采后果品細胞膨壓變化規律及其對質地調控的研究進展

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(1.長春大學食品科學與工程學院,吉林長春 130022;2.吉林省健康狀態辨識與機能增強重點實驗室,吉林長春 130022;3.浙江李子園食品股份有限公司,浙江金華 321031)

細胞膨壓是細胞內液體施加在細胞壁上的靜水壓力,細胞膨壓使原生質體膨脹,使細胞膜緊貼于細胞壁[1],維持細胞形狀、體積、剛度和彈性。細胞膨壓對果品的壓縮、剪切、穿刺、蠕變和松弛等力學性質影響巨大,對果品質地保持非常重要。當果品貯藏環境中空氣的水蒸氣壓低于果皮表面水蒸氣壓時,會引起果蔬水分蒸發,使細胞膨壓降低,果品便產生萎蔫現象。一般情況下,果品采后失水超過5%就顯示出失鮮狀態,表面皺縮、光澤消退、細胞孔隙增多、組織變成海綿狀。質地特征作為果品采后的品質指標之一,在貯運期間非常容易受到細胞膨壓損失的影響,并且細胞膨壓是影響果品質地的關鍵因素之一[2-3]。鮮食果品在采后仍然進行著生理活動,若貯藏溫度選擇不當,容易導致水果失水萎縮、膨壓損失、色澤改變[4],引起鮮活程度下降,質地變軟,腐敗變質,威脅人體健康。

分析采后果品細胞膨壓的變化規律及其與質地特征之間的相關性,對于研究典型貯藏環境對采后果品品質調控具有一定的指導意義。因此,本文綜述了采后果品細胞膨壓變化規律、細胞膨壓與果品質地相關性的研究進展。同時,提出了在采后果皮表面和鮮切水果表面構建特殊浸潤性涂層來控制水分定向輸送以調控膨壓的展望。這對研究細胞膨壓受采后貯藏因子影響而發生的變化規律具有一定的實踐意義,可為科學有效保障果品質量提供重要的理論依據,也有利于完善果品品質監測與調控體系。

1 采后果品細胞膨壓變化規律及維持的研究進展

細胞膨壓可維持果品細胞的緊張度、具有保持果品形態的功能,是眾多植物生理學家的研究焦點。目前關于細胞膨壓的研究主要是集中在分析植株生長過程中細胞膨壓的變化規律。例如,Burri等[5]搭建了一款包含壓縮和微探針兩個模塊的微操作系統,可實現同時分析生長中植物單細胞的膨壓和彈性模量的目標。但是,關于采后果品細胞膨壓的研究,依然主要是集中在水果整體保水階段,而關于保水后在細胞膨壓層面上所產生的影響仍未形成完整的研究體系。

1.1 采后果品細胞膨壓變化規律的研究進展

細胞膨壓理論是由Burstr?m[6]在1948年首次提出的,其大小由細胞膜內外溶液的滲透壓差而決定。即,果品細胞膨壓與細胞內含水量有關,細胞液的滲透壓決定了水分是滲入還是滲出細胞,這是導致細胞膨壓升降的根本原因。采后細胞膨壓的損失主要是由于水分蒸發而產生,進而直接影響果實的硬度[7-8]。果實失水的主要外在因素包括溫度、相對濕度、空氣流速、壓力和光線,內在因素則主要包括表皮細胞角質層的厚薄、細胞間隙的大小、原生質的特性、比表面積、細胞的持水力和成熟度[9]。目前,關于果實采后水分擴散的研究主要是考慮果實的多孔介質特征對水分擴散的影響,針對單個果實失水傳質過程展開[10],較少涉及細胞層面上的膨壓變化規律,這說明采后果品細胞膨壓分析尚未引起研究者的注意。

