蘭景堯,薛文通

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083)

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姜精油抑菌作用的研究進(jìn)展

蘭景堯,薛文通*

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083)

姜精油是從生姜中提取的揮發(fā)性油分,具有廣譜抑菌效果。本文介紹了姜精油的化學(xué)成分及提取方法,主要闡述了姜精油對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌、革蘭氏陰性菌、真菌和酵母菌的抑制作用及抑菌機(jī)理,以期為姜精油的綜合利用拓展方向。

姜精油,抑菌作用,抑菌機(jī)理

姜(ZingiberOfficinaleRoscoe)是姜科屬多年生草本植物的嫩根莖。姜精油(Ginger essential oil)是從生姜根莖中得到的揮發(fā)性油分,呈透明、淺黃至桔黃色的液態(tài),有濃郁芳香,主成分為倍半萜烯類碳水化合物(50%～66%)和氧化倍半萜烯(17%),有良好的自由基清除能力和Fe3+離子還原能力[1]。其中倍半萜烯類化合物主要為α-姜烯(15%～30%),β-沒(méi)紅藥烯(6%～12%),α-法呢烯(3%～10%),β-半水芹烯(7%～10%),芳基-姜黃(5%～19%)[2]。單萜烯類碳水化合物和氧化單萜烯類物質(zhì)是姜中風(fēng)味物質(zhì)的主要貢獻(xiàn)者。研究發(fā)現(xiàn),姜精油經(jīng)瞬時(shí)高溫加熱,仍能保持60%的抑菌效果[3],表明姜精油具有一定的熱穩(wěn)定性。由于地域和品種不同,姜精油的主成分和含量也有差別[4],例如:廣西姜精油(檸檬醛49.39%),四川姜精油(α-姜烯44.26%),澳洲姜精油(β-姜烯20%),印度姜精油(β-姜烯35%)[5-6]。

1 姜精油的提取

姜精油的提取方法包括壓榨法、溶劑萃取法、水蒸氣蒸餾法等傳統(tǒng)方法,也包括超臨界CO2萃取、微波輔助萃取、超聲復(fù)合酶法[7]等現(xiàn)代工藝。王琴君等[8]通過(guò)乙醇浸取法和超聲波輔助石油醚提取新豐姜精油。結(jié)果表明,乙醇浸取法和超聲波輔助法的姜精油得率分別為4.11%和5.11%,兩種方法所得的姜精油成分差異較大,前者不含姜辣素成分,后者含大量姜酮(屬于姜辣素成分),因而不同提取方法所得姜精油的性質(zhì)不同。

另外,戰(zhàn)琨友[9]對(duì)生姜根莖部位的姜精油和姜辣素進(jìn)行了組織化學(xué)定位,通過(guò)光鏡及透射電鏡觀察,發(fā)現(xiàn)姜精油和姜辣素混合存在于同一類型的油細(xì)胞中,該油細(xì)胞在生姜根莖中不同程度地分布于韌皮部和木質(zhì)部的薄壁細(xì)胞內(nèi),并指出姜精油不需要衍生化處理,即可用GC/MS聯(lián)用技術(shù)測(cè)定其中的揮發(fā)性成分和非揮發(fā)性成分。楊明等[10]采用超臨界CO2萃取和水蒸氣蒸餾法提取姜精油,用GC/MS分析其化學(xué)成分發(fā)現(xiàn),從水蒸氣蒸餾法提取得到的姜精油中分離檢測(cè)出30種成分,超臨界法檢測(cè)出19種成分,超臨界法的姜精油得率是水蒸氣蒸餾法的3.8倍,并檢出了在水蒸氣蒸餾法所得姜精油中未檢出的有效成分6-姜酚(12.82%)。

