植物多酚抑菌活性、作用机理及应用研究进展

费 鹏1 赵胜娟1 陈 曦1 向进乐1 杨同香1 徐云凤1 周莲昕1 郭 鸰2 康怀彬1

(1.河南科技大学食品与生物工程学院,河南 洛阳 471023;2.东北农业大学食品学院乳品科学教育部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150030)

摘要:综述了植物多酚对食源性致病微生物的抑菌效果,并从细胞形态、细胞膜电位、正常能量代谢、生物大分子合成等方面进行了抑菌机理的阐述,分析了植物多酚作为潜在的防腐剂在食品保鲜和储藏中的应用及其存在的问题。

关键词:植物多酚;抑菌活性;机理;应用

食源性疾病是备受关注的公共卫生问题,研究[1]表明44%左右的食源性疾病都是由于摄入了被食源性致病微生物污染的食物引起的。食源性致病微生物广泛地分布在空气、土壤和水中,能够定植在包装材料、器具和食品本身,给食品品质和货架期带来了负面影响,并严重危害消费者的健康[2]

目前,化学合成的防腐剂仍然被认为是控制食源性致病菌污染的最有效的方法,比如苯甲酸钠、山梨酸钾、对羟基苯甲酸盐、丙酸盐和亚硝酸盐等食品中常用的防腐剂可以有效地抑制病原微生物的繁殖,延长食品的货架期[3-4]。然而,一些研究[5-6]表明长期使用化学合成防腐剂会增加人体发生恶心、癫痫、瘫痪、智力低下、高血压和癌症等疾病的风险,因此,越来越多的消费者更愿意接受天然的防腐剂,从而增加食品的安全性。

植物多酚是一种广泛存在于植物体内的次级代谢产物,主要由花青素、单宁、黄酮、酚酸等活性成分组成,不同植物来源的多酚其组成也存在一定的差异[7]。近年来,由于植物多酚的天然性和抑菌的广谱性,越来越多的研究者[8-10]致力于植物多酚抑菌的研究,并取得了一定的进展。本文旨在总结分析植物多酚抑菌的活性和机理,为植物多酚作为天然防腐剂的推广提供理论依据。

1 植物多酚对食源性致病菌的抑菌效果

抗氧化能力是植物活性成分抑菌的基础,因此理论上多酚对金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、单增李斯特菌、大肠杆菌、蜡样芽孢杆菌、阪崎克罗诺杆菌、黑曲霉、青霉等食源性致病菌微生物具有良好的抑菌效果[11-12]。表1以最小抑菌浓度(MIC)为衡量标准,总结了近年来不同来源植物多酚的抑菌活性。

由于不同来源的植物多酚的组成成分不同,使得其抑菌活性存在显著的差异,研究表明大黄多酚[13]、石榴皮多酚[15]、枣椰树花粉多酚[17]、牛蒡多酚[18]、秦冠叶多酚[19]、蓝莓叶多酚[20]和菱茎多酚[22]对金黄色葡萄球菌具有良好的抑菌效果,但不同来源多酚的抑菌效果存在差异,秦冠叶多酚>大黄多酚>枣椰树花粉多酚>石榴皮多酚>蓝莓叶多酚>菱茎多酚,其中秦冠叶多酚的MIC为25 μg/mL;而对大肠杆菌的抑菌效果则秦冠叶多酚>菱茎多酚>蓝莓叶多酚>石榴皮多酚>紫檀多酚。此外,同一种植物多酚对不同食源性致病菌的抑菌效果也不尽相同,如菱茎多酚对受试菌株的抑菌效果为大肠杆菌>腐败希瓦氏菌>青霉>蜡样芽孢杆菌>金黄色葡萄球菌[22]。Gao等[25]认为可能是由于受试菌株细胞壁的结构和组成不同,相比革兰氏阳性菌,革兰氏阴性菌的细胞壁较薄,且高的脂多糖含量增加了细胞壁的通透性,因此,植物多酚更容易进入革兰氏阴性菌中。这一观点与He等[21]、申凯等[22]的研究结果相符,但并不能解释所有的结果[15],因为病原体对多酚的耐受能力是一复杂的体系。上述研究表明植物多酚对食源性致病菌具有良好的抑菌作用,由于成分组成上的差异,不同来源的植物多酚的抑菌效果不尽相同,后续可对植物多酚的化学组成进行重点研究。

