乙烯對果蔬成熟作用研究進展

嚴涵，郝全洋，艾祥，王瑞

（貴陽學院食品與制藥工程學院，貴州貴陽 550003）

果蔬富含維生素、碳水化合物及糖類等營養物質，生命歷程大致經生長、發育、成熟、衰老四個階段，其品質與上述過程息息相關。正常成熟的果蔬具有良好的色澤、口感、風味及營養價值，一旦進入衰老階段，品質將會逐漸降低。乙烯屬于植物激素，在果蔬成熟中起重要作用，是果蔬成熟的主要調控因子。乙烯能影響果蔬成熟進程及質地變化，如加快成熟速度和營養物質轉換、推動葉綠素的降解及細胞壁裂解等[1]。

鑒于乙烯在果蔬成熟中的重要作用，本文整理了乙烯在果蔬成熟方面的相關研究，概述了乙烯在呼吸躍變型和非呼吸躍變型果蔬成熟中的生物作用機制；介紹了常見的乙烯抑制劑和脫除劑在這兩類果蔬中的作用機理及應用；分類闡明了乙烯對果蔬成熟過程中生理品質的影響，旨在為乙烯催熟果蔬工藝的開發應用及催熟機理的探究提供參考。

1 乙烯對果蔬成熟的生物作用機制

1.1 乙烯生物合成機制

乙烯對果蔬成熟的促進作用已被認可，其促進果蔬成熟的機理有以下兩個觀點：一是乙烯信號通路調節植物生長[2]；二是乙烯調控植物RNA 的生物合成，促進呼吸躍變型果實的成熟[3]。乙烯是以S-腺苷蛋氨酸（S-adenosylmethionine，SAM）為前體，經過轉化、氧化合成而成。參與反應的化合物包括1-氨基環丙烷-1-羧酸（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC）、ACC 合成酶（1-aminocyclopropane-1-carboxylicacidsynthase,ACS）、ACC氧化酶（1-aminocyclopropane-1-carboxylicacidoxidase，ACO）。其中ACS 和ACO 是乙烯生物合成途徑中的兩個關鍵酶，也是各種果蔬的多基因家族編碼。研究證明，這兩個基因的正、負反饋調節作用影響乙烯的生物合成[4]。

1.2 乙烯催熟過程中相關基因的表達

轉錄因子MADS-RIN一直被認為是果蔬成熟過程中重要的成熟抑制因子。Li 等[5]研究了MADS-RIN在番茄成熟過程中的作用，使用CRISPR-P 程序選取RIN 的突變靶點，再通過PCR 技術擴增RIN 片段。以普通野生型番茄和RIN-CRISPR型番茄為試驗對象，發現所有處理組番茄果實的成熟進程都可以啟動，但是后者成熟更晚且果皮顏色變淡，證明該因子不會完全阻止果實的成熟。研究中還使用10 μL/L 的乙烯分別處理對照組與RIN-CRISPR組，前者在48 h 產生大量乙烯，后者72 h仍未有反應。正常番茄在成熟期間會產生呼吸躍變峰，乙烯生成系統由系統1 轉變為系統2，RIN-CRISPR型番茄果實的乙烯生成系統被切斷，導致內源性乙烯生成處于被抑制狀態，影響果實正常成熟。在甘藍成熟研究中，JIN 等[6]以SCNU-OC-41-102 觀賞甘藍的綠葉型及紫葉型為研究對象，探究乙烯生物合成基因在花青素積累過程中的作用機理。先分離樣本中的總RNA 及cDNA，再通過PCR 技術進行基因表達，最終篩選出19 個乙烯生物合成基因的候選基因，包括ACO 與ACS 基因[7]。與白甘藍對比，乙烯生物合成基因在綠葉和紫葉甘藍中有更高的表達。

由此可見，乙烯在果蔬中的生物合成及信號傳遞受到調節因子和基因家族的調控。1-氨基環丙烷-1 羧酸合成酶 6 基因（1-aminocyclopropane-l-carboxylate synthase 6 gene，LE-ACS6）和MADS-RIN是目前國際普遍認可的乙烯調節因子，LE-ACS6為啟動作用，該調節因子是乙烯生成系統的啟動子，其基因表達受乙烯負反饋調節；與之相反的，MADS-RIN為抑制作用，影響多種基因轉錄物的積累及蛋白質翻譯后降解。目前，關于乙烯受體及乙烯信號傳遞所涉及的蛋白質及基因家族需要進一步研究。

