有相加作用，對Penicillium citrinu有協同作用［11］。

1.3 精油蒸氣的抑菌機理研究

由于精油蒸氣的成分復雜，關于精油蒸氣的抑菌機理尚處于起步階段，其主要作用機制是對微生物細胞的多種破壞作用，主要起抑菌作用的成分為一些醛類和單萜烯類。Tyagi等(2010，2011)利用掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡發現微生物被精油蒸氣處理過后，細胞膜破裂和細胞質外泄現象更加明顯，細胞高度降低，細胞表面粗糙度顯著增加。他們還利用氣相色譜-質譜聯用 (GC-MS)和固相微萃取，氣相色譜-質譜聯用(SPME，GC-MS)對精油和精油蒸氣的成分進行分析，發現精油蒸氣中富含某種單萜烯［3，12-13］。一般認為，抑菌物質需要有效的成分和作用方式才能獲得好的抑菌效果，而蒸氣態下的抑菌分子可以與靶細胞直接作用，從而產生抑菌效果。蒸氣態分子具有較強的疏水性，同微生物的疏水性細胞膜有較強的吸引作用。當精油分子溶解在固體或液體食品中時，它會與溶質和離子相互作用，或多或少地被水分子包圍，降低了疏水性。而精油分子在蒸氣狀態的疏水性較之在水中時大大增強，且幾乎不與水發生溶合，從而促使精油分子包絡、分割并穿透細胞［14］。因此，蒸氣態精油分子的抑菌活性更高。

精油蒸氣的抑菌效果還取決于微生物的種類和精油分子的蒸氣壓。革蘭氏陰性菌具有外膜(由脂多糖構成)，可以防止外源物侵入細胞，因而對精油蒸氣有更好的抗性。此外，精油蒸氣的活性受到精油成分的化學性質及其蒸氣壓的影響。Tyagi等(2010)發現在液態和蒸氣態時，檸檬草精油的活性大于薄荷醇精油，桉樹精油最差。這些精油的主要活性成分分別是檸檬醛、薄荷醇和1-8，桉葉素［12-15］。早期的研究表明，肉桂醛和檸檬醛等醛類蒸氣具有很強的抑菌活性，萜醇類(如薄荷醇)蒸氣的抑菌活性中等，酮式萜烯和萜醚類(如1-8，桉葉素)蒸氣的抑菌活性很差［16］。Caccioni等(1997)和 Gardinie 等(2011)均發現了頂部空間蒸氣壓會影響精油及其揮發性分子的抗真菌活性［4-5］。精油分子的蒸氣壓受到溫度和水分活度等環境因素影響，可以通過控制環境因素來提高其抑菌活性［5］。因此，只有聯系精油的物理狀態(蒸氣壓)，才能對精油蒸氣的抑菌性能做出更為系統的評估。

2 精油蒸氣在食品保藏中的應用

目前，精油蒸氣較多地與各種食品包裝結合使用，該法最大的優點是將精油蒸氣應用在食品包裝中，避免抗菌劑集中在食品表面，既減少對食品感官的影響，又不妨礙食品的食用。植物精油及其組成成分屬于天然提取物，依據歐盟決議2002/113/EC被分類到香料，在美國被美國食品與藥品管理局(FDA)認證為GRAS物質，具有較高的食用安全性，但由于其成分復雜，很難制定針對于精油的統一標準。歐洲議會和理事會頒布的指令2004/1935/EC規定，每一種從包裝中遷移到食品中的物質都須符合食品添加劑通用指令89/107/EEC。因此，凡是符合2004/1935/EC相關標準精油活性包裝均可投入商業使用。此外，歐盟(EC)No 1334/2008法案規定禁止向食品中直接添加胡薄荷酮，異茴香醚，豆香素等芳香物質，因此對于含有以上成分的精油應限制其應用。我國GB9685-2008《食品容器、包裝材料用添加劑使用衛生標準》對于食品容器、包裝材料用添加劑的使用亦做出了具體規定。

