植物精油對果蔬霉菌的抑制及在果蔬保鮮中的應用

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(1.大連民族大學生命科學學院,遼寧大連 116600;2.生物技術與資源利用教育部重點實驗室,遼寧大連 116600;3.大連理工大學生命科學與技術學院,遼寧大連 116024)

新鮮果蔬由于其“含水量高、營養(yǎng)豐富”等特點,極易被微生物侵害,而其中80%以上的病害是由真菌引起的。其中,霉菌及其產(chǎn)生的相關毒素主要發(fā)生在果蔬采摘、運輸、貯藏、銷售過程中,其會致使果蔬腐爛變質,從而降低果蔬的市場價值。除了霉菌毒素,霉菌還會產(chǎn)生大量的酶及一些揮發(fā)性物質,這些揮發(fā)性物質會導致果蔬的感官特性惡化,致使其質量下降[1]。這一現(xiàn)狀嚴重制約了果蔬產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此,如何有效利用防腐劑和殺菌劑對果蔬保鮮處理是值得研究的課題。目前,化學合成的殺菌劑是防治果蔬采后病害的主要方法,雖然其抗菌能力較強且價格低廉,但長期使用會對人體造成較大的潛在毒性,有些甚至會產(chǎn)生致畸、致癌以及引起食物慢性中毒等不安全問題。除此之外,一些真菌病原體對合成的殺真菌劑產(chǎn)生抗性[2]。因此,研究開發(fā)天然、無毒性、健康的食品殺菌劑和防腐劑顯得尤為重要[3]。

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

續(xù)表

植物精油是一類從高等植物的葉、花、根、莖或果實等不同組織部位提取的具有揮發(fā)性油狀液體的芳香類物質[4],主要由酚類、萜類、醛酮類、醇類、酸類及芳香族化合物組成。其中,起主要抗菌效果的有酚類、萜烯類和醛酮類化合物。此外,醇類、醚類和烴類化合物也含有一定程度的抑菌效果[5]。植物精油作為一種純天然安全可靠的植物源食品保鮮劑,具有抗細菌、抗真菌和抗氧化等作用,作為廣譜殺菌劑,因其具有高效性和長效性等特點,已廣泛應用于果蔬貯藏保鮮中[6]。植物精油對果蔬上霉菌的抑菌方式主要有兩種。一是通過破壞霉菌的細胞壁、細胞膜、核酸、蛋白質和線粒體等細胞形態(tài)結構,造成細胞不可逆的損傷,最終導致霉菌死亡。二是通過降低或抑制霉菌分生孢子的產(chǎn)生和萌發(fā),從而阻斷病菌后代繼續(xù)危害的可能[5]。

本文就植物精油對果蔬中霉菌的抑菌效果及其抑菌機理方面進行了綜述,除此之外,還系統(tǒng)分析了精油浸漬法、精油熏蒸處理、精油保鮮紙及精油微膠囊包埋法等多種用于果蔬保鮮的處理方式,旨在為開發(fā)更綠色安全的果蔬保鮮劑、殺菌劑及將植物精油用于果蔬的貯藏保鮮中提供一定理論參考。

1 植物精油對果蔬中霉菌的抑菌效果

在貯藏早期,霉菌在果蔬上的生長繁殖速度較慢,但通常情況下三分之二的水果腐爛都是由青霉屬(Penicillium)、曲霉屬(Aspergillus)、葡萄孢屬(Botrytis)和鏈格孢霉(Alternariaspp.)等霉菌侵染引起的[7]。植物精油中含有大量抗菌活性物質,可抑制致腐敗真菌活性,有作為綠色天然防腐劑的潛在價值。將其用于果蔬貯藏保鮮中,可減輕果蔬腐爛,延長果蔬貨架期。表1列出了植物精油對果蔬中不同種類霉菌的抑菌效果。大量研究表明[8-13],植物精油對引起葡萄、甜櫻桃、草莓等果蔬腐敗的霉菌如黑曲霉、指狀青霉、鏈格孢菌等均具有良好的抑制作用。由表1中數(shù)據(jù)分析可知,不同種類的植物精油對同一種果蔬上霉菌的抑制作用不同。如羅勒精油、薰衣草精油和迷迭香精油對冬棗上根霉菌的MIC分別為1.25、10、20 μL/mL[26];同一種植物精油對不同種類的霉菌抑菌效果也存在差異。如薄荷精油對檸檬上的黃曲霉抑制作用較強,當添加量為6.25 μL/mL時可以完全防止由黃曲霉侵染引起的果實腐爛,但對柑橘上的指狀青霉抑制效果較差,當添加量為500 μL/mL時才可抑制60%的真菌[15-16]。由此可見,植物精油可一定程度抑制果蔬中霉菌的侵染作用。

