藥食同源植物精油在食品保鮮中的應用進展

李娜,劉小杰,梅俊,謝晶*

1(上海城建職業學院 健康與社會關懷學院,上海,201415) 2(上海海洋大學 食品學院,上海,201306)

在我國中醫食療、健康養生的傳統理念影響及新形勢下經濟高質量增長的發展要求背景下,藥食同源植物的功能因子提取、成分生理功能特性及在食品營養加工、產品研發、保鮮應用等方面的研究受到了密切關注[1-3]。國家衛健委在2020年對藥食同源植物種類目錄進行了補充與更新,進一步奠定了藥食同源植物在食品中應用的基礎[4]。作為藥食同源植物的重要功能成分,植物精油可經水蒸氣蒸餾法、溶劑提取法、酶解輔助提取法等提取工藝獲得,憑借其優良的抗氧化、抑菌特性被廣泛應用于各類食品保鮮研究中[5]。李姍姍等[6]通過對比分析八角、金銀花、香樟葉精油在櫻桃番茄保鮮效果中發現：八角精油可顯著減慢其失重率下降的同時,在維持營養成分含量、保持過氧化氫酶(catalase,CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性方面優勢突出。MOHAMMADI等[7]研究表明,肉桂精油-殼聚糖復合涂膜液在抑制黃瓜貯藏期間微生物污染、理化特性劣變方面優勢明顯,實現了在10 ℃下貨架期21 d的保鮮效果。IGNACIO等[8]將丁香精油協同大豆分離蛋白、蒙脫石制備的納米活性復合膜用于藍鰭金槍魚的冷藏保鮮,發現蒙脫石可促進丁香精油活性成分的釋放,并長時間保持丁香精油的抑菌、抗氧化活性,延緩金槍魚的微生物腐敗與油脂氧化進程。

本文針對藥食同源植物精油的定義、保鮮原理及提取工藝等基本理論知識進行簡要闡述,重點綜述其在水果、蔬菜、畜禽肉、水產品各類食品保鮮中的應用研究進展,并就其技術壁壘進行分析,提出未來藥食同源植物精油的發展趨勢,旨在為拓寬藥食同源精油在各類食品的保鮮應用提供參考依據。

1 藥食同源植物精油概述

1.1 定義及種類

植物精油是由植物在生長代謝期間產生的小分子混合物質,其組成成分一般包括醇醛類、酸類、酚類、丙酮類、萜烯類等,具有生物降解性、高揮發性及低殘留優勢[9-10]。藥食同源植物精油來源于兼具有醫藥、食用價值的草本植物,其中丁香精油、肉桂精油、迷迭香精油、薄荷精油、百里香精油、檸檬精油等多種類型精油已被廣泛應用于食品保鮮應用[11-13]。我國作為精油生產大國[9],且對藥食同源植物研究歷史悠久,更多種類的藥食同源植物精油將有待進一步開發,具有廣闊的市場發展潛能與價值。

1.2 提取工藝

水蒸氣蒸餾法是藥食同源植物精油最簡單、實現工業化生產應用最成熟的提取工藝,其提取效果取決于原料與水蒸氣質量比、提取溫度、提取時間等因素[14-15]。張懷予等[16]通過優化花椒精油的水蒸氣蒸餾提取工藝,發現采用料液比11∶100(g∶mL)、蒸汽量73 mL條件下持續蒸餾1.6 h,可實現精油得率的最大化提升(6.71%)。研究表明,超臨界CO2法、溶劑提取、超聲波萃取、超聲波輔助浸提等提取工藝可在不同程度上起到很好的藥食同源植物精油提取效果[9,17]。每種提取工藝具有其獨特優勢的同時又具有其使用局限性,因此要根據提取原料、提取目標成分、提取純度等實際出發,針對性地選擇其最佳提取工藝。

在前期提取工藝基礎上,近年來也陸續證實了新的提取工藝的有效性,CHEN等[18]研究分析超聲輔助水蒸氣蒸餾提取工藝參數對桂皮精油提取效率的影響,得出：此方法明顯縮短萃取時間、提高萃取率,且提取得到的精油富含反式肉桂醛類化合物,經濟價值高。ZHAO等[19]利用無溶劑微波輔助蒸餾-勻漿提取法提取桂皮精油,肉桂經71%乙醇勻漿處理后置于微波功率540 W條件下輻射40 min,可減少提取成分損失的同時具有提高精油得率、降低能耗等優勢,比傳統單一提取工藝具有更廣闊的發展前景,這與CHOUHAN等[20]的研究結果一致。

