植物源生物保鮮劑對水產(chǎn)品微生物抑菌機(jī)制研究進(jìn)展

藍(lán)蔚青陳夢玲王 蒙謝 晶

LAN Wei-qing1,2,3,4 CHEN Meng-ling1 WANG Meng1 XIE Jing1,2,3,4

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 201306；4. 食品科學(xué)與工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心﹝上海海洋大學(xué)﹞，上海 201306)

(1. Shanghai Ocean University College of Food Science and Technology, Shanghai 201306, China; 2. Shanghai Aquatic Products Processing and Storage Engineering Technology Research Center, Shanghai 201306, China; 3. Shanghai Professional Technology Service Platform on Cold Chain Equipment Performance and Energy Saving Evaluation, Shanghai 201306, China; 4. National Experimental Teaching Demonstration Center for Food Science and Engineering ﹝Shanghai Ocean University﹞, Shanghai 201306, China)

水產(chǎn)品是人類重要的優(yōu)質(zhì)蛋白源[1]。但其組織脆弱、不飽和脂肪酸易氧化，流通期間易在微生物與酶的作用下腐敗變質(zhì)[2]?；瘜W(xué)防腐劑雖能提供抑制微生物生長的環(huán)境條件或?qū)⑵渲苯託?，但存在藥物殘留、安全性不高、使食品營養(yǎng)價(jià)值與感官品質(zhì)下降等問題。近年來，生物保鮮劑以其來源廣、成本低、安全無毒，僅需少量即可較好保持水產(chǎn)品的良好風(fēng)味，延長其流通貨架期，受到研究者們的關(guān)注，并在水產(chǎn)品保鮮中得到應(yīng)用[3]。生物保鮮劑按其來源可分為植物源、動(dòng)物源、微生物源與酶類保鮮劑4種[4]。其主要優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

中國植物資源豐富，許多植物提取物的抗菌活性和安全性已經(jīng)過多年實(shí)踐得到證明。植物源保鮮劑按其成分可分為精油、多酚、多糖、醌類與生物堿類。部分植物源保鮮劑，如迷迭香提取物、竹葉抗氧化物與茶多酚可清除自由基且具有良好的抑菌性，已作為食品抗氧化劑應(yīng)用于水產(chǎn)制品中[10]。其中，房杰等[11]研究得出根皮素可很好維持冷藏三文魚的感官品質(zhì)，降低生物胺的生成量，延長其貨架期；張赟彬等[12]將肉桂精油用于真空包裝鯉魚的冷藏保鮮，結(jié)果使處理組貨架期比對照組延長了2 d。但目前關(guān)于植物源保鮮劑的抑菌機(jī)理尚不明確，其所含抑菌活性物質(zhì)與靶向抑菌機(jī)制仍需進(jìn)一步研究[13]。本文在對不同來源生物保鮮劑主要優(yōu)缺點(diǎn)比較的基礎(chǔ)上，對植物源保鮮劑的分類予以說明，通過對植物源生物保鮮劑的抑菌機(jī)制進(jìn)行闡述，提出其存在的問題及改進(jìn)建議，并對植物源生物保鮮劑的未來發(fā)展趨勢予以展望，以期為植物源保鮮劑在水產(chǎn)品保鮮中的應(yīng)用提供理論參考。

表1 不同來源生物保鮮劑的主要優(yōu)缺點(diǎn)比較

1 植物源生物保鮮劑對水產(chǎn)品中微生物的作用

現(xiàn)有研究得出，植物源生物保鮮劑主要通過激發(fā)調(diào)動(dòng)機(jī)體內(nèi)在的抗菌積極因素、調(diào)節(jié)激發(fā)機(jī)體吞噬細(xì)胞系統(tǒng)[14]、破壞微生物細(xì)胞壁、細(xì)胞膜的完整性與通透性、抑制其呼吸作用、影響其遺傳物質(zhì)(DNA)，從而達(dá)到抑制或殺滅微生物的目的[15]。

