包沅鑫,涂倩,黃茂微,孫榕澤,曾珍,劉韞滔,惠騰,李誠

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院,四川 雅安,625000)

微生物生長繁殖是食品品質(zhì)劣變的關(guān)鍵因素,為防止食品腐敗變質(zhì),通常在食品中加入保鮮劑以延長貨架期。食品保鮮劑按照來源可分為化學(xué)保鮮劑和天然保鮮劑。其中化學(xué)保鮮劑價(jià)廉且取材便捷,但存在潛在毒性。隨著消費(fèi)者安全意識的提高,追求更加綠色、安全的食品,天然保鮮劑無毒無害,廣譜抑菌,逐步成為市場的新寵。植物精油(plant essential oil,PEO)安全無毒且具備良好的抗菌能力和抗氧化活性,被公認(rèn)為良好的天然食品保鮮劑,成為替代化學(xué)添加劑的潛在選擇之一[1]。然而PEO存在水溶性和穩(wěn)定性較差的弊端,并常伴有刺激性氣味限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用,因此,如何解決這些問題成為目前PEO的研究熱點(diǎn)。

脂質(zhì)體是具有閉合囊泡結(jié)構(gòu)的磷脂雙分子層材料,基于其結(jié)構(gòu)可將營養(yǎng)成分、敏感成分、活性成分物質(zhì)等包封形成納米顆粒,并賦予表面效應(yīng)和空間位阻效應(yīng),以達(dá)到保護(hù)或緩釋作用,在食品工業(yè)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[2-3]。利用脂質(zhì)體包埋技術(shù)將PEO封裝于脂質(zhì)體內(nèi)可增強(qiáng)精油揮發(fā)物的穩(wěn)定性,降低刺激性氣味,延長活性成分的保留時(shí)間,有助于提高食品品質(zhì)和功能性。目前在食品中關(guān)于PEO脂質(zhì)體的應(yīng)用還未進(jìn)行詳細(xì)地闡述。本文從PEO的抑菌性能和抗氧化活性機(jī)制、PEO脂質(zhì)體概述、制備方法、穩(wěn)定性及應(yīng)用等方面展開綜述,以期為PEO脂質(zhì)體在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用研究提供理論參考。

1 植物精油概述

1.1 植物精油簡介

PEO是一類從葉、根、莖或果實(shí)等部位通過蒸餾、萃取、微波處理等提取的油狀非必需代謝產(chǎn)物[4]。根據(jù)化學(xué)成分,可將PEO分為四大類:萜類化合物(單萜類、倍半萜類和二萜類),芳香族化合物,脂肪族化合物,含氮、含硫類化合物等[5],其中主要是萜類和芳香族化合物賦予了PEO廣譜抑菌性和抗氧化活性[6]。

1.2 植物精油活性功能

1.2.1 抗菌性

PEO的抗菌機(jī)制如圖1所示,主要表現(xiàn)為對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的破壞。PEO活性成分通過疏水作用與細(xì)胞膜相互作用并結(jié)合到細(xì)胞內(nèi),與疏水性蛋白質(zhì)或其他化合物結(jié)合后促進(jìn)膜組織的變化、膜電位的降低、離子和其他細(xì)胞內(nèi)容物的泄漏。ALIZADEH BEHBAHANI等[6]將孜然精油作用于大腸桿菌和李斯特菌,改變了細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu),內(nèi)容物溢出導(dǎo)致細(xì)菌的死亡;艾蒿精油對金黃色葡萄球菌的抑制作用表現(xiàn)為蛋白質(zhì)和鉀離子的外滲[7]。PEO能夠干擾微生物體內(nèi)能量代謝過程[8]。此外PEO還能結(jié)合蛋白質(zhì)如酶作用位點(diǎn)抑制酶系統(tǒng)和改變遺傳物質(zhì)[9],樟腦精油通過調(diào)控大腸桿菌基因的表達(dá)以抑制大腸桿菌的生長[10]、肉桂精油影響金黃色葡萄球菌菌體蛋白的二級結(jié)構(gòu),同時(shí)造成菌體細(xì)胞膜破損,內(nèi)容物溶出[11]。這表明PEO的抗菌性是一種或多種抗菌機(jī)制協(xié)同發(fā)揮作用[12]。

