木姜子精油的抗菌成分、作用机制及其在食品包装中的应用研究进展

蒋黎艳,严召颖,孙心雨,黎宁,闫荣玲*

(湖南科技学院 化学与生物工程学院,湖南 永州,425199)

摘 要 植物精油因其天然、绿色和安全的特点,在替代化学合成防腐剂和推动活性包装材料创新发展方面具有显著优势。木姜子精油作为一种抗菌活性突出的天然植物精油,在食品包装领域展现出重要的应用潜力。该文系统介绍了木姜子精油的抗菌成分,主要包括柠檬醛、柠檬烯、芳樟醇和香茅醛等萜类及醛类化合物;并阐述了其通过破坏微生物细胞壁与细胞膜完整性、扰乱能量代谢过程、干扰遗传物质DNA的复制与合成,以及调控相关信号通路等多途径协同抑菌的作用机制。总结了木姜子精油在抗菌复合精油、可降解薄膜/涂层及其他新型包装材料的应用情况,以期为延长食品货架期、抑制病原微生物和维持产品品质方面提供参考。

关键词 木姜子精油;植物精油;抗菌成分;抗菌机制;食品包装

木姜子[Litsea cubeba(Lour.) Pers.],又名山苍子、山鸡椒、木香子等,是樟科(Lauraceae)的一种落叶灌木或小乔木,是我国特有的木本油料植物资源,在中国作为重要的芳香油料树种而闻名[1]。作为一种传统的中草药,木姜子具有类似抗生素的益处[2],被用来治疗多种疾病,如感冒发热[3]、风湿痛症[4]、皮肤瘙痒[5]等症状。精油(essential oils,EO)是指从植物中提取的一种液体提取物,对各种致病微生物和食品腐败微生物表现出显著的抗氧化和抗微生物性质[6]。现代研究表明,从木姜子果实中提取的精油含有丰富的活性成分如柠檬醛、柠檬烯、芳樟醇、香茅醛和α-蒎烯等,这些成分赋予了其显著的抗菌特性,对常见革兰氏阴性菌大肠杆菌[7]、阳性菌金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌[8]以及黑曲霉[9]、白假丝酵母[10]等都有良好的抗菌效果。

随着消费者对天然、健康食品保鲜方式的需求日益增强,木姜子精油(Litsea cubeba essential oil,LCEO)因其广谱的抗菌活性和良好的生物可降解性,在食品包装领域展现出广阔的应用前景。研究表明,将LCEO整合至包装材料中,不仅可有效抑制常见食源性病原菌和腐败微生物的生长,还能延缓脂质氧化、维持食品感官品质,从而显著延长生鲜食品及易腐商品的货架期[11]。这类绿色活性包装系统在提高食品安全的同时,也减少了对化学防腐剂的依赖,符合现代食品工业可持续发展的要求。

近年来,随着学者们对于LCEO的研究逐渐深入,其在食品保鲜[12-13]、医药[14]和生物农药[15]等领域的应用潜力也得到了广泛探讨,但是目前关于LCEO抗菌性能的系统性总结及其在复合包装材料中的开发现状尚缺乏全面综述,制约了其在高附加值领域的推广。因此,本综述旨在系统梳理LCEO的抗菌成分及其多元作用机制,探讨其在食品包装领域中的应用形式(如抗菌复合精油、可降解薄膜、纳米载体系统等),为推动LCEO在食品保鲜及绿色包装中的开发与应用提供理论依据和技术参考。

1 LCEO的提取及抗菌成分

1.1 LCEO的提取

当前LCEO的提取研究呈现出多样化趋势,主要为物理提取法、生物提取法以及复合提取技术(表1)。物理提取法主要包括传统水蒸气蒸馏法[16-17]、微波辅助萃取[18]、超声波辅助减压蒸馏[19]和无溶剂微波萃取[20-21]等,其优势在于操作简便、环境友好,但该类方法普遍对设备与工艺参数要求较高,且通常对目标成分的选择性较差。生物提取法主要利用特定的酶破坏植物细胞壁,降解其网状结构,从而瓦解精油所在的油囊或腺体,具有提取率高、条件温和、绿色环保的优点,但存在酶易失活及工艺尚不成熟等局限[22-24]。复合提取技术包括超高压提取[25]、低共熔溶剂-均质微波辅助蒸馏技术[26]、超声波-微波协同盐析-水蒸馏[27]和均质化-循环超声波结合水酶预处理微波辅助提取[28]等,它们通过多技术整合,强化精油提取效果并保持其活性,但可能存在有机溶剂残留、过程中易因乳化导致精油损失、设备成本高昂以及工艺参数复杂且不易优化等问题。

