水溶膠作為食品抗菌劑的潛在應用

張雪，左希敏，劉濤

(青島科技大學 化工學院，山東 青島 266042)

近年來，隨著生活質量的提高，人們對于一些合成防腐劑的安全性提出了質疑[1]。因此不斷呼吁生產更安全的糧食作物和開發新的抗菌劑，在這種情況下，天然產品如水溶膠就更受到研究者的青睞。近年來，尤其是在食品工業領域，食品水溶膠的研究和應用得到了迅猛的發展[2]。水溶膠(水合物或芳香水)是植物提取為獲得精油進行蒸汽蒸餾所得的次級產物。20世紀早期就發現芳香植物在蒸餾期間，水中少量精油成分有損失[3]。水溶膠是一種相對復雜的含有少量精油和幾種水溶性成分的混合物。幾個世紀以來，許多地方早已使用香料和草藥來增加食物的風味和香味[4]。在古代人們也認識到使用香料和草藥來保存食物和提高藥用價值的重要性。與精油相比，水溶膠生產簡單且廉價，并且對人體健康幾乎沒有毒性。雖然其抗菌活性已有報道，但現有資料仍然有限[5]。本文旨在報道水溶膠的抗菌活性、安全性，以及水溶膠應用的新的潛在領域。

1 水溶膠及抗菌和抗真菌活性

1.1 水溶膠

水溶膠是在芳香植物提取精油的過程中產生的，具體而言，它們由蒸餾過程的冷凝水與能產生氣味的親水性揮發性油組分形成氫鍵構成，具有極性和氧化性。它們是少量精油(通常小于1 g/L)和揮發性水溶性次生代謝產物的混合物[6]。水溶膠必須儲存在無菌容器中，密封并存放在陰涼處，可以保存1年甚至更久。但是在其儲存期間，水溶膠的香氣和成分可能發生變化，例如草味的丟失或者主要香料的變化[7]。實際上，水合物的保存期限取決于它們的化學組成和所含化合物的內在抗菌活性，當然也有可能存在包裝操作期間的污染。在蒸餾后期，部分獲得的水溶膠的氣味和化學組成有所不同，這是由于它們含有低沸點和高沸點的萜類化合物。此外，水溶膠的芳香性可能與單純的精油有顯著不同，因為它們缺乏疏水性和水不溶性類異戊二烯化合物(烴類)[8]。長期以來，在科學界，水溶膠被定義為蒸汽蒸餾的廢物，直到最近，許多研究者重新關注它們，并且研究其抗菌活性。

1.2 水溶膠的抗菌和抗氧化活性

精油的化學成分較為復雜，一種植物精油往往含有十多種甚至上百種化學成分[9]。精油主要是由萜類、芳香族類、脂肪族類等化合物組成的混合物，生物活性取決于它們的官能團。在某些情況下水溶膠的主要成分和次要成分與精油相同(盡管數量不同)，這就是水合物具有抗菌活性的主要原因。

了解水溶膠的化學結構對于了解其生物活性和特定的應用至關重要。例如，香芹酚和百里酚等酚類化合物被認為是強抗菌劑[10]。它們是疏水性分子，主要破壞細菌的外膜，誘導脂多糖的釋放。它們也與脂質雙分子層相互作用從而影響細胞質膜的結構和功能[11]。特別是香芹酚干擾自身的脂肪酸鏈，導致膨脹和膜結構的不穩定性，增加其流動性和滲透性，從而導致細胞內物質泄漏。與香芹酚接觸后，菌體的細胞膜和細胞壁被破壞，并引起細胞膜通透性和菌體形態的改變[12]。另外，香芹酚還通過減少ATP的生成和增加ATP的水解來降低細菌的活性，以上都是抗菌作用的機理。此外，另一種水溶膠化合物——醇，由于疏水性的作用也可顯示出抗菌作用。這種特性主要表現在它會積累在細胞膜中，損害細胞的完整性從而導致細胞內物質的釋放。研究表明酚類化合物如百里酚、丁香酚和香芹酮、肉桂醛也表現出強烈的抗真菌活性。

氧化也是食品變腐的一個原因，因此能夠抑制食品氧化的物質在食品工業中備受追捧。如今，在天然添加劑替代合成產品的應用中，植物的抗氧化特性變得非常有價值。雖然關于水溶膠所產生的抗氧化活性的研究很少，但卻獲得了很好的結果。例如，椰子和檳榔水合物可以有效地清除DPPH和ABTS自由基，表現出強的抗氧化活性。而來自椰子花的水溶膠總酚含量最高，因此檳榔花中的水溶膠顯示出更強的DPPH清除活性[13]。