2 植物精油主要成分對霉菌的抑菌機理

植物精油及其主要活性成分對霉菌的抑菌機制可通過以下四種方式進行:一是植物精油可破壞霉菌的細胞膜及細胞壁結構,造成細胞嚴重損傷,最終導致霉菌死亡[15,31]。二是植物精油的活性成分如酚類及萜烯類化合物會破壞霉菌的DNA及蛋白質,從而在很大程度上影響霉菌的遺傳信息和生長繁殖[3]。三是通過破壞線粒體結構,從而有效抑制線粒體的有氧呼吸[32]。四是通過抑制霉菌菌絲及分生孢子的產(chǎn)生和萌發(fā),從而有效減少或阻隔霉菌后代繼續(xù)危害的可能[33]。

2.1 對細胞壁、細胞膜的影響

細胞壁作為霉菌抵抗抗菌物質的第一道防線,可以降低其對抑菌劑的敏感性,細胞壁的主要成分葡聚糖、幾丁質以及與細胞壁有關的活性酶成為植物精油的重要作用位點[5]。精油中所含的萜烯類物質可以破壞霉菌細胞壁組織結構,進一步導致細胞質外泄,從而發(fā)揮抑菌作用[34]。研究發(fā)現(xiàn)肉桂精油中的抗菌物質肉桂醛可穿透霉菌的細胞壁,從而有效破壞細胞壁中葡聚糖和幾丁質的合成,使細胞壁功能受損,最終細胞因缺少保護性組織而衰亡[35]。霉菌細胞膜既可以阻擋外源物質的進入,也可防止內(nèi)部物質的流出,使其在維持正常生命活動中具有十分重要的地位。植物精油的親脂性或低分子量組分如酚類物質能夠直接作用于霉菌的細胞膜類脂結構,使細胞膜功能受損,細胞內(nèi)部的重要離子和內(nèi)溶物外泄,最終導致細胞死亡[36]。Rasooli等[37]研究發(fā)現(xiàn)使用百里香精油處理黑曲霉,會破壞其細胞壁、細胞膜及細胞器結構,從而使細胞內(nèi)物質發(fā)生泄露及細胞內(nèi)外離子梯度發(fā)生改變,最終導致黑曲霉死亡。

2.2 對DNA、蛋白質的影響

DNA作為生物體重要的遺傳信息載體,在細胞物質的合成和遺傳過程中具有重要作用。DNA的任何損傷都會在一定程度上影響遺傳信息正常的傳遞及生物體的繁殖[5]。植物精油作用于霉菌后會影響核酸的正常合成,進而破壞其正常功能,從而抑制霉菌的生長與繁殖。而蛋白質作為生命的物質基礎,是構成細胞的基本有機物,是生命活動的主要承擔者。植物精油作用于菌體后,使菌體體內(nèi)蛋白質合成量明顯減少,尤其是對執(zhí)行特定催化作用酶的合成進行抑制,使菌體蛋白質凝固、變性,從而實現(xiàn)抑菌、殺菌的效果[35]。戴向榮等[38]研究了肉桂精油中的活性物質肉桂醛對黃曲霉的抗菌機制,發(fā)現(xiàn)肉桂醛可以破壞黃曲霉細胞內(nèi)蛋白質、核酸等生物大分子的空間結構,使其失去生物活性而破壞了正常的有選擇性的物質吸收、轉運和代謝途徑,最終使黃曲霉的生長與繁殖受到阻礙。

2.3 對線粒體的影響

線粒體作為一種參與呼吸作用和脂肪酸降解的半自主性細胞器,植物精油的活性物質可以破壞線粒體膜、DNA修復功能等造成線粒體結構異常,還可抑制線粒體的有氧呼吸、影響氧化還原系統(tǒng)及破壞細胞的能量代謝,最終導致細胞死亡[5]。Nogueira等[39]采用透射電子顯微鏡觀察藿香薊精油處理對黃曲霉的抑制作用,研究發(fā)現(xiàn)藿香薊精油可以破壞黃曲霉細胞內(nèi)線粒體膜,使細胞喪失供氧功能,最終導致黃曲霉死亡。Tian等[40]研究了蒔蘿精油對黃曲霉線粒體活性的影響,研究結果發(fā)現(xiàn)蒔蘿精油可以誘導黃曲霉活性氧積累,破壞線粒體結構,使線粒體膜電位升高,ATP酶和脫氫酶活性下降,最終使黃曲霉生長及繁殖遭到破壞。

