蕓香科植物精油對食源性致病菌作用效果研究進展

劉姜汝， 邵景東， 朱雨琪， 秦曉杰， 李卓思， 董慶利， 王 翔*

1. 上海理工大學 健康科學與工程學院， 上海 200093; 2. 張家港海關綜合技術中心， 張家港 215600

食源性疾病已成為全球非常關注的公共安全問題，據世界衛生組織估計，全球每年有6億人因食用受污染食品而患病，并有42萬人因此死亡，而食源性致病菌則是導致此類疾病發生的主要原因[1]。目前常見的食源性致病菌有金黃色葡萄球菌、致病性大腸埃希氏菌、沙門氏菌、單增李斯特菌等[2]。對食品產業鏈中食源性致病菌控制是保障食品安全的重要措施。

近年來，為了控制食品中微生物引起的食品質量和安全問題，食品行業對天然提取物作為新型抑菌劑的需求不斷增加。與化學防腐劑相比，天然抑菌劑具有抑菌作用的同時具有安全、無毒和環保等優點。這其中植物精油因其來源豐富、抑菌活性強等優點具有廣闊的應用前景。植物精油是一類從植物中提取的天然的、具有揮發性的芳香液體，具有抗氧化、抗菌和抗炎等廣泛的生物活性，在應用中具有穿透力強、抑菌效率高、分子質量小、細菌不易產生耐藥性等特點[3, 4]。在種類眾多的植物精油中，蕓香科植物精油資源豐富，比如常見的柑橘屬的檸檬、柚、橙等水果的果皮可通過提取精油提升利用價值；此外常用于調味的花椒屬的青花椒、紅花椒等，香味濃郁，作為安全、環保的食品添加劑有很大的發展前景。

本文主要圍繞蕓香科植物精油對食源性致病菌的抑制效果開展綜述，并闡述了精油的抑菌機制，概述了蕓香科植物精油在食品應用中所面對的局限性以及應對措施，以期為蕓香科植物精油在食品中合理高效的應用提供參考。

1 蕓香科植物精油

從植物中提取出來的精油是存在于植物體內具有芳香性的次級代謝產物，是具有眾多生物活性化學成分的混合物，成分較為復雜。這些活性成分主要可分為萜烯、醇、酚、醛、酮、酯和其他復雜的碳氫化合物[3,4]，其中具有良好抑菌作用的主要是醛類、酚類、醇類和酮類等[5]。蕓香科植物精油中揮發性成分有單萜烯(檸檬烯)和倍半萜烯烴及其含氧衍生物的混合物，包括：醛(檸檬醛)、酮、酸、醇(芳樟醇)和酯，而且每種精油中均以檸檬烯占比最大。蕓香科植物精油具有有效的生物活性，其在食品中應用抑菌特別是控制食源性致病菌是食品科學研究的重要內容。

2 蕓香科植物精油對食源性致病菌的控制效果

2.1 柑橘屬抑菌效果

研究表明，蕓香科植物精油對沙門氏菌、單增李斯特菌、金黃色葡萄球菌等重要食源性致病菌都具有一定的抑菌效果，其抑菌效果主要可通過最低抑菌濃度(MIC)、最低殺菌濃度(MBC)以及抑菌圈的大小為指標來判斷(表1、表2)。由表可知不同蕓香科植物精油對各種食源性致病菌的控制效果有所不同，蕓香科不同屬、種來源的精油控制效果也有一定的差別。蕓香科的植物精油對革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌、單增李斯特菌等)和革蘭氏陰性菌(沙門氏菌、傷寒桿菌等)均有一定的抑殺作用。

表1 柑橘屬植物精油對食源性致病菌的控制效果

表2 花椒屬植物精油對食源性致病菌的控制效果

蕓香科柑橘屬植物種類眾多，多數是可以食用的水果，包括檸檬、柚、橘、橙、柑等，精油可從柑橘屬植物的果皮和樹葉中提取。總體來說，同種柑橘屬精油對革蘭氏陽性菌的控制效果要優于革蘭氏陰性菌，GUO JJ等人[7]研究發現檸檬、蜜柚、沙田柚、常山胡柚、柑橘等果皮精油對銅綠假胞單菌均無良好控制效果，橙皮精油如臍橙、紐荷爾臍橙、酸橙對大腸桿菌、銅綠假單胞菌、副傷寒沙門氏這些革蘭氏陰性菌的控制效果很差或幾乎無效果。這可能與細菌的細胞結構差異有關，革蘭氏陰性細菌在細胞壁外還有一層由蛋白質、磷脂質、脂多糖形成的膜層，這限制了疏水化合物(如精油)通過此膜進行擴散，也就影響了精油對革蘭氏陰性菌的作用效果[11]。