1.3 乙烯對非呼吸躍變型果蔬成熟的生物作用機制

根據采后生理的不同，果蔬可分成呼吸躍變型和非呼吸躍變型兩類。前者在呼吸躍變期會產生大量乙烯并伴隨著旺盛的呼吸作用，而后者則沒有這種特征性的現象。其次，果蔬對外源乙烯的生理反應也有助于區分兩種類型的果蔬。

乙烯的負反饋調節是非呼吸躍變型果蔬的成熟特性不同于呼吸躍變型果蔬的主要原因，在負反饋調節作用下，內源性乙烯不誘導其自身乙烯的繼續合成；正反饋調節作用與之相反，且是呼吸躍變型果蔬產生呼吸躍變峰的主要原因。KEVANY 等[8]建立了ETHY 模型，將乙烯的合成區分為兩個不同的系統——系統1 和系統2。在果蔬生長的前期，所有未成熟果蔬的乙烯生成模式都由系統1 調控，乙烯生成量處于基礎水平。呼吸躍變型果蔬與非呼吸躍變型果蔬的不同是從乙烯生成模式的轉變開始，系統2 在果蔬成熟開始時逐漸發揮作用，使得外源性乙烯刺激內源性乙烯的合成，誘導果蔬迅速成熟。大部分非躍變型果蔬在成熟過程中也會產生乙烯，但濃度遠低于呼吸躍變型果蔬。不過，這并不意味著乙烯在非呼吸躍變型果蔬成熟中毫無作用。在一些非呼吸躍變型果蔬成熟過程中，同樣會有CO2和乙烯生成量的激增，且發現了乙烯生成系統2 的存在。因此系統2 并不專屬于呼吸躍變型果蔬，兩種類型的果蔬具有相類似的成熟途徑。

草莓是典型的非呼吸躍變型水果，易腐爛且繁殖周期短，因此草莓一直作為非躍變型果蔬成熟研究的重點。根據ELIAS 等[9]的研究，乙烯可以介導誘導系統抗性（Induced systemic resistance，ISR）來促進植物生長。除此之外，通過PCR 技術分析乙烯受體基因，發現Faetr1、Faers1 和Faein4 編碼乙烯受體基因；Factr1 和Faein2 編碼乙烯信號通路且干預草莓的成熟與衰老。SEPALLATA1（SEP 1）基因調控葡萄中乙烯的積累，乙烯積累水平低的葡萄果實半徑相對減少[10]。Fakhri 和Cheshm gavi 是兩種晚熟的葡萄品種，相對于其他早熟品種，其灌漿及成熟過程中SEP1 基因顯著表達。研究表明，晚熟品種的漿果比早熟品種的漿果大[11]。以上論述得出，在一些非呼吸躍變型果蔬中，乙烯相關受體、基因仍處于活躍狀態且調控成熟進程及改善成熟后的果實品質。柑橘成熟過程中，乙烯加速了葉綠素的降解，相對于自然成熟，外源乙烯處理組褪綠提前。西瓜發育成熟過程中，自身內源性乙烯水平很低，屬于非呼吸躍變型，使用外源乙烯處理后，乙烯合成水平顯著升高，顏色發育及果實軟化速率明顯加快。由此，對于非呼吸躍變型果蔬來說，乙烯同樣具有促進果蔬成熟的作用。

1.4 乙烯對呼吸躍變型果蔬成熟的生物作用機制

呼吸躍變型果蔬在呼吸躍變期會產生明顯的呼吸躍變峰，乙烯生成系統變為系統2，內源性乙烯大量生成，呼吸速率增大。顯然，乙烯推進了呼吸躍變型果蔬的成熟進程。番茄、獼猴桃等果蔬中乙烯的生成量激增是果實自然成熟的前提，一旦系統2 被抑制或中斷，其典型的呼吸躍變現象就會受到影響。

呼吸躍變型果蔬中的乙烯受體及基因在成熟過程中會有不同程度的表達，以此來調控乙烯的合成。番茄作為一種典型的呼吸躍變型果蔬，其中至少有6 個假定的乙烯受體家族，這6 個受體在番茄生長的不同時期表達，LeERT1、LeERT2 貫穿整個生長過程；未成熟突變體基因Never-Ripe（NR）和LeERT4 在成熟、衰老階段表達的上調[12]，可推測NR和LeERT4 直接調控果蔬成熟期乙烯的合成。