一些學者針對細胞膨壓變化進行了初步研究。例如,Rux等[11]采用壓力探針技術分析了紅葉卷心菜組織中單細胞的膨壓變化規律,發現菜葉細胞膨壓與溫度變化、超高壓處理、處理時間具有一定關系,找到了超高壓處理方法中保持紅葉卷心菜新鮮度的最佳參數為壓強150 MPa、溫度45 ℃、時間10 min。Belie等[12]將蘋果分別放置于溫度相同(25 ℃),但相對濕度不同(65%和95%)的貯藏環境內來產生不同的細胞膨壓,研究膨壓變化對喬納金蘋果(Malus domestica Borkh.)紅光漫反射的影響,發現細胞膨壓變化對漫反射沒有顯著影響。Iwanami等[13]采用熱電耦干濕計法分析了27種蘋果在20 ℃貯藏時的細胞膨壓變化,研究發現,依據細胞膨壓、硬度和綿軟的變化速率,可將蘋果分成5大類來討論硬度和綿軟對細胞膨壓變化速率的依賴性,從而為蘋果育種提供技術支撐。Shackel等[14]研究了不同成熟階段采摘后蕃茄的細胞膨壓,發現細胞膨壓的變化可在細胞層面反映出組織成熟的過程。任曉俊[15]采用核磁共振技術分析了蘋果的水分分布,這為果品采后細胞膨壓與水分分布相關性的分析提供了思路。由此可知,當前關于果品采后細胞膨壓變化規律的研究,主要是分析果蔬貯藏條件、加工條件所引起的變化,屬于被動檢測階段。這主要是由于細胞膨壓檢測存在一定難度,導致關于貯藏環境因子或加工方式對果品細胞膨壓影響規律的研究較少,目前仍未形成成熟的理論體系。因此,亟需在采后果品細胞膨壓變化規律研究方面進行研究,以實現細胞膨壓調控核心技術的突破。

1.2 采后果品細胞膨壓維持的研究進展

果實一旦脫離母體,便失去了營養和水分的補充,也直接影響細胞質濃度,引起細胞內水勢變化。因此,細胞膨壓變化屬于果品采后生理現象之一。減少水分損失,維持細胞膨壓對于保持果實品質起著關鍵的作用。目前,減少采后果實水分的損失主要依靠果實和周圍環境中水蒸氣壓差以及果實表面及內部組織對水分蒸發作用的抗性。人工打蠟操作,即在水果表面噴涂巴西棕櫚蠟、聚二甲基硅氧烷(PDMS)及其乳液、紫膠(僅限柑橘類和蘋果)等,控制果品水分損失,可用于維持果品細胞膨壓。例如,通過滾刷對水果進行清洗打蠟可改善果皮水壓,顯著改變桔皮的膨壓與滲透壓[16-17]。然而,打蠟保水只是維持果品細胞膨壓的一個有效方法,無法實現調控水分進入果肉細胞內部、調節膨壓的目的。此外,也有一些研究構建苯乳酸-海藻酸鈉涂膜減少甜櫻桃水分散失[18],或者以大豆分離蛋白(SPI)、蜂蠟、蘆薈原汁等不同組合作為涂膜降低櫻桃番茄失重率[19],或者制備紫白膠漆蠟復配涂膜防止柑桔失水[20],其主要目的是維持細胞膨壓,保持果品新鮮度。另外,將鮮切果蔬浸泡在無毒的液態高分子可食性涂膜劑中,在鮮切果蔬表層形成具有通途和阻隔特性的半透氣薄膜[21],也可以維持細胞膨壓,保持鮮切水果的新鮮度。許嘉琍等[22]介紹了多糖、紫膠、松香及其衍生物等林業生物質資源作為涂膜保鮮材料在果蔬保鮮中的應用,著重探討其涂膜保鮮的效果。涂膜技術及豐富的生物質資源必將為維持果品或鮮切果品細胞膨壓提供技術支持。

2 細胞膨壓對果品質地特征影響規律的研究進展

膨壓是胞內液體施加在細胞壁上的靜水壓力,可使細胞保持一定剛度和彈性,進而影響果品的生物力學性質。國內外已有研究分析了膨壓對果蔬的壓縮、剪切、彎曲和穿刺等力學特性的影響。關于果肉細胞膨壓與質地特征相關性的研究,主要是從果肉在糖溶液中浸泡后的質地變化規律方面展開,或者以數值仿真分析進行細胞膨壓與細胞彈性模量之間關系的研究。并且,基于細胞膨壓調控果品質地的技術尚未普及。

