植物精油的抗菌性能及其應(yīng)用研究進(jìn)展

劉德贊, 李文茹, 謝小保*

1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,廣東 廣州 510225；2.廣東省科學(xué)院微生物研究所，華南應(yīng)用微生物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省菌種保藏與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510070

隨著生活質(zhì)量的提升，人們?cè)诋a(chǎn)品的選擇上更加傾向于選擇綠色、低毒、低殘留、高效環(huán)保的產(chǎn)品。因此無(wú)毒害、安全度高、對(duì)環(huán)境友好的植物源產(chǎn)品被高度認(rèn)可[1]。

植物精油(plant essential oils)又被稱(chēng)為香精油[2]，是從植物的花、葉、莖、種子、果實(shí)、根或皮中提取的天然生物活性成分[3],相對(duì)分子質(zhì)量通常較小，具有獨(dú)特氣味和揮發(fā)性，顏色較淡甚至無(wú)色，屬于植物體自身的次級(jí)代謝產(chǎn)物，常被冠以“液體黃金”的美名[4]。常溫下呈油狀液體，難溶于水，易溶于有機(jī)溶劑[5]。

植物精油成分復(fù)雜多樣，通常含有幾十種甚至幾百種，按化學(xué)成分常被分為以下四類(lèi)：萜類(lèi)化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物及含氮含硫類(lèi)化合物[6]。不同精油的主要成分有較高相似度，因此精油的理化性質(zhì)和生物活性也較類(lèi)似。其中占主要比例的萜類(lèi)化合物，大多數(shù)為單萜類(lèi)，包括單萜烴、氧化單萜等。倍半萜、二萜及其含氧衍生物的應(yīng)用也較為普遍[3]。

1 植物精油的提取

精油廣泛存在于植物中，含精油較為豐富的科屬有樟科、桃金娘科、蕓香科、唇形科、蓼科、姜科和傘形科等[7]。

植物精油的天然含量較低，雖然特殊植物部位含量較高，但多數(shù)通常不足1%[8]，壓榨、蒸餾、萃取等措施是獲得高濃度精油的必要操作，水蒸汽蒸餾法因具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便和提取成本低等優(yōu)點(diǎn)被大量用于商業(yè)化[9]。

現(xiàn)有的提取方法中，溶劑提取法、壓榨法、吸收法、酶提取法、微波萃取法、超聲波提取法、結(jié)晶法、超臨界流體萃取和分子蒸餾法[1]也是較為成熟的提取方法，但相較于水蒸氣蒸餾法應(yīng)用不夠普遍。

精油含量及成分組成因易受提取部位、植物年齡、季節(jié)及氣候變化的影響而有明顯差異[10]，且提取到的活性成分及其比例與提取方式有關(guān)，不同的提取方式獲得的提取物也有明顯差異[11]。

2 精油抑菌、防霉優(yōu)勢(shì)

2.1 環(huán)境相容性

植物精油中的成分都是天然存在的，早已具有完整的循環(huán)降解方式,不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)不利隱患[6]。常用的丁香油、茶樹(shù)油和肉桂油等，因具有廣譜抗菌性，同時(shí)具有高揮發(fā)性和低殘留等特點(diǎn)，已成為綠色殺菌劑的重要來(lái)源之一[10]。

2.2 安全低毒、不易產(chǎn)生抗藥性

植物精油毒性通常較小，對(duì)環(huán)境、動(dòng)物都相對(duì)安全,對(duì)非靶標(biāo)生物影響很小[6]；精油作用機(jī)理較為復(fù)雜,常具有多位靶點(diǎn), 使得靶標(biāo)物難以產(chǎn)生抗性，且通常數(shù)種成分存在協(xié)同效應(yīng)，保證應(yīng)用效果的同時(shí)減小了使用量,降低了精油的應(yīng)用代價(jià)[6]。

3 植物精油抑菌、防霉機(jī)理

植物精油是天然混合物，成分復(fù)雜，含有幾十種甚至幾百種成分。植物精油的主要成分和協(xié)同作用決定精油的抗菌活性[7]。各成分的抑菌機(jī)理具有顯著差異性，因此植物精油抑菌機(jī)制是多樣的而非單一的、是復(fù)雜的而非簡(jiǎn)單的[12]。