1.3 保鮮原理

藥食同源植物精油的抑菌性與抗氧化性主要是因其含有的芳香族化合物、醇醛類及有機酸成分,這也是其延緩食品腐敗變質的重要因素[20-21]。藥食同源植物精油中的抑菌成分一方面可通過破壞微生物細胞結構完整性使其細胞壁或細胞膜通透性改變,導致營養物質外泄而無法生長繁殖。另一方面,抑菌成分會造成微生物細胞酶系統功能紊亂,阻礙能量代謝與呼吸代謝[22]。同時,藥食同源植物精油能夠對細胞膜的類脂結構具有破壞作用,抑制分生孢子產生路徑,有效控制食品中腐敗菌的大量繁殖[23]。藥食同源植物精油的抗氧化成分會明顯減慢食品貯藏期間經氧化產生氫過氧化物與自由基的速率,進而減緩蛋白質氧化進程,尤其對富含蛋白質、脂質的食品保鮮效果良好[24]。但是,藥食同源植物具有有效成分繁雜、不穩定的特性,目前對其保鮮機制的研究還不夠成熟,因此還有待開展更加深入的研究,比如從分子結構水平。

植物精油自身具有易氧化、易揮發、有異味特性,采取有效途徑緩釋其有效成分也將是其保鮮應用中的技術壁壘與攻克重點,如將百里香精油與具有良好成膜性的殼聚糖協同制備可食性涂膜可有效發揮其抑菌特性,對西蘭花表現出有效的保鮮作用[25]。

2 藥食同源植物精油在食品保鮮中的研究進展

2.1 藥食同源植物精油在水果保鮮中的研究進展

水果在采收后的包裝、運輸、貯藏、銷售階段,極易因機械擠壓、微生物侵染、溫度波動、凍害等環境因素改變而腐敗變質。藥食同源植物精油的提取工藝,不同類型植物精油對水果的保鮮效果差異等研究近年來受到中外學者廣泛關注,也經常將藥食同源植物精油與具有良好成膜性的糖基物質協同制備可食性涂膜保鮮液,用于各類水果保鮮。宋姝婧等[26]通過對比薰衣草、紅百里香、迷迭香等5種精油對圣女果常溫貯藏期間品質特性的影響,得出：相比于其他精油,紅百里香精油可明顯降低可溶性固形物、可滴定酸及抗壞血酸含量降低速率,也可有效延緩丙二醛(malondialdehyde amount,MDA)含量積累量,實現25 d貯藏壞果率僅為31.66%的保鮮效果,表明藥食同源植物精油可保持圣女果的抗氧化活性、維生素C營養成分含量。蔣小飛等[27]經水蒸氣蒸餾法制備魚腥草揮發油,并將其與黃連生物堿、殼聚糖協同制備的可食性涂膜液處理芒果,結果表明,魚腥草揮發油協同黃連生物堿可減緩芒果病情指數、水分及有機營養物質流失現象,藥食同源植物精油復合膜在保持芒果安全衛生、營養價值等保鮮中具有廣闊應用前景。PERDONES等[28]通過研究檸檬精油-殼聚糖對常溫貯藏期間草莓揮發性成分的影響,實驗發現：添加檸檬精油的殼聚糖涂膜處理會增加萜類化合物含量,對草莓感官風味特性具有明顯積極作用。NAEEM等[29]研究小茴香精油對冷藏青芒品質特性的影響,結果表明：添加醇類小茴香精油的瓜爾豆膠涂膜可明顯抑制青芒貯藏期間腐敗菌的生長繁殖及理化品質特性劣變速率,與對照組相比貨架期可延長14～18 d,實現24 d的貨架期保鮮效果,這可能與小茴香可抑制霉菌等微生物污染密切相關[30]。從保鮮研究對象出發,目前針對藥食同源植物精油在各類水果保鮮中的應用研究繁多,包括漿果類、柑橘類、仁果類等[31-33],且集中于對鮮切水果保鮮的應用研究。

不過,保鮮效果也因藥食同源植物精油種類、精油添加量、水果種類、貯藏溫度等因素影響,植物精油保鮮成分分析、保鮮機制還需進一步深入研究總結。同時,目前存在水果品質特性評價體系不夠完善的問題,建立基于各類水果的品質高效針對性評價體系,也將助力藥食同源植物精油在水果保鮮中的應用研究,為實際保鮮應用奠定理論基礎。

