精油脂質體技術在食品工業中的應用研究進展

包沅鑫,涂倩,黃茂微,孫榕澤,曾珍,劉韞滔,惠騰,李誠

(四川農業大學 食品學院,四川 雅安,625000)

微生物生長繁殖是食品品質劣變的關鍵因素,為防止食品腐敗變質,通常在食品中加入保鮮劑以延長貨架期。食品保鮮劑按照來源可分為化學保鮮劑和天然保鮮劑。其中化學保鮮劑價廉且取材便捷,但存在潛在毒性。隨著消費者安全意識的提高,追求更加綠色、安全的食品,天然保鮮劑無毒無害,廣譜抑菌,逐步成為市場的新寵。植物精油(plant essential oil,PEO)安全無毒且具備良好的抗菌能力和抗氧化活性,被公認為良好的天然食品保鮮劑,成為替代化學添加劑的潛在選擇之一[1]。然而PEO存在水溶性和穩定性較差的弊端,并常伴有刺激性氣味限制了其在食品工業中的應用,因此,如何解決這些問題成為目前PEO的研究熱點。

脂質體是具有閉合囊泡結構的磷脂雙分子層材料,基于其結構可將營養成分、敏感成分、活性成分物質等包封形成納米顆粒,并賦予表面效應和空間位阻效應,以達到保護或緩釋作用,在食品工業領域受到廣泛關注[2-3]。利用脂質體包埋技術將PEO封裝于脂質體內可增強精油揮發物的穩定性,降低刺激性氣味,延長活性成分的保留時間,有助于提高食品品質和功能性。目前在食品中關于PEO脂質體的應用還未進行詳細地闡述。本文從PEO的抑菌性能和抗氧化活性機制、PEO脂質體概述、制備方法、穩定性及應用等方面展開綜述,以期為PEO脂質體在食品領域中的應用研究提供理論參考。

1 植物精油概述

1.1 植物精油簡介

PEO是一類從葉、根、莖或果實等部位通過蒸餾、萃取、微波處理等提取的油狀非必需代謝產物[4]。根據化學成分,可將PEO分為四大類:萜類化合物(單萜類、倍半萜類和二萜類),芳香族化合物,脂肪族化合物,含氮、含硫類化合物等[5],其中主要是萜類和芳香族化合物賦予了PEO廣譜抑菌性和抗氧化活性[6]。

1.2 植物精油活性功能

1.2.1 抗菌性

PEO的抗菌機制如圖1所示,主要表現為對細胞膜結構和功能的破壞。PEO活性成分通過疏水作用與細胞膜相互作用并結合到細胞內,與疏水性蛋白質或其他化合物結合后促進膜組織的變化、膜電位的降低、離子和其他細胞內容物的泄漏。ALIZADEH BEHBAHANI等[6]將孜然精油作用于大腸桿菌和李斯特菌,改變了細胞的膜結構,內容物溢出導致細菌的死亡;艾蒿精油對金黃色葡萄球菌的抑制作用表現為蛋白質和鉀離子的外滲[7]。PEO能夠干擾微生物體內能量代謝過程[8]。此外PEO還能結合蛋白質如酶作用位點抑制酶系統和改變遺傳物質[9],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生長[10]、肉桂精油影響金黃色葡萄球菌菌體蛋白的二級結構,同時造成菌體細胞膜破損,內容物溶出[11]。這表明PEO的抗菌性是一種或多種抗菌機制協同發揮作用[12]。

圖1 PEO的抑菌機制Fig.1 Antibacterial mechanisms of plant essential oil

1.2.2 抗氧化性

PEO作為抗氧化劑,其活性表現為單一成分或許多活性成分之間的協同作用[13],其作用機制通常表現為增強抗氧化酶的活性、防止鏈引發、自由基清除劑、還原劑、終止過氧化物、單線態氧形成的猝滅劑和過渡金屬離子螯合等。夏光輝等[14]研究發現百里香精油對過氧化氫酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶活性等均具有顯著改善作用,吳昊等[15]發現精油中存在共軛碳雙鍵以及羥基,可以提供氫,抑制自由基和降低氧化應激。