2 姜精油的抑菌作用

自古以來(lái),芳香植物常被用于民間藥方及食品防腐中,生姜、甘草、迷迭香、葫蘆巴、茴香等眾多芳香植物,均具有藥食兩用價(jià)值[11],并且人們?cè)趯?shí)踐中逐漸發(fā)現(xiàn)植物精油中含有抑菌活性物質(zhì)。由于植物精油源自天然,對(duì)環(huán)境無(wú)污染,對(duì)人體相對(duì)安全,且具有抑菌、抗氧化、抗腫瘤和殺蟲(chóng)等多種生物活性,其在食品防腐保鮮、醫(yī)藥、農(nóng)藥及化妝品中的應(yīng)用和研究日益增多[12-14]。Kalemba等[15]對(duì)姜精油、百里香精油、迷迭香精油、丁香精油、牛至精油、豆寇精油的抑菌活性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)它們對(duì)革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性細(xì)菌,及真菌、酵母菌均有抑制作用。Mahendran[16]分別以甲醇和水為溶劑,提取紅姜和白姜精油,發(fā)現(xiàn)紅姜提取物的抑菌活性大于白姜,紅姜的甲醇提取物抑菌活性強(qiáng)于水提物的抑菌活性。G.S.El-Baroty等[17]采用薄層色譜法-生物自顯影法、平板擴(kuò)散法測(cè)試發(fā)現(xiàn),姜精油對(duì)枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷白桿菌均有良好的抑制作用,對(duì)黑曲霉、匍枝根霉、尖鐮孢的最低抑菌濃度分別為70,75,75 μg/mL,由GC/MS測(cè)得薄層板上寬大清晰的抑菌圈中的化合物為倍半石竹烯和檸檬烯,說(shuō)明姜精油中的這兩種化合物在抑菌過(guò)程中體現(xiàn)了較強(qiáng)的抑菌活性。

2.1 姜精油對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的抑制

大量研究發(fā)現(xiàn),姜精油對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌有良好的抑制作用。Natta[18]等用乙醇和石油醚為萃取劑,水蒸氣蒸餾萃取生姜根部精油,由平板擴(kuò)散法得出姜精油對(duì)單增李斯特菌的最小抑菌濃度(MIC)為6.25 mg/mL;萃取劑為乙醇時(shí),對(duì)蠟樣芽胞桿菌的抑菌圈直徑為10 mm,萃取劑為石油醚時(shí),對(duì)單增李斯特菌的抑菌圈直徑為11 mm。在金黃色葡萄球菌、蠟樣芽胞桿菌、單增李斯特菌三種革蘭氏陽(yáng)性受試菌中,蠟樣芽孢桿菌對(duì)姜精油最敏感,這與此前Alzoreky[19]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

Mity Thambi[20]選定四種革蘭氏陽(yáng)性菌測(cè)試姜精油抑菌活性,發(fā)現(xiàn)姜精油濃度為2.5 mg/L時(shí),糞鏈球菌的抑菌圈直徑為12 mm,而金黃色葡萄球菌、白色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的抑菌圈直徑均為10 mm。抑菌效果不僅跟菌種差異性有關(guān),也與精油的主成分差異性相關(guān),主成分中的極性基團(tuán)[16]、芳香族化合物都可能在抑菌機(jī)制中發(fā)揮了重要作用[17],使細(xì)菌或真菌的細(xì)胞膜、線粒體與脂質(zhì)分離,破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu),導(dǎo)致細(xì)胞死亡[21]。Mity測(cè)得的姜精油中主成分為反式丁香烯,α-環(huán)氧葎草烯,δ-3-蒈烯等,其中具有抑菌作用的成分是δ-3-蒈烯[20]。目前國(guó)內(nèi)研究更側(cè)重于姜精油中揮發(fā)性物質(zhì)和呈味物質(zhì)的成分鑒定,而對(duì)姜精油各抑菌成分的協(xié)同效應(yīng)、構(gòu)效關(guān)系等研究較少。國(guó)內(nèi)研究大多采用萊蕪大姜、張良姜等品種為原料提取精油,所測(cè)得姜精油主成分多為α-蒎烯、莰烯、β-水芹烯等[22],這也是國(guó)內(nèi)外研究差異之一。

A. Smith-Palmer[23]等采用瓊脂技術(shù)測(cè)試姜精油對(duì)四種食源性病菌的抑制作用,發(fā)現(xiàn)姜精油對(duì)腸炎沙門氏菌、空腸彎曲桿菌、大腸桿菌和單增李斯特菌均有一定抑制作用。通常,食品防腐中使用的精油濃度應(yīng)高于抑菌實(shí)驗(yàn)中的精油濃度[24],然而高濃度的精油又會(huì)改變食品的感官品質(zhì),因而無(wú)法在食品防腐過(guò)程中直接使用。姜精油在食品防腐中的有效應(yīng)用還有廣闊的研究空間與發(fā)展前景。

2.2 姜精油對(duì)革蘭氏陰性菌的抑制

A. Smith-Palmer[23]等發(fā)現(xiàn),生姜根莖精油對(duì)鼠傷寒沙門氏菌的最低抑菌濃度為2.00%(v/v),且姜精油對(duì)金黃色葡萄球菌和單增李斯特菌這兩種陽(yáng)性菌的抑制效果比腸炎沙門氏菌、空腸彎曲桿菌、大腸桿菌這三種陰性菌的抑制效果好。

