植物精油對采后農產品抑菌作用的研究進展

盧 錕，龔吉軍

（中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

植物精油又稱香精油、芳香油和揮發油，是存在于植物中的一類具芳香氣味、可隨水蒸氣蒸餾出來而又與水不相溶的揮發性油狀成分的總稱，是植物的次生代謝產物，主要含有萜類、醇類、醛類、酸類、酚類、芳香族化合物類等。植物精油具有抑菌、殺蟲、抗氧化等作用[1-2]。

目前，食品抑菌保鮮劑絕大多數為化學合成保鮮劑，這類保鮮劑對食品的保鮮效果好且價格相對便宜。但是隨著科技的發展，人們逐漸認識到化學保鮮劑對人體健康的危害，如低毒農藥殘留對人體有毒副作用、苯甲酸和亞硫酸鹽可能引起過敏、由亞硝酸鹽轉化而成的亞硝胺具致癌性等。以天然、無毒、具高效且廣譜抑菌活性的植物精油開發食品保鮮劑，潛力大，前景好。本文主要對植物精油在農產品保鮮方面的相關研究進行綜述，以期為其進一步研究、開發及利用提供參考。

1 植物精油的抑菌機理

植物精油中存在多種天然抑菌活性成分，賦予其在農產品保鮮方面巨大的應用潛力。但植物精油的成分復雜，其組分間的相互作用亦復雜。植物精油的抑菌作用主要由其中的一種或幾種主要成分決定，不同的成分間也可能存在協同作用[3]。植物精油的抑菌機理，迄今未完全闡明。植物精油發揮抑菌作用可能主要緣于以下幾方面：一是造成微生物細胞壁的損傷，細胞壁是植物精油作用微生物的初始靶點，革蘭氏陽性菌細胞壁由多層網狀的肽聚糖組成，且有膜磷壁酸和壁磷壁酸與之相連，因而具有親脂性，而革蘭氏陰性菌細胞壁由單層肽聚糖結合外覆含有脂多糖、脂蛋白、磷脂等的脂質雙層膜組成，且不含磷壁酸，故具有親水性，因此革蘭氏陽性菌對植物精油具有更強的敏感性，而革蘭氏陰性菌對疏水的植物精油抑菌成分具有更強的抵抗力。但也有特殊情況，如百里香精油對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均有較好的抑制效果[4]，其機理有待深入研究；二是植物精油的疏水性引起革蘭氏陽性菌細胞膜透性的增加，使膜結構破壞而細胞內容物外泄，引起膜脂、膜蛋白的改變，抑制酶系統，阻塞離子通透性[5-7]，引起能量代謝異常，或導致腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）與還原型輔酶Ⅱ（NADPH）的流失，或影響ATP的合成[8-9]；三是抑制基因表達，損傷DNA結構，影響其遺傳信息的傳遞，抑制其繁殖，甚至導致死亡，但其機理仍不太清楚，有待進一步研究[10]。上述作用的發揮，關鍵在于兩個方面：一是植物精油的疏水性導致微生物膜透性改變；二是誘發活性氧簇（Reactiveoxygen species，ROS）的爆發而形成對微生物酶系統、膜脂、膜蛋白及DNA的不可逆氧化損傷。

考慮到植物精油成分的復雜性，其抑菌活性可能并不歸因于某個特定機制，而是多因素作用于微生物的多個靶點[11]。以α-蒎烯為主要成分的黃檗果實精油對沙門氏菌的抑制是通過破壞細胞膜的通透性與完整性、抑制能量代謝、氧化損傷來實現的[12]。丁香精油能溶解細菌細胞膜，致細胞內物質大量流出，也能抑制細菌ATP的合成，阻斷細胞的能量供給，還能抑制核酸的合成，從而影響細菌的生長繁殖[13]。茶樹精油除了能導致番茄灰葡萄孢菌（Botrytis cinerea）和金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）細胞膜的通透性增強、菌絲形態畸變及超微結構變化[14-15]外，還可通過H2O2的積累誘導活性氧（ROS）爆發引起氧化損傷[14]。山蒼子精油的主要成分檸檬醛能改變黃曲霉菌膜的選擇通透性，破壞其對表面形態結構穩定性的控制，誘導細胞質膜結構和線粒體形態結構異常而使其相應的生理功能衰變，還能使細胞質膜脂質過氧化，產生大量自由基引起親核攻擊而致細胞核DNA鏈局部斷裂[16]。

