植物精油的功能特性及在果蔬保鮮中的應用

榮培秀 何曉琴 王金秋 甘人友,3

(1. 成都大學食品與生物工程學院，四川 成都 610106；2. 中國農業科學院都市農業研究所，四川 成都 610213；3. 國家成都農業科技中心，四川 成都 610213)

新鮮果蔬在采收后依然有生命活動(如呼吸、新陳代謝等)，且水分和溶質隨貯藏時間的延長不斷流失，極易導致質量損失、營養流失、食用質量變差和貨架期縮短[1]。特別是鮮切果蔬因受到機械損傷，極易被微生物污染而發生劣變[2]，導致其顏色、硬度、風味等發生改變，進而縮短鮮切果蔬的貨架壽命[3]。在日常果蔬保鮮中，低溫貯藏方便快捷、營養成分流失較少，但部分果蔬容易發生冷害，導致水分流失、理化活動異常及果蔬變質；氣調貯藏通過調節氣體比例控制果蔬呼吸，抑制有害菌增殖，但需要實時監控氣體，能耗比較大[4]。因此，為延長果蔬的貯藏時間，通常會選擇化學合成保鮮劑來延長果蔬的貨架期。但若長期食用濫用化學保鮮劑的果蔬，可能對人體健康產生負面影響，甚至有致畸、致癌的風險，故天然保鮮劑取代化學保鮮劑成為一種必然趨勢[5]。

植物精油是天然保鮮劑中的一種，含有豐富的活性物質賦予其廣譜的抗氧化和抑菌等特性，可作為天然抗菌劑，抑制果蔬病原菌菌落增殖，達到延緩果蔬衰老和維持果蔬感官及營養品質的目的[6]。此外，與化學合成保鮮劑相比，植物精油具有綠色、環保、安全、無毒等優勢，有廣闊的應用前景[7]。因此，文章擬就植物精油的提取技術、功能特性及其在果蔬方面的應用進行綜述，重點對其抗氧化、抑菌、抗炎、殺蟲驅蟲等特性及不同應用方式進行系統分析，以期為植物精油在果蔬保鮮上的應用提供依據。

1 植物精油的提取

植物的葉、花、果實、皮等部位通常含有較低或較高含量的精油，可通過不同的提取技術獲得，工業上常采用傳統的水蒸氣蒸餾法或溶劑萃取法進行提取。但隨著技術的不斷發展，目前有關植物精油提取技術的研究比較成熟。由表1可知，提取技術對植物精油的提取率和組分有顯著影響，且每種提取技術都各有優勢和缺陷，實際生產中，需要根據植物來源、提取效率、提取目標組分等因素選擇合適的提取技術。

表1 植物精油提取技術比較Table 1 Comparison of extraction technologies of plant essential oils

2 植物精油的功能特性

2.1 抗氧化作用

植物精油中含有多種抗氧化活性成分，如芳樟醇[14]、D-檸檬烯、γ-松油烯、β-蒎烯[15]、百里酚、香芹酚、丁香酚[16]等(圖1)，其主要通過4個方面發揮抗氧化作用，從而達到果蔬保鮮的目的：① 植物精油通過降低呼吸速率、減少自由基的積累而延緩氧化傷害。有研究[17]發現，沉香精油清除羥基自由基的IC50值為0.45 mg/mL，清除超氧陰離子自由基的IC50值為2.53 mg/mL，且香茅精油對番木瓜保鮮時，番木瓜的呼吸峰值延遲、呼吸速率降低[18]。② 植物精油通過螯合金屬離子實現抗氧化，如植物精油中的酚類物質與Fe2+、Cu2+等活潑金屬離子螯合生成較穩定的配合物，從而減少自由基的生成[19]。③ 植物精油通過抑制脂質過氧化實現抗氧化，如植物精油中的香芹酚通過降低丙二醛的積累以延緩膜脂的過氧化，提高樹莓的抗氧化作用[20]。④ 植物精油通過調控抗氧化酶活和抗氧化物含量實現抗氧化，如茴香精油可激活鮮切莧菜中過氧化物酶和超氧化物歧化酶[21]；李子和等[22]復配的植物精油可提高馬鈴薯中還原型谷胱甘肽含量，降低過氧化氫物含量等，減緩衰老進程。

2.2 抑菌作用

植物精油中含有多種抑菌活性成分，如香芹酚、姜烯、β-倍半水芹烯、反式肉桂醛、香茅醇、香葉醇、松油烯-4-醇等(圖1)，對金黃色葡萄球菌、灰霉、青霉等具有廣譜的抑菌作用(表2)。