食品包裝中，選擇合適的基質成膜，對提高精油蒸氣的抑菌性能非常重要，因為揮發性物質在薄膜中釋放的水平會受到聚合物基質的顯著影響。Nerin團隊促進了抑菌包裝的發展，使其達到了與離體試驗相似的抑菌水平。Lopez等(2007)發現混合了肉桂精油或牛至精油的聚丙烯(PP)薄膜較聚乙烯/乙烯-乙烯醇共聚物(PE/PVOH)薄膜具有更好的抗真菌性能，進一步的遷移實驗證明，這樣的食品包裝符合2002/72/EC 的規定［6］。Rodriguez等(2007)發現，在富含肉桂醛的肉桂精油涂層紙包可以阻止蒸氣滲漏并防止真菌污染［17］。此外，涂層中活性成分的濃度以及活性成分的表面濃度也是影響包裝抑菌性的關鍵因素。Rodriguez等(2008)評估了以肉桂為基本成分的固體蠟活性包裝對面包的保護效果，發現6%的肉桂精油可以完全抑制Rhizopus stolonifer［18］。此外，精油蒸氣與氣調包裝相結合可以延緩甜櫻桃和葡萄等多種水果的貨架品質［19-21］。

精油蒸氣可以在不與表面直接接觸的情況大范圍地作用于產品，從而使暴露于其中的產品不易腐敗。將水果在儲存和運輸期間直接暴露于精油蒸氣中，不但能降低水果在顏色和香味方面的感官影響，還能給予水果抑菌性保護。Wang等(2003)將采摘下的覆盆子和獼猴桃與精油蒸氣直接接觸，發現其易腐性顯著降低［22］。Tzortzakis(2007)將水果(草莓和番茄)在儲存和運輸期間暴露于桉樹/肉桂精油蒸氣中，在保證水果的顏色和香味不受影響的前提下，起到了很好的防腐保鮮效果［23］。

3 空氣負離子的抑菌活性研究進展

空氣負離子對食品腐敗菌的抑菌研究尚處在起步階段。盡管早期研究發現帶電的空氣負離子對P.notatum，Neurospora crassa，Serratiamar cescens和Staphylococcus albus的生長有抑制作用［24-27］，但是由于實驗設計方法的不統一，有關空氣負離子抑菌作用的研究進展十分緩慢。直到1990年代后期，人們才利用更新、更系統的策略來確定空氣負離子的抑菌活性。Shargawi等(1999)將接種了Candida albicans的瓊脂培養基暴露在連接有空氣負離子發生器的真空灌中，發現在O3存在的情況下空氣負離子的抑菌效果更好。因此他提出在空氣離子化過程中，氧化劑和超氧離子自由基的存在是空氣負離子抑制微生物活性的重要原因［28］。Fletcher等(2007)將7種細菌暴露在空氣負離子中，發現其中6種細菌細胞死亡的原因是暴露在 O3中，只有 Mycobacterium parafortuitum是由于暴露在電場中產生電穿孔而死亡［29］。Fan等(2002)同樣發現空氣負離子和O3具有良好的協同效應［30］。

空氣負離子的抑菌機理研究還處于早期階段，其主要作用機制是對細胞的破壞作用。細菌細胞的表面性質和生理條件(如生長環境、菌齡和環境的應激因素)，均能影響空氣負離子的抑菌活性。Digelet(2004)利用十二烷硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳實驗提出，氫氧根離子聚集在細菌表面導致細胞表面的蛋白質被等離子束破壞，最終使細菌死亡［31］。Tyagi等(2008)發現空氣負離子對Escherichia coli和Pseudomonas fluorescens的抑菌效果與它們的生理狀態以及與空氣負離子的空間關系有關［32］。Fan等(2006)亦報道了空氣負離子對于蘋果片和綠豆等食品基質上的病原菌的抑菌效果［33］。這些研究建立了空氣負離子在現實生活中應用的平臺。

