芸香科植物精油对食源性致病菌作用效果研究进展

刘姜汝， 邵景东， 朱雨琪， 秦晓杰， 李卓思， 董庆利， 王 翔*

1. 上海理工大学 健康科学与工程学院， 上海 200093; 2. 张家港海关综合技术中心， 张家港 215600

食源性疾病已成为全球非常关注的公共安全问题，据世界卫生组织估计，全球每年有6亿人因食用受污染食品而患病，并有42万人因此死亡，而食源性致病菌则是导致此类疾病发生的主要原因[1]。目前常见的食源性致病菌有金黄色葡萄球菌、致病性大肠埃希氏菌、沙门氏菌、单增李斯特菌等[2]。对食品产业链中食源性致病菌控制是保障食品安全的重要措施。

近年来，为了控制食品中微生物引起的食品质量和安全问题，食品行业对天然提取物作为新型抑菌剂的需求不断增加。与化学防腐剂相比，天然抑菌剂具有抑菌作用的同时具有安全、无毒和环保等优点。这其中植物精油因其来源丰富、抑菌活性强等优点具有广阔的应用前景。植物精油是一类从植物中提取的天然的、具有挥发性的芳香液体，具有抗氧化、抗菌和抗炎等广泛的生物活性，在应用中具有穿透力强、抑菌效率高、分子质量小、细菌不易产生耐药性等特点[3, 4]。在种类众多的植物精油中，芸香科植物精油资源丰富，比如常见的柑橘属的柠檬、柚、橙等水果的果皮可通过提取精油提升利用价值；此外常用于调味的花椒属的青花椒、红花椒等，香味浓郁，作为安全、环保的食品添加剂有很大的发展前景。

本文主要围绕芸香科植物精油对食源性致病菌的抑制效果开展综述，并阐述了精油的抑菌机制，概述了芸香科植物精油在食品应用中所面对的局限性以及应对措施，以期为芸香科植物精油在食品中合理高效的应用提供参考。

1 芸香科植物精油

从植物中提取出来的精油是存在于植物体内具有芳香性的次级代谢产物，是具有众多生物活性化学成分的混合物，成分较为复杂。这些活性成分主要可分为萜烯、醇、酚、醛、酮、酯和其他复杂的碳氢化合物[3,4]，其中具有良好抑菌作用的主要是醛类、酚类、醇类和酮类等[5]。芸香科植物精油中挥发性成分有单萜烯(柠檬烯)和倍半萜烯烃及其含氧衍生物的混合物，包括：醛(柠檬醛)、酮、酸、醇(芳樟醇)和酯，而且每种精油中均以柠檬烯占比最大。芸香科植物精油具有有效的生物活性，其在食品中应用抑菌特别是控制食源性致病菌是食品科学研究的重要内容。

2 芸香科植物精油对食源性致病菌的控制效果

2.1 柑橘属抑菌效果

研究表明，芸香科植物精油对沙门氏菌、单增李斯特菌、金黄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过最低抑菌浓度(MIC)、最低杀菌浓度(MBC)以及抑菌圈的大小为指标来判断(表1、表2)。由表可知不同芸香科植物精油对各种食源性致病菌的控制效果有所不同，芸香科不同属、种来源的精油控制效果也有一定的差别。芸香科的植物精油对革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌、单增李斯特菌等)和革兰氏阴性菌(沙门氏菌、伤寒杆菌等)均有一定的抑杀作用。

表1 柑橘属植物精油对食源性致病菌的控制效果

表2 花椒属植物精油对食源性致病菌的控制效果

芸香科柑橘属植物种类众多，多数是可以食用的水果，包括柠檬、柚、橘、橙、柑等，精油可从柑橘属植物的果皮和树叶中提取。总体来说，同种柑橘属精油对革兰氏阳性菌的控制效果要优于革兰氏阴性菌，GUO JJ等人[7]研究发现柠檬、蜜柚、沙田柚、常山胡柚、柑橘等果皮精油对铜绿假胞单菌均无良好控制效果，橙皮精油如脐橙、纽荷尔脐橙、酸橙对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、副伤寒沙门氏这些革兰氏阴性菌的控制效果很差或几乎无效果。这可能与细菌的细胞结构差异有关，革兰氏阴性细菌在细胞壁外还有一层由蛋白质、磷脂质、脂多糖形成的膜层，这限制了疏水化合物(如精油)通过此膜进行扩散，也就影响了精油对革兰氏阴性菌的作用效果[11]。

