非熱物理技術在鮮切果蔬保鮮中的應用研究進展

胡曉敏，黃彭，劉雯欣，吳昕曄，敬賢余，秦文

(四川農業大學 食品學院，四川 雅安，625014)

鮮切果蔬又稱最小加工、輕微加工、半加工、即食或即用果蔬[1]。國際鮮切農產品協會將鮮切果蔬定義為：任何新鮮水果或蔬菜在物理上改變了其原始形態，但仍處于新鮮狀態。一般都經過修剪、去皮、清洗并切割成100%可以利用的產品，再對其進行袋裝或預包裝，為消費者提供新鮮、營養、便捷和有價值的果蔬制品[2]。

20世紀50年代，由于市場對去皮馬鈴薯的需要，鮮切果蔬開始在美國應運而生，60年代由于快餐行業的需要開始進入商業化階段，80年代在歐美和日本等發達國家開始迅速發展，直到90年代鮮切果蔬才開始在我國興起[3]。隨著現代生活方式的快節奏化，消費者更青睞新鮮、營養、健康和便利的食品，這促使鮮切果蔬產業的發展方興未艾[4]。目前機關食堂、中央廚房、連鎖餐飲和大型超市等對鮮切果蔬的需求較大，預計到2023年，我國鮮切蔬菜的市場規模將達到317.1億元。然而，與完整的新鮮果蔬相比，切割是鮮切果蔬加工中最為關鍵的環節，這種切割所帶來的機械損傷，一方面會造成微生物的侵染、不良風味的產生、酶促褐變、組織軟化以及水分和營養物質的流失等一系列不良影響，加速鮮切果蔬的腐敗變質，縮短其貨架期，甚至還會帶來食品安全風險[3, 5]；而另一方面由于機械損傷屬于采后非生物脅迫，而新鮮果蔬又是活的有機體，這會誘導機體對于逆境的應激防御反應，通過加速細胞的次生代謝產生一系列生理生化反應，促使多酚、黃酮和花青素等具有生物活性的次生代謝產物的積累，從營養健康角度而言，提升了鮮切果蔬的抗氧化性能[6]。

近年來，鮮切果蔬的保鮮技術已成為科研人員的研究熱點，主要涉及物理、化學和生物保鮮三大類技術。其中物理保鮮技術主要是通過調節產品所處的環境溫度、濕度、壓力和氣體組成等方法來延長其貨架期，具有簡單高效率、安全無污染、綠色且環保等優點[7-8]。然而，由于鮮切果蔬對熱比較敏感，加熱處理極易破壞其細胞組織結構，影響其固有品質特性，而非熱物理技術卻能避免這些問題，因此，一直備受國內外學者的關注和認可。本文主要針對近些年國內外比較熱門的6種非熱物理技術在鮮切果蔬保鮮中的應用進行綜述，旨在為科學研究和工業生產提供一定的借鑒或參考。

1 低溫等離子體在鮮切果蔬保鮮中的應用

低溫等離子體(cold plasma，CP)被視為不同于固體、液體和氣體的物質的第四態，是由氣體分子電離所形成的一種包括自由電子、帶電離子、原子、原子團和分子等組成的正負電荷總量相等的離子化氣狀混合物[9]。CP在常溫條件下即可產生，利用不同的氣體(空氣、臭氧和氮氣等)通過介質阻擋、滑動電弧或射頻等方式放電即可形成包含紫外線、活性氧(reactive oxygen species，ROS)和活性氮等多種活性成分在內的CP，研究發現在抑菌、防褐變、降解農殘、維持果蔬品質等方面具有顯著的效果[10-11]。

