外源草酸對(duì)水果的保鮮效應(yīng)及其機(jī)制研究進(jìn)展

摘 要：草酸是一種代謝產(chǎn)物，廣泛分布于植物、動(dòng)物及真菌體中。許多研究表明外源草酸不僅有效延緩果實(shí)的成熟衰老進(jìn)程，而且有效控制采后果實(shí)的病情、腐爛及褐變發(fā)生，對(duì)果實(shí)采后保鮮效果明顯。草酸處理降低果實(shí)的細(xì)胞壁代謝、提高抗氧化力、抑制呼吸強(qiáng)度和乙烯釋放量等生理效應(yīng)與延緩果實(shí)采后成熟過程相關(guān)。草酸對(duì)水果的一些病原菌具有直接抑菌作用，而且誘導(dǎo)提高采后果實(shí)的系統(tǒng)抗病性，從而抑制果實(shí)采后腐爛發(fā)生。當(dāng)前，外源草酸在水果采后保鮮中的應(yīng)用研究已引起重視。我們綜述了外源草酸對(duì)水果采后貯藏保鮮的效應(yīng)及其作用機(jī)制。并對(duì)進(jìn)一步開展相關(guān)研究作出了展望。

關(guān)鍵詞：水果；外源草酸；貯藏；機(jī)理

中圖分類號(hào)：S66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-9980(2010)04-605-06

草酸(Oxalic acid)是生物體的一種代謝產(chǎn)物，廣泛分布于植物、動(dòng)物和真菌體中，并在不同的生命體中發(fā)揮不同的功能。研究發(fā)現(xiàn)百多種植物富含草酸，尤以菠菜、莧菜、甜菜、馬齒莧、芋頭、甘薯和大黃等植物中含量最高。由于草酸可降低礦質(zhì)元素的生物利用率，在人體中容易與鈣離子形成草酸鈣導(dǎo)致腎結(jié)石，所以草酸往往被認(rèn)為是一種礦質(zhì)元素吸收利用的拮抗物。然而，外源草酸在毫摩爾濃度水平就具有極強(qiáng)的抗氧化性能，在適當(dāng)用量范圍內(nèi)可以作為一種天然的抗氧化劑應(yīng)用于食物的貯藏中并發(fā)揮重要作用。當(dāng)前，許多研究表明外源草酸(毫摩爾濃度，大大低于一些經(jīng)常食用蔬菜或果實(shí)的草酸含量水平)能夠延緩果實(shí)成熟衰老進(jìn)程，提高果實(shí)的抗病性，抑制采后果實(shí)病情發(fā)展和褐變發(fā)生，對(duì)采后水果的保鮮作用效應(yīng)極為顯著，因而外源草酸在果蔬保鮮中的應(yīng)用已引起廣泛關(guān)注。作者簡(jiǎn)要概述外源草酸對(duì)水果的保鮮效應(yīng)及作用機(jī)制，以期為進(jìn)一步開展相關(guān)研究提供參考。

1 外源草酸延緩采后果實(shí)成熟的進(jìn)程和機(jī)制

1.1 延緩果實(shí)采后的成熟進(jìn)程

一些研究結(jié)果表明外源草酸能夠有效地延緩甜瓜、冬棗、獼猴桃、桃子、杧果和蘋果的采后成熟進(jìn)程，從而延長(zhǎng)果實(shí)的貯藏期及貨架期。例如，杜果采后硬度、可溶性固形物(SSC)和可滴定酸(TA)含量等是衡量果實(shí)成熟的重要指標(biāo)。采后杧果經(jīng)過5mmol·L^{-1草酸溶液浸泡10min后在常溫(25℃)、低溫(14℃)和氣調(diào)(3％CO_{2+2％O2、14℃)條件下貯藏，果實(shí)軟化、SSC增加和TA降低的速率都顯著減緩；果實(shí)貯藏期在常溫(25℃)下約20d，比對(duì)照延長(zhǎng)6d；在低溫(14±1)℃下，貯藏期28d，比對(duì)照延長(zhǎng)7d，貨架期為3d以上；在氣調(diào)條件下，貯藏期為30～35d，比對(duì)照延長(zhǎng)約10d，貨架期可以達(dá)到3d。}}

