超聲滲透等離子活化水對香蕉切片鮮切品質的影響

張騰，江昊

農產品保鮮與食品包裝

超聲滲透等離子活化水對香蕉切片鮮切品質的影響

張騰，江昊

（西北農林科技大學 食品科學與工程學院，陜西 咸陽 712100）

利用等離子活化水處理香蕉切片不同時間，以達到對香蕉切片護色的目的，并探究貯藏期間的特性變化規律。使用低溫等離子體（Cold Plasma, CP）處理去離子水產生等離子活化水（Plasma Activated Water, PAW），超聲輔助PAW處理香蕉切片后測定PAW處理對香蕉切片微觀結構、貯藏性質、風味物質、酶促褐變關鍵酶及活性氧水平的變化。與對照組相比，PAW處理增強了貯藏期間多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase, PPO）和過氧化物酶（Peroxidase, POD）的活性；改善了切片的硬度、水分含量、色度值等貯藏特性。激光掃描共聚焦顯微鏡的熒光結果顯示，PAW處理提高了切片細胞中活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）的水平。此外，氣相色譜–質譜的結果表明，PAW處理增加了香蕉切片中酯類物質的百分比，而在處理后的香蕉切片中沒有檢測到醇類物質。由掃描電子顯微鏡表征可知，PAW處理影響了香蕉切片的表面微觀結構，使香蕉切片表面變得粗糙并伴有損傷的出現。香蕉切片在PAW–30 s處理下具有較強的抗氧化活性，較好的貯藏品質以及對風味物質和微觀結構較小的影響。PAW對果蔬鮮切品質有積極作用，采用PAW–30 s對鮮切果蔬產品進行加工貯藏具有廣闊的前景和更環保的經濟效益。

等離子活化水；香蕉切片；活性氧；酶活性；貯藏品質

香蕉（cv. AAA Cavendish）具有獨特而宜人的香氣，作為重要的亞熱帶和熱帶水果在世界各地廣泛種植。香蕉果實不僅富含各種維生素和礦物質，還有酚類化合物和抗壞血酸等對人體有益的生物活性物質。研究發現香蕉果實有抗衰老、預防癌癥和促進腸道健康的作用[1]。長期以來，香蕉采后不經加工即作為商品銷售，但隨社會需求的發展，鮮切水果成為新的加工銷售方式。它具有便利、干凈衛生和可利用度高等優點。然而，鮮切香蕉會在加工后發生硬度、顏色、風味等感官品質的不利變化[2]，因此，保持鮮切香蕉的良好感官品質并延長其保鮮期成為鮮切加工工藝的關鍵。

自鮮切果蔬出現以來，前人開發了低溫、熱處理、氣調、輻照、化學浸漬、可食性涂膜、植物提取物[3]等多種方法來維持其新鮮品質，但低溫貯藏造成鮮切香蕉的冷害，熱處理和化學浸漬會影響鮮切香蕉品質，很多消費者也不接受添加化學防腐劑的產品。低溫等離子體（Cold Plasma, CP）作為一項新興技術，它的非熱處理特性能避免許多傳統工藝的弊端，是保持鮮切品質良好的替代方案。CP電離氣體會產生帶電粒子、活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）、紫外光子等多種活性物質。作為一項新型非熱食品加工工藝，它具有抑制微生物[4]、影響酶活性、改變食品成分等能力。近年來探索CP處理對新鮮食材的影響成為新趨勢，研究發現，CP對維持圣女果、獼猴桃[5]和藍莓等多種新鮮果蔬的功能特性有積極作用，但是，CP處理的負面影響很少被提及，這種直接放電方式會造成食品表面的蝕刻現象，Gu等[6]使用CP處理香蕉切片后發現切片邊緣發黑且粗糙，與此同時，草莓被CP處理后會因為樣品的顏色損失、生物活性化合物降解導致其表面劣化[7]。為解決這一問題，利用CP技術制備的等離子活化水（Plasma Activated Water，PAW）被考慮作為一種CP技術的優化（更溫和、更清潔）方案應用于新鮮果蔬材料的處理。