2.1 細胞膨壓與果品質地特征相關性的研究進展

在實驗分析方面,浸泡法是檢測細胞膨壓的常用方法,不能實現細胞膨壓與微觀力學性質的原位檢測。因此,相關研究仍然是將果肉在糖溶液中浸泡調整其膨壓數值,再分析相應的力學性質變化[23]。膨壓對果品宏觀硬度和組織強度具有極大影響,質地變軟的大部分原因可用膨壓損失來解釋[24]。Nilsson等[25]和Falk等[26]較早地提出了膨壓對組織具有影響的概念,并認為組織硬度與膨壓相關。另外,Lin等[27]分析了蘋果膨壓對斷裂應力、斷裂應變、組織硬度和斷裂模式的影響,認為蘋果果肉在斷裂時的應力應變與膨壓具有相關性。Belie等[28]發現梨肉組織的拉伸強度在細胞液濃度低于外界溶液濃度時(高滲溶液,細胞失水)下降了0.6 N,而同樣的梨肉組織在細胞液濃度高于外界溶液濃度時(低滲溶液,細胞吸水),其拉伸強度則增加了0.4 N,這說明細胞膨壓變大具有增加細胞壁強度的功能。Oey等[29]進行了蘋果細胞膨壓對微觀力學和結構性質方面的定量分析,結果表明,隨著膨壓增加,位于最大應力處的應變值下降而硬度上升,且細胞膨壓變化不影響細胞初始形態學參數,但明顯影響細胞變形幅度。細胞膨壓影響果實的抗張強度,而已經軟化果肉的細胞膨壓對果實的抗張強度沒有影響,這表明膨壓損失率會影響果實軟化程度;這與具有低膨壓細胞的組織比具有高膨壓細胞的組織硬度小的結論相符合。果肉細胞軟化期間細胞膨壓的變化及細胞壁的承受能力應該是果實軟化的根源[30]。越來越多的研究表明,在加工和貯藏期果蔬細胞壁的降解會導致膨壓損失,進而降低水果的硬度和彈性模量[31]。例如,Xu等[32]對胡蘿卜進行冷凍/融解處理,發現當膨壓發生損失時,樣品的儲能模量(G′)和損耗因子(Tanδ)也顯著下降。Rojas等[33]將圓柱形的哈密瓜果肉樣品浸泡到甘露醇梯度溶液內(從0～0.80 mol/L),來分析哈密瓜果肉的力學性質,發現果肉斷裂與細胞壁-細胞壁完整斷裂相關,而殘余應力則與細胞膨壓相關。吳杰等[34]對經過不同濃度蔗糖溶液滲透處理后具有高、低和正常3種膨壓水平的庫爾勒香梨果肉進行振蕩剪切試驗和蠕變試驗,發現香梨果肉的儲能模量(G′)、損耗模量(G″)、瞬態彈性柔量(J0)、延遲彈性柔量(J1)、穩態粘性柔量(1/η0)均與膨壓調控引起的細胞結構和胞間隙變化有直接關系。武新慧等[35]在對代表性果蔬蘋果、梨、蘿卜、馬鈴薯等進行高壓脈沖電場(HPEF)預處理,發現HPEF預處理引起的果蔬細胞結構、膨壓及細胞間隙變化是造成果蔬動態黏彈性變化的主要原因。然而,就果品的黏彈力學特性而言,目前國內外關于膨壓對其影響規律尚缺乏系統認識,未形成定量關系。

