劉歡，肖苗，賀小賢，王意，曹娟娟，蔣合陽(yáng)，李瑩玉，蘆平

(陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，陜西 西安，710021)

植物精油(essential oils，EOs)是從植物中提取的、具有一定揮發(fā)性的油狀液體的總稱，其在植物中分布廣泛，可從花、葉、根、皮或全植物中提取。植物精油屬于芳香化合物，具有較強(qiáng)的揮發(fā)性、疏水性，不溶于水，但可溶于有機(jī)溶劑和脂類[1]。植物精油按其化學(xué)成分可分為四類，萜類是其中最為常見、含量最多的，如金合歡烯、茴香醇等；第二類是芳香族化合物，其含量?jī)H次于萜烯類化合物，主要包括酚類、醛類、酮類、酯類及一些衍生物等，如麝香草酚、桂皮醛等；第三類是脂肪族化合物，常見的有香茅精油中的異戊醛、乙酸乙酯等；第四類是含氮和含硫的化合物，大部分存在于辛香料植物中，如洋蔥中的三硫化合物等[2]。不同成分的植物精油所發(fā)揮的作用和功能也不盡相同，如抑菌、殺蟲、抗氧化、抗炎癥和抗癌活性等[3]。植物精油還具有天然綠色、安全無(wú)殘留、香味獨(dú)特等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)殺蟲劑、食用香精、食品保鮮防腐劑和化妝品等領(lǐng)域，也可用于心血管疾病、糖尿病、老年癡呆癥、癌癥、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等多種疾病的治療[4-5]。

病原微生物是引起食品安全問題和疾病的微生物，抗菌素在病原菌防治中扮演重要角色，但過多使用會(huì)產(chǎn)生耐藥性。植物精油具有良好的抑菌活性，被認(rèn)為是天然抑菌劑，在病原微生物防控方面具有廣闊的發(fā)展前景。本文將分別從植物精油對(duì)細(xì)菌、真菌和病毒的抑制活性和機(jī)制進(jìn)行綜述，旨在為植物精油作為天然抑菌劑在食品工業(yè)等領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 抗細(xì)菌作用

由于種類和官能團(tuán)位置的不同，植物精油對(duì)細(xì)菌的作用效果和機(jī)制不盡相同。目前的研究表明，植物精油抗細(xì)菌作用的機(jī)制主要有：(1)破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁膜完整性；(2)影響細(xì)菌核酸和蛋白質(zhì)的合成；(3)干擾細(xì)菌細(xì)胞代謝過程。

植物精油通過改變細(xì)胞壁膜完整性發(fā)揮抑菌作用。研究表明，植物精油可直接接觸細(xì)菌的細(xì)胞壁膜，改變細(xì)胞膜的極性，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外質(zhì)子失衡，細(xì)胞壁膜結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆損傷，通透性增加，使細(xì)胞內(nèi)重要金屬離子以及核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子外滲，引起細(xì)胞死亡[6]。植物精油主要通過以下方式影響細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)：(1)通過改變細(xì)胞膜的通透性來(lái)破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)。TANG等[7]研究發(fā)現(xiàn)砂仁精油對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistantStaphylococcusaureus, MRSA)具有良好抑菌活性，可以改變其細(xì)胞形態(tài)，增加細(xì)胞膜的通透性，破壞細(xì)胞壁膜完整性，使得細(xì)胞內(nèi)的酶、核酸等重要生物大分子流出，導(dǎo)致MRSA死亡。YIN等[8]研究發(fā)現(xiàn)肉桂醛可以破壞嗜水氣單胞菌(Aeromonashydrophila)細(xì)胞膜通透性，造成細(xì)胞壁膜破裂，細(xì)胞質(zhì)外泄，細(xì)胞內(nèi)部空化，影響蛋白質(zhì)代謝，抑制嗜水氣單胞菌的生長(zhǎng)。石超等[9]研究發(fā)現(xiàn)反式肉桂醛會(huì)對(duì)復(fù)原嬰幼兒牛乳中阪崎克羅諾腸桿菌(Cronobactersakazakii)細(xì)胞膜的通透性產(chǎn)生影響并使細(xì)胞破碎瓦解。袁中偉等[10]以耐甲氧西林金黃色葡萄球菌USA300為受試菌，探究了百里香酚對(duì)其細(xì)胞壁膜的影響，結(jié)果表明，百里香酚對(duì)USA300細(xì)胞壁和細(xì)胞膜具有破壞作用，通透性顯著增加，并干擾其正常的二分裂，抑制USA300的生長(zhǎng)繁殖。GUO等[11]研究發(fā)現(xiàn)赤砂精油可以影響大腸桿菌細(xì)胞膜的骨架結(jié)構(gòu)，從而影響膜完整性并使膜通透性增加，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)重要生物大分子泄漏，使得大腸桿菌的生長(zhǎng)受到抑制。(2)植物精油還可作用于細(xì)菌外膜蛋白或磷脂分子，從而影響膜蛋白結(jié)構(gòu)以及脂肪酸在細(xì)胞膜中的比例和結(jié)構(gòu)。多酚提取物可以降低枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)細(xì)胞膜中直鏈脂肪酸和異支脂肪酸的比例，從而影響膜的流動(dòng)性，阻礙枯草芽孢桿菌正常的細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂[12]。MARCHESE等[13]研究發(fā)現(xiàn)百里香油可以抑制蛋白質(zhì)的合成，導(dǎo)致細(xì)菌外膜蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，發(fā)揮抑菌作用。此外，百里香酚、香芹酚和肉桂醛可影響大腸桿菌O157∶H7、金黃色葡萄球菌、鼠傷寒沙門菌(Salmonellaentericaserovartyphimurium)和熒光假單胞菌(Pseudomonasfluorescens)細(xì)胞膜脂肪酸結(jié)構(gòu)和比例，不飽和脂肪酸C18∶2trans和C18∶3cis含量下降，而飽和脂肪酸(特別是C17∶0)含量則有所增加[14]。

