天然植物源抑菌活性成分研究進展

賈睿，蔡丹*，劉景圣，李雪，沈月，楊敬博

1. 吉林農業大學食品科學與工程學院（長春 130118）；2. 小麥和玉米深加工國家工程實驗室（長春 130118）

中國天然植物資源豐富，具有研究價值的植物多達萬種。隨著國內外學者對天然植物的研究不斷深入，其化學組成、活性成分、生理功能、結構與功能關系逐漸被發現并廣泛應用于功能性食品和醫藥領域[1]。天然植物資源中主要的化學成分有多糖、酚類、生物堿、苷類、有機酸、揮發油等，大量研究表明，這些化學成分廣泛具有提高免疫力、抗腫瘤、預防心腦血管疾病、抗氧化、抑菌等生理活性[2-3]。

隨著食源性疾病對人類健康的威脅，食品在生產、加工、運輸及消費過程中的腐敗性微生物和致病性微生物的控制越來越受到研究學者和產業的重視，天然植物源抑菌劑以其天然、安全、高效等特性已發展成為研究熱點。因此，從不同天然植物源活性種類的角度，綜述這些活性成分的抑菌效果、抑菌機理和應用現狀，為天然植物源抑菌活性成分在食品、醫藥領域的應用提供理論支撐。

1 天然植物源活性成分種類及抑菌活性

隨著天然抑菌劑的興起，大批國內外研究者對植物活性物質進行研究與開發，發現植物中具有抑菌活性的次生代謝產物約400 000種[4]，多酚類、多糖類、揮發油、生物堿、萜烯類、酯類、醌類及有機酸等結構類型均有不同程度的抑菌作用。

1.1 酚類化合物

酚類化合物廣泛分布于高等植物產生的次生代謝產物中，其基本結構主要有兩類，一類是以C6—C1為基本碳架，另一類是以C6—C3—C6為基本碳架，后者即黃酮類化合物。根據酚類物質的化學結構可將其分為多聚體和單聚體，其中多聚體有鞣花酸單寧、原花色素苷；單聚體包括酚酸（沒食子酸、對羥基苯甲酸、咖啡酸、龍膽酸等）、類黃酮（黃酮醇、查爾酮、黃烷酮、異黃酮等）。酚類化合物主要存在于水果、蔬菜、堅果、種子、莖、果實中，對植物的品質和產量起著重要作用。

1.1.1 酚類化合物對細菌的抑制作用

Kosikowska等[5]研究從棕櫚根中提取大黃多酚，用肉湯微量稀釋法測定其對金黃色葡萄球菌有較強的抑制活性。Smullen等[6]用70%丙酮水溶液提取出紅、綠葡萄中的黃酮-3-醇，發現通過添加該提取物可抑制變形鏈球菌的產酸和生長。Nobakht等[7]從桉樹樹干中分離出的黃酮類物質3, 4, 5, 7-四羥基黃烷酮對銅綠假單胞菌有極好的抑菌作用。Rattanachaikunsopon等[8]從番石榴葉中分離的類黃酮槲皮素和槲皮素-3-O-阿拉伯糖苷顯示所有受試細菌都有抑菌作用。Liu等[9]從柚子皮中提取黃酮類物質柚皮苷和乙酰柚皮苷，兩者對革蘭氏陰性菌的抑菌率分別為47.93%和83.54%。

1.1.2 酚類化合物對真菌的抑制作用

酚類化合物對引起食品腐敗變質以及致病菌的真菌也具有明顯的抑制作用。王虹玲等[10]研究表明，香蕉皮的單寧提取物對多種真菌具有較強的抑制作用，這些真菌包括根霉、青霉和酵母菌，并且香蕉皮單寧具有較強的抗氧化性。呂澤芳[11]采用甲醇溶劑作為提取劑對錦橙果實和果皮中酚類物質進行提取，試驗結果表明提取的酚類物質對青霉菌和綠霉菌都有明顯的抑制作用，并且抑制作用隨著提取總酚含量的增加而越來越強。Pagnussatt等[12]從螺旋藻中提取以沒食子酸為主要物質的酚類化合物，通過試驗發現提取的酚類化合物對禾谷鐮刀菌和黃曲霉均有良好的抑制作用。植物提取物的抗真菌活性與高含量的黃酮類化合物密切相關，通過研究發現香蕉皮黃酮對酵母菌有較強的抑制作用，并且通過純化后的香蕉皮黃酮抑菌活性明顯優于純化前[13]。

1.2 植物揮發油

植物揮發油，即植物精油，廣泛存在于植物的根、樹干、樹皮、莖、葉、花和果實中。植物揮發油被廣泛用于醫藥、香水、化妝品和食品防腐劑行業。植物揮發油由萜烯類化合物（單萜、倍半萜和二萜）、酮類、環氧化合物、酯類、酸類、醇類和硫化物組成，具有良好的抗菌、抗病毒和抗氧化作用。

