物理技術(shù)在果蔬保鮮中的應(yīng)用研究進(jìn)展

陳思宇，金建，趙世琳

（西南科技大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

果蔬富含碳水化合物、維生素、無(wú)機(jī)鹽等多種營(yíng)養(yǎng)素，符合大眾的膳食需求。我國(guó)的果蔬行業(yè)發(fā)展迅速，然而，果蔬采后在貯藏、運(yùn)輸過(guò)程中，因自身代謝及外在因素易導(dǎo)致褐變、細(xì)胞膜損傷、組織變軟等現(xiàn)象[1-2]，使得大部分果蔬只能在短時(shí)間內(nèi)供應(yīng)。保鮮技術(shù)的應(yīng)用可以有效延長(zhǎng)果蔬的貯藏期。與化學(xué)保鮮技術(shù)相比，物理保鮮技術(shù)因其具有安全、高效、綠色等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的一種保鮮技術(shù)。本文主要針對(duì)6 種物理技術(shù)在果蔬保鮮中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，旨在為果蔬的保鮮提供參考。

1 果蔬采后的生理變化

1.1 活性氧代謝

活性氧（reactive oxygen species，ROS）是指果蔬在正常代謝過(guò)程中產(chǎn)生的含氧代謝物，具有活躍的化學(xué)性質(zhì)及生物活性[1]。在正常情況下，ROS 的產(chǎn)生與清除處于動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)果蔬受到環(huán)境溫度、酸堿度脅迫或機(jī)械損傷時(shí)，平衡將被打破，導(dǎo)致其在果蔬內(nèi)部開(kāi)始上升并積累。ROS 積累過(guò)多，其強(qiáng)氧化性會(huì)干擾果蔬正常的代謝活動(dòng)，加速脂質(zhì)過(guò)氧化，產(chǎn)生丙二醛（malondialdehyde，MDA），改變細(xì)胞膜通透性，最終使果蔬喪失正常的生理機(jī)能而衰老腐敗。

1.2 能量代謝

能量是維持生物體一切活動(dòng)的基礎(chǔ)，在生物體內(nèi)主要以三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的形式存在，與生物體的生長(zhǎng)、發(fā)育、衰老密切相關(guān)。研究表明，果蔬采后ATP 含量的多少與果蔬在貯藏期間能否保持良好的品質(zhì)有關(guān)[3]。果蔬采后逐漸衰老，細(xì)胞內(nèi)ATP 合成能力下降，細(xì)胞膜會(huì)因細(xì)胞能量的缺乏而喪失功能，造成細(xì)胞受損并加快果蔬的衰老行為。

1.3 呼吸代謝

呼吸代謝是果蔬采后腐敗變質(zhì)的重要原因之一，它為果蔬生命活動(dòng)和生化反應(yīng)提供能量和反應(yīng)中間體[2]。呼吸作用所需要的能量依靠有機(jī)物如淀粉、蔗糖的消耗供給，作用過(guò)強(qiáng)會(huì)加快營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗，產(chǎn)生ROS，加速細(xì)胞膜氧化損傷，因此果蔬采后的色澤、風(fēng)味、質(zhì)地、營(yíng)養(yǎng)素含量與呼吸強(qiáng)度和呼吸酶活性息息相關(guān)。

2 物理技術(shù)在果蔬保鮮中的應(yīng)用

近年來(lái)，物理技術(shù)在果蔬保鮮中的應(yīng)用備受國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注，包括相對(duì)傳統(tǒng)的物理保鮮技術(shù)如氣調(diào)包裝（modified atmosphere packaging，MAP）以及其他幾種主流新型的物理技術(shù)如輻照、高壓靜電場(chǎng)（highvoltage electrostatic field，HVEF）、低溫等離子體（cold plasma，CP）、磁場(chǎng)（magnetic field，MF）、超聲波（ultrasound，US）等。以上幾種研究相對(duì)成熟或比較熱門(mén)的物理技術(shù)在部分果蔬保鮮中的應(yīng)用如表1 所示。