植物精油亦可作用于細(xì)胞壁及其合成相關(guān)酶。王桂清等[15]研究了遼細(xì)辛精油對(duì)灰葡萄孢菌(Botrytiscinerea)細(xì)胞壁降解酶的影響，發(fā)現(xiàn)遼細(xì)辛精油能激活細(xì)胞外的果膠甲基轉(zhuǎn)移酶、果膠酶、細(xì)胞外C1和蛋白酶活性。ZHANG等[16]研究發(fā)現(xiàn)，肉桂精油可對(duì)大腸桿菌細(xì)胞壁造成損傷，抑制細(xì)胞壁組分的合成，從而起到抑菌殺菌作用。由于細(xì)胞壁的構(gòu)成不同，植物精油對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌和陰性菌效果也不同。通常，革蘭氏陽(yáng)性菌比陰性菌對(duì)植物精油更敏感。革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞壁大多由肽聚糖組成，這使得疏水分子很容易穿透細(xì)胞，并在細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)發(fā)揮作用。革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁除了有肽聚糖層外，還有一層由脂多糖相連的磷脂外膜，因此，革蘭氏陰性菌更具耐藥性。研究表明，粉椒揮發(fā)油對(duì)金黃色葡萄球菌和單核增生李斯特菌(Listeriamonocytogenes)有較明顯的抑菌活性，但對(duì)革蘭氏陰性菌無(wú)效[17]。NAKSANG等[18]研究發(fā)現(xiàn)，芍藥揮發(fā)油對(duì)蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)、金黃色葡萄球菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌具有較強(qiáng)的抑菌活性，抑菌活性為0.1%～0.3%(體積分?jǐn)?shù))。段偉麗等[19]通過比較艾蒿精油對(duì)金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌的抑制效果，發(fā)現(xiàn)精油對(duì)金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌的最低抑菌濃度(minimum inhibitory concentration，MIC)分別為2.5、5、10 μL/mL。

植物精油對(duì)細(xì)菌核酸和蛋白質(zhì)合成的影響。李亞茹等[20]研究發(fā)現(xiàn)萜烯類成分能夠降低細(xì)胞內(nèi)氧化反應(yīng)的水平，從而影響核酸修復(fù)。PENG等[21]發(fā)現(xiàn)，黃連素可以通過增加細(xì)菌的細(xì)胞膜通透性、破壞細(xì)菌細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，同時(shí)抑制蛋白質(zhì)和DNA的合成，從而導(dǎo)致無(wú)乳鏈球菌最終死亡。植物精油及其主要成分不僅能阻遏DNA合成，還能抑制基因的表達(dá)。MUTHAIYAN等[22]研究了無(wú)萜冷榨巴倫西亞橙精油對(duì)金黃色葡萄球菌生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)該精油能夠引起與抑制細(xì)胞壁合成一致的基因表達(dá)變化，包括氨基酸生物合成、細(xì)胞包膜、中央中介代謝、DNA代謝、蛋白質(zhì)合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，同時(shí)能夠觸發(fā)細(xì)胞裂解。

