植物精油对果蔬霉菌的抑制及在果蔬保鲜中的应用

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(1.大连民族大学生命科学学院,辽宁大连 116600;2.生物技术与资源利用教育部重点实验室,辽宁大连 116600;3.大连理工大学生命科学与技术学院,辽宁大连 116024)

新鲜果蔬由于其“含水量高、营养丰富”等特点,极易被微生物侵害,而其中80%以上的病害是由真菌引起的。其中,霉菌及其产生的相关毒素主要发生在果蔬采摘、运输、贮藏、销售过程中,其会致使果蔬腐烂变质,从而降低果蔬的市场价值。除了霉菌毒素,霉菌还会产生大量的酶及一些挥发性物质,这些挥发性物质会导致果蔬的感官特性恶化,致使其质量下降[1]。这一现状严重制约了果蔬产业的发展。因此,如何有效利用防腐剂和杀菌剂对果蔬保鲜处理是值得研究的课题。目前,化学合成的杀菌剂是防治果蔬采后病害的主要方法,虽然其抗菌能力较强且价格低廉,但长期使用会对人体造成较大的潜在毒性,有些甚至会产生致畸、致癌以及引起食物慢性中毒等不安全问题。除此之外,一些真菌病原体对合成的杀真菌剂产生抗性[2]。因此,研究开发天然、无毒性、健康的食品杀菌剂和防腐剂显得尤为重要[3]。

表1 植物精油对果蔬中霉菌的抑制效果Table 1 Inhibitory effect of plant essential oil on mould in fruits and vegetables

续表

植物精油是一类从高等植物的叶、花、根、茎或果实等不同组织部位提取的具有挥发性油状液体的芳香类物质[4],主要由酚类、萜类、醛酮类、醇类、酸类及芳香族化合物组成。其中,起主要抗菌效果的有酚类、萜烯类和醛酮类化合物。此外,醇类、醚类和烃类化合物也含有一定程度的抑菌效果[5]。植物精油作为一种纯天然安全可靠的植物源食品保鲜剂,具有抗细菌、抗真菌和抗氧化等作用,作为广谱杀菌剂,因其具有高效性和长效性等特点,已广泛应用于果蔬贮藏保鲜中[6]。植物精油对果蔬上霉菌的抑菌方式主要有两种。一是通过破坏霉菌的细胞壁、细胞膜、核酸、蛋白质和线粒体等细胞形态结构,造成细胞不可逆的损伤,最终导致霉菌死亡。二是通过降低或抑制霉菌分生孢子的产生和萌发,从而阻断病菌后代继续危害的可能[5]。

本文就植物精油对果蔬中霉菌的抑菌效果及其抑菌机理方面进行了综述,除此之外,还系统分析了精油浸渍法、精油熏蒸处理、精油保鲜纸及精油微胶囊包埋法等多种用于果蔬保鲜的处理方式,旨在为开发更绿色安全的果蔬保鲜剂、杀菌剂及将植物精油用于果蔬的贮藏保鲜中提供一定理论参考。

1 植物精油对果蔬中霉菌的抑菌效果

在贮藏早期,霉菌在果蔬上的生长繁殖速度较慢,但通常情况下三分之二的水果腐烂都是由青霉属(Penicillium)、曲霉属(Aspergillus)、葡萄孢属(Botrytis)和链格孢霉(Alternariaspp.)等霉菌侵染引起的[7]。植物精油中含有大量抗菌活性物质,可抑制致腐败真菌活性,有作为绿色天然防腐剂的潜在价值。将其用于果蔬贮藏保鲜中,可减轻果蔬腐烂,延长果蔬货架期。表1列出了植物精油对果蔬中不同种类霉菌的抑菌效果。大量研究表明[8-13],植物精油对引起葡萄、甜樱桃、草莓等果蔬腐败的霉菌如黑曲霉、指状青霉、链格孢菌等均具有良好的抑制作用。由表1中数据分析可知,不同种类的植物精油对同一种果蔬上霉菌的抑制作用不同。如罗勒精油、薰衣草精油和迷迭香精油对冬枣上根霉菌的MIC分别为1.25、10、20 μL/mL[26];同一种植物精油对不同种类的霉菌抑菌效果也存在差异。如薄荷精油对柠檬上的黄曲霉抑制作用较强,当添加量为6.25 μL/mL时可以完全防止由黄曲霉侵染引起的果实腐烂,但对柑橘上的指状青霉抑制效果较差,当添加量为500 μL/mL时才可抑制60%的真菌[15-16]。由此可见,植物精油可一定程度抑制果蔬中霉菌的侵染作用。

