植物精油及其活性成分的抗菌机理

高永生，金 斐，朱丽云，2*，赵 前，徐晓晖

（1 中国计量大学生命科学学院 芳香工程技术研发中心 杭州 310018 2 安徽汉芳生物科技有限公司 安徽淮北 235000）

食品安全是全球范围内的一个重大问题，食品中的某些微生物是影响食品安全和质量的主要因素。1996年，日本东京、福岛等40 多个都、府、县9 000 余人因食用大肠杆菌O157：H7 污染的食品患病，近千人住院，11 人死亡；2000年，日本14 000 多人因食用受金黄色葡萄球菌污染的“雪印”牛奶制品，产生呕吐、腹痛、腹泻等中毒症状。2010年，因食用污染沙门氏菌的鸡蛋，美国沙门氏菌疫情从加利福尼亚州开始迅速向其它州蔓延，期间超过1 000 人得病。对食品的抗菌处理是食品生产、加工、运输中不可缺少的环节。冷冻、加热、酸化、干燥和添加抗菌剂是常用的抗菌方法，然而这些方法均有一定的局限性。为满足人们对食品口感、风味和安全的要求，寻求一种天然、安全、且广谱抗菌的植物源抗菌剂，成为研究者关注的热点之一。精油是一种植物次级代谢产物，具有穿透力强，抑菌效率高，分子质量小、易吸收和成分复杂、不易产生耐药性等特点，在食品、化妆品、医药等行业有广泛的应用前景。

1 抗菌植物精油的作用对象及机理

微生物作为影响食品安全的一大重要因素，在食品生产、运输、贮藏的过程中都需得到有效控制。植物精油是存在于植物体内的一类具有芳香气味的次生代谢产物，大多具有良好的抗菌效果，是一种来源广泛、安全环保、不易产生耐药性的天然抗菌剂，具有广阔的市场前景。据报道，山苍子、鼠尾草、孜然、草果、丁香、肉桂、辣木、牛至、竹叶、白扣等植物精油对多种微生物具有一定的抑制作用，有利于食品防腐保质。具有抗菌活性的植物精油的种类、主要成分、作用对象及机理如表1所示。

表1 植物精油对不同微生物的抗菌作用及机理Table 1 Antibacterial effect and mechanism of plant essential oils on different microorganisms

