姜精油抑菌作用的研究進展

蘭景堯,薛文通

(中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083)

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姜精油抑菌作用的研究進展

蘭景堯,薛文通*

(中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083)

姜精油是從生姜中提取的揮發性油分,具有廣譜抑菌效果。本文介紹了姜精油的化學成分及提取方法,主要闡述了姜精油對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、真菌和酵母菌的抑制作用及抑菌機理,以期為姜精油的綜合利用拓展方向。

姜精油,抑菌作用,抑菌機理

姜(ZingiberOfficinaleRoscoe)是姜科屬多年生草本植物的嫩根莖。姜精油(Ginger essential oil)是從生姜根莖中得到的揮發性油分,呈透明、淺黃至桔黃色的液態,有濃郁芳香,主成分為倍半萜烯類碳水化合物(50%～66%)和氧化倍半萜烯(17%),有良好的自由基清除能力和Fe3+離子還原能力[1]。其中倍半萜烯類化合物主要為α-姜烯(15%～30%),β-沒紅藥烯(6%～12%),α-法呢烯(3%～10%),β-半水芹烯(7%～10%),芳基-姜黃(5%～19%)[2]。單萜烯類碳水化合物和氧化單萜烯類物質是姜中風味物質的主要貢獻者。研究發現,姜精油經瞬時高溫加熱,仍能保持60%的抑菌效果[3],表明姜精油具有一定的熱穩定性。由于地域和品種不同,姜精油的主成分和含量也有差別[4],例如:廣西姜精油(檸檬醛49.39%),四川姜精油(α-姜烯44.26%),澳洲姜精油(β-姜烯20%),印度姜精油(β-姜烯35%)[5-6]。

1 姜精油的提取

姜精油的提取方法包括壓榨法、溶劑萃取法、水蒸氣蒸餾法等傳統方法,也包括超臨界CO2萃取、微波輔助萃取、超聲復合酶法[7]等現代工藝。王琴君等[8]通過乙醇浸取法和超聲波輔助石油醚提取新豐姜精油。結果表明,乙醇浸取法和超聲波輔助法的姜精油得率分別為4.11%和5.11%,兩種方法所得的姜精油成分差異較大,前者不含姜辣素成分,后者含大量姜酮(屬于姜辣素成分),因而不同提取方法所得姜精油的性質不同。

另外,戰琨友[9]對生姜根莖部位的姜精油和姜辣素進行了組織化學定位,通過光鏡及透射電鏡觀察,發現姜精油和姜辣素混合存在于同一類型的油細胞中,該油細胞在生姜根莖中不同程度地分布于韌皮部和木質部的薄壁細胞內,并指出姜精油不需要衍生化處理,即可用GC/MS聯用技術測定其中的揮發性成分和非揮發性成分。楊明等[10]采用超臨界CO2萃取和水蒸氣蒸餾法提取姜精油,用GC/MS分析其化學成分發現,從水蒸氣蒸餾法提取得到的姜精油中分離檢測出30種成分,超臨界法檢測出19種成分,超臨界法的姜精油得率是水蒸氣蒸餾法的3.8倍,并檢出了在水蒸氣蒸餾法所得姜精油中未檢出的有效成分6-姜酚(12.82%)。

2 姜精油的抑菌作用

自古以來,芳香植物常被用于民間藥方及食品防腐中,生姜、甘草、迷迭香、葫蘆巴、茴香等眾多芳香植物,均具有藥食兩用價值[11],并且人們在實踐中逐漸發現植物精油中含有抑菌活性物質。由于植物精油源自天然,對環境無污染,對人體相對安全,且具有抑菌、抗氧化、抗腫瘤和殺蟲等多種生物活性,其在食品防腐保鮮、醫藥、農藥及化妝品中的應用和研究日益增多[12-14]。Kalemba等[15]對姜精油、百里香精油、迷迭香精油、丁香精油、牛至精油、豆寇精油的抑菌活性進行研究,發現它們對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌,及真菌、酵母菌均有抑制作用。Mahendran[16]分別以甲醇和水為溶劑,提取紅姜和白姜精油,發現紅姜提取物的抑菌活性大于白姜,紅姜的甲醇提取物抑菌活性強于水提物的抑菌活性。G.S.El-Baroty等[17]采用薄層色譜法-生物自顯影法、平板擴散法測試發現,姜精油對枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷白桿菌均有良好的抑制作用,對黑曲霉、匍枝根霉、尖鐮孢的最低抑菌濃度分別為70,75,75 μg/mL,由GC/MS測得薄層板上寬大清晰的抑菌圈中的化合物為倍半石竹烯和檸檬烯,說明姜精油中的這兩種化合物在抑菌過程中體現了較強的抑菌活性。