1.3 植物精油在食品中的應用

PEO由于其良好的抗菌和抗氧化生理活性被廣泛應用于食品保鮮,如李凱龍等[16]將1.5%肉桂精油添加到魚片,抑制草魚片冷藏期間菌落總數和嗜冷菌數的增加,觀感和色澤保持時間延長;張依潔等[17]將0.05 g/kg丁香精油和0.1 g/kg青花椒精油復合后應用于醬鹵鴨肉后,抑制了肉品脂質氧化,延長保質期。這表明精油的添加會提高肉品質,增強保藏效果。然而植物精油水溶性較低、穩定性差、對環境敏感,容易對食品的感官造成負面影響;同時PEO具有較強的氣味、易揮發,從而導致食品風味發生改變[18],限制了其在食品工業中的發展。為提高應用范圍,采用脂質體包埋等技術可有效改善精油的刺激性氣味和穩定性,延長食品貨架期。

2 精油脂質體概述

2.1 精油脂質體簡介

脂質體是由磷脂和膽固醇作為膜材,制成的一種類似生物膜的脂質雙層囊泡,有單室和多室之分,由于其具有生物相容性、靶向性、緩釋性以及運輸疏水和親水生物活性化合物的獨特能力而被廣泛應用于醫療、化妝品、食品等領域[19]。PEO脂質體則是利用脂質體的兩親性,將水溶性差的植物精油小分子包埋于類脂雙分子層之間,然后通過脂質體結構中的活性基團與PEO中的酚類、醛類等活性成分相互作用,從而形成具有抗菌、緩釋、保鮮作用的功能脂質體[20]。在食品工業中,脂質體主要作為運輸載體,保護一些功能性活性成分(如肽類、多酚類等)免受外界環境(pH值、氧氣、酶等)的破壞作用,同時具有緩、控釋作用。將精油成功包埋于脂質體可使精油在食品表面緩釋,延長其抗菌時間,增強穩定性,提高生物利用率,改善食品品質[21]。圖2是精油脂質體作用于食品的示意圖。

圖2 精油脂質體作用于食品Fig.2 Effects of essential oil liposome on food

2.2 精油脂質體的制備方法

PEO脂質體的制備方法按照其分散方法可分為機械分散法、溶劑分散法及其他脂質體新型制備技術,包括超聲分散法、均質法、擠出法、注入法、反向蒸發法、加熱法、薄膜分散法、注入法、噴霧冷卻法、氣泡法臨界技術等。制備方法不同,脂質體性能也各有差異,包括脂質體粒徑的均一性、包埋率、緩釋效果等。表1列出了常見脂質體生產方法的優缺點,為精油脂質體在食品工業領域中的應用提供參考。

表1 脂質體制備方法Table 1 Liposome preparation method

2.3 精油脂質體的穩定性研究

2.3.1 環境因素對脂質體穩定性影響

開發和維持穩定的脂質體及其重要,存在如酸堿度、溫度、離子強度等因素均會對精油脂質體制備、運輸、貯存過程中的穩定性,脂質的氧化水解或脂質體藥物緩釋造成影響。pH值會影響脂質體的氧化水解,有研究表明在當pH值為6.5時,所制備脂質體的磷脂的水解反應速率常數最小,此時脂質體系統最牢固[34];溫度上升會加劇脂質分子運動,脂質體膜通透性增加,氧化加劇,從而造成內容物的泄露。陳亮等[35]通過比較杜仲籽油脂質體在4、25、40 ℃下的貯藏穩定性,發現15 d后,4 ℃下脂質體的pH、丙二醛含量、包埋率及脂質體粒徑情況均明顯優于25 ℃和40 ℃;離子種類會對脂質體的表面電荷產生影響,Na+可與磷脂分子相互作用,有助于提高脂質體系統的穩定;K+環境中的脂質體更容易被破壞;Ca2+環境能促發脂膜自發組裝形成大囊泡,提高體系穩定性[36]。同時離子濃度也會對脂質體產生影響,研究發現Na+、K+、Ca2+添加量分別在0.9～3 mmol/L、1～7 mmol/L、0.3～1 mmol/L可提高精油脂質體的穩定性[37]。

有學者發現脂質體制備過程中表面活性劑、修飾物的加入同樣可以改善脂質體的穩定性。研究表明在脂質體系中添加一定量的吐溫80通過物理作用吸附在脂質體膜形成一定厚度的親水層,具有一定的空間位阻效應,能顯著降低界面效應,形成穩定的乳化體系,使其比傳統脂質體體系更加牢固[38];修飾物如蛋白、多糖等聚電解質表面修飾脂質體,可以改善脂質體的動力學穩定性,降低膜流動性以防止內容物泄露從而提高活性成分的持續釋放效果[39],如LIN等[40]采用β-環糊精對百里香精油脂質體進行修飾后,脂質體的zeta電位提高,穩定性增加并表現出較高的包埋率和抗菌活性。GIBIS等[41]考察殼聚糖和果膠修飾脂質體并包封葡萄提取物,表明經過修飾后的脂質體具有長期氧化穩定性,且脂質體分散體在貯存期間物理穩定性長達150 d以上。