4 空氣負離子在食品保藏中的應用

空氣負離子能在空氣消毒、病害防治和食品加工等行業發揮作用。靜電電荷系統(electrostatic space charge system，ESCS)能顯著減少不銹鋼表面的微生物負荷，有望成為許多食品/禽類制品加工領域的補充處理技術。以正負離子的應用為基礎的新型空氣凈化和殺菌技術(等離子束技術)在近幾年有了很大發展［34-36］。介質阻擋光柵放電，使呈煙霧狀散開的細菌短期暴露，正是這種直接的暴露使得空氣中的細菌顯著減少。蔡蕊(1999)通過環境隔離柜的方法來確定空氣負離子器是否能通過減少環境控制隔離柜中空氣灰塵和其他粒子的含量來影響腸炎沙門氏菌的空氣傳播，最終結果表明放置離子器的組中菌的傳播較之未放置離子器的組有所減少［37］。其他研究還發現，空氣負離子的存在使得空氣中的粉塵、其他顆粒性物質和后續沉淀帶電，從而減少了細菌在空氣中的傳播［38］。

空氣負離子發生器在預防果蔬腐爛和減少環境微生物上有巨大的潛能，但是真正要實現商業化運用，還存在一定缺陷［39］。高濃度的空氣負離子能抑制微生物的活性，但不同的微生物對該系統的應答也各不相同［40］。而且，空氣負離子發生器能引起電離器自身鄰近表面和接地部件處潛在感染性顆粒的積累，甚至造成一些病害的局部爆發［41］。因此，空氣離子應當與其他抗菌劑結合使用，才能更有效的進行食品的防腐保鮮。

5 精油蒸氣結合空氣負離子的抑菌活性研究進展

精油蒸氣和空氣負離子結合使用時，不但抑菌活性更高，而且都可以不接觸食品，從而把對食品品質的影響也降低到最低。這種結合最初是通過精油蠟燭中釋放出來的擴散性電離產物來實現的［42］。在蠟燭產生的活性揮發電離產物中發現了橙皮油和百里香油，它們單獨使用時幾乎沒有抑菌性，但與空氣負離子結合時具有協同作用［43］，這項新技術可以顯著降低物質表面的細菌總量［44］。

空氣負離子能提高精油蒸氣對微生物細胞的殺死作用?？諝庳撾x子由自由電子組成，自由電子與氧反應產生氧自由基，氧自由基再與精油的主要揮發性成分相互作用，從而增強細菌細胞壁的通透性，使得更多的細菌被殺死。Gaunt等(2005)發現空氣負離子可以覆蓋細菌的液膜，促進離子化精油分子的轉移，并加強細胞膜間的聯系［44］。Tyagi等(2010)報道了精油蒸氣與空氣負離子結合可以抑制P.fluorescens，延長冷藏果蔬的貨架期［12］。4種精油(香茅、野薄荷、歐薄荷、藍桉)分別與空氣負離子結合，均能有效抑制液體或氣體中的P.fluorescens。電子顯微鏡掃描結果顯示，與精油蒸氣或空氣負離子單獨處理相比，空氣負離子與香茅蒸氣或者薄荷蒸氣相結合處理時的效果最好，4 h內P.fluorescens的細胞質全部流失，而空氣負離子單獨處理時細胞只出現局部變形;此外，空氣負離子與檸檬草油蒸氣結合使用時，對E.coli的抑菌性比單獨使用空氣負離子或者單獨使用精油蒸氣時的效果好［45］。

6 結論和未來展望

精油蒸氣對一些食品中的微生物具有較好的殺菌作用，通過活性、改性氣體包裝或熏蒸劑進行水果防腐保鮮的應用前景非常看好，同時精油蒸氣亦可減少生鮮產品在保溫工具箱、紙板箱、盒子等商業環境中的腐敗變質。在美國，通常認為精油或其成分都是安全的，歐洲法規也制定了明確的使用規則。亟待解決的是精油蒸氣對食品感官的影響。

空氣負離子作為抗菌劑的穩定性能和作用機理通過過去20年的研究已經初步明確。在防止果蔬腐敗和醫院或動物聚集地的感染性傳播方面的應用前景也被看好。實驗室的大規模研究也表明，精油蒸氣暴露于空氣負離子的情況下抑菌活性顯著提高。開發空氣負離子-精油蒸氣設備，將會促進廉價，環保和高效的食品包裝技術和空氣凈化技術的發展。

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