2.2 藥食同源植物精油在蔬菜保鮮中的研究進展

蔬菜種類繁多,其價格及經濟效益受到不易貯存、運輸設備落后的不對等因素影響,開發諸如氣調包裝、電解水短時處理、輻照等安全穩定性高且高效的天然保鮮技術近年來尤其受到廣泛關注,其中植物精油被證明是有效途徑之一[34-36]。趙昕等[37]經有機溶劑萃取法制備得到橘皮精油,并將其用于小白菜保鮮,通過研究不同濃度橘皮精油對2、20 ℃貯藏的小白菜保鮮效果的影響發現,添加1.5%橘皮精油有效抑制小白菜失重率、葉綠素和維生素C含量的損失,且對于不同貯藏溫度表現出一致性,有效減緩了小白菜貯藏期間理化特性的劣變速率,延長貨架期。研究也發現,藥食同源植物精油存在活性成分不穩定、易揮發等弊端,通過包埋法、噴霧干燥等工藝制備緩釋性精油微膠囊,可延長藥食同源植物精油的緩釋期限,明顯提高保鮮效果[38-39]。張靜[40]利用環糊精為壁材,以丁香精油、肉桂精油作為芯材制備微膠囊用于香菇保鮮,得出添加4%的肉桂精油微膠囊對香菇保鮮效果最好,能更好地保持香菇的理化特性。宋文龍等[41]將生姜精油通過噴霧干燥工藝填充于殼聚糖-明膠壁材中得到精油微膠囊,并制備得到聚乙烯-生姜精油膠囊活性包裝,通過研究發現：微膠囊活性包裝可明顯改善秋葵保水性和感官特性,表現出良好抗氧化性能,保持其采后良好品質特性。這也充分表明,以克服植物精油自身缺陷為出發點的微膠囊制備工藝改進也是未來保鮮應用中的重要發力點,特別是與活性智能包裝等技術的協同應用。

總體而言,目前藥食同源植物精油用于蔬菜保鮮的研究明顯少于水果保鮮,且以殼聚糖基作為基礎物質復配制備得到的復合膜為主[42]。因此,可借鑒藥食同源植物精油在水果保鮮中的應用研究,另外關于藥食同源植物精油對蔬菜貯藏期間腐敗菌群生長繁殖(優勢腐敗菌)、理化特性及風味感官特性研究還需要進一步深入,以對實際蔬菜保鮮應用起指導性作用。

2.3 藥食同源植物精油在畜禽肉保鮮中的研究進展

畜禽肉及制品含有豐富的脂類、蛋白質等營養物質,水分活度高,其具有營養豐富的特性恰好可作為微生物大量繁殖的培養基,因此極易因環境因素而出現腐敗菌繁殖、油脂氧化酸敗、肌紅蛋白氧化變色等現象,近年來也見到藥食同源植物精油用于畜禽肉保鮮的相關研究報道,其中涉及對藥食同源植物精油保鮮機理的初探[43-44]。齊文等[45]將八角茴香精油協同生物源保鮮劑制備復合涂膜液用于冷鮮牛肉保鮮,實驗結果表明：藥食同源植物精油復合涂膜液在保持牛肉質構特性、保水性方面具有明顯優勢,延緩牛肉品質劣變,實現了貨架期延長8 d。劉倩[46]研究發現,花椒、肉桂精油協同孜然精油對7種羊肉腐敗菌、致病菌具有明顯抑制作用,同時對抗氧化酶活性降低具有減緩效果。WANG等[47]研究了添加不同濃度杏仁精油的殼聚糖可食性涂膜對牛肉中單增李斯特菌及品質特性的影響,得出添加1%杏仁精油的涂膜處理對保持牛肉感官質構特性、減慢單增李斯特菌侵染及油脂、蛋白質氧化方面均表現優良,應用前景廣闊。以上研究均反映出藥食同源植物精油可通過抑制營養物質氧化、微生物增殖、感官指標劣變途徑,從而延長貨架期。同時,針對于植物精油自身不穩定的缺陷,也有關于將植物精油微膠囊工藝、活性包裝協同應用于畜禽肉保鮮的相關研究,精油種類包括丁香精油、生姜精油、玫瑰精油等[48]。ALIZADEH等[49]通過制備含TiO2-迷迭香精油的纖維素納米纖維/乳清蛋白活性包裝用于牛肉保鮮,發現其具有明顯抑制牛肉中腐敗菌生長、減弱油脂氧化及分解速率的作用,貨架期可由原先的6 d延長至15 d。這與前面關于蔬菜保鮮的應用闡述類似。總體而言,藥食同源植物精油在畜禽肉制品保鮮的應用研究集中于多種精油復配尤其是精油與其他種類生物源保鮮劑應用于生鮮畜肉研究較多,而關于藥食同源植物精油對禽肉保鮮相關的研究還需進一步拓展延伸,而藥食同源植物精油與冰溫、真空包裝等的協同功效研究也是重要的研究方向[50]。