柑橘屬的不同植物精油的抑菌效果有所區別，同樣是針對金黃色葡萄球菌ATCC 29213標準菌株，常山胡柚果皮提取的精油產生的抑菌圈(27.76 mm)最大，其次是佛手柑果皮精油(25.65 mm)和檸檬果皮精油(17.67 mm)，丑橘果皮精油的抑菌圈最小為8.49 mm(表1)。

同種精油在不同研究中的抑菌效果也有差異，比如檸檬果皮精油，在劉巧等人[6]的研究中，對大腸桿菌的抑制效果要強于金黃色葡萄球菌，而在GUO JJ等人[7]的研究中，卻得到相反的結果，這種差異可能與所采用檸檬的品種、生長環境差異有關，也可能與不同菌株對精油的耐受性差異有關。總體上，柚皮精油[6, 7, 12-14]的抑菌效果整體要強于檸檬皮[6, 7, 13]或葉[8]、橘皮[6, 7, 9]、橙皮[6, 7, 13]、柑皮[6, 7]的精油，在柑橘屬精油中常山胡柚和佛手柑[7]的抑菌效果相對最好。柚皮、橙皮、橘皮、柑皮共有的主要成分有D-檸檬烯、α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯、羅勒烯、松油醇、芳樟醇、γ-松油烯、蒈烯、檸檬醛、萜烯醇、癸醛等。其中D-檸檬烯、α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯、羅勒烯在常山胡柚和佛手柑精油中含量均較多，而其他精油這五種成分相對較少，因此，這五種成分若以一定比例組成，可能會表現出良好的抗菌活性[7]。

柑橘屬精油的抗菌活性主要歸因于檸檬烯，芳樟醇，癸醛，辛醛，檸檬醛，香茅醛，百里香酚和α-甜橙醛。YI FP等人[15]研究表明，南豐蜜桔精油對革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌的抑制活性主要歸因于癸醛、辛醛、檸檬醛、香茅醛、百里香酚、檸檬烯和芳樟醇，而其對革蘭陰性大腸桿菌和銅綠假單胞菌的抑制可能是由辛醛、檸檬醛、香茅醛、檸檬烯、芳樟醇、α-甜橙醛和百里香酚引起的。檸檬烯作為柑橘屬精油的主要成分并不起主要的殺菌作用[16]，芳樟醇的存在是抑菌的主要因素，一些含量較少的成分也可能通過協同和拮抗作用影響抑菌活性[7, 17]。

2.2 花椒屬及其他屬抑菌效果

花椒屬植物精油多提取自果實，花椒、青花椒、紅花椒等花椒屬植物精油對金黃色葡萄球菌、傷寒桿菌等致病菌有良好的抑菌能力(表2)。花椒精油主要成分為芳樟醇，檸檬烯、檜烯、乙酸芳樟酯等，它們占精油的40%～56%，其中芳樟醇還是主要的氣味貢獻者[18]。特殊的芳香氣味是影響花椒屬精油在食品中廣泛應用的主要原因之一。有研究表明芳樟醇含量較高的花椒對大腸桿菌的抑菌效果較好，推測芳樟醇為花椒精油中的主要抑菌成分[19]。

蕓香科其他屬植物，其中黃檗[23]的抑菌效果最好，金桔[9]次之，蕓香[24]最弱，其中黃檗和金桔精油對革蘭氏陰性菌的抑制能力強于革蘭氏陽性菌，三種精油均對沙門氏菌的抑制能力較強。

2.3 抑菌機理

蕓香科植物精油對食源性致病菌的抑制作用主要通過破壞細菌細胞膜結構或功能，引起細胞膜通透性的改變，使細胞內容物如各類無機鹽離子、大分子核酸、大分子蛋白質等物質由菌體內外泄，使體內外物質失衡，導致細菌菌體細胞的正常形態和代謝功能喪失[23]。蕓香科植物精油還可以促進蛋白質和酶變性以及K+、H+離子濃度失衡[25]。此外進入細胞內的精油還能損害線粒體膜，使得線粒體產生自由基進而氧化和損害脂質、蛋白質和DNA[26]，最后達到抑制或殺菌的目的。蕓香科精油中包含許多化學成分，各組分間具有協同作用[27]。精油對細菌細胞的作用涉及多個靶點，這使得細菌難以對精油產生抗性，有助于抗生素耐藥菌株的控制[28]。