植物精油對(duì)細(xì)菌能量代謝的影響。QIAN等[23]研究發(fā)現(xiàn)香草酸可以改變耐碳青霉烯類陰溝腸桿菌(carbapenem-resistantEnterobactercloacae)細(xì)胞內(nèi)ATP的濃度。其他研究人員發(fā)現(xiàn)，麝香草酚可抑制沙門氏菌ATP合成酶活性，影響檸檬酸代謝途徑，進(jìn)而干擾三羧酸循環(huán)進(jìn)程[24-25]。何靜如等[26]研究發(fā)現(xiàn)(-) -β-蒎烯主要是通過破壞沙門氏菌細(xì)胞形態(tài)和結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致離子的泄漏，增強(qiáng)三羧酸循環(huán)中琥珀酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶的活力以及降低ATP含量，干擾其能量代謝過程來(lái)實(shí)現(xiàn)抑菌作用。

本課題組一直致力于精油對(duì)水產(chǎn)病原微生物(主要為弧菌)抑菌活性和機(jī)制的研究。發(fā)現(xiàn)檸檬醛對(duì)溶藻弧菌(Vibrioalginolyticus)具有良好的抑菌活性，MIC為0.125 mg/mL。檸檬醛處理可使溶藻弧菌培養(yǎng)液電導(dǎo)率和丙二醛含量增加，同時(shí)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察表明，檸檬醛可作用于溶藻弧菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，造成細(xì)胞壁膜的破損[27]。此外，檸檬醛對(duì)副溶血弧菌(Vibrioparahaemolyticus)RIMD2210633也顯示出良好的抗菌活性，MIC為0.125 mg/mL。檸檬醛可引發(fā)細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化，導(dǎo)致細(xì)胞膜受損，而引起胞內(nèi)物質(zhì)的外泄。掃描電鏡觀察進(jìn)一步證實(shí)了檸檬醛的作用靶點(diǎn)為細(xì)胞膜和細(xì)胞壁，可引起細(xì)胞壁膜的內(nèi)陷、皺縮、破損甚至斷裂。在斑馬魚感染實(shí)驗(yàn)中，斑馬魚注射了經(jīng)檸檬醛處理的溶藻弧菌后，其表現(xiàn)出死亡率降低以及感染癥狀減輕等現(xiàn)象[28]。

2 抗真菌作用

植物精油可對(duì)真菌的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁造成影響。TIAN等[29]研究發(fā)現(xiàn)，蒔蘿油抑制黃曲霉細(xì)胞生長(zhǎng)的主要作用機(jī)制是破壞其正常的甾醇生物合成途徑，導(dǎo)致麥角甾醇合成減少，對(duì)細(xì)胞膜造成直接損傷，從而改變質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，造成黃曲霉細(xì)胞的完整性缺失。米嘉琦等[30]評(píng)價(jià)了肉桂醛、丁香酚、檸檬醛、香芹酮、香葉醇、己醛6種植物源精油對(duì)芒果膠孢炭疽菌(ColletotrichumgloeosporioidesPenZ)的抑菌機(jī)理，結(jié)果表明肉桂醛對(duì)芒果膠孢炭疽菌有很強(qiáng)的抑制作用，破壞其細(xì)胞壁膜的完整性，導(dǎo)致膜的通透性顯著增加，從而使細(xì)菌死亡。李路等[31]探究了p-茴香醛對(duì)柑橘酸腐病菌的抑制作用和機(jī)制，發(fā)現(xiàn)p-茴香醛能夠破壞酸腐病菌菌絲體細(xì)胞壁完整性，同時(shí)對(duì)細(xì)胞膜造成損傷，使得酸腐病菌菌絲呈現(xiàn)褶皺、干癟、不規(guī)則等現(xiàn)象。戴向榮等[32]研究顯示發(fā)現(xiàn)肉桂醛對(duì)黃曲霉(Aspergillusflavus)孢子的細(xì)胞質(zhì)膜可造成氧化損傷，影響其完整性和透過性，從而抑制其生長(zhǎng)。植物精油能夠穿透和破壞真菌細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)膜，從而導(dǎo)致線粒體膜的解體。植物精油還可影響離子通道，特別是Ca2+，破壞線粒體膜的極化，從而降低膜電位。膜流動(dòng)性的這種變化可能導(dǎo)致電解質(zhì)滲漏，并阻礙細(xì)胞色素C途徑、蛋白質(zhì)代謝和鈣離子攝取。