另一方面,不同藥食同源植物精油因活性成分差異,且受提取工藝、提取條件因素影響較大,保鮮機理研究繁雜困難,這也在一定程度上決定了其保鮮應用的局限性。從這個角度來看,建立標準化的藥食同源植物精油提取工藝、精油貯藏環境優化將會是未來藥食同源保鮮應用的“上游”研究方向,而深入研究不同藥食同源植物精油活性成分的保鮮機理將是重要的“下游”工作重心。

2.4 藥食同源植物精油在水產品保鮮中的研究進展

水產品營養豐富,富含優質蛋白、不飽和脂肪酸,是居民膳食中重要的蛋白質食物來源。近年來隨著綠色安全、環境友好意識的提升,在水產品保鮮技術中,包括藥食同源植物精油在內的生物源保鮮劑被認為是應用最具潛力的保鮮方式[51]。HEYDARI等[52]通過分析發現,薄荷精油-海藻酸鈉復合涂膜處理后的鯉魚在冷藏期間總揮發性鹽基氮(total volatile base nitrogen,TVB-N)、過氧化值(peroxide value,PV)、硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid,TBA)值及微生物變化速率明顯減緩,能夠保持其良好品質特性。這表明藥食同源植物精油在有效延緩水產品貯藏期間蛋白質氧化分解、油脂酸敗及腐敗菌無限增殖方面具有突出優勢,類似的實驗結果也在其他文獻中得出[53-54]。劉善智等[53]在迷迭香精油-殼聚糖納米粒制備工藝基礎上,通過探討其對冷藏草魚貯藏期間品質特性的影響,發現迷迭香精油-殼聚糖納米粒在抑制微生物繁殖、脂肪氧化方面效果顯著。VIEIRA等[54]研究表明,丁香精油-殼聚糖涂膜對貯藏期間魚片致病菌(大腸桿菌、單增李斯特菌、腸炎沙門氏菌、金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌)積累量及積累速率均具有明顯抑制作用。同時,也能發現殼聚糖作為具有良好成膜性的優良基質,被作為載體協同藥食同源植物精油廣泛應用于水產品保鮮中。另外,隨著居民對食品包裝的安全意識增強,基于納米抑菌劑的新型活性包裝材料與藥食同源植物精油也受到了研究者的關注,姜悅[55]制備茴香精油Nano-TiO2改性抑菌薄膜用于鰱魚保鮮包裝,保鮮效果良好。

與前面類似,藥食同源植物精油在水產品保鮮中的應用也存在植物精油種類有限、機理研究不夠深刻的局限性。另外,目前關于藥食同源植物精油協同氣調包裝、臭氧、超高壓處理等保鮮技術的組合保鮮方式用于水產品保鮮的相關報道甚少,因此在對藥食同源植物精油保鮮機理研究的基礎上,開展關于其組合保鮮技術的保鮮效果、協同增效機理也將是未來研究趨勢。

另外,不管對于何種食品,關于藥食同源植物精油的安全性也需要進一步研究確認,特別是用于各類食品保鮮的藥食同源植物精油添加量、應用范圍等方面也同樣需要在理論研究基礎上建立配套的準許準則。

3 總結與展望

藥食同源植物精油憑借其綠色天然、活性成分豐富、保鮮性能優良等特性,被廣泛應用于果蔬、畜禽肉制品、水產品等各類食品保鮮,其可通過延緩營養物質氧化分解、腐敗菌生長繁殖途徑來抑制食品腐敗變質進程,實現延長貨架期的目的。但藥食同源植物精油自身活性成分尚不明確且繁雜,活性成分含量也會因提取工藝、提取條件等因素影響,這在一定程度上為植物精油的保鮮應用機理研究帶來一定的挑戰。因此,藥食同源提取工藝優化、成分鑒定、保鮮機理及精油間協同功效作用將會是未來重點研究方向。同時,針對藥食同源植物精油自身易揮發、難溶解、有效成分易分解的特性,采用微膠囊包埋技術、噴霧干燥分離、活性包裝等提高藥食同源植物精油功能特性的技術研究也有待進一步加深。目前用于食品保鮮的藥食同源植物精油種類也主要集中于特定的幾種類型,未來更多種類藥食同源植物精油的開發與保鮮應用需要進一步拓展延伸,植物精油與目前低溫貯藏、氣調包裝、超高壓處理等保鮮技術的協同組合保鮮效果也將是未來重要的研究方向,特別是與大健康時代背景下提倡的綠色安全觀念相一致,藥食同源植物精油與活性智能包裝材料的結合也將帶來食品保鮮技術的變革。而從行業發展出發,關于各類食品品質特性評價體系的完善、藥食同源植物精油相關系列標準建立(包括提取工藝、貯藏環境條件、使用范圍、使用量等),是實現科研成果向實際生產應用轉化的重要途徑與支撐力,以促進食品保鮮行業的整體發展。