表1 物理技術(shù)在部分果蔬保鮮中的應(yīng)用Table 1 Application of physical technology in preservation of some fruits and vegetables

2.1 氣調(diào)包裝在果蔬保鮮中的應(yīng)用

氣調(diào)包裝是指利用果蔬自身的代謝特性，通過(guò)控制貯藏環(huán)境中的氣體比例（O2、CO2、N2、C2H4等），限制果蔬在自然條件下的生理活動(dòng)，以延長(zhǎng)貯藏期。根據(jù)控制氣體的方式可分為自發(fā)氣調(diào)包裝和可控氣氛（controlled atmosphere，CA）貯藏。表1 顯示，將穿孔薄膜與MAP 相結(jié)合，可以維持包裝中氣體分壓穩(wěn)定，且分壓比例與微孔數(shù)量有關(guān)。Lei 等[4]研究發(fā)現(xiàn)，草莓采用含4 個(gè)100 μm 微孔的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）薄膜，并保持袋內(nèi)10 kPa O2和10 kPa CO2氣體分壓貯藏18 d，總酚、花青素、總黃酮含量分別提高25%、13%、29%，PAL 活性增強(qiáng)，貨架期延長(zhǎng)至19 d。此外，MAP 已被證實(shí)可以減輕真菌引起的腐敗問(wèn)題。Frans 等[5]研究發(fā)現(xiàn)，MAP 能夠顯著改善甜椒內(nèi)部由于乳酸鐮刀菌引起的腐爛，這極大可能是由于薄膜中O2分壓降低，直接影響了真菌的增殖發(fā)育。研究表明，MAP 聯(lián)合臭氧預(yù)處理在藍(lán)莓[6]、青椒[7]中的保鮮效果顯著。這是因?yàn)闅鈶B(tài)臭氧可以作為酚類物質(zhì)生物合成的誘導(dǎo)子，提高果蔬抗氧化能力。氣調(diào)技術(shù)通過(guò)控制貯藏環(huán)境中的氣體比例，減緩果蔬呼吸代謝達(dá)到保鮮目的，因此該技術(shù)對(duì)控制環(huán)境氣體比例的設(shè)備要求較高。若氣體配比控制不當(dāng)，如CO2濃度過(guò)高、O2濃度過(guò)低，果蔬則易進(jìn)行無(wú)氧呼吸而不利于貯藏。此外，MAP 所使用的保鮮薄膜大多為聚乙烯、聚氯乙烯等材料，在未被完全降解的情況下易造成環(huán)境污染。