植物精油影響真菌核酸和蛋白質(zhì)的合成。羅曼等[33]采用相差顯微鏡、掃描電鏡、單細(xì)胞凝膠電泳分析技術(shù)，從膜、細(xì)胞器和細(xì)胞內(nèi)大分子水平研究了檸檬醛對(duì)黃曲霉孢子的影響。結(jié)果顯示，檸檬醛進(jìn)入細(xì)胞后，一方面損傷了黃曲霉孢子細(xì)胞質(zhì)膜，使其彈性下降，導(dǎo)致細(xì)胞膜功能喪失；另一方面可增加磷酸二酯鍵斷裂頻率，導(dǎo)致細(xì)胞核DNA損傷；同時(shí)還可損傷細(xì)胞壁膜上的功能脂質(zhì)蛋白，導(dǎo)致蛋白大分子的非功能性聚集，從而使得細(xì)胞、細(xì)胞器和大分子失去正常的結(jié)構(gòu)和功能，最終導(dǎo)致黃曲霉孢子失去萌發(fā)能力。植物精油還可影響真菌毒素合成基因的表達(dá)水平。DA SILVA BOMFIM等[34]研究發(fā)現(xiàn)，迷迭香精油在質(zhì)量濃度為250 g/mL(15.3%)時(shí)抑制了黃曲霉的菌絲生長(zhǎng)。經(jīng)迷迭香精油處理后黃曲霉毒素B1和B2的產(chǎn)生受到了抑制，說明迷迭香精油可能直接作用于毒素的生物合成，進(jìn)而影響黃曲霉菌的產(chǎn)毒能力。YAGUCHI等[35]通過實(shí)時(shí)熒光定量PCR法分析了從洋甘菊和桉樹中分離的早熟素II和薄荷酮對(duì)禾谷鐮刀菌(Fusariumgraminearum)產(chǎn)毒基因tri4、tri5、tri6、tri10轉(zhuǎn)錄的影響。結(jié)果表明早熟素II對(duì)tri4、tri5的轉(zhuǎn)錄抑制最為明顯，而tri6、tri10轉(zhuǎn)錄水平也分別在培養(yǎng)48和96 h后顯著降低，呈現(xiàn)劑量依賴性；當(dāng)薄荷酮的體積分?jǐn)?shù)為300或1 000 μL/mL時(shí)，能夠明顯抑制4種產(chǎn)毒基因的mRNA水平。

植物精油對(duì)真菌細(xì)胞能量代謝的影響。TIAN等[29]發(fā)現(xiàn)，蒔蘿精油可抑制黃曲霉線粒體ATP酶和脫氫酶的活性，導(dǎo)致ATP含量明顯下降，使細(xì)胞正常能量代謝受阻。羅曼等[36]研究發(fā)現(xiàn)，黃曲霉經(jīng)檸檬醛處理后，與對(duì)照組相比線粒體受到了損傷，表面呈現(xiàn)皺褶、形態(tài)不規(guī)則、結(jié)構(gòu)混亂、表面不光滑的現(xiàn)象，而且線粒體氧化還原蘋果酸脫氫酶和琥珀酸脫氫酶的能力明顯下降，呼吸速率顯著降低。上述結(jié)果表明檸檬醛不僅會(huì)損傷黃曲霉細(xì)胞的線粒體結(jié)構(gòu)，降低細(xì)胞的能量合成和代謝，而且還能減少代謝過程中ATP和還原型輔酶 Ⅱ 等的合成量，從而降低氧化還原力，不可逆地抑制核酸、蛋白質(zhì)、脂類及糖的合成而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

