天然抑菌劑的抑菌機理及其在果蔬保鮮中的應用

老瑩，胡文忠*，馮可，薩仁高娃，宋鹵哲，孫小淵

1(大連民族大學 生命科學學院，遼寧 大連，116600) 2(生物技術與資源利用教育部重點實驗室，遼寧 大連，116600) 3(大連理工大學 生命科學與技術學院，遼寧 大連，116024)

天然抑菌劑是一種來源于動物、植物和微生物體內的新型防腐劑，無毒無害，具有殺菌、抑菌、抗氧化的作用，而且無抗藥性[1]。其抑菌機理分為3方面[2-3]：一是破壞細胞壁、細胞膜結構，導致細胞內營養物質流失，細胞死亡；二是破壞DNA、RNA結構，抑制基因表達，造成細胞死亡；三是破壞細胞內線粒體結構，抑制微生物的呼吸作用，造成細胞缺氧死亡。

果蔬由于自身生理生化變化和微生物的污染，導致其在采后貯藏、運輸過程中營養物質大量損失，果蔬損耗嚴重。尤其是致病菌的污染，不僅導致果蔬大量腐敗，而且會對人體產生危害，引起食源性疾病，與生鮮食品相關的食源性疾病暴發是全球主要的公共衛生問題[4]。因此為了減少果蔬的損失率，保護消費者的安全，通常對果蔬進行保鮮處理。目前的保鮮方法有低溫保鮮、氣調保鮮、輻照保鮮、添加抑菌劑等，其中使用抑菌劑是最為常用的方法，果蔬抑菌劑常用化學抑菌劑和天然抑菌劑2類，但化學抑菌劑可能會對人體產生潛在的危害，而天然抑菌劑是從植物、動物和微生物中提取出的具有抑菌、抗氧化活性等功能的物質，不會對人體產生不良影響。

天然抑菌劑在對果蔬進行抑菌、殺菌的基礎上，同時有效抑制了呼吸作用、延緩VC含量及失重率等生理生化指標的下降，有效改善果蔬的品質，減少果蔬的損失量，延長貯藏期，提高安全性。目前被應用于食品保鮮中的天然抑菌劑有植物精油、抗菌肽、殼聚糖、溶菌酶等。天然抑菌劑在果蔬保鮮中主要采用噴灑、浸泡、涂膜、熏蒸、制成外包裝等，常用于蘋果、梨、圣女果、葡萄等的抑菌保鮮。天然抑菌劑在果蔬保鮮方面具有良好的研究和發展前景。

1 天然抑菌劑的抑菌機理

1.1 對細胞壁、細胞膜的影響

微生物的細胞壁可以維持細胞的正常形態，起到保護細胞的作用。微生物的細胞膜可以控制細胞內、外營養物質和代謝產物的運送，維持細胞的正常生命活動。植物精油的烯萜類物質可以抑制幾丁質的合成、抑制細胞壁降解酶的活性[5]；酚類和醛類物質可以抑制蛋白質合成[6]，與磷脂分子相作用、抑制麥角固醇的合成[7]來改變細胞膜的結構，增強其通透性，使細胞遭受不可逆損傷，造成細胞死亡。殼聚糖通過與微生物膜表面的帶有負電荷的物質發生相互作用，導致微生物細胞內營養物質流失而死亡[8]。溶菌酶可以水解連接N-乙酰胞壁酸(NAM)和N-乙酰氨基葡萄糖(NAG)殘基之間的β-1，4糖苷鍵，從而破壞細菌的細胞壁，使之松馳而失去對細胞的保護作用[9]。蜂膠增強細胞壁、細胞膜的通透性[10]。Nisin會捆綁肽聚糖的前體Lipid II，從而限制細胞壁的合成[11]；一些革蘭氏陰性菌細胞壁外層的脂多糖會抵抗Nisin的抑制作用，加入EDTA后可螯合、限制脂多糖中的鎂離子和鈣離子，使脂多糖變得不穩定，Nisin就可以直接作用于細胞膜上[12]，破壞細胞膜的完整性，導致細胞死亡。ε-聚賴氨酸破壞細胞壁的完整性，使堿性磷酸酶滲出，進而破壞細胞膜的完整性，使其喪失生理功能，導致細胞死亡[13]。苯乳酸的作用位點主要在菌體的細胞壁上，能夠破壞細胞壁的完整性[14]，但抑菌機理尚不明確，有待進一步的研究。