圖1 PEO的抑菌機(jī)制Fig.1 Antibacterial mechanisms of plant essential oil

1.2.2 抗氧化性

PEO作為抗氧化劑,其活性表現(xiàn)為單一成分或許多活性成分之間的協(xié)同作用[13],其作用機(jī)制通常表現(xiàn)為增強(qiáng)抗氧化酶的活性、防止鏈引發(fā)、自由基清除劑、還原劑、終止過氧化物、單線態(tài)氧形成的猝滅劑和過渡金屬離子螯合等。夏光輝等[14]研究發(fā)現(xiàn)百里香精油對過氧化氫酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶活性等均具有顯著改善作用,吳昊等[15]發(fā)現(xiàn)精油中存在共軛碳雙鍵以及羥基,可以提供氫,抑制自由基和降低氧化應(yīng)激。

1.3 植物精油在食品中的應(yīng)用

PEO由于其良好的抗菌和抗氧化生理活性被廣泛應(yīng)用于食品保鮮,如李凱龍等[16]將1.5%肉桂精油添加到魚片,抑制草魚片冷藏期間菌落總數(shù)和嗜冷菌數(shù)的增加,觀感和色澤保持時(shí)間延長;張依潔等[17]將0.05 g/kg丁香精油和0.1 g/kg青花椒精油復(fù)合后應(yīng)用于醬鹵鴨肉后,抑制了肉品脂質(zhì)氧化,延長保質(zhì)期。這表明精油的添加會提高肉品質(zhì),增強(qiáng)保藏效果。然而植物精油水溶性較低、穩(wěn)定性差、對環(huán)境敏感,容易對食品的感官造成負(fù)面影響;同時(shí)PEO具有較強(qiáng)的氣味、易揮發(fā),從而導(dǎo)致食品風(fēng)味發(fā)生改變[18],限制了其在食品工業(yè)中的發(fā)展。為提高應(yīng)用范圍,采用脂質(zhì)體包埋等技術(shù)可有效改善精油的刺激性氣味和穩(wěn)定性,延長食品貨架期。

2 精油脂質(zhì)體概述

2.1 精油脂質(zhì)體簡介

脂質(zhì)體是由磷脂和膽固醇作為膜材,制成的一種類似生物膜的脂質(zhì)雙層囊泡,有單室和多室之分,由于其具有生物相容性、靶向性、緩釋性以及運(yùn)輸疏水和親水生物活性化合物的獨(dú)特能力而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、化妝品、食品等領(lǐng)域[19]。PEO脂質(zhì)體則是利用脂質(zhì)體的兩親性,將水溶性差的植物精油小分子包埋于類脂雙分子層之間,然后通過脂質(zhì)體結(jié)構(gòu)中的活性基團(tuán)與PEO中的酚類、醛類等活性成分相互作用,從而形成具有抗菌、緩釋、保鮮作用的功能脂質(zhì)體[20]。在食品工業(yè)中,脂質(zhì)體主要作為運(yùn)輸載體,保護(hù)一些功能性活性成分(如肽類、多酚類等)免受外界環(huán)境(pH值、氧氣、酶等)的破壞作用,同時(shí)具有緩、控釋作用。將精油成功包埋于脂質(zhì)體可使精油在食品表面緩釋,延長其抗菌時(shí)間,增強(qiáng)穩(wěn)定性,提高生物利用率,改善食品品質(zhì)[21]。圖2是精油脂質(zhì)體作用于食品的示意圖。