PAW通過將等離子體源放置于液體近上方或液體中產生，不同的等離子體源、處理時長和放電氣體等因素對PAW的性質有直接影響。液體會與CP處理產生的多種物質反應生成更多衍生物，因此，PAW中會包含ROS、硝酸鹽和亞硝酸根離子等物質。這些活躍物質的存在使液體理化性質發生變化，例如，PAW的pH值因酸性化合物生成而下降[8]，電導率因活性物質溶解而增大等。這些變化作用于微生物細胞時，會使細胞的DNA、蛋白質和脂質等結構損傷。Zhou等[9]用PAW處理鮮魚后去除了表面微生物的保護膜，有效減少了感染面積。PAW在減少解凍雞肉中微生物的同時，還能使雞肉的蛋白質和脂質保持良好狀態[10]。同時，PAW在處理雙孢蘑菇、生菜[11]、綠豆芽時也表現出良好的抑菌作用。另外，PAW處理在新鮮水果領域也取得了一定成果。Ma等[12]指出PAW處理的高氧化還原電位和低pH降低了楊梅上微生物的活性并減緩了楊梅腐爛。Chen等[13]將鮮切梨用PAW處理后，梨表面的需氧菌、酵母菌和霉菌的總數均在檢測限〔1.0 log10(CFU/g)〕以下，梨的抗氧化活性提高。綜上，前人研究興趣主要在PAW處理果蔬的殺菌潛力和機制上，對果蔬品質和理化性質的綜合影響的研究仍然較少，而采用PAW改善香蕉切片的鮮切品質在之前尚未報道過，是一項具有吸引力的研究。

本研究采用將香蕉切片浸泡在PAW中的方法，研究PAW在改良鮮切香蕉品質并提升其耐貯藏性方面的作用，測定PAW處理前后酶促褐變相關酶的活力、ROS水平、貯藏特性（硬度、含水量、色度值）、風味物質變化、表面微觀結構等，為PAW在鮮切香蕉保鮮貯藏方面的應用提供了新的加工技術和理論依據。

1 實驗

1.1 材料與儀器

主要材料和試劑：從陜西咸陽楊凌當地市場挑選品質良好的香蕉（cv. AAA Cavendish）；CP處理前將香蕉去皮切片，每片厚度為6 mm；試劑均為分析純，CP處理使用去離子水，以保證PAW質量。

主要儀器：CTP–2000 K型低溫等離子體電源，南京蘇曼電子公司；N6000型分光光度計，上海佑科儀器公司；LEICA TCS SP8 型生物激光共聚焦顯微鏡，德國萊卡公司；TA.new plus型質構儀，美國ISENSO公司；101–1AB型電熱鼓風干燥箱，天津泰斯特儀器公司；CR–310型色度計，日本柯尼卡美能達公司；GCMS–TQ8050 NX型氣相質譜聯用儀，日本島津公司；Nano SEM–450型掃描電子顯微鏡，美國FEI公司。

1.2 方法

1.2.1 CP處理和PAW的產生

介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）等離子體儀器裝置見圖1，由等離子體電源、反應器、調節器組成。將去離子水倒入反應皿，以30、60和90 s的間隔用CP處理（電壓為40 V，電流為0.7 A±0.1 A，距離為6 mm），得到PAW。將香蕉切片分別浸入去離子水和PAW中，超聲滲透10 min后測量指標。

圖1 介質阻擋放電型等離子體儀器裝置

1.2.2 酶活性的測定

過氧化物酶（Peroxidase, POD）活性的測定采用Gu等[6]描述的方法。在470 nm處測定吸光度，定義1 mL酶液反應1 min后吸光度增大0.01為1個酶活力單位（U）。

多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase, PPO）的活性參照Tappi等[14]的方法測定并略作修改。在420 nm下測定吸光度，定義1 mL酶液反應1 min后吸光度增大0.01為1個酶活力單位（U）。

酶活性公式為：

式中：為酶的活性，U；為由吸光度曲線計算出的斜率；為酶液的體積，mL；1為用于吸光度測量的酶液的體積，mL。

1.2.3 ROS水平的分析

對香蕉細胞中的ROS的熒光染色參考Gu等[6]的方法并略作修改，使用激光掃描共聚焦顯微鏡（Confocal Laser Scanning Microscope, CLSM）分析香蕉切片在PAW處理前后ROS的熒光強度變化。

