天然植物提取物的抑菌機理及其在果蔬保鮮中的應用

李元政，胡文忠*，薩仁高娃，龍婭，老瑩，楊香艷，廖嘉

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)

植物提取物(plant extract)是指以植物為原料，按照對提取的最終產品用途的需要，通過物理或者化學的提取分離過程，科學定向地獲取和濃縮和富集植物中某一種或多種具有生物活性的物質，而不改變其有效成分結構。植物提取物種類繁多，來源廣泛，按其有效成分不同可分為生物堿、有機酸、揮發油、黃酮、多酚、多糖、皂苷、單寧等。植物提取物中的生物活性物質具有抗菌、殺菌和抗氧化的作用，應用在各類食品保鮮與貯藏中也不易出現殘留與毒副作用，是純天然安全可靠的植物源添加劑[1]。植物提取物的抑菌機理可概括為以下3種[2-3]：(1)對細胞壁、細胞膜的影響；(2)對DNA、蛋白質的影響；(3)對細胞內能量代謝過程的影響。

植物提取物因其天然可食的特性，在動植物加工與貯藏保鮮應用的報道正逐年增加，正在成為國內外科研工作者們關注的焦點與研究熱點。YE等[4]研究發現茶多酚可用于櫻桃保鮮包裝復合膜的材料，當復合膜用于櫻桃保鮮時，可以顯著降低腐爛率和質量損失率，延緩可溶性固體和Vc的消耗，保持櫻桃的品質，延長保質期。王婷[5]通過研究丁香提取物發現，經丁香提取物-殼聚糖復合保鮮液浸泡處理的草莓保鮮效果得到顯著提高。

本文綜述了近5年天然食用性植物提取物不同活性成分抑菌效果與抑菌機理，并評價各成分在果蔬保鮮中的應用進展，對植物提取物的進一步研究與應用進行展望，以期為之后抑菌性植物提取物在食品保鮮包裝與加工等方面提供一定理論基礎研究。

1 植物提取物的抑菌活性成分分類

1.1 生物堿類

生物堿主要存在于天然植物中，是一類重要的含氮的堿性有機化合物。生物堿大多數具有包含有氮素的復雜的環狀結構，可與酸結合生成鹽類。大多數生物堿幾乎不溶或難溶于水，能溶于有機溶劑，具有顯著的生物活性與光學活性。生物堿的結構較為復雜，種類很多，按結構分為有機胺衍生物類、吡咯烷衍生物類、吡啶衍生物類、異喹啉衍生物類、莨菪烷衍生物類、咪唑類、嘌呤類、二萜類和其他等。絕大多數生物堿分布于高等植物，尤其是雙子葉植物中，如茄科、罌粟科等，極少數分布于低等植物中。存在于天然植物中的生物堿具有抗過敏、抑菌與滅菌的作用[6]。

近年來，國內外學者對有關生物堿的研究與應用漸漸增加。研究人員通過研究從麻黃草中提取出的麻黃堿對細菌與霉菌等的抑菌情況得出結論，麻黃堿具有一定的抑菌性，且對大腸桿菌具有明顯的抑制效果。此外他們還對苯甲酸鈉和麻黃堿的抑菌效果進行了對比試驗，實驗結果中麻黃堿較苯甲酸鈉對細菌與霉菌的抑菌作用更為明顯，證明生物堿可作為天然防腐劑被應用于食品制藥及化工等行業中[6]；MRICZ等[7]通過薄層色譜法和直接生物自顯影法(thin layer chromatography-direct bioautography，TLC-DB)檢測白屈菜根、葉和莖的生物堿、甲醇和乙酸乙酯提取物的成分對枯草芽孢桿菌和大腸桿菌的抗菌活性，結果發現只有白屈菜堿、血根堿和白屈菜紅堿對大腸桿菌有抑制作用；戴五好等[8]對苦參、山豆根中生物堿及其總堿的體外抑菌活性進行了研究，發現其對7種菌株均有抑制作用，且苦參堿及槐果堿的抑菌效果強于各自氧化產物。