1.2 延緩果實(shí)成熟的機(jī)制

1.2.1 降低果實(shí)的細(xì)胞壁代謝 在果實(shí)成熟過程中，多聚半乳糖醛酸酶(PG)、果膠酯酶(PE)、果膠甲酯酶(PME)、葡聚糖酶(α-Gal或/和β-Gal)、木聚糖酶(XYL)和纖維素酶(Cx)等水解酶被認(rèn)為是引起果實(shí)軟化的重要因子。我們研究發(fā)現(xiàn)草酸處理顯著降低杧果果肉的PG、α-Gal、β-Gal、Cx和XYL的活性(資料待發(fā)表)。張中海等報(bào)道草酸處理推遲了采后獼猴桃果實(shí)PG活性高峰的出現(xiàn)時(shí)間。

應(yīng)用基因操作方法調(diào)控、改變這些水解酶活性的研究結(jié)果表明還有另外一些重要因子參與果實(shí)成熟軟化過程，其中擴(kuò)展蛋白(expansin，EXP)又名膨脹素，是新近發(fā)現(xiàn)的一種與果實(shí)成熟軟化密切相關(guān)的細(xì)胞壁蛋白，它可能通過抑制、干擾纖維素與木質(zhì)葡聚糖(xyloglucan)之間的非共價(jià)鍵相互作用，破壞胞壁微纖絲結(jié)構(gòu)，從而在果實(shí)成熟軟化過程中發(fā)揮重要作用而倍受關(guān)注。EXP屬于多基因家族，普遍存在于果實(shí)中，一部分EXP與果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育有關(guān)，另部分EXP與果實(shí)后熟軟化相關(guān)。外部刺激、植物激素對(duì)與果實(shí)成熟軟化相關(guān)的EXP基因表達(dá)具有調(diào)節(jié)作用。例如，乙烯誘導(dǎo)躍變型果實(shí)番茄LeExpl、桃PchExpl的專一性表達(dá)，而非躍變型果實(shí)草莓FaExp2和FaExp5受生長(zhǎng)素的負(fù)調(diào)節(jié)。最近，我們研究發(fā)現(xiàn)草酸處理抑制采后卡亡果果肉EXP基因表達(dá)(資料待發(fā)表)。另外，近些年果實(shí)軟化機(jī)理的研究已證明LOX也與果實(shí)軟化進(jìn)程密切相：LOX可能是乙烯生物合成的上游因子，而LOX的膜質(zhì)過氧化作用可能既是果實(shí)后熟軟化的啟動(dòng)因子，又是加速果實(shí)后熟軟化進(jìn)程的關(guān)鍵因子。王文雅等研究發(fā)現(xiàn)Ca_{2+處理抑制番茄果實(shí)組織中LOX、PG活性和PG、LeLOXB、LeExpl基因的表達(dá)，而且主要通過抑制LOX來抑制果實(shí)軟化過程的啟動(dòng)，從而延緩果實(shí)軟化進(jìn)程。由于草酸處理導(dǎo)致采后桃、冬棗和杧果等呼吸躍變型果實(shí)的LOX活性、ROS產(chǎn)量和乙烯釋放量等降低，果實(shí)成熟軟化減慢。因此，系統(tǒng)深入地研究外源草酸如何改變果實(shí)成熟過程中的信號(hào)傳遞來調(diào)控細(xì)胞壁代謝和乙烯生物合成代謝相關(guān)基因表達(dá)，將有利于進(jìn)一步揭示、闡明草酸延緩采后果實(shí)成熟的分子生理機(jī)理。}