1.2.4 硬度的測定

使用質構儀測定對照組和PAW處理組香蕉切片的硬度，TA/2的柱狀探針直徑為2 mm，測試速率為1 mm/s，穿刺深度為5 mm，穿刺時的最大力（g/cm2）被確定為硬度。每隔1 h取一次樣，每種處理測量10片香蕉，每片測量2次。

1.2.5 含水量的測定

將干燥好的稱量皿稱量，再將香蕉切片放在稱量皿中稱量，后在80 ℃下將香蕉切片干燥到恒質量。水分含量用以式（2）表示。

式中：為水分含量；1為燒杯的質量，g；2為燒杯的質量和樣品的鮮質量之和，g；3為燒杯的質量和樣品的干質量之和，g。

1.2.6 色度的測定

參照Gu等[6]的方法，測量PAW處理前后的香蕉切片色度變化，用式（3）確定總色差（Δ）。

式中：Δ為總色差；L為明暗度；a為紅綠色度；b為黃藍色度。

1.2.7 風味化合物的分析

使用GC–MS（Gas Chromatograph- Mass Spectrometer）對香蕉切片的風味化合物進行了測定。采用頂空固相微萃取法（Headspace-Solid-Phase Microextraction，HS-SPME）來提取香蕉切片中含有的風味化合物。峰面積歸一化法對各分離組分的相對含量進行定量，公式見式（4）。

式中：為組分的相對含量，%；P為每個分離成分的峰面積；T為總峰面積。

1.2.8 掃描電子顯微鏡

使用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）分析香蕉切片的表面結構變化。樣品用體積分數為4%的戊二醛預固定，然后用濃度為0.1 mol/L的PBS緩沖液（pH=6.8）沖洗，用乙醇進行梯度洗脫。在二氧化碳干燥和導電膠黏合后，對樣品進行噴金并固定在儀器上觀察。

1.3 數據統計分析

采用SPSS 26.0進行統計分析，通過單因素方差分析和鄧肯多范圍檢驗法驗證顯著性差異。使用Origin 2018來繪制圖表。用NIST Chemistry WebBook進行香蕉風味物質的核對與確定。

2 結果與分析

2.1 PAW處理對香蕉切片ROS水平的影響

如圖2所示，CLSM測量的熒光強度反映PAW處理前后香蕉細胞內ROS的水平，可觀察到細胞核熒光（藍色）和ROS熒光（綠色）。與對照組相比，PAW–30 s組、PAW–60 s組和PAW–90 s組的ROS熒光強度隨CP處理時間的增加而變強，在PAW–90 s組達到最高水平，這與Ma等[12]的研究一致，他們發現熒光強度和酵母細胞的染色數量隨CP處理時間的增加而增加。Lukes等[15]發現，ROS從PAW傳輸到微生物中，會分解微生物的DNA、破壞蛋白質和其他成分，從而造成細胞損傷。PAW中的ROS含量與CP處理時長呈正相關，香蕉切片在PAW中時，ROS通過細胞膜滲透，導致胞內ROS水平增加。

圖2 PAW處理前后香蕉切片中ROS的 CLSM熒光圖像

2.2 PAW處理對香蕉切片POD和PPO活性的影響

如圖3a所示，香蕉切片的POD活性在貯藏期間呈單峰變化，且PAW–30 s組始終高于對照組，并在貯藏2 h后達到峰值，此時高于對照組12.18%（＜0.05）。這與Zhao等[16]用PAW處理鮮切獼猴桃得到的結果相似，果實增加POD活性以增強抵抗力，減少PAW的ROS氧化損傷。隨CP處理時間的增加，PAW–60 s組和PAW–90 s組的POD活性低于對照組的，且在貯藏6 h后分別比對照組低6.45%（＜0.05）和14.52%（＜0.05）。Kang等[17]了解到CP源產生的ROS對氨基酸的側鏈造成損傷，在暴露于CP后的POD中發現二級結構的損失。此外，Gu等[6]認為香蕉中POD活性隨CP處理時間增加而明顯下降（＜0.05），因此，PAW–60 s組和PAW–90 s組的POD活性低于對照組的，這是因為PAW中的ROS隨CP處理時間延長而增加，大量ROS破壞了香蕉切片的POD，使其活性下降。