呼吸躍變期旺盛的呼吸活動及快速軟化是呼吸躍變型果蔬的兩大特征性表現。乙烯的作用不會影響甜瓜的糖分和酸度，但其呼吸躍變期的呼吸速率和果肉軟化等受到調控[13]。將蘋果的反義ACC 氧化酶基因構建于甜瓜中，能顯著地改變其成熟性狀[14]。另一方面，利用ACO 反義基因轉化Galia型甜瓜，該基因導致ACO 活性和乙烯產量的顯著降低，延緩了果肉軟化和果皮變黃[15]。對于呼吸躍變型果蔬來說，無論是乙烯生成量激增還是果實對乙烯敏感性增大，都表明乙烯是其呼吸躍變特征出現的關鍵原因。

2 乙烯對果蔬生理品質的影響

果蔬的成熟伴隨著一系列的生化反應，葉綠素、淀粉、酯類、醛類、有機酸、可溶性糖等物質在這一過程中生成或降解，果蔬自身生理品質（色澤、質地、香氣、味道）隨之改變。作為一種植物激素，乙烯加速了果蔬成熟，推動了反應進行及上述物質的積累或降解，影響了果蔬的生理品質。

2.1 色澤

果蔬的色澤是其品質的一項重要評價指標。對于消費者來說，色澤是判斷果蔬品質及新鮮程度的直觀標準。在自然成熟過程中，由于環境因素（光照、溫度、濕度等）的影響，關系其色澤的色素成分及含量會隨之變化。

葉綠素、胡蘿卜素、花青素等是果蔬中常見的天然色素。乙烯的存在會推進葉綠素降解的進程，乙烯反應因子CitERF13 的表達會加快柑橘中葉綠素的降解，柑橘的顏色指數在開花后90 d 為12.4，開花后180 d 為2.4[16]。與之相似的，使用1-MCP 處理Comic 梨能抑制其乙烯的生成，使乙烯合成基因受到抑制，葉綠素降解減慢，有效保持了果實外果皮的色澤；而對照組中部分葉綠素降解基因的表達升高，外果皮出現不同程度褪綠和褐變現象[17]。乙烯還會對果蔬中的花青素產生不同的影響。蘋果中花青素的積累受到乙烯反應因子的調控，調控水平較高的蘋果植株中，花青素含量顯著增加，果皮顏色變紅，但其中機理尚不明確[18]。梨果實紅色是由花青素積累產生的，對Red Zaosu 梨的基因進行表達分析證實，乙烯反應因子誘導花青素合成，使用藍光照射果實，72 h 后開始著色，一直持續到240 h[19]。在有紅光誘導的環境中，甘藍中花青素含量高于白光環境中的，而乙烯在甘藍的紅光調節花青素合成途徑中具有負調節作用[20]，此時外源乙烯的介入抑制了甘藍花青素的積累，而大劑量的乙烯顯示出更大的抑制作用；在正常環境中乙烯促進了紫甘藍中花青素的積累[6]。出現兩種不同現象的原因可能是紅光的介入對乙烯的作用造成了影響。

2.2 揮發性物質

果蔬中揮發性物質多是碳氫化合物、醇類、酯類和醛類物質，部分揮發性物質帶有獨特的香氣。乙烯促進了酯類揮發性物質代謝前體的形成，提升了脂氧合酶（Lipoxygenase，LOX）活性，相較于自然成熟果蔬，乙烯催熟的果蔬中酯類、醛類物質的含量有所變化。

香蕉是一種典型的呼吸躍變型水果，本身在成熟過程中會產生大量揮發性香味物質。乙烯與其中揮發性物質的合成存在聯系，使用1-MCP 抑制乙烯的生成，香蕉中醇類物質含量有所提升，而一些酯類物質相對減少。番茄中的揮發性物質的積累已被證明受乙烯調節，抑制乙烯生物合成可抑制正己烷、正己醇、順-3-己醇和類胡蘿卜素等揮發物的積累[21]。與之相似，“Delicious”蘋果中揮發性物質的生成也隨著乙烯的抑制而減少。獼猴桃特殊的香氣來自于正己醛這種已被鑒定為具有特定獼猴桃香氣的揮發性化合物，而該種化合物由LOX 途徑生成。獼猴桃的LOX家族基因已被鑒定的有6 個[22]，其中AdLox1和AdLox5 在成熟過程中上調，其表達受到乙烯的驅動，1-MCP 可延遲該轉錄過程。LOX 途徑中產生的正己醛等物質也受乙烯的推動，而乙烯下調的AdLox2、AdLox3、AdLox4 和AdLox6 可能促進具有草香味揮發性物質的產生。