（续表1）

（续表1）

从表中可知，植物精油成分复杂，主要可分为萜烯（如石竹烯、蒎烯、柠檬烯、松油烯、葎草烯、大牛儿烯D、月桂烯、姜黄烯、D-愈创木烯、α-蛇床烯、香附烯、可巴烯等）、醇（如马鞭草烯醇、桉叶醇、芳樟醇、金合欢醇、松油醇、喇叭茶醇、植物醇、鲨肌醇等）、酚（如丁香酚、乙酰基丁香酚、胡椒酚、百里香酚等）、醛（如柠檬醛、十六醛、肉桂醛、枯茗醛、2-蒈烯-10-醛、香茅醛等）、酮（如4-羟基-2-甲基苯乙酮、葑酮、α-香附酮等）、酯（如水杨酸甲酯、乙酸芳樟酯、乙酸香叶酯、醋酸酯、癸酸乙酯、巴西菊内酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二乙酯等） 和其它复杂的碳氢化合物（如石竹烯氧化物、反式茴香脑、去甲基氟西泮等），这些单体成分具有众多生理活性，是发展前景良好的研究材料。植物精油的抗菌机理主要可分为以下几点：1）破坏细胞壁，改变菌体形状，细胞内外浓度差较大时，细胞胀破死亡。如丁香精油[5]、牛至精油[5]、神农香菊精油[18]等能破坏枯草芽孢杆菌细胞壁，鼠尾草精油[6]、佩兰精油[17]等能使金黄色葡萄球菌细胞壁受到一定程度的溶解，导致菌体凹陷、变形，细胞的形态、结构等遭到破坏。草果精油[7]、牛至精油[5]、鼠尾草精油[6]等可以破坏大肠杆菌细胞壁，使菌体形态发生变化，出现皱缩、破损甚至塌陷。黄檗果实精油[11]能破坏沙门氏菌的细胞结构，使细胞表面粗糙无光泽、皱缩、干瘪、突起、扭曲变形；2）破坏细胞膜，增强细胞膜通透性，使细胞内容物大量泄漏，导致菌体死亡。如丁香精油[3]、鼠尾草精油[6]、竹叶精油[16]等可以破坏大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的细胞膜完整性，使细胞膜通透性增加，导致胞内大分子物质（核酸、DNA 和蛋白质）泄漏。草果精油[8]、白扣精油[20]、香旱芹香菜精油[21]等能增加大肠杆菌细胞膜通透性，使胞质溢出，DNA、RNA 和蛋白质泄漏严重时大肠杆菌死亡。肉桂精油[10]可以破坏蜡样芽孢杆菌细胞膜完整性，增加细胞通透性，细胞内容物（蛋白质、DNA、ATP）大量流失；3）影响能量代谢，抑制菌体生命活动。如辣木精油[2]抑制单核增生李斯特菌糖酵解途径的3 个关键酶（己糖激酶、果糖磷酸激酶和丙酮酸激酶）活性，山苍子精油[1]抑制三羧酸循环途径的3个关键酶（α-酮戊二酸脱氢酶、柠檬酸合酶和线粒体异柠檬酸脱氢酶） 活性来抑制大肠杆菌O157：H7 的呼吸代谢。山苍子精油[1]、辣木精油[2]等还可以通过减少菌体内ATP 含量，降低ATP 酶活性影响细胞能量代谢，丁香精油[4]能抑制单核增生李斯特菌的ATP 合成；4）抑制DNA 合成或损伤DNA，从而抑制菌体生长繁殖。如山苍子精油[1]能抑制大肠杆菌O157：H7 的DNA 拓扑异构酶活性，减少胞内DNA 含量。辣木精油[2]能抑制单核增生李斯特菌拓扑异构酶I/II 的活性，与DNA 发生嵌入结合作用，减少胞内DNA 含量。丁香精油[4]可以抑制单核增生李斯特菌体内核酸合成，影响细菌生长繁殖，最终使细菌死亡。肉桂精油[10]可能影响蜡样芽孢杆菌遗传物质DNA 合成。香附精油[24]可以抑制金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌DNA 合成；5）抑制细菌毒力基因转录与表达。如山苍子精油[1]能抑制大肠杆菌O157：H7 主要毒力基因stx1，stx2，ehxA，eae 的转录水平，辣木精油[2]能抑制单核增生李斯特菌LPI-1 毒力岛（prfA、plcA、hly、actA、plcB）和LPI-2 毒力岛（inlA、inlB）转录表达。

2 精油单体成分及其抗菌机理

植物精油的化学成分极其复杂，主要包含萜烯类衍生物、芳香族化合物、脂肪族化合物、含氮含硫化合物等。其中，萜类化合物是精油中最为常见、含量最多的成分，如月桂烯、柠檬烯等；芳香族是植物精油中的第二大类化合物，主要是一些酚类、醛类、酮类、酯类、萜源衍生物及苯丙环类衍生物，如百里酚、丁香酚、柠檬醛等。据国内外研究报道，植物精油中香芹酚、丁香酚、百里酚、柠檬醛、肉桂醛等活性成分对一些食源性腐败菌、致病菌具有一定的抑制作用，以下将这些成分对腐败菌或致病菌的抑制机理做简单介绍。

2.1 香芹酚

香芹酚又名2-甲基-5-异丙基苯酚，是牛至、百里香、肉桂等许多植物的天然有效成分，也是植物精油中具有抗菌活性的单体成分之一，由于其有益的生物活性，尤其是止痛、抑菌、抗氧化活性而备受关注，表2列举了香芹酚对部分微生物的抗菌机理。

