综述：基于纳米乳的精油递送用于控制食源性病原体和腐败微生物

《Micro》：Nanoemulsion-Based Delivery of Essential Oils for Controlling Foodborne Pathogens and Spoilage Microorganisms

　　

食源性疾病发病率的不断增加以及传统保藏方法的局限性，推动了对更安全、更有效且可持续的抗菌策略的探索。在此背景下，精油纳米乳（essential oil nanoemulsions，EO NEs）因其广谱抗菌活性、天然来源以及在多种食品基质中的潜在适用性，已成为合成防腐剂的有前景的替代方案。本研究批判性地考察了精油对病原菌和腐败微生物的作用机制，并讨论了将其包载于纳米乳中如何克服低挥发性、差溶解性和化学不稳定性等局限。本文还阐述了调控这些纳米乳形成与稳定性的物理化学原理，以及食品基质组分（蛋白质、脂质、多糖、pH和离子强度）对抗菌 efficacy 的影响。来自真实食品体系的证据表明，纳米乳的性能通常优于游离精油，但效应大小强烈依赖于基质复杂度以及加工或贮藏条件。本综述进一步讨论了与毒性、安全性、生物可及性、感官接受度及法规考量相关的关键问题，以及关于亚致死暴露于精油纳米乳后适应性反应和抗菌耐药性风险的新兴证据。结论指出，尽管精油纳米乳具有显著的技术潜力，其在工业中的应用仍需在真实食品中进行更系统的研究、制定标准化方案，并开展综合风险评估，以确保在实际条件下的有效性和安全性。

1. 引言

食源性病原体如弯曲杆菌属（Campylobacter）、大肠杆菌（Escherichia coli）、单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）和沙门氏菌属（Salmonella spp.）常与污染肉类、乳制品、即食食品、新鲜农产品和最低加工食品的暴发相关。微生物污染不仅造成健康影响，还导致全球食品供应链中约13亿吨食品损失，占人类消费食品的三分之一，产生高达1万亿美元的经济成本。微生物腐败也是食品损失的主要原因之一，假单胞菌属（Pseudomonas spp.）、乳酸菌、酵母菌和霉菌是新鲜肉类、水果、乳制品、烘焙产品和饮料的主要腐败因子。

传统保藏方法如热处理、化学防腐剂、冷藏、干燥和气调包装存在缺陷。热处理会降解热敏营养素、降低抗氧化活性并影响质地、颜色和风味；化学防腐剂因毒理学担忧和清洁标签需求面临消费者排斥；冷藏和包装策略可能改变感官属性或有利于嗜冷腐败菌和厌氧病原体存活。

精油（essential oils，EOs）如牛至、百里香、丁香、肉桂、迷迭香和柠檬草精油，富含香芹酚、百里酚、丁香酚、肉桂醛和柠檬醛等化合物，对主要食源性病原体和腐败微生物表现出强抗菌活性。然而，其直接应用受限于低水溶性、挥发性、化学不稳定性和强烈香气。纳米乳（nanoemulsions，NEs）作为胶体系统，油滴直径通常在20–200 nm之间，由食品级表面活性剂稳定，可克服这些限制。纳米乳的小液滴尺寸提供高物理稳定性、改善的溶解度、均匀分布和更大的微生物细胞相互作用表面积。

2. 精油对病原体和腐败微生物的作用

精油通过四种主要机制发挥多靶点抗菌活性：膜破坏、能量损伤、氧化应激和毒力因子的系统性抑制。

2.1 膜破坏和通透性改变

精油的主要靶点是微生物细胞膜。疏水成分插入脂质双层，增加通透性，导致核酸和蛋白质等胞内物质泄漏。例如，樟脑精油引起大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的膜严重损伤，表现为zeta电位变化和核酸、蛋白质泄漏增加。香芹酚对化脓性链球菌的磷脂酰甘油和心磷脂具有优先亲和力，引起膜去极化。

2.2 能量代谢和质子动势损伤

精油可消散质子动势（proton motive force，PMF）并抑制关键代谢酶。在蜡状芽孢杆菌中，香芹酚作为单价阳离子的跨膜载体，循环于质子化和去质子化形式之间，导致质子内流和钾离子外流。在单核细胞增生李斯特菌中，罗勒精油通过α-香柑油烯与糖酵解关键酶（如磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶）的疏水相互作用抑制Embden–Meyerhof–Parnas途径。转录组分析显示，牛至精油暴露的小肠结肠炎耶尔森菌激活噬菌体休克蛋白反应并抑制运动性和群体感应等耗能过程。

