鮮切對果蔬生理生化的影響及其調控方法

馬 躍,胡文忠,程 雙,姜愛麗,畢 陽

(1.甘肅農業大學食品科學與工程學院,甘肅蘭州 730070; 2.大連民族學院生命科學學院,遼寧大連 116600; 3.大連工業大學生物與食品工程學院,遼寧大連 116034)

鮮切對果蔬生理生化的影響及其調控方法

馬 躍1,胡文忠2,＊,程 雙3,姜愛麗2,畢 陽1

(1.甘肅農業大學食品科學與工程學院,甘肅蘭州 730070; 2.大連民族學院生命科學學院,遼寧大連 116600; 3.大連工業大學生物與食品工程學院,遼寧大連 116034)

鮮切果蔬發展前景十分廣闊。本文從傷呼吸和傷乙烯的產生、酶促褐變、細胞壁及膜組分降解等方面介紹了由鮮切引起果蔬的一系列生理生化反應,并總結了低溫加工貯運、防腐保鮮劑、氣調處理以及可食性涂膜等控制鮮切果蔬不良變化的方法,旨在為后續研究鮮切果蔬理論提供參考。

鮮切果蔬,生理生化變化,調控方法

1 鮮切對果蔬生理生化的影響

1.1 傷乙烯生成

乙烯是植物生長的調節劑,幾乎所有的植物組織均有產生乙烯的能力,果蔬組織切割后會導致乙烯生成量迅速增加,稱為傷乙烯。機械傷害可誘發不產生或乙烯生成很少的果蔬乙烯釋放量增加。如完整的南瓜幾乎不產生乙烯,但是一旦受到機械傷害,就會在較短的時間內產生大量乙烯[2]。傷乙烯產生后會對產品產生很多不利影響,如傷乙烯會促進與果蔬成熟有關的酶的生物合成,使果實呼吸增加,組織軟化,產生褐變,降低自身對逆境的抵抗力,從而加速果蔬組織的衰老與腐敗。此外,有研究表明,果蔬中芳香物質的代謝受乙烯調節,用乙烯處理轉基因番茄后,其檸檬酸和蘋果酸的含量會升高[3]。

1.2 呼吸強度

大量研究表明,機械損傷會使果蔬組織呼吸速率顯著增加,即傷呼吸,并隨著衰老過程而進一步加強,甚至還會改變某些果蔬組織的呼吸途徑。有研究指出,受損傷后的小白菜呼吸速率明顯高于未受損傷的呼吸速率,而且呼吸速率隨著傷害程度的增加而增加[4]。不同的切分方式對呼吸強度的影響也不同,切分越細,果蔬表面積增加越大,呼吸強度越高,切塊胡蘿卜的呼吸強度是未切分的 2倍左右,與切塊胡蘿卜相比,切片胡蘿卜的呼吸強度增加了15.6%,切絲胡蘿卜的呼吸強度增加了 36.7%[5]。切割引起的呼吸上升會導致貨架期的縮短。呼吸作用還會引起糖類的消耗,淀粉降解加強,三羧酸循環和電子傳遞鏈活化,并產生大量 CO2、O2以及劇增的熱量釋放等生理效應。另外,鮮切果蔬表面的汁液阻塞氣孔,氣體擴散速率下降,造成局部的 CO2/O2的比值上升,達到一定程度后誘發無氧呼吸。無氧呼吸造成乙醇和乙醛的大量積累,使產品風味發生變化。切割后的果蔬對于溫度更為敏感,溫度高時生理和生化反應加速,不利于產品品質。一般來說,在一定的溫度范圍內,降低溫度,呼吸強度就大大減弱。果蔬呼吸強度越小,物質消耗就越慢,貨架期就會延長。

1.3 酶促褐變

切割造成果蔬細胞破碎,使細胞內容物如氧化酶被釋放出來,引起組織的生理生化反應。不僅影響產品外觀質量,也會產生令人不快的味道,并造成營養的流失,是限制鮮切產品貨架期的主要因素。褐變已成為大部分果蔬如蓮藕[6]、萵苣[7]、馬鈴薯[8]、蘋果[9]、梨[10]等切割過程中都會遇到的一個問題,防止褐變已成為切割果蔬行業急需解決的首要問題。與酶促褐變相關的酶主要包括苯丙氨酸解氨酶(PAL)、多酚氧化酶 (PPO)和過氧化物酶 (POD)。PAL是參與酶促褐變底物酚類物質形成的關鍵性酶,同時也是次生代謝物質形成的關鍵性酶,而 PPO和 POD則直接催化酚類物質形成褐色物質。

