植物精油的抑菌機制及劑型在食品保鮮中的應用

李 倩,艾淑娜,郭飛燕,李亞楠,左雪昊,安 康,劉 涵,范英姿,陳葉茂,王曉琦,謝巖黎

河南工業(yè)大學 糧油食品學院, 河南 鄭州 450001

1 植物精油的抑菌機制

植物精油是植物的次級代謝產(chǎn)物,是具有揮發(fā)性的多種小分子物質(zhì)的混合物,多數(shù)無毒無害,對環(huán)境和人體友好。特別值得關注的是,許多植物精油具有廣譜抑菌活性,未來能夠應用于食品儲藏和保鮮領域[1]。目前,植物精油在亞細胞水平的抑菌機理包括:(1)破壞細胞膜的完整性。植物精油結(jié)合細胞膜的磷脂雙分子層結(jié)構(gòu),使細胞膜通透性增加,造成細胞重要內(nèi)容物滲出,導致細胞溶解、死亡[2]。如丁香精油[3]、鼠尾草精油[4]及竹葉精油[5]等處理的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌,薄荷精油[6]處理的釀酒酵母和紫蘇精油[7]處理的黃曲霉菌,均發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)和核酸等胞內(nèi)大分子物質(zhì)的泄漏。(2)破壞細胞壁的完整性。如神農(nóng)香菊全草精油破壞大腸桿菌和枯草芽孢桿菌細胞壁,導致菌體變形[8]。綠茶精油[9]處理的米曲霉通過抑制細胞壁合成,從而對米曲霉產(chǎn)生間接損傷,導致細胞死亡。東方菟絲子精油[10]處理金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和沙門氏菌后堿性磷酸酶(AKP)泄漏,表明細胞壁結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞。(3)破壞線粒體的結(jié)構(gòu)和功能。如菊花精油[11]破壞釀酒酵母線粒體膜的完整性,茶樹精油[12]破壞灰霉菌線粒體結(jié)構(gòu),降低三羧酸循環(huán)中蘋果酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶和ATP酶的活性。上述抑菌機理涉及多個多靶標,這可能是由于植物精油含有復雜的成分,如醛類、黃酮類、多酚類、烯類、醇類、醌類等[13]。如醛類化合物的疏水性使其易與細胞膜結(jié)合,從而破壞細胞屏障[14];黃酮類化合物的抗菌活性依賴于其結(jié)構(gòu),特別是芳環(huán)上A環(huán)位置5處和7處的羥基化對破壞蠟樣芽孢桿菌的細胞膜結(jié)構(gòu)尤為關鍵[15-16];醌類化合物C-2上的羥基和C-3位的親脂性基團在抑制炭疽桿菌線粒體呼吸作用中發(fā)揮重要作用[17]。

2 不同植物精油劑型的抑菌效果

植物精油因其無毒和環(huán)保而受到廣泛關注,但部分植物精油揮發(fā)性較強,抑菌時效不理想[18],除此之外,植物精油強烈的氣味會影響食品的感官特性,限制了其應用范圍[19]。因此,需提高其活性、穩(wěn)定性,掩蓋不良氣味。實現(xiàn)這些目標的重要方式之一是制備特定的劑型。例如以殼聚糖[20]、淀粉[21]、明膠[22]等可食用天然高分子聚合物作為載體包裹植物精油。此外,還需針對食品的不同形態(tài)及應用場景制備不同的劑型,例如微膠囊、薄膜及涂膜多應用于固態(tài)食品,納米乳液和微米乳液多應用于液態(tài)食品。部分精油制備的劑型及其抑菌效果如表1所示。

表1 植物精油的劑型及抑菌效果Table 1 Dosage form and antimicrobial effect of some plant essential oils

3 植物精油在食品保鮮中的應用

3.1 在固態(tài)食品中的應用

3.1.1 在果蔬中的應用

果蔬類食品在儲藏過程中易受金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、鏈格孢菌和大腸桿菌等食源性致病菌的侵害[37],含精油的微膠囊或薄膜能夠延長果蔬的保質(zhì)期、提高品質(zhì)。例如,Shankar等[38]制備含有柑橘、肉桂等混合精油的殼聚糖薄膜,該復合膜對大腸桿菌、單核細胞增生李斯特菌、鼠傷寒沙門菌和黑曲霉具有較強的抗菌活性,復合膜與γ射線輻照相結(jié)合,在4 ℃時,與對照樣品相比,處理組減少草莓質(zhì)量損失,保留更多的酚類化合物,果實的花青素含量、可溶性固形物總量較高,使用薄膜處理草莓后,在抑菌的同時提升了草莓的品質(zhì)。Sessa等[39]發(fā)現(xiàn)含檸檬精油的殼聚糖涂膜抑制灰葡萄孢菌效果顯著,并且能夠顯著延緩葉片硬度的增加,延長葉菜的貨架壽命。Das等[40]研究發(fā)現(xiàn)甜橙精油-海藻酸鈉納米涂膜能有效抑制沙門氏菌和李斯特菌的生長,并且降低小番茄質(zhì)量損失,同時,由于甜橙精油-海藻酸鈉納米涂膜具有獨特宜人的香氣,也提高了果實的感官質(zhì)量。Esquivel-Chvez等[41]從感染黑斑病的芒果中分離出假環(huán)鐮刀菌、鏈格孢菌、新絲孢菌、假枝孢菌和球孢炭疽菌,發(fā)現(xiàn)制備的百里香精油微膠囊對上述致病菌均有顯著抑制作用,且該微膠囊能夠在非接觸模式下使芒果產(chǎn)生獨特的香氣,提升芒果的感官品質(zhì)。除了精油和復合材料的聯(lián)合抑菌功效之外,薄膜和涂膜作為對O2、CO2和水分的半滲透屏障,處理果蔬后,能夠減少果蔬水分損失和呼吸速率,是降低果蔬質(zhì)量損失的重要原因。對于精油提升果蔬香氣的功效是否具有普遍性,還有待進一步的研究。

