植物源天然產物的抑菌作用、機理及在食品保藏中的應用

邢 敏 費 鵬 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)

近年來，食品安全已成為全球重要的公共衛生問題，其中食源性致病菌引起的健康危害越來越引起人們的關注。最常見的食源性致病菌包括大腸桿菌(Escherichia coli)、金黃色葡萄球菌(Staphyloccocus aureus)、沙門氏菌(Samonella)、單增李斯特菌(Listeria monocytogenes)等，其中單增李斯特菌引起的食物中毒導致患者死亡率高達30%[1]。為了抑制和殺滅食品中的病原微生物，在食品的運輸、加工、貯藏等過程中通常添加合成防腐劑來保證食品質量[2]。然而，化學合成的食品防腐劑對人體的健康會造成一定的毒副作用，消費者更傾向于天然防腐劑的使用。因此，尋求安全、高效、綠色的天然防腐劑已成為必然趨勢[3]。

植物源天然產物主要是指植物的次級代謝產物，在自然界中廣泛存在，種類極為豐富，且具有多種類型的有效抑菌成分，如多酚、精油、黃酮類、生物堿、有機酸等[4]。本文通過系統綜述常見植物源天然產物對食源性致病菌的抑菌活性、抑菌機理及其在食品保藏中的應用，以期為今后更好地利用植物源天然產物的抑菌性提供參考依據，同時為保障食品安全及相關研究提供科學依據。

1 植物源天然產物對食源性致病菌的抑菌作用

1.1 酚類及多酚類的抑菌活性

多酚是植物體內具有多元酚結構的一種次級代謝產物，廣泛存在于自然界中[5]。已有研究發現，從橄欖[6]、葡萄[7]、火棘果[8]等多種植物中提取的多酚物質可以不同程度地抑制微生物的生長繁殖。李柯欣[9]研究了綠茶中茶多酚對3 種細菌的抑菌活性，抑菌效果強弱依次為:金黃色葡萄球菌>枯草芽孢桿菌>大腸桿菌，隨后又比較了3 種不同類型茶的抑菌效果，結果顯示綠茶的抑菌性最好，其次是烏龍茶，紅茶的抑菌性相對較弱，這與提取液中茶多酚的濃度大小基本一致。Friedman 等[10]發現丁香酚對空腸彎曲菌(Campylobacter jejuni)及單增李斯特菌的抑菌活性較異丁香酚高。Taguri 等[11]通過測定26 種細菌的最低抑菌濃度(minimun inhibitory concentration，MIC)，并以該值為標準，分析了22 種多酚的結構與其抑菌活性之間的關系，結果發現具有鄰苯三酚基團的多酚具有較強的抗菌活性，而具有鄰苯二酚和間苯二酚環的多酚抑菌活性則較低。徐洪宇等[12]使用不同萃取相提取甘薯葉提取物中的酚類物質，并研究其抑菌活性，結果表明，乙酸乙酯相提取的酚類物質含量最高，且對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制效果最好。此外，由于菌株的耐受力不同，同種多酚類物質對不同細菌的抑制效果也不同，例如，橄欖油多酚對受試菌株的抑菌效果為:蠟樣芽胞桿菌＝鼠傷寒沙門氏菌>阪崎克羅諾桿菌＝金黃色葡萄球菌>單增李斯特菌[6，13－15]。這些研究表明酚類及多酚類化合物對食源性致病菌具有良好的抑菌效果。

