植物精油納米包埋技術的作用機制及其在肉品保鮮中的應用

唐敏敏,王虹懿,劉 芳,諸永志,王道營,*,徐為民,*,孫芝蘭

(1.南京農業大學食品科技學院,江蘇南京 210095; 2.江蘇省農業科學院農產品加工所,江蘇南京 210014)

冷鮮肉及肉制品在加工、貯運過程中極易受到微生物污染而腐敗變質,不僅造成資源浪費,而且嚴重危害消費者的身體健康。如何有效控制微生物生長繁殖是肉品工業需面對的一大難題。眾所周知,食品防腐劑可有效抑制食源微生物生長、延長食品保質期。隨著生活水平的提高,消費者的食品安全意識也不斷增強,純天然、無毒無害的生物防腐劑逐漸成為市場的新寵。植物精油是從天然植物中提取出來的一類小分子的植物源次生代謝產物,可通過水蒸汽蒸餾法、壓榨法、超臨界萃取法、溶劑浸提法等方法進行提煉萃取[1],是一種具有揮發性的油狀液體。植物精油對革蘭氏陰性和陽性菌均有抑制作用,抑菌譜較廣[2],且其為天然產物,具有安全高效、應用前景好等優勢。然而多數植物精油的水溶性和熱穩定性都很差,且生產成本較高,部分精油還帶有刺激性氣味,以上種種弊端阻礙了其在肉品工業的發展。就目前來說,植物精油在肉品產業中并未得到廣泛應用,如何解決好這些問題已然成為植物精油的研究熱點。

納米包埋技術是微膠囊技術的延伸發展,可將植物精油包埋成納米顆粒,賦予其與眾不同的小尺寸效應和表面效應。納米包埋后的植物精油既能實現對營養物質的保護,亦具備更高的穩定性、更好的體內吸收、控釋和靶向性功能[3]。此外,納米材料(尺寸<100 nm)可作為載體掩蓋植物精油的不良氣味,并優化其與肉品成分的相互作用。利用納米材料作為植物精油的傳遞介質,可有效提高肉品質量、安全性和功能性。本篇綜述了植物精油的抗菌和抗氧化能力及作為肉品保鮮劑所面臨的問題、納米包埋植物精油的方法及對食源性微生物的作用機制,最后對納米包埋植物精油未來的開發和應用做出展望。

1 植物精油在肉品保鮮中的應用現狀

眾所周知,肉類產業規模宏大,在農業生產總值中占有很大比例。由于肉制品富含營養物質,在生產運輸和貯藏過程中極易暴露在空氣中被氧化,同時被一些食源性微生物分解而腐敗變質,從而給肉品產業帶來巨大的經濟損失。研究表明,植物精油具有較強的抑菌和抗氧化作用,且揮發性較強,近幾年來,其在肉品保鮮中的應用已越來越廣泛[4-5]。由于植物精油存在溶解度低、穩定性差以及人體毒理學效應不明確等問題,因此仍需進一步探索和改進。

1.1 植物精油在肉品保鮮中的機理與應用

植物精油的成分復雜,一般可分為四大類:萜類、芳香族類、脂肪族類和含氮含硫類。其中包含的酚類、醛類以及單萜和倍半萜等成分是植物精油首要的抗菌活性物質,對大多數革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌都有抑制作用,可替代人工合成的抑菌劑應用在肉品中;含有的酚醛類物質亦能夠消除肉品中過量的自由基,且抗氧化功效優于VC,是一種安全高效的抗氧化劑[6]。然而,單方精油的保鮮效果有限,多數學者開始嘗試利用復方精油延長肉品的保鮮期。

1.1.1 植物精油的抗菌活性 微生物污染是引起肉品腐敗變質的主因。它們不僅會使肉品失去原有的營養價值和組織性狀,還會破壞肉品的外觀和口感。因此,通過抑制食源性微生物的生長繁殖可以有效延長食品的保藏期。植物精油中所含有的醇、醛、酮以及酚類等成分對食源性微生物有著較強的抑制作用,有些甚至對特定菌種具有專一抑制性[7]。此外,植物精油具有安全無毒、微生物對其不易產生抗藥性[8]等優點,作為天然抗菌劑在肉品行業具有很好的應用前景。目前用于研究的植物精油種類繁多,如生姜精油、丁香精油、百里香精油、肉桂精油等。