圖2 精油脂質(zhì)體作用于食品Fig.2 Effects of essential oil liposome on food

2.2 精油脂質(zhì)體的制備方法

PEO脂質(zhì)體的制備方法按照其分散方法可分為機(jī)械分散法、溶劑分散法及其他脂質(zhì)體新型制備技術(shù),包括超聲分散法、均質(zhì)法、擠出法、注入法、反向蒸發(fā)法、加熱法、薄膜分散法、注入法、噴霧冷卻法、氣泡法臨界技術(shù)等。制備方法不同,脂質(zhì)體性能也各有差異,包括脂質(zhì)體粒徑的均一性、包埋率、緩釋效果等。表1列出了常見脂質(zhì)體生產(chǎn)方法的優(yōu)缺點(diǎn),為精油脂質(zhì)體在食品工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

表1 脂質(zhì)體制備方法Table 1 Liposome preparation method

2.3 精油脂質(zhì)體的穩(wěn)定性研究

2.3.1 環(huán)境因素對脂質(zhì)體穩(wěn)定性影響

開發(fā)和維持穩(wěn)定的脂質(zhì)體及其重要,存在如酸堿度、溫度、離子強(qiáng)度等因素均會對精油脂質(zhì)體制備、運(yùn)輸、貯存過程中的穩(wěn)定性,脂質(zhì)的氧化水解或脂質(zhì)體藥物緩釋造成影響。pH值會影響脂質(zhì)體的氧化水解,有研究表明在當(dāng)pH值為6.5時(shí),所制備脂質(zhì)體的磷脂的水解反應(yīng)速率常數(shù)最小,此時(shí)脂質(zhì)體系統(tǒng)最牢固[34];溫度上升會加劇脂質(zhì)分子運(yùn)動,脂質(zhì)體膜通透性增加,氧化加劇,從而造成內(nèi)容物的泄露。陳亮等[35]通過比較杜仲籽油脂質(zhì)體在4、25、40 ℃下的貯藏穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)15 d后,4 ℃下脂質(zhì)體的pH、丙二醛含量、包埋率及脂質(zhì)體粒徑情況均明顯優(yōu)于25 ℃和40 ℃;離子種類會對脂質(zhì)體的表面電荷產(chǎn)生影響,Na+可與磷脂分子相互作用,有助于提高脂質(zhì)體系統(tǒng)的穩(wěn)定;K+環(huán)境中的脂質(zhì)體更容易被破壞;Ca2+環(huán)境能促發(fā)脂膜自發(fā)組裝形成大囊泡,提高體系穩(wěn)定性[36]。同時(shí)離子濃度也會對脂質(zhì)體產(chǎn)生影響,研究發(fā)現(xiàn)Na+、K+、Ca2+添加量分別在0.9～3 mmol/L、1～7 mmol/L、0.3～1 mmol/L可提高精油脂質(zhì)體的穩(wěn)定性[37]。

有學(xué)者發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)體制備過程中表面活性劑、修飾物的加入同樣可以改善脂質(zhì)體的穩(wěn)定性。研究表明在脂質(zhì)體系中添加一定量的吐溫80通過物理作用吸附在脂質(zhì)體膜形成一定厚度的親水層,具有一定的空間位阻效應(yīng),能顯著降低界面效應(yīng),形成穩(wěn)定的乳化體系,使其比傳統(tǒng)脂質(zhì)體體系更加牢固[38];修飾物如蛋白、多糖等聚電解質(zhì)表面修飾脂質(zhì)體,可以改善脂質(zhì)體的動力學(xué)穩(wěn)定性,降低膜流動性以防止內(nèi)容物泄露從而提高活性成分的持續(xù)釋放效果[39],如LIN等[40]采用β-環(huán)糊精對百里香精油脂質(zhì)體進(jìn)行修飾后,脂質(zhì)體的zeta電位提高,穩(wěn)定性增加并表現(xiàn)出較高的包埋率和抗菌活性。GIBIS等[41]考察殼聚糖和果膠修飾脂質(zhì)體并包封葡萄提取物,表明經(jīng)過修飾后的脂質(zhì)體具有長期氧化穩(wěn)定性,且脂質(zhì)體分散體在貯存期間物理穩(wěn)定性長達(dá)150 d以上。