1.1 植物精油

植物精油是一類植物次生代謝產(chǎn)物，有廣譜抑菌性，主要含有萜類與酚類化合物，酚類物質(zhì)通過作用于細(xì)胞，改變細(xì)胞膜的通透性，釋放出核酸、蛋白質(zhì)、核糖等胞內(nèi)物質(zhì)，同時(shí)干擾膜的正常生理功能，最終使細(xì)胞死亡，植物精油的抑菌機(jī)理可能是一種或多種作用的結(jié)合，國內(nèi)外對其研究現(xiàn)已深入到分子水平[16-17]。美國FDA將植物精油認(rèn)作“一般認(rèn)為安全的物質(zhì)(Generally recognized as safe, GRAS)”[18]。

肉桂精油可賦予食物獨(dú)特的氣味，是一種天然的水產(chǎn)品保鮮劑，其抑菌成分主要為肉桂醛，含量高達(dá)68.95%[19-20]。Huang等[21]研究發(fā)現(xiàn)肉桂精油可將草魚的貨架期延長4 d；抑菌靶位點(diǎn)在菌體細(xì)胞膜，能與DNA疏水結(jié)合；張赟彬等[12]研究表明肉桂醛對金黃色葡萄球菌與大腸桿菌抑菌效果顯著，其對2種菌的最小抑菌濃度(Minimal Inhibit Concentration, MIC)與最小殺菌濃度(Minimum bactericidal concentration, MBC)分別為0.2，0.5 μL/mL；2種菌經(jīng)0.25 μL/mL 肉桂醛處理后，菌體表面扭曲變形，出現(xiàn)凹陷，胞內(nèi)核酸蛋白質(zhì)分子外泄，離子穩(wěn)態(tài)瓦解，同時(shí)膜電位降低，菌體正常代謝受阻，最終菌體死亡。Clemente等[22]發(fā)現(xiàn)肉桂精油對大腸桿菌的MIC為200 μg/mL，其可穿過細(xì)胞壁與細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)和羰基相互作用，使菌體形態(tài)改變，但低水溶性的特點(diǎn)限制了肉桂精油在食品工業(yè)中的應(yīng)用。Jim等[23]用超聲波與高壓均質(zhì)法來增強(qiáng)肉桂精油水溶性，結(jié)果使肉桂精油的抗氧化性增強(qiáng)，且對單增李斯特菌和大腸桿菌均顯現(xiàn)強(qiáng)抑菌性。

竹葉精油是竹子的次生代謝產(chǎn)物，其主要成分是棕櫚酸、植物醇、二十五烷。王媛媛等[24]發(fā)現(xiàn)竹葉精油對枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌與大腸桿菌抑菌性好且穩(wěn)定；經(jīng)2 MIC竹葉精油處理的菌體表面粗糙，扭曲變形；隨著作用時(shí)間的延長，菌體細(xì)胞膜通透性被影響，核酸類物質(zhì)外泄，可溶性蛋白含量減少，且對菌體脂肪酸含量有不同程度影響。Tyagi等[25]研究得出大腸桿菌經(jīng)檸檬草精油作用后，菌體表面出現(xiàn)皺縮粗糙，菌體干癟并伴有細(xì)胞質(zhì)流出，表明檸檬草精油通過破壞菌體細(xì)胞膜抑制其生長。百里香為唇形科草本植物，百里香精油對金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌與大腸桿菌等均有抑菌活性，在pH值較低時(shí)抗菌性升高[26]。Huang等[27]研究印度藏茴香精油對金黃色葡萄球菌有較好抑菌性，其主要抑菌成分為百里酚、對甲基異丙基苯和萜品烯；蔣慧亮等[10]研究發(fā)現(xiàn)百里酚對腐敗希瓦氏菌的抑菌效果顯著，1 g/kg的百里酚作用于腐敗希瓦氏菌，能使胞內(nèi)糖類物質(zhì)與蛋白質(zhì)分子外泄，膜通透性改變，磷脂雙層被破壞，Lanbert等[28]也得出相同結(jié)論。楊英鐸等[29]發(fā)現(xiàn)香樟精油對金黃色葡萄球菌的MIC為12.5%，香樟精油可能通過破壞菌體細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，引起內(nèi)含物滲漏，導(dǎo)致細(xì)菌缺乏營養(yǎng)物質(zhì)而死亡。Wang等[30]研究發(fā)現(xiàn)野胡麻屬精油對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和腸炎沙門氏菌的MIC分別為0.5，1.0，2.0 μL/mL，其通過破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)影響生物膜的形成而達(dá)到抑菌目的。