2.3 氧化应激诱导

膜不稳定和代谢损伤导致活性氧（reactive oxygen species，ROS）积累，引发脂质过氧化和蛋白质功能障碍。丁香和香薷精油可诱导氧化应激。香芹酚诱导的ROS积累破坏细菌氧化还原稳态。作为适应性反应，一些微生物增强抗氧化防御，如小肠结肠炎耶尔森菌上调谷胱甘肽过氧化物酶相关基因。

2.4 抑制细胞分裂、毒力和生物膜形成

亚致死浓度的精油干扰细胞分裂和毒力。香芹酚通过促进FtsZ聚合诱导枯草芽孢杆菌细胞伸长和金黄色葡萄球菌细胞增大。百里酚和肉桂醛联合强烈抑制单核细胞增生李斯特菌的毒力相关基因，包括鞭毛运动、趋化、生物膜形成、内化素和毒力基因簇。精油还损害群体感应介导的通讯、肠毒素产生和生物膜形成。

2.5 微生物类群间的差异性敏感性

革兰氏阴性菌因外膜富含脂多糖、选择性孔蛋白和外排系统，通常对精油具有更高的固有耐药性。革兰氏阳性菌缺乏外膜，具有较厚的肽聚糖细胞壁，对疏水分子更易渗透，通常更敏感。真菌的耐药性中等，与细胞壁复杂性（几丁质、葡聚糖和甘露糖蛋白）和质膜中麦角甾醇的存在有关。

3. 精油纳米乳形成与稳定性的基本机制

精油纳米乳通常是油滴（约100 nm）分散在连续水相中的油包水（O/W）型胶体分散体系。Taylor（1932）建立了层流条件下液滴破碎的理论框架，引入临界毛细管数（C₁）概念。Hinze（1955）提出湍流条件下液滴尺寸由功率密度输入和连续相密度决定。Gupta等（2016）基于粘性湍流机制描述了特征液滴尺寸。乳化自由能（ΔG）等于界面张力与界面面积增加的乘积，ΔG>0表明体系热力学不稳定。纳米乳具有极大的界面面积，导致正的ΔG值，但可通过降低界面能来缓解。表面活性剂如吐温80（聚山梨酯80）、司盘80（脱水山梨醇单油酸酯）和卵磷脂被广泛使用，其选择基于亲水亲油平衡值（hydrophilic–lipophilic balance，HLB）。纳米尺度下Laplace压力显著增加，导致奥斯特瓦尔德熟化，表面活性剂可降低界面张力和Laplace压力。生产方法包括高压均质、微流化和超声处理等高能技术，以及自发乳化和相转变等低能方法。

4. 食品基质组分对精油纳米乳稳定性和抗菌性能的影响

食品基质组分如蛋白质、脂质、多糖、pH和离子强度可增强或损害精油纳米乳的稳定性和抗菌功效。蛋白质（大豆、豌豆、乳清和蛋清蛋白）具有表面活性，可在油水界面吸附形成粘弹性界面膜，抵抗液滴聚结。非离子表面活性剂如吐温80对pH和离子强度不敏感，不易与带电组分发生不良静电相互作用。多糖（阿拉伯胶、果胶、黄原胶和卡拉胶）主要通过空间稳定化和增加连续相粘度来稳定体系。蛋白质-多糖结合物可结合静电和空间稳定机制。

在富含脂肪的基质中，内源性脂质与纳米乳液滴竞争亲脂性抗菌化合物，导致精油组分分配到体相脂质中，降低界面浓度和抗菌功效。多糖可增加粘度，减少乳析和沉降，但非吸附多糖可能引起耗散絮凝。酸性和高盐环境可能使蛋白质稳定的纳米乳失稳，通过静电屏蔽促进液滴聚集。pH和离子强度通过改变静电排斥影响稳定性。

5. 真实食品体系中的抗菌效果评估

5.1 水果和蔬菜

在新鲜和最低加工水果蔬菜中，精油纳米乳可作为涂层应用。小豆蔻、ajwain、百里香、柠檬草、丁香和牛至精油纳米乳对灰葡萄孢、福氏志贺氏菌、单核细胞增生李斯特菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有杀真菌和/或杀菌效果。例如，含2%百里香精油纳米乳的壳聚糖/普鲁兰多糖复合食用涂层对灰葡萄孢菌丝生长抑制率达54.7%，在2°C下将草莓货架期延长至12天。在最低加工叶菜中，纳米乳洗涤处理对沙门氏菌和大肠杆菌的减少量超过2 log CFU/g，优于氯处理。