隨著對(duì)精油抗菌機(jī)理研究的不斷深入，目前抗菌方式主要被分為以下四類(lèi)：破壞菌體外層保護(hù)結(jié)構(gòu)使細(xì)胞通透性增強(qiáng)；破壞呼吸、代謝系統(tǒng)使能量代謝紊亂；阻礙核酸、蛋白質(zhì)的合成過(guò)程影響細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能；抑制菌體及分生孢子的產(chǎn)生,阻斷病原菌后代產(chǎn)生,使菌群體逐漸衰亡[10,13]。

3.1 對(duì)微生物細(xì)胞壁的作用

細(xì)胞壁作為細(xì)胞的保護(hù)屏障，可以降低對(duì)藥物的敏感性，而細(xì)胞壁的主要成分和與細(xì)胞壁有關(guān)的酶可作為精油活性成分的重要作用位點(diǎn)[14]。肉桂醛可通過(guò)阻礙葡聚糖和幾丁質(zhì)的合成使細(xì)胞壁受損，植物精油中的酚類(lèi)物質(zhì)可影響細(xì)胞壁的功能,最終導(dǎo)致細(xì)胞因缺少保護(hù)組織而衰亡[15]；精油中的α-松油烯能影響與細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和功能有關(guān)的基因?qū)е箩劸平湍傅牡挚沽ο陆担龠M(jìn)了精油的抗菌效果[16]。

MANSO等通過(guò)電鏡觀察肉桂精油對(duì)黃曲霉菌結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)肉桂精油能使黃曲霉細(xì)胞壁和細(xì)胞膜出現(xiàn)異常，失去對(duì)細(xì)胞的保護(hù)作用，加之精油的疏水性抑制了膜的流動(dòng)性，進(jìn)而抑制了黃曲霉菌的生長(zhǎng)[13，17]。

3.2 對(duì)微生物細(xì)胞膜的作用

粗果芹精油、孜然精油等可以破壞黃曲霉的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，增大膜的通透性，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)重要離子或物質(zhì)流出，引起細(xì)胞死亡，從而達(dá)到抑制黃曲霉的效果[18]。

植物精油中的香葉醇通過(guò)破壞細(xì)胞膜脂質(zhì)層的雙層膜結(jié)構(gòu),使細(xì)胞內(nèi)容物外泄,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[19]；百里香精油通過(guò)影響雙層磷脂的完整性改變了細(xì)胞膜的滲透性導(dǎo)致核酸、蛋白質(zhì)和鉀從細(xì)胞內(nèi)部泄漏，可使細(xì)胞在5 min內(nèi)死亡[20]；p-茴香醛可通過(guò)損傷酸腐病菌的細(xì)胞膜及其細(xì)胞壁，造成胞內(nèi)物質(zhì)外泄，導(dǎo)致菌絲體凋亡，顯著抑制了酸腐病菌的生長(zhǎng)[21]；甘草酸、連翹皂苷抑菌成分,可破壞霉菌細(xì)胞膜結(jié)構(gòu), 消除膜對(duì)菌體的保護(hù)作用，導(dǎo)致內(nèi)容物外漏,造成菌體的死亡[22]。

3.3 對(duì)呼吸系統(tǒng)和能量代謝的作用

香茅精油、山蒼子油、蒔蘿精油和馬鞭草精油等的抗菌作用是通過(guò)破壞菌體線粒體膜，影響細(xì)胞的能量代謝，得以實(shí)現(xiàn)并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[19]。

TANG等研究發(fā)現(xiàn)，從馬鞭草精油中提取出來(lái)的香葉醇，在濃度為0.5～0.6 μg/mL時(shí)抑菌率為98.44%。經(jīng)香葉醇處理的黃曲霉菌體內(nèi)活性氧大幅度增加，達(dá)到74.2%±5.5%，說(shuō)明香葉醇處理明顯刺激了活性氧的產(chǎn)生，導(dǎo)致線粒體的功能紊亂并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[23]。

當(dāng)糖的氧化分解過(guò)程遭到抑制,會(huì)阻礙細(xì)胞正常的供能，進(jìn)而影響細(xì)胞功能使其受損,甚至導(dǎo)致生物體死亡[24]。抑菌物質(zhì)可以通過(guò)阻止病原微生物對(duì)葡萄糖的吸收和利用，來(lái)阻止能源的供應(yīng)，致使病原菌細(xì)胞生長(zhǎng)和繁殖受阻，從而達(dá)到抗活性的效果[25]。

