香辛料提取物及其在肉制品抑菌防腐中的应用进展

　　摘要：肉品腐败被认为是食品工业中最重要的经济和健康问题之一，而抑菌防腐剂的应用是阻止化学变质和微生物腐败的主要手段。由于消费者对化学防腐剂安全性的担忧，相对更为安全的天然或“绿色”的替代品越来越受到关注。研究表明，天然香辛料提取物具有显著的抑菌性和抗氧性，其作用机理是基于对微生物细胞壁的降解、细胞膜的破坏、膜蛋白的损伤，以及细胞内容物的泄漏和质子源的消耗等几个靶点的作用。本文从香辛料提取物的来源、提取方法、主要活性成分、抑菌机制、体外抑菌实验和协同作用进行概述，并重点总结了天然香辛料提取物在肉品中的抑菌防腐作用及其应用的研究进展，以期为肉制品加工寻求具更为安全而有效的防腐保鲜方法提供参考。

　　关键词：香辛料;天然提取物;抗菌活性;肉制品;防腐保鲜

　　肉的食用，特别是红肉的食用可以追溯到远古年 代，至今仍然是一种主导的生活方式和现代社会不可缺少的营养形式。由于肉类制品具有高水分和营养含量，是腐败性和致病性微生物的良好底物[1]，其加工和贮藏中极易变质或腐败。肉品的质量受微生物生长和脂质氧化影响很大，该因素直接决定了肉品的感官、风味和营养价值[2]。近年来，致病性和腐败性微生物引起的食源性疾病屡见不鲜，消费者越来越重视肉品的食用安全[3]。为维持货架期，一些化学防腐剂如硝盐等常加入到肉品中，这些化学防腐剂主要具有抑菌、抗氧化和防褐变的功效[4]。

　　各国对化学抑菌剂的使用范围和使用量均有严格的限制，常规上可适量使用的主要有乙酸、醋酸钾、醋酸钙、乳酸、二氧化碳和苹果酸;限量使用的还包括苯甲酸和苯甲酸盐(ADI5mg/kgbw)、山梨酸和山梨酸钾(ADI25mg/kgbw)、硝酸盐(ADI3.7mg/kgbw)和亚硝酸盐(ADI0.07mg/kgbw)等。然而长期的研究表明，一些化学防腐剂的过多和不当使用，可能存在致癌、造成皮肤和呼吸道过敏、失眠、多动以及引发心血管疾病等安全隐患[5-6]。由于对化学防腐剂安全性的担忧，植物提取物等相对更为安全的天然或“绿色”的天然抑菌剂类替代品越来越受到关注。这些天然植物提取的防腐剂被认为更为安全可靠，在可食用剂量下鲜少发现副作用，同时在肉品加工和货架期可呈现足够的稳定性[7]。

　　天然抑菌剂来源广阔，香辛料是一个重要的来源，从古至今其在食品和医药方面有广泛的应用。由于具抑菌抗氧化作用的香辛料具有香、辛、麻、辣、苦、甜等典型的气味，还主要作为赋予肉品良好的风味而被广泛使用，并且有些甚至具有一定的抗癌、抗衰、抗炎、抗诱变、抗过敏等生物活性[8-9]。因此，香辛料提取物可作为具有抑菌、抗氧化、增色、调味、保健等多重功效的食品添加剂使用[10]，本文对香辛料的来源、活性提取组分、抑菌及抗氧化活性，特别是其在各类肉品中的防腐保鲜作用及其应用进行概要综述。

　　1香辛料的来源、提取及主要活性成分

　　1.1香辛料的来源

　　香辛料是常见的食物附属物，几千年来一直作为调香、调味剂使用，因其味道特征而闻名，具有芳香特征和对三叉神经的刺激作用。有强烈香味的香辛料被称为芳香香料，如：孜然、薄荷、丁香;有辛辣感觉的香辛料被称为辣香料，如：辣椒、花椒、姜[11]。