3 抗病毒作用

近年來(lái)研究證明，植物精油具有巨大的抗病毒潛力。牛至和丁香精油對(duì)幾種未轉(zhuǎn)化的RNA和DNA病毒(如腺病毒3型、脊髓灰質(zhì)炎病毒和柯薩奇病毒B1)有強(qiáng)抗病毒活性[37]。NAGY等[38]發(fā)現(xiàn)，未成熟和成熟的果皮油在2.5 μL/mL的濃度下對(duì)H5N1病毒有中等抑制作用。鼠尾草、薄荷、奇異果、鷹爪草和羊茅精油等對(duì)人類皰疹病毒1型和2型均有抗病毒活性[39]。

對(duì)于包膜病毒，植物精油可干擾包膜功能，使包膜解體而導(dǎo)致病毒滅活。ASTANI等[40]研究了八角茴香精油、丁香酚、反式茴香腦等抗氧化物對(duì)HSV-1病毒(herpes simplex virus type 1)的抗病毒作用，發(fā)現(xiàn)HSV-1顆粒在植物精油的作用下直接失活，推測(cè)主要作用于其包膜，導(dǎo)致包膜解體。此外，有學(xué)者提出精油及其化學(xué)成分由于親脂性可用于SARS-CoV-2感染控制，精油可穿透SARS-CoV-2病毒包膜并導(dǎo)致其破裂[41]。對(duì)于無(wú)包膜病毒，有研究表明，牛至精油可直接作用于諾如病毒衣殼，致使衣殼直徑增大，膨脹解體[42]。

少數(shù)植物精油還可影響病毒核酸和蛋白質(zhì)。POURGHANBARI等[43]研究了山茱萸(檸檬薄荷)精油和奧司他韋對(duì)H9N2亞型禽流感病毒(avian influenza A virus，AIV)的體外抗病毒活性及其協(xié)同作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同濃度的檸檬薄荷精油可以抑制流感病毒的復(fù)制。反式激活蛋白(transactivator，Tat)是HIV轉(zhuǎn)錄所必需的蛋白質(zhì)，與HIV復(fù)制所需的TAR-RNA相互作用，形成Tat/TAR-RNA復(fù)合物。FERIOTTO等[44]研究發(fā)現(xiàn)百里香、香茅、迷迭香揮發(fā)油可直接與Tat蛋白相互作用，使得Tat/TAR-RNA復(fù)合物不穩(wěn)定。

4 結(jié)論

病原微生物是引起食品安全問題和疾病的重要元兇，隨著人們對(duì)健康生活品質(zhì)的追求，抗菌素因其微生物耐藥性及體內(nèi)殘留等問題逐漸在相關(guān)行業(yè)限用甚至禁用，開發(fā)新型抑菌劑成為亟待解決的問題。越來(lái)越多的植物精油展現(xiàn)出良好的體外抑菌活性，本文分別從植物精油對(duì)細(xì)菌、真菌和病毒的抑制活性和機(jī)制進(jìn)行綜述，目前植物精油對(duì)病原微生物的抑制機(jī)制主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：(1)破壞細(xì)胞壁膜結(jié)構(gòu)；(2)影響生物大分子合成；(3)紊亂能量代謝。植物精油是環(huán)境友好型的天然抑菌劑，在食品、醫(yī)療等相關(guān)領(lǐng)域病原微生物危害防控方面具有廣闊的發(fā)展前景。

5 展望

由于植物精油的廣譜抑菌活性和綠色安全性等特點(diǎn)，使得其在食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等行業(yè)越來(lái)越受到重視。目前，關(guān)于植物精油的抑菌機(jī)制主要集中于對(duì)細(xì)胞壁膜完整性和通透性的影響。但是，目前對(duì)于植物精油如何靶向作用于細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的內(nèi)在分子機(jī)制尚不清楚，后期可通過代謝組學(xué)或轉(zhuǎn)錄組學(xué)等方法，比較不同濃度或不同作用時(shí)間下抑菌劑處理后代謝物和總的基因轉(zhuǎn)錄的變化，明確抑菌劑對(duì)病原微生物細(xì)胞壁和細(xì)胞膜合成相關(guān)代謝通路的影響，從分子、基因水平深度研究精油抗菌、抗病毒的作用機(jī)理。目前對(duì)于植物精油的抑菌活性主要集中在體外研究，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步針對(duì)不同動(dòng)物模型開展體內(nèi)及臨床安全性評(píng)價(jià)試驗(yàn)。此外，植物精油具有易揮發(fā)、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用，可加強(qiáng)微膠囊包被以及納米乳液或納米顆粒等技術(shù)的研究，提高其穩(wěn)定性。