香辛料精油提取工艺、抑菌活性及开发应用的研究进展

张丽，王玉真，高爽，孙越，薄福民，李凌军

(山东中医药大学 药学院，济南 250355)

香辛料精油是由香辛料植物经不同方法提取得到的一类天然香料，具有独特的气味，成分复杂，不仅可以矫味，还具有抑菌、抗氧化等药理作用。

食品腐败问题威胁着人类的健康，而现有研究发现许多香辛料对多种有害菌，如抗枯草芽孢杆菌、荧光假单胞菌、金黄色葡萄球菌等具有显著抑制作用[1]。抑菌的主要成分常存在于精油中，对于香辛料精油的研究已成为目前国内外研究的热点问题[2,3]。香料作为一种新型、安全的抗菌药物具有很大的开发潜力，符合人们对天然无添加的价值追求。本文综述了香辛料(八角茴香、小茴香、花椒、丁香、肉桂等)精油的提取工艺、抗菌活性及应用等研究进展，以期对其绿色、安全、高效的开发有所帮助。

1 提取工艺

1.1 水蒸气蒸馏(SD)

水蒸气蒸馏法是常用的制备精油的方法，其原理是利用精油易挥发的特性，可随水蒸气蒸馏，然后冷凝成液滴，经有机溶剂萃取制备得到的。邹俊波等[4]采用水蒸气蒸馏法提取小茴香挥发油，并通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术分析提取过程中的成分溶出规律。Valtcho D Zheljazkov等[5]采用水蒸气蒸馏萃取动力学实验，对孜然挥发油的得率、成分、抗疟和抗氧化能力进行了评价，还建立了在一定时间内水蒸气蒸馏时间(DT)下挥发油产量和成分的回归模型，得出在600 min内，随着DT的增加，挥发油产量增加的结论。该方法操作简单，成本较低，适合工业化生产，但温度高，热敏性成分易分解。

1.2 超声波提取

超声波提取是利用超声波产生的强烈空化、振动、粉碎等特殊作用，破坏药材细胞，将药材中成分提取到溶剂中，使有效成分得以分离的技术。谢志新等[6]对超声波辅助提取八角茴香油的工艺参数进行了研究，结果证实：3个考察因素影响超声波辅助提取法的程度依次为料液比>粉碎粒径>超声时间；提取工艺的最佳条件是料液比1∶15，粉碎粒径60目，超声时间30 min，提取率(28.438±0.11)%。左喜钊等[7]采用正交设计优选出超声提取花椒挥发油的最佳工艺为料液比1∶50(g/mL)，超声温度40 ℃，超声时间90 min。该方法具有提取时间短、出油率高、能耗低、设备简单且没有噪音污染等优点。

1.3 超临界CO2萃取(SFE-CO2)

超临界 CO2萃取法是利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的，在超临界状态下，选择经济方便的CO2作为超临界流体，它具有很好的流动性和渗透性，当与待分离的物质接触时，有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。路广平等[8]采用超临界流体萃取(SFE)和分子蒸馏(MD)相结合的方法，对标准的姜黄挥发性组分的分离纯化进行了优化，解决了挥发性成分质量控制中参比化合物的不足，提出了利用多种校准组分对主要生物活性物质进行放大和定量评价的方法。此法也应用于丁香等其他物质精油的萃取[9]，具有温度低、分离效率高、无溶剂残留等优点；但是成本高，限制了其应用。

1.4 其他

微波提取(MAE)主要是利用微波产生的强烈热效应，具有简单快速、加热均匀、清洁高效等优点，Loïc Petigny等[10]采用响应面法对微波萃取分离法进行了优化，在实验室规模上提取可溶性物质，并从植物中分离出挥发性有机化合物(VOC)的最佳工艺条件为微波200 W，提取时间56 min，固液比7.5%。以及采用同时蒸馏萃取法提取挥发油，优化提取-共沸精馏耦合技术工艺等，使挥发油的品质得到更好的保证，对所适用的药材的提取工艺不断改进、优化，保证方法稳定可行。

多种提取方法提取挥发油各有优缺点，需要针对不同精油的特点选择合适的方法。常规的水蒸气蒸馏法适合工业化大生产，操作简单方便，但有不足，仍需将多种方式的优点结合起来，继续探索优化提取工艺，弥补不足。