鑒于植物精油的成分復雜，這些成分的立體化學結構、親脂性和相互作用都會影響微生物的結構與功能，導致其能量代謝、物質循環和/或遺傳能力的異常；另外，對微生物生理功能受植物精油干擾是否有先后順序或關聯性也并不清楚，因而其抑菌機制異常復雜，已有的研究遠未透徹，仍有待系統、深入地研究。

2 植物精油對采后農產品的抑菌作用

2.1 植物精油對采后果蔬的抑菌作用

果蔬采收后由于失去了外部營養和水分來源，而其呼吸和蒸騰作用仍在繼續，造成果蔬的抗病能力與品質下降。果蔬采后易受到病原微生物的侵染而引起腐爛變質，而植物精油具有抑菌活性，可用于果蔬采后的抑菌保鮮。

對高溫季節上市、易腐果蔬的抑菌效果是植物精油保鮮研究的重點，大部分研究僅探究了植物精油對從果蔬分離出的主要病原微生物的體外抑菌活性，也有在此基礎上進行人工接種病原菌的體內抑菌試驗。草莓為漿果，采后極易受到灰霉菌、根霉菌和黑曲霉菌等侵染而發生病害，百里香精油對灰霉菌、根霉菌和黑曲霉菌的最低抑菌濃度（Minimuminhibitory concentration,MIC）均低為2μL/L，其主要抑菌成分為百里香酚和香芹酚，百里香精油有望開發為草莓天然植物抑菌劑，但小茴香精油、羅勒精油的抑菌效果不明顯，而迷迭香精油對灰霉菌幾乎沒有抑菌作用[17]。這說明不同植物精油因成分不同導致其抑菌活性存在明顯差異，而植物精油對特定病原菌的良好抑菌活性在于其所含有的特定抑菌成分。將草莓人工接種灰葡萄孢霉后，用0.1‰的加拿大一枝黃花精油熏蒸處理草莓12 h，該處理能使發病率降低51%，病斑直徑僅為4 mm，遠低于對照的15 mm[18]，該精油對灰葡萄孢霉主要抑菌成分可能為(+)-大牻牛兒烯D、α-蒎烯、檸檬烯[19]。茶樹精油熏蒸處理可以顯著抑制草莓灰葡萄孢霉和葡枝根霉孢子萌發和菌絲生長，使用0.9 g/L茶樹精油熏蒸能顯著降低人工接種后灰霉病與軟腐病的發生[20]。從產于南非的馬鞭草（Lippia scaberrima）提取的精油對從采后芒果中分離出的葡萄座腔菌（Botryosphaeria parva）和膠孢炭疽菌（Colletotrichum gloeosporioides）菌絲體的生長具有良好的抑制作用，在23～25℃下，2.4 mL/L精油濃度對葡萄座腔菌的抑制率達86%，對膠孢炭疽菌則能完全抑制其生長；將芒果分別接種膠孢炭疽菌和葡萄座腔菌后再用植物精油與芒果專用果蠟（MangoshineR）復合的保鮮劑處理，室溫下放置6 d后，其病斑直徑分別為1.7 mm和3.4 mm，效果顯著好于對照水處理組（P＜0.05），但其要成為可商業應用的采后芒果保鮮劑，仍需進一步研究[21]。15μL/L丁香精油對從番茄病部分離出的灰葡萄孢霉（Botrytis cinerea）和粉紅單端孢霉（Trichothecium roseum）的體外熏蒸抑制率分別可達39.97%和43.65%；100μL/L的濃度熏蒸處理對接種至健康番茄上的灰葡萄孢霉（Botrytis cinerea）的抑制率為41.5%，但采用涂抹法時精油濃度需提高至0.8 mL/L才能產生較好的效果[22]。使用0.5%的香檸檬精油、檸檬桉葉精油、綠薄荷精油及甜橙精油處理大白菜72 h后，能降低大白菜對所接種胡蘿卜果膠軟桿菌一個亞種Pectobacterium carotovorum subsp.carotovorum的敏感性[23]。有些植物精油被直接用于采后果蔬的抑菌保鮮，表現出較好的效果。將濃度為1.0%的肉桂精油噴灑于紅提葡萄表面，在2℃和相對濕度（RH）90%條件下貯藏63 d后，葡萄的爛果率僅為30%左右，顯著低于空白對照[24]。而采用30μL/L芥茉精油對采后冬棗進行熏蒸處理，發現該處理對抑制冬棗青霉菌、灰霉菌和鏈格孢菌具有良好的效果，顯示出一定的抑菌保鮮作用[25]。在鮮切果蔬的抑菌保鮮方面，植物精油也有較好的效果。將2.5 mL/L丁香精油與5.0 mL/L茶樹精油用乳糖膠囊包埋后作為微加工生菜葉的緩釋保鮮劑，在8℃、7 d的保鮮期內發現其對乳酸菌、酵母菌和霉菌具有顯著的抑菌效果[26]。