1.2.2 提高果實(shí)的抗氧化能力 果實(shí)成熟過程是一種氧化作用不斷加強(qiáng)的過程，其活性氧自由基(ROS)產(chǎn)量增加不僅改變膜的完整性，而且加劇膜脂過氧化，最終導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞，代謝紊亂。果實(shí)具備酶促和非酶促抗氧化防御系統(tǒng)清除ROS，從而緩解果實(shí)的氧化傷害，進(jìn)而有助于延緩果實(shí)成熟衰老進(jìn)程。特別是果實(shí)的超氧物岐化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)和抗壞血酸氧化酶(APX)在抗氧化中發(fā)揮重要的作用，而且產(chǎn)生H₂O₂的抗氧化酶與清除H₂O₂的抗氧化酶之間的協(xié)同作用比單一酶在植物/果實(shí)的抗氧化過程中更具重要性。另外，LOX參與O₂^- 和單線態(tài)氧等自由基的形成和膜脂過氧化過程，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)破壞，從而加速果實(shí)的成熟進(jìn)程。抑制LOX活性升高、控制LOX基因表達(dá)能夠有效地延緩、控制果實(shí)的成熟進(jìn)程。桃和杧果采后經(jīng)草酸處理后，果實(shí)的主要抗氧化物如抗壞血酸(AsA)和GSH并沒有發(fā)生顯著變化，但是LOX活性降低，SOD、CAT、POD和APX活性升高，ROS水平包括 產(chǎn)量和H₂O₂含量在貯藏期出現(xiàn)不同程度的降低，果實(shí)細(xì)胞膜透性增加趨勢(shì)被緩解，膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛含量降低。說明草酸處理降低LOX活性及誘導(dǎo)提高果實(shí)抗氧化酶活性不僅導(dǎo)致ROS水平的降低，而且降低膜脂過氧化的程度，因而有助于維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低果實(shí)成熟進(jìn)程的氧化傷害，最終減緩果實(shí)的軟化進(jìn)程并延緩果實(shí)的成熟過程。

1.2.3 抑制乙烯的生物合成 乙烯代謝是控制采后果實(shí)，特別是呼吸躍型果實(shí)成熟的一個(gè)重要因子。草酸處理有效地抑制采后冬棗、獼猴桃和杧果等采后果實(shí)的乙烯釋放量，并且推遲采后果實(shí)的乙烯釋放量高峰的出現(xiàn)時(shí)間。ACC合成酶(ACS)和ACC氧化酶(ACO)是乙烯生物合成的2個(gè)關(guān)鍵酶。Wang等發(fā)現(xiàn)草酸處理降低冬棗采后乙烯產(chǎn)量的主要原因是抑制ACS活性，同時(shí)提高了與乙烯合成前體相關(guān)蛋白-胱硫醚-β-合酶結(jié)構(gòu)域包含蛋白(CBSdomain-containing protein)的表達(dá)。

ROS作為中間信號(hào)或中間因素啟動(dòng)乙烯生物合成。同時(shí)，Ca²⁺作為一種重要的“第二信使”影響和調(diào)節(jié)植物體內(nèi)乙烯代謝和延緩衰老，但是Ca2²⁺是促進(jìn)還是抑制植物組織乙烯合成取決于Ca²⁺在細(xì)胞中分布位置及胞內(nèi)外的²⁺濃度。研究發(fā)現(xiàn)外源草酸進(jìn)入植物細(xì)胞的胞間隙與Ca²⁺形成草酸鈣沉淀而降低胞膜外Ca²⁺水平，造成胞質(zhì)Ca²⁺流，從而誘發(fā)胞內(nèi)Ca²⁺庫(kù)(如液泡等)釋放出Ca²⁺；而隨著胞膜外Ca²⁺水平降低，草酸鈣沉淀可以重新溶解產(chǎn)生Ca²⁺。草酸以這種方式控制細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)之間Ca²⁺水平有助于維護(hù)胞壁和胞膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，也可作為一種信號(hào)引發(fā)細(xì)胞內(nèi)的一系列生理生化反應(yīng)。最新研究報(bào)道：采前25～30d噴施5mmol·L^-1草酸有效地提高采后卡亡果果皮和外果肉組織的鈣含量，增加果皮細(xì)胞壁、細(xì)胞間隙、細(xì)胞膜、液泡膜和質(zhì)體等部位疏松結(jié)合態(tài)鈣的分布和含量。我們發(fā)現(xiàn)采后杧果經(jīng)草酸處理后，果皮表皮細(xì)胞的液泡膜和質(zhì)膜中Ca²⁺分布增加(資料待發(fā)表)。然而，草酸是否通過影響果實(shí)Ca²⁺的重新分配和／或ROS代謝引起中間信號(hào)產(chǎn)生，從而調(diào)控與果實(shí)細(xì)胞壁軟化和乙烯生物合成相關(guān)基因的表達(dá)，最終有效延緩果實(shí)成熟的機(jī)理尚待研究。