2 抑菌活性

2.1 八角茴香

八角茴香(IlliciumverumHook.F.)是木兰科八角属植物，其干燥成熟果实药食两用，既可温中散寒，又可调味，八角茴香精油的化学成分主要由大茴香醛、柠檬烯、反式茴香脑、草蒿脑及β-石竹烯等多种化合物组成[11]。张赟彬等[12]研究表明：柠檬烯和八角茴香精油抑菌效果较好；一定浓度下，柠檬烯和八角茴香精油可提高菌液中的还原糖、蛋白质含量以及增大电导率；说明柠檬烯的含量和八角茴香精油的抑菌效果有一定的关联。有研究采用滤纸片法测定八角茴香油(含大茴香醛、对丙酮基茴香醚、大茴香酸)对多种菌株(金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、黑曲霉、黄曲霉和桔青霉)具有抑制作用，水溶性挥发成分好，挥发性成分中的油相抑菌强弱有待讨论[13]。

精油具有易挥发、不稳定的特点。温度、光照时间、热处理和精油浓度等因素均对八角茴香精油保持肉糜优良的感官特征产生影响，加入精油的新鲜肉糜的保存期随着温度的升高而减少，光照显著破坏挥发油的稳定性，长时间热处理导致精油的抑菌活性下降[14]。张光杰等[15]用羟丙基-1-环糊精(HPCD)选择性包封八角精油(SAEO)，改善其挥发性高、气味强烈、物理性质不稳定的情况，且提高了SAEO对匍匐根霉、酿酒酵母和大肠杆菌的抑菌效果。

八角茴香挥发油具有良好的抗菌活性，抑菌作用与其化学组成有关，但稳定性方面需进一步探索。

2.2 小茴香

小茴香(FoeniculumvulgareMill.)为伞形花科茴香属植物，属于药食同源物品[16]。小茴香挥发油具有抑菌作用，反式茴香脑是小茴香挥发油的主要成分，含量高，但不同产地的小茴香反式茴香脑含量差异较大[17]；黄酮类成分具有抗氧化活性，但是抗氧化作用不及维生素C和β-胡萝卜素[18]。

小茴香对水果中常见霉菌中的灰霉、黑根霉、交链孢、青霉和黑曲霉均有良好的抑制作用，研究发现小茴香挥发油对红枣黑斑病菌离体(菌丝、孢子萌发和生物量的抑制作用)和活体的抗菌活性是通过破坏它的细胞膜的完整性而达到抑菌作用的[19]。实时逆转录RT-PCR实验和蛋白免疫印迹实验证明了茴香醛对金黄色葡萄球菌的抑制作用是通过抑制金黄色葡萄球菌中毒力蛋白基因(hla,sea和seb)的转录而抑菌的[20]，推测了其可能的抑菌机制。

2.3 花椒

花椒 (ZanthoxylumbungeanumMaxim.) 来源于芸香科花椒属植物，作为药食两用之品，味辛，芳香味浓烈，具有温中止痛、燥湿、杀虫止痒等功效，花椒香气成分可作为一种天然、无毒的抑菌防腐剂用于食品防腐，其抗菌防腐能力较食品行业中常用的山梨酸钾更强，其中柠檬烯、芳樟醇、β-蒎烯和 α-萜品醇等都具有较强的抗菌活性。花椒精油对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、微球菌、大肠杆菌等多种细菌均有抑杀作用[21]。花椒浸提液对枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌等阳性菌的抑菌活性具有明显的抑制作用，而对大肠杆菌和乙型副伤寒沙门氏菌等阴性菌的抑菌活性不明显[22]。麻琳等[23]通过抑菌圈实验和96孔板二倍稀释法对3种花椒(汉源红花椒、江津青花椒、峨眉山藤椒果皮)精油的抑菌特性进行了研究，3种精油的芳樟醇相对含量均最高，结果表明：红花椒果皮精油对细菌和真菌的抑菌效果最好，尤其是金黄色葡萄球菌。可能的抑菌机制是通过破坏细菌的细胞膜和细胞壁，引起细胞内K+、Mg2+、AKP 等物质渗漏至胞外，从而导致细菌死亡，抑制细菌增殖的[24]。

2.4 丁香

丁香(Caryophylliflos)为桃金娘科(Myrtaceae)植物丁香的干燥花蕾，又称公丁香，为药食两用中药。丁香精油的主要成分为丁香酚，丁香精油具有广泛的药理和生物活性，对一定菌属具有抑菌效果，而且不仅是丁香的精油，也包括它的醇提物，现广泛应用于医药、香料等行业，有研究表明丁香精油及丁香酚对革兰氏阳性菌的抑制效果优于革兰氏阴性菌，其中，对金黄色葡萄球菌及蜡样芽孢杆菌的毒力最强，对绿脓假单胞菌的抑制活性最弱[25]。用表型、蛋白质组学和转录组学方法揭示细胞形态和功能的变化[26]，推测其抑菌机理可能是破坏细胞壁和细胞膜，抑制细菌生长所需的DNA和蛋白质的正常合成，从而抑制菌的生长代谢及其繁殖而发挥抑菌作用[27]。

