植物精油是植物二次代谢产生并从植物器官中提取的挥发性油性化合物[1-2]。植物精油具有广谱抑菌特性,其中肉桂精油、百里香精油以及罗勒精油对大肠杆菌、金黄葡萄球菌、沙门氏菌以及副溶血性弧菌等多种致病菌有良好的抑制作用[3-4],是天然的防腐剂。国内外对这3 种精油的研究主要集中于单一精油的抑菌活性[5-6],精油有效抑菌成分分析[7-8]和精油抑菌机理[9-10]等方面。然而,不同精油的抑菌成分不同,对各类致病菌抑制作用也有所不同[11]。研究由不同精油混合配制的复合精油的抑菌效果具有重要意义。
近年来,关于精油复配抑菌作用,有探讨关于精油中抑菌成分间的复配,如Ye 等[12]发现香芹酚-肉桂醛的联用对7 种食源性病菌产生协同效果;还有与其它种类的精油复配,如王颖等[13]将山苍子-肉桂精油复配,发现复配精油与单一精油相比,对大肠杆菌相对电导率分别提升了21%和12%,表现出优异的协同抗菌性能;此外,与某药物复配,如Lagy 等[14]将丁香酚与药物头孢噻肟联用,对金黄色葡萄球菌的抑制有协同增效作用。目前肉桂精油、百里香精油以及罗勒精油间复配的抑菌作用的研究文献较少。
本试验选取肉桂精油、百里香精油和罗勒精油3 种植物精油为研究对象,探讨对5 种常见致病菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、副溶血性弧菌以及白色葡萄球菌)的单一及复合抑菌活性。采用GC-MS 仪分析3 种精油的主要抑菌组分,研究复配组分对菌体细胞膜通透性的影响。
金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureaus)、沙门氏菌(Salmonella)、白色葡萄球菌(Staphylococcus albus)、副溶血性弧菌(Vibrio parahaemolyticus)、大肠杆菌(Escherichia coli),于-40 ℃保存,实验室提供;肉桂精油、百里香精油、罗勒精油,江西省吉水县益康天然香料油提炼厂;肉桂醛、丁香酚、百里酚,上海源叶生物科技有限公司;吐温-80,西陇科学股份有限公司。
QP2010 Ultra 气相色谱-质谱联用仪,日本岛津公司;DDSJ-308A 型电导率仪,上海仪电科学仪器股份有限公司;SpectraMax iD3 酶标仪,美谷分子仪器(上海)有限公司;SW-CJ-1D 单人净化工作台,浙江苏净净化实业有限公司;SPX-250B-Z生化培养箱,上海博讯实业有限公司。
1.3.1 菌悬液的制备 对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌、副溶血性弧菌以及白色葡萄球菌进行活化,在37 ℃培养10~12 h。菌悬液浓度为1×109 CFU/mL。
1.3.2 精油成分分析 采用QP2010Ultra 型气相色谱-质谱联用(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS)仪。色谱条件[15]:色谱柱VFWAXms 毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),进样温度250 ℃,分流比200:1,载气为氦气,恒流模式,柱流速1 mL/min;柱温35 ℃保持3 min,以2℃/min 升到150 ℃,然后以4 ℃/min 升到240 ℃,保持15 min。
1.3.3 精油的抑菌活性测定
1.3.3.1 精油气相扩散抑菌 测定肉桂精油、百里香精油、罗勒精油的抑菌活性[16]。用无菌10%吐温-80 配制得到浓度为400 μL/mL 的精油溶液。无菌0.9% NaCl 稀释菌悬液至10-7,取10 μL 菌悬液均匀涂布到营养琼脂培养基表面,吸取20 μL 精油溶液加至直径为6 mm 的无菌滤纸片上,将滤纸片紧贴在皿盖中央,以10%吐温-80 为对照组。37 ℃倒置培养12 h 后。计算每个平板的菌落数,并根据式(1)计算抑菌率R。
式中:Nc 为对照组的平均菌落数,CUF/mL;Nt为试验组的平均菌落数,CUF/mL。