1.2 對DNA及孢子的影響

植物精油能夠破壞微生物DNA的結構，進而抑制基因表達[15]，影響微生物的正常生命活動及繁殖。但目前植物精油對微生物DNA的影響還處于初步研究階段，具體的作用位點和作用方式還不明確，有待進一步的研究。殼聚糖可以作用于微生物體內的DNA或RNA，造成微生物生理功能紊亂而死亡，研究發現，低聚殼聚糖能夠抑制mRNA的轉錄，進而殺死微生物細胞[16]。ε-聚賴氨酸能夠嵌插DNA中，與DNA結合，使細胞喪失基因表達作用[17]。

植物精油能夠抑制分生孢子的產生，阻礙病菌的繁殖，李文茹[18]等研究了5種精油的抑菌活性，結果表明，肉桂精油、大蒜精油、山蒼子精油、丁香精油及香茅精油均對霉菌的孢子產生了抑制作用。殼聚糖也具有抑制微生物孢子的作用，李小芳[19]對殼聚糖的抑菌活性及機理進行了研究，結果表明，殼聚糖主要對霉菌的孢子起到抑制作用。

1.3 對呼吸作用及能量代謝影響

植物精油可以破壞微生物細胞內的線粒體膜，影響微生物的呼吸作用，導致細胞死亡， NOGUEIRA[20]等研究了藿香薊精油對黃曲霉的抑制作用，結果表明，藿香薊精油能夠使細胞內線粒體的膜裂解，使細胞喪失供氧功能。蜂膠[21]和殼聚糖[22]均具有成膜性，可抑制微生物的呼吸作用并影響營養物質的吸收，導致細胞缺氧、能量供應不足，造成微生物死亡。Nisin能夠破壞細胞膜，使ATP外流，進而被水解，微生物細胞缺少能量供應，細胞死亡[23]。劉洪霞[24]研究了ε-聚賴氨酸的抑菌活性，結果表明，ε-聚賴氨酸能夠抑制細胞膜上ATP酶的活性。

2 天然抑菌劑的分類及其應用

2.1 植物源抑菌劑

2.1.1 植物粗提物

植物粗提物包括水提和醇提2種，水提常用的方法有浸漬、蒸煮、回流；醇提采用的溶劑有乙醇、石油醚、甲醇和正丁醇。植物粗提常采用藥食同源材料，有丁香、迷迭香、黃芪、甘草、連翹、肉桂、八角、大蒜等。近年來，植物粗提物已在荔枝、藍莓、蘋果、獼猴桃、草莓、柑橘、香蕉等進行了應用實驗，王偉等人[25]以迷迭香、青花椒、綠茶、丁香、牛至等21種天然植物為原料，以牛津杯法研究其粗提物對藍莓在貯藏中分離出來的3種病原真菌和運輸過程中常見2種食源性致病菌的抑菌活性，結果表明，丁香粗提物對真菌的抑制能力最強，對灰霉、鏈格孢霉和青霉的平均抑菌圈直徑分別為47.58、39.68和40.54 mm；五味子粗提物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌效果最強，平均抑菌圈直徑分別為42.08和28.49 mm。陳建中等人[26]研究了黃花蒿提取物對黃瓜的保鮮效果，經過黃花蒿提取液處理的黃瓜在貯藏期間生理生化指標有所改善，維持了較好的果皮顏色，腐爛率較低。

2.1.2 植物精油

植物精油是從中草藥及香辛料的花、葉、莖、根、果實中萃取得到的小分子揮發性芳香類物質，具有抗菌、天然無毒的特點。其含有的醛酮類物質、酚類物質以及萜烯類物質是主要抑菌成分，植物精油的抑菌性通常是幾種成分協同作用[27]，而不是單一作用。

植物精油作為純天然的保鮮劑在食品中得到廣泛應用，目前在櫻桃番茄、番木瓜、楊梅、葡萄、芒果、梨、馬鈴薯、哈密瓜、油桃、小白菜等果蔬上均有深入研究。李明珠[28]等人研究了不同溫度下，在相對濕度的條件下，以不同濃度肉桂精油對紅提葡萄進行保鮮，在2 ℃，90%相對濕度下，肉桂精油的保鮮效果最好，紅提葡萄的爛果率、失重率顯著降低。尚艷雙[29]等人采用浸泡法用不同體積分數的楓香葉精油對枇杷果實進行保鮮效果的研究，楓香葉精油可以減緩果實硬度上升，維持可溶性固形物，減少木質素的積累、果實腐爛率，降低質量損失和丙二醛含量。