在仿真分析方面,相關研究則多是針對單個細胞進行細胞膨壓損失與力學性能之間相關性的仿真分析。如,Singh等[36]通過六棱柱模型模擬細胞膨壓與應變率間的關系,提出一個應變能方程,認為較高的細胞膨壓會導致果實細胞損傷和果品質量下降。山西農業大學的王菊霞[37]利用二維Voronoi模型仿真出蘋果果皮的微觀結構,為直觀地分析比較不同品種蘋果果皮微觀組織結構的差異提供幾何模型,也為進行水分在果皮表面擴散引起細胞膨壓變化的仿真分析奠定了理論基礎。從仿真分析角度來看,基于細胞膨壓損失對質地劣變的仿真研究一般是停留在單細胞層面,較少擴展到多細胞膨壓對果肉組織宏觀質地的影響或者定量分析方面。因此,需要尋求一種多細胞模型來反映果肉組織的微觀結構,將果品質地評價拓展到微觀結構的層次。Voronoi模型可以較為真實地反映出自然界物體的內部微觀結構,可應用于各向異性生物體材料的力學性能仿真分析。Mebatsion等[38]采用二維Voronoi模型構建了蘋果果肉組織模型,該模型與果肉組織的微觀結構具有高度的相似性。這表明Vornoi模型可應用于構建果品的微觀結構,這對研究多細胞膨壓與質地特征間的相關關系提供了一種思路。而Ali等[39]利用數值仿真分析方法,將細胞通過細胞壁黏結在一起構成組織,實現了多細胞膨壓與細胞壁之間作用力的分析,這也為采后果品多細胞膨壓對組織宏觀質地的影響提供了數值模型。此外,Liu等[40]基于Van’t Hoff方程分析細胞膜內外滲透壓差所引起的細胞形態與膨壓變化,并在此基礎上依據自洽模型計算果肉組織的等效體積彈性模量和等效剪切模量,其結果與試驗結果相符,這實現了細胞彈性模量到組織力學性質的跨尺度分析,也為細胞膨壓與果品質地特征相關性的研究奠定了基礎。

2.2 基于細胞膨壓調控果品質地技術的研究進展

果品品質調控是一個難題,已引起諸多學者的關注。目前已有許多研究采用物理、化學、生物或相互結合的方法,探索果品品質受貯運環境因子、酶促反應條件、基因表達方式或外源微生物繁殖等因素的影響規律與調控機制,來保持果品在生長期、物流期、貯藏期或貨架期的品質。此外,細胞間水結構化氣調保鮮是比較接近于細胞膨壓調控技術的一種保鮮技術,它使果蔬組織細胞間水分參與形成結構化水,使整個體系中的溶液粘度升高,減慢酶促反應,抑制水分蒸發,為果品短期保鮮提供了一種原理和方法[41]。細胞間水結構化氣調保鮮技術為基于細胞膨壓調控果品質地提供了一種思路,即將水鎖定在細胞膜內部,從而維持細胞膨壓,必要時為采后果品細胞膜內輸送水分,實現膨壓的調控。

然而,國內外通過精準調節果品細胞膨壓來調節質地參數的研究仍處于探索階段。通過溫度、相對濕度、表面控制程度、通風氣流速度等有關的熱動力學特性調控技術以及相應的組織膨壓變化的測試技術,可維持果實細胞膨壓的完好,實現其質構的調控保鮮[42]。比利時魯汶大學率先進行蘋果、梨的組織膨壓調控保鮮,取得了較好的中長期保鮮效果[43]。適度的水分蒸發,可降低細胞膨壓,減輕果品對外界機械損傷的敏感程度,對延長貯藏有利。例如,柑橘入貯前進行“發汗”處理,作用是降低果實外皮細胞的膨壓,以減少運輸中的機械損傷。由目前情況來看,有待于進一步開發基于細胞膨壓調控果品質地的生產技術。