表1 LCEO的提取及成分测定
Table 1 Extraction and component determination of LCEO

来源提取方法精油得率类型主要成分及含量参考文献台湾省花莲县水蒸气蒸馏法3.7%物理提取法橙花醛 34.17%;香叶醛 39.29%[17]贵州省微波辅助萃取6.45%物理提取法[18]四川省达州市超声波辅助减压蒸馏6.94%物理提取法柠檬醛a 40.94%;柠檬醛b 46.71%[19]广东省清远市无溶剂微波萃取2.27%物理提取法香叶醛 34.43%;橙花醛 25.96%;D-柠檬烯 21.38%;异香叶醛 2.50%[21]重庆市酶法辅助蒸馏提取1.77%生物提取法[23]浙江省湖州市酶辅助低共熔溶剂萃取4.70%生物提取法香叶醛 40.92%;橙花醛 17.39%;对-薄荷-1,5-二烯-8-醇 16.10%;D-柠檬烯 6.98%;芳樟醇 1.86%[24]湖南省株洲市超高压提取(正己烷为溶剂)6.71%复合提取技术[25]河北省安国市低共熔溶剂-均质微波辅助水蒸馏 1.47%复合提取技术间-伞花烃 22.01%;反式-芳樟醇氧化物 12.32%;D-柠檬烯 8.18%;α-松油烯 2.88%;γ-松油烯 2.84%;α-松油醇 1.79%[26]广西省桂林市超声波-微波协同盐析-水蒸馏 6.17%复合提取技术柠檬醛 33.87%,D-柠檬烯 10.77%;香茅醛 6.68%;芳樟醇 5.08%;石竹素 4.48%[27]云南省盈江县均质化-循环超声波结合水酶预处理微波辅助提取 5.68%复合提取技术D-柠檬烯 18.22%;香叶醛 16.87%;橙花醛 13.57%;香茅醛 11.35%;芳樟醇 7.34%;香茅醇 3.05%[28]

由表1可知,不同提取技术在LCEO的得率(1.47%~6.94%)和主要成分(如柠檬醛、D-柠檬烯)含量方面存在差异。LCEO的提取技术已从传统单一方法(水蒸气蒸馏法),逐步发展为微波辅助、超声波协同、酶法处理及绿色溶剂应用等多种技术相结合的复合提取模式。未来研究中,LCEO的提取将更加注重绿色、环保、高效低耗及成分定向保留,进一步推动多技术联用工艺,以克服单一方法在得率、成分完整性及能耗方面的局限,从而为LCEO在食品、医药和日化等领域的深入开发提供更加经济、可持续的技术支持。

然而,除了提取方法,植物品种本身的内在遗传差异同样是决定精油化学特征的根本因素之一。GAO等[29]比较了13个不同品种的木姜子,发现其主要成分柠檬醛的含量因品种而异,其中品种BJ1在含油量和柠檬醛含量上均表现最优。SALLEH等[30]研究发现,同属樟科木姜子属的灰叶LCEO以β-芹子烯(30.8%)和β-卡拉可烯(11.3%)为主,而黄叶木姜子精油则以β-石竹烯(27.8%)和石竹烯氧化物(12.8%)为主成分,表明不同木姜子品种在挥发性成分组成上存在明显区别。

除品种间的差异外,同一品种木姜子因地理环境不同,其精油成分也表现出显著的地域性特征。SI等[31]对中国8个省份的LCEO进行分析,发现其主要成分柠檬醛的含量在78.7%~87.4%,而D-柠檬烯含量却低于以往报道,且首次在福建样品中检出邻伞花烃,在湖南样品中发现雅槛蓝烯等特有痕量成分,这些发现共同印证了化学成分的区域特异性。FAN等[32]的研究进一步支持了这一观点,他们对来自中国9个省份32种LCEO的化学成分进行分析,发现所有种源均含有柠檬醛、D-柠檬烯等7种主要成分,但其比例在种源间变异显著(变异系数23.63%~76.35%),同时在部分种源中还检出α-松油醇、香叶醇等地区特异性成分。

此外,采收部位及果实成熟度对LCEO成分也有影响。CHEN等[33]通过比较木姜子鲜花与鲜果精油的成分发现,二者虽均以柠檬醛为主导成分,但鲜果精油的柠檬醛及D-柠檬烯含量均高于鲜花精油,且二者的化学成分谱系存在区别。郭江涛等[34]的研究则更细致地揭示了不同成熟度果实及组织间的成分差异:木姜子熟果挥发油以正癸酸(28.563%)和1,8-桉叶素(13.461%)为主;青果则以1,8-桉叶素(11.845%)和β-水芹烯(10.831%)为主要成分;果柄中主要成分为β-桉叶醇(13.683%),而叶片中的挥发油则富含特定酮类成分。

综上所述,LCEO的化学组成源于遗传背景、地理来源和器官特异性等多重因素的复杂调控。品种间的遗传差异奠定其化学特征基础,造成柠檬醛、β-芹子烯等主要成分的类型与含量存在显著区别。而地理种源则引起地域性变异,致使同一品种在不同产地的精油成分及含量呈现明显区别。同时,不同采收部位及器官成熟度也显著影响成分组成。除上述因素外,采收季节、生长年限、采后处理方式(如干燥与贮存)等因素也会影响精油成分的合成与积累。这些因素共同构成了LCEO化学多样性的基础,为其在香料、医药等领域的定向开发与精准利用提供了重要的理论依据和资源筛选方向。

