植物精油穩定性的改善及其在食品中應用研究進展

湯友軍,魯曉翔

(天津商業大學生物技術與食品科學學院,天津市食品生物技術重點實驗室,天津 300134)

水果和蔬菜、肉類等食品含有豐富的營養物質,不僅是人類飲食的重要組成部分,更是食品工業加工領域的重要原料,其供需量極大[1]。食品中微生物的污染是導致其在冷藏過程中腐敗變質的主要原因之一[2]。然而,比之于傳統的物理、化學等保鮮方法,植物精油作為一種天然植物提取物,能夠抑制食品在冷藏過程中病原體的生長和微生物的污染[3],以其具有綠色、安全、高效、原料易得和提取工藝簡單等優點成為新型食品保鮮方法應運而生,具有廣泛的應用和開發前景。

但植物精油作為一種油狀液體難溶于水、具有刺激性氣味、易揮發、生物利用度不高,對溫度、紫外線敏感,暴露在空氣中易分解,在低溫下還會有結晶析出等不足[4]。在利用精油進行食品保鮮中,需要精油在水相中發揮效用,精油的上述不足使其應用受到了極大的限制。因此,研究如何改善植物精油的穩定性,為植物精油的應用和綜合開發拓寬途徑具有重要的研究意義。

1 植物精油

植物精油(essential oil)是一類從植物中提取的次生代謝物質,分子量較小且可隨水蒸氣蒸出,具有一定芳香性、揮發性的油狀液體物。精油類化合物廣泛分布于桃金娘科、樟科、蕓香科、傘形科、唇形科、姜科、菊科等植物中,集中在植物的根、莖、皮、葉和花果等非木質器官中,如丁香花蕾含有15%～20%的精油[5-6]。同一植物不同部位所含精油的有效成分也存在差異,如樟科桂屬植物的樹皮精油多含桂皮醛,葉中主要含丁香酚,根和莖的木質部主要含樟腦。植物精油所含化學成分復雜,主要成分有萜類衍生物、芳香族化合物、脂肪族化合物、含氮含硫類化合物等,如表1所示。目前,人們發現的精油已超過3000種,其中1340多種精油具有很好的抗菌、抑菌活性,已開發利用的約300余種[7-8]。植物精油作為一種無毒、無害的天然提取物,其有效成分具有抗氧化、抗病毒和抗菌等多重藥理作用,已廣泛的應用于食品保鮮等領域[9-11]。

表1 植物精油的主要成分Table 1 Main component of plant essential oils

2 改善植物精油穩定性的方法

對于改善植物精油的低水溶性、高揮發性等不足,國內外進行了大量的研究,研究表明,對精油進行包封能夠提高精油的溶解度和生物利用率,保護其活性成分并控制其釋放,提高精油的貯藏穩定性和使用性能。包封精油的主要方法有脂質體技術和微膠囊技術,此外,精油微乳液和納米乳液對增強精油的水溶性、抑制其揮發及提高精油生物利用率也得到了很好的應用。

2.1 微膠囊

微膠囊(microencapsulation)是一種保存固體、氣體和液體的微型包裝技術,指利用天然或合成的高分子成膜材料為壁材將敏感性芯材包埋于其中的一種技術,可以有效防止芯材敏感成分受到外界不良因素的影響[12-13]。常用于微膠囊壁材的物質有:麥芽糊精、變性淀粉、環糊精等碳水化合物,單甘酯、硬脂酸甘油三酯和蜂蠟等脂類,明膠、麥醇溶蛋白、大豆蛋白、乳清蛋白等蛋白質[14]。

微膠囊化能夠改變物料的溶解性、揮發性等物理狀態,保護敏感性芯材成分,控制芯材釋放,延長芯材的作用時間,從而提高芯材在應用過程中的穩定性。微膠囊還具有隔離活性成分,減少食品成分直接接觸添加劑降低其效果,掩蓋不良風味等作用[15-16]。但微膠囊的制作過程比較復雜,且成本較高,為固體粉末,限制了其在食品中的應用。

鄭義等[17]研究表明,以桂花精油與壁材(阿拉伯膠∶麥芽糊精1∶2.5)為1∶6質量分數制成精油微膠囊,產品中桂花精油的含量為12.62%,能夠有效防止光照、酸堿和氧氣等外界因素對桂花精油在貯運過程中造成不良影響,提高桂花精油的貯藏穩定性。王娣等[18]以啤酒廢酵母為壁材包埋制備百里香精油微膠囊,發現微膠囊對百里香精油具有很好的緩釋作用,當精油與酵母為2∶1,包埋時間為10 h,包埋溫度為60 ℃,百里香精油的包埋率為86.71%,在100 ℃的條件下加熱30 h,精油微膠囊的揮發率為15.8%,有效延長了精油的使用壽命。孫旭等[19]研究表明,125 μL/L丁香精油微膠囊能夠很好的抑制櫻桃番茄的自然腐爛,7 d后僅為7.3%。250 μL/L丁香精油微膠囊對抑制葡萄自然腐爛效果最佳,7 d后僅為12.9%。