表2 植物精油的抑菌作用Table 2 Antimicrobial action of plant essential oils

圖1 植物精油活性成分化學結構式Figure 1 The chemical structures of bioactive compounds in plant essential oils

植物精油可以通過以下3個方面發揮抑菌作用(圖2)：① 破壞菌體的細胞壁和細胞膜的完整性、滲透性及膜脂質過氧化[28]，致使營養物和代謝物不能正常通過，具體表現為菌體表面皺縮、出現溶解、不致密現象，甚至部分菌體外膜脫落、破裂等[29]。② 破壞蛋白和相關基因表達，如肉桂精油可影響金黃色葡萄球菌菌體蛋白的二級和三級構象，進而影響菌體的結構及生長繁殖[30]；樟腦精油通過調控大腸桿菌基因的表達以抑制大腸桿菌的代謝和某些抗性反應，進而抑制大腸桿菌的生長[31]。③ 干擾菌體能量代謝過程，如香雪蘭精油可誘導白色念珠菌的線粒體功能障礙，致使活性氧積累，菌體氧化還原失衡，從而達到抑菌的目的[32]。

圖2 植物精油抑菌機制圖[27]Figure 2 The diagram of antibacterial mechanisms of plant essential oils

2.3 抗炎作用

植物精油中含有多種抗炎活性成分，如乙酸芳樟酯[33-34]、倍半萜[35]、龍腦、α-蒎烯、乙酸龍腦酯、石竹烯、反式-橙花叔醇、紅沒藥醇[36]等(圖1)，可通過調控炎癥因子達到抗炎作用(圖3)，如苦橙葉精油和佛手柑精油均能顯著降低細胞內炎癥介質一氧化氮(NO)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)含量[34]。而在脂多糖誘導小鼠巨噬細胞的炎癥模型中，紫莖澤蘭精油能抑制白細胞介素-1β(IL-1β)、白細胞介素-6(IL-6)、白細胞介素-8(IL-8)蛋白分泌量及相關mRNA的表達，增加白細胞介素-10(IL-10)蛋白分泌量及相關mRNA的表達，這些相關炎癥因子的表達量都與Toll樣受體4(TLR-4)蛋白表達水平增加有關，同時也與核轉錄因子(NF-κB)信號通路被抑制有關，其IκBα蛋白、p65和p50胞漿蛋白等NF-κB信號通路中的關鍵蛋白表達水平增加[36]。此外，高小力等[35]研究發現沉香精油(10 μg/mL)通過降低p-傳感器和轉錄激活因子3(p-STAT3)的蛋白表達水平，進而抑制炎癥因子IL-1β和IL-6的產生來發揮抗炎作用。

圖3 植物精油抗炎機制圖[34,36]Figure 3 The diagram of the anti-inflammatory mechanisms of plant essential oils

2.4 殺蟲驅蟲作用

植物精油具有殺蟲驅蟲作用，對果蔬采前采后的常見病蟲害，如煙粉虱、蚜蟲、小菜蛾和甜菜夜蛾等具有較好的防控效果，其主要活性成分包括丁香酚、α-松油醇[37]、檸檬醛[38]等(圖1)。研究[39]發現薄荷精油對埃及伊蚊幼蟲有驅殺作用，其IC50值和IC90值分別為78.1，125.7 mg/L。植物精油對病蟲害有不同的表現方式，如香樟精油對米象有較好的趨避效果；丁香精油對米象有較好的觸殺作用；丁香及肉桂皮精油對米象有最高的熏蒸致死率，其中丁香精油熏蒸致死機理是對米象內谷胱甘肽-S-轉移酶的誘導作用，抑制米象體內的羧酸酯酶酶活，且熏蒸處理時間越長、精油濃度越大，對酶活的抑制越強[40]。今后可深入研究精油趨避、觸殺病蟲害的機理。

3 植物精油在果蔬保鮮中的應用

植物精油含有抗氧化、抑菌、抗炎、殺蟲驅蟲等功能特性的活性成分，因而可以將植物精油應用于果蔬保鮮，以期達到延長保鮮期的目的。其保鮮方式包括單精油直接保鮮，精油與保鮮劑復配保鮮，精油納米保鮮，精油微膠囊保鮮，精油聯合紫外光、微波、超聲波等保鮮，精油與包裝紙箱聯用保鮮等。