2.3.2 脂質(zhì)體所處狀態(tài)對其穩(wěn)定性的影響

磷脂是常用的脂質(zhì)體載體材料,在水中自組裝形成的閉合囊泡可能會造成藥物泄漏以及囊泡聚集融合形成更大的顆粒。因此常規(guī)方法制備的脂質(zhì)體乳液可能無法長時(shí)間貯存。許多學(xué)者在控制環(huán)境因素的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對脂質(zhì)體所處狀態(tài)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)體的凝膠化、固態(tài)化(冷凍干燥、噴霧干燥)等,可以有效抵御外界不良環(huán)境,降低藥物損失,降低含水量,降低脂質(zhì)體流動性,提高脂質(zhì)體的穩(wěn)定性、貯藏期和使用率。趙寧等[42]以白及多糖為凝膠基質(zhì)交聯(lián)黃藤素脂質(zhì)體形成凝膠體系,對比脂質(zhì)體懸濁液,在30 d內(nèi)的粒徑、電位變化程度小,物理及化學(xué)穩(wěn)定性顯著升高,包封率提高并增強(qiáng)長效緩釋作用。GüLTEKIN-?ZGüVEN等[43]使用殼聚糖涂層與麥芽糖糊精負(fù)載藥物脂質(zhì)體,并經(jīng)過噴霧干燥形成花青素脂質(zhì)體粉末,在極端pH和溫度下,仍具有高保留率。

3 精油脂質(zhì)體在食品中的應(yīng)用

精油對食源性致病菌生長具有抑制作用,同時(shí)延緩氧化,精油脂質(zhì)體利用脂質(zhì)體體系的控制緩釋提高精油利用率,進(jìn)一步延長保質(zhì)期并改善食品品質(zhì)。目前可采用涂抹、浸泡、噴淋、成膜包裹等方式將脂質(zhì)體應(yīng)用于食品上。表2列出了精油脂質(zhì)體在食品中的應(yīng)用。

3.1 精油脂質(zhì)體在魚和水產(chǎn)品中的應(yīng)用

魚類及水產(chǎn)品具有較高的水分活度、豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和適宜的pH值,適合病原微生物生長,這使得魚類和水產(chǎn)品的防腐和貯藏成為研究人員的重要課題。PEO脂質(zhì)體的開發(fā)并運(yùn)用在水產(chǎn)品上已有報(bào)道。以魚類為基礎(chǔ)的產(chǎn)品最容易受到銅綠假單胞菌、李斯特菌等的污染和生長,危害食品安全。LAEIN等[44]通過比較游離薄荷精油、薄荷精油脂質(zhì)體以及明膠涂層結(jié)合脂質(zhì)體使用,發(fā)現(xiàn)對比游離形式的精油,脂質(zhì)體包埋薄荷精油具有更高的抗菌活性,并且當(dāng)與涂層結(jié)合使用時(shí),對防止魚片中的微生物生長效果顯著。這在CUI等[45]開發(fā)出的山蒼子精油脂質(zhì)體的可食用涂層中同樣能夠證明,精油脂質(zhì)體涂層作用于4 ℃的鮭魚對溶血性弧菌污染具有更高的抑制作用,延緩了鮭魚的氧化,有效保持了鮭魚的品質(zhì)。表明經(jīng)過脂質(zhì)體包埋EO不僅具有更好的抗菌和抗氧化性,而且對水產(chǎn)品品質(zhì)影響較小,具有較好市場前景。