3.4 對(duì)細(xì)胞核酸和蛋白質(zhì)的影響

核酸是一切生物體重要的遺傳物質(zhì),對(duì)生命的生長(zhǎng)、延續(xù)都起著決定作用,并控制蛋白質(zhì)的合成及代謝過(guò)程[18]，而蛋白質(zhì)作為生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。植物精油作用于菌體后，會(huì)影響核酸的正常轉(zhuǎn)錄、編碼導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成量減少，尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)蛋白、催化蛋白的合成進(jìn)行抑制，使菌體正常功能遭到破壞，達(dá)到抑菌、抗菌的效果[13，26]。

電泳試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)甘草、連翹提取液中的有效成分進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)后,可以阻止蛋白的合成、破壞蛋白結(jié)構(gòu),降低酶系統(tǒng)的活性,擾亂菌體細(xì)胞正常的生理活動(dòng),達(dá)到抑菌目的[22]。

3.5 對(duì)孢子萌發(fā)及菌體生長(zhǎng)的影響

孢子是細(xì)胞受損進(jìn)入自我保護(hù)時(shí)或利于繁殖時(shí)產(chǎn)生的,能直接發(fā)育為新個(gè)體，對(duì)菌群意義非凡。精油的有效成分可通過(guò)抑制孢子的形成和萌發(fā)起到抑菌作用[14]。

對(duì)麝香草酚誘導(dǎo)黃曲霉孢子死亡機(jī)制的探究得知：當(dāng)濃度大于100 μg/mL時(shí)，絕大多數(shù)孢子出現(xiàn)凹陷形態(tài)變化，當(dāng)濃度達(dá)到200 μg/mL時(shí)幾乎所有的孢子已經(jīng)失去活力，對(duì)孢子的抑制、殺滅效果十分顯著[27]。

丁香精油可有效抑制膠孢炭疽菌孢子的萌發(fā)，濃度為100 μL/L時(shí)孢子萌發(fā)率幾乎下降一半，為52.9%，濃度為200 μL/L及以上時(shí)孢子萌發(fā)率均在5%以下，幾乎受到全部抑制；同時(shí)，濃度為200 μL/L時(shí),芽管長(zhǎng)度降低至26.7%，濃度為400 μL/L時(shí),芽管長(zhǎng)度顯著降低為5.3%，濃度為800 μL/L時(shí)孢子萌發(fā)則全部受到抑制[28]。

肉桂精油處理尖孢鐮刀菌后發(fā)現(xiàn)25 μL/L的濃度即可使其出現(xiàn)強(qiáng)烈變形，發(fā)生皺縮和凹陷，同時(shí)也使鏈格孢菌表面變得粗糙、灰葡萄孢菌菌絲皺縮，且菌絲之間出現(xiàn)嚴(yán)重黏連現(xiàn)象，從而抑制菌體活性[29]。

4 植物精油的應(yīng)用

植物精油是安全、天然、無(wú)污染的優(yōu)良植物源產(chǎn)物，具有廣譜殺菌功效，殺菌、殺蟲(chóng)效果優(yōu)良[30]，不僅廣泛用于食品、醫(yī)藥等方面[14]，而且在工業(yè)防霉領(lǐng)域得到廣泛研究。

4.1 在食品中的應(yīng)用

GONG等利用微膠囊技術(shù)研究了丁香酚對(duì)荔枝的保鮮儲(chǔ)存效果，結(jié)果證明丁香酚延長(zhǎng)保鮮期的效果十分明顯，顯著降低了腐爛霉變的發(fā)生[31]。

劉倩實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)復(fù)配精油可提高冷鮮羊肉中的POD、SOD的比例，使冷鮮羊肉的保鮮期提高了一倍，且菌落總數(shù)顯著低于空白對(duì)照組[32]。

薄荷精油微乳后用于飲品中，可提高乳品的水溶穩(wěn)定性，抑制微生物的生長(zhǎng)，對(duì)于延長(zhǎng)飲品貨架期具有潛在應(yīng)用價(jià)值[33]。

4.2 在醫(yī)療中的應(yīng)用

TAO等發(fā)現(xiàn)百里香精油通過(guò)微膠囊包裹后可實(shí)現(xiàn)80%左右的包埋率，有效延長(zhǎng)了對(duì)大腸桿菌K12的抑制效果[34]。