表2 香芹酚对不同微生物的抗菌作用及机理Table 2 Antibacterial effect and mechanism of carvacrol on different microorganisms

香芹酚能改变禽分枝副结核杆菌膜磷脂分子的分子堆积特性直接导致细胞流态化，从而使微生物死亡，达到食品防腐抗菌的目的。还可以通过降低金黄色葡萄球菌、大肠杆菌O157：H7 等微生物细胞膜中不饱和脂肪酸（UFAs）含量[35]，减少匍枝根霉等微生物细胞膜中麦角固醇含量[40]，使膜结构发生变化而受损，也能直接破坏蜡样芽孢杆菌、大肠杆菌、单核增生李斯特菌、酵母菌、匍枝根霉等微生物的细胞膜完整性，增加其通透性，胞内质子和钾离子外泄影响细胞膜上的阴阳离子，破坏离子梯度或导致膜电位的丧失[28，33，36-37，39-40]，核酸、蛋白质等生物大分子渗漏破坏细胞最基本的代谢过程，导致微生物死亡。不仅如此，香芹酚还能抑制单核增生李斯特菌和大肠杆菌的ATP 酶活性，从而抑制ATP 生成，使得细菌生命活动缺乏能量[32-33]，可使蜡样芽孢杆菌产生剂量相关生长抑制[29]，在pH 值为4.5～8.5 的范围内，蜡样芽孢杆菌在pH 7.0 时对香芹酚的敏感性最低，30 ℃的暴露温度下细胞死亡率最高[30]，在pH 7.0、30 ℃下香芹酚对蜡样芽孢杆菌的抗菌效果较好。

2.2 肉桂醛

肉桂醛又叫桂皮醛，天然存在于肉桂油（桂皮、桂枝、桂叶中均有存在）、藿香油、风信子油和玫瑰油等精油中，具有杀菌、消毒、防腐、抗溃疡、抗病毒、抗癌等生物活性。在食品工业中，肉桂醛是很好的调味油，可用来改善食品的口感风味，因具有较强的抗霉菌、抗细菌能力，常作为食品保鲜防腐防霉剂，其作用对象和可能的作用机制见表3。

表3 肉桂醛对不同微生物的抗菌作用及机理Table 3 Antibacterial effect and mechanism of cinnamaldehyde on different microorganisms

肉桂醛可以通过降低大肠杆菌O157：H7、金黄色葡萄球菌、荧光假单胞菌等微生物细胞膜中不饱和脂肪酸（UFAs）含量，使膜结构发生变化而受损[35]，也能直接破坏不动杆菌、大肠杆菌、黄曲霉、单核增生李斯特菌等微生物的细胞膜完整性，使胞内物质发生泄漏[43]，从而破坏其物质代谢[41]，能改变黄曲霉胞内大分子空间结构，破坏微生物胞内有序的新陈代谢从而抑制生长[42]。不仅如此，肉桂醛还可以抑制胞内ATP 的生成来破坏微生物细胞内能量代谢[33]，使细胞死亡以达到抗菌效果。

2.3 百里香酚

百里香酚又叫麝香草酚，化学名为2-异丙基-5-甲基苯酚，有芳香气味，属于一种单萜酚类，香芹酚是其同分异构体。百里香酚主要来源于唇形科植物百里香、麝香草、牛至等，具有抗菌、抗氧化、驱虫、抗癌等生物活性。百里香酚常被用作食品香料，是中国食品行业允许使用的添加剂，其抗菌机理见表4。

表4 百里香酚对不同微生物的抗菌作用及机理Table 4 Antibacterial effect and mechanism of thymol on different microorganisms