1.2 有機酸類

有機酸是指一些廣泛存在于植物的根、莖、葉、特別是果實中的具有酸性的有機化合物，但氨基酸除外。有機酸具有的羧基可與醇反應生成酯，可溶于水或乙醇，難溶于其他有機溶劑。存在于植物中常見的有機酸可分為脂肪族與芳香族，如酒石酸、草酸、蘋果酸和抗壞血酸屬于脂肪族，苯甲酸、水楊酸和咖啡酸屬于芳香族。有機酸有一定的生物活性，具有抑菌、抗菌作用，有些可作藥用，有機酸在禽畜水產養殖中也可起到降低養殖環境污染、促進消化與增強抵抗力的作用[9]。有機酸綠色環保，抑菌效果好，其應用前景非常廣闊，有關其生理作用與機理越來越被更多的學者關注與研究。

蘇紅等[10]通過Box-Behnken試驗設計響應面法得到配比最優化的檸檬酸、百里香酚及海藻酸鈉復合生物保鮮劑，該保鮮劑含有多種天然植物抑菌成分，避免了采用化學保鮮劑的殘留有害物質，即顯著抑制了各類微生物的生長，有極佳的保鮮作用；FINTEN等[11]對檸檬酸進行了研究，發現檸檬酸可作為用于消毒菠菜葉的次氯酸鈉的替代品，檸檬酸不僅在減少菠菜葉變質方面發揮了關鍵作用，而且檸檬酸能起到更好的抑菌作用；WANG等[12]通過研究d-蘋果酸存在下蘇云金芽抱桿菌三苯基錫降解、磷脂合成和膜特性的相互作用，結果表明，1 mg/L三苯基錫在0.5或1 mg/Ld-蘋果酸條件下被蘇云金芽孢桿菌(1 g/L)降解，由于促進了元素代謝和細胞活性，并抑制了d-蘋果酸誘導的脂肪酸合成，降解效率達到了90%左右。d-蘋 果酸的加入導致更多亞油酸轉化為10-氧代-12(Z)-十八碳烯酸，增加了膜的滲透性，減緩了膜電位的下降程度，導致三苯基錫的運輸和降解。蘇云金桿菌可以作為膜電位和細胞活性的指標。

1.3 揮發油類

揮發油，又被稱為精油，是具有芳香氣味易揮發的油狀成分的總稱。其廣泛存在于植物中，可通過水蒸氣蒸餾的方法從植物中提取，易溶于乙醇等有機溶劑，不溶于水。精油成分較為復雜，按化學結構可分為芳香族、脂肪族和萜類。精油在日常生活中隨處可見，能起到凈化空氣、消毒和殺菌的功效，其具有廣譜抗菌性，可促進細胞新陳代謝及再生功能。精油因其抗菌性與不含有對人體有害的化學成分在食品保鮮貯藏和制藥等方面得到廣泛應用[13]。

ZHANG等[14]對香附根莖精油的化學成分、抑菌活性及作用機理進行了研究，結果表明，香附根莖精油對金黃色葡萄球菌具有很強的抗菌活性，最低抑菌濃度(minimum inhibitory concentration，MIC)為10 mg/mL，最低殺菌濃度(minimum bactericidal concentration，MBC)為20 mg/mL，且隨著精油濃度的增加和處理時間的延長，抑菌效果增強。

1.4 多糖類

多糖類廣泛存在于高等植物、動物、微生物、地衣和海藻等中，如植物的種子、莖和葉組織等。多糖在抗病毒、抗腫瘤等方面發揮著重要的生物活性作用。因此對多糖的進一步研究與開發已引起人們的廣泛關注[15]。

ZHAI等[16]研究發現石榴皮多糖具有優異的還原能力和清除自由基的作用，通過將石榴皮多糖施用在CCI4誘導的肝損傷小鼠上，觀察到小鼠總超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽非酶活性分別顯著增加，因此可得，其對CCI4誘導的小鼠肝損傷具有很強的保護作用；胡愛軍等[17]通過對超聲波輔助提取得到的鷹嘴豆中粗多糖進行研究，發現鷹嘴豆非淀粉中性多糖與鷹嘴豆非淀粉酸性多糖具有清除自由基的作用，2種多糖均在體外表現出較強的抗氧化活性。