2 植物精油主要成分对霉菌的抑菌机理

植物精油及其主要活性成分对霉菌的抑菌机制可通过以下四种方式进行:一是植物精油可破坏霉菌的细胞膜及细胞壁结构,造成细胞严重损伤,最终导致霉菌死亡[15,31]。二是植物精油的活性成分如酚类及萜烯类化合物会破坏霉菌的DNA及蛋白质,从而在很大程度上影响霉菌的遗传信息和生长繁殖[3]。三是通过破坏线粒体结构,从而有效抑制线粒体的有氧呼吸[32]。四是通过抑制霉菌菌丝及分生孢子的产生和萌发,从而有效减少或阻隔霉菌后代继续危害的可能[33]。

2.1 对细胞壁、细胞膜的影响

细胞壁作为霉菌抵抗抗菌物质的第一道防线,可以降低其对抑菌剂的敏感性,细胞壁的主要成分葡聚糖、几丁质以及与细胞壁有关的活性酶成为植物精油的重要作用位点[5]。精油中所含的萜烯类物质可以破坏霉菌细胞壁组织结构,进一步导致细胞质外泄,从而发挥抑菌作用[34]。研究发现肉桂精油中的抗菌物质肉桂醛可穿透霉菌的细胞壁,从而有效破坏细胞壁中葡聚糖和几丁质的合成,使细胞壁功能受损,最终细胞因缺少保护性组织而衰亡[35]。霉菌细胞膜既可以阻挡外源物质的进入,也可防止内部物质的流出,使其在维持正常生命活动中具有十分重要的地位。植物精油的亲脂性或低分子量组分如酚类物质能够直接作用于霉菌的细胞膜类脂结构,使细胞膜功能受损,细胞内部的重要离子和内溶物外泄,最终导致细胞死亡[36]。Rasooli等[37]研究发现使用百里香精油处理黑曲霉,会破坏其细胞壁、细胞膜及细胞器结构,从而使细胞内物质发生泄露及细胞内外离子梯度发生改变,最终导致黑曲霉死亡。

2.2 对DNA、蛋白质的影响

DNA作为生物体重要的遗传信息载体,在细胞物质的合成和遗传过程中具有重要作用。DNA的任何损伤都会在一定程度上影响遗传信息正常的传递及生物体的繁殖[5]。植物精油作用于霉菌后会影响核酸的正常合成,进而破坏其正常功能,从而抑制霉菌的生长与繁殖。而蛋白质作为生命的物质基础,是构成细胞的基本有机物,是生命活动的主要承担者。植物精油作用于菌体后,使菌体体内蛋白质合成量明显减少,尤其是对执行特定催化作用酶的合成进行抑制,使菌体蛋白质凝固、变性,从而实现抑菌、杀菌的效果[35]。戴向荣等[38]研究了肉桂精油中的活性物质肉桂醛对黄曲霉的抗菌机制,发现肉桂醛可以破坏黄曲霉细胞内蛋白质、核酸等生物大分子的空间结构,使其失去生物活性而破坏了正常的有选择性的物质吸收、转运和代谢途径,最终使黄曲霉的生长与繁殖受到阻碍。

2.3 对线粒体的影响

线粒体作为一种参与呼吸作用和脂肪酸降解的半自主性细胞器,植物精油的活性物质可以破坏线粒体膜、DNA修复功能等造成线粒体结构异常,还可抑制线粒体的有氧呼吸、影响氧化还原系统及破坏细胞的能量代谢,最终导致细胞死亡[5]。Nogueira等[39]采用透射电子显微镜观察藿香蓟精油处理对黄曲霉的抑制作用,研究发现藿香蓟精油可以破坏黄曲霉细胞内线粒体膜,使细胞丧失供氧功能,最终导致黄曲霉死亡。Tian等[40]研究了莳萝精油对黄曲霉线粒体活性的影响,研究结果发现莳萝精油可以诱导黄曲霉活性氧积累,破坏线粒体结构,使线粒体膜电位升高,ATP酶和脱氢酶活性下降,最终使黄曲霉生长及繁殖遭到破坏。