1.2 LCEO的抗菌成分

1.2.1 柠檬醛

柠檬醛是分子式为C10H16O的单萜醛类化合物(图1),广泛存在于柠檬草、马鞭草、木姜子等植物精油中[35],具有强烈的柠檬香气,呈无色或淡黄色透明液体,通常由互为异构体的香叶醛(反式柠檬醛)和橙花醛(顺式柠檬醛)[36]组成。杨丽娟等[37]发现,金平木姜子果实挥发油中最主要成分是柠檬醛,含量高达约50.60%。

图1 LCEO主要抗菌活性成分及其结构式
Fig.1 Main antibacterial active components of LCEO and their structural formula

柠檬醛在抑制食品腐败菌和真菌方面表现突出,在食品加工贮藏中颇具应用潜力[38]。肠出血性大肠杆菌 O157∶H7(enterohemorrhagic Escherichia coli O157∶H7, EHEC O157)是最常见的食源性病原菌之一,戴锦铭[7]研究发现,LCEO的主要成分柠檬醛能与EHEC O157胞内DNA作用,紫外光谱分析显示,柠檬醛与EHEC O157的DNA结合后,最大吸收峰发生红移(4 nm)和减色效应(吸光度下降22.2%),表明其通过嵌入DNA双螺旋结构干扰基因表达,进而发挥抗菌作用。XIA等[39]研究发现LCEO中柠檬醛能减缓菌落的生长速度,减少菌丝体生物量和毒素产生,可以通过抑制黄曲霉的生长来抑制次生代谢物黄曲霉毒素B1(aflatoxin B1,AFB1)的生物合成,且存在明显的浓度效应关系;结果表明柠檬醛对黄曲霉3.4408生长抑制效果最好,并且对霉变中药材中分离的黄曲霉(ZK和ZX)具有良好的抑菌能力。

1.2.2 柠檬烯

柠檬烯又名苧烯,是一种无色油状液体,散发着独特的柑橘类香气。柠檬烯在木姜子的不同部位均有分布,经提取后发现该成分在果实精油和树皮精油中含量较高[40]。彭媛媛等[41]分析LCEO成分时,发现柠檬烯含量为6.78%,是仅次于柠檬醛的第二大活性成分。柠檬烯作为LCEO的主要活性成分,是其发挥抗菌作用的关键物质,在LI等[42]开展的分子对接实验中,LCEO中的柠檬烯与白色念珠菌的关键酶蛋白(如分泌性天冬氨酸蛋白酶SAP5和β-1,3-葡聚糖合酶β-1,3-GS)的结合能分别为-24.27 kJ/mol和-23.85 kJ/mol,并表明柠檬烯能够与这些酶蛋白结合主要通过疏水相互作用和氢键实现,从而抑制白色念珠菌的生长。

1.2.3 芳樟醇

芳樟醇又名沉香醇,是分子式为C10H18O的一种天然花香特征的萜烯类化合物(图1),广泛存在于薰衣草、玫瑰和木姜子等植物中,具有木香和果香[43]。陈汉平等[44]通过气相层析-质谱联用测得毛叶木姜子果精油中的芳樟醇含量为3.06%,是其发挥生物活性的核心组分,但是随着果实的成熟,芳樟醇的含量不断下降,这可能会影响木姜子果精油的香气和药用价值。相关研究表明,芳樟醇与最低抑菌浓度的相关性不显著,并非LCEO的主要抗菌成分,但其与柠檬醛等成分存在协同抑菌效应,共同作用于尖孢镰刀菌、大肠杆菌等病原微生物,其抑菌效率与芳樟醇的含量呈显著正相关[45]

1.2.4 香茅醛

香茅醛是一种含氧单萜醛类化合物(图1),广泛存在于多种香辛料及植物精油中[46]。香茅醛的分子式为C10H18O,表现为无色至浅黄色液体,具有柠檬、薄荷以及玫瑰香气[43],微溶于水,易溶于乙醇、乙醚。WANG等[47]分析了木姜子的挥发油成分,发现香茅醛主要存在于木姜子根油中,含量为8.57%;张振杰等[48]分析了木姜子叶挥发油的化学成分,发现香茅醛是主要成分之一,含量为6.86%,是该植物精油中极具特色的成分之一。当香茅醛和柠檬醛、柠檬烯、芳樟醇等成分协同作用时,可以增强LCEO对白假丝酵母菌的抑制效果[10],即精油整体的抗菌效果比单一的精油成分效果强。

1.2.5 其他抗菌成分

LCEO中除含有柠檬醛、柠檬烯、芳樟醇和香茅醛等已知抗菌成分外,其挥发油中的其他活性成分也展现出显著的抗菌潜力。例如,单萜烯类化合物α-蒎烯已被证实对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和伤寒杆菌均具有抗菌活性[49]。值得注意的是,作为LCEO中另一重要抗菌成分—香叶醇,其对多种致病菌表现出选择性抑制效果,尤其对大肠杆菌的抑制作用较为显著,其次为单核细胞增生李斯特菌和肠道沙门氏菌[50]。吴小凤等[51]通过灰色关联度分析法和偏最小二乘法建立了谱效关系模型,发现斯巴醇、石竹素、左旋α-蒎烯等成分的VIP值均大于1,说明对抑菌效果贡献大;斯巴醇、左旋α-蒎烯、4-松油醇、八氢四甲基萘甲醇和石竹素等成分的关联度值均大于0.6,说明这些成分与抑菌作用显著相关,并且大果木姜子精油共有峰与黄曲霉菌抗菌活性的关联度为0.554 6~0.786 2,与黑根霉菌抗菌活性的关联度为0.532 4~0.789 0,各关联度均大于0.5,单一成分的关联度和VIP值均未达到绝对主导,表明该精油的抑菌作用是多种活性成分协同作用的结果,对黄曲霉菌和黑根霉菌表现出广谱抑菌活性。