2.5 肉桂

肉桂(CinnamomumcassiaPresl)为樟科植物肉桂的干燥树皮，挥发油的主要化学成分为肉桂醛，肉桂醛是抑制细菌生长和具有杀菌作用的主要生物活性化合物，肉桂醛的抗菌活性与一线抗结核抗生素乙胺丁醇的抗菌活性相当[28，29]。肉桂醇提物和肉桂精油对肉中常见的腐败菌和致病菌(包括大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、黑曲霉、酵母菌等)均有较强的抑制作用，而且发现一定浓度的肉桂精油能抑制细菌和真菌包括G+、G-，表明肉桂精油具有广谱抑菌作用[30，31]，用于食品保鲜领域将具有较好的开发潜力。张小飞等[32]分别采用纸片法及刃天青染色法测定四川产肉桂油的抑菌圈及最小抑菌浓度(MIC)，并考察其对大鼠离体小肠平滑肌张力的影响，结果表明：在肉桂挥发油中鉴定出 21 种成分，其中桂皮醛和蒎烯的相对含量为 72.54%和 8.19%，肉桂挥发油对白色念珠菌、大肠埃希菌的抑菌作用最强，对青霉菌、黑曲霉、枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌作用次之，对绿脓杆菌的抑菌作用最差，肉桂挥发油还具有抑制大鼠小肠平滑肌张力的作用。经肉桂精油处理的 3 种病原菌(尖孢镰刀菌Fusariumoxysporum、链格孢菌Alternariaalternata、灰葡萄孢霉Botrytiscinerea)菌丝形态在扫描电子显微镜下可以看出其发生凹陷、皱缩、粗糙等一系列变形现象，推测其可能的抑菌机理是破坏细胞壁，影响细胞膜的通透性[33，34]。

3 开发应用

3.1 调味

八角茴香、小茴香、花椒、丁香、肉桂等是五香粉、十三香及卤肉料的主要香辛料成分之一，香气浓烈，常备于家庭调味。尤其在制作卤味食品过程中，香辛料可以起到增香去腥的作用，是改善卤制品风味的重要香辛料成分。花椒、肉桂等具有特殊风味，入口辛香，在复合调味品中常用作配香原料，各自具有主要呈味的化学成分，持香时间较好，使食品香味持久，回味无穷。利用含有风味成分的调料腌制肉制品，不仅能够提供独特的风味，还能有效避免腌制过程中受到微生物的污染。

腐乳调味酱以红腐乳和芝麻酱为主料，以八角茴香油、花椒油调味，混合酱香突出,色泽明亮油润,具有腐乳和芝麻两者的营养,该酱成分天然,营养健康,为企业产品开发提供了思路[35]。北五味子藤茎调味粉配以陈皮、八角茴香、香叶的适当比例，其产品芳香柔和，带有北五味子独特的清香，口感辛辣带甜，余味略带苦涩[36]。孙灵霞等[37]研究了八角茴香添加到卤鸡腿中，使鸡腿本身的挥发性成分的相对含量改变，改善口味，且采用电子鼻技术能将不同八角茴香添加量的卤鸡腿区分开。适量添加不仅可以提高风味，改善品质，还可以替代山梨酸钾、丙酸钙等防腐剂，也能赋予果汁饮料、蛋糕点心和冰激凌独特的口感和风味，在食品中应用前景广阔。

3.2 抑菌防腐、抗氧化

微生物感染造成食品腐败变质威胁着人们的健康，而天然无害的防腐添加剂是人们的追求，香辛料精油中的某些特殊成分具有很好的抑菌保鲜效果，对多种细菌和真菌微生物都有较强的抑制能力，不仅可以解决食品的保鲜问题，也能够增加果蔬产业的经济效益，适合工业化生产，保障人们健康。例如丁香精油对食品中常见致病菌的抑制作用显著，将丁香精油浸渍酱牛肉后真空包装，于4 ℃贮藏过程中，不仅2-硫代巴比妥酸过氧化生成物(TBA)明显低于空白样品，而且色泽、滋味和口感等方面均较空白样品好，说明丁香精油的添加对酱牛肉脂肪氧化有一定的抑制效果，可降低酱牛肉的菌落总数，有利于将丁香进一步开发成安全、有效的天然食品防腐剂[38]。