2.2 輻照技術(shù)在果蔬保鮮中的應(yīng)用

食品輻照是指食品受到可控劑量的非電離輻射（紫外線、可見(jiàn)光、無(wú)線電波等）或電離輻射（γ 射線、X射線、電子束）后，殺滅包括病毒在內(nèi)的致病及腐敗微生物，并且不會(huì)影響食品品質(zhì)或營(yíng)養(yǎng)特性的一種非熱物理技術(shù)，其中以電離輻射為主[27]。與X 射線相比，γ射線因其更經(jīng)濟(jì)有效而被廣泛應(yīng)用于果蔬保鮮。由表1 顯示，果蔬保鮮效果與輻照劑量密切相關(guān)。Zhao 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，椪柑致病菌指狀青霉的生長(zhǎng)抑制作用與γ射線劑量呈正相關(guān)，但過(guò)高劑量（＞1 kGy）則會(huì)加快果實(shí)衰老，以0.5 kGy 為最佳保鮮效果。Panou 等[9]研究發(fā)現(xiàn)，草莓經(jīng)適宜劑量γ 射線輻照能有效保持口感及外觀，高劑量反而會(huì)加速果實(shí)失重，但高劑量抑制草莓真菌腐敗效果更好。Khalili 等[11]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)γ 射線輻照處理的黃瓜，其果皮葉綠素和維生素C 保持能力分別提高約3 倍和1.4 倍，并延長(zhǎng)了7 d 的貯藏期。此外，輻照技術(shù)能有效抑制果蔬酶促褐變。葉爽等[12]研究發(fā)現(xiàn)，香菇經(jīng)劑量為1.0 kGy 的60Co 產(chǎn)生的γ 射線處理后，貯藏21 d，亮度L* 值由90.06 減小到87.77，而對(duì)照組L* 值由90.54 減小到80.71，這表明輻照能有效抑制香菇顏色劣變。γ 射線具有較強(qiáng)的穿透力，雖能強(qiáng)烈致死微生物，但射線發(fā)生裝置需要設(shè)置專門(mén)的安全防護(hù)，投資成本較大，且該技術(shù)在果蔬的保鮮應(yīng)用中需要嚴(yán)格控制劑量，并規(guī)范地處理廢棄物。目前，允許接受輻照的果蔬種類受限，消費(fèi)者對(duì)輻照食品的接受度不高，輻照技術(shù)在果蔬保鮮中應(yīng)用的發(fā)展仍面臨著很大的挑戰(zhàn)。

2.3 高壓靜電場(chǎng)在果蔬保鮮中的應(yīng)用

高壓靜電場(chǎng)屬于電磁能，是利用生物體本身具有的電學(xué)特性，與生物體相互作用產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)[28]。HVEF 通過(guò)電離空氣產(chǎn)生臭氧、影響呼吸系統(tǒng)電子傳遞、引起水的存在形式及水酶結(jié)合狀態(tài)改變等延緩果蔬采后的生理變化，近年來(lái)在果蔬保鮮領(lǐng)域中得到廣泛關(guān)注。吳玨等[13]研究發(fā)現(xiàn)，HVEF 能有效減少椪柑果實(shí)表面的真菌數(shù)量，降低果實(shí)在貯藏期間的失重率和呼吸速率，維持椪柑采后的新鮮度和品質(zhì)。成紀(jì)予等[29]研究發(fā)現(xiàn)，適宜的電場(chǎng)處理能有效減輕機(jī)械損傷對(duì)甘薯細(xì)胞組織的傷害，并得出經(jīng)電場(chǎng)強(qiáng)度800 kV/m、時(shí)間10 h、溫度26 ℃處理，受損甘薯愈傷部位的木質(zhì)素合成速率最大，愈傷效果最佳。楊智超等[30]研究發(fā)現(xiàn)，HVEF 處理櫻桃番茄，果實(shí)表面大腸桿菌菌落總數(shù)減少1.44～2.15 lg（CUF/g），這表明HVEF 處理能降低由食源性致病菌引起的食品安全問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。此外，該處理還能使櫻桃番茄部分類黃酮和生物堿成分含量升高，這有利于改善果實(shí)采后的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。Zhao 等[14]研究發(fā)現(xiàn)，HVEF 預(yù)處理能降低番茄貯藏過(guò)程中超氧化物陰離子和過(guò)氧化氫的生成速率，減弱ROS 對(duì)番茄造成的影響。HVEF 作為一種低溫殺菌技術(shù)，耗時(shí)短、成本低，無(wú)輻照及化學(xué)物質(zhì)殘留，符合熱敏性食品的加工需求，但由于電壓高而存在一定的危險(xiǎn)，對(duì)環(huán)境濕度要求高，大規(guī)模的推廣和應(yīng)用該技術(shù)存在一定的難度。