1.2.4 降低果實(shí)的呼吸速率 呼吸作用成為采后果實(shí)新陳代謝的主導(dǎo)，直接聯(lián)系著其他各種生理生化過程，并影響和制約著采后果實(shí)的壽命、品質(zhì)變化和抗病能力。隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，采后果實(shí)的同化物質(zhì)不斷減少，呼吸越強(qiáng)則衰老越快；因此，抑制采后果實(shí)的呼吸速率對(duì)于延長(zhǎng)果實(shí)貯藏期至關(guān)重要。桃果實(shí)采后分別經(jīng)1和5mmol·L^-1草酸處理后，果實(shí)的硬度在貯藏中保持較高，果實(shí)呼吸速率在貯藏期間顯著低于對(duì)照。其他研究也表明草酸處理顯著抑制冬棗和獼猴桃果實(shí)采后的呼吸速率與延緩果實(shí)衰老進(jìn)程相關(guān)。

2 外源草酸抑制果實(shí)采后腐爛及機(jī)制

2.1 抑制采后果實(shí)的腐爛發(fā)生

外源草酸有效地抑制甜瓜、冬棗、杧果、桃子、梨果等果實(shí)采后病情發(fā)展和腐爛發(fā)生。例如，采后草酸、采前+采后草酸和采前Ca²⁺采后草酸3種處理杧果，發(fā)現(xiàn)常溫下6后，3種草酸處理果實(shí)的病情指數(shù)顯著低于對(duì)照和殺菌劑處理；低溫貯藏21d，3種草酸處理的病情指數(shù)顯著低于對(duì)照和殺菌劑處理，隨后在常溫貨架3，病情指數(shù)仍顯著低于對(duì)照，但與殺菌劑處理的相當(dāng)。氣調(diào)下20和30d，草酸處理的病情指數(shù)顯著低于對(duì)照和殺菌劑處理，隨后在常溫貨架3d，病情指數(shù)仍顯著低于對(duì)照和殺菌劑處理。桃栽培種“八月脆”果實(shí)采后經(jīng)5mmol·L^-1，草酸溶液浸泡10min后在低溫條件下貯藏，盡管處理和對(duì)照果實(shí)在低溫下貯藏20d未出現(xiàn)病斑和腐爛，病情指數(shù)和果實(shí)腐爛率均為0，但是轉(zhuǎn)入常溫(25℃)3d后是果實(shí)腐爛劇增，其中對(duì)照和處理果實(shí)的病情指數(shù)分別是42.0％和25.0％，果實(shí)的腐爛率分別是84.0％和56.5％。