2.4 對分生孢子及菌絲的影響

植物精油對霉菌的良好抗菌性還體現(xiàn)于對其菌絲生長及分生孢子萌發(fā)具有較好的抑制作用[31]。楊彥松[41]研究發(fā)現(xiàn)使用低濃度(<2.5 μL/mL)砂糖橘精油處理會促進指狀青霉的孢子萌發(fā),但對指狀青霉菌絲體生長有輕微的抑制;而使用高濃度(10 μL/mL)精油處理則有效抑制指狀青霉的孢子萌發(fā)和菌絲體生長(P<0.05)。Zhang等[42]采用掃描電鏡和紅外光譜法研究肉桂精油對黃曲霉的抑菌機制,發(fā)現(xiàn)肉桂精油可以明顯損傷黃曲霉細胞表面,并使分生孢子減少。王丹等[43]研究發(fā)現(xiàn)肉桂精油處理對藍莓采后主要病原菌灰葡萄孢霉有較好的抑制效果,通過掃描電子顯微鏡可以看出,與對照組相比,經(jīng)肉桂精油處理的灰葡萄孢霉菌絲形態(tài)受到嚴重破壞,發(fā)生凹陷、皺縮、粗糙等一系列變形現(xiàn)象。

3 植物精油在果蔬保鮮中的應用方式及作用效果

植物精油因其具有較強的抑菌活性和低毒、綠色、安全等特點引起了人們廣泛的關注,利用精油對果蔬進行處理,能抑制果蔬表面霉菌的活性,減弱霉菌活動導致的果實腐爛變質;同時還可有效降低果實中酶的活力及其生理活動強度,起到綠色保鮮的效果[44]。植物精油在果蔬保鮮中的應用方式主要有精油采前噴灑、精油浸漬法、精油熏蒸處理、精油微膠囊包埋法、精油復合可食性涂膜及精油保鮮紙。

3.1 采前噴灑法

采前噴灑是指在果蔬采摘前一段時間將稀釋的植物精油溶液均勻噴灑在果蔬表面[44]。采用精油噴灑的方式處理果蔬,可減少精油浪費及更高效的利用精油對果蔬進行保鮮和貯藏。Badawy等[45]在采前15 d用萊姆精油、百里香精油噴灑處理自然情況下和人工接種指狀青霉的柑橘。研究發(fā)現(xiàn)與未處理組相比,采用萊姆精油和百里香精油噴灑處理柑橘均能顯著降低果實的青霉病發(fā)病率。呂明珠等[46]研究發(fā)現(xiàn)將肉桂精油保鮮液以噴灑方式處理紅提葡萄后,會在其表面形成一層良好的保護膜,可在一定程度上抑制紅提葡萄的呼吸及蒸騰作用,且未經(jīng)過精油處理的紅提葡萄爛果率明顯高于處理組,由此可見,肉桂精油噴灑處理紅提葡萄可良好保持其品質,延長其貨架期。但至今有關精油對果蔬采前噴灑法的研究還相對較少,其可行性,對不同果蔬的保鮮效果以及影響果蔬保鮮效果的因素還有待進一步深入研究。

3.2 精油浸漬法

精油浸漬法可有效防止果蔬侵染致腐真菌,是目前經(jīng)常使用于控制果蔬采后腐爛的辦法,在果蔬保鮮處理上較為方便快捷。精油浸漬法是指將果蔬放入到合適濃度梯度的精油水乳液中進行浸泡處理,處理結束后取出自然晾干果蔬表面水分,再將其放進保鮮盒中貯藏[44]。蔣帥[47]用肉桂精油對紅富士蘋果進行浸泡處理,研究結果發(fā)現(xiàn)使用濃度為100 mg/L肉桂精油浸泡處理可有效抑制蘋果灰霉病原菌的生長繁殖,且用肉桂精油浸泡處理的紅富士蘋果的抗病性顯著高于未處理組。Bosquez-Molina等[48]將接種匍枝根霉后的木瓜浸泡在百里香精油和墨西哥萊姆精油溶液中,研究發(fā)現(xiàn)兩種植物精油處理均降低了匍枝根霉引起的木瓜果實腐爛,延長了木瓜果實的貯藏期。對于有果皮保護的果蔬如蘋果、馬鈴薯、梨及香蕉等,在商業(yè)應用上采用合適濃度的精油取代合成殺菌劑浸泡將更加綠色安全。但精油浸漬法不適合葉菜、草莓、楊梅這類質地較軟,葉片容易破損的果蔬,使其應用范圍有限。因此,在果蔬貯藏保鮮處理方式的選擇上除了需要考慮保鮮劑的保鮮效果及安全性之外,還要考慮果蔬本身的特性。