柑橘属的不同植物精油的抑菌效果有所区别，同样是针对金黄色葡萄球菌ATCC 29213标准菌株，常山胡柚果皮提取的精油产生的抑菌圈(27.76 mm)最大，其次是佛手柑果皮精油(25.65 mm)和柠檬果皮精油(17.67 mm)，丑橘果皮精油的抑菌圈最小为8.49 mm(表1)。

同种精油在不同研究中的抑菌效果也有差异，比如柠檬果皮精油，在刘巧等人[6]的研究中，对大肠杆菌的抑制效果要强于金黄色葡萄球菌，而在GUO JJ等人[7]的研究中，却得到相反的结果，这种差异可能与所采用柠檬的品种、生长环境差异有关，也可能与不同菌株对精油的耐受性差异有关。总体上，柚皮精油[6, 7, 12-14]的抑菌效果整体要强于柠檬皮[6, 7, 13]或叶[8]、橘皮[6, 7, 9]、橙皮[6, 7, 13]、柑皮[6, 7]的精油，在柑橘属精油中常山胡柚和佛手柑[7]的抑菌效果相对最好。柚皮、橙皮、橘皮、柑皮共有的主要成分有D-柠檬烯、α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯、罗勒烯、松油醇、芳樟醇、γ-松油烯、蒈烯、柠檬醛、萜烯醇、癸醛等。其中D-柠檬烯、α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯、罗勒烯在常山胡柚和佛手柑精油中含量均较多，而其他精油这五种成分相对较少，因此，这五种成分若以一定比例组成，可能会表现出良好的抗菌活性[7]。

柑橘属精油的抗菌活性主要归因于柠檬烯，芳樟醇，癸醛，辛醛，柠檬醛，香茅醛，百里香酚和α-甜橙醛。YI FP等人[15]研究表明，南丰蜜桔精油对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的抑制活性主要归因于癸醛、辛醛、柠檬醛、香茅醛、百里香酚、柠檬烯和芳樟醇，而其对革兰阴性大肠杆菌和铜绿假单胞菌的抑制可能是由辛醛、柠檬醛、香茅醛、柠檬烯、芳樟醇、α-甜橙醛和百里香酚引起的。柠檬烯作为柑橘属精油的主要成分并不起主要的杀菌作用[16]，芳樟醇的存在是抑菌的主要因素，一些含量较少的成分也可能通过协同和拮抗作用影响抑菌活性[7, 17]。

2.2 花椒属及其他属抑菌效果

花椒属植物精油多提取自果实，花椒、青花椒、红花椒等花椒属植物精油对金黄色葡萄球菌、伤寒杆菌等致病菌有良好的抑菌能力(表2)。花椒精油主要成分为芳樟醇，柠檬烯、桧烯、乙酸芳樟酯等，它们占精油的40%～56%，其中芳樟醇还是主要的气味贡献者[18]。特殊的芳香气味是影响花椒属精油在食品中广泛应用的主要原因之一。有研究表明芳樟醇含量较高的花椒对大肠杆菌的抑菌效果较好，推测芳樟醇为花椒精油中的主要抑菌成分[19]。

芸香科其他属植物，其中黄檗[23]的抑菌效果最好，金桔[9]次之，芸香[24]最弱，其中黄檗和金桔精油对革兰氏阴性菌的抑制能力强于革兰氏阳性菌，三种精油均对沙门氏菌的抑制能力较强。

2.3 抑菌机理

芸香科植物精油对食源性致病菌的抑制作用主要通过破坏细菌细胞膜结构或功能，引起细胞膜通透性的改变，使细胞内容物如各类无机盐离子、大分子核酸、大分子蛋白质等物质由菌体内外泄，使体内外物质失衡，导致细菌菌体细胞的正常形态和代谢功能丧失[23]。芸香科植物精油还可以促进蛋白质和酶变性以及K+、H+离子浓度失衡[25]。此外进入细胞内的精油还能损害线粒体膜，使得线粒体产生自由基进而氧化和损害脂质、蛋白质和DNA[26]，最后达到抑制或杀菌的目的。芸香科精油中包含许多化学成分，各组分间具有协同作用[27]。精油对细菌细胞的作用涉及多个靶点，这使得细菌难以对精油产生抗性，有助于抗生素耐药菌株的控制[28]。