2.4 对分生孢子及菌丝的影响

植物精油对霉菌的良好抗菌性还体现于对其菌丝生长及分生孢子萌发具有较好的抑制作用[31]。杨彦松[41]研究发现使用低浓度(<2.5 μL/mL)砂糖橘精油处理会促进指状青霉的孢子萌发,但对指状青霉菌丝体生长有轻微的抑制;而使用高浓度(10 μL/mL)精油处理则有效抑制指状青霉的孢子萌发和菌丝体生长(P<0.05)。Zhang等[42]采用扫描电镜和红外光谱法研究肉桂精油对黄曲霉的抑菌机制,发现肉桂精油可以明显损伤黄曲霉细胞表面,并使分生孢子减少。王丹等[43]研究发现肉桂精油处理对蓝莓采后主要病原菌灰葡萄孢霉有较好的抑制效果,通过扫描电子显微镜可以看出,与对照组相比,经肉桂精油处理的灰葡萄孢霉菌丝形态受到严重破坏,发生凹陷、皱缩、粗糙等一系列变形现象。

3 植物精油在果蔬保鲜中的应用方式及作用效果

植物精油因其具有较强的抑菌活性和低毒、绿色、安全等特点引起了人们广泛的关注,利用精油对果蔬进行处理,能抑制果蔬表面霉菌的活性,减弱霉菌活动导致的果实腐烂变质;同时还可有效降低果实中酶的活力及其生理活动强度,起到绿色保鲜的效果[44]。植物精油在果蔬保鲜中的应用方式主要有精油采前喷洒、精油浸渍法、精油熏蒸处理、精油微胶囊包埋法、精油复合可食性涂膜及精油保鲜纸。

3.1 采前喷洒法

采前喷洒是指在果蔬采摘前一段时间将稀释的植物精油溶液均匀喷洒在果蔬表面[44]。采用精油喷洒的方式处理果蔬,可减少精油浪费及更高效的利用精油对果蔬进行保鲜和贮藏。Badawy等[45]在采前15 d用莱姆精油、百里香精油喷洒处理自然情况下和人工接种指状青霉的柑橘。研究发现与未处理组相比,采用莱姆精油和百里香精油喷洒处理柑橘均能显著降低果实的青霉病发病率。吕明珠等[46]研究发现将肉桂精油保鲜液以喷洒方式处理红提葡萄后,会在其表面形成一层良好的保护膜,可在一定程度上抑制红提葡萄的呼吸及蒸腾作用,且未经过精油处理的红提葡萄烂果率明显高于处理组,由此可见,肉桂精油喷洒处理红提葡萄可良好保持其品质,延长其货架期。但至今有关精油对果蔬采前喷洒法的研究还相对较少,其可行性,对不同果蔬的保鲜效果以及影响果蔬保鲜效果的因素还有待进一步深入研究。

3.2 精油浸渍法

精油浸渍法可有效防止果蔬侵染致腐真菌,是目前经常使用于控制果蔬采后腐烂的办法,在果蔬保鲜处理上较为方便快捷。精油浸渍法是指将果蔬放入到合适浓度梯度的精油水乳液中进行浸泡处理,处理结束后取出自然晾干果蔬表面水分,再将其放进保鲜盒中贮藏[44]。蒋帅[47]用肉桂精油对红富士苹果进行浸泡处理,研究结果发现使用浓度为100 mg/L肉桂精油浸泡处理可有效抑制苹果灰霉病原菌的生长繁殖,且用肉桂精油浸泡处理的红富士苹果的抗病性显著高于未处理组。Bosquez-Molina等[48]将接种匍枝根霉后的木瓜浸泡在百里香精油和墨西哥莱姆精油溶液中,研究发现两种植物精油处理均降低了匍枝根霉引起的木瓜果实腐烂,延长了木瓜果实的贮藏期。对于有果皮保护的果蔬如苹果、马铃薯、梨及香蕉等,在商业应用上采用合适浓度的精油取代合成杀菌剂浸泡将更加绿色安全。但精油浸渍法不适合叶菜、草莓、杨梅这类质地较软,叶片容易破损的果蔬,使其应用范围有限。因此,在果蔬贮藏保鲜处理方式的选择上除了需要考虑保鲜剂的保鲜效果及安全性之外,还要考虑果蔬本身的特性。