2 抗菌机制

抗菌机制是指抗生素或其他抗菌剂抑制或杀灭微生物(如细菌、真菌等)的生物学作用方式。不同种类的抗菌剂通过不同的途径干扰微生物的生长、繁殖或代谢,从而实现抗菌效果。LCEO的多种有效成分可通过不同途径发挥抗菌作用,如破坏细菌细胞壁、破坏细胞膜结构与功能、扰乱细菌细胞代谢、干扰DNA复制和转录以及参与相关信号通路等。

2.1 破坏细菌细胞壁

细胞壁作为细胞最外层的结构,扮演着保护细胞、维持其形态及提供机械支撑的重要角色。它不仅为细胞提供了物理屏障,抵御外界有害物质的入侵,还帮助细胞保持内部环境的稳定,对微生物如真菌和细菌的生存至关重要。碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,AKP)被认为是细胞壁损伤的标志物[52],木姜子果实的渗漏试验[53]表明,用真空分馏馏分(vacuum fractional distillation,VFD 3)处理后,细胞壁的通透性增加,AKP活性以浓度依赖性方式增加,用4倍最低抑菌浓度VDF 3处理后,AKP活性约为对照组的4倍,表明VFD 3发挥抗菌作用可能与破坏细菌细胞壁有关,并可能与其代谢产物有关。吴钰华[9]研究了LCEO中的柠檬醛对黑曲霉的影响,发现与对照组相比,经50 μL/mL柠檬醛处理后,黑曲霉培养液中的AKP活力显著升高(P<0.05),表明AKP大量外泄至胞外,这一结果证实柠檬醛能够破坏黑曲霉细胞壁的结构完整性,且其破坏作用随处理时间延长而增强,从而影响黑曲霉的正常代谢活动。林岗等[54]研究发现LCEO中的柠檬醛能够抑制水霉卵孢子的萌发及菌丝生长,经LCEO 处理后,卵孢子内的脂质体聚合成数量极少的大颗粒,细胞质中出现空泡,这表明LCEO可能干扰了细胞壁合成所需的脂质体等前体物质的代谢,同时,LCEO处理后的菌丝细胞壁外的绒毛状包被物消失,细胞壁变薄,甚至出现断裂。CHENG等[55]发现木姜子精油纳米乳(Litsea essential oil nanoemulsion,LEON)的主要成分D-柠檬烯和柠檬醛可通过破坏细胞壁来实现对金黄色葡萄球菌的抗菌活性,细胞壁的破坏导致细胞内外渗透压失衡,进一步导致细胞膜暴露,增加了细胞膜的通透性,使得细胞内的物质(如蛋白质、核酸等)泄漏,加速细胞的死亡。

CHEN等[56]发现LCEO可以抑制痤疮丙酸杆菌的生长,LCEO不仅可以通过直接破坏细胞壁来发挥抗菌效果,还可以通过干扰细胞壁合成的代谢途径,减少细胞壁合成所需的前体物质(如葡萄糖和氨基酸),从而抑制细胞壁的合成,同时,细菌通过增加不饱和脂肪酸的合成来尝试修复受损的细胞壁,但这种修复机制可能不足以抵消LCEO的破坏作用。

2.2 破坏细胞膜结构与功能

细胞膜是细胞的基本组成部分,不仅是由于结构功能,而且还涉及受体、信号传导、酶活性、融合-分裂、内吞和运输等[57];对于细菌而言,细胞膜的完整性至关重要。LCEO通过破坏细菌细胞膜的完整性,使其通透性增加,导致核苷酸、蛋白质等关键生理成分渗漏,最终引发细菌死亡。NGUYEN等[58]揭示了LCEO中芳樟醇的抗菌机制,发现芳樟醇可以通过破坏细胞膜完整性,导致细胞透化和改变核形态来实现抑菌作用。李欣越等[59]通过测定菌液电导率和细胞膜电位研究了LCEO对鼠伤寒沙门氏菌细胞膜的影响,发现经LCEO处理后的菌体膜电位明显上升,荧光探针检测显示细胞膜去极化或破损,导致离子异常流动,荧光强度增强;同时,菌液电导率迅速增加,表明胞内电解质外泄,说明LCEO可以改变鼠伤寒沙门氏菌的细胞通透性,从而起到良好的抑菌和杀菌作用。彭媛媛等[41]通过一系列实验探究LCEO对枝孢菌(Cladosporium spp.)的抑制作用,发现LCEO可能对磷脂双分子层进行攻击,改变了细胞膜的通透性,导致胞内离子及核酸、蛋白质等大分子物质外泄,影响了该菌的生理活性。