1.2.1 植物揮發油對細菌的抑制作用

王書平等[14]從辛夷、艾蒿和黃花蒿3種芳香植物中提取得到精油，通過菌絲生長法進行抑菌活性的探究，發現這3種芳香植物精油對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都有一定抑菌作用。Basile等[15]從馬兜鈴中提取的香豆素對金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、陰溝腸桿菌和幽門螺桿菌均有明顯的抑制作用。Longbottom[16]從植物白術中提取的茶樹精油通過添加乙二胺四乙酸提高對銅綠假單胞菌的抗菌活性。

1.2.2 植物揮發油對真菌的抑制作用

Prakash等[17]提取花椒油，其主要成分芳樟醇和肉桂酸甲酯對黃曲霉具有較好的抑制效果。Shukla等[18]通過水蒸氣蒸餾分離出菖蒲精油，經過試驗發現菖蒲精油在0.4～0.25 μL/mL時完全抑制黃曲霉菌株的生長，在0.5 μg/mL時對篩選的16種食品中出現的真菌有較強的抑制活性。Freires等[19]用干柱分流法提取的芫荽葉精油對念珠菌有較強的抑制作用。

1.3 生物堿

生物堿是一類重要的次生代謝產物，它主要來源于植物并且具有不同結構，已發現有超過12 000種不同結構。從化學角度來看，生物堿是一類含氮雜環化合物，可能由一個或多個氮原子組成。并且一些生物堿具有很強的生理活性，在抑菌和抗生素增強方面表現出不同的機制。生物堿對抑菌活性起作用的常見官能團是羥基、甲氧基及亞甲基二氧基，位于骨架環結構的指定位置。

1.3.1 生物堿對細菌的抑制作用

Mabhiza等[20]測定香茅中的提取物桔霉素對金黃色葡萄球菌具有較強的抑菌活性。小蘗堿是廣泛存在于植物中的一種異喹啉生物堿，Yan等[21]試驗發現從黃連中提取的小蘗堿和黃連堿對大腸桿菌有著極強的抑制作用。Móricz等[22]以甲醇和乙酸乙酯為提取劑，從馬錢子的根、莖、葉中提取生物堿，通過薄層色譜表明了提取物對枯草芽孢桿菌和大腸桿菌具有抑菌活性。

1.3.2 生物堿對真菌的抑制作用

多甜甜等[23]采用生長速率法測定馬鈴薯糖苷生物堿對腐皮鐮刀菌、核桃盤二孢和煤炱菌的抑制效果，結果發現該生物堿對3種受試菌均有抑制效果，但是對腐皮鐮刀菌效果最明顯。黃連中的小蘗堿對于真菌的抑制效果較弱，因此Quan等[24]研究小蘗堿與氟康唑協同作用，通過瓊脂擴散試驗顯示協同作用下的小蘗堿提高對真菌的抑制活性。陳乃東等[25]用乙醇溶液提取白芍中的生物堿芍藥苷，通過抑菌測試發現白芍提取物對酵母菌和黑曲霉菌均有良好的抑制作用。

1.4 植物多糖類化合物

植物多糖是由多個具有α-糖苷鍵或β-糖苷鍵的單糖組成的化合物，廣泛存在于淀粉、纖維素、果膠等天然植物材料中。植物多糖具有多種生物活性，如免疫調節、抗病毒、降血糖、抗腫瘤、抑菌等。

1.4.1 植物多糖對細菌的抑制作用

絞股藍草根中分離得到一種多糖GCP，試驗證實GCP對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌活性，且對金黃色葡萄球菌的抑菌活性優于大腸桿菌[26]。Khemakhem等[27]證實橄欖葉多糖對大腸桿菌、蠟樣芽胞桿菌和腸桿菌有一定抑菌作用。1.4.2 植物多糖對真菌的抑制作用

李瑜等[28]研究枸杞多糖和黃芪多糖的抑菌活性，結果發現這2種植物多糖對黑曲霉和產黃青霉的抑菌活性隨著提取物的濃度增加而增強。袁海娜[29]證明仙人掌多糖對酵母菌的抑菌效果優于青霉，與其具有相似抑菌效果的還有甘草多糖。

2 天然植物源活性成分的抑菌機理

2.1 天然植物源活性成分對細菌的抑制機理

近年來，國內外學者對植物提取物的抑菌機理開展了大量的研究工作，不同來源的植物提取物其抑菌機理不同，主要通過探究細菌細胞膜的流動性、細菌細胞內各組分物質的流失、抑制細菌細胞內核酸的合成、影響細菌體內代謝酶活性等來揭示天然植物源活性成分對抑制細菌的機理。苦參黃酮G中的羥基與脂肪族取代基團能有效降低細菌細胞膜的流動性，一旦細菌細胞膜被穿透，小分子活性物質就會進入細胞，破壞細胞的新陳代謝，從而抑制細菌活性[30]。丁香酚的疏水性使其能夠滲透到革蘭氏陰性菌的外脂多糖膜中，破壞細胞壁結構，從而導致細胞內成分的泄露[31]。高良姜乙醇提取物能引起細胞內pH的變化和變性，破壞細菌細胞的細胞質功能，使核酸和離子丟失[32]。聚甲氧基黃酮能夠提高細菌細胞膜中的轉氨酶的含量，改變細菌細胞膜的選擇通透性，導致大量內源性酶的滲出[33]。植物精油通過破壞磷脂雙分子層和多糖分子的排列，導致細胞質內細胞成分凝固以及脂類和蛋白質層間聯系破裂；另有研究表明，植物源活性成分的抑菌作用還與膜電位降低、質子泵破裂和ATP消耗有關[34]。