　　从植物科别来看，香辛料在葱属科(大蒜、韭菜和洋葱)和伞型科(茴香、香菜、芹菜和孜然)植物中占比较多。从植物提取部位来看，香辛料可来源于新鲜或干燥植物的各个部位：树皮(肉桂)、鳞茎(大蒜或洋葱)、花(丁香)、果实(辣椒)、根茎(姜)、种子(罂粟籽)或整个植物。在天然植物提取物的划分上，香辛料和草本提取物没有严格的界限，正如薄荷有时被称为草本提取物[12]。本文所陈述的香辛料为广义的香辛料提取物，包括植物中所有具有强烈芳香和辛香的植物性制品。

　　1.2香辛料提取物的提取、分离及鉴定已有关天然植物提取物提取方法的详细介绍[3]，除传统的溶剂浸提法外，一些改良的提取方法也广泛应用于香辛料的提取，如索式提取法、水蒸气蒸馏法、亚临界水提取法、超临界CO2萃取法、脉冲电萃取法、微波辅助提取法、超声辅助提取法、超临界流体萃取、固相萃取和加压液体提取法等[13]。提取方法和介质的不同，香辛料提取物的成分、产率、效能、感官特性和抗菌活性均有较大区别。比如，通过溶剂提取与水蒸气蒸馏所得的提取物成分有所差别，从而影响香辛料提取物的抗菌性能。实验证明，己烷为溶剂的香辛料提取物比水蒸汽蒸馏所得提取物具有更大的抗菌活性。

　　又如，在低温和高压下香辛料通过液体二氧化碳提取会产生更自然的感官特性，但稍显昂贵。另外，无溶剂微波辅助萃取法在一些香辛料得提取上显示出较好的效能。杨磊团队[14]在2018年就比较了天竺桂叶采用水蒸气蒸馏和无溶剂微波辅助萃取两种方法下其提取物产率的对比。在40min540W的微波辐射功率下，提取物产率为(6.50±0.31)mL/kg,而在200min540W电加热装置下，进行水蒸气蒸馏下的产率为(5.46±0.22)mL/kg。

　　同时，Bousbia[15]比较了水蒸气蒸馏和微波水扩散重力法对迷迭香叶提取的产率。在得到相同产率的情况下，微波水扩散重力法只需要15min而水蒸气蒸馏需要反应180min的时间。对香辛料提取物，可根据其混合物中各化合物的分子结构、物理性质和分子间作用力等的不同，利用色谱法还可对其混合成分进行分离。常用的色谱法有：薄层层析法、柱层析法、液相色谱法和气相色谱法。提取物中不同的化合物具有不同的官能团和分子特性，如：极性、氢键、偶极-偶极相互作用，这就使得在薄层层析和柱层析法中，各化合物显示出不同的保留系数，在液相色谱法和气相色谱法中表现为不同的保留时间，从而对混合物进行分离[16]。

　　同时，液相色谱-质谱(LC-MS)和气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术可更高效的将香辛料提取物化学成分的定性、定量分析结合了起来。比如在对红景天根甲醇提取物的分析中，就通过GC-MS联用的分析方法分离得到了共18种不同的化合物，根据峰面积百分数并与NIST数据库进行比对可鉴定出主要存在的化合物(穿贝海绵甾醇21.91%、十八烷基酰氯17.01%、对羟基苯乙酮11.07%)[17]。利用非靶向的LC-MS联用方法也成功分离并鉴定了从5种不同辣椒样品中提取的186种酚类和多羟基化合物，其中包括花青素、原花青素、儿茶素衍生物、黄酮、黄酮醇、异黄酮和奎宁酸等[18]。

　　另外，顶空固相微萃取法与气质联用技术相结合的方法极大简化了样品的提取、分离和鉴定。利用顶空固相微萃取法可直接对香辛料原料进行萃取，操作简单、高效快速。样品预处理后直接插入气相色谱仪进样口进行后续分离鉴定。江汉美团队就利用了顶空固相微萃取法与气质联用技术对5种姜科香辛料的挥发成分进行分析，分别从草果、白豆蔻、生姜、砂仁、山奈鉴定出39、40、54、42种成分[19]。