由表1可知，常用介質阻擋放電產生CP對鮮切果蔬進行保鮮，不僅可以直接用CP處理樣品，還可以將CP與水混合形成CP活性水來處理樣品。其中CP活性水處理不留死角，能全方位對樣品表面殘存的雜質或微生物進行清洗或消毒。LIU等[12]研究發現，CP活性水能有效抑制鮮切蘋果上的細菌、霉菌和酵母的生長。SCHNABEL等[13]研究發現，用CP活性水清洗生菜能有效去污和殺菌，這與臭氧水、氯水、電解水等化學處理相比具有潛在的商用價值。CP處理還能抑制褐變、維持鮮切果蔬的硬度，TAPPI等[14-15]研究發現，CP處理鮮切蘋果在貯藏4 h后褐變面積減少65%。此外，CP中的ROS有利有弊，一方面ROS作為信號轉導分子，加速誘導機體的次生代謝，如苯丙烷代謝途徑中酚類物質的積累，增強鮮切火龍果的抗氧化能力[10]；另一方面大量的ROS在殺菌的同時，還會氧化鮮切蘋果中的VC和多酚等抗氧化物質[12]。雖然CP被證實具有顯著的保鮮效果，但是它對鮮切果蔬的保鮮研究仍處于初級階段，因為目前對于該技術的一些作用機制尚不完善，比如殺菌、抗褐變、促進次生代謝等機制。此外，對于CP中所包含的各種復雜的活性粒子，是否會形成有毒化合物的問題仍存在爭議，故還需要做更深入的研究[3]。

2 電子束輻照在鮮切果蔬保鮮中的應用

目前，我國食品輻照技術最成熟的是使用60Co或137Se作為放射源的γ-射線，但這存在放射性污染與核泄漏的問題，引發消費者對食品安全的擔憂。而電子束輻照(electron beam irradiation，EBI)卻能防止這些弊端的出現，它是一種安全綠色，甚至可以替代γ-射線的新型技術[16]。與γ-射線相比，電子束不需要放射性同位素來產生電離輻射，而是通過電子加速器在真空環境下，以0.15 M～10 MeV的高能水平將電子加速到接近光速時即可產生。

由表1可知，EBI主要應用于鮮切果蔬的抑菌方面，其殺菌機理主要是破壞DNA結構，使酶和膜蛋白變性，從而導致微生物細胞的正常功能喪失；此外，還可通過間接作用，使一些物質發生輻解形成活性自由基，氧化微生物細胞膜，破壞細胞的完整結構，使其生長、發育和繁殖受阻[17]。PALEKAR等[18]研究發現，經EBI處理的鮮切哈密瓜中的沙門氏菌減少了3.8 lgCFU/g，這表明EBI是減少食源性致病菌的有效方法，從而降低食源性疾病風險的發生。此外，EBI在維持鮮切果蔬色澤方面的應用效果也較顯著，SMITH等[19]研究發現，經EBI處理鮮切西瓜的顏色更紅，這是因為該處理增加了細胞膜的通透性，使番茄紅素溶出的緣故。馮巖巖等[20]研究發現EBI處理能抑制鮮切牛蒡中多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)的活性，還能抑制苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonium lyase，PAL)的活性，從而降低酚類的合成，進一步減少酶促褐變反應中酶的活性和底物的濃度，起到抑制褐變的作用。美國食品藥品監督管理局(Food and Drug Administration，FDA)規定EBI的使用劑量，除了新鮮的生菜和菠菜可以輻射到4.5 kGy，其他新鮮的果蔬允許使用的劑量為≤1.0 kGy[3,19]。但是由于EBI在鮮切果蔬中的應用處于興起階段，因此對EBI最大劑量應用的安全性和可行性仍存爭議，未來還需不斷地探索證明。