1.3.1 苯丙氨酸解氨酶 (PAL) 鮮切果蔬加工中造成的傷害會誘導苯丙烷代謝酶系統,PAL是苯丙烷代謝的第一個關鍵性酶,切割作為機械損傷必然會對 PAL產生影響。龐坤[9]等人研究表明,鮮切蘋果在貯藏過程中 PAL活性呈先上升后下降趨勢,前期PAL活性明顯上升是由傷害和傷乙烯大量釋放引起的。在貯藏后期 PAL活性的下降可能是因為乙烯釋放量的降低以及組織衰老造成的。PAL活性提高有利于愈傷組織的形成,起到修補傷口的作用。李正果[11]等研究認為植物在遭受傷害時,苯丙烷類代謝被激活,PAL活性上升以產生較多植保素、木質素來減輕傷害,當合成較多次生代謝物后,它們會反饋抑制 PAL活性,從而減少營養物質的消耗,有利于傷口愈合。

1.3.2 多酚氧化酶 (PPO) PPO通常被認為是引起果蔬產品采后褐變最重要的酶,其直接催化相應的酚類物質生成褐色的醌類物質,從而導致組織產生褐變。劉程惠[8]等研究表明,鮮切馬鈴薯的 PPO活性的變化是先增加后降低,再增加又降低,這是因為切割誘導了馬鈴薯組織中潛伏存在的 PPO活性,使其在貯藏初期內活性迅速提高;隨后 PPO活性降低后又上升,這是誘導酶活和自殺性失活 2種作用平衡的結果;貯藏后期誘導作用降低,自殺性失活占主導,從而導致 PPO活性降低。Tomas-Barberan[12]等人認為切割傷害可直接激發 PPO活性的上升。研究表明,鮮切蘋果的 PPO活性明顯大于完整蘋果,且在貯藏初期表層果肉的 PPO活性大于內層,可見受傷部位果肉的 PPO活性的上升快于遠離受傷部位的果肉。貯藏中期表層和內層的 PPO活性差別不大。但在貯藏末期,內層的 PPO活性大于表層,一方面由于表層果肉衰老,各種代謝減緩,另一方面是因為 PPO催化的褐變產物對 PPO有一定的抑制作用[13]。潘永貴[14]等研究表明,鮮切蓮藕組織中 PPO活性除了貯藏初期活性有所下降外 (其可能主要與貯藏溫度下降有關),隨著貯藏時間的延長,褐變逐步加重,PPO活性逐漸上升,這說明了蓮藕組織褐變與 PPO活性有關。

1.3.3 過氧化物酶 (POD) 大量研究表明,POD在有 H2O2存在時能催化酚類、類黃酮的氧化和聚合,參與酚類物質的代謝,與果蔬組織褐變密切相關。另外,POD也是植物在逆境條件下酶促防御系統的關鍵酶,是細胞內清除活性氧的保護酶。龐坤[9]等研究表明,鮮切蘋果的 POD活性呈先上升后下降的變化趨勢。POD活性在貯藏初期快速上升可能是由于傷害的脅迫,果蔬膜系統的完整性受到破壞,細胞壁加快降解,游離態 POD得以增加。貯藏后期活性下降,可能是傷害對 POD產生的作用隨時間減小造成的。田密霞[10]等研究指出,作為 POD底物的過氧化物主要是 H2O2,低濃度的 H2O2可提高 POD的活性,而高濃度反過來抑制 POD活性。用抗壞血酸處理鮮切梨果實,在貯藏過程中 POD活性上升,可能由于抗壞血酸清除了部分 H2O2,從而使 H2O2濃度降低的原因。

1.4 細胞壁及膜組分降解

細胞膜降解會導致細胞和組織結構的去區域化以及正常細胞功能的喪失。許多次級反應是由膜降解引起的,最常見的是組織褐變和異味的產生。另外組織軟化也與細胞壁組分的降解有關。切割能影響細胞膜結構的破壞及原生質流動性的喪失,引起膜組分的迅速降解,如在切割后 15min內,鮮切馬鈴薯切片的磷脂減少 35%,糖脂減少 30%[15]。切割可能活化那些在正常條件下活性很低的酶,包括一些控制細胞壁、細胞膜代謝的酶。如傷害誘導番木瓜的多聚半乳糖苷酶、α-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷酶、脂氧合酶和磷脂酶 D,使其活性提高[16]。酰基水解酶和磷脂酶會使膜質降解產生自由脂肪酸。這些游離酸對細胞具有毒性,此外脂氧合酶 (LOX)可專一性的催化具有順,順-1、4戊二烯結構的不飽和脂肪酸轉化為氫過氧化物,進一步生成對細胞有毒的短鏈揮發醛類物質和游離自由基,損傷細胞膜,最終使細胞完全解體。

