植物精油对采后农产品抑菌作用的研究进展

卢 锟，龚吉军

（中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

植物精油又称香精油、芳香油和挥发油，是存在于植物中的一类具芳香气味、可随水蒸气蒸馏出来而又与水不相溶的挥发性油状成分的总称，是植物的次生代谢产物，主要含有萜类、醇类、醛类、酸类、酚类、芳香族化合物类等。植物精油具有抑菌、杀虫、抗氧化等作用[1-2]。

目前，食品抑菌保鲜剂绝大多数为化学合成保鲜剂，这类保鲜剂对食品的保鲜效果好且价格相对便宜。但是随着科技的发展，人们逐渐认识到化学保鲜剂对人体健康的危害，如低毒农药残留对人体有毒副作用、苯甲酸和亚硫酸盐可能引起过敏、由亚硝酸盐转化而成的亚硝胺具致癌性等。以天然、无毒、具高效且广谱抑菌活性的植物精油开发食品保鲜剂，潜力大，前景好。本文主要对植物精油在农产品保鲜方面的相关研究进行综述，以期为其进一步研究、开发及利用提供参考。

1 植物精油的抑菌机理

植物精油中存在多种天然抑菌活性成分，赋予其在农产品保鲜方面巨大的应用潜力。但植物精油的成分复杂，其组分间的相互作用亦复杂。植物精油的抑菌作用主要由其中的一种或几种主要成分决定，不同的成分间也可能存在协同作用[3]。植物精油的抑菌机理，迄今未完全阐明。植物精油发挥抑菌作用可能主要缘于以下几方面：一是造成微生物细胞壁的损伤，细胞壁是植物精油作用微生物的初始靶点，革兰氏阳性菌细胞壁由多层网状的肽聚糖组成，且有膜磷壁酸和壁磷壁酸与之相连，因而具有亲脂性，而革兰氏阴性菌细胞壁由单层肽聚糖结合外覆含有脂多糖、脂蛋白、磷脂等的脂质双层膜组成，且不含磷壁酸，故具有亲水性，因此革兰氏阳性菌对植物精油具有更强的敏感性，而革兰氏阴性菌对疏水的植物精油抑菌成分具有更强的抵抗力。但也有特殊情况，如百里香精油对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均有较好的抑制效果[4]，其机理有待深入研究；二是植物精油的疏水性引起革兰氏阳性菌细胞膜透性的增加，使膜结构破坏而细胞内容物外泄，引起膜脂、膜蛋白的改变，抑制酶系统，阻塞离子通透性[5-7]，引起能量代谢异常，或导致腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）与还原型辅酶Ⅱ（NADPH）的流失，或影响ATP的合成[8-9]；三是抑制基因表达，损伤DNA结构，影响其遗传信息的传递，抑制其繁殖，甚至导致死亡，但其机理仍不太清楚，有待进一步研究[10]。上述作用的发挥，关键在于两个方面：一是植物精油的疏水性导致微生物膜透性改变；二是诱发活性氧簇（Reactiveoxygen species，ROS）的爆发而形成对微生物酶系统、膜脂、膜蛋白及DNA的不可逆氧化损伤。

考虑到植物精油成分的复杂性，其抑菌活性可能并不归因于某个特定机制，而是多因素作用于微生物的多个靶点[11]。以α-蒎烯为主要成分的黄檗果实精油对沙门氏菌的抑制是通过破坏细胞膜的通透性与完整性、抑制能量代谢、氧化损伤来实现的[12]。丁香精油能溶解细菌细胞膜，致细胞内物质大量流出，也能抑制细菌ATP的合成，阻断细胞的能量供给，还能抑制核酸的合成，从而影响细菌的生长繁殖[13]。茶树精油除了能导致番茄灰葡萄孢菌（Botrytis cinerea）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）细胞膜的通透性增强、菌丝形态畸变及超微结构变化[14-15]外，还可通过H2O2的积累诱导活性氧（ROS）爆发引起氧化损伤[14]。山苍子精油的主要成分柠檬醛能改变黄曲霉菌膜的选择通透性，破坏其对表面形态结构稳定性的控制，诱导细胞质膜结构和线粒体形态结构异常而使其相应的生理功能衰变，还能使细胞质膜脂质过氧化，产生大量自由基引起亲核攻击而致细胞核DNA链局部断裂[16]。