3.3 植物精油熏蒸處理

精油熏蒸處理是指采用植物精油作為熏蒸劑和果實一起放入封閉的空間內(nèi)反復處理,處理結束后將果實放入消毒的塑料筐內(nèi),內(nèi)襯聚苯乙烯(PE)袋,然后進行封口在室溫下放置[49]。在整個熏蒸處理過程中植物精油不需要直接接觸果蔬,而是通過氣體的空間擴散作用將植物精油的抑菌活性成分均勻有效的覆蓋在果蔬表面,從而有效抑制致病菌及致腐菌的生長繁殖。王靖博等[50]研究發(fā)現(xiàn)用香榧假種皮精油在密閉容器中對油桃進行熏蒸處理可良好抑制灰霉病菌及根霉病菌菌絲的生長,從而防止霉菌的侵染。除此之外,該處理還可良好維持油桃果實的失重率與硬度,使油桃果實腐爛率顯著降低,與未采用精油熏蒸處理的油桃相比,在25 ℃保存10 d后處理組油桃腐爛指數(shù)降低63.73%。周穎等[20]研究發(fā)現(xiàn)使用濃度為10 μL/L芥末精油熏蒸處理可有效抑制青霉菌、灰霉菌和鏈格孢菌的活性,且使用精油濃度越高,對抑制冬棗采后病原菌的效果越好。在熏蒸條件下,隨著果皮表面殘留精油的迅速揮發(fā),果實仍能較好保持其自身原有的風味,更易令廣大消費者接受。但精油熏蒸法實際上需要精油的量相對更高,商業(yè)成本相對提高,且熏蒸濃度過高,該方法依然會造成藥害,使果蔬品質受影響,因此選用適宜的熏蒸時間及精油濃度就顯得極為重要。

3.4 植物精油微膠囊包埋法

植物精油微膠囊是指采用殼聚糖這類天然成膜材料把精油包埋成一種具有半途性或密封囊膜的微小固體顆粒[51],再將精油微膠囊顆粒裝入無紡袋中后置于保鮮盒或保鮮袋中對果蔬進行保鮮。植物精油微膠囊化后可解決其易揮發(fā)、不穩(wěn)定及作用時效短等一系列不良問題,同時可將液態(tài)精油轉化為固體狀態(tài),有利于精油貯藏運輸和使用。研究發(fā)現(xiàn)微膠囊化的植物精油揮發(fā)性延緩,對果蔬風味的不良影響也相對減少,能很好的維持植物精油的抗菌效果,使果實保持良好的感官品質,延長果蔬貨架期[49]。岳淑麗等[52]研究發(fā)現(xiàn)用β-環(huán)糊精包埋技術制備出的肉桂精油微膠囊可有效防止大腸桿菌、金黃色葡萄球菌侵染圣女果。且當肉桂精油微膠囊添加量為1.2 g/50 mL時,可良好維持圣女果的感官品質,降低果實失重率和呼吸強度,使果實貯藏期延長。薛瓊等[53]研究發(fā)現(xiàn)采用殼聚糖為壁材,肉桂精油為芯材制作出的植物精油微膠囊可顯著抑制葡萄上霉菌類毛霉菌的生長繁殖。由此可見,將精油微膠囊化后用于果蔬貯藏保鮮中,可起到一定的保鮮效果。但目前關于精油微膠囊的研究大多數(shù)注重于果蔬保鮮包裝方面,而針對果蔬上霉菌抑制效果的研究報道尚且不多。因此,研究精油微膠囊包埋法對不同種類果蔬上霉菌的抑制效果是一個值得關注的熱點。