　　1.3香辛料提取物的主要抑菌成分

　　香辛料富含精油，具有显著的抗菌活性，因此这些物质可以用来延迟或抑制致病微生物或破坏微生物的生长[20]。许多香辛料都具有抗菌特性，包括大蒜、洋葱、肉桂、肉豆蔻、咖喱、芥末、黑胡椒、百里香、薄荷[21-22]，以及迷迭香、牛至、鼠尾草、茴香、罗勒、姜黄、香菜和姜等[23-24]。它们的活性取决于香辛料的种类、成分和浓度、目标微生物的类型和浓度、底物的组成以及加工和储存条件[25]。不同香辛料提取物的活性成分各不相同，同种香辛料的成分也受收获季节和地理因素的影响[26]。一般来说，在开花期间或开花后立即收获的香辛料提取物具有最强的抗菌活性[27]。另外，来自同一株香辛料不同部位的活性成分也会有很大的差异。

　　例如，从香菜种子中获得的提取物成分与同一香菜未成熟的叶子中的提取的成分有较大的不同[28]。Senatore等人通过GC-MS分析了在不同生长时期百里香通过水蒸气蒸馏所得精油提取物中有64种成分的存在[29]。有的香辛料提取物中主要成分可占总量的85%，而其他次要成分仅以痕量存在[30]。这些主要的抗菌活性化合物主要是植物的次生代谢产物，可分为酚类、酚酸类、醌类、萜类、黄酮和单宁等[31]。

　　其中，酚酸类化合物主要负责提取物的抗菌特性[32]，而其所含-OH基团的个数直接跟抗菌强弱有关[33]。常见的一些香辛料提取物的化学结构可见图1[34]。一些证据表明，除主要成分外，次要成分在抗菌活性中也起着关键的作用，其主要原因可能是各成分间的协同作用所发挥的功效。这些协同作用在鼠尾草、牛至和百里香等香辛料提取物的研究中均有发现[25,35]。根据已有的研究结果，香辛料可以得出大致的抗菌活性比较为：牛至/丁香/香菜/肉桂>百里香>薄荷>迷迭香>芥末>鼠尾草。其化学组分的大致抗菌活性为：丁子香酚>香芹酚/肉桂酸>罗勒甲基佳味酚>肉桂醛>柠檬醛/香叶醇[45]。

　　2香辛料提取物的抑菌作用

　　2.1香辛料提取物的抗菌机制

　　由于香辛料提取物中存在大量不同的化合物，其抗菌活性并不采用同一特定机制，而是与细胞中几个主要作用靶点有关。其中包括细胞壁降解、细胞膜的破坏、膜蛋白的损伤、细胞内容物的泄漏和质子动力源的消耗。在这些抑菌机制中，并非每个靶点是独立运行的，更多的是一个联动的过程[46]。香辛料精油的一个重要特征是其疏水性，因此其能够分割细菌细胞膜脂质和线粒体，干扰结构和提高渗透性[47]，然后再发生离子和其它细胞内容物的泄漏[48]。虽然细菌细胞对一定量内容物的的泄漏仍然可以保持活力，但细胞内容物的大量流失或关键分子和离子的排出将导致细胞的死亡[49]。香辛料提取物也作用于嵌入在细胞质膜中的蛋白。

　　比如，一些亲脂烃分子可在脂质双层中积累，扭曲脂质-蛋白的相互作用，或者这些亲脂化合物直接与蛋白疏水部分相互作用，从而破坏细胞膜蛋白[50]。另外，香辛料提取物还可能作用于参与能量调节或结构成分合成的酶，如位于细胞质膜中并与脂质分子接壤的ATP酶[51]。其中，肉桂油已被证明可以抑制产气肠杆菌中的氨基酸脱羧酶[52]。 一般来说，对食品源性微生物具有较强抗菌性能的香辛料提取物常为含有较高比例的酚类化合物[54]，如胡萝卜酚、丁香酚和百里香酚等。它们主要通过破坏细胞质膜，扰乱质子动力源、电子流动、细胞内容物的主动转运和聚集发挥效能[55]。

