植物多酚抑菌活性、作用機理及應用研究進展

費 鵬 趙勝娟 陳 曦 向進樂 楊同香 徐云鳳 周蓮昕 郭 鸰 康懷彬

(1.河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023；2.東北農業大學食品學院乳品科學教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150030)

食源性疾病是備受關注的公共衛生問題，研究[1]表明44%左右的食源性疾病都是由于攝入了被食源性致病微生物污染的食物引起的。食源性致病微生物廣泛地分布在空氣、土壤和水中，能夠定植在包裝材料、器具和食品本身，給食品品質和貨架期帶來了負面影響，并嚴重危害消費者的健康[2]。

目前，化學合成的防腐劑仍然被認為是控制食源性致病菌污染的最有效的方法，比如苯甲酸鈉、山梨酸鉀、對羥基苯甲酸鹽、丙酸鹽和亞硝酸鹽等食品中常用的防腐劑可以有效地抑制病原微生物的繁殖，延長食品的貨架期[3-4]。然而，一些研究[5-6]表明長期使用化學合成防腐劑會增加人體發生惡心、癲癇、癱瘓、智力低下、高血壓和癌癥等疾病的風險，因此，越來越多的消費者更愿意接受天然的防腐劑，從而增加食品的安全性。

植物多酚是一種廣泛存在于植物體內的次級代謝產物，主要由花青素、單寧、黃酮、酚酸等活性成分組成，不同植物來源的多酚其組成也存在一定的差異[7]。近年來，由于植物多酚的天然性和抑菌的廣譜性，越來越多的研究者[8-10]致力于植物多酚抑菌的研究，并取得了一定的進展。本文旨在總結分析植物多酚抑菌的活性和機理，為植物多酚作為天然防腐劑的推廣提供理論依據。

1 植物多酚對食源性致病菌的抑菌效果

抗氧化能力是植物活性成分抑菌的基礎，因此理論上多酚對金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、單增李斯特菌、大腸桿菌、蠟樣芽孢桿菌、阪崎克羅諾桿菌、黑曲霉、青霉等食源性致病菌微生物具有良好的抑菌效果[11-12]。表1以最小抑菌濃度(MIC)為衡量標準，總結了近年來不同來源植物多酚的抑菌活性。

由于不同來源的植物多酚的組成成分不同，使得其抑菌活性存在顯著的差異，研究表明大黃多酚[13]、石榴皮多酚[15]、棗椰樹花粉多酚[17]、牛蒡多酚[18]、秦冠葉多酚[19]、藍莓葉多酚[20]和菱莖多酚[22]對金黃色葡萄球菌具有良好的抑菌效果，但不同來源多酚的抑菌效果存在差異，秦冠葉多酚>大黃多酚>棗椰樹花粉多酚>石榴皮多酚>藍莓葉多酚>菱莖多酚，其中秦冠葉多酚的MIC為25 μg/mL；而對大腸桿菌的抑菌效果則秦冠葉多酚>菱莖多酚>藍莓葉多酚>石榴皮多酚>紫檀多酚。此外，同一種植物多酚對不同食源性致病菌的抑菌效果也不盡相同，如菱莖多酚對受試菌株的抑菌效果為大腸桿菌>腐敗希瓦氏菌>青霉>蠟樣芽孢桿菌>金黃色葡萄球菌[22]。Gao等[25]認為可能是由于受試菌株細胞壁的結構和組成不同，相比革蘭氏陽性菌，革蘭氏陰性菌的細胞壁較薄，且高的脂多糖含量增加了細胞壁的通透性，因此，植物多酚更容易進入革蘭氏陰性菌中。這一觀點與He等[21]、申凱等[22]的研究結果相符，但并不能解釋所有的結果[15]，因為病原體對多酚的耐受能力是一復雜的體系。上述研究表明植物多酚對食源性致病菌具有良好的抑菌作用，由于成分組成上的差異，不同來源的植物多酚的抑菌效果不盡相同，后續可對植物多酚的化學組成進行重點研究。