果蔬产业具有季节性、地域性和易腐性的特点，解决果蔬保鲜可以保障人们的需求。八角茴香油对“富士”具有延缓硬度，保持口感、风味的作用，对“富士”苹果的保鲜效果与常用保鲜剂1-甲基环丙烯(1-MCP)的效果相当，作为天然保鲜物质，具有广阔的应用前景[39]。肉桂、花椒、八角茴香、百里香精油都能对从“红提”葡萄上分离纯化出的 3 种致病菌发挥抑菌效果，但效果最好的为花椒精油，能有效地抑制青霉菌(Penicillum)、黑根霉菌(Rhizo-pusnigricans)和黑曲霉菌(Aspergillusniger) 的生长，可用于后续的葡萄鲜果保鲜研究[40]。

混合精油具有协同作用，例如孜然精油和花椒精油、肉桂醛和丁香精油混合均比它们单独使用的抑菌效果要好，混料设计法可有效优化不同精油联合使用时的组合比，以实现较低精油用量下较好的抑菌效果，为天然抑菌剂的减量使用提供了方法指导[41]。张一等[42]对孜然豆蔻按1∶1复配，对某些菌的抑制效果明显，且优于单独使用，体现了复配精油抑菌的协同作用，但对另一些菌效果一般，说明复配精油具有一定选择性。杨顺开等[43]使用肉桂精油(CBO)和美罗培南作为添加剂的模型，利用联合疗法治疗耐药细菌感染，结果显示：CBO与美罗培南的可加性相互作用与以往报道的协同组合相比具有相似的膜破坏能力，精油和抗生素之间的协同增效性降低了两种抗菌药物的最低有效剂量，因此有必要进一步研究这种相互作用机制的影响。

3.3 其他作用

香辛料精油外用可杀虫抑菌，其挥发性成分具有刺激性香味，例如花椒在杀虫中具有一定的作用功效。

面对越来越多的多药耐药菌和抗生素抗性的事实，需要发现对感染的替代治疗，研究者们把目光转向了精油。Kamillacs等[44]研究了丁香、肉桂皮、桉树、百里香、松、薄荷、香茅等多种精油(EOS)对呼吸道病原体如链球菌的抗菌评价。Amornrat Intorasoot等[45]采用琼脂扩散法、最小抑菌浓度法、最小杀菌浓度法从药用植物中提取10种挥发油对4种标准菌株(金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌)的抑菌活性，结果显示：肉桂挥发油对人类最常见的病原菌金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌和鲍曼氏菌具有较强的抗菌活性，得出结论：挥发油提取物是治疗人类最常见病原菌和MDR-A的替代天然产物。

4 总结与展望

香辛料因其特殊的香味具有一定深入探索的价值，尤其是其提取的精油成分。精油具有挥发性，成分复杂，属于混合物，天然的香辛料提取的精油是天然的防腐剂，其某些特殊成分可以延长食品的保质期，提高食品的安全性。多数香辛料既可药用，又可食用，属于药食两用的药品[46]。

植物的化学成分和生物学活性联系紧密，精油也不例外。植物精油的化学成分常因原料来源及提取方法等差异导致精油的化学成分呈现明显差异，因此不断探索新的提取方法、优化提取工艺对保留更多精油的有效成分尤其重要，这是进一步研究其可能存在的药理作用的基础。总结已有的研究，精油的可能作用机制包括破坏细胞壁和细胞膜，使细胞质外流以及破坏蛋白质等。

采用高效、安全的天然防腐剂替代传统常见的化学防腐剂已经成为一种新的趋势,研究发现香辛料精油的抑菌成分具有协同增效作用。在香辛料植物精油中，一些次要成分可能在其抗菌作用中起关键性的作用，在其他成分之间起协同作用，多种成分共存时可提高各成分单独使用的效果，这可能是两种或两种以上的成分相互协同作用的结果。

香辛料精油作为天然防腐剂和保鲜剂在肉制品及果蔬等食品领域有一定的应用价值。由于精油本身的特性以致于在应用中仍然存在许多问题，为了更好地保存精油的芳香气味，增加精油的稳定性以及研究精油的抗菌活性成分等，需要进一步探索、改进优化提取工艺、制备合适的制剂和研究多精油联合抑菌，以期为挥发油的实际应用提供方向，更好地创造价值，保障人们的食品安全。