2.3.1對細菌形態的影響

通過電子掃描顯微鏡和透射電子顯微鏡可觀察精油處理對細菌結構的破壞作用。研究發現未經精油處理的大腸桿菌有規則的桿狀，完整的表面和橫紋狀的細胞壁，而多數處理過的細菌變得不規則和不同程度的萎縮。未經處理的金黃色葡萄球菌細胞是球形的、規則的、完整的，并且具有光滑的表面，經處理后細胞膜出現點蝕并收縮，表面有孔。此外，還可以觀察到細菌聚集，細胞碎片化和細胞內成分的泄漏。說明精油的作用會導致細菌的細胞膜的破壞并引起細胞內物質的損失[26]。

2.3.2對細胞壁的影響

由于細胞壁結構的差異，革蘭氏陰性細菌可以耐受比革蘭氏陽性細菌更高濃度的親脂性化合物。革蘭氏陰性細菌的細胞壁具有親水性和排斥親脂性化合物的性質，即革蘭氏陰性細菌具有脂多糖分子存在的外膜，其提供親水表面充當穿透屏障，阻斷大分子和疏水化合物滲透到靶細胞膜中[26]，但其對親脂性化合物并非完全不可滲透，小分子可以通過擴散穿過脂多糖層或通過蛋白質穿過細胞壁，最后與細胞膜的脂質雙層相互作用[28]，因此與革蘭氏陽性細菌相比，革蘭氏陰性細菌對精油具有更好的耐受性。

2.3.3對細胞膜的影響

細胞膜是細菌細胞的關鍵結構成分，其破壞將導致核酸、蛋白質和其他細胞內物質的泄漏。因此，細胞內成分的滲漏可作為確定細胞膜完整性的典型指標[30]。SONG XY等人[31]用柑橘精油處理金黃色葡萄球菌，并通過測定細胞膜電位、細胞外核酸、蛋白質濃度、細胞內蛋白質濃度、細胞全蛋白和細胞內ATP濃度的變化等指標揭示精油對金黃色葡萄球菌的作用機制。研究發現精油處理后金黃色葡萄球菌的細胞膜電位明顯降低和去極化；細胞內核酸、蛋白質發生了泄漏；精油處理后細菌ATP濃度顯著降低，降低細胞內ATP濃度可以抑制ATP酶活性和ATP合成。精油處理后，金黃色葡萄球菌的細胞膜表現出不可逆的損傷，這種破壞作用通過增加的細胞膜通透性，使核酸、蛋白質和ATP泄漏增加以及改變了細菌形態。

3 食品中使用植物精油的局限性與改良應用

由于精油所具有的抗菌特性，精油可在食品中用通過抑制微生物來提升食品的質量和安全。但植物精油具有易揮發、不穩定、水溶性差的性質，且使得其在食品中的應用得到了一定的限制，因此在精油起到抑菌的同時，需要采取一定的方法提高抑菌效率、提高精油的水溶性以及適當掩蔽刺激性的氣味。

3.1 與其他精油或抗菌劑復配使用

蕓香科精油中的成分較為復雜，將其與其他種類精油進行復配或與其他抗菌劑進行聯合使用時，可能會產生協同作用。研究發現羅勒-佛手柑、牛至-佛手柑復合精油的抗菌能力顯著提高[11]。柚子精油乳液和水溶性殼聚糖的結合可以顯著增強對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌作用[32]。檸檬精油及其與殼聚糖、氯化鈣和納他霉素的混合物不僅可以保持柑橘的營養和感官質量，這些物質按一定比例混合還可以提高柑橘保鮮效果[33]。柑橘精油與慶大霉素聯合使用在3株耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)和1株甲氧西林敏感金黃色葡萄球菌(MSSA)菌株中表現出協同作用；來檬精油與慶大霉素聯合使用在2株MRSA菌株中顯示出協同作用[34]。通過精油與抗生素聯用，可以有效地減少抗生素的不利影響，以減少耐藥細菌的所需抗生素劑量，可降低成本并提供了更大的抗菌潛力。