2.2 抑制腐爛發(fā)生的作用機(jī)制

2.2.1 提高采后果實(shí)的抗病性 許多研究證實(shí)草酸是一種非常有效的非生物誘抗劑，誘導(dǎo)植物對(duì)真菌、細(xì)菌和病毒的系統(tǒng)抗性。最近，一些研究表明草酸處理可誘導(dǎo)甜瓜、冬棗、梨果等采后果實(shí)對(duì)一些病原菌產(chǎn)生系統(tǒng)抗性。例如，Tian等發(fā)現(xiàn)草酸處理誘導(dǎo)梨果采后對(duì)aIternata的系統(tǒng)抗性。研究發(fā)現(xiàn)50mmol·L^{-1的草酸處理顯著地降低A，ahernata、F.semitectum和T. roseum損傷接種“銀帝”甜瓜果實(shí)的病斑直徑，而且草酸處理誘導(dǎo)積累的信號(hào)分子可以通過果實(shí)的處理面向非處理面轉(zhuǎn)移，從而誘導(dǎo)果實(shí)對(duì)損傷接種的病原菌的系統(tǒng)獲得抗病性。Wang等認(rèn)為草酸處理提高冬棗果實(shí)對(duì)青霉病的抗性與其誘導(dǎo)提高果實(shí)的major allergen、Cu/Zn-SOD和熱激蛋白70(HSP70)3個(gè)與脅迫和防御相關(guān)蛋白質(zhì)的表達(dá)相關(guān)。}

草酸處理誘導(dǎo)提高采后果實(shí)的抗病性可能與處理濃度相關(guān)，而且可能存在基因差異相關(guān)。鄧建軍等研究發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)草酸達(dá)到某一濃度時(shí)才能有效啟動(dòng)果實(shí)的防衛(wèi)反應(yīng)，一旦防衛(wèi)反應(yīng)被啟動(dòng)，更高濃度或重復(fù)處理均不能進(jìn)一步增加防衛(wèi)反應(yīng)的強(qiáng)度。鄭小林等認(rèn)為草酸處理提高桃果實(shí)采后抗病性與其誘導(dǎo)提高果實(shí)的PPO、SOD和POD活性密切相關(guān)。草酸處理誘導(dǎo)提高梨果冬棗m、梨果果實(shí)抗病相關(guān)酶(POD，PPO，PAL)活性，但對(duì)杧果抗病相關(guān)酶的活性并不產(chǎn)生顯著影響。說明草酸處理誘導(dǎo)提高采后果實(shí)的抗病性表現(xiàn)一定的復(fù)雜性。

2.2.2 直接的抑茵作用 外源草酸對(duì)一些腐敗真菌孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)具有直接抑制作用。例如，張衍榮等研究不同濃度草酸對(duì)豇豆枯萎病病菌的孢子萌發(fā)、菌絲生長(zhǎng)和挑戰(zhàn)接種后幼苗發(fā)病率的影響，結(jié)果表明草酸濃度>5.0mmol·L^-1都能顯著地抑制豇豆枯萎病病菌孢子萌發(fā)，濃度>20.0 mmol·L^-1對(duì)病菌菌絲生長(zhǎng)也有顯著的抑制作用。Ganaieny等發(fā)現(xiàn)2、4、6、8和10 mmol·L^-1草酸均能抑制洋蔥枯萎菌菌絲的生長(zhǎng)，而且8 mmol·L^-1能極大減少其孢子的萌發(fā)。

炭疽病菌(Colletotrichum gloeosporioides Penz，)感染導(dǎo)致的炭疽病是采后卡亡果的主要病害之一。環(huán)境的pH影響炭疽病菌的生長(zhǎng)和致病力。Zheng等發(fā)現(xiàn)PDA中草酸含量在5或高于5mmol·L^-1，無(wú)論pH值是否中和，杧果炭疽病菌的孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)均受到顯著抑制(盡管同一草酸濃度下，不中和pH時(shí)比中和pH下的抑制效果更明顯)，表明草酸除引起PDA的pH下降而抑制炭疽病菌的孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)外，對(duì)一些病原菌也具有直接的抑制作用。

2.2.3 緩解果實(shí)采后抗病力下降程度 采后果實(shí)，特別是呼吸躍變型水果的抗病性伴隨果實(shí)的成熟進(jìn)程而急劇降低，因?yàn)槌墒爝^程中果實(shí)的物化、生理、生化等變化不僅增加果實(shí)對(duì)病原菌的易感性，而且加劇潛伏性病害的發(fā)展。草酸有效控制水果采后的腐爛發(fā)生。不僅與草酸直接抑制采后病原菌如炭疽病菌孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)，以及草酸誘導(dǎo)提高果實(shí)的抗病性相關(guān)性，而且與草酸處理提高采后果實(shí)的SOD活性、降低LOX活性和果實(shí)的乙烯釋放量等，從而延緩果實(shí)采后成熟等生理效應(yīng)相關(guān)。