2.1 姜精油對革蘭氏陽性菌的抑制

大量研究發現,姜精油對革蘭氏陽性菌有良好的抑制作用。Natta[18]等用乙醇和石油醚為萃取劑,水蒸氣蒸餾萃取生姜根部精油,由平板擴散法得出姜精油對單增李斯特菌的最小抑菌濃度(MIC)為6.25 mg/mL;萃取劑為乙醇時,對蠟樣芽胞桿菌的抑菌圈直徑為10 mm,萃取劑為石油醚時,對單增李斯特菌的抑菌圈直徑為11 mm。在金黃色葡萄球菌、蠟樣芽胞桿菌、單增李斯特菌三種革蘭氏陽性受試菌中,蠟樣芽孢桿菌對姜精油最敏感,這與此前Alzoreky[19]的實驗結果一致。

Mity Thambi[20]選定四種革蘭氏陽性菌測試姜精油抑菌活性,發現姜精油濃度為2.5 mg/L時,糞鏈球菌的抑菌圈直徑為12 mm,而金黃色葡萄球菌、白色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的抑菌圈直徑均為10 mm。抑菌效果不僅跟菌種差異性有關,也與精油的主成分差異性相關,主成分中的極性基團[16]、芳香族化合物都可能在抑菌機制中發揮了重要作用[17],使細菌或真菌的細胞膜、線粒體與脂質分離,破壞細胞結構,導致細胞死亡[21]。Mity測得的姜精油中主成分為反式丁香烯,α-環氧葎草烯,δ-3-蒈烯等,其中具有抑菌作用的成分是δ-3-蒈烯[20]。目前國內研究更側重于姜精油中揮發性物質和呈味物質的成分鑒定,而對姜精油各抑菌成分的協同效應、構效關系等研究較少。國內研究大多采用萊蕪大姜、張良姜等品種為原料提取精油,所測得姜精油主成分多為α-蒎烯、莰烯、β-水芹烯等[22],這也是國內外研究差異之一。

A. Smith-Palmer[23]等采用瓊脂技術測試姜精油對四種食源性病菌的抑制作用,發現姜精油對腸炎沙門氏菌、空腸彎曲桿菌、大腸桿菌和單增李斯特菌均有一定抑制作用。通常,食品防腐中使用的精油濃度應高于抑菌實驗中的精油濃度[24],然而高濃度的精油又會改變食品的感官品質,因而無法在食品防腐過程中直接使用。姜精油在食品防腐中的有效應用還有廣闊的研究空間與發展前景。

2.2 姜精油對革蘭氏陰性菌的抑制

A. Smith-Palmer[23]等發現,生姜根莖精油對鼠傷寒沙門氏菌的最低抑菌濃度為2.00%(v/v),且姜精油對金黃色葡萄球菌和單增李斯特菌這兩種陽性菌的抑制效果比腸炎沙門氏菌、空腸彎曲桿菌、大腸桿菌這三種陰性菌的抑制效果好。

Yasodha Sivasothy[25]等利用微量稀釋技術評價了生姜葉片精油與生姜根莖精油的抑菌活性,發現這兩個部位的姜精油對革蘭氏陰性菌的最低抑菌濃度均在0.31～0.63 mg/mL,高于革蘭氏陽性菌的0.16～0.31 mg/mL,此結果與Kivrak[26]的實驗結果一致:大腸桿菌>肺炎克雷白桿菌>斯氏假單胞菌。再次證明姜精油對革蘭氏陽性菌的抑制效果較革蘭氏陰性菌好,其原因目前還無確切闡釋,但可確定的是,革蘭氏陰性菌的外膜賦予其細菌表面強烈親水性,產生滲透屏障,保護細菌不被滲透。

另外,生姜不同部位的精油成分也不同,姜精油存在于根莖部位的角狀細胞空隙內,在根莖的表皮層和內部均有分布,特別在表皮層組織含量較豐富。有文獻[27]表明,影響生姜精油得率的一個重要因素為姜是否去皮。從生姜精油的提取過程知,全姜精油的得率明顯高于去皮姜精油,約為后兩者的3倍以上。因此,在相同條件下,全姜油的抑菌效果比去皮姜油好。除金黃色葡萄球菌外,姜皮精油對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、根霉、黑曲霉、繩狀青霉的抑制作用明顯強于全姜和去皮姜精油,總體抑菌效果由強到弱依次為:姜皮精油>全姜精油>去皮姜精油[28]。因此,提取姜精油的生姜部位不同,抑菌實驗結果不同。

2.3 姜精油對真菌、酵母菌的抑制

Flavio等[29]發現,姜精油能有效抑制輪狀鐮刀菌的生長以及伏馬菌素的滋生,姜精油濃度為2000～4000 μg/mL 時,對伏馬菌素B1、伏馬菌素B2的抑制活性隨濃度的增大而增強。

通常認為精油的生物特性由精油的主成分及其濃度體現,然而一些微量成分同樣能影響精油的功效[30],同時,精油中各成分的協同效應也通過影響細胞壁修復、細胞膜的親水親油性而影響細胞通透性,從而體現精油生物特性。酵母菌所產的麥角固醇是酵母菌細胞膜的重要組成部分,也是激素類物質的中間體,它能確保膜結合酶的活性與流動性、細胞活力以及細胞物質的正常運輸[31],Flavio通過HPLC檢測知,姜精油破壞了麥角固醇的生物合成,達到了抑制真菌生長的目的。