表1 不同來源植物多酚的抑菌活性Table 1 Antimicrobial activity of plant polyphenols from different sources

2 植物多酚的抑菌機理

植物多酚抑菌機理一直是研究的熱點，由于植物多酚成分和受試菌株的不同，很難從某一方面闡明植物多酚的抑菌機理。目前，對植物多酚抑菌機理的研究主要涵蓋以下幾個方面。

2.1 對微生物細胞形態的破壞

細胞壁和細胞膜對細菌維持其細胞形態起著至關重要的作用，而植物多酚可以破壞細胞壁的完整性和細胞膜的通透性，從而破壞微生物的細胞形態[26]。Nohynek等[27]發現多酚類物質可以與細菌外膜的二價陽離子結合使得細胞壁出現氣泡、凹陷、坍塌等現象，導致細胞壁的完整性被破壞。同時，研究[28-29]發現植物多酚能夠改變細胞膜中脂肪酸的構成，并抑制麥角甾醇的合成，從而降低細胞膜的流動性，提高細胞膜的通透性。植物多酚對細胞壁和細胞膜的破壞使得胞內對生理具有重要意義的堿性磷酸酶、ATP、蛋白質及其他營養物質泄漏，導致細胞形態不可逆的損傷[6,30-32]。植物多酚物質對微生物細胞形態的破壞作用是其抑菌機理的基礎，細胞形態被破壞會導致胞內ATP、蛋白質和DNA等物質的泄漏，從而很難判斷這些生命活性物質的減少是由于泄漏還是由于合成功能被破壞，因此，為了深入了解植物多酚的抑菌機理還需進行進一步的研究。

2.2 對微生物膜電位的影響

膜電位異常會導致微生物生理活動紊亂，正常情況下，細胞膜的鈉離子和鉀離子通道關閉，使得細胞膜的電位處于極化狀態。植物多酚能夠影響受試菌株的膜電位，造成膜電位的去極化或者超極化，從而起到抑制微生物生長繁殖的作用[23,33-34]。Fei等[23-24]研究發現，在橄欖多酚的作用下，阪崎克羅諾桿菌和蠟樣芽孢桿菌細胞鈉離子通道打開，胞內鈉離子濃度升高，產生細胞去極化。同樣的結果也發生在原兒茶醛(葡萄藤葉和大麥中的一種多元酚)抑制阪崎克羅諾桿菌的過程中[33]。而在Li等[34]的報道中發現石榴皮單寧能夠使得單增李斯特菌胞內鉀離子外泄，造成細胞的超極化，從而起到抑制該致病菌生長的作用。然而，上述研究表明膜電位的紊亂對微生物只能起到抑制生長繁殖的作用，并不能達到殺菌的效果。

2.3 影響微生物的能量代謝

胞內ATP的含量直接影響著微生物正常的能量代謝，研究表明植物多酚可以通過降低胞內ATP的含量抑制微生物的生長。植物多酚對胞內ATP的影響主要體現在兩個方面：① 植物多酚能夠增加細胞膜的通透性，從而使胞內ATP外泄，擾亂微生物正常的能量代謝[23]；② 植物多酚可以通過抑制ATP的合成達到降低胞內ATP含量的目的，如百里香酚在抑制沙門氏菌的過程中抑制了ATP合成酶的表達，從而起到了抑菌的效果[35]。然而，微生物的能量代謝是一個復雜的過程，包含了糖酵解途徑、三羧酸循環途徑、戊糖磷酸途徑和2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸等多種途徑，而且植物多酚對微生物能量代謝更深層的影響及機理尚未被揭示。