LCEO还能通过抑制细胞膜形成或引起氧化应激损伤使细胞膜损伤,进而导致细胞死亡。多糖胞间抗原(polysaccharide intercellular antigen,PIA)的产生对细菌黏附和金黄色葡萄球菌生物膜的形成至关重要,在金黄色葡萄球菌中,关键基因操纵子intercellular adhesionA、B、C、D(IcaAIcaBIcaCIcaD)的表达与PIA的合成直接相关[60]。研究发现,LCEO可以抑制PIA的合成,BAI等[61]通过研究LCEO对金黄色葡萄球菌生物膜的抗菌性能,发现LCEO可以通过下调IcaAIcaD的转录水平,上调icaR的转录水平来抑制PIA的形成,从而破坏细菌的黏附,阻碍生物膜的形成。细胞损伤还可能与活性氧(reactive oxygen species,ROS)过量产生有关,在氧化应激条件下,细菌细胞中ROS会过度积累[62],促进脂质氧化损伤,从而促进细胞膜的氧化损伤,破坏细胞膜的完整性,导致重要分子如脂质、蛋白质和DNA的损伤,从而对细菌细胞构成威胁,甚至导致细菌死亡。BAI等[63]通过研究LCEO对宋内氏志贺菌(Shigella sonnei)的抗菌作用,发现在LCEO处理期间,S.sonnei的SOD活性显著增加,处于氧化应激状态,导致ROS过度积累,进而破坏细胞膜的完整性,造成细菌细胞死亡。

2.3 扰乱细菌细胞代谢

细胞代谢是细胞内所有化学反应的统称,是维持生命活动的核心过程,通过酶催化实现,是生物体生长、繁殖和适应环境的基础。LCEO可通过干扰细菌细胞代谢如引起氧化应激或干扰细胞反应等达到抑菌效果。氧化应激导致细菌细胞内ROS的大量积累,破坏细胞膜,抑制细菌的生长[64]。LCEO诱导细菌内部ROS的显著积累,同时抑制其能量代谢通路中的关键酶活性,最终导致细菌细胞功能障碍和死亡,该机制在与大蒜精油和生姜精油联用时表现出协同增强效应[65]。JU等[66]研究了LCEO对娄地青霉的抑制作用,发现其活性成分柠檬醛可能通过干扰氧化还原反应渗透到膜脂双层中,从而抑制电子转移链(electron transfer chain,ETC)的产生,引起线粒体形态和膜电位的变化,导致线粒体功能障碍,影响细菌的呼吸和能量代谢,最终杀死细菌。

2.4 干扰DNA复制和合成

DNA复制和合成是细菌生长繁殖的关键步骤,植物精油可以通过影响细菌的DNA结构和合成来发挥抗菌作用,如丁香酚能与细菌DNA分子发生嵌合作用,形成丁香酚-DNA复合物,导致DNA结构发生改变,显著抑制了DNA的生物合成,最终阻碍细菌的正常遗传复制和细胞增殖[67]。LCEO还能通过影响酶活性来抑制细菌DNA复制和转录,戴锦铭[7]通过探究LCEO对DNA拓扑异构酶的影响,发现LCEO处理使DNA拓扑异构酶I/II活性显著降低,导致超螺旋DNA(Form I)无法解旋为线性结构(Form II),阻碍基因复制和转录,且随着LCEO浓度的提高,抑制效果越显著;拓扑异构酶II可以同时切断DNA超螺旋结构中2条链来改变DNA拓扑结构,但该反应需要ATP的水解提供能量,LCEO能够显著减少肠出血性大肠杆菌O157(EHEC O157)胞内的ATP含量,并降低ATP酶活性,从而发挥抑菌效果。

2.5 参与相关信号通路

LCEO可以通过参与抑菌相关信号通路实现抗菌作用。苟娜等[68]以网络药理学方法和分子对接技术为基础,通过构建“有效成分-目标靶点”网络分析大果木姜子挥发油抑菌的有效成分、靶点以及通路之间的网络关系,结果发现大果木姜子挥发油抑菌靶点主要富集在癌症途径、IL-17信号通路、化学致癌-受体激活、谷胱甘肽代谢等信号通路,其中IL-17是炎症细胞因子,调控炎症反应和胞外菌免疫,靶点如CXCL8、PTGS2、MMP9参与其中,可以抑制大肠杆菌和幽门螺旋菌L型[69-70],LCEO中的多种活性成分通过作用于关键靶点参与相关信号通路和炎症反应,从而发挥抑菌作用。

3 LCEO在食品包装中的应用

随着对木姜子抗菌活性成分作用机理研究的不断深入,在食品包装基质中复合其精油成分或将其制备为果蔬表面抗菌涂层等成为了抑制食品中有害微生物增殖和延长食品保质期的处理方式,有望成为木姜子资源深度开发的重要创新方向(表2)。