3 紫外光照射在鮮切果蔬保鮮中的應用

紫外光(ultraviolet，UV)的波長在10～400 nm，根據生物效應的不同將其分為4個波段：10～200 nm的真空紫外(UV-D)；200～280 nm的短波紫外(UV-C)；280～315 nm的中波紫外(UV-B)和315～400 nm的長波紫外(UV-A)[21]。由于核酸對紫外的吸收、反應波峰分別為260～265 nm、260～269 nm，故常用UV-C殺菌貯藏食品，其原理是通過光化學反應誘導細菌的DNA形成嘧啶二聚體，從而破壞DNA結構使蛋白質合成受阻；此外，高劑量的UV-C還可直接破壞膜蛋白，影響細胞膜結構導致微生物細胞裂解死亡[21]。由表1可知，UV-C處理鮮切果蔬的劑量越高殺菌效果越好，但是高劑量又會給其他品質帶來不良影響，因為高劑量的UV-C照射在殺菌的同時，還容易導致果蔬組織細胞脂膜過氧化，使細胞通透性增大。這不僅增加了原本區域化的酶與底物接觸的機會進一步導致酶促褐變，還嚴重損傷細胞導致硬度降低。WANG等[22]研究發現，適宜劑量的UV-C能抑制鮮切藕片的褐變，劑量過高過低對褐變均無抑制作用，高劑量反而加劇褐變，但高劑量抑制微生物生長的效果更好。UV-C除了具有殺菌、抑制褐變的作用外，在誘導鮮切果蔬次生代謝方面的應用也較廣泛，主要通過刺激機體產生ROS(特別是H2O2)，在抵御外界微生物侵染的同時，還能調控機體酚類物質代謝中關鍵酶活性，如PAL、4-香豆酸輔酶A連接酶(4-coumarate coenzyme A ligase，4CL)和肉桂酸-4-羥化酶，進一步催化酚類物質的合成積累。酚類物質是果蔬中最常見的次生代謝產物，也是最重要的抗氧化物質之一，酚類物質的積累不僅體現了果蔬中營養品質的增加，也意味著果蔬抗氧化能力的提升。已有許多研究發現，采用適宜劑量的UV-C照射不僅能使鮮切草莓[6]、鮮切紅心蘿卜[23]和鮮切胡蘿卜[24]等鮮切果蔬中總酚含量增加，還能使其抗氧化能力提升。除此之外，COLLADO等[25]研究發現，UV-C處理還能減少鮮切蠶豆中抗營養因子(植酸、棉子糖和縮合單寧)的含量。LI等[6]研究表明，UV-C處理還能抑制鮮切草莓中不良的苦味、澀味和酸味的產生。

表1 非熱物理技術在鮮切果蔬保鮮中的應用Table 1 Application of non-thermal physical technologies in fresh-cut fruits and vegetables preservation

根據已有的研究結果表明，UV-A和UV-B在殺菌方面存在一定的局限性。但是UV-A穿透能力強，能顯著影響PPO活性，在抑制褐變方面的效果較好，LANTE等[26]研究發現UV-A處理鮮切蘋果能抑制60%的褐變。而UV-B的主要作用則是誘導鮮切果蔬次生代謝中酚類物質的積累，DU等[27-28]研究發現1.3 kJ/m2UV-B處理鮮切生菜的總酚比對照增加了3倍，還發現當鮮切胡蘿卜的比表面積越大，經UV-B處理后的酚類物質積累越多。綜上所述，UV對鮮切果蔬的保鮮效果，取決于UV的類型和照射劑量，還與果蔬的種類有關。UV作為一種廉價易得、簡單易上手、殺菌和保鮮效果顯著的技術，近年來受到了廣泛的關注，相信在未來也會是研究的熱點。

4 脈沖光處理在鮮切果蔬保鮮中的應用

脈沖光(pulsed light，PL)是從連續的UV處理演變而來，指利用惰性氣體(氙氣為主)閃光燈，在紫外光、可見光和紅外光的頻率區域內(200～1 100 nm)產生短時間、高功率的廣譜光脈沖，具有成本低廉、環保節能、方便靈活、短時高效等優點。1996年美國FDA批準PL可用于食品殺菌，并規定其劑量不得超12 J/cm2，脈沖寬度不得超2 ms[46]。由表1可知，PL主要應用于鮮切果蔬表面殺菌，其殺菌原理一是通過光化學效應，主要是UV-C對細菌DNA的破壞；二是通過光熱或光物理效應，破壞細菌的細胞膜、蛋白質和其他成分。研究發現，金黃色葡萄球菌對PL最敏感，其次是大腸桿菌O157∶H7和沙門氏菌，而單核增生李斯特菌對PL抗性最強[32]。這也許與細菌細胞的結構有關，其中革蘭氏陽性細菌，如單核增生李斯特菌有較厚的肽聚糖層，能保護細胞質中DNA不受PL影響。此外，PL對不同切割方式的鮮切果蔬的殺菌效果也不一樣，KOH等[35]研究PL處理切割成球形、長方體形和三棱鏡形的哈密瓜，發現球狀樣品中的微生物最少。這也許是與樣品的比表面積和切割傷的大小有關；也可能是因為球狀樣品可以減少脈沖光在其表面的散射所致。由此可見，PL在鮮切果蔬殺菌方面有巨大潛力。然而，PL的光熱效應會給產品帶來不利影響，在破壞細菌壁膜的同時還會使部分果肉組織細胞裂解，從而導致組織軟化或褐變。已有報道顯示，PL結合可食性涂膜保鮮，能進一步抑制鮮切蘋果[47]和鮮切哈密瓜[48]硬度的下降，這是因為可食涂膜能結合細胞中的果膠和纖維素成分，避免PL對果肉細胞的破壞，因此二者聯用能更好地保持細胞壁的完整性。雖然FDA早已批準PL在食品中的應用，但是PL在鮮切果蔬方面的應用仍處于研究階段，PL對各類鮮切果蔬的安全品質、感官品質和營養品質等的影響仍需進一步研究。