3.3 植物精油熏蒸处理

精油熏蒸处理是指采用植物精油作为熏蒸剂和果实一起放入封闭的空间内反复处理,处理结束后将果实放入消毒的塑料筐内,内衬聚苯乙烯(PE)袋,然后进行封口在室温下放置[49]。在整个熏蒸处理过程中植物精油不需要直接接触果蔬,而是通过气体的空间扩散作用将植物精油的抑菌活性成分均匀有效的覆盖在果蔬表面,从而有效抑制致病菌及致腐菌的生长繁殖。王靖博等[50]研究发现用香榧假种皮精油在密闭容器中对油桃进行熏蒸处理可良好抑制灰霉病菌及根霉病菌菌丝的生长,从而防止霉菌的侵染。除此之外,该处理还可良好维持油桃果实的失重率与硬度,使油桃果实腐烂率显著降低,与未采用精油熏蒸处理的油桃相比,在25 ℃保存10 d后处理组油桃腐烂指数降低63.73%。周颖等[20]研究发现使用浓度为10 μL/L芥末精油熏蒸处理可有效抑制青霉菌、灰霉菌和链格孢菌的活性,且使用精油浓度越高,对抑制冬枣采后病原菌的效果越好。在熏蒸条件下,随着果皮表面残留精油的迅速挥发,果实仍能较好保持其自身原有的风味,更易令广大消费者接受。但精油熏蒸法实际上需要精油的量相对更高,商业成本相对提高,且熏蒸浓度过高,该方法依然会造成药害,使果蔬品质受影响,因此选用适宜的熏蒸时间及精油浓度就显得极为重要。

3.4 植物精油微胶囊包埋法

植物精油微胶囊是指采用壳聚糖这类天然成膜材料把精油包埋成一种具有半途性或密封囊膜的微小固体颗粒[51],再将精油微胶囊颗粒装入无纺袋中后置于保鲜盒或保鲜袋中对果蔬进行保鲜。植物精油微胶囊化后可解决其易挥发、不稳定及作用时效短等一系列不良问题,同时可将液态精油转化为固体状态,有利于精油贮藏运输和使用。研究发现微胶囊化的植物精油挥发性延缓,对果蔬风味的不良影响也相对减少,能很好的维持植物精油的抗菌效果,使果实保持良好的感官品质,延长果蔬货架期[49]。岳淑丽等[52]研究发现用β-环糊精包埋技术制备出的肉桂精油微胶囊可有效防止大肠杆菌、金黄色葡萄球菌侵染圣女果。且当肉桂精油微胶囊添加量为1.2 g/50 mL时,可良好维持圣女果的感官品质,降低果实失重率和呼吸强度,使果实贮藏期延长。薛琼等[53]研究发现采用壳聚糖为壁材,肉桂精油为芯材制作出的植物精油微胶囊可显著抑制葡萄上霉菌类毛霉菌的生长繁殖。由此可见,将精油微胶囊化后用于果蔬贮藏保鲜中,可起到一定的保鲜效果。但目前关于精油微胶囊的研究大多数注重于果蔬保鲜包装方面,而针对果蔬上霉菌抑制效果的研究报道尚且不多。因此,研究精油微胶囊包埋法对不同种类果蔬上霉菌的抑制效果是一个值得关注的热点。

