植物精油的抗菌性能及其應用研究進展

劉德贊, 李文茹, 謝小保*

1.仲愷農業工程學院,廣東 廣州 510225；2.廣東省科學院微生物研究所，華南應用微生物國家重點實驗室，廣東省菌種保藏與應用重點實驗室,廣東 廣州 510070

隨著生活質量的提升，人們在產品的選擇上更加傾向于選擇綠色、低毒、低殘留、高效環保的產品。因此無毒害、安全度高、對環境友好的植物源產品被高度認可[1]。

植物精油(plant essential oils)又被稱為香精油[2]，是從植物的花、葉、莖、種子、果實、根或皮中提取的天然生物活性成分[3],相對分子質量通常較小，具有獨特氣味和揮發性，顏色較淡甚至無色，屬于植物體自身的次級代謝產物，常被冠以“液體黃金”的美名[4]。常溫下呈油狀液體，難溶于水，易溶于有機溶劑[5]。

植物精油成分復雜多樣，通常含有幾十種甚至幾百種，按化學成分常被分為以下四類：萜類化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物及含氮含硫類化合物[6]。不同精油的主要成分有較高相似度，因此精油的理化性質和生物活性也較類似。其中占主要比例的萜類化合物，大多數為單萜類，包括單萜烴、氧化單萜等。倍半萜、二萜及其含氧衍生物的應用也較為普遍[3]。

1 植物精油的提取

精油廣泛存在于植物中，含精油較為豐富的科屬有樟科、桃金娘科、蕓香科、唇形科、蓼科、姜科和傘形科等[7]。

植物精油的天然含量較低，雖然特殊植物部位含量較高，但多數通常不足1%[8]，壓榨、蒸餾、萃取等措施是獲得高濃度精油的必要操作，水蒸汽蒸餾法因具有設備簡單、操作簡便和提取成本低等優點被大量用于商業化[9]。

現有的提取方法中，溶劑提取法、壓榨法、吸收法、酶提取法、微波萃取法、超聲波提取法、結晶法、超臨界流體萃取和分子蒸餾法[1]也是較為成熟的提取方法，但相較于水蒸氣蒸餾法應用不夠普遍。

精油含量及成分組成因易受提取部位、植物年齡、季節及氣候變化的影響而有明顯差異[10]，且提取到的活性成分及其比例與提取方式有關，不同的提取方式獲得的提取物也有明顯差異[11]。

2 精油抑菌、防霉優勢

2.1 環境相容性

植物精油中的成分都是天然存在的，早已具有完整的循環降解方式,不會對生態環境帶來不利隱患[6]。常用的丁香油、茶樹油和肉桂油等，因具有廣譜抗菌性，同時具有高揮發性和低殘留等特點，已成為綠色殺菌劑的重要來源之一[10]。

2.2 安全低毒、不易產生抗藥性

植物精油毒性通常較小，對環境、動物都相對安全,對非靶標生物影響很小[6]；精油作用機理較為復雜,常具有多位靶點, 使得靶標物難以產生抗性，且通常數種成分存在協同效應，保證應用效果的同時減小了使用量,降低了精油的應用代價[6]。

3 植物精油抑菌、防霉機理

植物精油是天然混合物，成分復雜，含有幾十種甚至幾百種成分。植物精油的主要成分和協同作用決定精油的抗菌活性[7]。各成分的抑菌機理具有顯著差異性，因此植物精油抑菌機制是多樣的而非單一的、是復雜的而非簡單的[12]。

隨著對精油抗菌機理研究的不斷深入，目前抗菌方式主要被分為以下四類：破壞菌體外層保護結構使細胞通透性增強；破壞呼吸、代謝系統使能量代謝紊亂；阻礙核酸、蛋白質的合成過程影響細胞結構及功能；抑制菌體及分生孢子的產生,阻斷病原菌后代產生,使菌群體逐漸衰亡[10,13]。

3.1 對微生物細胞壁的作用

細胞壁作為細胞的保護屏障，可以降低對藥物的敏感性，而細胞壁的主要成分和與細胞壁有關的酶可作為精油活性成分的重要作用位點[14]。肉桂醛可通過阻礙葡聚糖和幾丁質的合成使細胞壁受損，植物精油中的酚類物質可影響細胞壁的功能,最終導致細胞因缺少保護組織而衰亡[15]；精油中的α-松油烯能影響與細胞壁結構和功能有關的基因導致釀酒酵母的抵抗力下降，促進了精油的抗菌效果[16]。