1.3.3.2 精油液相扩散抑菌 利用打孔法[17],按照
1.3.3.1 节配制精油溶液和稀释菌悬液,取10 μL菌悬液涂布到营养琼脂培养基表面,吸取20 μL精油溶液滴加至直径为6 mm 的培养基孔洞中。37 ℃培养12 h 后。计算每个平板的菌落数,根据1.3.3.1节公式计算抑菌率R。
1.3.4 最小抑菌浓度(Minimal Inhibit Concentration,MIC)测定 测定肉桂精油、百里香精油、罗勒精油、肉桂醛、百里酚和丁香酚的MIC[18]。取10支无菌试管并编号为1~10,在1~9 号试管中各加入1 mL 灭菌的肉汤培养基;在1 号试管中加入1 mL 质量浓度为256 μL/mL 的精油(用无菌的10%吐温-80 稀释)后混合均匀,再吸取1 mL 至2 号试管中,以此二倍稀释至8 号无菌试管中,最后弃去1 mL;使其终质量浓度为128~1 μL/mL。同样配制肉桂醛、丁香酚(用无菌2%吐温-80)溶液,终质量浓度为64~0.5 μL/mL,百里酚终质量浓度为64~0.5 μg/mL。在1~8 号试管中加入100 μL 菌悬液(菌悬液浓度1×106 CFU/mL),其中9 号试管作为阴性对照只加受试菌液,10 号试管作为阳性对照只加精油或组分,于37 ℃培养12 h,观察试管中是否变浑浊。每组平行3 次。
1.3.5 联合抗菌活性的测定 依据3 种精油MIC实验结果,选肉桂精油与百里香精油、罗勒精油进行复配。以分级抑菌指数(Fractional Inhibitory Concentration,FIC)作为判断协同抑菌的依据[19]:
式中:MICA0为A 和B 联用时A 的MIC;MICB0为A 和B 联用时B 的MIC;MICA 为A 单独时的MIC;MICB 为B 单独时的MIC。
FIC 指数判定标准:FIC≤0.5 时具有协同作用;0.5<FIC≤1 时具有相加作用;1<FIC≤2 时为效果无关;FIC>2 时具有拮抗作用。
1.3.6 复配精油的抑菌活性 根据FIC 指数,测定协同作用的复配精油或组分的抑菌活性。吸取20 μL 菌悬液(浓度为1×105 CFU/mL)进行涂布并加入100 μL 复配精油或组分,37 ℃培养12 h 后通过测量抑菌圈的直径判断其抑菌效果。
抑菌圈直径≤7 mm 为不敏感;7 mm<抑菌圈直径≤10 mm 为低度敏感;10 mm<抑菌圈直径≤15 mm 为中度敏感;15 mm<抑菌圈直径≤20 mm为高度敏感;抑菌圈直径>20 mm 为高度敏感[20]。
1.3.7 对菌体生长曲线影响 活化大肠杆菌、副溶血性弧菌和金黄色葡萄球菌至对数生长期并使菌悬液浓度为1×106 CFU/mL,在菌悬液中加入不同浓度的肉桂醛、百里酚以及丁香酚溶液,最终浓度为1 MIC 肉桂醛、1 MIC 百里酚、1 MIC 丁香酚、1/2 MIC 肉桂醛+1/2 MIC 百里酚、1/2 MIC 肉桂醛+1/2 MIC 丁香酚,以等量吐温-80 为空白对照,每2 h 取样,测定12 h 内600 nm 处的吸光度[21]。
1.3.8 菌液电导率的测定 分别离心并收集大肠杆菌、副溶血性弧菌、金黄色葡萄球菌的沉淀,用无菌PBS 缓冲液洗涤后重悬至含有不同浓度的肉桂醛、百里酚和丁香酚溶液中(与1.3.7 节相同),于37 ℃,150 r/min 摇床培养9 h;每3 h 取样,离心(6 000 r/min,10 min),以仅吐温-80 和菌悬液作为空白对照组。测定上清液的电导率,取样时间点与0 h 对应的电导率之差表示电导率增值[22]。
1.3.9 对菌体核酸和蛋白质泄露影响 在浓度为1×106 CFU/mL 的菌悬液中加入不同浓度的肉桂醛、百里酚、丁香酚溶液,制备方法与1.3.7 节相同,对照组加入等体积的吐温-80,37 ℃、转速150 r/min 摇床培养,每个3 h 取样,离心(6 000 r/min,10 min),测定上清液在260 nm 和280 nm 处的吸光值[23]。
每个试验均重复3 次,结果以均值±标准差表示。采用Excel 2016、Origin 2018 对试验数据进行统计分析处理以及绘图。