張寧慧等發(fā)現(xiàn)姜黃油可顯著提高抗氧化酶的活性，減少自由基的生成，有效降低細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)的發(fā)生率[35]。同時(shí)，動(dòng)物試驗(yàn)證明姜黃精油能夠有效抑制肝癌細(xì)胞的擴(kuò)增，降低小鼠肝癌的發(fā)生率[36]。

4.3 在工業(yè)中的應(yīng)用

陳文怡向云產(chǎn)卷煙中加入微膠囊化肉桂醛，測(cè)得不同濕度下卷煙霉菌數(shù)量均維持在霉變臨界值2 500 CFU/g以下，未達(dá)到霉變標(biāo)準(zhǔn)，表明0.5%添加量的微膠囊化肉桂醛作為卷煙防霉劑可以有效防止成品卷煙在貯存期間的霉變[37]。

余行等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)山蒼子精油、肉桂精油和生姜精油復(fù)配后對(duì)霉菌的抑制顯著優(yōu)于單一精油抑制效果；等體積復(fù)配后能有效延緩顆粒飼料的發(fā)霉，最高可延長(zhǎng)44%的保存期[38]。

胡拉等研究證明肉桂、丁香花和百里香復(fù)配后在木材霉變防治中效果較好，并且在體積分?jǐn)?shù)0.05%的條件下對(duì)6種霉變菌的抑菌效力均達(dá)到100%[39]。

5 植物精油存在的短板及開(kāi)發(fā)應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

5.1 成分復(fù)雜且穩(wěn)定性差

植物精油為次級(jí)代謝產(chǎn)物，總含量及各組分含量受自身、環(huán)境等多種因素影響，使其有效成分不易確定和檢測(cè)[40]。

植物精油是多種化合物的混合物,其抗菌性能是多種化合物及其異構(gòu)體協(xié)同作用的結(jié)果,其主要作用機(jī)制尚不明確[41]。

植物精油易揮發(fā)，對(duì)空氣、陽(yáng)光及溫度等影響較敏感，氧化后會(huì)迅速降解,穩(wěn)定性差[42]。

5.2 毒性問(wèn)題

精油安全低毒不是嚴(yán)格的描述,尚存在半數(shù)致死量(LD50)小于500 mg/kg、毒性大于普通低毒農(nóng)藥的精油,不應(yīng)該認(rèn)為所有精油成分均安全無(wú)毒,杜絕以偏概全、片面認(rèn)識(shí)[6]。

5.3 經(jīng)濟(jì)成本

植物精油中活性成分含量較低，提取技術(shù)工藝較復(fù)雜，提取成本較高且提取的精油成分不易確定，精油有效成分中單體化合物的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是技術(shù)突破的重點(diǎn)[6,36]。有效成分易氧化、易揮發(fā)、難溶解，必須通過(guò)緩釋技術(shù)配合使用，導(dǎo)致使用、推廣成本升高[43]。

5.4 機(jī)理復(fù)雜、不明確

抑菌機(jī)理研究不夠深入、不夠具體。抑菌機(jī)理往往并不單一，并且存在隨濃度的不同存在差異、高濃度時(shí)作用機(jī)理與低濃度時(shí)不盡相同的情況：高濃度的肉桂醛通過(guò)抑制細(xì)胞膜上的酶活性,使胞內(nèi)物質(zhì)外滲導(dǎo)致細(xì)菌死亡；中等濃度時(shí)通過(guò)影響生物膜的合成從而起到抑菌作用；低濃度時(shí)通過(guò)影響細(xì)胞正常分裂起到抑菌作用[44]。

6 植物精油應(yīng)用展望

目前在食品、醫(yī)療、工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域，抗菌主要是利用化學(xué)手段，精油屬于天然產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)和利用符合“平衡與共生”的理念，隨著環(huán)保意識(shí)的提升，精油在抗菌中的應(yīng)用會(huì)不斷擴(kuò)大甚至?xí)饾u占據(jù)主導(dǎo)地位[45,46]。

通過(guò)微膠囊、PE膜等技術(shù)克服精油本身易揮發(fā)易氧化等不足，可以明顯提高精油產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)精油產(chǎn)品的推廣具有積極作用[47]。