1.2 精油的抑菌活性

植物精油是一類從植物中萃取的芳香味油狀液體，其化學組成非常復雜，主要成分是萜類、脂肪族、芳香族化合物及其含氧衍生物等[16－17]。無論是不同植物，還是同種植物不同部位提取的精油，由于其主要抑菌成分不同，因此抑菌效果也存在明顯差異，如銀灰菊(Santolina chamaecy parissus)的花部精油對銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)等革蘭氏陰性菌和金黃色葡萄球菌等革蘭氏陽性菌都具有一定的抑制效果，而根部精油僅對大腸桿菌、糞腸球菌和金黃色葡萄球菌有效，對銅綠假單胞菌、變形桿菌、弗氏檸檬酸桿菌無抑制作用[18]。朱羽堯等[19]采用水蒸氣蒸餾法提取了肉桂的皮、葉、枝、果、花中的精油，通過測定MIC 比較了不同部位精油的抑菌活性，結果表明，各部位精油對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌均有顯著的抑菌效果，其中肉桂枝對2 種菌的抑制效果最好，MIC 值分別為0.05%和0.025%。雖然單一精油對病原菌有很好的抑制作用，但也有研究發現不同植物精油間復配使用或植物精油與其他抑菌劑協同作用，會大大增加抑菌效果[20]。體外試驗證明，竹葉精油與牛至精油以體積比8 ∶2(濃度均為36.00 mg·mL－1)復配使用時抑菌效果最好，其抑菌能力比單獨使用竹葉精油提升了2～4倍[21]。Humberto 等[22]發現新霉素和丁胺卡那霉素對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的MIC 值分別為2 500 和788 μg·mL－1，當它們與馬鞭草精油結合使用時，MIC值顯著降低，證明馬鞭草精油可以協同抗生素增強對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的抑制作用。

1.3 黃酮類的抑菌活性

黃酮類化合物主要是指具有2－苯基色原酮結構的化合物，根據其構象的不同，又被分為黃酮醇、異黃酮、查耳酮等[23]。目前關于黃酮類化合物的直接抑菌作用已有大量報道[24－26]，但是對黃酮類化合物抑菌活性構效關系的研究較少。黃酮類化合物的抑菌活性主要與芳香環上的羥基有關。研究表明，查耳酮A 環上2′位、4′位的羥基化能明顯增強其抑菌活性[27－28]，但是B 環上的羥基化對其抑菌活性的增效作用并不顯著。Xie 等[29]對黃酮類化合物作為抑菌劑的結構關系進行了綜述，得出芳香環上特殊位點的羥基可提高其活性，而活性羥基的甲基化通常會降低其活性的結論，并且，A 環的親脂性對查爾酮的活性至關重要，這與Daniela等[30]的觀點一致。賴譜富等[31]比較了同濃度下藤本豆總黃酮的粗提物及純化物的抑菌活性，結果發現粗提物對大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的抑菌效果較純化物好，對于金黃色葡萄球菌，其濃度低于30 mg·mL－1時粗提物的抑菌活性較好，而高于30 mg·mL－1時正好相反。此外，不同溶劑、不同提取方式對黃酮類化合物生物抑菌活性也會產生影響，如沙棘的醇提物總黃酮含量以及抑菌效果明顯高于水提物[32]。

1.4 其他植物源天然產物的抑菌活性

除上述植物源天然產物外，有機酸、生物堿、多糖等多種植物源天然產物均被證實具有抑菌活性[33－35]。表1以MIC 和部分抑菌圈直徑為衡量標準，總結了近年來各種植物源天然產物的抑菌活性，發現由于主要抑菌成分的不同，同一種植物源天然產物對不同菌種的抑菌效果不同，不同植物源天然產物對同一種菌種的抑菌效果也有差異。

表1 不同植物源天然產物的抑菌活性Table 1 Antibacterial activity of different plant-derived natural products

2 植物源天然產物對食源性致病菌的抑菌機理

目前研究發現，植物源天然產物的抑菌機制主要包括破壞致病菌細胞壁和細胞膜完整性、抑制生物大分子合成、影響細胞膜電位、胞內pH 值及細胞能量代謝等，如圖1所示。在抑菌過程中對微生物的作用一般同時作用于幾個方面，也有可能作用于一點而產生多方面的影響。

圖1 植物源天然產物的抑菌機理Fig.1 The antibacterial mechanism of plant-derived natural products