1.5 黃酮類

黃酮類化合物是指具有2-苯基色原酮結構的一類存在于自然界的化合物，它們分子中有1個酮式羰基，第一位上的氧原子具有堿性，能與強酸生成鹽，其羥基衍生物多具黃色，故又稱黃堿素或黃酮。黃酮類化合物具有廣泛的生物活性，存在于絕大多數植物體內。黃酮類化合物具有抗菌防病的作用，它們在植物的生長發育過程中也起著重要的作用[18]。

銀杏制劑中被認為具有藥理活性的植物化學物質是萜類和黃酮類化合物。主要黃酮類化合物是槲皮素和山奈酚。據報道，銀杏黃酮具有優良的抑菌性，其通過抑制擴展青霉菌絲體中的酶活性使抗性酶降低對青霉的保護作用，進而抑制擴展青霉的生長。此外銀杏黃銅還具有清除自由基和抗過氧化的作用[19]。

1.6 皂苷類

皂苷，又叫堿皂體或皂甙，是一類具有復雜化學結構的苷類化合物，同時它也是一種表面活性劑。其結構可分為糖和苷元兩部分，苷元為三萜類化合物則稱為三萜皂苷，三萜皂苷分子中多含有羧基，顯酸性；苷元為螺旋甾烷類化合物則稱為甾體皂苷，甾體皂苷則不含有羧基，顯中性。皂苷多分布于陸地高等植物中，在許多中草藥中被作為主要有效成分，有些皂苷有著抗癌、抗腫瘤、解熱和解毒等藥用價值，具有顯著的抑菌滅菌效果[20]。

KACZOREK等[21]發現鹵代酚生物轉化過程中，在皂苷的存在下，假單胞菌株顯示出內膜通透性和細胞表面疏水性的變化，這使其能夠更有效地從環境中去除污染物，此外，表面活性劑的加入使得鹵代酚具有更高的生物降解性；董生昭[22]對不同種類的5個皂苷類化合物進行研究發現，皂苷類化合物可以通過抑制胰脂肪酶的活力從而起到防治肥胖的作用。

1.7 單寧類

單寧，又稱鞣酸或鞣質，是一類復雜的高分子多元酚類化合物。單寧一般分為2種：(1)水解類單寧，由多元酚酸與糖主要以酯鍵形成的化合物；(2)縮合類單寧，為黃烷醇及其衍生物。單寧可以沉淀生物堿、明膠，與蛋白質有著強烈的結合能力，具有較強的生物和藥理活性，其在醫藥、食品、化妝品等工業中有著廣泛的應用[23]。

尚俊等[24]通過研究檸檬桉樹皮中提取的單寧發現，單寧具有較強的清除自由基能力，其抗氧化能力隨提取工藝中萃取相不同相應變化，且乙酸乙酯萃取物的抗氧化活性最強；BERA等[25]發現，紅果欖仁果樹的果實具有顯著的抗氧化功能，從果實中提取的食用油含有的高質量單寧表現出良好的抗氧化性能，在皮革與食品工業中可作為一種新型的抗氧化劑被有效的利用。

單寧類化合物多數具有顯著的抗氧化性，但對其抑菌活性方面的研究與應用有待深入探索。

2 植物提取物的抑菌機理

2.1 對細胞壁、細胞膜的影響

近年通過對植物提取物抑菌成分的研究，通常認為植物提取物中所含酚類成分可對微生物的細胞壁與細胞膜產生直接或間接作用，使細胞壁結構破壞，細胞膜通透性與流動性增加，進而導致微生物細胞膜結構破壞，其內部諸多細胞器等成分滲出，最終使細胞失活死亡。

在莫熙禮等[26]研究中，花椒、蒲公英和射干提取物可對薏苡黑粉菌菌絲細胞膜產生破壞作用，使其細胞內電解質外滲；NING等[27]對苯乳酸的研究發現，苯乳酸可破壞單增李斯特氏菌與大腸桿菌細胞結構，造成細胞質的流出；精油主要通過破壞細胞膜和膜介導的凋亡途徑發揮抗菌活性，通過電導率、細胞膜完整性、1-N-苯基甲胺(NPN)攝取和膜電位分析表明精油可破壞致病菌等的膜完整性。進一步探索精油的抗菌機制，發現大量核苷酸和蛋白質泄漏表明它導致病原體的膜破裂。通過掃描電鏡觀察到精油誘導的細胞壁和膜受到不同程度的損傷。此外，基于凋亡分析，發現精油可以通過凋亡途徑誘導細胞死亡[14]。