因不同精油中含有不同种类的抑菌成分,所以3 种精油在气相和液相条件下,不同的抑菌敏感性程度不同(见图1)。其中,肉桂精油在气相和液相均对5 种细菌有较高的抑菌率。在液相条件下,百里香精油对5 种细菌的抑菌率均高于在气相下的抑菌率,可能是在气态下,精油中某些抑菌作用的挥发成分在37 ℃挥发性稍弱或没完全挥发,进而影响了抑菌作用。与气相条件下抑菌率相比,液相下罗勒精油对大肠杆菌、副溶血性弧菌以及白葡萄球菌的抑菌率较高,对金黄色葡萄球菌的抑菌率较低。刘晓丽等[24]通过气相和液相状态测定丁香精油表明对大肠杆菌的气相抑菌弱于液相抑菌作用,这与本试验结果相似。综合考虑,选择液相的方法进行后续试验以及抑菌效果最好的肉桂精油与百里香精油、罗勒精油进行后续的复配。
图1 肉桂、百里香、罗勒精油的气相和液相的抑菌活性
Fig.1 Antibacterial activities of cinnamon,thyme and basil essential oils in the gas,liquid and solid phases
2.2.1 肉桂精油液体进样成分分析 经GC-MS分析得到了肉桂精油成分总离子流谱图,见图2。表1 列出了相对含量大于等于1%的4 种化合物,经鉴定可知,肉桂精油中主要含有肉桂醛(83.67%)、香豆素(4.12%)、乙酸桂酯(3.98%)、苯甲醛(1.17%)。在这些成分中,肉桂醛占精油相对含量最多,为83.67%,且研究表明肉桂醛具有显著的抗菌功效,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等细菌有明显抑制作用[25-26]。因此选取肉桂醛为肉桂精油的特征组分。
表1 肉桂精油主要化学成分(≥1%)
Table 1 Main chemical components(≥1%)of cinnamon essential oil
表2 百里香精油主要化学成分(≥1%)
Table 2 Main chemical components(≥1%)of thyme essential oil
图2 肉桂精油GC-MS 总离子流谱图
Fig.2 GC-MS total ion spectra of cinnamon essential oil
2.2.2 百里香精油液体进样成分分析 图3 可知,百里香精油经GC-MS 测定共分离出38 个色谱峰,见图1。表1 列出了其5 种主要成分以及相对含量,经鉴定可知,百里香精油种含有百里酚(29.89%)、三乙酸甘油酯(18.49%)、苯乙醇(11.78%),这3 种成分占百里香精油相对含量的60.16%;其次为香茅醇(6.22%)和苯甲酸苄酯(1.67%)占精油相对含量的7.89%。而在这些成分中,百里酚作为主要抗菌化合物,研究表明百里酚对细菌和真菌都有很强的抑制作用,可通过改变细菌细胞膜的通透性以达到抑菌效果[27-28]。故选取百里酚作为其精油的特征组分进行后续试验。
图3 百里香精油GC-MS 总离子流图
Fig.3 GC-MS total ion flow diagram of thyme essential oil
图4 罗勒精油GC-MS 总离子流图
Fig.4 GC-MS total ion flow diagram of basil essential oil
2.2.3 罗勒精油液体进样成分分析 罗勒精油的GC-MS 总离子流谱图中有60 个色谱峰。表3 列出罗勒精油主要的化学成分:丁香酚(32.69%)、蒎烯(44.04%),这两者占罗勒精油相对含量的76.73%,其次为α-石竹烯(3.08%)、2-乙基己酸酐(3.12%),其相对含量为6.20%。其中,丁香酚和蒎烯这两种物质均有显著的抑菌作用,而蒎烯通常以开发其衍生物研究其抑菌活性,丁香酚本身具有较强的抑菌活性被广泛运用[39-30]。综合考虑,选择丁香酚为罗勒精油的特征组分。
表3 罗勒精油主要化学成分(≥1%)
Table 3 Main chemical components(≥1%)of basil essential oil