2.3.2 脂質體所處狀態對其穩定性的影響

磷脂是常用的脂質體載體材料,在水中自組裝形成的閉合囊泡可能會造成藥物泄漏以及囊泡聚集融合形成更大的顆粒。因此常規方法制備的脂質體乳液可能無法長時間貯存。許多學者在控制環境因素的基礎上進一步對脂質體所處狀態進行研究,發現脂質體的凝膠化、固態化(冷凍干燥、噴霧干燥)等,可以有效抵御外界不良環境,降低藥物損失,降低含水量,降低脂質體流動性,提高脂質體的穩定性、貯藏期和使用率。趙寧等[42]以白及多糖為凝膠基質交聯黃藤素脂質體形成凝膠體系,對比脂質體懸濁液,在30 d內的粒徑、電位變化程度小,物理及化學穩定性顯著升高,包封率提高并增強長效緩釋作用。GüLTEKIN-?ZGüVEN等[43]使用殼聚糖涂層與麥芽糖糊精負載藥物脂質體,并經過噴霧干燥形成花青素脂質體粉末,在極端pH和溫度下,仍具有高保留率。

3 精油脂質體在食品中的應用

精油對食源性致病菌生長具有抑制作用,同時延緩氧化,精油脂質體利用脂質體體系的控制緩釋提高精油利用率,進一步延長保質期并改善食品品質。目前可采用涂抹、浸泡、噴淋、成膜包裹等方式將脂質體應用于食品上。表2列出了精油脂質體在食品中的應用。

3.1 精油脂質體在魚和水產品中的應用

魚類及水產品具有較高的水分活度、豐富的營養物質和適宜的pH值,適合病原微生物生長,這使得魚類和水產品的防腐和貯藏成為研究人員的重要課題。PEO脂質體的開發并運用在水產品上已有報道。以魚類為基礎的產品最容易受到銅綠假單胞菌、李斯特菌等的污染和生長,危害食品安全。LAEIN等[44]通過比較游離薄荷精油、薄荷精油脂質體以及明膠涂層結合脂質體使用,發現對比游離形式的精油,脂質體包埋薄荷精油具有更高的抗菌活性,并且當與涂層結合使用時,對防止魚片中的微生物生長效果顯著。這在CUI等[45]開發出的山蒼子精油脂質體的可食用涂層中同樣能夠證明,精油脂質體涂層作用于4 ℃的鮭魚對溶血性弧菌污染具有更高的抑制作用,延緩了鮭魚的氧化,有效保持了鮭魚的品質。表明經過脂質體包埋EO不僅具有更好的抗菌和抗氧化性,而且對水產品品質影響較小,具有較好市場前景。

3.2 精油脂質體在果蔬制品中的應用

新鮮果蔬水分含量高,不易貯藏,在運輸和貯存不當會導致食品產業鏈的重大經濟損失,PEO因其抗菌特性可以作為化學殺菌劑的天然替代品,防止果蔬中的真菌腐敗同時延長果蔬的保質期。ALIKHANI-KOUPAEI[46]將迷迭香和檸檬提取物利用脂質體進行包裹,并對降低蔬菜中過氧化物和多酚氧化酶活性、促進酶促褐變和營養損害的酶的作用進行了評估,結果表明該精油脂質體抑制了蔬菜的氧化和褐變。然而脂質體乳液貯存過程中容易聚集和沉淀,XU等[47]利用β-環糊精作為干燥保護劑,制備百里香精油固體脂質體,提高脂質體材料的熱穩定,作用在桃子上,抑制了采后褐腐病,保持采后果實品質。因此可以看出PEO脂質體可以用作新鮮果蔬的可食用涂層或噴霧,延長采后貯藏期,保持品質,該技術有望成為一種安全有效的延長新鮮果蔬保質期的方法。

3.3 精油脂質體在乳及乳制品的應用

乳及乳制品中的營養豐富, 微生物容易生長繁殖造成腐敗。常見在奶酪中添加植物提取物或PEO有助于賦予風味和抑制病原微生物。GIL等[50]通過在脂質體中添加百里香精油,延長了精油中生物活性物質在奶酪中的有效時長,同時羊奶酪中的總酚含量提高,抗氧化活性也得到提升。CUI等[52]將含有5.0 mg/mL的檸檬草油的脂質體應用于奶酪中,極大限度地減少了李斯特菌的污染風險并延長有效的抗菌時間,并不會影響感官特性。這表明PEO脂質體在奶酪制品具有較大的市場前景。