百里香酚可通过改变金黄色葡萄球菌的膜脂肪酸组成，如降低12-甲基十四酸和14-甲基十六烷酸的比例（分别从22.4%和17.3%降至7.9%和10.3%）[44]，以减少酵母菌细胞膜中麦角固醇含量[39]破坏细胞膜结构。还可以直接破坏大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等微生物细胞膜的完整性，抑制嗜水气单胞菌等微生物生物膜的形成[46]，使胞内物质泄漏，影响微生物正常生理代谢活动。能通过抑制膜ATP 酶活性，抑制外排泵使细胞活力降低，抑制细菌运动[45]影响微生物物质能量代谢，使菌死亡。且百里香酚还可以使DNA 二级结构发生轻度失稳。综上所述，百里香酚可以通过破坏细胞结构，损伤遗传物质DNA，影响微生物物质代谢和能量代谢等机理达到抗菌的目的。

2.4 丁香酚

丁香酚又名子丁香酚，学名为2-甲氧基-4-烯丙基苯酚，天然存在于唇形科、月桂科、桃金娘科和肉豆蔻科的几种植物的精油中。在传统医学研究中，丁香酚对人体健康产生有益作用，具有抗氧化、抗炎、抗癌等生物活性。在食品工业中，丁香酚作为潜在有价值的防腐剂，在抗菌、芳香性和安全性等方面具有优势，对导致食物腐败变质的微生物更是有广谱抑菌活性[47]。其抗菌活性及作用机理如表5所示。

表5 丁香酚对不同微生物的抗菌作用及机理Table 5 Antibacterial effect and mechanism of eugenol on different microorganisms

丁香酚可以分解破坏白色念珠菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等微生物的细胞壁[5，50]，改变菌体形态。还能通过增强溶菌酶、TritonX-100 和SDS 对细菌细胞膜的损伤作用[49]，使细胞膜中大分子变形[51]或减少细胞膜中麦角固醇、不饱和脂肪酸（UFAs）含量[35，40]来破坏伤寒沙门氏菌、匍枝根霉、大肠杆菌O157：H7 等微生物的细胞膜。可增加匍枝根霉、白色念珠菌等微生物的细胞膜通透性，使胞内物质（核酸、蛋白质等）大量泄漏，导致菌体死亡[40，50]。且丁香酚还能抑制嗜水气单胞菌、弗氏柠檬酸杆菌等微生物的生物膜形成，影响其正常生理功能，抑制菌体苹果酸脱氢酶和琥珀酸脱氢酶影响微生物能量代谢，以此达到抗菌目的。除此之外，丁香酚可以与链霉素等10 种不同的抗生素进行协同作用[35]，由于丁香酚具有膜破坏性质，1 mmol/L 浓度的丁香酚能够破坏近50%的细菌膜，与抗生素联合后的最小抑菌浓度（MIC）比其单个MIC 降低5～1 000 倍，因此可减少抗生素的使用量，减缓抗生素耐药性的发生[49]。

2.5 柠檬醛

柠檬醛，化学名为3，7-二甲基-2，6-辛二烯-1-醛，是无色或微黄色液体，呈浓郁柠檬香味。天然柠檬醛是两种单萜类异构体的混合物，普遍存在于柠檬草、马鞭草、山苍子等植物中，具有防腐抗菌、杀虫、消炎、抗癌、抗氧化等生物活性。在食品行业，柠檬醛表现出的明显抗细菌活性以及抗真菌活性[52]使其备受关注，其抗菌活性及作用机理列于表6。

表6 柠檬醛对不同微生物的抗菌作用及机理Table 6 Antibacterial effect and mechanism of citral on different microorganisms

柠檬醛可通过使细胞膜超极化[55]，破坏细胞膜结构[54]来影响破坏阪崎克罗诺杆菌、大肠杆菌等微生物的细胞完整性，使胞内物质大量泄漏，从而影响其正常生理活动，导致细胞破裂死亡。还能与耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、大肠杆菌O157：H7 等微生物的DNA 发生反应，影响其复制、转录，抑制微生物的生长繁殖[1，53]。除此之外，柠檬醛能抑制黄曲霉中DNA、RNA、脂类和蛋白质等生物合成[57]，也能通过抑制耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的戊糖磷酸途径关键酶活性[53]、黄曲霉的三羧酸循环和电子传递链关键酶（琥珀酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶）活性[57]来抑制ATP 生成，减少细胞生命活动所需物质与能量产生。Wang 等[56]研究发现，柠檬醛可通过紊乱基因表达影响细胞完整性，还能扰乱链孢霉的氧化应激平衡，降低总抗氧化能力，下调真菌毒素生物合成基因（pksI 和omtI）。