2.1 破壞致病菌的細胞壁、細胞膜

細胞壁、細胞膜可以保證細胞的完整性，維持細胞形態、抵抗外來物質侵入等，是細胞重要的組成結構。現有研究結果表明，植物源天然產物可以抑制細胞壁和細胞膜的形成，破壞其完整性；使細胞膜通透性增加，流動性減少，細胞內容物流出，最終導致細胞死亡，從而達到抑菌效果。蒔蘿精油可抑制細菌細胞麥角甾醇的合成，破壞細胞壁的完整性[43]。Yang 等[44]發現多糖可以與細胞膜上的卵磷脂結合，使得細胞膜上的脂肪酸游離，細菌生物膜形成受阻。石超等[45]研究發現，濃度為2.5 和5 mg·mL－1的原兒茶醛可分別使阪崎克羅諾桿菌細胞膜的完整性降低49.0%和50.7%。堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，AKP)是一種存在于細胞壁與細胞膜之間的酶，正常情況下檢測不到該酶的存在。王培卿[46]通過檢測細胞外AKP 酶

含量及電導率的變化發現，白屈菜紅堿可以改變金黃色葡萄球菌、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和產β－內酰胺酶金黃色葡萄球菌細胞膜的通透性。

2.2 影響膜電位及胞內pH 值

細胞膜電位是評價菌體生命活性的一個重要指標。植物源天然產物可以導致細胞膜電位異常，引起菌體細胞膜電位去極化或超極化，以及改變胞內的酸堿環境進而影響細菌生長。去極化和超極化現象主要是由于細胞內離子濃度的改變損傷了細胞膜上的關鍵功能所致[47]。蔓越莓提取物在1 MIC 及2 MIC 濃度下可以使金黃色葡萄球菌的胞內pH 值分別下降2.03和2.54，同時細胞膜電位發生去極化[39]。Guo 等[48]研究發現莧菜提取物顯著降低了金黃色葡萄球菌細胞膜的胞內pH 值，且菌體細胞膜的相對熒光值顯著增加，即發生了去極化現象。Li 等[49]在研究石榴皮多酚對單增李斯特菌的作用活性及機理時發現，細胞內鉀離子大量外流，細胞發生超極化現象，從而抑制了該病原菌的生長。賈振宇等[50]發現百里酚和香芹酚可以造成阪崎克羅諾腸桿菌細胞膜的超極化現象，并且在4 MIC 濃度下，試驗菌株的胞內pH 值分別下降了0.49 和0.48。這些研究表明植物源天然產物可以通過降低受試細菌胞內pH 值和影響細菌的膜電位達到抑制微生物生長的作用。

2.3 抑制生物大分子的合成

DNA、RNA、蛋白質等生物大分子在生物體的生命活動、遺傳信息的傳遞等方面起著重要的作用。而抑菌物質進入生物體后會阻礙蛋白質和核酸的正常形成，影響生物體的正常代謝和生理功能，進而導致細胞死亡。華國強[51]以金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌為受試菌株研究了小檗堿的抑菌特點及機制，體外試驗證明，小檗堿可以與DNA 結合，從而抑制PCR 體系中DNA 的復制，體內同位素前體滲入抑制試驗發現小檗堿還可抑制RNA 的轉錄以及蛋白質的合成。Sperotto 等[52]研究了胡椒精油及其主要成分苦橙花醇對釀酒酵母的抑菌機理，結果發現，精油和苦橙花醇可以誘導細胞產生活性氧自由基，引起單鏈DNA 斷裂，妨礙DNA 修復。Maria[53]發現有機酸可以抑制核糖核酸合成酶的活性，進而阻礙細菌DNA 的合成。Chen等[54]研究了甜菜糖蜜多酚對食源性致病菌的抑菌活性，并通過檢測細胞中蛋白質含量的變化及凝膠電泳試驗研究了其抑菌機理，結果發現甜菜糖蜜多酚對所試菌種均有抑菌效果，菌體蛋白質發生泄漏，電泳條帶明顯變淡甚至消失，表明甜菜糖蜜多酚可以使細菌細胞膜及菌體蛋白受損而導致細菌死亡。