表2 LCEO在食品包装中的应用
Table 2 Application of LCEO in food packaging

应用形式核心技术与材料研究对象/载体主要抗菌/保鲜效果其他优势/特点文献抗菌复合精油木姜子精油/二苯丙氨酸肽微纳米管 (LCEO/FNTs)手工豆制品 (干豆腐、豆腐皮等)表面细菌数量显著降低,5 d内维持低微生物水平抗菌持久性强,不影响食品感官品质[61]β-环糊精包封肉桂-木姜子复合精油 (CLCEO)花生真菌总数减少约50%,曲霉菌丰度从95.14%降至89.09%,AFB1含量从15.80 μg/kg降至14.16 μg/kg延长保质期并保持品质和安全性[72]牛至-木姜子复合精油纳米乳液草鱼片有效延长货架期;在贮藏第6天时,处理组总活菌数显著降低,对假单胞菌等特定致病菌抑制效果明显实现对精油活性成分的高效包封,显著延缓精油的挥发和氧化;提升抑菌活性的持久性和稳定性[74]抗菌薄膜/涂层LCEO/壳聚糖-明胶复合膜(膜材料本身)对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈随精油添加量(0~1%)显著增大改善复合膜性能,生物可降解,应用前景好[75]LCEO纳米脂质体 + 黄原胶可食用涂膜冷藏鲑鱼有效减缓pH变化,降低脂质和蛋白质氧化,保持感官品质纳米封装技术克服了精油异味、低效等问题[76]玉米醇溶蛋白封装LCEO纳米颗粒 + 明胶涂层新鲜猪肉延缓颜色、pH和质地变化,抑制脂质氧化和微生物生长,延长保质期纳米技术提高稳定性和有效性[77]GE/RRE/ZnO/LCON 明胶基生物纳米复合膜膜材料本身及芒果协同增强抗菌与抗氧化活性;应用于芒果保鲜,能有效延缓果实软化与重量损失,并显著抑制由炭疽菌引起的病害显著提升膜的机械强度与水蒸气阻隔性能;膜可实现电化学书写彩色图案,作为“可食用标签”;处理不影响芒果感官品质[78]KGM-LNE柑橘果实延长货架期;在18 d贮存期内有效维持了果实的感官与营养品质具有协同保鲜作用;核心复配比例有效平衡了抗菌活性与缓释性能,同时保证涂膜结构稳定性和果实安全性[79]其他包装形式含LCEO的烟熏风味包装材料干鱼完全抑制曲霉菌生长,降低水分活度增强传统烟熏风味,并降低致癌物PAHs的危害[80]吸附LCEO的农业废弃物纤维(茶包式)置于密封包装中长效释放抗菌成分,创造抗菌环境实现农业废弃物高值化利用,天然、可持续[81]木姜子精油/羟丙基-β-环糊精包合物 (LCEO/HPβCD-IC)沙糖桔显著抑制果实表面真菌生长;在24 d贮存期内有效维持较高的好果率、硬度、维生素C含量和可溶性固形物水平包合物能显著抑制精油挥发,并提高了其热稳定性和抑菌活性;保鲜效果优异且持久[82]

3.1 抗菌复合精油

抗菌复合精油是由2种或多种植物精油按特定比例混合而成的制剂,通过不同活性成分的协同作用,实现对多种病原微生物的广谱抑制效果。这类复合制剂相比单一精油具有抗菌谱更广、效果更强且不易引发微生物耐药性等特点,日益成为替代传统抗生素和化学抗菌剂的天然选择。研究表明,将植物精油与天然材料或合成聚合物等材料结合制备成食品包装材料,是延长食品货架期的有效途径[71]。BAI等[61]基于二苯丙氨酸的自组装特性,将LCEO和FF粉末按浓度分别以2 mg/mL和10 mg/mL的比例制备了木姜子精油/二苯丙氨酸肽微/纳米管(LCEO-loaded peptide micro/nanotubes structure,LCEO/FNTs),LCEO/FNTs可显著抑制精油挥发,并协同提升其杀菌效率,将其用于多种豆制品的保鲜,能在5 d贮存期内维持较低的微生物水平,展现出优异的抗菌持久性,值得注意的是,LCEO/FNTs处理不会对豆制品的感官品质造成明显影响,处理组与对照组在外观性状上未呈现显著差异,具有良好的应用相容性。LYU等[72]以肉桂-木姜子(cinnamon-Litsea cubeba compound essential oil,CLCEO)复合精油为芯材、β-环糊精(β-CD)为壁材,合成了CLCEO的β-环糊精包合物,CLCEO主要抗真菌成分被成功包埋在β-环糊精的空腔中,微胶囊化可以延缓精油挥发速率,减少活性成分的损失,提高抑菌稳定性[73];结果表明添加0.20%(质量分数)CLCEO可使花生表面真菌总数减少约50%,曲霉菌相对丰度从对照组的95.14%降至89.09%,同时黄曲霉毒素B1(AFB1)含量从15.80 μg/kg降至14.16 μg/kg,相比于单一精油抑菌效果更为显著,这种基于天然成分的保鲜技术不仅能够延长花生仁的保质期,还能保持其品质和安全性,是一种具有潜力的食品包装方法。YANG等[74]采用牛至-木姜子复合精油作为活性成分,通过高压微射流技术成功制备了以吐温-20和丙二醇为乳化剂的纳米乳液,实现了对精油活性成分的高效包封,显著延缓了精油的挥发和氧化,有效提升了抑菌活性的持久性和稳定性;实验表明,该纳米乳液处理可有效延长草鱼片货架期,在贮藏第6天时处理组总活菌数显著降低,对假单胞菌等特定致病菌抑制效果明显,展现出了复合精油协同抑菌的优势,为水产品保鲜提供了绿色高效的方法。