5 高靜水壓處理在鮮切果蔬保鮮中的應用

高靜水壓(high hydrostatic pressure，HHP)處理又稱超高壓處理是一種新型的非熱加工技術，對食品的感官特性、營養成分或揮發性風味物質等品質的影響極小[49]。HHP通常是將產品置于密閉彈性包裝容器內，利用液體(常用水)作為傳壓介質，施加100 MPa以上的高壓并維持一定時間，在低溫或常溫下即可達到加工所需目的，在HHP處理過程中，不論物料的狀態、大小或成分如何，壓力都可以均勻地分布在被加工產品的各個位置[4]。由表1可知，用300～600 MPa的壓力能殺滅鮮切果蔬中的致病菌并維持產品整體的品質屬性，但是施加的高壓在一定程度上會使細胞的膨壓下降，甚至破壞細胞導致產品硬度降低。不過在相對較低壓力下能誘導次生代謝，促使某些營養物質增加。RAMOS-PARRA等[37]研究發現，HHP能誘導鮮切木瓜細胞中的氧化應激反應，產生ROS觸發與類胡蘿卜素代謝相關酶及其轉錄基因表達，從而增加機體對類胡蘿卜素的代謝合成。WOO等[39]研究發現，HHP聯合陽離子表面活性劑洗滌鮮切西蘭花，能進一步殺滅單核增生李斯特菌，還能保留鮮切西蘭花中主要的抗癌活性物質硫代葡萄糖酸鹽含量。但是在實際應用中，該技術存在經濟成本投入大、維修成本高等原因，難以實現大規模工業化應用。

6 加壓惰性氣體在鮮切果蔬保鮮中的應用

惰性氣體，如氮氣(N2)、氬氣(Ar)和氙氣(Xe)等，是一類無色、無味、無毒且化學活性較低的分子，幾乎不與其他物質發生反應，能與氧分子競爭酶的結合位點，從而抑制酶活性[50]。而加壓惰性氣體(pressurized inert gases，PIG)是指在一定的溫度和壓力下，惰性氣體能與果蔬組織中的水分子形成氣體水合物，使得組織中的水分子被“結構化”，即游離水分子以氫鍵相連形成籠狀結構，惰性氣體分子則被填充在其中，形成穩定的惰性氣體水合物。水分子的“結構化”限制了水的流動性，從而降低代謝底物的擴散速率，抑制果蔬的生理代謝反應，起到保鮮的作用。由表1可知，該技術在鮮切紫甘藍[40]、鮮切黃瓜[41]、鮮切紅棗[42]和鮮切梨[43]等中的應用均能顯著阻止水分遷移，控制失水率。WU等[45]研究發現，加壓氬氣和氙氣處理鮮切蘋果，不僅能促進PAL和過氧化物酶(peroxidase,POD)的活性，還能誘導次生代謝促進H2O2、酚類和木質素的積累，從而提升了機體的愈傷防御能力，還能抑制大腸桿菌和釀酒酵母的浸染。XU等[43]研究發現，加壓氮氣處理對鮮切梨的顏色和硬度有負面影響，當使用0.3%(質量分數)VC和0.5%(質量分數)CaCl2浸泡3 min后再進行處理可扭轉這種不利現象。由此可見，PIG在鮮切果蔬保鮮中的應用效果較好，當結合其他處理方法的保鮮效果更佳。與HHP處理相比加壓惰氣所需的壓力更小，因此成本和維修費用也更低，操作相對而言更安全，更容易推廣這項技術，在實際工業化應用也更廣泛。