2.6 柠檬烯

柠檬烯，化学名为1-甲基-4-异丙基环己烯，属于单环单萜烯，广泛存在于天然植物精油中，具有良好的抗菌、抗氧化、抗肿瘤、消炎等活性，且食用安全性得到国际认同，是有广阔前景的食品抗菌剂、防腐剂，其对部分微生物的抗菌机理见表7。

表7 柠檬烯对不同微生物的抗菌作用及机理Table 7 Antibacterial effect and mechanism of limonene on different microorganisms

柠檬烯能破坏细胞壁，使单核增生李斯特菌、铜绿假单胞菌、荧光假单胞菌等微生物的细胞形态与结构发生改变[35，58，60]，可以通过降低细胞膜中不饱和脂肪酸（UFAs）含量，使大肠杆菌O157：H7、鼠伤寒沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、荧光假单胞菌等微生物的膜结构发生变化，从而破坏细胞膜[35]，干扰细胞正常代谢活动，影响细胞膜通透性，使细胞内容物（小分子物质、还原糖和蛋白质等）大量泄漏[12，58]，致使菌体死亡。柠檬醛还可以抑制呼吸链复合体功能、ATP 酶活性和SDH 酶活性，影响单核增生李斯特菌[58]、荧光假单胞菌[59]等微生物的呼吸和能量代谢，从而达到抗菌目的。

2.7 其它

石超峰等[61]试验发现α-松油醇可明显增强大肠杆菌胞外碱性磷酸酶和β-半乳糖苷酶活性，增强细胞膜通透性，还能抑制细菌的核酸合成和可溶性蛋白表达以达到抗菌效果。棕榈酸是植物精油中常见的油酸，可以通过抑制微生物（如枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和酿酒酵母等）对营养物质的吸收利用进而抑制其生长繁殖，影响菌体能量代谢，使菌体生长缓慢[10]，还能破坏细胞膜或引起膜结构的变化，抑制生物膜的合成[62]，增加细胞膜的通透性，使细胞内容物外泄，致使菌体死亡[15]。芳樟醇属于链状萜烯醇类，兼具醇和烯烃类化合物的通性和特征，主要存在于芳樟、白玉兰、伽罗木等植物的挥发油中，具有抗菌活性。据报道，芳樟醇能穿透肠道沙门氏菌细胞膜，增加细胞膜通透性，使胞内重要物质大量渗漏，还能抑制细胞运动，使细菌聚集[63]以达到抗菌目的。

3 结语

综上所述，国内外对精油抗菌机理的研究主要集中在破坏细胞壁，增加细胞膜渗透性，使细胞内容物渗漏，影响菌体物质能量代谢，抑制菌体对营养物质的吸收利用，抑制DNA 合成或损害DNA 和降低细菌毒力等方面。Di 等[35]研究了百里酚、香芹酚、柠檬烯、丁香酚和肉桂醛等精油中的单体成分对大肠杆菌、荧光假单胞菌、热杀索丝菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌等几种条件致病菌细胞膜的影响，结果发现细胞膜中不饱和脂肪酸（UFAs）含量均出现不同程度降低，膜结构发生变化，这几种单体可能是精油抗菌的关键活性成分之一。植物精油的挥发性、小分子、脂溶性等特点，使精油成分容易通过细胞壁、细胞膜进入到微生物细胞内，在细胞膜上破坏膜结构，增加渗透性，并进一步在细胞体内干扰糖酵解和TCA 循环等关键代谢及抑制DNA 合成等发挥抗菌作用。