精油及其成分對細菌細胞的作用機理主要包括兩種:一種是破壞細胞膜。細胞膜結構為磷脂雙分子層,具有選擇透過性,可選擇性地運輸物質和傳遞能量,還能識別和傳遞信息、保護細胞免受損傷。植物精油是疏水性物質,能夠進入磷脂雙分子層內部,破壞脂質平衡和蛋白功能,導致膜滲透性增加,細胞內容物滲出,造成細菌死亡,這也是最主要的抑菌機理。Blaszyk等[9]研究發現丁香精油中的丁香酚會使細胞膜中的蛋白質變性,并與磷脂發生反應,導致膜滲透性增強。研究表明,使用丁香精油浸漬醬牛肉,并測試浸漬后醬牛肉的TBA值,一定程度上能夠抑制醬牛肉的菌落總數,從而提高品質[10]。另一種是對胞內遺傳物質和代謝途徑的影響。DNA是主要遺傳物質,在細胞合成和遺傳過程中都具有重要作用,而精油中的萜烯和酚類等主要化合物能夠抑制DNA修復,破壞DNA結構,還可通過影響胞內酶的活性抑制基因表達,進而影響遺傳物質正常的復制及菌株的生長繁殖[11]。如冷榨巴倫西亞橘精油能誘導耐藥金黃色葡萄球菌DNA的改變,干擾 DNA 的復制、重組與修復,抑制與細胞壁合成有關的基因表達,促使細胞溶解[12]。除兩種主要機理外,植物精油還可通過干擾細菌能量代謝系統、改變細胞形態、影響細胞分裂、破壞運動性、干擾信號轉導系統和毒力等方式抑制細菌生長繁殖[13]。具體的抑菌機理如圖1所示。

圖1 植物精油及其成分的抑菌機理[13]Fig.1 Antimicrobial mechanisms of essentialoil and its constituents

1.1.3 復方精油 復方精油是在食品安全基礎上為達到特定療效將兩種及以上的單方精油按照比例混合生成,且精油與精油之間是相互協調、相輔相成的。由于植物精油大多具有抗菌和抗氧化等多種生物活性,且單個精油應用在肉品中的作用效果有限,難以完全抑制肉品中微生物的生長繁殖以及氧化變質。因此,多種植物精油的復配在一定程度上可以提高生物活性,延長肉品保鮮期。如顧仁勇等[19]將牛至、丁香、山蒼子以及肉桂四種香辛料精油進行復配后涂抹于豬肉表面,再對其進行真空包裝,發現在低溫條件下可冷藏18 d,延長了豬肉的保質期。楊柳等[20]將丁香和肉桂復配而成的精油處理香腸,發現處理過的香腸在儲藏期間的菌落總數會明顯低于普通香腸,且pH始終較低,貨架期得到延長。由此可見,研發出具有協同效應的復方精油應用在肉品保鮮行業對探究新型肉品保鮮劑開拓了路徑。

1.2 植物精油作為肉品保鮮劑面臨的問題

就目前而言,已有不少種類的植物精油作為天然防腐保鮮劑投放到肉品產業中,但應用還不夠廣泛,其發展還面臨著挑戰。首先,植物精油的抑菌機理不夠系統全面,目前研究多集中在植物精油對細胞膜的作用機制,對細胞壁、遺傳物質等其他結構和功能的影響的研究較少。加速對植物精油抑菌機理的研究,將有助于推廣在食品保鮮領域的應用。其次,某些種類的植物精油含有低刺激性或毒性成分,還需加強對植物精油的毒理學研究和安全性評價。另外,盡管復配精油提高了抗菌活性,能起到較好的保鮮效果,但依舊不能滿足工業生產的需要,還需進一步探索提高植物精油生物活性的方法。最后,多數植物精油本身具有較強的刺激性氣味,在水中的溶解度低且不穩定。利用納米包埋技術可以有效改善精油的穩定性和氣味,提高溶解度,減少對產品風味的影響。

2 植物精油納米包埋技術

如上所述,植物精油的應用發展還存在較多障礙,利用納米材料作為植物精油的載體,能有效提高植物精油穩定性、安全性和功能性。一般來說,植物精油是親脂化合物的混合物[21],因此,對納米包埋方法的研究大多基于脂質體系。本文主要討論植物精油基于脂質體、納米乳以及固體脂質納米顆粒三種包埋技術下的防腐抑菌效果。具體結構圖如圖2[21]。