由表4 所示,肉桂精油对大肠杆菌、副溶血性弧菌、沙门氏菌以及白色葡萄球菌的MIC 为16 μL/mL,对金黄色葡萄球菌的MIC 为8 μL/mL;这与侯克洪等[31]研究肉桂精油乳液对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果(MIC 为6~7 μL/mL)一致。百里香精油对大肠杆菌、副溶血性弧菌的MIC为16 μL/mL,对金黄色葡萄球菌、沙门氏菌以及白色葡萄球菌的MIC 为32 μL/mL,优于徐冰等[32]研究百里香精油纳米乳液对金黄色葡萄球菌的抑制作用(MIC 为78.1 μL/mL),同时将肉桂、百里香精油以各自MIC 的1/2 倍、1/4 倍、1/8 倍进行复配后,对大肠杆菌和副溶血性弧菌中表现出协同抑菌,FIC 指数均为0.5,而对金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、副溶血性弧菌以及白色葡萄球菌表现为相加抑菌。
表4 肉桂精油和百里香精油的MIC 以及联合抑菌表
Table 4 MIC of cinnamon essential oil and thyme essential oil and joint bacteriostatic table
由表5 所示,罗勒精油在大肠杆菌、副溶血性弧菌的MIC 均为32 μL/mL,在金黄色葡萄球菌、沙门氏菌的MIC 均为64 μL/mL,对白色葡萄球菌的MIC 为128 μL/mL。表明罗勒精油抑制大肠杆菌和副溶血性弧菌最有效,其次是金黄色葡萄球菌和沙门氏菌。这结果与Dan 等[33]发现结果一致。将肉桂、罗勒精油以各自MIC 的1/2 倍、1/4 倍、1/8 倍进行复配后,在大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌中表现出协同抑菌,FIC 指数均为0.5。
表5 肉桂精油和罗勒精油的MIC 以及联合抑菌表
Table 5 MIC of cinnamon essential oil and basil essential oil and combined bacteriostatic table
选取肉桂精油和百里香精油的特征组分肉桂醛和百里酚进行MIC 测定(见表6),结果表明,肉桂醛在大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白葡萄球菌以及沙门氏菌的MIC 为2 μL/mL,在副溶血性弧菌的MIC 为4 μL/mL;百里酚在大肠杆菌和副溶血性弧菌的MIC 为8 μg/mL,在金黄色葡萄球菌、白葡萄球菌以及沙门氏菌的MIC 为16 μg/mL;优于Lysett 等[34]研究百里酚在革兰氏阳性菌的MIC 为0.1~0.2 mg/mL。根据FIC 指数的判断,发现肉桂醛和百里酚在大肠杆菌和副溶血性弧菌中表现出协同抑菌的效果,与表4 中肉桂精油和百里香精油的FIC 指数结果一致,推测肉桂和百里香精油的协同抑菌是因肉桂醛和百里酚这两个化合物对大肠杆菌和副溶血性弧菌协同抑制作用导致。
表6 肉桂醛和百里酚的MIC 以及联合抑菌表
Table 6 MIC of cinnamaldehyde and thymol and combined bacteriostatic table
罗勒精油特征组分丁香酚测定其MIC 值,结果见表7。丁香酚在大肠杆菌、金黄色葡萄球菌以及副溶血性弧菌的MIC 为8 μL/mL,在沙门氏菌和白色葡萄球菌的MIC 分别为16,32 μL/mL。根据FIC 指数的标准,肉桂醛和丁香酚复配在大肠杆菌、金黄色葡萄球菌中同样表现出协同抑菌效果,FIC 均为0.5,与Lu 等[35]研究肉桂醛和丁香酚的联合作用,测定对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的FIC 分别为1.00 和0.625,本试验协同抑菌效果更好。与表5 结果相比,肉桂醛与丁香酚在沙门氏菌中表现相加抑菌作用,研究表明蒎烯对沙门氏菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌有抑制作用[36-37],推测蒎烯与肉桂醛联合可能对沙门氏菌产生协同抑菌的作用。