如圖3b所示，香蕉切片的PPO活性在貯藏期間呈單峰變化。隨CP處理時間的延長，PAW處理組的PPO活性均高于對照組的，并在貯藏2 h后達到峰值，其中PAW–30 s組、PAW–60 s組、PAW–90 s組的PPO活性分別比對照組的提高了29.81%、25.46%和39.57%（＜0.05）。Jaiti等[18]報道，植物在感受到誘導劑（ROS的積累）后誘發防御反應，這涉及一系列生化變化的協調表達。此外，隨CP處理時間增加，PAW–90 s組的PPO活性始終高于其他組，并在貯藏6 h后高于對照組18.15%（<0.05），因此，PAW處理組香蕉切片中PPO活性的增加與CP處理使PAW中ROS增加有關。PPO和POD的不同結構使它們在CP處理下表現出明顯差異[19]。

2.3 PAW處理對香蕉切片硬度的影響

如圖4所示，與對照組相比，經PAW處理的香蕉切片在貯藏5 h后硬度保持得更好，PAW處理組的硬度都高于對照組的（308.07 g）。Cong等[20]發現，用PAW處理新鮮枸杞并貯藏19 d后，枸杞保持了較高硬度。貯藏5 h期間，對照組和PAW–30 s組的硬度呈下降趨勢；PAW–60 s組和PAW–90 s組在貯藏初期硬度下降，后期變化較小，顯然，經過PAW處理后的香蕉切片隨貯藏時間的增加能保持更好的硬度。這是由于PAW處理提高了組織細胞的含水量和對細胞膜的支撐力[20]。在貯藏后期，PAW處理組的硬度隨CP處理時間增加而下降，主要是CP處理導致了香蕉多糖的降解。

圖3 PAW處理前后貯藏6 h內香蕉切片的POD和PPO活性的變化

圖4 PAW處理前后貯藏5 h內香蕉切片硬度的變化

2.4 PAW處理對香蕉切片含水量的影響

PAW處理香蕉切片后含水量的測量結果見圖5。與對照組相比，PAW處理組增加了香蕉切片的含水量（<0.05）。細胞內酶活性因清除滲入的過量ROS而增強，導致細胞內總代謝增強，從而使得細胞的含水量增加[20]。本研究還表明，PAW處理組組間含水量隨CP處理時間的增加呈下降趨勢，且組間差異顯著（<0.05）。這種差異可能是PAW中ROS隨CP處理時間延長而上升，過剩的ROS使細胞膜損傷。Chen等[21]發現PAW處理損傷了釀酒酵母的細胞壁和細胞膜，從而導致細胞外部的DNA數量的上升。

2.5 PAW處理對香蕉切片色度的影響

色度參數變化見圖6。在貯藏8 h期間，對照組和PAW處理組的L值和b值下降，a值上升。PAW處理組的L值和b值在大部分時間內高于對照組（<0.05），且PAW處理組的a值在貯藏初期明顯低于對照組的（<0.05），但在貯藏末期相反。L值的降低可能與表面水分滲出和酶促褐變有關。同時，酶促褐變對a值和b值也有影響。PAW處理組的組內比較表明，L、a和b值隨著CP處理時間的增加而下降；PAW–30 s組使香蕉切片保持正亮度，果實呈黃色，而PAW–60 s組明顯使果實發紅（<0.05）。結合Δ的變化發現PAW–30 s組與對照組之間的差異最明顯（<0.05），因此，它是保持香蕉切片顏色質量的可行方法。PAW處理在保持香蕉切片色度上有積極作用，與Cong等[20]采用PAW處理枸杞時發現的結果一致。