2.4 影響細胞能量代謝

細胞的一切生命活動都離不開能量，5′－三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)是生物體內最直接的能量來源。植物源天然產物可通過改變細胞膜的通透性使細胞中的ATP 泄漏減少細胞中ATP 的含量、或控制細胞呼吸代謝途徑抑制ATP 的合成以達到抑菌效果。石超等[40]研究了百里醌對阪崎克羅諾桿菌的抑制作用及可能的抑菌機理，結果表明，百里醌破壞了菌體細胞膜的完整性，導致細胞內ATP 外流，經濃度為1 MIC 及2 MIC 的百里醌處理后，細胞內的ATP 濃度分別由6.52 μmol·L－1降低至0.27 和0.17 μmol·L－1。馬艷玲等[55]研究發現丁香酚可以顯著減弱金黃色葡萄球菌中電子傳遞過程關鍵酶的活性，抑制三羧酸循環代謝途徑，降低菌體能量代謝速率。百里香酚可以破壞檸檬酸鹽的代謝途徑，降低與ATP 合成有關酶的活性，影響ATP 的合成[56]。王海濤[57]研究發現大豆異黃酮對金黃色葡萄球菌糖代謝途徑中的三羧酸循環起一定的抑制作用，其有效組分能與蘋果酸脫氫酶相結合，改變酶的分子結構，降低酶活性，導致菌體ATP 和NADH ( 還原型輔酶 Ⅰ，nicotinamide adenine dinucleotide)的合成受阻，從而影響細胞呼吸代謝。

3 植物源天然產物在食品保藏中的應用

3.1 在果蔬保鮮中的應用

果蔬具有很高的營養價值，適量食用可以補充人體所必需的維生素、礦物質等。但果蔬一般都很難長期保存，尤其是在運輸等過程中受到損傷后，更易受到病原菌的侵入，從而引起腐敗。盧芳芳等[58]采用噴涂法用不同量的丁香酚噴灑櫻桃，結果發現不同噴灑量均可以延緩櫻桃的腐爛，高噴灑量時抑菌效果顯著，但是丁香酚本身的香氣嚴重破壞了櫻桃獨有的果香味。所以常將植物精油與其他技術復合使用對果蔬進行保鮮，以降低植物精油對果蔬風味的不良影響。如用殼聚糖復合檸檬精油、肉桂精油涂膜處理草莓、甜椒，可以減緩其在貯藏期間的腐爛速度，且避免了與果蔬的直接接觸，對風味無明顯影響[59－60]。劉小林等[61]用葡萄籽中的原花青素對青州蜜桃進行覆膜處理，結果發現，不同濃度的原花青素均有保鮮效果，可以降低果實失水率、延緩糖分積累，以濃度為3 g·L－1時保鮮效果最好，能有效延長保鮮期。

3.2 在肉及肉制品中的應用

肉制品主要是指用畜禽肉制作成的熟肉制成品或半成品，包括香腸、肉丸、火腿等。肉中含有豐富的蛋白質和脂肪，可以提供人體所需的營養與熱量。肉制品表面含有大量的微生物，不僅會加速腐敗，還會威脅人體健康。Osada 等[62]將0.1%的蘋果多酚添加到香腸等多種肉制品中，并在冰箱中保存15 d，結果發現蘋果多酚可以較好地抑制硫代巴比妥酸值、膽固醇氧化衍生物的增加以及亞油酸含量的下降。藍莓酒渣花色苷在冷藏和冷凍條件下均可以降低鱸魚的菌落總數、揮發性鹽基氮以及丙二醛含量，起到較好的保鮮效果[63]。Li 等[64]評估了紫菜多酚在冷藏過程中對太平洋白蝦質量的影響，結果發現，紫菜多酚能夠顯著抑制貯藏過程中總揮發性鹽基氮、硫代巴比妥酸含量的增加及多酚氧化酶的活性，并且將紫菜多酚與紫菜多糖混合使用可以將蝦的保質期延長3～4 d。雖然單一的植物源天然產物對食品有良好的保鮮效果，但也有研究者發現植物源天然產物復配或植物源天然產物與其他物質結合使用時，保鮮效果更佳。Kanatt 等[65]利用薄荷的抗氧化性以及殼聚糖的抑菌性，將兩者結合制成一種復合保鮮劑并運用于豬肉及其肉制品的保鮮中，結果表明，與單一殼聚糖相比，該復合保鮮劑的抑菌效果更好，可以明顯抑制肉中腐敗菌和致病菌的生長，顯著延長肉制品的貨架期。