MANSO等通過電鏡觀察肉桂精油對黃曲霉菌結構的影響，發現肉桂精油能使黃曲霉細胞壁和細胞膜出現異常，失去對細胞的保護作用，加之精油的疏水性抑制了膜的流動性，進而抑制了黃曲霉菌的生長[13，17]。

3.2 對微生物細胞膜的作用

粗果芹精油、孜然精油等可以破壞黃曲霉的細胞膜結構，增大膜的通透性，導致細胞內重要離子或物質流出，引起細胞死亡，從而達到抑制黃曲霉的效果[18]。

植物精油中的香葉醇通過破壞細胞膜脂質層的雙層膜結構,使細胞內容物外泄,最終導致細胞死亡[19]；百里香精油通過影響雙層磷脂的完整性改變了細胞膜的滲透性導致核酸、蛋白質和鉀從細胞內部泄漏，可使細胞在5 min內死亡[20]；p-茴香醛可通過損傷酸腐病菌的細胞膜及其細胞壁，造成胞內物質外泄，導致菌絲體凋亡，顯著抑制了酸腐病菌的生長[21]；甘草酸、連翹皂苷抑菌成分,可破壞霉菌細胞膜結構, 消除膜對菌體的保護作用，導致內容物外漏,造成菌體的死亡[22]。

3.3 對呼吸系統和能量代謝的作用

香茅精油、山蒼子油、蒔蘿精油和馬鞭草精油等的抗菌作用是通過破壞菌體線粒體膜，影響細胞的能量代謝，得以實現并最終導致細胞死亡[19]。

TANG等研究發現，從馬鞭草精油中提取出來的香葉醇，在濃度為0.5～0.6 μg/mL時抑菌率為98.44%。經香葉醇處理的黃曲霉菌體內活性氧大幅度增加，達到74.2%±5.5%，說明香葉醇處理明顯刺激了活性氧的產生，導致線粒體的功能紊亂并最終導致細胞死亡[23]。

當糖的氧化分解過程遭到抑制,會阻礙細胞正常的供能，進而影響細胞功能使其受損,甚至導致生物體死亡[24]。抑菌物質可以通過阻止病原微生物對葡萄糖的吸收和利用，來阻止能源的供應，致使病原菌細胞生長和繁殖受阻，從而達到抗活性的效果[25]。

3.4 對細胞核酸和蛋白質的影響

核酸是一切生物體重要的遺傳物質,對生命的生長、延續都起著決定作用,并控制蛋白質的合成及代謝過程[18]，而蛋白質作為生命的物質基礎，是生命活動的主要承擔者。植物精油作用于菌體后，會影響核酸的正常轉錄、編碼導致蛋白質合成量減少，尤其是對結構蛋白、催化蛋白的合成進行抑制，使菌體正常功能遭到破壞，達到抑菌、抗菌的效果[13，26]。

電泳試驗發現甘草、連翹提取液中的有效成分進入細胞內后,可以阻止蛋白的合成、破壞蛋白結構,降低酶系統的活性,擾亂菌體細胞正常的生理活動,達到抑菌目的[22]。

3.5 對孢子萌發及菌體生長的影響

孢子是細胞受損進入自我保護時或利于繁殖時產生的,能直接發育為新個體，對菌群意義非凡。精油的有效成分可通過抑制孢子的形成和萌發起到抑菌作用[14]。

對麝香草酚誘導黃曲霉孢子死亡機制的探究得知：當濃度大于100 μg/mL時，絕大多數孢子出現凹陷形態變化，當濃度達到200 μg/mL時幾乎所有的孢子已經失去活力，對孢子的抑制、殺滅效果十分顯著[27]。

丁香精油可有效抑制膠孢炭疽菌孢子的萌發，濃度為100 μL/L時孢子萌發率幾乎下降一半，為52.9%，濃度為200 μL/L及以上時孢子萌發率均在5%以下，幾乎受到全部抑制；同時，濃度為200 μL/L時,芽管長度降低至26.7%，濃度為400 μL/L時,芽管長度顯著降低為5.3%，濃度為800 μL/L時孢子萌發則全部受到抑制[28]。

肉桂精油處理尖孢鐮刀菌后發現25 μL/L的濃度即可使其出現強烈變形，發生皺縮和凹陷，同時也使鏈格孢菌表面變得粗糙、灰葡萄孢菌菌絲皺縮，且菌絲之間出現嚴重黏連現象，從而抑制菌體活性[29]。