鉴于植物精油的成分复杂，这些成分的立体化学结构、亲脂性和相互作用都会影响微生物的结构与功能，导致其能量代谢、物质循环和/或遗传能力的异常；另外，对微生物生理功能受植物精油干扰是否有先后顺序或关联性也并不清楚，因而其抑菌机制异常复杂，已有的研究远未透彻，仍有待系统、深入地研究。

2 植物精油对采后农产品的抑菌作用

2.1 植物精油对采后果蔬的抑菌作用

果蔬采收后由于失去了外部营养和水分来源，而其呼吸和蒸腾作用仍在继续，造成果蔬的抗病能力与品质下降。果蔬采后易受到病原微生物的侵染而引起腐烂变质，而植物精油具有抑菌活性，可用于果蔬采后的抑菌保鲜。

对高温季节上市、易腐果蔬的抑菌效果是植物精油保鲜研究的重点，大部分研究仅探究了植物精油对从果蔬分离出的主要病原微生物的体外抑菌活性，也有在此基础上进行人工接种病原菌的体内抑菌试验。草莓为浆果，采后极易受到灰霉菌、根霉菌和黑曲霉菌等侵染而发生病害，百里香精油对灰霉菌、根霉菌和黑曲霉菌的最低抑菌浓度（Minimuminhibitory concentration,MIC）均低为2μL/L，其主要抑菌成分为百里香酚和香芹酚，百里香精油有望开发为草莓天然植物抑菌剂，但小茴香精油、罗勒精油的抑菌效果不明显，而迷迭香精油对灰霉菌几乎没有抑菌作用[17]。这说明不同植物精油因成分不同导致其抑菌活性存在明显差异，而植物精油对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。将草莓人工接种灰葡萄孢霉后，用0.1‰的加拿大一枝黄花精油熏蒸处理草莓12 h，该处理能使发病率降低51%，病斑直径仅为4 mm，远低于对照的15 mm[18]，该精油对灰葡萄孢霉主要抑菌成分可能为(+)-大牻牛儿烯D、α-蒎烯、柠檬烯[19]。茶树精油熏蒸处理可以显著抑制草莓灰葡萄孢霉和葡枝根霉孢子萌发和菌丝生长，使用0.9 g/L茶树精油熏蒸能显著降低人工接种后灰霉病与软腐病的发生[20]。从产于南非的马鞭草（Lippia scaberrima）提取的精油对从采后芒果中分离出的葡萄座腔菌（Botryosphaeria parva）和胶孢炭疽菌（Colletotrichum gloeosporioides）菌丝体的生长具有良好的抑制作用，在23～25℃下，2.4 mL/L精油浓度对葡萄座腔菌的抑制率达86%，对胶孢炭疽菌则能完全抑制其生长；将芒果分别接种胶孢炭疽菌和葡萄座腔菌后再用植物精油与芒果专用果蜡（MangoshineR）复合的保鲜剂处理，室温下放置6 d后，其病斑直径分别为1.7 mm和3.4 mm，效果显著好于对照水处理组（P＜0.05），但其要成为可商业应用的采后芒果保鲜剂，仍需进一步研究[21]。15μL/L丁香精油对从番茄病部分离出的灰葡萄孢霉（Botrytis cinerea）和粉红单端孢霉（Trichothecium roseum）的体外熏蒸抑制率分别可达39.97%和43.65%；100μL/L的浓度熏蒸处理对接种至健康番茄上的灰葡萄孢霉（Botrytis cinerea）的抑制率为41.5%，但采用涂抹法时精油浓度需提高至0.8 mL/L才能产生较好的效果[22]。使用0.5%的香柠檬精油、柠檬桉叶精油、绿薄荷精油及甜橙精油处理大白菜72 h后，能降低大白菜对所接种胡萝卜果胶软杆菌一个亚种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鲜，表现出较好的效果。将浓度为1.0%的肉桂精油喷洒于红提葡萄表面，在2℃和相对湿度（RH）90%条件下贮藏63 d后，葡萄的烂果率仅为30%左右，显著低于空白对照[24]。而采用30μL/L芥茉精油对采后冬枣进行熏蒸处理，发现该处理对抑制冬枣青霉菌、灰霉菌和链格孢菌具有良好的效果，显示出一定的抑菌保鲜作用[25]。在鲜切果蔬的抑菌保鲜方面，植物精油也有较好的效果。将2.5 mL/L丁香精油与5.0 mL/L茶树精油用乳糖胶囊包埋后作为微加工生菜叶的缓释保鲜剂，在8℃、7 d的保鲜期内发现其对乳酸菌、酵母菌和霉菌具有显著的抑菌效果[26]。