3.5 植物精油复合可食性涂膜

精油复合涂膜是指将植物精油作为抗菌剂加入壳聚糖、海藻酸钠等这类天然可食性材料制成的涂膜液中,再将果实侵入其中,捞出自然风干后再将果蔬放于保鲜盒中贮藏。多数研究表明将植物精油与天然可食性涂膜剂等载体相结合后涂膜在果蔬表面可有效防止由真菌,特别是由霉菌的侵染而引起的果实腐烂变质。此外,涂膜处理还可以调节果蔬内部气体交换,从而抑制果蔬的呼吸和蒸腾作用,降低果实水分和营养成分的损失,使果蔬货架期得以延长[44]。Guerra等[54]研究发现壳聚糖复合薄荷精油涂膜可有效防止樱桃番茄果实在贮藏期间中黑曲霉、灰霉病菌、扩展青霉和黑根霉引起的霉菌侵染,且不影响果实的质量。Cháfer等[55]采用壳聚糖复合茶树精油对人工接种意大利青霉的橙子进行处理来评价精油抗真菌效果。研究发现,与未涂膜处理的样品相比,添加茶树精油涂膜处理可有效抵抗意大利青霉的侵染,且在整个贮藏过程中,橙子果实的质量参数如硬度、颜色、酸度等均没有发生不良变化。精油复合涂膜处理虽然可良好保持果蔬的感官品质及精油抗菌效果,但涂膜处理会破坏蔬菜叶片的形状结构,导致其萎蔫,因此并不适用于叶菜类蔬菜的贮藏保鲜。

3.6 植物精油保鲜纸

精油保鲜纸是通过将植物精油作为天然抗菌剂添加到保鲜纸中得到的新型保鲜纸。精油保鲜纸具有一定的透气性,可有效隔离果蔬与外界有害物质直接接触,有效延缓植物精油的释放,还可防止果蔬中水分及营养物质的流失。除此之外,精油保鲜纸也可提供一定的气体环境,进行气体交换,防止果蔬本身产生的不利气体累积,从而实现对果蔬的保鲜[49]。刘光发等[56]研究发现添加体积分数为3%或4%丁香罗勒精油的抗菌保鲜纸可在一定程度上抑制草莓致腐菌(灰霉、根霉、青霉和交链孢菌)的生长繁殖,但精油浓度过高会破坏草莓表皮组织结构,使草莓更易感染霉菌。由此可见精油保鲜纸具有一定的抑菌及保鲜效果,但目前有关精油保鲜纸的制作方法主要是通过将具有较好抗菌性的精油采用涂膜液涂布、喷淋、浸泡等作用方式附着在保鲜纸上,虽然使用方便快捷但不利于长期保存及远距离运输,限制了精油保鲜纸的应用与发展。

4 讨论与展望

植物精油作为一种天然绿色保鲜剂或抗菌剂已受到了国内外研究学者们的密切关注,研究结果显示将植物精油用于果蔬的贮藏保鲜中,可良好保持其感官品质,延长其货架期。然而高浓度植物精油会破坏果蔬组织结构,使其软化加剧,更易侵染致腐真菌。植物精油本身气味也较大,将其直接用于果蔬保鲜会破坏果蔬原有的香味。除此之外,植物精油的成分非常复杂,且不同来源的植物精油其有效抑菌成分也有差异,导致其抑菌机理尚不全面。

因此,植物精油未来的研究与开发可多注重以下几个方面:目前关于植物精油对细胞膜的研究较多,主要是采用扫描电镜来观察细胞结构变化及细胞内容物渗漏情况,进而证明精油可以破坏细胞膜,但对细胞膜上蛋白质和磷脂的作用尚不清楚,需要进一步研究;植物精油的最小抑菌及杀菌浓度多是将植物精油直接滴到接有某种菌的培养基上所得,而果蔬中的水分、pH等因素会影响植物精油的抑菌效果,因此可多注重研究精油对不同种类果蔬保鲜的最佳用量;对不同植物精油及不同活性成分之间的协同与增效功能进行深入研究,从而开发更高效、广谱的复合型抗菌剂;对植物精油的药理与安全性评价进行深入研究,从而保障应用于果蔬贮藏保鲜中的精油抗菌剂绿色安全。随着上述几个研究方向的不断深入,相信精油作为绿色无公害的保鲜剂在果蔬保鲜领域将迎来更加广阔的应用前景。