1.2 植物多酚

植物多酚又名植物單寧，廣泛存在于植物體內(nèi)，因具有酚羥基結(jié)構(gòu)而有較強(qiáng)的抗氧化能力，通常包括黃酮、鞣質(zhì)與其他酚類。茶多酚、海帶多酚與檸檬多酚等已在水產(chǎn)品保鮮中得到應(yīng)用。茶多酚主要包括兒茶素、酚酸類、黃酮類與花青素類，兒茶素約占總量的60%～80%，黃酮含量豐富，是目前研究較多的抑菌劑之一，其主要通過與膜表面結(jié)合發(fā)揮靜電作用，影響細(xì)胞正常代謝與菌體總蛋白的正常表達(dá)來實(shí)現(xiàn)抑菌活性。

其中，孫京新等[31]研究表明0.3%茶多酚能使假單胞菌的完整性受到破壞，堿性磷酸酶滲出，在細(xì)胞膜孔形成孔道，導(dǎo)致紫外吸收物與蛋白質(zhì)滲漏，影響細(xì)胞的正常代謝；周本宏等[32]發(fā)現(xiàn)地榆鞣質(zhì)提取物使金黃色葡萄球菌胞膜的通透性改變，細(xì)胞完整性受到破壞而達(dá)到抑菌目的。Leiro等[33]發(fā)現(xiàn)用1～100 μL反式白藜蘆醇處理分離出的腹腔吞噬細(xì)胞，可調(diào)控細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄因子NF-κB信號(hào)通路而起到抗炎作用。錢麗紅等[34]發(fā)現(xiàn)茶多酚對金黃色葡萄球菌與銅綠假單胞菌有抑菌性，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要為多酚基多環(huán)結(jié)構(gòu)，對蛋白質(zhì)，核酸，碳?xì)浠衔锏壬锎蠓肿泳哂懈叨扔H和力；多名學(xué)者發(fā)現(xiàn)茶多酚對革蘭氏陽性菌的抑菌性比革蘭氏陰性菌強(qiáng)，推測其由于細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)不同而引起。王慧敏等[35]研究發(fā)現(xiàn)茶多酚對腐敗希瓦氏菌的MIC與MBC分別為1.0，16.0 mg/mL，2 mg/mL茶多酚處理能顯著抑制細(xì)菌的生長，細(xì)胞壁與細(xì)胞膜受損，胞內(nèi)成分外泄，最終使細(xì)胞死亡；董璐等[36]研究發(fā)現(xiàn)茶多酚對大腸桿菌的MIC為40 μg/mL，通過影響菌體細(xì)胞膜的通透性，同時(shí)作用于遺傳物質(zhì)DNA達(dá)到抑菌目的；Yi等[37]發(fā)現(xiàn)經(jīng)茶多酚處理后的銅綠假單胞菌的細(xì)胞內(nèi)膜與外膜通透性改變，細(xì)胞壁的完整性被破壞，蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)菌體代謝發(fā)生紊亂，最終使菌體死亡。二氫楊梅素中的主要活性物質(zhì)為黃酮，Liu等[38]研究表明二氫楊梅素對副溶血弧菌的MIC為0.625 mg/mL，通過破壞細(xì)胞形態(tài)，使胞內(nèi)離子滲漏到胞外達(dá)到抑菌目的，并發(fā)現(xiàn)細(xì)胞疏水性與抑菌性具有相關(guān)性；楊楠等[39]發(fā)現(xiàn)生姜提取物濃度高于0.25%時(shí)，可抑制銅綠假單胞菌的生長，破壞其細(xì)胞壁，改變膜的通透性。