關于果品質地研究方面多數側重的是質地評價方面,較少研究質地的調控技術。如,Li等[44]研究了瞬間降壓干燥過程中蘋果果肉質地受細胞失水的影響,若能從細胞膨壓對果品質地調控機制方面進行進一步的研究,則可以拓寬果品品質調控的渠道。Wang等[45]研究了高濕熱燙處理對葡萄質地、水勢的影響,這為將質地與水勢(膨壓等于細胞膜內外水勢差)進行相關性分析奠定了一定的基礎。由此可知,基于細胞膨壓進行果品采后的質地調控在國內仍然存在一定空白,亟需展開細胞膨壓對果品質地調控方面的研究。因此,同時研究果品的質地特征和動態流變學參數作為生物力學參數,并分析膨壓對其影響規律,對于補充和完善細胞膨壓對果品生物力學性質影響規律的研究非常重要。研究細胞膨壓與果品生物力學參數的關系,對于闡明果實軟化生理機制,改善果品貯藏保鮮措施,延長貨架期和減少綿軟感具有重要意義。分析細胞膨壓與果品質地特征間的相關性,研究細胞膨壓變化對宏觀質地的作用機制,有助于突破采用膨壓變化調控果品采后質地的關鍵技術。

3 展望與結論

探索果品采后細胞膨壓受貯藏環境因子及其果皮表面狀態的影響規律,實現果品采后細胞膨壓的調控,是挖掘采后果品細胞膨壓調控方法的關鍵所在。植物表皮結構和功能為構建防止水分損失或促進水分吸收的仿生表面提供了創新思路[46]。果皮表面能的大小取決于其表面官能團,包括疏水官能團和親水官能團。含羞草葉片閉合機制可為控制采后果品細胞膨壓提供思路。將人工打蠟操作與離子濃度調節相結合,對果品果皮表面的蠟質層進行改造,構建仿生薄膜,改變果皮表面的化學組分實現果皮表面潤濕性的調控,減少水分流失或增加水分吸收,為控制細胞膨壓、調控果品品質提供了思路。即在一個可控的貯藏環境中調節貯藏因子作為激勵因素,以在果皮表面構建的仿生涂層作為響應結構,調節水分進出果皮速率,為分析果品采后表皮特征變化、貯藏溫度、相對濕度、氣體成分對采后細胞膨壓及貯藏品質的影響提供了一種研究方法,也為調控細胞膨壓保持果品品質提供了一種思路。在貯藏過程中對濕度的控制和果皮表面蠟層的修飾,既要考慮對膨壓調節的影響,又必須兼顧對微生物活動的影響。此外,選取無紡布作為基底,在其兩側分別構建具有抑菌性和親水性的涂層,可構建Janus概念膜,形成多功能水單通道,可實現對水滴的操縱,從而控制水分進出果皮,調控細胞膨壓。另外,鮮切果蔬將成為采后研究領域的重要方向之一,若能在鮮切果品表面構建仿生涂層或Janus膜來調控細胞膨壓,必然能夠阻止鮮切果品品質劣變,揭示典型貯藏環境對果品品質調控模式的機理[47]。

傳統的細胞膨壓檢測方法(浸泡法)存在周期長、精度低、零膨壓狀態難以觀察的問題,無法對細胞膨壓進行原位測量。這限制了采后果品細胞膨壓受貯藏環境因子脅迫所發生的變化規律的研究,也致使細胞膨壓與果品質地特征間的關系研究多數停留在定性分析階段。果品采后貯藏過程中的品質保持與調控一直是我國科學研究和農業經濟領域中重點支持的內容。《國務院關于印發“十三五”國家科技創新規劃的通知》(國發[2016]43號)指出,要在保鮮物流中突破環境因子精準控制的關鍵技術,這表明關于環境因子對果品品質影響的研究是突破果品品質保鮮與調控的關鍵所在。而理解細胞膨壓在貯藏流通過程中的變化規律,通過細胞膨壓調控果品質地特征,保持果品采后的新鮮度,可為果品質量保持提供新思路。未來研究中,開發細胞膨壓檢測設備,掌握細胞膨壓采后受貯藏環境因子影響的變化規律,控制細胞膨壓,主動調節果品質地,構建果品“調節貯藏環境因子→控制膨壓→調控質地”的動態監控方式,實現果品出庫時成熟度的精細控制,保證果品質地的均勻性。總的來說,通過精確控制細胞膨壓來開發出科學、合理的果品質地調控技術,對于提高果品采后貯藏的良品率,有效延長鮮食果品的貯藏期,調節淡旺季,繁榮果品市場,具有非常重要的實踐意義。