圖2 植物精油的納米包埋結構圖Fig.2 Nano-embedding structures of plant essential oils

2.1 基于脂質體的包埋技術

脂質體是由磷脂雙分子層自組裝形成的中空狀、雙層球形結構,直徑大小在200～1000 nm,可包圍水溶性和脂溶性物質。水溶性物質被包裹在磷脂雙分子層內部的空間里,脂溶性物質被夾在雙分子層疏水尾部之間[22]。脂質體被美國食藥局認定為安全可降解物質,脂質體的包埋可有效提高植物精油中酚類物質的溶解度和生物利用度[23],保護其免受肉品中酶類的破壞,延長抑菌效果并提高抗氧化能力。實驗證明,將包載槲皮素的納米脂質體與槲皮素納米乳和槲皮素固體脂質納米粒進行比較,發現槲皮素納米脂質體在模擬胃液中的穩定性更好,生物接受性高[24]。但脂質體對酸、熱等因素敏感,貯藏過程中易發生絮凝、聚集融合,使被包埋物泄露[25],因此基于脂質體的包埋物應貯藏在陰涼干燥處。脂質體的制備方法有很多,傳統的制備方法有超聲分散法、高壓均質法、薄膜水合法等。趙呈婷[26]采用波薄膜-超聲分散法制備丁香精油脂質體,結果發現精油的穩定性和水溶性都得到了顯著的提高,且使用壽命延長,對豬肉等肉制品的抑菌效果得到增強。然而傳統的制備方法大多難以滿足大規模的工業生產要求且殘留物較多,為能夠較好地解決這些問題,近幾年逐漸研發出一些新興的制備方法,如:超臨界流體法、乙醇注入法、膜接觸器法等[27]。Zhao等[28]利用超臨界CO2技術通過超臨界相減壓法生產脂質體,經研究表明,當降壓速率為120 bar/min,壓力為200 bar時可產生均勻度和穩定性都較高的脂質體。歐春鳳等[29]采用乙醇注入法制備姜了黃素脂質體,并對其粒徑大小、包埋率進行測定,發現與傳統制備的脂質體相比,該姜黃素脂質體的粒徑更小,且包封率和穩定性都得到了提高。目前,超臨界CO2流體技術法是食品工業生產中最常用的脂質體制備方法,其操作過程中所用到的超臨界CO2具有低粘度、高密度、高溶解性以及高傳質性等多種優點,并且價廉易得、安全無毒,因此備受歡迎。

2.2 基于納米乳的包埋技術

納米乳是一類由水相、油相和表面活性劑按比例制成的透明或半透明的膠體分散體系,其大小均勻,且粒徑大小通常為50～500 nm[30]。由于納米乳液的粒子直徑小,總表面積大,從而增加了納米顆粒與肉制品的接觸面積,提高了植物精油的抑菌效果。與普通乳液相比,納米乳液在外觀、質地、穩定性和生物活性等方面表現出更好的功效,且對界面活性要求較低,但熱力學體系的穩定性變差,須加入適當的乳化劑和助乳化劑進行維持。納米化可以提高植物精油在水中溶解度和分散度,防止生物活性物質被降解,增加生物利用率,并且具備緩釋和靶向等作用[31]。此外,納米化能最大限度地減少植物精油在感官特性上的負面影響。納米乳的制備方法有兩種,分別是高能乳化法和低能乳化法[32]。低能乳化法較為傳統,主要通過改變環境和體系組分,來使水、油和乳化劑自發組合形成非常細小的球滴,此操作過程簡單且所需設備和能源的成本較低。任婧楠等[33]與Marília等[34]采用相轉變點法分別制備了甜橙精油和牛至精油納米乳,體外實驗結果顯示:兩種納米乳均能降低金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的活性,可取代人工合成防腐劑應用在肉品中。但傳統方法大多不利于工業化大規模生產。高能乳化法是通過相應機械裝置所產生的超強破壞力來破壞油水兩相的平衡態,使其均勻分散在連續相中,從而形成微小球滴[35]。此方法利于大規模生產,制備出來的植物精油納米乳能延緩肉品在儲藏過程中菌落總數的增長,延長貨架期。Moghimi等[36]采用超聲處理法將百里香精油制備成納米乳液,并與精油原液作對比,探究對食品腐敗菌的抑菌效果,結果表明,百里香精油納米乳液的抗菌活性是其精油原液的10倍以上,有很強的防腐保鮮效果。但是高能乳化法也有巨大的劣勢,即乳化能量利用效率通常較低[37],且設備成本較高。在如今的食品工業中,最常用高能乳化法制備植物精油納米乳,但低能乳化法依舊值得關注。

