物理技術在果蔬保鮮中的應用研究進展

陳思宇，金建，趙世琳

（西南科技大學 生命科學與工程學院，四川 綿陽 621010）

果蔬富含碳水化合物、維生素、無機鹽等多種營養素，符合大眾的膳食需求。我國的果蔬行業發展迅速，然而，果蔬采后在貯藏、運輸過程中，因自身代謝及外在因素易導致褐變、細胞膜損傷、組織變軟等現象[1-2]，使得大部分果蔬只能在短時間內供應。保鮮技術的應用可以有效延長果蔬的貯藏期。與化學保鮮技術相比，物理保鮮技術因其具有安全、高效、綠色等優點，是目前應用最廣泛的一種保鮮技術。本文主要針對6 種物理技術在果蔬保鮮中的應用進行綜述，旨在為果蔬的保鮮提供參考。

1 果蔬采后的生理變化

1.1 活性氧代謝

活性氧（reactive oxygen species，ROS）是指果蔬在正常代謝過程中產生的含氧代謝物，具有活躍的化學性質及生物活性[1]。在正常情況下，ROS 的產生與清除處于動態平衡，當果蔬受到環境溫度、酸堿度脅迫或機械損傷時，平衡將被打破，導致其在果蔬內部開始上升并積累。ROS 積累過多，其強氧化性會干擾果蔬正常的代謝活動，加速脂質過氧化，產生丙二醛（malondialdehyde，MDA），改變細胞膜通透性，最終使果蔬喪失正常的生理機能而衰老腐敗。

1.2 能量代謝

能量是維持生物體一切活動的基礎，在生物體內主要以三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的形式存在，與生物體的生長、發育、衰老密切相關。研究表明，果蔬采后ATP 含量的多少與果蔬在貯藏期間能否保持良好的品質有關[3]。果蔬采后逐漸衰老，細胞內ATP 合成能力下降，細胞膜會因細胞能量的缺乏而喪失功能，造成細胞受損并加快果蔬的衰老行為。

1.3 呼吸代謝

呼吸代謝是果蔬采后腐敗變質的重要原因之一，它為果蔬生命活動和生化反應提供能量和反應中間體[2]。呼吸作用所需要的能量依靠有機物如淀粉、蔗糖的消耗供給，作用過強會加快營養物質的消耗，產生ROS，加速細胞膜氧化損傷，因此果蔬采后的色澤、風味、質地、營養素含量與呼吸強度和呼吸酶活性息息相關。

2 物理技術在果蔬保鮮中的應用

近年來，物理技術在果蔬保鮮中的應用備受國內外研究學者的關注，包括相對傳統的物理保鮮技術如氣調包裝（modified atmosphere packaging，MAP）以及其他幾種主流新型的物理技術如輻照、高壓靜電場（highvoltage electrostatic field，HVEF）、低溫等離子體（cold plasma，CP）、磁場（magnetic field，MF）、超聲波（ultrasound，US）等。以上幾種研究相對成熟或比較熱門的物理技術在部分果蔬保鮮中的應用如表1 所示。

表1 物理技術在部分果蔬保鮮中的應用Table 1 Application of physical technology in preservation of some fruits and vegetables