2.4 低溫等離子體在果蔬保鮮中的應(yīng)用

低溫等離子體是除固、液、氣外的第四態(tài)物質(zhì)，是由中性氣體在特定激勵(lì)條件下電離產(chǎn)生自由電子，自由電子再與周圍介質(zhì)中的分子、原子或電子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生的活性粒子[31]。CP 可以在室溫和常壓下產(chǎn)生，根據(jù)放電方式可以分為介質(zhì)阻擋放電、滑動(dòng)電弧放電、電暈放電、輝光放電。張禾等[32]研究發(fā)現(xiàn)，適宜電流強(qiáng)度的低溫等離子體能通過(guò)積累ROS 來(lái)破壞細(xì)菌細(xì)胞膜的完整性，促進(jìn)楊梅致病菌桔青霉孢子凋亡，降低果實(shí)腐敗率。此外，已有許多研究證明，適宜電壓的CP在芒果[15]、杏子[16]、火龍果[17]等果蔬的應(yīng)用中，不僅能提高果蔬總酚物質(zhì)的含量，還能提升其抗氧化能力，從而延緩果蔬采后生理變化。Jia 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，60 kV ACP處理能顯著延緩番茄紅化，維持表皮綠色。這是因?yàn)锳CP 處理能有效抑制葉綠素降解、類胡蘿卜素積累，降低葉綠素酶和脫鎂葉綠酸a 加氧酶（pheophorbide a oxygenase，PAO）活性。Song 等[19]研究發(fā)現(xiàn)，CP 處理對(duì)生菜中大腸桿菌O157∶H7 和鼠傷寒沙門(mén)氏菌的抑制作用高達(dá)2.8 lg（CFU/g），這表明CP 能有效減少食源性致病菌，從而降低食源性疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。CP 作為一種新型非熱物理保鮮技術(shù)，操作安全簡(jiǎn)單，能最大程度地保持果蔬原有的營(yíng)養(yǎng)成分，在果蔬保鮮應(yīng)用中有廣闊的發(fā)展前景。然而，CP 在處理形狀不規(guī)則的食品原料方面尚存在缺陷。低溫等離子體活化水[33]有利于解決此問(wèn)題，成為了目前一種較為新穎的保鮮方式。此外，關(guān)于CP 殺菌原理和安全性評(píng)價(jià)仍需要更完善的理論支撐。

2.5 磁場(chǎng)處理在果蔬保鮮中的應(yīng)用

磁場(chǎng)是一種無(wú)形但客觀存在的物理場(chǎng)[34]。外加磁場(chǎng)與生物體內(nèi)電荷相互作用影響生物體的新陳代謝，從而達(dá)到殺菌的作用。磁場(chǎng)分為交變磁場(chǎng)和靜磁場(chǎng)，目前，由于靜磁場(chǎng)的保鮮機(jī)制缺乏定論，磁場(chǎng)保鮮技術(shù)主要集中在對(duì)交變磁場(chǎng)的技術(shù)研究中。呂莉萍[35]利用AMF 處理鮮切蘋(píng)果，發(fā)現(xiàn)該處理能有效減慢果實(shí)DPPH 自由基清除能力的下降，降低ROS 對(duì)細(xì)胞組織的影響。此外，研究表明，磁場(chǎng)對(duì)由低溫貯藏引起的果蔬冷害有抑制作用。Zhao 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)或間歇AMF 處理香蕉均能降低PPO 活性和呼吸強(qiáng)度，抑制MDA 積累，從而減弱冷害影響。Jiang 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，MF 協(xié)助冷凍西蘭花能顯著縮短相變時(shí)間，提高冷凍平均速率，使冷凍食品品質(zhì)得到改善。Irungu 等[22]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)MF 處理并貯藏8 周的土豆塊莖發(fā)芽數(shù)較少，并顯著降低其失重率，從而延長(zhǎng)土豆貨架期并降低由發(fā)芽土豆引起食物中毒的概率。在果蔬低溫貯藏過(guò)程中，MF 減輕果實(shí)冷害效應(yīng)效果顯著，在一定程度上延長(zhǎng)了香蕉、芒果等冷敏型熱帶水果的銷售周期。雖然，MF 技術(shù)已被證實(shí)能夠應(yīng)用于食品保鮮，但該技術(shù)受許多因素綜合影響，與生物體內(nèi)電荷的分布位置密切相關(guān)。且因果蔬本身的差異，需要不同的磁場(chǎng)參數(shù)。因此，在未來(lái)仍需要更多的系統(tǒng)性研究為MF 技術(shù)在果蔬保鮮中的應(yīng)用做支撐。