2.3 基于固體脂質納米粒的包埋技術

作為繼脂質體和乳液后的新一代納米載體,固體脂質納米粒是以天然或人工合成的高熔點固態類脂作為載體,使活性物質吸附或包裹于脂質基質中的新一代納米載運系統[38],其粒徑大小通常為50～1000 nm。固體脂質納米粒常用于包埋化學性質不穩定的疏水性化合物,譬如植物精油,可大大提高其儲藏穩定性和生物利用度。此外,基于固體脂質納米粒的包埋技術對活性物質有更好的控制、釋放及靶向作用;運載的活性物質受外界因素影響也進一步減小;生物相容性較高,對機體毒性小[39]。但與此同時,它也表現出一些新的缺陷[40]:對活性物質的負載量低,存儲過程中脂質重結晶導致包埋物析出等。固體脂質納米粒的制備方法有很多,主要包括:超聲/高壓均質法、微乳法、薄膜-超聲分散法、溶劑分散法和溶劑乳化法[41]。上述方法各有優勢,但多使用超聲/高壓均質法,此方法不僅高效可靠,還可同時適用于實驗室研究以及工業大規模生產。如Ramalingam等[42]就通過超聲/高壓均質法制備了姜黃素修飾的固體脂質納米粒子。姜黃素通常用作肉類食品著色劑和酸堿指示劑,包埋后的姜黃素不僅水溶性、穩定性、口服生物利用度得到改善,其抑菌、抗氧化等功效也得到提高。

3 納米包埋植物精油對肉品中微生物的作用機制

納米包埋的植物精油及其具有較強抗菌活性的生物活性物質可作為人工合成抑菌劑的安全替代品。由于植物精油是萜類、醛類和酚類等幾種生物活性化合物的揮發性混合物,它們可同時作用于不同的位點,干擾微生物的穩態,因此,產生耐藥性的幾率可以忽略不計[43]。植物精油的作用機制取決于其內在的生化特征及其在原油中的比例,并具有級聯反應。總的來說,植物精油會對食源微生物的結構和生理功能產生影響,比如導致其細胞膜功能、細胞質含量、以及與細胞正常功能相關的酶和蛋白受到干擾,從而打破微生物的新陳代謝平衡,促使細胞死亡[44-46]。然而植物精油的水溶性較低且易氧化,在一定程度上降低了自身的抑菌活性,使用合適的材料將其包埋成納米級顆粒可使精油和食物基質之間形成屏障,并將植物精油傳遞到微生物優先增殖的富水相,從而增強了穩定性和分散性[47-49]。納米包埋技術可使部分植物精油通過細胞膜,并作用于胞質膜內側。由于納米包埋植物精油后所得到的顆粒直徑很小,增加了單位體積的表面積,因此,它們與微生物細胞膜的相互作用增強,導致細胞在最佳劑量下死亡[50]。此外,像殼聚糖、葡聚糖、纖維素等作為載體的納米材料也可通過破壞膜電位、活性氧生成以及改變代謝過程而表現出抗菌性能[51]。張力等[52]以明膠-殼聚糖復合物為載體制備丁香酚納米粒,并研究其在冷鮮豬肉保鮮中的應用。研究證明,丁香酚納米粒的水溶性和不穩定性得到改善,且有效延緩了冷鮮豬肉持水力、質構指標彈性和粘聚性的下降,將豬肉貯藏期延長至13 d。有些植物精油還能與具有抗菌活性的載體材料產生協同作用,從而增強納米包埋植物精油的抗菌活性。Chen等[53]用玉米醇溶蛋白和殼聚糖包埋姜黃素和白藜蘆醇制備納米復合物時發現,隨著玉米醇溶蛋白和殼聚糖相對分子量的增加,姜黃素和白藜蘆醇的包埋率和物理穩定性都有所增大,進一步增強抗菌活性。綜上所述,植物精油與納米載體在抗菌方面具有協同作用,納米包埋處理后的植物精油對食源性微生物的作用時間延長,整體的抑菌活性增加。

4 結論與展望

隨著全球對安全健康食品的需求日益增長,越來越多的消費者傾向于購買低防腐劑食品。在此背景下植物精油及其所含有的活性物質既能抑菌防腐,又能抗氧化,故可作為新型食品防腐保鮮劑應用在肉品中。但植物精油的具體成分還不明確,未來應加強對其成分的鑒定,并進行相應的安全性評價,保障消費者權益。納米包埋技術的研發與應用,增強了食品系統中植物精油的水溶性、穩定性以及生物活性。因此,納米包埋植物精油一旦在肉品中被允許大規模使用,便可為肉品保鮮行業提供一條安全又創新的發展路線。此外,新型包埋材料的研發,也可拓展植物精油作為防腐保鮮劑的應用領域,為大規模工業化生產提供了技術支持。