已有的研究表明，有些植物精油對采后果蔬主要病原微生物具有較好的體外和接種果蔬后的抑制效果，而直接用于果蔬的抑菌保鮮亦有不錯的效果，但因不同果蔬的貯藏特性有異，其常見的病原菌也不同。總體而言，目前的研究仍不夠系統，抑菌效果也有待進一步提高。另外，不同植物精油復配后的抑菌效果及植物精油在果蔬活體上的抑菌機理仍有待深入研究。

2.2 植物精油對儲糧的防霉作用

霉變是造成糧食收儲過程中損失的主要因素之一。抑制糧食霉變的發生，提升其食用安全性，意義重大。目前，有關植物精油對糧食防霉保鮮效果的研究多集中在大米上。檸檬草精油對大米中提取的黃曲霉菌株的抑殺效果好，該精油對供試菌株的抑菌和殺菌濃度分別為0.6 mg/mL和1.0 mg/mL，在0.1 mg/mL濃度下可完全抑制黃曲霉毒素的產生，而精油熏蒸對供試菌株孢子形成和菌絲生長的抑制濃度分別為2.80 mg/mL和3.46 mg/mL，其滅菌活性成分被認為是檸檬醛a和檸檬醛b[27]。肉桂精油對大米霉菌的體外與儲藏抑菌效果均較好，體外抑菌的效果甚至優于雙乙酸鈉，將其應用于大米的儲藏保鮮，在30℃、RH 83%、儲藏空間內精油濃度為150 mg/L以上時，大米15 d內未出現表觀霉變現象；當精油濃度在175 mg/L以上時，可完全抑制霉菌孢子的生長[28]。很多研究結果表明，有些植物精油的復合可提高其對糧食霉菌的抑制效果。肉桂精油與山蒼子精油以3∶1（V/V）的比例復配，對大米青霉和黑曲霉的抑制效果最佳，其MIC僅為0.1μL/mL[29]，說明肉桂與山蒼子復合精油在大米防霉保鮮上具有良好的開發利用前景。丁香精油、肉桂精油和小茴香精油均能有效抑制大米中黑曲霉（Aspergillus niger）和黃曲霉（Aspergillus flavus）的生長，肉桂精油、丁香精油和小茴香精油對黑曲霉的MIC分別為0.02%、0.04%和0.05%，對黃曲霉的MIC分別為0.02%、0.05%和0.06%[30]，有望開發為大米儲藏防霉保鮮劑。當大蒜精油與肉桂精油以1∶3（V/V）復配時，對大米中的黃曲霉具有最佳的抑制作用效果，在人工模擬高溫高濕（30℃，RH＞90%）條件下，能顯著降低大米的菌落總數，并延緩大米的陳化[31]。將海帶、花椒、八角等具有芳香性的農產品混合儲藏大米，每100 kg大米加100 g干海帶、20 g八角和50 g花椒，在同等條件下大米發霉時間較空白對照晚且霉變程度輕，說明海帶、花椒、八角能有效抑制大米的霉變，且海帶的抑菌效果最佳，這些農產品的揮發性精油可抑制霉菌的生長[32]，這為包括大米在內的農產品防霉儲藏提供了新的思路。正常儲藏條件下，稻谷不易長霉，但當稻谷出現發熱情況時，如不及時進行通風、降溫、降水等有效處理，大多數霉菌會在適宜的溫濕度條件下大量生長繁殖，進而稻谷中的有機質被逐漸消耗，霉菌菌落生長造成稻谷霉變板結[33]。因此，稻谷在收割后至干燥達標入儲前的這段濕度較高的階段，采用具有防霉作用的植物精油進行熏蒸處理應是解決問題的有效辦法之一。而在稻谷儲藏期間，糧堆中霉菌的菌群結構也會發生改變：初儲稻谷中禾谷鐮刀菌為優勢菌；儲藏3個月后，優勢菌主要為灰綠曲霉；儲藏6個月后，主要優勢菌為青霉菌、疑似黃曲霉和白曲霉[34]。因此，生產實踐中仍需使用防霉劑。為了減少化學防霉劑的潛在危害，采用植物源活性成分抑菌或殺滅儲藏稻谷中的真菌日漸受到重視[35]。迄今為止，對其他糧食的防霉研究相對較少，但研究發現肉桂醛、檸檬醛、丁香酚和薄荷醇精油以體積比3∶3∶2∶2復合時，對玉米黃曲霉和鐮刀菌的抑制效果顯著，儲藏240 d時對上述2種菌的抑制率分別為99.4%和100.0%，可有效防控玉米儲藏過程中霉菌和真菌毒素的污染[36]。