2 水溶膠的應用及安全性

2.1 水溶膠的應用

在世界各地，水溶膠是食物和飲料的調味品。此外，由于水溶膠的抗菌、防腐、抗氧化特性，它們還被用于治療霉菌。除了傳統的用途外，研究者正在開發它們作為替代物的用途，尤其是它們的性質與精油相似，所以它們的這一特性在醫療中有很大的潛力。比如近年來發現大蒜頭內含有揮發性大蒜素(大蒜精油)，是一種植物性廣譜抗生素，將大蒜頭放入口內咀嚼5 min，口腔中的細菌可全部被消滅[14]。另外，鼠尾草茶-百里香-薄荷水溶膠口腔清洗劑在治療口腔粘膜炎方面顯示出很好的效果；同時一些伊朗研究人員研究使用核桃酸水解物控制Ⅰ型糖尿病患者的血糖。但是考慮到有些精油可能會產生一些副作用，所以可考慮采用含有低精油濃度的水溶膠作為替代物。

2.2 水溶膠的安全性

水溶膠不具有許多單純精油的副作用：它們通常沒有強烈的氣味，不會導致頭痛，也不會導致接觸刺激，此外，它們通常可以被施用于皮膚或攝入(在合適的濃度內)。在伊朗的營養文化中，水溶膠與甜味劑如糖或蜂蜜一起使用，可作為天然可口的飲料[15]。但是一些研究者認為，盡管這些化合物在傳統藥物和芳香療法中已經使用了很長一段時間，但應注意在動物系統中水溶膠的應用安全性[16]。雖然許多文章中提到了在食品和化妝品領域中使用肉桂提取物或其組分(肉桂醛、丁香酚和肉桂酸)，但這并不完全可取，相反有限劑量則是被推薦使用的(國家補充和整合健康中心，2016年)。因為肉桂醛能夠消耗谷胱甘肽，所以肝病患者在服用撲熱息痛時不建議攝入肉桂皮油。最后，肉桂醛和肉桂酸是細胞膜的刺激物，如果大量攝入會造成接觸性皮炎、口腔炎、牙齦炎、舌炎、疼痛、紅斑、水皰性潰瘍、脫屑和色素沉著[17]。雖然水溶膠在食品中作為抗菌劑并沒有相應的法律規定，但是根據例如2008年12月16日關于調味品的歐盟條例第1334/2008號(第3條第2款)規定，它們被視為“調味品”。在這種情況下，水溶膠已經被用于食品配方中。根據第4條的規定，應符合下列條件：①根據現有科學證據證明它們不會對消費者的健康構成威脅；②它們的使用不會誤導消費者。根據第9條規定，除食物以外的蔬菜、動物或微生物來源的材料所含的調味劑應由歐盟委員會進行評估和批準。但是，從食品材料中獲得的水溶膠，只要符合第4條，則不需要評估和批準(第8條)。

3 結論及展望

上面報道的數據描述了水溶膠的潛在用途以及它們在不同的應用領域中可能發揮的作用。由于其廣泛的抗菌以及抗氧化活性，水溶膠在食品中的應用可能很快被實現，特別是控制致病和腐敗微生物的生長，還能延緩氧化，因此可以延長食品的保質期。水溶膠目前已經成功地用于控制水果和蔬菜的腐爛，或者阻礙病原體生長。

在食品工業發展中，尋求安全、高效的天然食品防腐劑已成為今后的研究方向。而水溶膠符合食品工業中作為天然抗菌劑的要求，也可用作工具、機器和表面的消毒。事實上，與精油不同的是表面的水溶膠可以很容易被沖洗掉，所以沒有持久的強烈氣味。此外，水溶膠可在工作工具和表面形成生物膜，起到保護的作用。新的潛在應用方面，水溶膠可以與其他分子協同使用，作為包裝成分，抗微生物或抗氧化包裝，從而能夠延長食品的保存期限，并且不會對產品的特性產生重大影響，而且還能保持產品質量。由于水溶膠是精油純化過程中的副產物，迄今為止幾乎沒有工業應用，因此將其運用到工業中會產生額外的價值。目前仍需要進一步的研究來評估這些提取物在工業規模上的成本和功效。此外，盡管有大量的科學論文和各種建議是關于其實際應用的，但是最重要的還是要進行更多的原位研究，來確認在體外能獲得良好結果，以及進行體內實驗來完善關于毒理學方面的研究。最后，還需要調查環境中水溶膠的穩定性。