目前大部分果蔬的貯藏技術都涉及到冷藏環節，而低溫貯藏環境會影響果蔬香氣的保持。低溫處理對乙烯調節因子PuCTR1 和PuEIN3 的影響較低，有效減少了南果梨在冷藏過程中香氣酯類的損失[23]。但是在低溫環境中使用外源性乙烯處理的獼猴桃表現出香味物質不足的特征，原因是相比于正常成熟的獼猴桃，其丁酸乙酯和丁酸甲酯的產生受到抑制[24]。推測低溫調節了尚未完全成熟的獼猴桃乙烯信號的表達，干擾了LOX 途徑的進行。

2.3 呈味物質

果蔬的味道主要取決于糖、酸、單寧等呈味物質的作用[25]，這些物質也與果蔬自身的營養價值、抗氧化性等有關。

對于非呼吸躍變型果蔬，尚未成熟完全就離開母體植株，導致呈味物質積累不足；對于呼吸躍變型果蔬，過度成熟進入衰老階段，同樣會降低其食用品質。研究發現，Ailsa Craig、Wisconsin 55 和Maglia Rosa Cherry 三個品種的番茄中，過熟或過早離開母體的番茄都會造成味道損失，而在植株上自然成熟的番茄都顯現出更好的感官品質。通過檢測，外源性乙烯處理組番茄的蘋果酸脫氫酶1 的表達高于自然成熟番茄，且后者總糖含量更高[26]。在呼吸躍變型果蔬中，使用乙烯處理的獼猴桃相比對照組其可溶性固形物含量增加，可滴定酸含量降低，口味更佳[27]。

2.4 質地

軟化是大多數肉質水果成熟的標志，而過度軟化通常會導致采后腐爛和消費者購買欲的下降。果蔬的硬度是由于細胞壁在保持細胞黏附性的同時維持膨壓所致[28]，果蔬成熟過程中細胞壁結構的改變涉及果膠與半乳糖醛酸長鏈的增溶和多糖分子量的降低，乙烯的出現間接增強了半乳糖醛酸長鏈的增溶，促進了細胞壁的解體，從而加速了果實軟化[29]。例如，木瓜作為呼吸躍變型水果，由于躍變期產生大量乙烯導致其新陳代謝大大加快，果肉的軟化是木瓜成熟過程中主要的變化[30]。

朱婉彤等[31]以謝伯克辛甜瓜為對象，分別使用300 mg/kg 乙烯溶液涂抹于果實表面及1 μL/L 的1-MCP 處理果實，乙烯處理組果實的軟化程度明顯高于對照組。經過檢測分析，其果實硬度與果膠含量呈正相關性。由此可見，無論是在番茄、甜瓜等呼吸躍變型果蔬，還是草莓等非呼吸躍變型果蔬中，乙烯對于果蔬細胞壁的降解都具有推動作用，使用乙烯處理的果蔬，在軟化進程方面快于自然成熟狀態。

3 乙烯抑制劑與脫除劑

3.1 乙烯抑制劑

現代果蔬物流中為保持產品在運輸、銷售過程中的品質，往往需要抑制乙烯的生成。對于非呼吸躍變型果蔬來說，乙烯生成量一直處于一個低水平狀態，果蔬更多的受到外源性乙烯的影響，因此，對非呼吸躍變型果蔬來說乙烯抑制技術主要是防止外源乙烯干擾；對于具有呼吸躍變特征的果蔬，還需要抑制其內源性乙烯的產生。目前常見的乙烯抑制劑包括1-甲基環丙烯（1-methylcyclopropene，1-MCP）、硝酸銀、硫化氫、抗壞血酸等[32-33]。