3.2 抗菌薄膜/涂层

抗菌薄膜/涂层是一种通过物理或化学方法将抗菌剂负载于基材表面形成的功能化材料,可主动抑制或杀灭接触表面的微生物。LCEO凭借其高含量抗菌活性成分(如柠檬醛),通过微胶囊化或纳米载体技术可有效整合到抗菌薄膜/涂层中,还可与其他抗菌活性物质形成复合薄膜,在食品包装和医用材料领域展现出广谱抑菌潜力。戴荣宵等[75]以天然LCEO为抑菌剂,将其与生物可降解材料(壳聚糖-明胶)按照不同精油添加量(0.25%~1%)制备成壳聚糖-明胶复合抑菌膜,随后测定了该复合抑菌膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制程度,发现当精油质量分数从0提升至1%时,对大肠杆菌的抑菌圈直径从13.98 mm增至21.09 mm,对金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径从17.93 mm增至23.11 mm,说明添加LCEO可以改善壳聚糖-明胶复合膜的综合性能,在食品保鲜防腐方面具有较好的应用前景。另外,为了解决易腐即食鱼产品的品质保持问题和防止食源性疾病的发生,CUI等[76]通过薄层分散法制备了LCEO纳米脂质体,可以提高LCEO的稳定性和缓释性,将其与黄原胶结合以制备可食用涂膜,应用于4 ℃下鲑鱼的保存,结果表明该涂膜处理不仅可以延缓活性成分的释放,还提供了额外的物理屏障;当脂质体∶黄原胶为1∶3(体积比)时对副溶血性弧菌的抑制效果显著优于单一黄原胶组,表明该处理具有协同增效作用,除此之外,涂膜处理还能够有效减缓鲑鱼在冷藏期间的pH值变化,降低脂质氧化(通过硫代巴比妥酸反应物值评估)和蛋白质氧化(通过自由巯基含量评估)的程度,还有助于保持鲑鱼的色泽、硬度、黏附性、弹性、凝聚力、咀嚼性和恢复性等感官品质,尤其是在1∶3和1∶4(均为体积比)的涂膜处理组中效果最为显著。XIA等[77]通过玉米醇溶蛋白封装LCEO制备纳米颗粒(zein-encapsulated Litsea cubeba oil nanoparticles,NZ/LCEO),发现与游离LCEO相比,包埋后的NZ/LCEO在LCEO浓度相同的情况下,对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径与高浓度游离LCEO相当甚至更优,表明NZ/LCEO具有更好的抑菌效果;将纳米颗粒分散在明胶溶液中制备成涂层溶液,可以使纳米颗粒更均匀地分散并紧密地附着在细菌细胞表面,有利于增加LCEO分子与细菌细胞膜的接触机会和接触面积,使抗菌成分更高效地发挥作用,将其涂抹在新鲜猪肉表面测试对猪肉的保鲜作用,发现该涂层能够显著延缓猪肉颜色、pH值和质地的变化,抑制脂质氧化和微生物生长,从而延长猪肉的保质期。YANG等[78]将红玫瑰茄提取物(red roselle extract,RRE)、氧化锌纳米颗粒与山苍子油Pickering乳液(Litsea cubeba oil Pickering emulsion,LCON)按优化比例(1.10% RRE,1.51% ZnO和2.38% LCON)复配至明胶(GE)基质中,成功制备了明胶基生物纳米复合膜(GE/RRE/ZnO/LCON),研究发现该复配体系不仅能显著提升膜的机械强度与水蒸气阻隔性能,还协同增强了其抗菌与抗氧化活性;将优化后的复合膜应用于芒果保鲜,发现经该膜处理的芒果在15 d贮存期内,能有效延缓果实软化与重量损失,并显著抑制由炭疽菌引起的病害,表现出优异的保鲜效果,值得注意的是,该复合膜成功实现了电化学书写彩色图案,可作为“可食用标签”提供产品信息,且其处理不会对芒果的感官品质造成负面影响,在活性食品包装领域展现出良好的应用潜力与相容性。LOU等[79]将山苍子精油纳米乳液(Litsea cubeba essential oil nanoemulsion,LNE)按比例掺入魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)溶液,制备出具有协同保鲜作用的复合涂膜剂,发现其核心复配比例为每100 g KGM溶液中加入2.5 g LNE,该比例在保证涂膜结构稳定性和果实安全性的前提下,有效平衡了抗菌活性与缓释性能;将KGM-LNE 2.5涂膜剂应用于柑橘果实的采后保鲜处理,可延长货架期,在18 d贮存期内有效维持了果实的感官与营养品质。