2.6 PAW處理對香蕉切片風味物質的影響

PAW處理前后香蕉切片的主要揮發物質以及它們的保留時間和峰面積如表1—4所示。對照組的香蕉切片中相對含量（某個化合物的峰面積除以所有積分后的峰面積的和）最高的是酯類（62.07%），其次是醇類（23.17%）、酸類（7.78%）和醛類（6.20%），其中酯類物質以丁酸酯和乙酸酯為主。經過PAW處理后，酯類的相對含量從64.39%（PAW–30 s組）明顯增加到91.11%（PAW–60 s組）和89.34%（PAW–90 s組），而醇類的相對含量從23.17%（PAW–30 s組）下降到0%（PAW–90 s組）。這可能與在一定條件下香蕉中醇類物質與PAW中的酸化活性物質的酯化反應有關。Bruggeman等[22]認為，不同的CP產生源會影響pH值的降低程度和酸化化合物的生成量。這可能也影響了PAW處理前后香蕉切片中酸類物質的相對含量，并導致酯類略有增加。此外，發現乙烯基–環己烷的相對含量在PAW處理過程中呈現出先下降后消失的趨勢。這可能與PAW中的活性物質（ROS）的增加有關。ROS的增加使分子內部發生了烯烴雙鍵與自由基的加成反應。香蕉切片浸泡在PAW中時發生一系列復雜的氧化反應導致了乙烯基–環己烷相對含量下降。通常酯類物質由醇和酸類物質經過酯化反應生成，多帶有芳香味，其中短鏈酸形成的酯類多呈水果香，長鏈酸形成的酯多呈較淡油脂味，對香蕉整體風味有一定影響。其中丁酸己酯帶有強烈的水果香氣（清香香韻和花香香調），它的相對含量由從2.76%（對照組）增加到3.40%（PAW–90 s組）；1–環戊基丁酸乙酯具有強烈的果香和菠蘿芳香氣味，且伴有底香，它的相對含量由從0.00%（對照組）增加到30.08%（PAW–90 s組）；同時，2–壬醇乙酸酯（茉莉香）的相對含量由0.47%（對照組）增加到0.75%（PAW–90 s組）；而天然存在于香蕉中的2–甲基丁酸己酯（水果清香香氣）、3–甲基丁酸己酯（生鮮水果香氣）和己酸異戊酯（蘋果和菠蘿香味）的相對含量在PAW處理后（PAW–90 s）也分別增加了0.22%、0.30%和1.84%。因此，PAW處理增加了香蕉切片的酯類香氣成分，且對香蕉的風味有積極影響。

圖5 PAW處理前后香蕉切片含水量的變化

圖6 PAW處理前后貯藏8 h內香蕉切片色度的變化

注：在計算Δ的值時，對照組的樣品被設定為參照對象；不同小寫字母表示在<0.05水平上有顯著差異。

表1 對照組香蕉切片揮發性成分的參數

Tab.1 Parameters of volatile components in banana slices of the control group

表2 PAW–30 s處理組香蕉切片揮發性成分的參數

Tab.2 Parameters of volatile components in banana slices of PAW-30 s treated group

表3 PAW–60 s處理組香蕉切片揮發性成分的參數

Tab.3 Parameters of volatile components in banana slices of PAW-60 s treated group

表4 PAW–90 s處理組香蕉切片揮發性成分的參數

Tab.4 Parameters of volatile components in banana slices of PAW-90 s treated group

2.7 PAW處理對香蕉切片表面微觀結構的影響

PAW處理前后的香蕉切片掃描電鏡圖像如圖7所示（放大倍數為400×），顯示了細胞的表面微觀結構變化。對照組（圖7a）具有光滑平整且致密的表面，然而，PAW處理后的表面變得更為粗糙且有褶皺，并伴有損傷和絮狀附著物的出現。在PAW處理組內，表面損傷程度與CP處理的時間正相關。Chen等[23]發現CP處理后糙米失去自然形態且表面有裂縫和糙紋。Sarangapani等[24]發現CP產生的活性因子破壞了米粒表面的C?C和C?H鍵，導致了裂縫和損傷的生成，因此，PAW中ROS等活性物質隨CP處理時間增加而增多，損傷了香蕉的表面微觀結構，在PAW–90 s組（圖7d）中發現了嚴重的不可逆破損和收縮，這與使用CLSM測量ROS熒光強度得到的結果一致。選用PAW–30 s處理組不僅對香蕉切片表面微觀結構損傷小，還具有節能環保的優勢。