　　单核李斯特菌在百里香精油的作用下就会发生细胞壁增厚和干扰，并伴随着细胞质的减少;在牛至和肉桂提取物作用的大肠杆菌O157:H7上也有类似的发现[56]。就非酚类物质而言，异硫氰酸酯的抗菌活性主要由于二硫键的断裂导致细胞外酶失活。萜类化合物能够破坏和穿透细菌细胞壁的脂质结构，并最终导致细胞死亡[57]。香芹酚能够分解革兰氏阴性菌的外膜，释放脂多糖，并增强细胞质膜对ATP的渗透性;香芹酚对革兰氏阳性细菌的抗菌活性是由于它与细菌细胞膜的相互作用改变了H+和K+等阳离子的渗透性[58]。烷烃的类型也会影响香辛料提取物的抗菌活性(烯基>烷基)，例如柠檬烯比对伞花烃更有抗菌活性[55]。

　　2.2香辛料提取物各成分的协同抑菌作用

　　当使用香辛料提取物时，普遍认为无论是抗菌活性还是其他的化学反应，都是多种生物活性的化学物质相互交替的协同作用，即组合物质的效应大于个体效应的总和。牛至提取物的两种结构相似的主要成分(胡萝卜素和百里香酚)，在对金黄色葡萄球菌和铜绿葡萄球菌进行测试时就显示出协同作用[59]。在肉桂醛和丁香酚的浓度分别为250μg/mL和500μg/mL的条件下的混合物能有效抑制葡萄球菌、微球菌和大肠杆菌的生长长达30d，而单一化合物却没有抑制作用[60]。

　　除同一香辛料中提取的不同化合物有协同作用外，不同香辛料的提取的化合物之间也能表现出协同效能。将柠檬中的柠檬酸添加到香料中，可以观察到香料协同抗菌作用。黑胡椒也是一种“生物利用度增强剂”，可以增加包括微生物在内的细胞与其他天然抗菌剂作用的速率[61]。又如在百里香和牛至中发现的主要抗菌化合物是百里香酚和香芹酚。最近在一项使用百里香酚、香芹酚和丁香酚抑制李斯特菌的研究中，当使用混合物时表现出协同效应，这三种化合物的三元混合物极大地降低了单个化合物的抑制浓度[62]。

　　2.3香辛料提取物抑菌的体外实验

　　目前，防腐剂对食品相关微生物的抗菌活性还没有标准化的评价标准。主要针对抗生素检测的抗菌敏感性检测NCCLS标准被改进后主要应用于天然植物提取物抑菌性能的测定[63]。然而，实验结果可能受提取物的提取方法、培养液体积、生长周期、培养基的使用、培养基的pH值、培养时间和温度等因素的影响[64]，各个发表的数据间的比较也十分复杂。

　　其中，大多数科研人员使用最小抑菌浓度(minimuminhibitoryconcentration，MIC)作为抑菌剂抗细菌性能的衡量指标[65]。用于测试香辛料提取物抗菌活性的技术多种多样。如果对提取物进行抗菌活性的筛查，常见的方法有纸片扩散法，即将用香辛料提取物浸泡的纸片放置在接种的琼脂板上[66]。此方法主要用于抗菌活性的初步筛选。当需要筛选大量提取物与或大量细菌分离物时，琼脂孔测试法亦用作抗菌活性筛选方法之一[54]。

　　为了使细菌生长更易被观察，有时在生长培养基中添加三苯四氯化铵[67]。如果对提取物进行抗菌强度筛查，可以通过提取物在琼脂或肉汤中的稀释度来确定。在肉汤稀释研究中，存在许多不同的确定终点的技术，最常用的方法是光学密度测量法(OD)(浊度测量)和用活菌计数的菌落计数法。如果对提取物杀菌作用的速度或抑菌效应的持续时间进行筛查，可以通过时间杀灭分析(存活曲线图)来确定，即添加提取物后肉汤中活细胞数随时间制图。抗菌活性的物理效果如细菌细胞壁的破坏和细胞含量的丢失则可通过扫描电子显微镜(Scanningelectronmicroscopy， SEM)观测。

　　一些已被证明对微生物具有显著抑制作用的香辛料提取物，例如辣椒中提取的辣椒素就具有潜在对抗胃中病原体的功效[68];孜然、姜、香菜、罗勒等香辛料的精油已发现可以不同程度的抑制黑曲霉和酿酒酵母[69];茴香脑和丁香油酚应用于抑制寄生曲霉的生长和毒素的产生[70];大蒜油中二烯基硫化合物对绿脓假单胞菌和肺炎杆菌等有体外抗菌活性[71]。