Yasodha Sivasothy[25]等利用微量稀釋技術(shù)評(píng)價(jià)了生姜葉片精油與生姜根莖精油的抑菌活性,發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)部位的姜精油對(duì)革蘭氏陰性菌的最低抑菌濃度均在0.31～0.63 mg/mL,高于革蘭氏陽(yáng)性菌的0.16～0.31 mg/mL,此結(jié)果與Kivrak[26]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致:大腸桿菌>肺炎克雷白桿菌>斯氏假單胞菌。再次證明姜精油對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的抑制效果較革蘭氏陰性菌好,其原因目前還無(wú)確切闡釋,但可確定的是,革蘭氏陰性菌的外膜賦予其細(xì)菌表面強(qiáng)烈親水性,產(chǎn)生滲透屏障,保護(hù)細(xì)菌不被滲透。

另外,生姜不同部位的精油成分也不同,姜精油存在于根莖部位的角狀細(xì)胞空隙內(nèi),在根莖的表皮層和內(nèi)部均有分布,特別在表皮層組織含量較豐富。有文獻(xiàn)[27]表明,影響生姜精油得率的一個(gè)重要因素為姜是否去皮。從生姜精油的提取過(guò)程知,全姜精油的得率明顯高于去皮姜精油,約為后兩者的3倍以上。因此,在相同條件下,全姜油的抑菌效果比去皮姜油好。除金黃色葡萄球菌外,姜皮精油對(duì)大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、根霉、黑曲霉、繩狀青霉的抑制作用明顯強(qiáng)于全姜和去皮姜精油,總體抑菌效果由強(qiáng)到弱依次為:姜皮精油>全姜精油>去皮姜精油[28]。因此,提取姜精油的生姜部位不同,抑菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同。

2.3 姜精油對(duì)真菌、酵母菌的抑制

Flavio等[29]發(fā)現(xiàn),姜精油能有效抑制輪狀鐮刀菌的生長(zhǎng)以及伏馬菌素的滋生,姜精油濃度為2000～4000 μg/mL 時(shí),對(duì)伏馬菌素B1、伏馬菌素B2的抑制活性隨濃度的增大而增強(qiáng)。

通常認(rèn)為精油的生物特性由精油的主成分及其濃度體現(xiàn),然而一些微量成分同樣能影響精油的功效[30],同時(shí),精油中各成分的協(xié)同效應(yīng)也通過(guò)影響細(xì)胞壁修復(fù)、細(xì)胞膜的親水親油性而影響細(xì)胞通透性,從而體現(xiàn)精油生物特性。酵母菌所產(chǎn)的麥角固醇是酵母菌細(xì)胞膜的重要組成部分,也是激素類物質(zhì)的中間體,它能確保膜結(jié)合酶的活性與流動(dòng)性、細(xì)胞活力以及細(xì)胞物質(zhì)的正常運(yùn)輸[31],Flavio通過(guò)HPLC檢測(cè)知,姜精油破壞了麥角固醇的生物合成,達(dá)到了抑制真菌生長(zhǎng)的目的。

Indu Sasidharan[32]等以鮮姜和干姜為原料提取精油發(fā)現(xiàn),鮮姜精油對(duì)黑曲霉的最低抑菌濃度<1.00 μg/mL,干姜精油為5.00 μg/mL;對(duì)釀酒酵母的抑菌圈直徑分別為6.03±0.06、7.09±0.04 mm。因而鮮、干姜精油對(duì)黑曲霉的抑制效果均與Baurer[33]的平板擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同,而對(duì)青霉菌、釀酒酵母的抑制效果較弱。鮮姜精油中所含的香葉醛含氧化合物(29%)高于干姜精油(14%),使得鮮姜的精油抑菌效果優(yōu)于干姜,而干姜精油中含更多的碳?xì)浠衔?活性低于含氧化合物[34-35]。鮮姜精油中的含氧化合物電負(fù)性對(duì)于抑制黑曲霉和假絲酵母有重要作用[34];干姜精油對(duì)綠膿桿菌、青霉菌、假絲酵母的抑制能力更強(qiáng)的原因是干姜精油中含有更多含雙鍵的倍半萜烯碳?xì)浠衔?因而比單萜類的活性更強(qiáng)[35]。