1.3 植物多糖

植物多糖是由一定數(shù)量單糖聚合而成的高分子碳水化合物。Diao等[40]研究表明半乳糖基月桂酸甘油三酯能破壞枯草芽孢桿菌細(xì)胞膜通透性，引起細(xì)胞裂解和膜損傷，最終使細(xì)胞死亡。Liu等[41]研究發(fā)現(xiàn)海藻多糖在未解聚之前并無抗菌活性，但解聚后的海藻多糖對金黃色葡萄球菌與大腸桿菌抑菌活性良好，且低分子量可提高其抑菌效果，破壞膜結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞裂解死亡。王巍等[42]研究顯示山楂果膠寡糖對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌與枯草芽孢桿菌的MIC分別為0.625，1.250，0.625 g/L，胞膜和胞壁完整性被破壞，蛋白質(zhì)、核酸物質(zhì)大量外泄而使菌體死亡。

1.4 其他

生物堿是從植物中獲取的一類含氮雜環(huán)化合物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為吲哚類、哌啶類、萜類、甾體類、肽類生物堿等。不同生物堿上不同主碳鏈的抑菌效果不同，其抑菌性受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中Fatma等[43]研究了小檗堿、紫堇堿、波爾定堿與蓮堿4種生物堿對枯草芽孢的抑菌作用，發(fā)現(xiàn)蓮堿的抑菌作用最佳；黃花菜中的秋水仙堿[44]對金黃色葡萄球菌以及大腸桿菌均有抑制作用；Lee等[45]研究發(fā)現(xiàn)將粉防乙堿與細(xì)胞表面活性劑聯(lián)用使金黃色葡萄球菌的膜通透性增加。茜草具有廣泛的生理活性，鄭翠萍等[46]研究發(fā)現(xiàn)茜草丙酮提取物對枯草芽孢桿菌的MIC為0.125 mg/mL，其通過將細(xì)胞壁或細(xì)胞膜中的酶降解，使膜通透性提高影響菌體的生長繁殖使菌體死亡。謝麗玲等[47]研究黃芩醇提物對致病菌副溶血性弧菌的抑菌機(jī)制得出其MIC和MBC均為3.91 mg/mL，菌體經(jīng)處理后出現(xiàn)變形，細(xì)胞壁被破壞而裂解死亡。Zhou等[48]探究了從樟樹葉中提取出的松脂醇對大腸埃希菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、沙門氏菌的抑菌性，發(fā)現(xiàn)62.5 μg/mL的松脂醇對5種受試菌均有抑菌性，經(jīng)掃描電鏡觀察得出銅綠假單胞菌與枯草芽孢桿菌均有可溶性糖和蛋白質(zhì)泄漏，證明其對菌體細(xì)胞質(zhì)膜與細(xì)胞壁有破壞作用。Yong等[49]探究了紫珠葉、野牡丹、半枝蓮3種植物提取物通過破壞大腸桿菌與銅綠假單胞菌的細(xì)胞膜通透性與完整性而起到抑菌作用，通過GC-MS分析起到抑菌作用的物質(zhì)有二甲基苯酚、棕櫚酸甲酯和丙酮。侯偉峰等[50]與謝晶等[51]分別研究了植酸對大腸桿菌與腐敗希瓦氏菌的作用機(jī)制，結(jié)果得出其對2種菌的MIC分別為0.4%，0.2%，植酸主要通過破壞菌體細(xì)胞壁與細(xì)胞膜的完整性使細(xì)胞質(zhì)外滲，達(dá)到殺滅菌目的。