Indu Sasidharan[32]等以鮮姜和干姜為原料提取精油發現,鮮姜精油對黑曲霉的最低抑菌濃度<1.00 μg/mL,干姜精油為5.00 μg/mL;對釀酒酵母的抑菌圈直徑分別為6.03±0.06、7.09±0.04 mm。因而鮮、干姜精油對黑曲霉的抑制效果均與Baurer[33]的平板擴散實驗結果相同,而對青霉菌、釀酒酵母的抑制效果較弱。鮮姜精油中所含的香葉醛含氧化合物(29%)高于干姜精油(14%),使得鮮姜的精油抑菌效果優于干姜,而干姜精油中含更多的碳氫化合物,活性低于含氧化合物[34-35]。鮮姜精油中的含氧化合物電負性對于抑制黑曲霉和假絲酵母有重要作用[34];干姜精油對綠膿桿菌、青霉菌、假絲酵母的抑制能力更強的原因是干姜精油中含有更多含雙鍵的倍半萜烯碳氫化合物,因而比單萜類的活性更強[35]。

3 姜精油抑菌特性在食品領域的應用

姜精油的抑菌特性在食品領域有廣泛應用。在肉類保鮮方面,王躍猛[36]將3%的姜精油添加到明膠-碳酸鈣可食膜中,發現能夠減緩冷鮮肉的揮發性鹽基氮含量20%,從而提高對肉的保鮮效果,延長產品貨架期。Syed[37]噴涂姜提取物于雞肉、牛肉、羊肉上,發現噴涂之后的肉類,其風味口感更受人青睞。

在抗油脂氧化方面,L. Atarés[38]將酪蛋白酸鈉和姜精油制成可食用膜,將葵花籽油裝填入特制的丙烯酸甲酯細胞中,再用該可食用膜包裹,制作Trolox標準溶液曲線,探究含有5%姜精油的可食用膜對ABTS自由基的清除率,發現對ABTS自由基陽離子的清除率為23%,說明含有姜精油的可食用膜可有效防止葵花籽油的氧化。

在果蔬保鮮方面,姜精油可與包埋控釋體系結合,采用分子包埋技術,制作姜精油抑菌膜,控制其釋放速率,延長抑菌時間,有效延長果蔬的儲存時限。蔡丹丹[39]等研究了負載迷迭香、肉桂油、姜精油、丁香緩釋抑菌膜的緩釋性、透氣性和抑菌性發現,負載姜精油的緩釋抑菌膜在2個月后的釋放率為78.5%,僅低于丁香的80%,但水蒸氣透過率在四者中最高,到達0.14 g/m2·d。負載姜油的緩釋抑菌膜對大腸桿菌、枯草桿菌、霉菌的抑菌圈直徑分別為13、7、8 mm。

4 前景與展望

目前研究多停留在姜精油的抑菌效果方面,而對抑菌機制的研究尚處于起步階段,可知的是精油中的抑菌成分使細菌的細胞膜通透性增加,改變細胞膜滲透壓,使細胞內容物溶出,細胞質凝結[40]。因此,植物精油的抑菌作用與其化學結構上的親油性、疏水性以及植物精油主成分的含量都有關系[41-42]。但目前的研究還沒有針對姜精油抑菌過程中的構效關系的完整、準確闡釋。綜合國內外研究成果發現,姜精油中各組分的物理、化學性質各異,單組分抑菌與多組分復合抑菌的效果不同,需分別探討。

未來研究趨勢是進一步探究姜精油組分對病原菌的細胞膜結構、線粒體功能、細胞代謝的影響,借助基因組學和蛋白組學,探討各作用靶點與作用效應之間的關系,以掌握姜精油抑菌機理,達到有效利用姜精油的抑菌活性的目的。

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Research progress in antibacterial activity of ginger essential oil

LAN Jing-yao,XUE Wen-tong*

(Food science and nutritional engineering academy,Chinese agricultural university,Beijing 100083,China)

GingeressentialoilisextractedfromZingiber Officinale,whichhasabroad-spectrumantibacterialeffect.Thechemicalcompositionofgingeressentialoilandtheextractionmethods,especiallytheinhibitioneffectsofgingeressentialoiltoGram-positivebacterium,Gram-negativebacterium,fungalaswellassaccharomyceteswereintroducedinthispaper,andthepurposewastopromotethedevelopmentofcomprehensiveutilizationofgingeressentialoil.

Gingeressentialoil;antibacterialeffect;antibacterialmechanism

2016-04-25

蘭景堯(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：功能性食品研究，E-mail:joylan1027@163.com。

*通訊作者:薛文通(1962-)，男，博士，教授，研究方向：功能性食品研究，E-mail：xwt@cau.edu.cn。

國家科技支撐計劃項目(2015BAD19B01)。

TS202.3

A

1002-0306(2016)19-0387-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.067