3.3 在其他食品中的應用

翟紅月等[66]將添加油莎草總黃酮的鮮牛乳在常溫條件下放置7 d 后，發現牛乳的菌落總數減少了60%，總酸度降低了50%。王娜等[67]在植物蛋白飲料花生乳中加入了蘋果多酚，結果發現，蘋果多酚可以延緩花生乳中油脂過氧化值、酸價、TBA 值增加的速度，起到明顯的抗氧化作用。Wu 等[68]在大米淀粉中加入茶多酚，發現茶多酚可以降低淀粉糊化的溫度和焓，在一定范圍內，濃度越高，作用越顯著，茶多酚添加量為10%～20%的淀粉在4℃條件下貯藏20 d 后未發生老化現象，說明茶多酚有抑制淀粉老化的作用。將百里香精油應用于焙烤食品中，在不使用合成防腐劑的情況下，蛋糕的貨架期最短可達到30 d[69]。

綜上可知，植物源天然產物在食品保藏中已經得到了廣泛的應用，但是，由于許多植物源天然產物的安全性尚未得到確定，致使其不能直接運用于食品中，因此，植物源天然產物在使用之前應進行安全性試驗以評價其對人體健康的影響。李慧等[70]和李偉等[71]以大鼠為試驗對象對某種含葛根黃酮的保健食品進行了急性毒性、亞急性毒性和遺傳毒性研究，試驗結果表明，該保健食品屬實際無毒物質，對機體無毒副作用，因此葛根黃酮可作為新原料應用于保健食品中。此外，植物源天然產物的穩定性、使用劑量及對食品感官的影響也應納入考慮范圍，如茶多酚本身易被氧化，脂溶性較差，直接加入到油脂性食品中會出現凝聚和沉淀現象，產生的有色物質也會影響食品色澤[72]。

4 結語

植物源天然產物作為一種安全、綠色、高效的抑菌劑，在食品工業中具有廣闊的應用前景，目前對于植物源天然產物的研究已經在其抑菌活性、抑菌機理等方面取得了大量的研究進展。但是對于植物源天然產物的研究仍存在以下問題:(1)部分植物源天然產物如精油在植物中含量較少，現有的提取工藝不完善，提取率較低，摻入的雜質降低了植物源天然產物的提取純度，影響其有效性，限制了植物源天然產物的應用；(2)大多數報道僅以單一植物源天然產物為研究對象，分析其對不同細菌的抑制效果，忽略了它們之間的相互作用，對不同植物源天然產物的復配抑菌效果少有研究；(3)目前的研究均為探索植物源天然產物對受試菌株不同結構或功能的影響，并沒有深入到分子層面，因此植物源天然產物對食源性致病菌的抑菌機制還需要進一步研究；(4)國內外關于植物源天然產物抑菌活性及機制的研究大多側重于酚類及精油類物質，這是由于相比其他植物源天然產物，這些物質具有更強的抗氧化性，而抗氧化能力是植物活性成分抑菌的基礎，所以具有高抗氧化性的天然產物其抑菌效果更強，因此將酚類和精油類作為潛在的天然抑菌劑可能更加切合實際；(5)雖然大多數研究表明植物源天然產物具有一定的抑菌活性及防腐功能，但與化學防腐劑相比，其防腐作用較弱，且食品體系多變，因此植物源天然產物仍然很難達到商業化要求；(6)植物源天然產物作為防腐劑的安全性、劑量及對食品本身感官品質的影響需通過大量試驗進行探究，因此離商業化應用還有較長的路要走。