1.5 其他生理反應

除上面所說的幾種生理變化外,還會產生其他變化,如產生水分蒸發、組織軟化、營養成分流失、產生愈傷反應等。這些反應均會對產品質量造成不利影響。水分蒸發會導致產品發生萎蔫或皺縮。去皮或切割會導致這些蒸騰作用的屏障減少或消除,增加組織的比表面積,從而使水分散失加劇。組織軟化可能是傷害誘導的細胞壁和細胞膜降解酶作用的結果,也可能是果膠及多糖類物質的降解,另外細胞失水也可引起組織的軟化[17]。果蔬切割后,營養物質大量損失,特別是VC損失嚴重,經去皮的馬鈴薯, VC損失高達 35%[18]。此外,蛋白質含量也會下降,一方面由于蛋白質合成能力減弱,另一方面蛋白質分解加快。組織受到傷害后,會引發愈傷反應,在傷害部位的細胞壁中產生并沉積木栓質和木質素等一系列次生代謝物質。種類及品種不同的果蔬,產生的次生代謝物質種類也不同。組織的愈傷反應能影響鮮切果蔬的外觀,產生的木質素盡管可以防御病原微生物的入侵,但在一定程度上卻降低了其食用品質。

2 鮮切果蔬不良變化的控制方法

2.1 低溫加工、貯運

適宜的低溫可有效地降低果蔬組織的新陳代謝速度,抑制相關酶的活性,防止褐變,降低呼吸強度及乙烯釋放量。當環境溫度低于 5℃時,各種微生物的繁殖會受到明顯抑制[19]。王莉[20]等對切割生菜的保鮮研究結果表明,貯藏溫度越低,越有利于保持切割生菜的品質。低溫有利于保鮮,但是當溫度降低到臨界低溫時會發生冷害。因此,鮮切果蔬在低溫下貯藏應控制適當的溫度。但低溫處理只是一般鮮切果蔬保鮮的必要條件,需要與其它保鮮手段配合使用。

2.2 防腐保鮮劑

主要應用化學方法進行防腐保鮮處理。利用檸檬酸可降低 pH,抑制酶活性,利用螯合劑可抑制酶活性,保持鮮切果蔬的新鮮度。目前用于鮮切果蔬的防腐保鮮劑主要有山梨酸鉀、抗壞血酸、檸檬酸、4 -己基間苯二酚、氯化鈣、氯化鋅、氯化鈉、乳酸鈣、乙二胺四乙酸、半胱氨酸、谷胱甘肽、植酸等。許多天然提取物也有利于鮮切果蔬的保鮮。采用丁香提取物處理鮮切茄子,可很好地解決貯藏過程中失重和褐變的問題[21]。姜黃、虎杖、艾葉、丁香提取物對切割蔬菜中常見大腸桿菌 (Escherichia coli)、熒光假單胞 菌 (Pseudom onas fluorescens)、啤 酒 酵 母(Saccharom yces cervisiae)等病原微生物均有一定的抑制作用[22]。

2.3 氣調處理

自發氣調包裝 (modified a tmosphere packaging, MAP)是通過包裝袋內外氣體交換和袋內產品的呼吸作用,被動地形成一個袋內的氣調環境,或用某一特殊的混合氣體充入特定的包裝袋,其最終目標是在包裝袋內形成一個理想的氣體條件,盡可能地降低產品的呼吸強度,同時不對產品產生不良影響[23]。這種環境可有效限制氧的供應、抑制乙烯生成及好氧性微生物的繁殖,從而延遲果蔬衰老,抑制腐爛的發生。研究發現,含有 5%～10%CO2以及 2%～5% O2的氣調環境,可明顯降低蔬菜呼吸速率,抑制酶活性,延長鮮切蔬菜貨架壽命[24]。所有的MAP處理都應該注意包裝材料的透氣性,透氣性差會引起高濃度 CO2傷害和低濃度 O2傷害,造成代謝紊亂,品質下降;透氣性太好不僅會引起失水,而且達不到自發氣調指標。目前鮮切果蔬大多采用氣調包裝結合低溫冷藏,能顯著延長鮮切果蔬的貯藏期,較好地保持鮮切果蔬品質。