3 外源草酸對(duì)果實(shí)抗冷和抗褐變作用

冷敏性較強(qiáng)的果實(shí)在采后冷藏過程中往往發(fā)生冷害，提高這類果實(shí)的抗冷性對(duì)于延長(zhǎng)果實(shí)的貯藏期至關(guān)重要。Ding等研究發(fā)現(xiàn)貯藏前用5 mmol·L^-1草酸浸泡杧果果實(shí)，可明顯減緩果實(shí)在低溫(5℃)下冷害的發(fā)生；草酸處理提高CAT和POD活性增高，從而降低果實(shí)內(nèi)H₂O₂含量和減輕氧脅迫，可能是草酸減緩卡亡果果實(shí)冷害的原因之一。

外源草酸能有效控制采后萵苣及菊苣、蘋果、香蕉切片、采后荔枝果實(shí)和采后龍眼果實(shí)的褐變發(fā)生。例如，荔枝采后經(jīng)2和4mmol·L^-1草酸處理，果實(shí)的裼變系數(shù)顯著降低：草酸處理提高荔枝果實(shí)膜的完整性、防止花色苷的降解、降低POD活性和膜脂過氧化作用等效應(yīng)與其降低荔枝果實(shí)的褐變發(fā)生密切相關(guān)。草酸處理降低龍眼采后果實(shí)褐變與抑制果皮PPO活性相關(guān)。

4 結(jié)論與展望

目前，研究表明草酸處理不僅有效延緩果實(shí)的成熟衰老進(jìn)程，而且有效控制采后果實(shí)的病情、腐爛及褐變發(fā)生，對(duì)果實(shí)采后保鮮效果明顯。同時(shí)，檢測(cè)表明毫摩爾濃度水平的草酸處理并沒有引起果實(shí)草酸含量顯著增高，也不影響果實(shí)成熟后常規(guī)食用品質(zhì)指標(biāo)，甚至還能改善一些果實(shí)的食用品質(zhì)。例如，草酸處理改善紅杧果成熟后果實(shí)表皮的著色，并對(duì)杧果果實(shí)㈣在氣調(diào)貯藏下和獼猴桃果實(shí)(0±0.5)℃冷藏條件下的維生素C保持具有一定的輔助作用。Wang等發(fā)現(xiàn)草酸處理顯著降低冬棗果實(shí)的乙醇含量而改善果實(shí)的食用品質(zhì)。以草酸為主劑的復(fù)合清洗劑延緩采后蘋果的衰老、降低腐爛率，同時(shí)能有效清除蘋果表面農(nóng)藥、重金屬殘留和菌落。因此，草酸處理可作為一些水果采后貯藏保鮮可供選的新方法，而且其操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、安全有效而展示較大的商業(yè)應(yīng)用前景。

今后，有關(guān)外源草酸延緩采后果實(shí)、特別是呼吸躍變型果實(shí)成熟衰老的分子機(jī)理，包括草酸如何通過影響信號(hào)傳導(dǎo)而調(diào)控乙烯代謝、細(xì)胞壁代謝等關(guān)鍵相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控果實(shí)采后的成熟衰老進(jìn)程；以及草酸對(duì)采前或／和采后果實(shí)的抗病性機(jī)制，包括草酸處理引起果實(shí)表皮形成草酸鈣晶體對(duì)果實(shí)防病效應(yīng)、草酸對(duì)抗病物質(zhì)(木質(zhì)素、植保素、酚類、萜類化合物、病程相關(guān)蛋白等)的影響，調(diào)控果實(shí)pH變化而影響病原菌的致病力，以及調(diào)控抗病基因表達(dá)及其果實(shí)基因型方面的差異等方面尚待深入系統(tǒng)研究。