2.1 氣調包裝在果蔬保鮮中的應用

氣調包裝是指利用果蔬自身的代謝特性，通過控制貯藏環境中的氣體比例（O2、CO2、N2、C2H4等），限制果蔬在自然條件下的生理活動，以延長貯藏期。根據控制氣體的方式可分為自發氣調包裝和可控氣氛（controlled atmosphere，CA）貯藏。表1 顯示，將穿孔薄膜與MAP 相結合，可以維持包裝中氣體分壓穩定，且分壓比例與微孔數量有關。Lei 等[4]研究發現，草莓采用含4 個100 μm 微孔的聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）薄膜，并保持袋內10 kPa O2和10 kPa CO2氣體分壓貯藏18 d，總酚、花青素、總黃酮含量分別提高25%、13%、29%，PAL 活性增強，貨架期延長至19 d。此外，MAP 已被證實可以減輕真菌引起的腐敗問題。Frans 等[5]研究發現，MAP 能夠顯著改善甜椒內部由于乳酸鐮刀菌引起的腐爛，這極大可能是由于薄膜中O2分壓降低，直接影響了真菌的增殖發育。研究表明，MAP 聯合臭氧預處理在藍莓[6]、青椒[7]中的保鮮效果顯著。這是因為氣態臭氧可以作為酚類物質生物合成的誘導子，提高果蔬抗氧化能力。氣調技術通過控制貯藏環境中的氣體比例，減緩果蔬呼吸代謝達到保鮮目的，因此該技術對控制環境氣體比例的設備要求較高。若氣體配比控制不當，如CO2濃度過高、O2濃度過低，果蔬則易進行無氧呼吸而不利于貯藏。此外，MAP 所使用的保鮮薄膜大多為聚乙烯、聚氯乙烯等材料，在未被完全降解的情況下易造成環境污染。

2.2 輻照技術在果蔬保鮮中的應用

食品輻照是指食品受到可控劑量的非電離輻射（紫外線、可見光、無線電波等）或電離輻射（γ 射線、X射線、電子束）后，殺滅包括病毒在內的致病及腐敗微生物，并且不會影響食品品質或營養特性的一種非熱物理技術，其中以電離輻射為主[27]。與X 射線相比，γ射線因其更經濟有效而被廣泛應用于果蔬保鮮。由表1 顯示，果蔬保鮮效果與輻照劑量密切相關。Zhao 等[8]研究發現，椪柑致病菌指狀青霉的生長抑制作用與γ射線劑量呈正相關，但過高劑量（＞1 kGy）則會加快果實衰老，以0.5 kGy 為最佳保鮮效果。Panou 等[9]研究發現，草莓經適宜劑量γ 射線輻照能有效保持口感及外觀，高劑量反而會加速果實失重，但高劑量抑制草莓真菌腐敗效果更好。Khalili 等[11]研究發現，經γ 射線輻照處理的黃瓜，其果皮葉綠素和維生素C 保持能力分別提高約3 倍和1.4 倍，并延長了7 d 的貯藏期。此外，輻照技術能有效抑制果蔬酶促褐變。葉爽等[12]研究發現，香菇經劑量為1.0 kGy 的60Co 產生的γ 射線處理后，貯藏21 d，亮度L* 值由90.06 減小到87.77，而對照組L* 值由90.54 減小到80.71，這表明輻照能有效抑制香菇顏色劣變。γ 射線具有較強的穿透力，雖能強烈致死微生物，但射線發生裝置需要設置專門的安全防護，投資成本較大，且該技術在果蔬的保鮮應用中需要嚴格控制劑量，并規范地處理廢棄物。目前，允許接受輻照的果蔬種類受限，消費者對輻照食品的接受度不高，輻照技術在果蔬保鮮中應用的發展仍面臨著很大的挑戰。

2.3 高壓靜電場在果蔬保鮮中的應用

高壓靜電場屬于電磁能，是利用生物體本身具有的電學特性，與生物體相互作用產生的生物學效應[28]。HVEF 通過電離空氣產生臭氧、影響呼吸系統電子傳遞、引起水的存在形式及水酶結合狀態改變等延緩果蔬采后的生理變化，近年來在果蔬保鮮領域中得到廣泛關注。吳玨等[13]研究發現，HVEF 能有效減少椪柑果實表面的真菌數量，降低果實在貯藏期間的失重率和呼吸速率，維持椪柑采后的新鮮度和品質。成紀予等[29]研究發現，適宜的電場處理能有效減輕機械損傷對甘薯細胞組織的傷害，并得出經電場強度800 kV/m、時間10 h、溫度26 ℃處理，受損甘薯愈傷部位的木質素合成速率最大，愈傷效果最佳。楊智超等[30]研究發現，HVEF 處理櫻桃番茄，果實表面大腸桿菌菌落總數減少1.44～2.15 lg（CUF/g），這表明HVEF 處理能降低由食源性致病菌引起的食品安全問題的風險。此外，該處理還能使櫻桃番茄部分類黃酮和生物堿成分含量升高，這有利于改善果實采后的營養品質。Zhao 等[14]研究發現，HVEF 預處理能降低番茄貯藏過程中超氧化物陰離子和過氧化氫的生成速率，減弱ROS 對番茄造成的影響。HVEF 作為一種低溫殺菌技術，耗時短、成本低，無輻照及化學物質殘留，符合熱敏性食品的加工需求，但由于電壓高而存在一定的危險，對環境濕度要求高，大規模的推廣和應用該技術存在一定的難度。