3.2 納米乳液

精油的疏水性對其在食品中應用有一定影響，精油納米化可以使精油很容易地分散在微生物生長和增殖的食品區域。精油納米乳液有增強物理化學穩定性、減少對其所在產品的影響以及增強抗菌活性等優點[35]。橙子、柑橘、葡萄柚和檸檬精油的納米乳液對虹鱒魚魚片保質期具有更好的延長作用[36]。

3.3 微膠囊

精油的大多數成分對光線、水分、空氣和高溫敏感，因此需要合適的方法來增強它們的穩定性，精油封裝是最有效技術之一。微膠囊化是以固體或液體的微小液滴形式包裝精油的活性成分作為核心。包裝殼可以是連續的薄膜或多孔的或穿孔材料制成，例如生物源的殼聚糖，明膠，海藻酸鹽等。精油在膠囊內停留并受控釋放，此外還可以保護精油免受不利反應和環境條件的影響[37,38]。以明膠、阿拉伯膠、殼聚糖和改性淀粉等為壁材料，以蕓香科植物精油作核心物質，制備精油微膠囊，微膠囊比原始精油具有更好的選擇性抗菌性能[39,40]。精油微膠囊可應用于肉制品[41, 42]、鮮果蔬[43]、大米[44]等食品的保鮮及貯藏。同時精油的微膠囊化可以有效屏蔽一定的氣味，掩蓋或減少芯材(精油)的氣味[43]。

3.4 可食用薄膜或涂層

可食用薄膜或涂層是應用于食品表面的可溶性配方，使薄膜直接在食品表面或不同成分層之間形成薄層[45]，可以保護食品品質[46]。可食用薄膜可用作添加劑的載體，可在薄膜中摻入精油，實現薄膜和精油功能的疊加，同時可以減少精油的強烈香氣[47]。薄膜或涂層常用的生物性聚合物有纖維素、殼聚糖、明膠和海藻酸鹽等。已研究的明膠/殼聚糖薄膜結合檸檬精油[48]，TiO2納米顆粒和Ag納米顆粒的聚乳酸(PLA)納米薄膜結合佛手柑精油[49]等均顯示了良好的抑菌特性和在食品中的應用前景。

3.5 食品包裝

食品包裝的作用已經從傳統的包裝角色發展到包括微生物安全、環境可持續性等方面。抗菌活性包裝是一種新型特殊類型的包裝，將抗菌劑與食品包裝相關聯，可以實現以阻礙微生物增殖的作用。例如將非常少量的百里酚、葡萄柚精油和檸檬精油與氣調包裝結合使用可以提高藍魚漢堡的質量并延長保藏期[50]；將粉紅胡椒精油的乳液微膠囊化并應用于聚對苯二甲酸乙二醇酯盒中，在水果保鮮方面表現出良好應用潛力[51]。

4 總結與展望

植物精油作為天然新型食品添加劑具有良好的應用潛力，對于蕓香科植物來說，精油的提取并應用是對果皮等廢料的重復利用，不僅對環境友好還提升了產品附加值；蕓香科植物具有良好的風味，可以加入到食品中應用；蕓香科植物精油對食源性致病菌具有較好的控制效果，此外還有抗菌、抗氧化等生物活性。雖然蕓香科精油具有以上優點，但仍具有易揮發、不穩定、具疏水性等性質限制著精油在食品中的應用，因此精油在食品體系中的改良應用仍然是重要的研究內容。

為了實現研究結果統一性和可比較性，在精油對不同細菌的控制效果的研究中，建議進一步對研究方法進行規范與標準化：實驗標明菌種的同時，也應該同時表明菌株，這樣可以更加明確精油的抑菌效果；抑菌指標的單位統一方便比較分析；在抑菌圈實驗中應用牛津杯、濾紙片或打孔的大小建議標明準確大小。

之后精油的研究和應用領域工作可以從以下方面開展：a. 更加深入的研究精油對食源性致病菌的控制效果，特別是對新發以及潛在致病菌的抑制以及精油對細菌抗性、毒力等其他生物學特性的影響作用；b. 研究不同精油復配使用或與不同抗菌劑復配使用對食源性致病菌的控制效果以及抑菌機制；c. 研究精油在納米乳液、微膠囊、可食用薄膜或涂層、食品包裝等在不同食品中的具體應用；d. 利用柵欄技術將精油與其他可控制致病菌的方法聯用(如其他冷殺菌技術)，研究食品中微生物的控制與食品保質期的延長效果。