3.1 單精油保鮮

單精油保鮮是指將植物精油以熏蒸、浸泡等處理方式對果蔬進行保鮮。其中精油熏蒸處理是將精油滴在濾紙片上，然后將濾紙片與果蔬放置在聚乙烯塑料袋中，實現精油對果蔬的熏蒸保鮮。李彥虎等[41]利用精油對雙孢蘑菇進行熏蒸處理，常溫條件下，花椒精油(0.1 mL/kg)和芥末精油(0.15 mL/kg)能抑制雙孢蘑菇褐變，延緩腐爛，將貨架期延長2 d；低溫貯藏條件下能減緩雙孢蘑菇的失重率和呼吸強度，抑制子實體內多酚氧化酶活性，降低菇表面菌落總數，從而達到保鮮效果。精油浸泡處理是將果蔬浸泡在精油中，或者浸泡在一定濃度的精油溶液(含有適量的吐溫-80和蒸餾水)中，然后取出風干，置于包裝袋或包裝盒內保鮮。如將鮮切杭白菜浸泡在丁香精油(1 mL/L) 3 min后裝于塑料盒中，可使杭白菜表面的微生物增長緩慢，營養物質損失降低，貨架期延長6 d[42]。單精油保鮮操作方便、快捷，但果蔬經過熏蒸、浸泡處理后，精油易揮發，保鮮時間不長，且果蔬含有精油的刺激性氣味，影響其售賣。

3.2 精油簡單復配保鮮

精油簡單復配是指精油與常用的涂膜保鮮劑簡單混合后形成穩定的復配液體系，再將復配液以涂膜、浸泡等方式應用于果蔬保鮮。由于常用的保鮮劑的涂膜透氣性、物理和力學性能較差[43]，當添加植物精油后，能與精油中酚類物質的官能團相互作用，可提高涂膜的阻隔性和抗氧化性能，還可降低膜的含水率、水溶脹率和溶解度[44]，使果蔬色澤、硬度、質地等品質較好地保持，降低營養物的損失(表3)。與單精油保鮮相比，復配保鮮能延長精油作用時間，更能顯著提高果蔬貯藏保鮮效果，但果蔬表面依然會存有精油刺激性氣味，可能呈現負面的感官評分。

表3 植物精油簡單復配的果蔬保鮮Table 3 Simple combination of plant essential oils for the preservation of fruits and vegetables

3.3 精油納米乳液、納米薄膜保鮮

納米乳液是粒徑為10～100 nm的膠體分散體系[50]，植物精油在添加果膠、玉米醇溶蛋白、吐溫-80等表面活性劑后[51]，經攪拌、超聲、均質等混合形成植物精油納米乳液。精油納米乳化不僅可提高精油的穩定性、抗氧化、抑菌等特性[52]，還可取代氯基消毒殺菌劑，減少環境污染[53]。李子和等[22]將吐溫-80與復配的4種精油(孜然精油、蒔蘿精油、芫荽精油、葛縷子精油)納米乳化，隨后將制得的乳液霧化處理馬鈴薯，發現納米乳化后的精油能調控抗氧化酶酶活及抗氧化物質含量，延長休眠期，抑制馬鈴薯發芽。

除了將納米乳液以液態形式作用于果蔬外，還可通過溶劑蒸發法，使納米乳液成膜，用于包裝保鮮果蔬。Chi等[54]制備含有佛手柑精油的聚乳酸納米復合膜用于包裝芒果，發現貯藏期間，該復合膜能延緩芒果顏色、總酸度、維生素C和微生物性質的有害變化，延長芒果采后壽命15 d。此外，還可利用植物精油的抑菌特性制備具有抗菌性能的pH指示劑纖維素納米纖維包裝薄膜[55]，顯著降低精油對果蔬感官品質的影響。與精油簡單復配相比，植物精油納米化使精油形成眾多的納米顆粒，可提高精油的分散性，具有一定的緩釋作用，進行果蔬保鮮時，能降低果蔬表面刺激性氣味，延長保鮮時間，但納米乳液處理耗能較大，在果蔬保鮮中的應用范圍較窄。