3.2 精油脂質(zhì)體在果蔬制品中的應(yīng)用

新鮮果蔬水分含量高,不易貯藏,在運(yùn)輸和貯存不當(dāng)會導(dǎo)致食品產(chǎn)業(yè)鏈的重大經(jīng)濟(jì)損失,PEO因其抗菌特性可以作為化學(xué)殺菌劑的天然替代品,防止果蔬中的真菌腐敗同時(shí)延長果蔬的保質(zhì)期。ALIKHANI-KOUPAEI[46]將迷迭香和檸檬提取物利用脂質(zhì)體進(jìn)行包裹,并對降低蔬菜中過氧化物和多酚氧化酶活性、促進(jìn)酶促褐變和營養(yǎng)損害的酶的作用進(jìn)行了評估,結(jié)果表明該精油脂質(zhì)體抑制了蔬菜的氧化和褐變。然而脂質(zhì)體乳液貯存過程中容易聚集和沉淀,XU等[47]利用β-環(huán)糊精作為干燥保護(hù)劑,制備百里香精油固體脂質(zhì)體,提高脂質(zhì)體材料的熱穩(wěn)定,作用在桃子上,抑制了采后褐腐病,保持采后果實(shí)品質(zhì)。因此可以看出PEO脂質(zhì)體可以用作新鮮果蔬的可食用涂層或噴霧,延長采后貯藏期,保持品質(zhì),該技術(shù)有望成為一種安全有效的延長新鮮果蔬保質(zhì)期的方法。

3.3 精油脂質(zhì)體在乳及乳制品的應(yīng)用

乳及乳制品中的營養(yǎng)豐富, 微生物容易生長繁殖造成腐敗。常見在奶酪中添加植物提取物或PEO有助于賦予風(fēng)味和抑制病原微生物。GIL等[50]通過在脂質(zhì)體中添加百里香精油,延長了精油中生物活性物質(zhì)在奶酪中的有效時(shí)長,同時(shí)羊奶酪中的總酚含量提高,抗氧化活性也得到提升。CUI等[52]將含有5.0 mg/mL的檸檬草油的脂質(zhì)體應(yīng)用于奶酪中,極大限度地減少了李斯特菌的污染風(fēng)險(xiǎn)并延長有效的抗菌時(shí)間,并不會影響感官特性。這表明PEO脂質(zhì)體在奶酪制品具有較大的市場前景。

表2 精油脂質(zhì)體在食品中的應(yīng)用Table 2 Applications of essential oil liposomes in food

3.4 精油脂質(zhì)體在肉及肉制品中的應(yīng)用

肉及肉制品由于富含蛋白質(zhì)、脂肪等營養(yǎng)物質(zhì),易受到大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、單增李斯特菌等多種微生物污染[61],造成肉品腐敗變質(zhì),同時(shí)氧氣、水分活度、溫度等因素也會對肉品品質(zhì)造成不利影響。有研究表明經(jīng)PEO脂質(zhì)體處理的肉品,能夠抑制肉品中的微生物生長、延緩脂質(zhì)氧化、維持肉品良好的風(fēng)味和感官并延長貨架期[59]。ZHU等[62]將冷氮等離子處理的1%肉豆蔻精油固體脂質(zhì)體應(yīng)用于豬肉面糊的保鮮中,結(jié)果得出經(jīng)脂質(zhì)體技術(shù)處理后的肉樣在貯藏4 d內(nèi)微生物數(shù)量、脂質(zhì)氧化、蛋白質(zhì)的氧化和降解得到明顯抑制,改善了肉組織的微觀結(jié)構(gòu)、保水能力和黏彈性,有效保護(hù)豬肉面糊在貯存過程中的功能成分,延長了貨架期。經(jīng)脂質(zhì)體包封的PEO具有更持久的抗菌效果,同時(shí)經(jīng)過PEO脂質(zhì)體作用的肉品顏色質(zhì)構(gòu)及感官不會產(chǎn)生影響[58],這在CUI等[56]研究的百里香油脂質(zhì)體中同樣有所體現(xiàn),精油脂質(zhì)體作用在雞肉中對腸炎沙門氏菌的抗菌活性明顯,以及該雞肉的色澤、風(fēng)味、口感品質(zhì)無明顯差異。然而常規(guī)脂質(zhì)體存在穩(wěn)定性差的問題,為了更好的擴(kuò)大脂質(zhì)體在食品中的應(yīng)用,常利用聚合物,如殼聚糖、黃原膠體、聚環(huán)氧乙烷等形成納米纖維或膜對脂質(zhì)體表面進(jìn)行包裹以達(dá)到保護(hù)效果。CUI等[60]通過靜電紡絲技術(shù)修飾SiO2-丁香酚脂質(zhì)體后并應(yīng)用于牛肉保鮮中,肉品在長達(dá)60 d的貯存期間表現(xiàn)出穩(wěn)定的抗氧化活性,有效延長牛肉貨架期。同時(shí)胡楊兵[63]研究證明經(jīng)過殼聚糖包裹的精油脂質(zhì)體提高了脂質(zhì)體材料的熱穩(wěn)定性,且相比于普通脂質(zhì)體抗氧化性能提升。上述結(jié)果充分說明了精油脂質(zhì)體在肉品保鮮領(lǐng)域應(yīng)用中有進(jìn)一步的研究價(jià)值。