植物精油易揮發、氧化，且具有揮發性芳香物質，可能會影響果蔬本身的風味，將精油與可食性膜結合，添加到包裝材料中或制備成微膠囊[30]可以延緩油脂氧化和香氣釋放的速度，避免與果蔬直接接觸，解決了影響果蔬品質這一問題。黃巍[31]等對丁香精油涂布紙箱保鮮水蜜桃的效果進行了研究，丁香精油濃度為0.6%的涂布紙箱的保鮮效果最好，延緩了水蜜桃硬度、失重率和VC含量的下降。MOHAMMADI等[32]研究了添加月桂精油的殼聚糖涂膜對黃瓜貨架期的影響，結果表明月桂精油-殼聚糖復合涂膜能顯著改善黃瓜的理化性質，防止微生物污染，涂膜的果實更堅硬，維持一定的含水量和果皮顏色。

2.1.3 小結

我國在植物源天然抑菌劑的研究方面已取得了不小的成就，無論是在果蔬的保鮮方面還是抑菌方面均有良好的效果，但是還存在很多的問題：植物源天然抑菌劑在果蔬保鮮方面的應用還沒有達到產業化；大多研究實驗是在單一微生物存在和恒定的環境條件下進行的，在多種微生物共同存在和多變的環境條件下，缺乏對合適的天然植物提取物復合及應用技術條件的深入研究；現階段的研究多是對植物提取物抑菌特性及保鮮效果的研究，對抑菌成分及其抑菌機理的研究不深入。

2.2 動物源抑菌劑

2.2.1 殼聚糖

殼聚糖(Chitosan，CTS)是自然界中的唯一堿性多糖，是甲殼素脫乙酰化后的衍生物，廣泛存在于甲殼類動物的外殼中[33]。殼聚糖及其衍生物因具有無毒無害且抑菌、易成膜、可降解的優點被廣泛應用于食品的保鮮。殼聚糖作為一種天然的保鮮材料常與其他保鮮劑制成復合涂膜對圣女果、番茄、枇杷、櫻桃、生姜、馬鈴薯、山藥等進行了應用實驗。林素英[34]等對羧甲基殼聚糖保鮮枇杷果實進行了研究，結果表明，經過羧甲基殼聚糖涂膜處理枇杷果實質量損失率顯著下降，而且羧甲基殼聚糖能夠抑制總酸、VC和可溶性固形物的減少。殼聚糖本身的保鮮效果有限，常與其他保鮮劑復合，曹雪慧[35]等對殼聚糖復合涂膜對草莓的保鮮效果進行了研究，殼聚糖分別與無水CaCl2、水溶性迷迭香提取物、Na2SO3復配對草莓進行涂膜處理，結果表明每種處理均對草莓有一定的保鮮作用。

2.2.2 溶菌酶

溶菌酶(Lysozyme)，又稱胞壁質酶、N-乙酰胞壁質聚糖水解酶，是一種廣泛存在于動物體內的酶類。動物源溶菌酶分為c型溶菌酶、g型溶菌酶、i型溶菌酶3種，具有分解細菌、抑制外源微生物生長的作用。WU[36]等將溶菌酶整合到殼聚糖納米粒子(CS-NPs)中以提高抗菌活性，結果表明，將溶菌酶整合入CS-NPs增強了對大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的抗菌活性，這可能在食品工業和其他應用中以直接添加或并入包裝的形式顯示出巨大的潛力，目前溶菌酶已被應用為食品和醫藥的防腐劑。目前，溶菌酶已對蘋果、草莓、梨、櫻桃番茄、油桃、楊梅、葡萄等進行了保鮮效果的應用實驗，馮敘橋[37]等以“寒富”蘋果為原料，探究溶菌酶涂膜對鮮切“寒富”蘋果的貯藏保鮮效果，結果表明，濃度為0.08%的溶菌酶保鮮效果最好，能夠抑制蘋果硬度的下降和可溶性固形物含量的降低，防止蘋果表面褐變，維持鮮切蘋果良好的品質。