多糖可與細胞膜上卵磷脂結合，使細胞膜脂肪酸游離，從而改變細胞膜的滲透性并伴隨內溶物外溢[28]；銀杏黃酮具有使細胞膜裂解的能力，通過升高擴展青霉菌細胞膜通透性與菌絲體膜質氧化程度，使菌絲體電導率上升，黃酮類化合物還可作用于細胞膜極性頭部與細胞膜的疏水區域，導致細胞膜流動性發生改變[18-19]；多酚類物質中含有的羥基與氫鍵可嵌入細胞膜疏水結構，使細胞膜流動性減慢，阻礙病毒宿主細胞膜物質交換，從而抑制病毒感染[29]；皂苷可與膜甾醇相互作用，兩者可相互結合形成復合物，進而破壞細胞膜脂質體[30]。

2.2 對DNA、蛋白質的影響

脫氧核糖核苷酸作為主要的遺傳物質，可引導生物的發育與各項機能運作，其與多糖-蛋白質體系的研究在醫藥、食品、化學和其他工業中有非常重要的地位，對植物提取物與蛋白質、DNA的作用和影響的研究仍需繼續深入探索。

POWOLNY等[31]證明了大蒜素可通過影響線蟲基因skn-1途徑，使促長壽轉錄因子skn-1的功能發生改變，進而影響線蟲的壽命；靈芝多糖可與牛血清白蛋白相互作用，通過美拉德反應形成復合物，兩者之間產生共價鍵，使得蛋白質的構象發生變化，進而影響到蛋白質的功能特性[32]；唐琴[33]發現，黃酮類化合物可與羥基喜樹堿產生聯合抗癌作用，二者通過作用于靶點TopoⅠ，使TopoⅠ的催化活性受到抑制；酚類化合物中的氫鍵、共價鍵等與蛋白質相互作用，形成加合物或使蛋白質聚合，導致蛋白質的結構改變，進而影響到蛋白質的功能性質[34]。

2.3 對細胞內能量代謝過程的影響

植物提取物中有效物質能夠進入細胞內，破壞細胞內線粒體等結構，抑制細胞呼吸作用，從而影響細胞腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)合成途徑，使微生物正常生理活動受到抑制，導致其死亡，植物提取物可通過促進過氧化氫酶(catalase，CAT)等抗氧化酶活性，并且抑制與自由基生成有關的氧化酶來促進自由基的催化與減少自由基的產生[35]。

TIAN等[36]研究發現蒔蘿種子中提取的精油可使黃曲霉線粒體膜電位升高，使黃曲霉細胞中ATP和脫氫酶活性降低，使得黃曲霉中活性氧增加，活性氧在細胞內通過氧化生物大分子等過程最終使黃曲霉死亡；蘇柳等[37]對砂地柏精油進行了研究，發現砂地柏精油可顯著抑制枸杞木虱成蟲離體Na-K-ATPase 的活力，且隨著精油濃度的增加，對枸杞木虱成蟲離體Na-K-ATPase的抑制作用逐漸增強，在最高濃度時其酶活抑制率可達37.87%。

3 植物提取物在果蔬保鮮中的應用

果蔬在采摘后需要經過多種加工工藝與運輸才能被消費者食用，但在此過程中新鮮果蔬易發生腐敗變質、病原微生物等入侵導致果蔬食品安全受到影響。植物提取物具有廣譜抗菌性與顯著的保鮮效果，但是化學抑菌劑殘留會對人體健康造成化學危害，因此植物提取物被廣泛應用于果蔬保鮮中。早期對植物提取物的研究應用主要是其水提液與果蔬浸蘸進行保鮮，也可通過熏蒸、噴淋、復合涂膜與保鮮紙等載體結合的方式對果蔬進行保鮮處理，經植物提取物處理的果蔬保鮮效果較為顯著。其中，植物提取物以有機酸類、植物精油與多糖類在各類果蔬保鮮中的研究與應用居多，而生物堿、皂苷與單寧類因其含有藥用成分較為豐富，具有藥用價值，故多數應用集中于醫學臨床與制藥工業，在果蔬保鮮方面的研究較少[38]。