2.3.1对细菌形态的影响

通过电子扫描显微镜和透射电子显微镜可观察精油处理对细菌结构的破坏作用。研究发现未经精油处理的大肠杆菌有规则的杆状，完整的表面和横纹状的细胞壁，而多数处理过的细菌变得不规则和不同程度的萎缩。未经处理的金黄色葡萄球菌细胞是球形的、规则的、完整的，并且具有光滑的表面，经处理后细胞膜出现点蚀并收缩，表面有孔。此外，还可以观察到细菌聚集，细胞碎片化和细胞内成分的泄漏。说明精油的作用会导致细菌的细胞膜的破坏并引起细胞内物质的损失[26]。

2.3.2对细胞壁的影响

由于细胞壁结构的差异，革兰氏阴性细菌可以耐受比革兰氏阳性细菌更高浓度的亲脂性化合物。革兰氏阴性细菌的细胞壁具有亲水性和排斥亲脂性化合物的性质，即革兰氏阴性细菌具有脂多糖分子存在的外膜，其提供亲水表面充当穿透屏障，阻断大分子和疏水化合物渗透到靶细胞膜中[26]，但其对亲脂性化合物并非完全不可渗透，小分子可以通过扩散穿过脂多糖层或通过蛋白质穿过细胞壁，最后与细胞膜的脂质双层相互作用[28]，因此与革兰氏阳性细菌相比，革兰氏阴性细菌对精油具有更好的耐受性。

2.3.3对细胞膜的影响

细胞膜是细菌细胞的关键结构成分，其破坏将导致核酸、蛋白质和其他细胞内物质的泄漏。因此，细胞内成分的渗漏可作为确定细胞膜完整性的典型指标[30]。SONG XY等人[31]用柑橘精油处理金黄色葡萄球菌，并通过测定细胞膜电位、细胞外核酸、蛋白质浓度、细胞内蛋白质浓度、细胞全蛋白和细胞内ATP浓度的变化等指标揭示精油对金黄色葡萄球菌的作用机制。研究发现精油处理后金黄色葡萄球菌的细胞膜电位明显降低和去极化；细胞内核酸、蛋白质发生了泄漏；精油处理后细菌ATP浓度显著降低，降低细胞内ATP浓度可以抑制ATP酶活性和ATP合成。精油处理后，金黄色葡萄球菌的细胞膜表现出不可逆的损伤，这种破坏作用通过增加的细胞膜通透性，使核酸、蛋白质和ATP泄漏增加以及改变了细菌形态。

3 食品中使用植物精油的局限性与改良应用

由于精油所具有的抗菌特性，精油可在食品中用通过抑制微生物来提升食品的质量和安全。但植物精油具有易挥发、不稳定、水溶性差的性质，且使得其在食品中的应用得到了一定的限制，因此在精油起到抑菌的同时，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适当掩蔽刺激性的气味。

3.1 与其他精油或抗菌剂复配使用

芸香科精油中的成分较为复杂，将其与其他种类精油进行复配或与其他抗菌剂进行联合使用时，可能会产生协同作用。研究发现罗勒-佛手柑、牛至-佛手柑复合精油的抗菌能力显著提高[11]。柚子精油乳液和水溶性壳聚糖的结合可以显著增强对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌作用[32]。柠檬精油及其与壳聚糖、氯化钙和纳他霉素的混合物不仅可以保持柑橘的营养和感官质量，这些物质按一定比例混合还可以提高柑橘保鲜效果[33]。柑橘精油与庆大霉素联合使用在3株耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)和1株甲氧西林敏感金黄色葡萄球菌(MSSA)菌株中表现出协同作用；来檬精油与庆大霉素联合使用在2株MRSA菌株中显示出协同作用[34]。通过精油与抗生素联用，可以有效地减少抗生素的不利影响，以减少耐药细菌的所需抗生素剂量，可降低成本并提供了更大的抗菌潜力。