諸多研究結果表明,將桂花精油、百里香精油、丁香精油等植物精油微膠囊化能有效防止光照、氧氣、酸堿等因素對精油的影響,對精油具有良好的包埋效果,能夠延緩精油的油脂氧化及其活性成分的釋放速度,提高精油貯藏穩定性,在櫻桃番茄等果蔬保鮮中效果顯著。因此,微膠囊技術是改善植物精油穩定性的有效方法之一。

2.2 微乳液

微乳液(micro-emulsion)是一種由一定比例的水、油、表面活性劑和助表面活性劑自發形成的透明或半透明、粘度低,粒徑為1～100 nm的穩定體系[20]。微乳液可分為水包油型(O/W)、雙連續型(B.C)和油包水型(W/O)。

微乳通過將油相包埋在顆粒內,利用微乳成膜機制避免與腸胃液直接接觸,緩解了腸胃對油相的消化作用,提高載物在腸胃消化液中的穩定性,防止對載物的酶降解[21]。精油微乳液既能有效抑制精油揮發、增強其水溶性和抑菌活性,而且還可以保護包埋物不受光、熱、氧等外環境因素的影響。

陶紫等[22]通過繪制偽三元相圖制備香茅草精油微乳液,以吐溫80為表面活性劑,無水乙醇為助表面活性劑、去離子水為水相,結果表明,吐溫80與無水乙醇的質量比(Km)為3∶1,Km與精油的質量比為8∶2,水分含量為70%的O/W型的穩定均一的微乳液能夠解決香茅草精油在應用過程中水溶性差等問題,通過DPPH自由基清除法,氧自由基及過氧自由基清除法分析比較香茅草精油和香茅草精油微乳液的體外抗氧化作用,結果表明,香茅草精油微乳液在水相環境中的抗氧化活性顯著優于香茅草精油。趙瑞鵬等[23]研究發現,檸檬精油微乳液能顯著提高檸檬精油在水油兩相中的溶解能力,250 μL/L檸檬精油微乳液處理蘋果,在4 ℃冷藏5 d后,對照組的可溶性固形物含量為12.18%,其處理組為13.08%,效果顯著。500 μL/L檸檬精油微乳液處理蘋果,與對照組相比,總菌數降低了0.32 lg cfu/g,能夠較好地抑制蘋果在冷藏過程中微生物的生長。

將香茅草精油、檸檬精油等植物精油制備成微乳液,精油微乳液可以實現精油的增效與增溶,對蘋果等果蔬具有良好的保鮮效果。因此,將植物精油制備成微乳液對于提高其穩定性和增加其應用范圍提供了新的思路。

2.3 納米乳

納米乳(nanoemulsion)是一類由水相、油相和表面活性劑按比例制成的粒徑為10～100 nm,大小均勻,透明或半透明的膠體分散體系[24]。精油納米乳液具有高生物活性,高穩定性,高光學透明度等物理化學性質。常用的制備納米乳液的方法有高能乳化法和低能乳化法[25]。

納米化可提高精油類等疏水性物質在水相體系中溶解性,增加分散度,防止精油生物活性物質的降解,提高其生物利用率,具有緩釋和靶向等作用[26]。與微乳液相比,制備精油納米乳所需的表面活性劑較少,且其具有更好的滲透性、穩定性,使得精油納米乳液在食品中的應用越來越廣泛[27]。但納米乳為熱力學不穩定體系,不能自發形成,需要外界提供機械作用力[28]。

甜橙精油是由85%～99%揮發性物質和1%～15%非揮發性物質組成,具有良好的抑菌作用,其抑菌性能與其高含量的揮發性物質有關,任婧楠等[29]采用相轉變點法制備甜橙精油納米乳液,結果表明,14%甜橙精油納米乳液可以克服甜橙精油的不穩定性、高揮發性和水不溶性等不足,對桔青霉、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和大腸桿菌的抑菌圈直徑分別為9.0、9.7、14.0和11.7 mm。青霉和黑曲霉是引起糧食霉變的常見微生物。周漢軍[30]以12.77%(m/m)的復合表面活性劑(Cremophor EL30與無水乙醇為4∶1)和12.05%(m/m)桉葉精油制備納米乳,其平均粒徑為(39.29±1.21) nm,多分散系數為0.155±0.006,納米乳液存放90 d后仍然穩定,精油納米化增加了精油在水中的溶解性,增強了其抑菌活性,與常乳對青霉的最低殺菌濃度(MBC)為16 μL/mL相比,粒徑為164.2和352.4 nm納米乳對青霉的MBC分別為14和15 μL/mL。