2.2 天然植物源活性成分對真菌的抑制機理

植物提取物對于真菌的抑菌機理主要是對真菌細胞的細胞壁正常生理功能的影響，以及影響真菌細胞的脂質層穩定性、膜流動性等。如植物精油會導致真菌細胞內成分的凝固，在酵母細胞中，植物精油會在細胞膜上形成電位，破壞細胞內ATP的產生，從而導致細胞膜損傷；因為電子傳輸系統通路內電子流動的改變使植物精油通過滲透過程穿透和破壞真菌細胞壁和細胞質膜，從而導致線粒體膜的分解[35]。此外植物精油還能影響真菌細胞內離子通道，尤其是Ca2+、質子泵及ATP，從而破壞線粒體膜的去極化，導致膜電位的降低。細胞膜流動性的這種變化可能導致電解質的滲漏，并且阻礙細胞蛋白質代謝，改變Ca2+濃度[36]。因此，線粒體內外膜的通透性可能導致細胞凋亡或壞死，最終起到抑菌效果。不同植物源活性成分的抑菌機制不盡相同，因此對于植物提取物的抑菌機理還有待于更深層次的研究。

3 天然植物源活性成分在食品工業領域的應用現狀

多年來，防止食品腐敗、延長食品貨架期，始終是學者關注的研究熱點。化學防腐劑雖然具有較強的抑菌活性，但隨著人們食品安全意識的不斷增強，對天然植物源防腐劑和抑菌劑的關注度也越來越高。目前，天然植物源抑菌活性成分在食品領域的應用主要體現在2個方面。

（1）采用噴灑、涂抹或包埋的方式將抑菌劑應用于食品防腐。如Chiu等[37]采用噴灑的方式將綠茶提取物噴灑在水果沙拉、生菜心和豬肉片的表面并探究其抑菌效果，結果表明綠茶提取物對革蘭氏陽性菌有較強的抑制活性，同時還能有效抑制沙拉中酵母菌和霉菌的生長，從而使3種食品的保質期延長。Giarratana等[38]研究發現利用百里香精油和迷迭香聯合，用包埋的方式使香腸中的單核細胞增生李斯特菌的生長受到抑制，從而能夠延長香腸的儲藏期，且能夠保持香腸的良好風味。Ntzimani等[39]采用牛至精油和迷迭香復配應用于真空包裝的半熟雞肉中，延長了4 ℃真空包裝的半熟雞肉保質期7～8 d。

（2）將抑菌劑與蛋白混合制備可食性保鮮膜用于食品防腐和保鮮，在薄膜中加入抑菌劑會降低包裝材料在產品中的擴散速率，從而有助于包裝材料維持高濃度的活性成分。Zinoviadou等[40]在大豆蛋白可食膜中加入合理劑量的牛至與百里香精油，有效抑制碎牛肉冷藏過程中大腸菌群及金黃色葡萄球菌的生長，延長碎牛肉的貨架期。Brink等[41]研究在乳清蛋白和殼聚糖可食用膜中添加蔓越莓和昆斯果汁酚類粗提物包裹火雞肉發現，復合可食膜能有效延緩新鮮火雞肉中傷寒沙門氏菌、大腸桿菌和空腸彎曲菌的生長，在不影響火雞肉感官特性的前提下，明顯延長火雞肉的保質期。Mushtaq等[42]提取石榴皮中的酚類化合物作為抑菌劑，結合玉米醇溶蛋白成膜液制成復合膜在沒有顯著改變干酪的感官屬性的前提下，有效延長KARALI奶酪貯藏過程中的氧化反應和微生物腐敗。

4 結語與展望

具有抑菌活性成分的天然植物來源廣泛，但大量研究工作集中于天然植物源抑菌活性成分的提取及藥用植物的抑菌活性方面，對藥用植物以外的植物提取物的抑菌活性研究較少，對抑菌機理的研究不夠深入，同時對抑菌產品的開發與應用研究不夠系統。因此，需要從幾個方面開展研究工作：（1）擴大天然抑菌劑原料的選擇范圍。如雜糧、雜豆及糧食加工副產物中富含的酚類、黃酮、多糖等活性物質，目前對于這些成分的抑菌活性研究較少，因此擴大原料的選擇范圍對天然抑菌劑的發展和應用具有重要意義。（2）利用生物和信息技術開展天然植物活性成分與抑菌活性之間的構效關系，深度揭示植物提取物的抑菌機理。（3）應用場輔助手段提高天然植物源活性成分與傳統保鮮材料的復合性和有效性，開發安全、高效、可降解的天然植物源可食性保鮮材料。隨著科學技術不斷進步，人們對食品安全及環保的不斷重視，研究和開發天然、安全、有效的植物源天然抑菌劑對確保食品質量與安全、推動食品產業的可持續性發展具有重要意義。