已有的研究表明，有些植物精油对采后果蔬主要病原微生物具有较好的体外和接种果蔬后的抑制效果，而直接用于果蔬的抑菌保鲜亦有不错的效果，但因不同果蔬的贮藏特性有异，其常见的病原菌也不同。总体而言，目前的研究仍不够系统，抑菌效果也有待进一步提高。另外，不同植物精油复配后的抑菌效果及植物精油在果蔬活体上的抑菌机理仍有待深入研究。

2.2 植物精油对储粮的防霉作用

霉变是造成粮食收储过程中损失的主要因素之一。抑制粮食霉变的发生，提升其食用安全性，意义重大。目前，有关植物精油对粮食防霉保鲜效果的研究多集中在大米上。柠檬草精油对大米中提取的黄曲霉菌株的抑杀效果好，该精油对供试菌株的抑菌和杀菌浓度分别为0.6 mg/mL和1.0 mg/mL，在0.1 mg/mL浓度下可完全抑制黄曲霉毒素的产生，而精油熏蒸对供试菌株孢子形成和菌丝生长的抑制浓度分别为2.80 mg/mL和3.46 mg/mL，其灭菌活性成分被认为是柠檬醛a和柠檬醛b[27]。肉桂精油对大米霉菌的体外与储藏抑菌效果均较好，体外抑菌的效果甚至优于双乙酸钠，将其应用于大米的储藏保鲜，在30℃、RH 83%、储藏空间内精油浓度为150 mg/L以上时，大米15 d内未出现表观霉变现象；当精油浓度在175 mg/L以上时，可完全抑制霉菌孢子的生长[28]。很多研究结果表明，有些植物精油的复合可提高其对粮食霉菌的抑制效果。肉桂精油与山苍子精油以3∶1（V/V）的比例复配，对大米青霉和黑曲霉的抑制效果最佳，其MIC仅为0.1μL/mL[29]，说明肉桂与山苍子复合精油在大米防霉保鲜上具有良好的开发利用前景。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）和黄曲霉（Aspergillus flavus）的生长，肉桂精油、丁香精油和小茴香精油对黑曲霉的MIC分别为0.02%、0.04%和0.05%，对黄曲霉的MIC分别为0.02%、0.05%和0.06%[30]，有望开发为大米储藏防霉保鲜剂。当大蒜精油与肉桂精油以1∶3（V/V）复配时，对大米中的黄曲霉具有最佳的抑制作用效果，在人工模拟高温高湿（30℃，RH＞90%）条件下，能显著降低大米的菌落总数，并延缓大米的陈化[31]。将海带、花椒、八角等具有芳香性的农产品混合储藏大米，每100 kg大米加100 g干海带、20 g八角和50 g花椒，在同等条件下大米发霉时间较空白对照晚且霉变程度轻，说明海带、花椒、八角能有效抑制大米的霉变，且海带的抑菌效果最佳，这些农产品的挥发性精油可抑制霉菌的生长[32]，这为包括大米在内的农产品防霉储藏提供了新的思路。正常储藏条件下，稻谷不易长霉，但当稻谷出现发热情况时，如不及时进行通风、降温、降水等有效处理，大多数霉菌会在适宜的温湿度条件下大量生长繁殖，进而稻谷中的有机质被逐渐消耗，霉菌菌落生长造成稻谷霉变板结[33]。因此，稻谷在收割后至干燥达标入储前的这段湿度较高的阶段，采用具有防霉作用的植物精油进行熏蒸处理应是解决问题的有效办法之一。而在稻谷储藏期间，粮堆中霉菌的菌群结构也会发生改变：初储稻谷中禾谷镰刀菌为优势菌；储藏3个月后，优势菌主要为灰绿曲霉；储藏6个月后，主要优势菌为青霉菌、疑似黄曲霉和白曲霉[34]。因此，生产实践中仍需使用防霉剂。为了减少化学防霉剂的潜在危害，采用植物源活性成分抑菌或杀灭储藏稻谷中的真菌日渐受到重视[35]。迄今为止，对其他粮食的防霉研究相对较少，但研究发现肉桂醛、柠檬醛、丁香酚和薄荷醇精油以体积比3∶3∶2∶2复合时，对玉米黄曲霉和镰刀菌的抑制效果显著，储藏240 d时对上述2种菌的抑制率分别为99.4%和100.0%，可有效防控玉米储藏过程中霉菌和真菌毒素的污染[36]。