2.4 可食性涂膜

可食性涂膜能在果蔬表面形成一層對水分和氣體具有半透性的屏障,從而降低呼吸、減緩褐變和水分散失,進而抑制鮮切果蔬生理紊亂的發生,延長貨架期[25]。在成膜劑中加入抗氧化劑、保鮮劑是常用的方法,這樣結合使用能減少試劑的使用劑量,且可以更有效地抑制鮮切果蔬的褐變和品質損失。Lee[26]等研究發現采用加入抗壞血酸和氯化鈣的乳清蛋白的可食性涂膜處理,可使鮮切蘋果感官品質保持 2周無劣變。Perez-Gago[27]等研究發現在乳清蛋白和蜂蠟涂膜中與抗壞血酸或半胱氨酸結合使用,比單獨使用涂膜能更有效地抑制鮮切蘋果的褐變。殼聚糖是研究較多的涂膜材料之一,殼聚糖膜可阻礙果蔬中水分的蒸騰作用,抑制果蔬的呼吸強度,延緩食品皺縮和萎蔫。Chine[28]等研究表明,殼聚糖保鮮膜阻止了鮮切芒果的水分損失和風味劣化,增加了可溶性固形物、可滴定酸和抗壞血酸含量,還抑制了微生物的生長。采用殼聚糖保鮮膜能有效提高鮮切芒果的品質及延長其貨架壽命。

2.5 其它方法

利用射線輻照處理、振蕩磁場、高壓及生物防腐劑處理,對于鮮切果蔬的保鮮也具有很好的效果[29]。

3 結束語

鮮切果蔬仍具有生命活動、呼吸等新陳代謝作用,在加工和貯藏過程中,很容易腐爛變質。所以要求在鮮切果蔬的加工、貯藏、運輸和銷售中有一個高度配合的冷鏈系統,使果蔬組織自身的新陳代謝處于最低狀態,微生物的生長繁殖也受到最大的抑制。

傷害誘導的多種生理變化是影響大多數鮮切果蔬質量和貨架期的重要因素。值得注意的是這些生理生化變化之間并不是相互孤立的,如產生的乙烯可能會促進與褐變相關的酶活性提高,誘發酶促褐變,或誘發降解膜結構的酶使組織的膜結構分解,進一步促進褐變和乙烯的產生等。我們需要深入研究確定它們之間的相互關系,明確鮮切果蔬的生理變化機制,為更好地保持鮮切產品的質量奠定生物學基礎。

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Effects of fresh-cut on the physio-biochemical changes of fruits and vegetables and its controlling methods

MA Yue1,HUW en-zhong2,＊,CHENG Shuang3,JIANG A i-li2,BIYang1
(1.College of Food Science and Engineering,Gansu AgriculturalUniversity,Lanzhu 730070,China; 2.College ofLife Science,Dalian NationalitiesUniversity,Dalian 116600,China; 3.College ofBio&Food Techonlogy,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China)

The indus try of fresh-cut fruits and vege tab les has good p rosp ec ts.In this p ap e r,the deve lopm ent of wound ing e thylene and resp ira tion,enzym a tic b rowning,deg rada tion of ce ll wa ll and m em b rane comp onents of fresh-cut fruits and vege tab les we re reviewed.M oreove r,som e effec tive controlling m e thods,such aslowtemp e ra ture p rocess ing,s torage and transp ort,p rese rva tive agent,controlled a tm osp he re and ed ib le coa tings we re introduced.The m a jor role of this p ap e r is to p rovide som e confe rences for the subsequent s tudy on fresh-cut fruits and vege tab les.

fresh-cut fruits and vege tab les;p hys io-b iochem ica l changes;controlling m e thods

TS255.1

A

1002-0306(2010)02-0338-04

鮮切果蔬(即最小化加工果蔬或切割果蔬)是指新鮮果蔬原料經清洗、去皮、修整、切割、包裝而制成的方便果蔬制品。鮮切果蔬可減少城市垃圾,提高附加值,節約時間,不但符合消費者對自然、新鮮、衛生、方便、環保及健康食品的需要,還可滿足食品快餐業、團體飲食業、軍事后勤供給的特殊需要,逐漸成為城市果蔬消費的主流,被認為是今后果蔬業發展的方向之一[1]。但鮮切果蔬還存在明顯的缺點。它極易變質和衰老,貨架期短。鮮切加工造成的機械損傷導致一系列復雜的物理和生理效應,對果蔬的生理特性、品質特性及貨架期等均產生諸多不利影響。鮮切果蔬經切割后失去了果實整體的代謝協調性,產生不可修復的、失去自身保護的傷害,誘發一系列生理生化反應,如傷乙烯的產生、呼吸速率升高、酶促褐變、細胞壁及膜組分降解等,這些變化加速了鮮切果蔬的衰老進程。本文綜述了鮮切加工對果蔬造成的不良生理生化反應及控制方法,從而為鮮切果蔬的加工、保鮮提供一定的理論依據,對深入探明鮮切果蔬的生物學問題具有重要的實際意義和理論價值。

2009-03-02 ＊通訊聯系人

馬躍(1984-),女,碩士研究生,研究方向：食品科學。

國家自然科學基金項目(30771508,30671458);遼寧省教育廳高等學校科研基金資助項目(2005L057)。