目前應用最廣的乙烯抑制劑是1-MCP，它對乙烯受體的親和力是乙烯分子的十倍左右[34]，通過不可逆的與受體結合，阻斷乙烯信號分子傳遞，從而抑制乙烯生成，在大多數果蔬的保鮮中得到應用。但是，使用1-MCP 也存在增加呼吸躍變型及非呼吸躍變型果蔬品質下降的可能。使用1-MCP 的同時聯用其他手段可加強對乙烯生成的控制，如香蕉在25 ℃用400 nL/L 的1-MCP 處理16 h，通風后再用50 μL/L 乙烯處理1 min，可減緩乙烯生成速率，起到很好的保鮮作用[35]；使用20 μL/L 的1-MCP 處理Hardy 獼猴桃并在（1±0.5）℃的條件下貯存，可有效抑制果實成熟、降低呼吸、乙烯生成速率，維持果實提取物的抗癌特性[36]。但根據Li 等[37]的報道，（0±0.5）℃下，1-MCP 的使用可能通過上調參與木質素合成的AcPOD1而增加木質素的積累，這對果實品質來說是不利的；使用超聲波技術聯合1-MCP 影響蘋果中乙烯受體基因的表達，MdETR1 和MdERS1 基因受到抑制，且單獨的超聲波處理或1-MCP 處理的效果低于聯合處理效果[38]。1-MCP對部分水果的保鮮作用見表1。

3.2 乙烯脫除劑

乙烯脫除劑具有清除乙烯的作用，主要通過化學反應和物理吸附來完成。高錳酸鉀、碳酸鉀、鈀、二氧化鈦、天然稀土都屬于乙烯脫除劑[46-49]。利用鈀基材料，可制造新型鈀基乙烯脫除劑。Mansourbahmani 等[50]發現一種鈀促進材料，由鈀浸漬沸石表面，可以分散出大量的鈀顆粒。活性炭及粉末狀活性炭均能有效吸附外源性乙烯，但鈀顆粒活性炭是最有效的一種，經過試驗證明，通過活性炭的物理吸附性結合鈀材料對乙烯的氧化作用，鈀顆粒活性炭與1%鈀催化劑結合的系統可有效延緩番茄的成熟，且相對于其他處理方法（高錳酸鉀基沸石、水楊酸、1-MCP）效率最高[50]。

由于鈀的昂貴性，高錳酸鉀成為目前使用時間最長、價格最低、研究最多的乙烯脫除劑。目前市場上已經有很多高錳酸鉀乙烯脫除劑產品可供選擇[51-52]，一般選擇礦物質為載體，通過外包裝包裹避免與果蔬直接接觸。高錳酸鉀乙烯脫除劑的包裝材料與商業用途及經濟成本等因素有關。相比于塑料薄膜包裝，近年來出現了大量應用于新鮮果蔬的聚合物薄膜包裝，這些物質多以聚乙烯為基料，摻入沸石、黏土、活性炭等細粉體材料吸附乙烯。álvarez-hernandez 等[53]以海泡石為載體研制出一種新型的高錳酸鉀基乙烯脫除劑，結合被動氣調包裝探究其對Mirlo naranja 杏的保鮮作用，實驗證明具有良好的效果。此外，目前研究表明，高錳酸鉀對“sapote”蘋果的生理成熟過程也具有一定的抑制作用，能夠在不改變總糖含量的情況下延緩軟化，減少失重率和腐爛率[54]。同屬于呼吸躍變型果蔬，高錳酸鉀基乙烯脫除劑對香蕉、芒果、番茄、獼猴桃、木瓜等都具有延緩成熟的作用[50,52,55]。關于高錳酸鉀應用于非呼吸躍變型果蔬乙烯脫除的文獻報道相對較少，但是在實際中確實表現出延遲非呼吸躍變型果蔬成熟的作用。

表1 1-MCP 對部分水果的保鮮作用及處理方法Table 1 Effects of 1-MCP on the preservation and treatment of some fruits

4 小結

乙烯在果蔬成熟中發揮著重要的作用。通過探究乙烯的生物作用機制、乙烯對果蔬軟化、淀粉降解和色素合成等過程中關鍵酶及基因表達的作用機理可了解不同乙烯調節因子對果蔬成熟后生理品質的影響，但目前看來，乙烯受體及乙烯信號傳遞所涉及的蛋白質及基因家族的相關研究仍有欠缺，在未來的研究中需要進一步探究。再者，在兩種不同類型的果蔬中，乙烯生成系統不同，乙烯對果蔬成熟后生理品質的影響及果蔬成熟中乙烯的抑制與脫除方法也因此不同。目前1-MCP 是廣泛使用的保鮮劑，實際效果中由于果蔬自身成熟度不同而有所差異，結合乙烯對成熟的促進作用及1-MCP 的保鮮作用，最佳催熟階段及保鮮工藝具有較高的研究價值，也是未來果蔬領域的研究方向之一。