2.2.3 蜂膠

蜂膠是蜜蜂將從植物芽孢或樹干上采集的樹脂，混入其上腭腺、蠟腺的分泌物中加工而成的一種具有芳香氣味的膠狀固體物。蜂膠中黃酮類化合物、烯萜類化合物及酯類化合物對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等致病微生物均有很好的抑制作用，因此，蜂膠也被應用于果蔬的保鮮防腐。蜂膠的抑菌作用能夠防止果蔬腐敗和微生物污染[38]，而且蜂膠液具有良好的成膜性，覆于果蔬表面能夠有效降低果蔬的呼吸強度、減少水分蒸發、阻止外界病原微生物的污染。目前，蜂膠已對蘋果、草莓、冬棗、番茄、油麥菜、杏鮑菇等進行了應用實驗。郭東起[39]等以原蜂膠為原料制備蜂膠水提取液和75%乙醇提取液，對冬棗通過蜂膠粗提物涂膜處理的保鮮效果進行了研究，結果表明，75%乙醇提取方法效果最好，蜂膠粗提物涂膜處理能夠維持冬棗的品質、降低失重率及腐爛率。張蓓[21]以圣女果為原料，將蜂膠和納米SiO2復合對圣女果進行涂膜處理，探究蜂膠/納米SiO2復合涂膜材料對圣女果的保鮮效果，結果表明，復合涂膜降低了圣女果的腐爛率、失重率、呼吸速率、軟化速度；蜂膠/納米SiO2復合涂膜顯著延緩了圣女果品質的變化，并維持了圣女果中自由基清除酶的活性。

2.2.4 小結

動物源天然抑菌劑提取原料豐富，對環境無害，而且對果蔬有較好的保鮮及抑菌效果。雖然國內外對動物源天然抑菌劑保鮮效果的研究較多，但研究對象比較單一，多集中于單一提取物的研究，缺少果蔬的種類、品種及環境因素等對天然提取物處理的綜合效果對比，如溫度、pH、水分等條件均會對溶菌酶的活性產生影響，另外，對于動物源天然抑菌劑的研究還只限于抑菌效果及保鮮效果的研究，對于有效成分及抑菌機理的研究不夠深入。

2.3 微生物源抑菌劑

微生物類防腐劑主要以其次生代謝產物為主，如抗生素、激素、生物堿以及毒素等，具有抑菌、抗氧化的作用，是微生物經過發酵獲得的，具有周期短、不受地域、季節條件限制的優點。常用的生物保鮮劑有納他霉素、乳酸鏈球菌素、曲酸、ε-聚賴氨酸、苯乳酸等。

2.3.1 納他霉素

納他霉素(Natamycin)是一種白色或乳黃色的無臭、無味結晶粉末，通常以烯醇式結構存在。納他霉素只對細胞膜上存在甾醇化合物的微生物起作用，因此納他霉素對真菌產生抗菌活性，對細菌和病毒無作用，常作為一種低劑量、安全性高的天然食品防腐劑被廣泛應用于果蔬的采后貯藏保鮮中，目前已對葡萄、櫻桃番茄、藍莓、冬棗、甜櫻桃、蘆筍、西蘭花的保鮮效果有了一定的研究。林本芳[40]等研究了納他霉素對西蘭花的保鮮效果，以不同濃度的納他霉素處理西蘭花，在(0±1)℃貯藏條件下測定西蘭花的生理生化指標，質量納他霉素能有效抑制西蘭花的呼吸強度，延緩Vc含量、可溶性固形物含量以及葉綠素含量的下降，因此納他霉素對西蘭花具有很好的保鮮效果。李昱[41]等研究了納他霉素在0 ℃對銀杏的保鮮效果，結果表明，濃度為500 mg/L的納他霉素對銀杏果有明顯的保鮮效果，能顯著降低貯藏期銀杏果的呼吸強度，延緩含水量和淀粉含量的下降，維持過氧化物酶和過氧化氫酶活性，降低果實的霉變率。