2 存在的問題與改進(jìn)建議

天然植物提取物安全無毒、抗菌活性強(qiáng)、成本低并且易獲取，取代化學(xué)防腐劑已成為必然趨勢。然而，其用量多少勢必會(huì)影響食品的感官品質(zhì)[52]。且多數(shù)植物源生物保鮮劑仍處于實(shí)驗(yàn)室研究水平，其抑菌物質(zhì)與靶向抑菌作用位點(diǎn)仍不明確；部分植物抑菌成分還與其收獲季節(jié)、種類與提取方法密切相關(guān)。有些提取物存在易氧化、脂溶性差、單獨(dú)使用效果不佳與提取成本高等不足，深入研究提取物靶向抑制的作用位點(diǎn)，才能更好發(fā)揮其抑菌性；此外，不同植物源生物保鮮劑對菌體細(xì)胞的作用效果也表現(xiàn)出靶位作用機(jī)制的差異。因此，如能利用柵欄技術(shù)，將植物源保鮮劑與其他生物保鮮劑復(fù)配，能更好發(fā)揮其協(xié)同效應(yīng)，增強(qiáng)抑菌性[53-54]。天然植物中含有多糖、皂甙、有機(jī)酸等活性因子，將多種植物混合使用能發(fā)揮其抑菌效能。如黃錦爐等[55]將白芍、杜仲、知母3種物質(zhì)按不同的混合比例添加在草魚飼料中，發(fā)現(xiàn)其可明顯提高草魚抗嗜水氣單細(xì)胞感染能力。劉煥明等[56]將脂肽與茶多酚復(fù)配后，與1/16 MIC脂肽、1/8 MIC茶多酚單獨(dú)作用進(jìn)行對比時(shí)發(fā)現(xiàn)，前者復(fù)合使用對副溶血性弧菌的細(xì)胞膜通透性影響和蛋白質(zhì)的抑制顯著增強(qiáng)，且磷代謝完全受到抑制。藍(lán)蔚青等研究了3.0 g/L茶多酚與10.0 g/L殼聚糖、0.3 g/L 溶菌酶組成的復(fù)合生物保鮮劑對腐敗希瓦氏菌[57]、金黃色葡萄球菌[58]與熒光假單胞菌[59]等作用機(jī)制，得出其對3種菌的菌體生長均有明顯抑制，且能影響菌體細(xì)胞壁與細(xì)胞膜的完整性。菌體內(nèi)部核酸與蛋白質(zhì)外泄，影響細(xì)胞的代謝循環(huán)。菌體在扭曲變形的同時(shí)，還發(fā)生干癟破裂現(xiàn)象，細(xì)胞壁溶解，細(xì)胞質(zhì)從菌體細(xì)胞體內(nèi)大量滲出。

3 前景與展望

部分研究[60]表明，一些復(fù)雜的食品基質(zhì)與生物分子會(huì)黏附到蛋白質(zhì)或脂類中的疏水基團(tuán)，從而影響其保鮮效果與抑菌能力。目前，研究人員對植物源生物保鮮劑的抑菌機(jī)理、抑菌譜與應(yīng)用范圍的研究尚淺，在蛋白質(zhì)組學(xué)、遺傳物質(zhì)方面的研究深度不夠，因此研究亟待深入。此外，隨著消費(fèi)者安全意識(shí)的逐年提高，對植物源生物保鮮劑的安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與使用規(guī)定仍需加以完善。總之，在當(dāng)今積極倡導(dǎo)“綠色、環(huán)保、安全、健康”生活理念的時(shí)代，植物源生物保鮮劑將以其獨(dú)特優(yōu)勢，成為未來食品工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中的主要熱點(diǎn)。