將甜橙精油、桉葉精油等植物精油制備成納米乳,納米乳可以延緩精油及其活性成分的揮發,能夠提高精油在水中的溶解性,增強其抑菌性能,擴大了植物精油在食品工業中的應用范圍。因此,采用納米技術對植物精油進行包封以提高其穩定性具有一定的應用前景。

2.4 脂質體

脂質體(liposome)是一種人工制備的球狀小囊泡,由脂質雙分子層組成,直徑在25～1000 nm。脂質體的脂質雙分子層的內外表面通常由磷脂分子的親水性頭部形成,磷脂分子的疏水性尾部位于中間,如圖1所示。脂質體一般由膽固醇、磷脂和一些表面活性劑等材料構成。脂質體的制備方法有超聲法、薄膜法、超臨界CO2法等。

圖1 脂質體結構示意圖Fig.1 Structure diagram of liposome

脂質體包封精油提高了其在水中的溶解性,能夠保護被包埋的活性物質,使它在轉運過程中免受酶和免疫系統的破壞,提高其穩定性;同時還具有緩釋作用,延長被包埋物的殺菌作用[31]。有研究表明[32],利用脂質體對天然抗氧化劑進行包埋,可以使活性物質選擇在特定部位靶向釋放,有效防止活性成分的揮發,顯著提高抗氧化效果。然而脂質體對酸、熱等因素敏感,貯藏過程中易發生絮凝、聚集融合,使被包埋物泄露,在澄清的飲料等產品中的應用受到限制[33]。

趙呈婷等[34]采用波薄膜-超聲分散法制備丁香精油脂質體,結果表明,丁香精油濃度為5 mg/mL時,脂質體的穩定性最好,其平均粒徑為149.2 nm,pH為7.12,Zeta電勢為-24.5 mV,包封率為20.41%。原子力顯微鏡觀測到丁香精油脂質體顆粒分散均勻、無明顯聚集現象,脂質體儲存至60 d具有較好的穩定性。丁香精油脂質體具有長效殺菌作用,將其應用于豆制品中5 d,其對豆制品中的金黃色葡萄球菌的殺菌率為99.995%。肉類食品含水量高,且富含蛋白質、脂類,是微生物生長繁殖的“天然培養基”。張雪婧[35]采用薄膜分散法制備豆蔻精油脂質體以提高其化學穩定性,結果表明,當脂質體中豆蔻精油為4 mg/mL時,其精油包封率為28.5%,Zeta電勢為-49.2 mV。脂質體包封的豆蔻精油具有緩釋,高抗菌活性等性能,經豆蔻精油脂質體處理的牛肉、豬肉和雞肉,其單核細胞增生李斯特菌幾乎均減少99.9%。

將丁香精油、豆蔻精油等植物精油制備成脂質體,能顯著提高植物精油的水溶性和穩定性,延長植物精油的使用壽命和在食品應用中控釋保鮮效果,對抑制豬肉等肉類食品中微生物的生長效果顯著。精油脂質體作為一種綠色無毒的保鮮技術具有一定潛力。

3 結語與展望

國內外研究結果表明,植物精油微膠囊、微乳、脂質體、納米乳等有效地克服了植物精油高揮發性、低水溶性以及對光、熱和溫度敏感等不足,大大提高了植物精油在應用和貯藏過程中的穩定性、抑菌活性等性能,對于拓寬植物精油的應用領域及在食品防腐保鮮方面具有重要意義。植物精油存在的問題及研究方向:

果蔬和植物精油之間的混合芳香氣味與消費者的喜好。果蔬含有醇類、酯類、酸類等揮發性風味物質和有機酸、可溶性糖、游離氨基酸等非揮發性風味物質。植物精油作為一種芳香性、揮發性的油狀液體物質對果蔬風味的影響以及與人們的喜好有待進一步研究。

目前對于植物精油的研究多是直接用于果蔬等食物的保鮮,植物精油微膠囊、脂質體等用于食物保鮮的研究較少,對植物精油微膠囊、微乳液、納米乳等包埋溫度、包埋時間等條件進行優化以更好的用于果蔬等食物的保鮮。

植物精油是一種天然混合物,其抑菌活性的作用機理還不夠明確。精油成分復雜,組分間的相互作用復雜多變,例如香芹酚和百里香酚是牛至精油發揮抗氧化活性的關鍵成分。對植物精油中的成分與微生物進行抑菌性分析,以更好的用于果蔬等食品的保鮮。