1 不同来源植物多酚的抑菌活性
Table 1 Antimicrobial activity of plant polyphenols from different sources

植物多酚种类食源性致病微生物最小抑菌浓度参考文献大黄多酚葡萄菌属125~250μg/mL[13]香柏木多酚粪肠球菌和枯草芽孢杆菌0.625mg/mL[14]石榴皮多酚金黄色葡萄球菌3.9mg/mL大肠杆菌15.6mg/mL[15]紫檀多酚志贺氏杆菌100mg/mL大肠杆菌100mg/mL粪肠球菌12.5mg/mL奇异变形杆菌12.5mg/mL伤寒沙门氏菌25mg/mL[16]枣椰树花粉多酚单增李斯特菌0.98mg/mL金黄色葡萄球菌1.95mg/mL[17]牛蒡多酚大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌6.25%黑曲霉12.50%枯草芽孢杆菌12.50%根霉25.00%[18]秦冠叶多酚大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌25μg/mL志贺氏菌和阪崎肠杆菌50μg/mL[19]蓝莓叶多酚金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、单增李斯特菌、鲍氏志贺氏菌<4.65mg/mL肠炎沙门氏菌、枯草芽孢杆菌<9.3mg/mL[20]茶多酚革兰氏阴性杆菌313~625mg/L革兰氏阳性杆菌156~5000mg/L[21]菱茎多酚金黄色葡萄球菌6.25mg/mL蜡样芽孢杆菌3.13mg/mL大肠杆菌0.2mg/mL腐败希瓦氏菌0.39mg/mL青霉1.56mg/mL[22]橄榄多酚阪崎克罗诺杆菌0.625~1.250mg/mL蜡样芽孢杆菌0.625mg/mL[23-24]

2 植物多酚的抑菌机理

植物多酚抑菌机理一直是研究的热点,由于植物多酚成分和受试菌株的不同,很难从某一方面阐明植物多酚的抑菌机理。目前,对植物多酚抑菌机理的研究主要涵盖以下几个方面。

2.1 对微生物细胞形态的破坏

细胞壁和细胞膜对细菌维持其细胞形态起着至关重要的作用,而植物多酚可以破坏细胞壁的完整性和细胞膜的通透性,从而破坏微生物的细胞形态[26]。Nohynek等[27]发现多酚类物质可以与细菌外膜的二价阳离子结合使得细胞壁出现气泡、凹陷、坍塌等现象,导致细胞壁的完整性被破坏。同时,研究[28-29]发现植物多酚能够改变细胞膜中脂肪酸的构成,并抑制麦角甾醇的合成,从而降低细胞膜的流动性,提高细胞膜的通透性。植物多酚对细胞壁和细胞膜的破坏使得胞内对生理具有重要意义的碱性磷酸酶、ATP、蛋白质及其他营养物质泄漏,导致细胞形态不可逆的损伤[6,30-32]。植物多酚物质对微生物细胞形态的破坏作用是其抑菌机理的基础,细胞形态被破坏会导致胞内ATP、蛋白质和DNA等物质的泄漏,从而很难判断这些生命活性物质的减少是由于泄漏还是由于合成功能被破坏,因此,为了深入了解植物多酚的抑菌机理还需进行进一步的研究。