圖7 PAW處理前后香蕉切片表面微觀結構的變化

3 結語

香蕉作為一種營養豐富、風味極佳的水果，在全世界范圍內大量種植和銷售，但在貯藏運輸中會發生果實的褐變、氧化、軟化等問題，使香蕉果實總體品質下降顯著。PAW處理作為一項新型保鮮技術，在影響果蔬酶活性、護色、抗菌等方面有積極作用。本研究使用CP制備（30、60、90 s）的PAW浸泡香蕉切片后，測定了切片的物理化學性質，包括ROS水平、酶活性、硬度、含水量、色度、風味化合物和表面微觀結構。觀察到PAW處理后香蕉內的ROS與對照組的相比顯著上升（<0.05），并隨CP處理時長增加而增多，這表明PAW中的ROS會隨處理進入到香蕉切片細胞內部。同時，POD和PPO的活性在PAW處理后增加，這與果蔬的氧化應激機制有關，一定條件的PAW處理提高了香蕉切片的抗氧化活性。此外，PAW處理組的香蕉切片比對照組的更加堅硬，含水量也因為PAW處理而上升，因此PAW處理對果實的耐貯藏性具有積極影響。PAW處理對香蕉切片貯藏過程的表面顏色也有積極影響，使用CP處理去離子水30 s所產生的PAW的效果最好。香蕉切片中的酯類在PAW處理后顯著增加，醇類顯著減少，且增加的酯類成分對香蕉風味有積極作用。隨CP處理的時間增長，香蕉表面在PAW處理后更粗糙，損傷更為嚴重。綜上，選用PAW–30 s的處理在保護香蕉鮮切品質，并提升其耐貯藏性方面具有巨大的潛力，是一種新穎且高效的非熱預處理方法。這種技術的規模化使用以及商業化的可行性需在未來進一步研究。

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Effect of Ultrasonic Osmosis Plasma Activated Water on Fresh-cut Quality of Banana Slices

ZHANG Teng, JIANG Hao

(College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Shaanxi Xianyang 712100, China)

The work aims to treat banana slices with plasma activated water for different time to achieve color protection and investigate the pattern of change in properties during storage. Plasma activated water (PAW) was generated by treating deionized water with cold plasma (CP), and the changes in microstructure, storage properties, flavor substances, key enzymatic browning enzymes and reactive oxygen species levels of banana slices were measured after ultrasound-assisted PAW treatment. Compared with the control, PAW treatment enhanced the activities of polyphenol oxidase (PPO) and peroxidase (POD) during storage and improved storage properties such as hardness, moisture content, and color value of slices. According to the fluorescence results of confocal laser scanning microscope, PAW treatment promoted the level of reactive oxygen specie (ROS) in the cells of the slices. In addition, gas chromatography-mass spectrometry results showed that PAW treatment increased the percentage of esters in banana slices, while no alcohols were detected after the treatment. Scanning electron microscopy characterized that PAW treatment affected the surface microstructure of banana slices, causing the surface of banana slices to become rough, accompanied by the appearance of damage. Banana slices treated with PAW-30 s show strong antioxidant activity, better storage quality and less effect on flavor substances and microstructure. Therefore, PAW has a positive effect on the fresh-cut quality of fruits and vegetables, and the use of PAW-30 s for processing and storage of fresh-cut fruits and vegetables has a broad prospect and more environmentally friendly economic benefits.

plasma activated water (PAW); banana slices; reactive oxygen species (ROS); enzyme activity; storage quality

TS255.36

A

1001-3563(2023)05-0065-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.05.009

2022?07?03

國家自然科學基金（3207161197）；陜西省重點產業鏈一般項目（2021NY–166，2022ZDLNY04–02）；中國高校科學基金（2452019066）

張騰（1999—），男，碩士生，主攻食品加工方向。

江昊（1986—），男，博士，副教授，主要研究方向為農產品加工。

責任編輯：曾鈺嬋