何麗芳等[39]通過實驗測定經0.5 mg/mL芒果皮提取液與1%羧甲基殼聚糖復合涂膜處理的巨峰葡萄在貯藏過程中的腐爛率、失重率、呼吸強度等各項指標，結果發現在低溫貯藏條件下，芒果皮提取液與羧甲基殼聚糖復合保鮮液具有顯著的抑菌效果，同時可顯著維持巨峰葡萄的質構品質，降低其爛果率與失重率，為巨峰葡萄的貯藏保鮮提供了一種新的方法；有學者將從銀杏中提取出來的黃酮分別適量涂抹至被擴展青霉侵染的病害蘋果與無病害蘋果上，發現在4 ℃貯藏條件下黃酮能夠有效抑制擴展青霉的生長，降低蘋果的失重速度與褐變程度，以保持蘋果的品質[18]。

殼聚糖檸檬精油涂層對草莓有顯著的保鮮作用，減緩了樣品的呼吸速率，它們會影響果實的代謝模式，添加檸檬精油提高了接種灰葡萄孢孢子懸浮液的草莓在體外試驗和冷藏期間的殼聚糖抗真菌活性，根據這些結果，殼聚糖檸檬精油涂層可以作為延長草莓貨架期的替代方法[40]；鄧雯瑾等[41]將抗菌涂層包裝應用于鮮切生菜的貯藏，利用百里香精油抗菌涂層包膜包裝處理鮮切生菜，檢測鮮切生菜貨架期VC含量、多酚氧化酶活性與感官品質，并測定其對鮮切生菜中熒光假單胞菌的抑菌效果，結果顯示在低溫條件下，該抗菌薄膜具有顯著的抑菌性與保鮮效果，能夠降低鮮切生菜中營養物質損失與劣變程度，抑制微生物的生長及多酚氧化酶的活性，結合百里香精油抗菌薄膜包裝在4 ℃下可將鮮切生菜的貨架期顯著延長4～5 d。

GINéS等[42]研究了載香芹酚殼聚糖-三聚磷酸鹽納米粒子(carvacrol-loaded chitosan-tripolyphosphate nanoparticles，Np-EO)對鮮切胡蘿卜片理化、感官和微生物質量的影響，結果顯示與用相同濃度的香芹酚溶液處理的樣品相比，用Np-EO溶液處理的胡蘿卜切片沒有顯示出香芹酚相關的異味。胡蘿卜片的理化品質在貯藏過程中也得到很好的維持，可高度保持產品如胡蘿卜片的質量，而氯處理的樣品在同樣的貯存期間顯示出2～3個對數單位的高水平；含有檸檬酸的生物活性乳清蛋白分離膜對蘋果酶促褐變的抑制作用和理化性質的維持具有很好的效果，通過將膜施加到蘋果切片上，檢測其在貯藏期間的色澤、可溶性固形物、水活性以及多酚氧化酶和過氧化物酶活性，結果顯示，蘋果片在貯藏過程中的酶促褐變得到顯著抑制，含有檸檬酸的薄膜維持了處理組顏色特征，減少了質量損失，延長了蘋果的貨架期[43]。

4 討論與展望

植物提取物作為從植物中提取的純天然化合物，具有顯著的抗氧化活性，且在抗菌、抗腫瘤、清除自由基等方面表現出較強的功效。天然抗菌劑不會對環境與人體造成危害且具有較強抗菌性的優點，而植物提取物既可以改善食品的品質，防止過氧化，又起到抑菌殺菌的作用，且可保證其食用安全性。綜合考慮，天然植物提取物可逐步替代目前用于食品、制藥等工業的化學合成保鮮劑，其作為天然抗菌劑在食品保鮮、包裝與加工方面有著廣闊的應用前景與研究價值[2]。

國內外針對植物提取物中各類有效成分的提取工藝與配方暫時還未得到完善，提取過程或多或少會對其有效成分造成破壞導致提取效率降低，也會有一些不需要的化合物摻雜，使提取純度降低，對植物提取物的穩定性與有效性產生不利影響。此外，仍有許多植物提取物的抑菌機理與生理作用未得到深入研究與應用，其對果蔬的保鮮機理在分子水平還未得到完整的驗證與研究。