3.5 植物精油復合可食性涂膜

精油復合涂膜是指將植物精油作為抗菌劑加入殼聚糖、海藻酸鈉等這類天然可食性材料制成的涂膜液中,再將果實侵入其中,撈出自然風干后再將果蔬放于保鮮盒中貯藏。多數(shù)研究表明將植物精油與天然可食性涂膜劑等載體相結合后涂膜在果蔬表面可有效防止由真菌,特別是由霉菌的侵染而引起的果實腐爛變質。此外,涂膜處理還可以調節(jié)果蔬內(nèi)部氣體交換,從而抑制果蔬的呼吸和蒸騰作用,降低果實水分和營養(yǎng)成分的損失,使果蔬貨架期得以延長[44]。Guerra等[54]研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖復合薄荷精油涂膜可有效防止櫻桃番茄果實在貯藏期間中黑曲霉、灰霉病菌、擴展青霉和黑根霉引起的霉菌侵染,且不影響果實的質量。Cháfer等[55]采用殼聚糖復合茶樹精油對人工接種意大利青霉的橙子進行處理來評價精油抗真菌效果。研究發(fā)現(xiàn),與未涂膜處理的樣品相比,添加茶樹精油涂膜處理可有效抵抗意大利青霉的侵染,且在整個貯藏過程中,橙子果實的質量參數(shù)如硬度、顏色、酸度等均沒有發(fā)生不良變化。精油復合涂膜處理雖然可良好保持果蔬的感官品質及精油抗菌效果,但涂膜處理會破壞蔬菜葉片的形狀結構,導致其萎蔫,因此并不適用于葉菜類蔬菜的貯藏保鮮。

3.6 植物精油保鮮紙

精油保鮮紙是通過將植物精油作為天然抗菌劑添加到保鮮紙中得到的新型保鮮紙。精油保鮮紙具有一定的透氣性,可有效隔離果蔬與外界有害物質直接接觸,有效延緩植物精油的釋放,還可防止果蔬中水分及營養(yǎng)物質的流失。除此之外,精油保鮮紙也可提供一定的氣體環(huán)境,進行氣體交換,防止果蔬本身產(chǎn)生的不利氣體累積,從而實現(xiàn)對果蔬的保鮮[49]。劉光發(fā)等[56]研究發(fā)現(xiàn)添加體積分數(shù)為3%或4%丁香羅勒精油的抗菌保鮮紙可在一定程度上抑制草莓致腐菌(灰霉、根霉、青霉和交鏈孢菌)的生長繁殖,但精油濃度過高會破壞草莓表皮組織結構,使草莓更易感染霉菌。由此可見精油保鮮紙具有一定的抑菌及保鮮效果,但目前有關精油保鮮紙的制作方法主要是通過將具有較好抗菌性的精油采用涂膜液涂布、噴淋、浸泡等作用方式附著在保鮮紙上,雖然使用方便快捷但不利于長期保存及遠距離運輸,限制了精油保鮮紙的應用與發(fā)展。

4 討論與展望

植物精油作為一種天然綠色保鮮劑或抗菌劑已受到了國內(nèi)外研究學者們的密切關注,研究結果顯示將植物精油用于果蔬的貯藏保鮮中,可良好保持其感官品質,延長其貨架期。然而高濃度植物精油會破壞果蔬組織結構,使其軟化加劇,更易侵染致腐真菌。植物精油本身氣味也較大,將其直接用于果蔬保鮮會破壞果蔬原有的香味。除此之外,植物精油的成分非常復雜,且不同來源的植物精油其有效抑菌成分也有差異,導致其抑菌機理尚不全面。

因此,植物精油未來的研究與開發(fā)可多注重以下幾個方面:目前關于植物精油對細胞膜的研究較多,主要是采用掃描電鏡來觀察細胞結構變化及細胞內(nèi)容物滲漏情況,進而證明精油可以破壞細胞膜,但對細胞膜上蛋白質和磷脂的作用尚不清楚,需要進一步研究;植物精油的最小抑菌及殺菌濃度多是將植物精油直接滴到接有某種菌的培養(yǎng)基上所得,而果蔬中的水分、pH等因素會影響植物精油的抑菌效果,因此可多注重研究精油對不同種類果蔬保鮮的最佳用量;對不同植物精油及不同活性成分之間的協(xié)同與增效功能進行深入研究,從而開發(fā)更高效、廣譜的復合型抗菌劑;對植物精油的藥理與安全性評價進行深入研究,從而保障應用于果蔬貯藏保鮮中的精油抗菌劑綠色安全。隨著上述幾個研究方向的不斷深入,相信精油作為綠色無公害的保鮮劑在果蔬保鮮領域將迎來更加廣闊的應用前景。