3 姜精油抑菌特性在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

姜精油的抑菌特性在食品領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。在肉類保鮮方面,王躍猛[36]將3%的姜精油添加到明膠-碳酸鈣可食膜中,發(fā)現(xiàn)能夠減緩冷鮮肉的揮發(fā)性鹽基氮含量20%,從而提高對(duì)肉的保鮮效果,延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期。Syed[37]噴涂姜提取物于雞肉、牛肉、羊肉上,發(fā)現(xiàn)噴涂之后的肉類,其風(fēng)味口感更受人青睞。

在抗油脂氧化方面,L. Atarés[38]將酪蛋白酸鈉和姜精油制成可食用膜,將葵花籽油裝填入特制的丙烯酸甲酯細(xì)胞中,再用該可食用膜包裹,制作Trolox標(biāo)準(zhǔn)溶液曲線,探究含有5%姜精油的可食用膜對(duì)ABTS自由基的清除率,發(fā)現(xiàn)對(duì)ABTS自由基陽(yáng)離子的清除率為23%,說(shuō)明含有姜精油的可食用膜可有效防止葵花籽油的氧化。

在果蔬保鮮方面,姜精油可與包埋控釋體系結(jié)合,采用分子包埋技術(shù),制作姜精油抑菌膜,控制其釋放速率,延長(zhǎng)抑菌時(shí)間,有效延長(zhǎng)果蔬的儲(chǔ)存時(shí)限。蔡丹丹[39]等研究了負(fù)載迷迭香、肉桂油、姜精油、丁香緩釋抑菌膜的緩釋性、透氣性和抑菌性發(fā)現(xiàn),負(fù)載姜精油的緩釋抑菌膜在2個(gè)月后的釋放率為78.5%,僅低于丁香的80%,但水蒸氣透過(guò)率在四者中最高,到達(dá)0.14 g/m2·d。負(fù)載姜油的緩釋抑菌膜對(duì)大腸桿菌、枯草桿菌、霉菌的抑菌圈直徑分別為13、7、8 mm。

4 前景與展望

目前研究多停留在姜精油的抑菌效果方面,而對(duì)抑菌機(jī)制的研究尚處于起步階段,可知的是精油中的抑菌成分使細(xì)菌的細(xì)胞膜通透性增加,改變細(xì)胞膜滲透壓,使細(xì)胞內(nèi)容物溶出,細(xì)胞質(zhì)凝結(jié)[40]。因此,植物精油的抑菌作用與其化學(xué)結(jié)構(gòu)上的親油性、疏水性以及植物精油主成分的含量都有關(guān)系[41-42]。但目前的研究還沒(méi)有針對(duì)姜精油抑菌過(guò)程中的構(gòu)效關(guān)系的完整、準(zhǔn)確闡釋。綜合國(guó)內(nèi)外研究成果發(fā)現(xiàn),姜精油中各組分的物理、化學(xué)性質(zhì)各異,單組分抑菌與多組分復(fù)合抑菌的效果不同,需分別探討。

未來(lái)研究趨勢(shì)是進(jìn)一步探究姜精油組分對(duì)病原菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、線粒體功能、細(xì)胞代謝的影響,借助基因組學(xué)和蛋白組學(xué),探討各作用靶點(diǎn)與作用效應(yīng)之間的關(guān)系,以掌握姜精油抑菌機(jī)理,達(dá)到有效利用姜精油的抑菌活性的目的。

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Research progress in antibacterial activity of ginger essential oil

LAN Jing-yao,XUE Wen-tong*

(Food science and nutritional engineering academy,Chinese agricultural university,Beijing 100083,China)

GingeressentialoilisextractedfromZingiber Officinale,whichhasabroad-spectrumantibacterialeffect.Thechemicalcompositionofgingeressentialoilandtheextractionmethods,especiallytheinhibitioneffectsofgingeressentialoiltoGram-positivebacterium,Gram-negativebacterium,fungalaswellassaccharomyceteswereintroducedinthispaper,andthepurposewastopromotethedevelopmentofcomprehensiveutilizationofgingeressentialoil.

Gingeressentialoil;antibacterialeffect;antibacterialmechanism

2016-04-25

蘭景堯(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：功能性食品研究，E-mail:joylan1027@163.com。

*通訊作者:薛文通(1962-)，男，博士，教授，研究方向：功能性食品研究，E-mail：xwt@cau.edu.cn。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD19B01)。

TS202.3

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1002-0306(2016)19-0387-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.067