3.3 其他食品包装

LCEO在食品包装领域的创新应用不仅限于抗菌薄膜或涂层,其独特的抗菌、抗氧化特性及风味增强功能还被拓展到其他新型包装材料中,为传统食品保鲜技术提供了绿色替代方案。LCEO可以协同不同加工技术更好地发挥抗菌效应,SINTHUPACHEE等[80]开发了一种含有LCEO的烟熏风味包装材料用于干鱼的保鲜,经测试,含有0.06% LCEO并经过60 min烟熏的包装盒能够完全抑制干鱼上曲霉菌的生长,并且经过LCEO和木材烟熏处理的包装盒不仅水分含量和水活度降低,还能够显著提高干鱼的风味,使其具有类似传统烟熏鱼的风味,又降低了因传统烟熏产生的PAHs(多环芳烃,具有致癌性)对人体健康的潜在危害。此外,还可以利用椰壳纤维、橡胶木锯末和棕榈叶基等农业废弃物开发抗菌纤维包装材料,通过将吸附LCEO的纤维制成茶包状置于密封包装中,可长效释放抗菌成分,适用于食品保鲜领域,该技术不仅为农业废弃物高值化利用提供了新途径,也为开发天然、可持续的抗菌包装方案奠定了基础[81]。LI等[82]通过饱和水溶液法制备了木姜子精油/羟丙基-β-环糊精包合物(inclusion complex of Litsea cubeba essential oil with hydroxypropyl-β-cyclodextrin,LCEO/HPβCD-IC),研究发现该包合物不仅能显著抑制精油挥发,还提高了其热稳定性和抑菌活性;将LCEO/HPβCD-IC应用于沙糖桔的采后保鲜处理,发现经其处理的果实表面真菌生长受到明显抑制,且在24 d贮存期内能有效维持较高的好果率、硬度、维生素C含量和可溶性固形物水平,表现出优异的保鲜效果与持久性。

4 总结与展望

LCEO作为一种丰富的天然抗菌资源,其抗菌功效源于柠檬醛、柠檬烯、芳樟醇和香茅醛等多种活性成分的复合协同。这些成分通过破坏细胞壁/膜完整性、引起氧化应激、干扰能量代谢、抑制DNA复制及调控相关信号通路等多重机制,有效抑制多种食源性致病菌和腐败真菌。基于这些深入的机理研究,LCEO的应用形式已从单一精油发展为抗菌复合制剂、可食性涂层/薄膜以及其他创新智能包装,在各类食品的保鲜中显示出延长货架期、维持品质和安全性的优异效果。

尽管已有研究证实LCEO具有较强的抗菌潜力,但其在实际应用中仍面临一系列问题:首先,精油中各类抗菌成分的具体作用机制尚未完全明确,多种活性成分之间的协同或拮抗效应需进一步解析;其次,LCEO存在挥发性强、稳定性差、水溶性低及异味明显等问题,限制了其在食品包装与保鲜中的直接应用。未来研究可进一步集中于精准解析各成分的协同抗菌网络、优化精油的封装与控释技术以提升其稳定性和作用效率,并深入评估其在实际食品体系中的安全性及感官影响。LCEO在活性食品包装领域的创新应用,不仅为开发绿色安全的食品保鲜技术提供了新策略,也符合当前食品工业可持续发展的迫切需求,具有重要的开发价值和广阔的应用前景。

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Research progress on the antibacterial components, mechanism of action, and applications of Litsea cubeba essential oil in food packaging

JIANG Liyan, YAN Zhaoying, SUN Xinyu, LI Ning, YAN Rongling*

(College of Chemistry and Bioengineering, Hunan University of Science and Engineering, Yongzhou 425199, China)

ABSTRACT Plant essential oils, recognized for their natural, green, and safe properties, offer significant advantages as alternatives to synthetic chemical preservatives and as catalysts for innovation in active packaging materials. Litsea cubeba essential oil, in particular, stands out for its remarkable antimicrobial activity, demonstrated considerable potential in the field of food packaging.This paper systematically introduces the antibacterial components of L. cubeba essential oil, mainly including terpene and aldehyde compounds such as citral, limonene, linalool and citronellal;and elaborates on its multi-pathway synergistic antibacterial mechanism, including destroying the integrity of microbial cell walls and cell membranes, disrupting energy metabolism processes, interfering with the replication and synthesis of genetic material DNA, and regulating related signaling pathways;and summarizes the application of L. cubeba essential oil in antibacterial composite essential oils, degradable films/coatings and other new packaging materials, in order to provide a reference for extending the shelf life of food, inhibiting pathogenic microorganisms and maintaining product quality.

Key words Litsea cubeba essential oil;plant essential oils;antimicrobial components;antimicrobial mechanisms;food packaging

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.044455

引用格式:蒋黎艳,严召颖,孙心雨,等.木姜子精油的抗菌成分、作用机制及其在食品包装中的应用研究进展[J].食品与发酵工业,2026,52(3):446-456.JIANG Liyan, YAN Zhaoying, SUN Xinyu, et al.Research progress on the antibacterial components, mechanism of action, and applications of Litsea cubeba essential oil in food packaging[J].Food and Fermentation Industries,2026,52(3):446-456.

第一作者:硕士,副教授(闫荣玲副教授为通信作者,E-mail:710850253@qq.com)

基金项目:湖南省自然科学基金项目(2024JJ7192);湖南省教育厅科学研究项目(24C0472);大学生创新项目(湘教通[2025]141号,NO.202510551002)

收稿日期:2025-09-08,改回日期:2025-10-10