2.6 超聲波處理在果蔬保鮮中的應(yīng)用

超聲波技術(shù)是指利用低頻聲波（20～100 kHz）在液體中產(chǎn)生空化效應(yīng)，即產(chǎn)生局部高溫和高壓變化，引起細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)破壞，細(xì)胞膜通透性增加，使微生物失活，從而延長(zhǎng)食品貨架期[36]。劉夢(mèng)培等[24]研究發(fā)現(xiàn)，甜柿經(jīng)420 W US 處理30 min 后硬度提高2.97 kg/cm2，多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG）活力下降8.79 μg/（min·g），其他果膠降解酶如果膠裂解酶（pectate lyase，PL）、果膠甲酯酶（pectin methylesterase，PE）活力均有所下降，這表明該技術(shù)能夠有效抑制果實(shí)軟化。Neto 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，US 處理后的生菜在貯藏溫度高于5 ℃時(shí)，微生物增殖速度更快，表明US 處理對(duì)生菜的抑菌效果隨貯藏溫度的上升而減小。Lu 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，US 處理能增加番茄中總酚、番茄紅素、類胡蘿卜素等次生代謝物，這與US 處理提高PAL 活性有關(guān)，但US 處理時(shí)間越長(zhǎng)反而會(huì)降低其活性并影響番茄品質(zhì)。胡宇欣等[26]研究發(fā)現(xiàn)，US 處理鹿茸菇，不僅能維持鹿茸菇的亮度、硬度，還能提高ATP 酶和6-磷酸葡萄糖脫氫酶活性，使鹿茸菇采后維持較高的能量水平，減緩劣變。此外，Zhang 等研究發(fā)現(xiàn)，白菜[37]、番茄-絲瓜[38]混藏保鮮中利用超聲-氣調(diào)包裝聯(lián)合技術(shù)，其原有品質(zhì)在貯藏期間得到了有效保持。因此，US 單獨(dú)使用以及聯(lián)合其他技術(shù)在果蔬保鮮中具有極大的應(yīng)用潛力。US技術(shù)安全、無(wú)副作用，在減少微生物、提高果蔬品質(zhì)方面表現(xiàn)出良好的效果。但該技術(shù)在食品工業(yè)中難以大規(guī)模使用，但聯(lián)合其他保鮮技術(shù)共同發(fā)展，有望成為更加商業(yè)化、經(jīng)濟(jì)化的保鮮技術(shù)。

3 結(jié)論

物理保鮮技術(shù)具有簡(jiǎn)單方便、效率高、綠色環(huán)保且能最大程度保留食品的營(yíng)養(yǎng)成分等優(yōu)點(diǎn)，在果蔬的保鮮貯藏中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，物理保鮮技術(shù)仍存在一些問(wèn)題，如殺菌保鮮機(jī)理尚不完全清楚，單一的物理保鮮技術(shù)不具有普遍適用性。后續(xù)可在以下方面進(jìn)行研究：研究物理保鮮技術(shù)的原理、工作參數(shù)及影響因素，建立大數(shù)據(jù)庫(kù)，以確保獲得最佳的保鮮效果及最大的經(jīng)濟(jì)效益；研究各物理保鮮技術(shù)之間或者與其他保鮮方式進(jìn)行協(xié)同聯(lián)用，解析協(xié)同作用機(jī)理，并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)；研究物理保鮮技術(shù)對(duì)果蔬次生代謝物（如類黃酮、多酚）的合成量、代謝途徑及其對(duì)果蔬營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的影響。