2.2 对微生物膜电位的影响

膜电位异常会导致微生物生理活动紊乱,正常情况下,细胞膜的钠离子和钾离子通道关闭,使得细胞膜的电位处于极化状态。植物多酚能够影响受试菌株的膜电位,造成膜电位的去极化或者超极化,从而起到抑制微生物生长繁殖的作用[23,33-34]。Fei等[23-24]研究发现,在橄榄多酚的作用下,阪崎克罗诺杆菌和蜡样芽孢杆菌细胞钠离子通道打开,胞内钠离子浓度升高,产生细胞去极化。同样的结果也发生在原儿茶醛(葡萄藤叶和大麦中的一种多元酚)抑制阪崎克罗诺杆菌的过程中[33]。而在Li等[34]的报道中发现石榴皮单宁能够使得单增李斯特菌胞内钾离子外泄,造成细胞的超极化,从而起到抑制该致病菌生长的作用。然而,上述研究表明膜电位的紊乱对微生物只能起到抑制生长繁殖的作用,并不能达到杀菌的效果。

2.3 影响微生物的能量代谢

胞内ATP的含量直接影响着微生物正常的能量代谢,研究表明植物多酚可以通过降低胞内ATP的含量抑制微生物的生长。植物多酚对胞内ATP的影响主要体现在两个方面:① 植物多酚能够增加细胞膜的通透性,从而使胞内ATP外泄,扰乱微生物正常的能量代谢[23];② 植物多酚可以通过抑制ATP的合成达到降低胞内ATP含量的目的,如百里香酚在抑制沙门氏菌的过程中抑制了ATP合成酶的表达,从而起到了抑菌的效果[35]。然而,微生物的能量代谢是一个复杂的过程,包含了糖酵解途径、三羧酸循环途径、戊糖磷酸途径和2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸等多种途径,而且植物多酚对微生物能量代谢更深层的影响及机理尚未被揭示。

2.4 抑制生物大分子合成

蛋白质、DNA和RNA等生物大分子是微生物维持其生命活动的基础,研究表明植物多酚可以通过抑制生物大分子的合成发挥其抑菌作用。Ulanowska等[36]发现多酚类物质进入受试细胞后能够干扰DNA和RNA的合成,从而降低细胞遗传物质的表达,起到抑菌的作用。Gradisar等[37]认为多酚类物质能够降低DNA旋转酶的活性,从而抑制DNA的合成。Chung等[38]发现多酚类物质在抑制大肠杆菌的过程中能够对DNA的修复起到阻碍作用,从而达到抑菌的目的。Pasqua等[35]发现百里香酚在抑制沙门氏菌的过程中,能够抑制该病原体蛋白质的合成和表达,从而阻断其柠檬酸代谢途径。上述研究表明,植物多酚不仅能够对生物大分子物质起到损伤作用,而且能够抑制这些生物大分子的合成,从而降低微生物胞内大分子的含量,此外,在植物多酚作用下微生物细胞膜通透性的提高也是胞内大分子含量降低的原因之一。

3 植物多酚在食品中的应用

随着植物多酚抑菌作用研究的不断深入,其在食品保鲜延长货架期中的应用越来越受到人们的重视,展现了作为天然防腐剂的巨大潜力。动物性食品由于其含有丰富的蛋白质、脂肪等营养物质,更容易滋生食源性致病微生物。黄和等[39]以0.15%的山梨酸钾为阳性对照,分析了番石榴多酚对虾肉糜的保鲜作用,发现0.6%的番石榴多酚可以显著抑制微生物的生长,延缓产品品质下降的速度,从而达到对虾肉糜保鲜的目的。郭静婕等[40]将杨桃多酚应用于猪肉保鲜中,研究发现质量分数为0.35% 的杨桃多酚能够有效抑制猪肉中微生物的生长,从而延长产品的货架期。李应洪等[41]认为樟树叶多酚可以作为天然的防腐剂应用于鱼肉的保鲜中,研究发现樟树叶多酚对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、大肠杆菌、青霉、黑曲霉、毛霉等具有显著的抑菌效果,5 mg/g樟树叶多酚可以将冷藏鱼肉的货架期从3 d延长至6 d。宋微等[42]则将石榴皮多酚应用于鲜牛乳保藏中,研究发现石榴皮多酚能够有效抑制牛乳中大肠杆菌、单增李斯特菌及沙门氏菌的繁殖,并有助于牛乳原有风味的保持,是一种潜在的天然防腐剂。此外,含有植物多酚的复合保鲜剂也能展现出其抑菌作用的优越性,如茶多酚改性胶原蛋白—壳聚糖复合膜能够显著降低冷藏斜带石斑鱼的菌落总数,从而达到更好的保鲜效果,而将茶多酚与溶菌酶相互作用得到的复合保鲜剂则可以通过抑制食物中微生物的生长和降低蛋白质的氧化分解延长白鲢鱼丸的保质期[43-44]。综上可知,植物多酚在食品中应用的研究已经比较成熟,然而针对不同的食品原料和有害微生物,选择怎样的剂量,既能有效地抑制食品储存期间微生物的生长,又不会影响食品的风味有待进一步研究。