5.2 肉制品、鱼和海鲜

多种精油纳米乳已被应用于肉丸、羊腰肉、鸡肉和裹粉产品中。含肉桂、丁香或百里香精油纳米乳的壳聚糖涂层鸡肉棒货架期延长至20天。肉桂精油纳米乳处理牛肉饼引起黄曲霉形态严重改变并抑制黄曲霉毒素产生。在海鲜产品中，牛至精油纳米乳联合超声处理对副溶血性弧菌及其生物膜实现多靶点控制。含神香草精油纳米乳的壳聚糖涂层在贮藏12天后使嗜冷和嗜中温微生物计数显著降低。

5.3 乳制品

在牛奶、酸奶、奶酪和发酵乳饮料中，纳米乳用于控制霉菌和细菌。百里香精油纳米乳在盐水白奶酪中未表现出即时抗菌活性，表明包封促进控制释放和延迟抗菌作用。在发酵乳饮料中，zataria multiflora精油纳米乳对铜绿假单胞菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和蜡状芽孢杆菌具有杀菌效果，维持微生物计数低于检测限。

5.4 饮料和液体食品

在果汁和功能性饮料中，精油纳米乳实现更均匀分散，减少相分离。薄荷精油纳米乳在发酵乳饮料中保持高物理化学稳定性30天并防止微生物污染。玫瑰精油纳米乳抑制黄瓜汁中的大肠杆菌。山鸡椒精油纳米乳灭活猕猴桃汁中的鼠伤寒沙门氏菌。然而，在苹果汁基饮料中，精油纳米乳的抗菌活性降低，归因于富含糖基质的保护作用和生物活性化合物扩散限制。

6. 纳米技术抗菌系统在食品基质中的安全性、毒性、迁移和法规考量

6.1 纳米技术抗菌系统的安全性

脂质来源的纳米乳通常表现出低毒性，与无机或金属纳米材料相比相对毒性较低。安全性取决于食品基质结构特征，物理化学稳定性可受水活度、蛋白质、pH、脂质含量、盐和分子相互作用影响。安全评估必须考虑货架期内的物理化学转化，如氧化、离子释放、部分溶解和与食品基质组分的相互作用。

6.2 摄入后的毒性和生物可及性

纳米乳在胃肠道中经历动态环境，包括消化酶、pH波动、胆汁盐和残余食品基质组分，可能改变其聚集、降解、溶解和跨肠屏障能力。脂质纳米乳通常更易消化，其组分与膳食脂质结构相似。纳米乳显著提高亲脂性化合物的生物可及性，可能增强生物活性但也可在长期高剂量下产生不良效应。

6.3 法规考量和市场接受度

不同国家和经济体的法规框架存在显著差异。欧盟由欧洲食品安全局（European Food Safety Authority，EFSA）进行个案风险评估，要求全面的物理化学表征、迁移研究和毒理学数据。使用常见食品成分（油、表面活性剂和生物聚合物）制备的纳米乳通常被认为是公认安全（generally recognized as safe，GRAS），但需证明尺寸减小未产生显著改变暴露概况的新特性。

7. 挑战和知识空白

大多数研究在简化模型系统中进行，未考虑真实食品基质的复杂性。发酵产品、酸性食品、低水分活度基质、高脂食品和植物基饮料研究不足。缺乏关于多种微生物种群之间相互作用、食品基质组成对抗菌化合物释放动力学影响、贮藏条件（温度、货架期）和冻融循环稳定性的研究。精油提取和浓缩缺乏标准化方案，植物材料变异性和实验条件差异阻碍比较。亚致死暴露后的适应性反应和抗菌耐药性是新出现风险。小肠结肠炎耶尔森菌暴露于亚致死牛至精油上调抗氧化和膜完整性基因；鼠伤寒沙门氏菌暴露于亚致死百里香和肉桂精油产生直接和交叉耐药性。精油成分可调节多药耐药病原体的外排泵活性。定量知识空白包括：慢性亚致死暴露对微生物种群动态的影响；耐受菌株的选择或稳定遗传改变；水平基因转移；对非靶标微生物的影响；最低选择性浓度。需要长期暴露研究、全基因组测序和系统风险评估。

8. 最终考量

精油纳米乳在控制食源性病原体和腐败微生物方面具有显著技术优势，包括改善溶解性、增强稳定性和提高抗菌功效。主要挑战是简化模型系统与复杂食品基质之间的性能差异。未来研究应优先考虑：标准化协议、多组分食品系统研究、工业应用挑战（可扩展性、成本和法规遵从）以及适应性反应和抗菌耐药性风险。成功转化将取决于功效、稳定性、安全性、感官接受度和法规合规性的整合。