4 展望

PEO脂質(zhì)體包埋技術(shù)的研究與應(yīng)用,增強(qiáng)了食品體系中PEO的穩(wěn)定性和生物利用率,改善食品品質(zhì),延長貨架期。因此,PEO脂質(zhì)體的研發(fā)與推廣將為食品貯藏保鮮領(lǐng)域提供一條新的發(fā)展路線。雖然目前對PEO脂質(zhì)體的制備及應(yīng)用的研究有一定的進(jìn)展,但仍有很多問題亟待解決。首先,食品安全是消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn),脂質(zhì)體包封PEO運(yùn)用在食品貯藏保鮮上,前提需保證脂質(zhì)體膜材的安全性;第二,脂質(zhì)體的傳統(tǒng)制備方法不適用于大規(guī)模生產(chǎn),且存在包封率低和有機(jī)物殘留等問題;第三,脂質(zhì)體與活性物質(zhì)的相互作用機(jī)理模糊,精油從脂質(zhì)體中釋放以及作用于不同食品基體的動態(tài)變化規(guī)律尚不清楚;第四,不同PEO脂質(zhì)體都有各自優(yōu)勢的抑菌和抗氧化特性,單一應(yīng)用在食品中可能達(dá)不到預(yù)期的保藏效果。

針對以上問題,關(guān)于PEO脂質(zhì)體的研究建議關(guān)注以下方面:a)開發(fā)新型脂質(zhì)體膜材,提高穩(wěn)定性、安全性,并降低成本;b)在傳統(tǒng)制備方法的基礎(chǔ)上開發(fā)新方法,將常規(guī)方法與新技術(shù)(如超臨界流控技術(shù)、超聲等)聯(lián)用,更有利于開發(fā)安全、穩(wěn)定性高且包封效率好的PEO脂質(zhì)體;c)通過構(gòu)建模型進(jìn)一步研究PEO脂質(zhì)體、不同食品狀態(tài)之間的相互作用以及PEO從脂質(zhì)體中緩釋和在基體中的遷移規(guī)律;d)由于不同食品中類存在狀態(tài)不同、菌相不同,可有針對性研究具體的PEO脂質(zhì)體配方,有效延長食品的保鮮時(shí)間,為精油脂質(zhì)體在食品領(lǐng)域應(yīng)用提供一定參考;e)同時(shí)為各類食品達(dá)到更好的防腐保鮮效果,可嘗試運(yùn)用柵欄技術(shù),將PEO脂質(zhì)體與各類保鮮技術(shù)聯(lián)用(如氣調(diào)、真空包裝、輻射處理等),減少PEO使用,降低成本,并有效延長食品的貯藏時(shí)間。因此,盡管PEO脂質(zhì)體的應(yīng)用受到諸多挑戰(zhàn),但隨著研究的深入,PEO脂質(zhì)體將具有廣泛的應(yīng)用前景。