3.1.2 在肉類及肉制品中的應用

肉類及肉制品在冷藏過程中極易受李斯特菌、沙門氏菌和芽孢桿菌等食源性致病菌的污染[42],這類食品多使用復合薄膜等固態(tài)劑型實現(xiàn)抑菌和提升品質(zhì)的目標[43]。Kazemeini等[44]制備的沙棘精油-海藻酸鈉涂膜在冷藏12 d后仍能抑制火雞胸片中李斯特菌的生長,未涂層樣品中李斯特菌的數(shù)量為5.13×108CFU/g,而經(jīng)涂膜處理后樣品中李斯特菌數(shù)量降低到1.35×105CFU/g。Li等[45]將熱穩(wěn)定的多孔蛭石吸附檸檬精油,形成絡合物,再與魔芋葡苷聚糖/聚乙烯醇偶聯(lián)制成包裝膜,能夠有效抑制冷藏過程中大腸桿菌的生長,使豬肉的保質(zhì)期從9 d延長到11 d。除此之外,涂膜和包裝膜還可以減緩肉制品的氧化速率,從而改善肉制品的品質(zhì)。Wang等[46]制備了含1.0%杏仁精油的殼聚糖膜,能顯著抑制李斯特菌的生長,且24 d后,與不含精油的薄膜處理過的五香牛肉相比,該復合膜降低了五香牛肉的氧化速率,具體表現(xiàn)在過氧化值從0.21 mg/100 g降低到0.09 mg/100 g、硫代巴比妥酸值從0.8 mg/kg降低到0.4 mg /kg,pH值從6.60降低到5.70,且用含精油的膜處理后的五香牛肉的口感、顏色、質(zhì)地和整體接受度等品質(zhì)遠高于無精油的殼聚糖膜處理組。Souza等[47]發(fā)現(xiàn)用殼聚糖與迷迭香精油混合制備的薄膜,對蠟樣芽孢桿菌有很好的抑菌效果,菌落數(shù)從對照的1.58×108CFU/mL降低到1.26×103CFU/mL,用薄膜處理新鮮禽肉15 d后,硫代巴比妥酸從對照的2.03 mg/kg降到0.21 mg/kg,顯著提高了新鮮禽肉的品質(zhì)。Homayonpour等[48]用含有孜然精油的涂膜處理沙丁魚片,16 d后,與不做任何處理的沙丁魚片相比,經(jīng)涂膜處理后的沙丁魚片中假單胞菌數(shù)由7.80 CFU/g降為3.50 CFU/g,且過氧化值由0.15 mg/100 g降到0.06 mg/100 g、pH值由7.02降到6.85、硫代巴比妥酸從0.13 mg/kg降到0.03 mg/kg,表明涂膜在抑菌的同時改善了食品品質(zhì)。與果蔬應用類似的是,這些復合薄膜發(fā)揮抗氧化作用是由于精油和基膜的雙重作用,與此同時,也降低了水分和/或蒸汽的遷移。

3.2 在液態(tài)食品中的應用

液體食品常常受到金黃色葡萄球菌、鏈球菌等致病菌的污染[49],添加含精油的納米乳液可以抑制微生物的生長、延長食品的保質(zhì)期。例如,Ben Jemaa等[50]制備了含百里香精油的納米乳液,在牛奶中接種金黃色葡萄球菌24 h后,百里香精油處理后的菌落數(shù)為2.02×105CFU/mL,而含精油的納米乳液處理后菌落數(shù)顯著降低為1.32×105CFU/mL,且能夠提高牛奶中的蛋白質(zhì)含量。Donsi等[51]以葵花油為油相,將包埋檸檬烯得到的納米乳液添加到橘子汁中,對大腸桿菌和釀酒酵母都有很好的抑菌性,在室溫下可以將橘子汁中微生物的生長延緩5 d,并且提高了可溶性固形物的含量。劉星等[52]以β-環(huán)狀糊精為壁材,制備含連翹葉精油的微膠囊,60 ℃與豬油混合后,在12 d的儲藏期間發(fā)現(xiàn)隨著連翹葉精油微膠囊用量的增大,其對油脂氧化的抑制作用逐漸增強。陳鑫沛等[53]將蕹菜精油加入葵花籽油進行30 d的儲藏期實驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入蕹菜精油后,明顯抑制葵花籽油中的脂質(zhì)氧化,對酸價和過氧化值的抑制率分別為55.38%和54.84%。這類可降解型包裝膜較合成類材料具有綠色環(huán)保的優(yōu)勢,然而其機械性能、防水性、有效使用時間等仍需進一步改進。

4 展望

植物精油種類豐富、取材廣泛,且相較于化學合成抑菌劑安全性更高。迄今為止,多種具有抑菌活性的植物精油已篩選獲得,對于其劑型也有深入的探討,然而目前仍然存在下述幾方面問題:一是成本較高;二是活性成分復雜,有待進一步鑒定;三是抑菌機理未全面揭示;四是使用場景受限。但隨著抑菌機理的深入研究和新型復合材料的開發(fā),植物精油將在食品儲藏、保鮮甚至品質(zhì)提升中發(fā)揮更加重要的作用。