表2 精油脂質體在食品中的應用Table 2 Applications of essential oil liposomes in food

3.4 精油脂質體在肉及肉制品中的應用

肉及肉制品由于富含蛋白質、脂肪等營養物質,易受到大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、單增李斯特菌等多種微生物污染[61],造成肉品腐敗變質,同時氧氣、水分活度、溫度等因素也會對肉品品質造成不利影響。有研究表明經PEO脂質體處理的肉品,能夠抑制肉品中的微生物生長、延緩脂質氧化、維持肉品良好的風味和感官并延長貨架期[59]。ZHU等[62]將冷氮等離子處理的1%肉豆蔻精油固體脂質體應用于豬肉面糊的保鮮中,結果得出經脂質體技術處理后的肉樣在貯藏4 d內微生物數量、脂質氧化、蛋白質的氧化和降解得到明顯抑制,改善了肉組織的微觀結構、保水能力和黏彈性,有效保護豬肉面糊在貯存過程中的功能成分,延長了貨架期。經脂質體包封的PEO具有更持久的抗菌效果,同時經過PEO脂質體作用的肉品顏色質構及感官不會產生影響[58],這在CUI等[56]研究的百里香油脂質體中同樣有所體現,精油脂質體作用在雞肉中對腸炎沙門氏菌的抗菌活性明顯,以及該雞肉的色澤、風味、口感品質無明顯差異。然而常規脂質體存在穩定性差的問題,為了更好的擴大脂質體在食品中的應用,常利用聚合物,如殼聚糖、黃原膠體、聚環氧乙烷等形成納米纖維或膜對脂質體表面進行包裹以達到保護效果。CUI等[60]通過靜電紡絲技術修飾SiO2-丁香酚脂質體后并應用于牛肉保鮮中,肉品在長達60 d的貯存期間表現出穩定的抗氧化活性,有效延長牛肉貨架期。同時胡楊兵[63]研究證明經過殼聚糖包裹的精油脂質體提高了脂質體材料的熱穩定性,且相比于普通脂質體抗氧化性能提升。上述結果充分說明了精油脂質體在肉品保鮮領域應用中有進一步的研究價值。

4 展望

PEO脂質體包埋技術的研究與應用,增強了食品體系中PEO的穩定性和生物利用率,改善食品品質,延長貨架期。因此,PEO脂質體的研發與推廣將為食品貯藏保鮮領域提供一條新的發展路線。雖然目前對PEO脂質體的制備及應用的研究有一定的進展,但仍有很多問題亟待解決。首先,食品安全是消費者關注的重點,脂質體包封PEO運用在食品貯藏保鮮上,前提需保證脂質體膜材的安全性;第二,脂質體的傳統制備方法不適用于大規模生產,且存在包封率低和有機物殘留等問題;第三,脂質體與活性物質的相互作用機理模糊,精油從脂質體中釋放以及作用于不同食品基體的動態變化規律尚不清楚;第四,不同PEO脂質體都有各自優勢的抑菌和抗氧化特性,單一應用在食品中可能達不到預期的保藏效果。

針對以上問題,關于PEO脂質體的研究建議關注以下方面:a)開發新型脂質體膜材,提高穩定性、安全性,并降低成本;b)在傳統制備方法的基礎上開發新方法,將常規方法與新技術(如超臨界流控技術、超聲等)聯用,更有利于開發安全、穩定性高且包封效率好的PEO脂質體;c)通過構建模型進一步研究PEO脂質體、不同食品狀態之間的相互作用以及PEO從脂質體中緩釋和在基體中的遷移規律;d)由于不同食品中類存在狀態不同、菌相不同,可有針對性研究具體的PEO脂質體配方,有效延長食品的保鮮時間,為精油脂質體在食品領域應用提供一定參考;e)同時為各類食品達到更好的防腐保鮮效果,可嘗試運用柵欄技術,將PEO脂質體與各類保鮮技術聯用(如氣調、真空包裝、輻射處理等),減少PEO使用,降低成本,并有效延長食品的貯藏時間。因此,盡管PEO脂質體的應用受到諸多挑戰,但隨著研究的深入,PEO脂質體將具有廣泛的應用前景。