3.2 纳米乳液

精油的疏水性对其在食品中应用有一定影响，精油纳米化可以使精油很容易地分散在微生物生长和增殖的食品区域。精油纳米乳液有增强物理化学稳定性、减少对其所在产品的影响以及增强抗菌活性等优点[35]。橙子、柑橘、葡萄柚和柠檬精油的纳米乳液对虹鳟鱼鱼片保质期具有更好的延长作用[36]。

3.3 微胶囊

精油的大多数成分对光线、水分、空气和高温敏感，因此需要合适的方法来增强它们的稳定性，精油封装是最有效技术之一。微胶囊化是以固体或液体的微小液滴形式包装精油的活性成分作为核心。包装壳可以是连续的薄膜或多孔的或穿孔材料制成，例如生物源的壳聚糖，明胶，海藻酸盐等。精油在胶囊内停留并受控释放，此外还可以保护精油免受不利反应和环境条件的影响[37,38]。以明胶、阿拉伯胶、壳聚糖和改性淀粉等为壁材料，以芸香科植物精油作核心物质，制备精油微胶囊，微胶囊比原始精油具有更好的选择性抗菌性能[39,40]。精油微胶囊可应用于肉制品[41, 42]、鲜果蔬[43]、大米[44]等食品的保鲜及贮藏。同时精油的微胶囊化可以有效屏蔽一定的气味，掩盖或减少芯材(精油)的气味[43]。

3.4 可食用薄膜或涂层

可食用薄膜或涂层是应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层之间形成薄层[45]，可以保护食品品质[46]。可食用薄膜可用作添加剂的载体，可在薄膜中掺入精油，实现薄膜和精油功能的叠加，同时可以减少精油的强烈香气[47]。薄膜或涂层常用的生物性聚合物有纤维素、壳聚糖、明胶和海藻酸盐等。已研究的明胶/壳聚糖薄膜结合柠檬精油[48]，TiO2纳米颗粒和Ag纳米颗粒的聚乳酸(PLA)纳米薄膜结合佛手柑精油[49]等均显示了良好的抑菌特性和在食品中的应用前景。

3.5 食品包装

食品包装的作用已经从传统的包装角色发展到包括微生物安全、环境可持续性等方面。抗菌活性包装是一种新型特殊类型的包装，将抗菌剂与食品包装相关联，可以实现以阻碍微生物增殖的作用。例如将非常少量的百里酚、葡萄柚精油和柠檬精油与气调包装结合使用可以提高蓝鱼汉堡的质量并延长保藏期[50]；将粉红胡椒精油的乳液微胶囊化并应用于聚对苯二甲酸乙二醇酯盒中，在水果保鲜方面表现出良好应用潜力[51]。

4 总结与展望

植物精油作为天然新型食品添加剂具有良好的应用潜力，对于芸香科植物来说，精油的提取并应用是对果皮等废料的重复利用，不仅对环境友好还提升了产品附加值；芸香科植物具有良好的风味，可以加入到食品中应用；芸香科植物精油对食源性致病菌具有较好的控制效果，此外还有抗菌、抗氧化等生物活性。虽然芸香科精油具有以上优点，但仍具有易挥发、不稳定、具疏水性等性质限制着精油在食品中的应用，因此精油在食品体系中的改良应用仍然是重要的研究内容。

为了实现研究结果统一性和可比较性，在精油对不同细菌的控制效果的研究中，建议进一步对研究方法进行规范与标准化：实验标明菌种的同时，也应该同时表明菌株，这样可以更加明确精油的抑菌效果；抑菌指标的单位统一方便比较分析；在抑菌圈实验中应用牛津杯、滤纸片或打孔的大小建议标明准确大小。

之后精油的研究和应用领域工作可以从以下方面开展：a. 更加深入的研究精油对食源性致病菌的控制效果，特别是对新发以及潜在致病菌的抑制以及精油对细菌抗性、毒力等其他生物学特性的影响作用；b. 研究不同精油复配使用或与不同抗菌剂复配使用对食源性致病菌的控制效果以及抑菌机制；c. 研究精油在纳米乳液、微胶囊、可食用薄膜或涂层、食品包装等在不同食品中的具体应用；d. 利用栅栏技术将精油与其他可控制致病菌的方法联用(如其他冷杀菌技术)，研究食品中微生物的控制与食品保质期的延长效果。