7 非熱物理技術在鮮切果蔬保鮮中的應用對比分析

根據前述對6種非熱物理技術在鮮切果蔬保鮮中的應用，可以發現這些技術都具有簡單高效、易于推廣、綠色安全和節能環保等優點。但目前在鮮切果蔬的實際應用中，紫外光處理應用最為廣泛；低溫等離子體、電子束輻照、脈沖光處理和加壓惰性氣體正處于研究階段，需要大量的理論數據支撐技術的可行性；而高靜水壓由于設備成本相對較高，在科學研究和工業生產中的應用均存在一定局限性。

表2對比分析了各個非熱物理技術的利弊、主要作用和可能適宜應用的鮮切果蔬類型。由表2可以看出，電子束輻照、紫外光和脈沖光主要作用于樣品的表面，因此適合于切面較為平整的鮮切果蔬的殺菌；高靜水壓和加壓惰性氣體能均勻作用于整個樣品，故更適合于結構較為復雜的鮮切果蔬殺菌，如鮮切西蘭花和鮮切卷心菜等；其中低溫等離子體的作用方式有2種，直接處理和形成活性水處理，因此低溫等離子體適合于任何鮮切果蔬殺菌。然而，由于各種非熱物理技術殺菌的機理不同，通常要殺滅鮮切果蔬殘存的微生物需要較大的強度，而強度過高又會給果蔬品質帶來不利影響，因此研究非熱物理技術結合其他技術對鮮切果蔬保鮮的協同作用是很有必要的。此外，低溫等離子體、電子束輻照和紫外光照射對抑制鮮切果蔬褐變方面效果較好；加壓惰性氣體對維持鮮切果蔬的水分具有良好效果。

表2 非熱物理技術的利弊、主要作用和可能適宜應用的鮮切果蔬類型Table 2 Advantages and disadvantages, main functions and applicable types of non-thermal physical technologies

8 總結與展望

綜上所述，非熱物理技術對鮮切果蔬的感官、營養和風味等品質影響極小，在抑制細菌、真菌和致病菌等微生物的生長繁殖方面效果明顯，同時還能抑制褐變、維持果肉的質地并且降低營養物質的損失，在一定程度上延長了產品的貨架期。更重要的是，這些技術在適當條件下處理，還能誘導一些鮮切果蔬中有益于人體健康的次生代謝產物，特別是酚類物質的積累，提升產品的營養價值，可為日常飲食提供廉價易得的酚類抗氧化劑。雖然各個非熱物理技術在鮮切果蔬保鮮中均有一定效果，但是由于每種鮮切果蔬自身的基質差異，同一非熱物理技術并不適用于所有的鮮切果蔬，而且某種技術的不同處理條件對同一鮮切果蔬的保鮮效果也不一樣，因此針對不同種類的鮮切果蔬還需要通過實驗來確定適宜的技術和條件，以期在最大經濟效益下達到最佳的保鮮效果。此外，由于每項技術存在一定的局限性，一些研究發現將各個物理技術聯合或結合其他方法使用的保鮮效果也許會更好，這為鮮切果蔬的保鮮研究提供了新的思路，具有重要的理論價值。

隨著現代經濟社會的飛速發展，以及人民生活方式的快節奏化，鮮切果蔬因其具有新鮮、便利和營養等優點越發受到廣大消費者的喜愛。為此，鮮切果蔬的市場份額也在逐年增大，已成為農產品未來發展的一大方向，這將帶動保鮮技術的不斷發展。非熱物理技術作為一種安全、高效和綠色的保鮮技術，已受到國內外的廣泛關注，未來這類技術除了研究其對鮮切果蔬的保鮮效果外，還應從如下幾點突破：(1)由于每種鮮切果蔬擁有特殊的香氣，這是衡量其感官品質的重要指標，因此利用GC-MS分析鮮切果蔬在貯藏過程中香氣物質的變化很有必要；(2)深入研究各項技術的具體作用機制，如殺滅微生物、抑制酶促褐變、維持硬度和促進次生代謝等方面的機制；(3)從分子生物學角度進一步揭示各個技術對鮮切果蔬保鮮的本質，加速技術從實驗室到生產應用的推廣，為實際生產和消費提供科學依據和膳食指導。此外，由于非熱物理技術均需在機械設備的輔助下進行，機械化處理更適宜工業化批量應用與生產，相信未來在鮮切果蔬的保鮮中，非熱物理技術必將發揮越來越大的作用。