4 植物精油的應用

植物精油是安全、天然、無污染的優良植物源產物，具有廣譜殺菌功效，殺菌、殺蟲效果優良[30]，不僅廣泛用于食品、醫藥等方面[14]，而且在工業防霉領域得到廣泛研究。

4.1 在食品中的應用

GONG等利用微膠囊技術研究了丁香酚對荔枝的保鮮儲存效果，結果證明丁香酚延長保鮮期的效果十分明顯，顯著降低了腐爛霉變的發生[31]。

劉倩實驗發現復配精油可提高冷鮮羊肉中的POD、SOD的比例，使冷鮮羊肉的保鮮期提高了一倍，且菌落總數顯著低于空白對照組[32]。

薄荷精油微乳后用于飲品中，可提高乳品的水溶穩定性，抑制微生物的生長，對于延長飲品貨架期具有潛在應用價值[33]。

4.2 在醫療中的應用

TAO等發現百里香精油通過微膠囊包裹后可實現80%左右的包埋率，有效延長了對大腸桿菌K12的抑制效果[34]。

張寧慧等發現姜黃油可顯著提高抗氧化酶的活性，減少自由基的生成，有效降低細胞氧化應激反應的發生率[35]。同時，動物試驗證明姜黃精油能夠有效抑制肝癌細胞的擴增，降低小鼠肝癌的發生率[36]。

4.3 在工業中的應用

陳文怡向云產卷煙中加入微膠囊化肉桂醛，測得不同濕度下卷煙霉菌數量均維持在霉變臨界值2 500 CFU/g以下，未達到霉變標準，表明0.5%添加量的微膠囊化肉桂醛作為卷煙防霉劑可以有效防止成品卷煙在貯存期間的霉變[37]。

余行等實驗發現山蒼子精油、肉桂精油和生姜精油復配后對霉菌的抑制顯著優于單一精油抑制效果；等體積復配后能有效延緩顆粒飼料的發霉，最高可延長44%的保存期[38]。

胡拉等研究證明肉桂、丁香花和百里香復配后在木材霉變防治中效果較好，并且在體積分數0.05%的條件下對6種霉變菌的抑菌效力均達到100%[39]。

5 植物精油存在的短板及開發應用面臨的挑戰

5.1 成分復雜且穩定性差

植物精油為次級代謝產物，總含量及各組分含量受自身、環境等多種因素影響，使其有效成分不易確定和檢測[40]。

植物精油是多種化合物的混合物,其抗菌性能是多種化合物及其異構體協同作用的結果,其主要作用機制尚不明確[41]。

植物精油易揮發，對空氣、陽光及溫度等影響較敏感，氧化后會迅速降解,穩定性差[42]。

5.2 毒性問題

精油安全低毒不是嚴格的描述,尚存在半數致死量(LD50)小于500 mg/kg、毒性大于普通低毒農藥的精油,不應該認為所有精油成分均安全無毒,杜絕以偏概全、片面認識[6]。

5.3 經濟成本

植物精油中活性成分含量較低，提取技術工藝較復雜，提取成本較高且提取的精油成分不易確定，精油有效成分中單體化合物的開發應用是技術突破的重點[6,36]。有效成分易氧化、易揮發、難溶解，必須通過緩釋技術配合使用，導致使用、推廣成本升高[43]。

5.4 機理復雜、不明確

抑菌機理研究不夠深入、不夠具體。抑菌機理往往并不單一，并且存在隨濃度的不同存在差異、高濃度時作用機理與低濃度時不盡相同的情況：高濃度的肉桂醛通過抑制細胞膜上的酶活性,使胞內物質外滲導致細菌死亡；中等濃度時通過影響生物膜的合成從而起到抑菌作用；低濃度時通過影響細胞正常分裂起到抑菌作用[44]。

6 植物精油應用展望

目前在食品、醫療、工業應用等領域，抗菌主要是利用化學手段，精油屬于天然產品，開發和利用符合“平衡與共生”的理念，隨著環保意識的提升，精油在抗菌中的應用會不斷擴大甚至會逐漸占據主導地位[45,46]。

通過微膠囊、PE膜等技術克服精油本身易揮發易氧化等不足，可以明顯提高精油產品的應用領域，對精油產品的推廣具有積極作用[47]。