　　其中最有效抑菌提取物被认为源于百里香、丁香、牛至、迷迭香和鼠尾草，它们的活性与其精油的组成有关[72]。体外实验的结果差异较大另一个主要因素是是否使用乳化剂或溶剂来溶解提取物，以使其在水溶性培养基中稳定，如吐温-80[73]、乙醇[74]、甲醇[75]、聚乙二醇[76]等。在琼脂中，牛至和丁香提取物的MIC值明显低于吐温-80或乙醇存在时。比如吐温-80被推荐为酚类消毒剂的中和剂，这已在百里香油对鼠伤寒沙门氏菌的作用中得到证实[50]。因此，溶剂和洗涤剂可以降低香辛料提取物的抗菌活性。

　　3香辛料提取物在肉制品中的应用

　　3.1香辛料提取物在肉品中的调味、着色、抗氧化和保健作用

　　大多数香辛料都是烹饪和食物准备中的宝贵原料。在肉制品的应用中，香辛料植物由于其香气特征，会产生大量风味化合物，其提取物最先被作为调味剂使用[87]。特别受当前对饮食中的盐需求减少的驱使，食品科研人员通过利用这类辛辣化合物丰富味道，而减少盐和味精的使用。同时，因有的香辛料提取物中含有类胡萝卜素、姜黄素、辣椒红素等天然色素，还具有着色的效果，代替合成色素的使用[88]。随着进一步的研究，香辛料提取物在肉制品中呈现出显著的抗氧化和保健功能。例如胡椒、鼠尾草和百里香等都是天然抗氧化剂的重要来源，并已通过实验开始在不同的肉制品中使用[89]。

　　另外，香辛料提取物除防止食品微生物破坏外，大多数香料还显示出抗糖尿病、镇痛、抗炎、抗氧化和抗癌特性[90]。其中在姜黄和迷迭香中发现了天然的抗炎化合物[91]。对大蒜、鼠尾草、百里香和藏红花的研究表明，它们可以预防高胆固醇，对癌症有一定的防护作用，并改善人体免疫系统[92]。因此添加安全营养的提取物对于研发更健康的肉制品是一重要途径。随着香辛料提取物健康因子的开发和利用，相应保健功能的应用也将大大改善肉制品的品质特性[93]。

　　4结语

　　肉制品的高脂肪和高胆固醇，以及加工中添加的化学防腐剂可能存在的安全隐患等引发人们对其食用的一定限制，而消费者也希望自己食用的产品中的成分更多出自天然，因此寻找可替代食品抑菌防腐的天然提取物越来越受到关注。香辛料是众多生物活性成分的潜在来源，这些提取物可作为天然抗氧化剂和抗菌剂，用以提高肉品质量，帮助肉类行业满足消费者对肉品健康“绿色”的需求。

　　目前有关香辛料提取物的主要化学活性成分、提取方法、抑菌的机制和协同作用、以及在各类肉品中呈现的显著抗菌作用等已有了大量的研究，结果表明天然植物提取物在一定条件下的确可以比合成化合物更有效、更安全。天然香辛料提取物的抑菌性和抗氧性作用机理，可基于对微生物细胞壁的降解、细胞膜的破坏、膜蛋白的损伤，或者细胞内容物的泄漏和质子源的消耗等多个靶点，而多种提取物的复合显然比单一的使用具有更显著的抑菌防腐效果。

　　香辛料提取物在肉品防腐保鲜应用上展现了广阔前景，未来的研究重点是对新型天然来源的香辛料提取物的开发，以及通过提取、分离和技术的优化，提高提取率及其生物活性。在应用上，与冷链、气调等其他技术结合，在开发低脂、低钠、货架稳定的新型肉制品外，更能发挥其抑菌、抗氧、增香、着色和保健功能，提高肉品营养和品质[119]。

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　　作者：杨轶浠1，崔钊伟2，王卫3*，JaekelCarstenStephanHerbert3，张佳敏3，刘雅宁1，郭育涛1

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