2.4 抑制生物大分子合成

蛋白質、DNA和RNA等生物大分子是微生物維持其生命活動的基礎，研究表明植物多酚可以通過抑制生物大分子的合成發揮其抑菌作用。Ulanowska等[36]發現多酚類物質進入受試細胞后能夠干擾DNA和RNA的合成，從而降低細胞遺傳物質的表達，起到抑菌的作用。Gradisar等[37]認為多酚類物質能夠降低DNA旋轉酶的活性，從而抑制DNA的合成。Chung等[38]發現多酚類物質在抑制大腸桿菌的過程中能夠對DNA的修復起到阻礙作用，從而達到抑菌的目的。Pasqua等[35]發現百里香酚在抑制沙門氏菌的過程中，能夠抑制該病原體蛋白質的合成和表達，從而阻斷其檸檬酸代謝途徑。上述研究表明，植物多酚不僅能夠對生物大分子物質起到損傷作用，而且能夠抑制這些生物大分子的合成，從而降低微生物胞內大分子的含量，此外，在植物多酚作用下微生物細胞膜通透性的提高也是胞內大分子含量降低的原因之一。

3 植物多酚在食品中的應用

隨著植物多酚抑菌作用研究的不斷深入，其在食品保鮮延長貨架期中的應用越來越受到人們的重視，展現了作為天然防腐劑的巨大潛力。動物性食品由于其含有豐富的蛋白質、脂肪等營養物質，更容易滋生食源性致病微生物。黃和等[39]以0.15%的山梨酸鉀為陽性對照，分析了番石榴多酚對蝦肉糜的保鮮作用，發現0.6%的番石榴多酚可以顯著抑制微生物的生長，延緩產品品質下降的速度，從而達到對蝦肉糜保鮮的目的。郭靜婕等[40]將楊桃多酚應用于豬肉保鮮中，研究發現質量分數為0.35% 的楊桃多酚能夠有效抑制豬肉中微生物的生長，從而延長產品的貨架期。李應洪等[41]認為樟樹葉多酚可以作為天然的防腐劑應用于魚肉的保鮮中，研究發現樟樹葉多酚對金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、青霉、黑曲霉、毛霉等具有顯著的抑菌效果，5 mg/g樟樹葉多酚可以將冷藏魚肉的貨架期從3 d延長至6 d。宋微等[42]則將石榴皮多酚應用于鮮牛乳保藏中，研究發現石榴皮多酚能夠有效抑制牛乳中大腸桿菌、單增李斯特菌及沙門氏菌的繁殖，并有助于牛乳原有風味的保持，是一種潛在的天然防腐劑。此外，含有植物多酚的復合保鮮劑也能展現出其抑菌作用的優越性，如茶多酚改性膠原蛋白—殼聚糖復合膜能夠顯著降低冷藏斜帶石斑魚的菌落總數，從而達到更好的保鮮效果，而將茶多酚與溶菌酶相互作用得到的復合保鮮劑則可以通過抑制食物中微生物的生長和降低蛋白質的氧化分解延長白鰱魚丸的保質期[43-44]。綜上可知，植物多酚在食品中應用的研究已經比較成熟，然而針對不同的食品原料和有害微生物，選擇怎樣的劑量，既能有效地抑制食品儲存期間微生物的生長，又不會影響食品的風味有待進一步研究。

4 結論

近年來，對天然防腐劑和殺菌劑的關注，使得植物多酚抑菌的研究取得了很大的進展，但仍有一些問題亟待解決：① 自然環境中微生物是多種菌種的復雜體系，而目前對植物多酚抑菌作用的研究大多以單一菌種為研究對象，忽略了自然環境中菌株之間的相互作用。② 對植物多酚抑菌機理的研究大多集中在對細胞形態的研究中，通常利用電鏡觀察受試細胞形態的變化和細胞液的泄漏情況，從而推測其對細胞膜通透性的影響。而對于能量代謝、蛋白合成和DNA損傷方面的研究還處于初步階段，只能簡單地得到對上述方面的不利影響，深層的分子機制還需深入探討。③ 植物多酚在食品中的應用已經備受關注，并取得了一定的成績，但還需考慮植物多酚對食品安全性、感官品質的影響，比如目前的研究主要集中于對食物中致病菌微生物的抑制作用探討，并未關注植物多酚對人體健康的影響。此外，多酚類物質通常呈澀味且對食品的顏色有一定的影響，因此如何保證植物多酚的安全性和有效避免對食品感官品質的不良影響仍需要進一步的研究。