4 结论

近年来,对天然防腐剂和杀菌剂的关注,使得植物多酚抑菌的研究取得了很大的进展,但仍有一些问题亟待解决:① 自然环境中微生物是多种菌种的复杂体系,而目前对植物多酚抑菌作用的研究大多以单一菌种为研究对象,忽略了自然环境中菌株之间的相互作用。② 对植物多酚抑菌机理的研究大多集中在对细胞形态的研究中,通常利用电镜观察受试细胞形态的变化和细胞液的泄漏情况,从而推测其对细胞膜通透性的影响。而对于能量代谢、蛋白合成和DNA损伤方面的研究还处于初步阶段,只能简单地得到对上述方面的不利影响,深层的分子机制还需深入探讨。③ 植物多酚在食品中的应用已经备受关注,并取得了一定的成绩,但还需考虑植物多酚对食品安全性、感官品质的影响,比如目前的研究主要集中于对食物中致病菌微生物的抑制作用探讨,并未关注植物多酚对人体健康的影响。此外,多酚类物质通常呈涩味且对食品的颜色有一定的影响,因此如何保证植物多酚的安全性和有效避免对食品感官品质的不良影响仍需要进一步的研究。

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The research progress on antimicrobial activity,mechanism and application of plant polyphenols

FEI Peng1 ZHAO Sheng-juan1 CHEN Xi1 XIANG Jin-le1 YANG Tong-xiang1 XU Yun-feng1 ZHOU Lian-xin1 GUO Ling2 KANG Huai-bin1

(1.College of Food and Biological Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang,Henan 471023,China;2.Key Laboratory of Dairy Science,Ministry of Education Food Science College,Northeast Agricultural University,Harbin,Heilongjiang 150030,China)

AbstractIn this review,the antimicrobial effect of plant polyphenols on foodborne pathogenic microorganisms was firstly comprehensively summarized,and the antimicrobial mechanisms of plant polyphenols were elucidated from the aspects of cell morphology destruction,cell membrane potential,normal energy metabolism and inhibition of macromolecular synthesis.Moreover,the applications of plant polyphenols as potential preservatives in food fresh keeping and storage were generalized.Finally,the current problems about antimicrobial mechanisms and applications of plant polyphenols were analyzed.

Keywordsplant polyphenols;antimicrobial activity;mechan-ism;application

基金项目:河南科技大学博士科研启动基金项目(编号:13480066);河南省科技攻关项目(编号:172102110019);河南省重点攻关项目(编号:161100110900);国家自然科学基金(编号:31702218)

作者简介:费鹏,女,河南科技大学讲师,博士。

通信作者:

郭鸰(1975-),女,东北农业大学副教授,博士。E-mail:guoling@neau.edu.cn

康怀彬(1963-),男,河南科技大学教授,硕士。E-mail:khbin001@163.com

收稿日期:2019-03-28

DOI10.13652/j.issn.1003-5788.2019.07.043