表7 肉桂醛和丁香酚的MIC 以及联合抑菌表
Table 7 MIC of cinnamaldehyde and eugenol and combined bacteriostatic table
2.5.1 肉桂-百里香精油及肉桂醛-百里酚复配抑菌效果 根据FIC 指数,肉桂-百里香精油和肉桂醛-百里酚复配对大肠杆菌和副溶血性弧菌的抑菌圈测定结果见表8。可以看出,肉桂-百里香精油和各自组分对2 种细菌的抑菌效果均优于单一精油和组分的抑菌效果;肉桂-百里香精油抑制大肠杆菌和副溶血性弧菌的抑菌圈直径分别为(29.25±1.09)mm 和(26.23±0.89)mm,与王康莉等[38]发现具有协同百里香精油与肉桂精油复配抑制大肠杆菌,其抑菌圈直径为(26.00±1.70)mm 相比,本试验复配后对大肠杆菌抑制效果更好。肉桂醛-百里酚对大肠杆菌和副溶血性弧菌的抑菌圈直径分别为(22.00±1.56)mm 和(19.08±1.04)mm。经肉桂醛和百里酚在精油中的相对含量对比,发现肉桂醛-百里酚对大肠杆菌和副溶血性弧菌的抑菌作用与肉桂-百里香精油的抑菌作用对应,表明肉桂-百里香精油的协同抑菌是由肉桂醛-百里酚联合作用导致。这与胡心怡等[39]发现肉桂醛-百里酚具有协同抑菌效果结果趋于一致,且研究表明两者的联用加速破坏了受试菌细胞膜的完整性,使胞内物质泄漏增加,导致菌体死亡。
表8 肉桂-百里香精油复配对大肠杆菌和副溶血性弧菌抑菌圈直径表
Table 8 Cinnamon-thyme essential oil complex paired with E.coli and V.P bacteriostatic circle diameter table
注:—表示无抑菌圈。
2.5.2 肉桂-罗勒精油及肉桂醛-丁香酚复配抑菌效果 表9 为肉桂-罗勒精油与肉桂醛-丁香酚复配后对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径测定。同样可以看出,肉桂-罗勒精油及其组分抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径均大于单一精油和组分的抑菌圈直径;肉桂-罗勒精油复配抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径分别为(28.75±1.14)mm 和(28.10±0.66)mm。肉桂醛-丁香酚复配的抑菌圈直径分别为(19.25±0.55)mm 和(19.35±1.51)mm。与丁香酚占罗勒精油相对含量的1/3 和肉桂醛占其精油的4/5 相比,发现这两者联合抑菌作用测定的抑菌圈直径趋于一致。与Pei 等[40]发现丁香酚-肉桂醛联用对大肠杆菌具有协同抑菌效果,与本试验结果相似。研究表明肉桂醛与丁香酚的协同作用可能是肉桂醛能分解受试菌的细胞膜,使丁香酚更容易进入细胞质与蛋白质结合[41]。
表9 肉桂-罗勒精油复配对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌圈直径表
Table 9 Cinnamon-basil essential oil complex paired with E.coli and Staphylococcus aureus inhibition circle diameter table
注:—表示无抑菌圈。
由图5 可知,与对照组相比,肉桂醛、百里酚、丁香酚及两种复配剂对大肠杆菌、副溶血性弧菌和金黄色葡萄球菌生长表现明显的抑制作用。肉桂醛、百里酚和丁香酚单独使用时,3 中受试菌的增殖速度均比肉桂醛与百里酚和丁香酚联合使用时快,表明单独组分对受试菌的抑制作用有限,而肉桂醛与百里酚、丁香酚联合使用,其增殖速度在12 h 中无明显变化。结果证实了肉桂醛分别与百里酚和丁香酚的联合可以更大程度降低大肠杆菌、副溶血性弧菌和金黄色葡萄球菌的生长速率。这与许超群等[42]的研究结果相似,该研究表明肉桂醛与ε-聚赖氨酸盐酸盐联合抑菌可导致菌体生长速率缓慢,衰亡期加快。