2.3.2 乳酸鏈球菌素

乳酸鏈球菌素(Nisin)為抗菌肽的一種，又稱為乳酸鏈球菌肽，是乳酸鏈球菌產生的一種多肽物質，由于乳酸鏈球菌素可對大多數革蘭氏陽性細菌產生抗菌活性，并對芽孢桿菌的孢子產生強烈的抑制作用[42]，而且食用后，在人體生理pH條件下，很快被α-胰凝乳蛋白酶水解成氨基酸，既不會改變人體腸道內的正常菌群、出現如其他抗菌素所出現的抗性問題，也不會同其他抗菌素出現交叉抗性，因此乳酸鏈球菌素作為一種高效、安全、無副作用的天然食品防腐劑被廣泛應用于果蔬的防腐保鮮中。目前，乳酸鏈球菌素已在楊梅、枇杷、胡蘿卜、草莓、皇冠梨等果蔬進行了應用實驗。陳晨[43]等研究了Nisin對鮮切黃瓜中單增李斯特菌的抑制效果，結果表明Nisin具有一定的殺菌效果，且濃度及處理時間越長殺菌效果越好。

2.3.3 曲酸

曲酸(kojic acid)又稱曲酸菌，是好氧微生物利用糖類物質發酵產生的次級代謝產物，具有抑菌、抗氧化、抑制酪胺酸酶活性和黑色素形成的特點，被廣泛應用于食品、醫藥和化妝品領域。目前，關于曲酸抑菌機理的研究較少，且不夠深入。自20世紀初以來，它被認為是一種添加劑，用于防止螃蟹，蝦和新鮮蔬菜等食物的褐變，工業上作為抗氧化劑或抗褐變劑以保持其新鮮度和抑制變色[44]。近年來，國內外學者對西蘭花、山藥、荔枝、馬鈴薯、菠蘿蜜等進行了應用實驗。SHAH[45]等研究了曲酸對荔枝的影響，結果表明，在荔枝果實貯藏前施用曲酸可延緩果皮的褐變，并維持了抗氧化酶的活性。孫蕊[46]等研究了曲酸對鮮切山藥的色澤及生理變化的影響，結果表明，曲酸能有效延緩鮮切山藥的褐變，并抑制多酚氧化酶、過氧化物酶等的活性。

2.3.4 ε-聚賴氨酸

ε-聚賴氨酸是一種從白色鏈霉菌的代謝產物中分離出來的多肽，具有廣譜抗菌性，對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌、酵母菌和霉菌均有抑制作用，且其熱穩定性好、安全性高，不會對人體產生危害，可以廣泛應用于食品保鮮中。目前，ε-聚賴氨酸已對荔枝、茄子、蘋果、櫻桃、藍莓、石榴等進行了應用實驗。劉偉[47]研究了ε-聚賴氨酸對荔枝的防腐保鮮效果，結果表明，ε-聚賴氨酸對荔枝炭疽菌和霜疫霉菌均起到了很好的抑制效果，能夠對荔枝起到防腐保鮮作用。姚昕[48]等研究ε-聚賴氨酸對石榴果實的貯藏品質的影響，結果表明，ε-聚賴氨酸能夠有效降低石榴果實的腐爛率，保持較好的果實品質。

2.3.5 苯乳酸

苯乳酸是乳酸菌產生的一種新型天然防腐劑，具有廣譜抗菌性，穩定性高、溶解性好，對食源性致病菌、腐敗菌、真菌等均具有很好的抑制效果，但目前苯乳酸在果蔬保鮮中的應用研究較少。趙珊[49]等研究了苯乳酸-海藻酸鈉涂膜對甜櫻桃的保鮮效果，結果表明，經過苯乳酸-海藻酸鈉涂膜處理的甜櫻桃腐爛率明顯降低，能保持較好的果實品質。

2.3.6 小結

我國微生物資源豐富，成本低，有利于微生物天然抑菌劑的研究與開發，而且天然抑菌劑安全性高，對環境無污染，但研究多集中于瓜果類的研究，對綠葉類蔬菜的研究較少，品種比較單一。另外對于微生物源天然抑菌劑抑菌成分、抑菌機理的研究也不夠深入。

3 展望

天然抑菌劑具有無毒、無害的優點，能夠對大腸桿菌、沙門氏菌等致病微生物起到很好的抑制作用，并能保持果蔬品質，對人體無害，資源豐富。天然抑菌劑作為果蔬采后保鮮劑的同時，也可以應用于鮮切果蔬的保鮮中，可以更好地推動鮮切果蔬的發展。目前，雖已研制出多種果蔬天然保鮮劑，在實踐應用中也取得了一定的效果，但仍存在諸多問題，有些抑菌劑的抑菌機理尚不明確，此方面的研究較少，而且一些抑菌劑是否會對果蔬的某些生理生化指標產生負面影響也沒有更多的研究，因此，天然抑菌劑的應用及抑菌機理有待更深入的探索。