采用適宜的單一或復合植物精油處理對儲糧的防霉保鮮效果良好，具有替代化學保鮮劑的良好前景。但值得一提的是，植物精油濃厚的芳香氣味對糧食食用時的感官品質可能會有負面影響，如何既能有效發揮植物精油的防霉作用，又盡可能減少其不利影響，是值得研究的課題。

3 植物精油的協同抑菌作用

不同植物精油的成分不同，植物精油的化學成分也多種多樣。在抑菌方面，同一植物精油的不同成分間及不同植物精油復合后來源不同的成分間會產生復雜的作用，由此可能產生4種效應，即無關效應、加性效應、拮抗效應和協同效應[37]。常用分級抑菌濃度指數（Fractional inhibitory concentration index，FICI）來評價不同植物精油復配后對抑菌效果的影響，FICI≤0.5為具有協同作用，0.5＜FICI≤1為具有相加作用，1＜FICI≤2為無關作用，FICI＞2為具有拮抗作用。不同植物精油如能產生相加或協同作用，則植物精油復合后其抑菌活性可得到增強。牛至與檸檬草精油分別以0.025μL/mL的濃度按1∶1（V/V）進行復配后對黑曲霉和草本枝孢霉的FICI均為0.75，表現為相加作用，這是牛至精油中香芹酚和檸檬草精油中檸檬醛同時作用的結果，但香芹酚與檸檬醛兩者間并未發生化學反應[38]。當肉桂精油與牛至精油以體積比8∶2和9∶1的比例復配并進行熏蒸時，對供試的金黃色葡萄球菌顯示出很強的協同抑菌作用（FICI為0.25），其MIC僅為5μL/L[39]。桂皮精油與紅色百里香復合精油對金黃色葡萄球菌菌（Staphylococcus aureus）的FICI為0.47，存在協同作用，而對銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的FICI為0.64±0.09，二者產生了相加作用[40]。

不同植物精油之間存在不同形式的相互作用，這對采后農產品抑菌保鮮劑的開發具有重要意義。為了提高植物精油對采后農產品的抑菌保鮮效果，首先篩選出具有較強抑菌活性的單一植物精油，再進行復配后的抑菌效果研究，考察復配劑是否存在協同或相加作用，如有上述作用則可展開進一步研究。首先是進一步明確各單一植物精油中的主要抑菌成分，其次是探究以各單一植物精油中主要抑菌成分進行復配后的抑菌效果，并與原精油復配的抑菌效果進行對比，從而為基于植物精油的抑菌保鮮劑的標準化研發提供參考。

4 展望

雖然目前國內外對有關植物精油在農產品抑菌保鮮中的研究報道已經很多，但植物精油要成為可商業化應用的天然抑菌保鮮劑，仍有很長的路要走。因為植物精油過于復雜，不僅不同植物精油的化學成分差異巨大，即便是同一植物精油的化學成分也很復雜，且其含量隨植物的部位、產地、采收季節和提取方法的不同而存在差異。要利用其抑/殺菌生物活性，需結合不同種類農產品自身的特點及致腐/致病微生物的差異性而篩選最佳的植物精油或具有相加/協同作用的植物精油組合。如何把產植物精油的相關植物的培管與采收規范化管理、基于高效獲取關鍵活性成分的植物精油提取工藝標準化與相應農產品的抑殺菌目標需求相結合，是未來實現商業化應用需深入考量與研究的關鍵問題。另外，除了要進一步探究植物精油對微生物細胞膜結構、線粒體功能和細胞代謝的影響外，植物精油抑菌過程中的構效關系、作用靶點與作用效應之間的關系、對微生物從蛋白組學和基因組學角度的調控作用、對農產品自身抗病能力的調節機制等都是未來對植物精油抑菌機理研究的重點。