采用适宜的单一或复合植物精油处理对储粮的防霉保鲜效果良好，具有替代化学保鲜剂的良好前景。但值得一提的是，植物精油浓厚的芳香气味对粮食食用时的感官品质可能会有负面影响，如何既能有效发挥植物精油的防霉作用，又尽可能减少其不利影响，是值得研究的课题。

3 植物精油的协同抑菌作用

不同植物精油的成分不同，植物精油的化学成分也多种多样。在抑菌方面，同一植物精油的不同成分间及不同植物精油复合后来源不同的成分间会产生复杂的作用，由此可能产生4种效应，即无关效应、加性效应、拮抗效应和协同效应[37]。常用分级抑菌浓度指数（Fractional inhibitory concentration index，FICI）来评价不同植物精油复配后对抑菌效果的影响，FICI≤0.5为具有协同作用，0.5＜FICI≤1为具有相加作用，1＜FICI≤2为无关作用，FICI＞2为具有拮抗作用。不同植物精油如能产生相加或协同作用，则植物精油复合后其抑菌活性可得到增强。牛至与柠檬草精油分别以0.025μL/mL的浓度按1∶1（V/V）进行复配后对黑曲霉和草本枝孢霉的FICI均为0.75，表现为相加作用，这是牛至精油中香芹酚和柠檬草精油中柠檬醛同时作用的结果，但香芹酚与柠檬醛两者间并未发生化学反应[38]。当肉桂精油与牛至精油以体积比8∶2和9∶1的比例复配并进行熏蒸时，对供试的金黄色葡萄球菌显示出很强的协同抑菌作用（FICI为0.25），其MIC仅为5μL/L[39]。桂皮精油与红色百里香复合精油对金黄色葡萄球菌菌（Staphylococcus aureus）的FICI为0.47，存在协同作用，而对铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的FICI为0.64±0.09，二者产生了相加作用[40]。

不同植物精油之间存在不同形式的相互作用，这对采后农产品抑菌保鲜剂的开发具有重要意义。为了提高植物精油对采后农产品的抑菌保鲜效果，首先筛选出具有较强抑菌活性的单一植物精油，再进行复配后的抑菌效果研究，考察复配剂是否存在协同或相加作用，如有上述作用则可展开进一步研究。首先是进一步明确各单一植物精油中的主要抑菌成分，其次是探究以各单一植物精油中主要抑菌成分进行复配后的抑菌效果，并与原精油复配的抑菌效果进行对比，从而为基于植物精油的抑菌保鲜剂的标准化研发提供参考。

4 展望

虽然目前国内外对有关植物精油在农产品抑菌保鲜中的研究报道已经很多，但植物精油要成为可商业化应用的天然抑菌保鲜剂，仍有很长的路要走。因为植物精油过于复杂，不仅不同植物精油的化学成分差异巨大，即便是同一植物精油的化学成分也很复杂，且其含量随植物的部位、产地、采收季节和提取方法的不同而存在差异。要利用其抑/杀菌生物活性，需结合不同种类农产品自身的特点及致腐/致病微生物的差异性而筛选最佳的植物精油或具有相加/协同作用的植物精油组合。如何把产植物精油的相关植物的培管与采收规范化管理、基于高效获取关键活性成分的植物精油提取工艺标准化与相应农产品的抑杀菌目标需求相结合，是未来实现商业化应用需深入考量与研究的关键问题。另外，除了要进一步探究植物精油对微生物细胞膜结构、线粒体功能和细胞代谢的影响外，植物精油抑菌过程中的构效关系、作用靶点与作用效应之间的关系、对微生物从蛋白组学和基因组学角度的调控作用、对农产品自身抗病能力的调节机制等都是未来对植物精油抑菌机理研究的重点。