3.4 精油微膠囊保鮮

精油微膠囊化是指將精油包裹制得微小粒子，形成小膠囊，如殼聚糖和羧甲基纖維素鈉作為壁材的精油膠囊，能較好地保留精油的緩釋、包封效率和結構穩定性[56]。以4%牛至精油為芯材，明膠、阿拉伯膠為壁材，芯壁比為1∶1的牛至精油微膠囊為例[57]，水通過壁材進入微膠囊內部后，溶解微膠囊內部的精油形成高濃度的溶液，該溶液通過壁材釋放到微膠囊外部[58]，從而使精油緩慢作用于杏果實，降低空氣中精油的刺激性氣味，延長保鮮時間。Yin等[59]將芒果在海藻酸鈉溶液和含肉桂精油微膠囊液中進行交替浸泡沉淀，得到有5層覆膜的芒果，其pH值、硬度、呼吸速率、維生素C含量等變化均得到改善。此外，室溫條件下芥末精油微膠囊可替代部分殺菌劑，與0.8或0.9倍濃度咪鮮胺結合處理荔枝時，其保鮮效果與咪鮮胺單獨保鮮無明顯差異[60]。與精油納米乳化相比，精油微膠囊能進一步延長精油的作用時間、減緩氣味的散發，可部分或完全替代殺菌保鮮劑，但因壁材、精油及其濃度的選擇、成本的控制、繁瑣的操作等其他因素，導致精油微膠囊在果蔬保鮮中的應用不廣泛。

3.5 精油聯合物理保鮮

果蔬常用的物理保鮮技術有低溫、紫外光、微波、超聲波、氣調等，雖然有操作簡單、安全、應用廣等優點，但是物理處理會造成果蔬組織的損傷，蛋白質、果膠等營養成分的分解和流失[61]。而植物精油聯合物理技術保鮮時，果蔬的保鮮時間比物理技術單獨處理要好，還可降低對果蔬品質的傷害。研究[62]發現百里香精油與氣調技術聯用時，草莓的保鮮期比單獨用氣調保鮮延長了4 d以上；與單獨微波處理相比，西蘭花經肉桂精油清洗后用300 W微波處理40 s，其維生素C、總酚、總黃酮含量等得到有效保持，葉綠素分解減緩[63]。但是植物精油聯合物理技術保鮮仍會有植物精油的特殊氣味殘留，需將精油納米化或膠囊化。

3.6 精油涂布包裝紙箱保鮮

將精油納米化或膠囊化后噴涂于包裝紙箱上，使紙箱具有抗氧化、抑菌等特性，當果蔬封裝于該紙箱后，既避免精油直接接觸果蔬而造成感官及品質的降低，又可提供封閉的、狹窄的、良好的保鮮環境，是未來果蔬貯藏保鮮的一種新趨勢。Buendía-moreno等[64]將香芹酚、牛至、肉桂按重量比70∶10∶20制成精油混合物隨后加入一定量的β-環狀糊精等其他物制成納米膠囊的水性丙烯酸乳液，將該乳液噴涂到包裝紙箱上對番茄進行保鮮，結果發現，8 ℃貯藏6 d后，番茄的硬度幾乎不受影響，未引起顯著的水分流失，且感官質量也并未產生負面影響；當香芹酚、牛至、肉桂以質量比70∶10∶20有效地封裝在β-環狀糊精后，噴涂于紙箱上對甜椒進行貯藏保鮮，使其在8 ℃下的貨架期延長18 d[65]。此外，將4%百里香精油、吐溫-80、大豆分離蛋白形成的納米乳劑涂布于箱坯內壁并用其盛裝草莓，結果發現，箱內草莓表面的菌落數減少，能在一定程度上維持草莓感官質量和硬度指標[66]。

4 結論及展望

植物精油因其具有抗氧化、抑菌、抗炎、殺蟲驅蟲等功能特性而被逐漸應用于果蔬保鮮中。現植物精油在果蔬保鮮中的應用方式主要是單精油保鮮、精油簡單復配保鮮、精油乳化保鮮、精油微膠囊化保鮮、精油聯合物理保鮮、精油與紙箱聯用保鮮等。但單精油保鮮、精油簡單復配保鮮等方式會使果蔬帶有植物精油的刺激性氣味而影響消費者接受度，導致植物精油應用有所限制，故植物精油需經過一定的處理以降低或掩蓋氣味，如精油微膠囊化、納米乳化等技術，在達到果蔬保鮮的同時能降低消費者對植物精油刺激性氣味的排斥，提高消費者的購買欲。后續需在提高植物精油穩定性、減少揮發、緩慢釋放等方面進行積極創新。為了保證植物精油被攝食后在人體中的安全性，還需大量的臨床試驗，從而使植物精油在果蔬保鮮方面得到更廣泛的應用。