图5 精油组分及复配组分对大肠杆菌(a)、副溶血性弧菌(b)和金黄色葡萄球菌(c)生长曲线的影响
Fig.5 Effects of essential oil components and compound components on the growth curves of E.coli(a),V.parahaemolyticus(b)and S.aureus(c)
电导率值表示大肠杆菌细胞膜的通透性,OD260nm 和OD280nm 表示核酸和蛋白质的泄漏量[43]。如图6 所示,与对照组相比,经精油组分处理后,大肠杆菌、副溶血性弧菌以及金黄色葡萄球菌的电导率增值、OD260nm 和OD280nm 都明显增加。表明肉桂醛、百里酚和丁香酚破坏了菌体细胞膜,使细胞膜通透性增加,细胞内容物泄露。Sharma 等[44]研究麝香草酚和肉桂醛的联合作用对表皮葡萄球菌抑制活性,表明两者具有协同抑菌效果且增加了细菌膜透化,与本试验结果类似。肉桂醛与百里酚、丁香酚复配处理后细菌的电导率增值和OD260nm、OD280nm 均比单一组分高,表明复配后更大程度地破坏了菌体细胞膜的完整性,使其核酸、蛋白质等内容物大量泄露。另外,肉桂醛-百里酚复配处理大肠杆菌和副溶血性弧菌的OD280nm 比单一肉桂醛处理的OD280nm 分别提升了6.13%,4.42%,比单一百里酚分别提升了12.44%,12.53%。同样,肉桂醛-丁香酚复配处理大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的OD280nm 比单一肉桂醛分别提升了8.97%,7.38%,比单一丁香酚分别提升了17.02%,24.69%。
图6 精油组分及复配组分对大肠杆菌、副溶血性弧菌和金黄色葡萄球菌中细胞内容物泄露的影响
Fig.6 Effects of essential oil components and complex components on cell content leakage in E.coli,V.parahaemolyticus and S.aureus
注:(a)(c)分别为大肠杆菌的电导率增值、核酸泄露和蛋白质泄露;(e)(g)分别为副溶血性弧菌的电导率增值、核酸泄露和蛋白质泄露;(h)(i)分别为金黄色葡萄球菌的电导率增值、核酸泄露和蛋白质泄露。
本研究中肉桂精油、百里香精油和罗勒精油单独对5 种常见致病菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、副溶血性弧菌和白色葡萄球菌)作用时,肉桂精油的抑制效果最佳。在精油组合中,肉桂-百里香精油对抑制大肠杆菌和副溶血性弧菌有协同作用,FIC 指数均为0.5,其抑菌圈直径分别为(29.25±1.09)mm 和(26.23±0.89)mm;同样,肉桂-罗勒精油对抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有协同作用,抑菌圈直径分别为(19.25±0.55)mm 和(19.35±1.51)mm。
借助GC-MS 分析了肉桂精油、百里香精油和罗勒精油主要抑菌成分分别为肉桂醛、百里酚和丁香酚;FIC 指数及抑菌圈测定,得出肉桂-百里香精油和肉桂-罗勒精油具有的协同抑菌作用分别与肉桂醛-百里酚和肉桂醛-丁香酚产生的协同抑菌效应一致。
对大肠杆菌、副溶血性弧菌和金黄色葡萄球菌细胞膜通透性测定,结果表明复配组分联合对大肠杆菌、副溶血性弧菌和金黄色葡萄球菌的细胞膜破坏更剧烈,导致更多核酸、蛋白质等胞内大分子泄露。
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Studies on the Antibacterial Activity of Cinnamon,Thyme,Basil Essential Oils