2.4 低溫等離子體在果蔬保鮮中的應用

低溫等離子體是除固、液、氣外的第四態物質，是由中性氣體在特定激勵條件下電離產生自由電子，自由電子再與周圍介質中的分子、原子或電子發生碰撞，產生的活性粒子[31]。CP 可以在室溫和常壓下產生，根據放電方式可以分為介質阻擋放電、滑動電弧放電、電暈放電、輝光放電。張禾等[32]研究發現，適宜電流強度的低溫等離子體能通過積累ROS 來破壞細菌細胞膜的完整性，促進楊梅致病菌桔青霉孢子凋亡，降低果實腐敗率。此外，已有許多研究證明，適宜電壓的CP在芒果[15]、杏子[16]、火龍果[17]等果蔬的應用中，不僅能提高果蔬總酚物質的含量，還能提升其抗氧化能力，從而延緩果蔬采后生理變化。Jia 等[18]研究發現，60 kV ACP處理能顯著延緩番茄紅化，維持表皮綠色。這是因為ACP 處理能有效抑制葉綠素降解、類胡蘿卜素積累，降低葉綠素酶和脫鎂葉綠酸a 加氧酶（pheophorbide a oxygenase，PAO）活性。Song 等[19]研究發現，CP 處理對生菜中大腸桿菌O157∶H7 和鼠傷寒沙門氏菌的抑制作用高達2.8 lg（CFU/g），這表明CP 能有效減少食源性致病菌，從而降低食源性疾病發生的風險。CP 作為一種新型非熱物理保鮮技術，操作安全簡單，能最大程度地保持果蔬原有的營養成分，在果蔬保鮮應用中有廣闊的發展前景。然而，CP 在處理形狀不規則的食品原料方面尚存在缺陷。低溫等離子體活化水[33]有利于解決此問題，成為了目前一種較為新穎的保鮮方式。此外，關于CP 殺菌原理和安全性評價仍需要更完善的理論支撐。

2.5 磁場處理在果蔬保鮮中的應用

磁場是一種無形但客觀存在的物理場[34]。外加磁場與生物體內電荷相互作用影響生物體的新陳代謝，從而達到殺菌的作用。磁場分為交變磁場和靜磁場，目前，由于靜磁場的保鮮機制缺乏定論，磁場保鮮技術主要集中在對交變磁場的技術研究中。呂莉萍[35]利用AMF 處理鮮切蘋果，發現該處理能有效減慢果實DPPH 自由基清除能力的下降，降低ROS 對細胞組織的影響。此外，研究表明，磁場對由低溫貯藏引起的果蔬冷害有抑制作用。Zhao 等[20]研究發現，連續或間歇AMF 處理香蕉均能降低PPO 活性和呼吸強度，抑制MDA 積累，從而減弱冷害影響。Jiang 等[21]研究發現，MF 協助冷凍西蘭花能顯著縮短相變時間，提高冷凍平均速率，使冷凍食品品質得到改善。Irungu 等[22]研究發現，經MF 處理并貯藏8 周的土豆塊莖發芽數較少，并顯著降低其失重率，從而延長土豆貨架期并降低由發芽土豆引起食物中毒的概率。在果蔬低溫貯藏過程中，MF 減輕果實冷害效應效果顯著，在一定程度上延長了香蕉、芒果等冷敏型熱帶水果的銷售周期。雖然，MF 技術已被證實能夠應用于食品保鮮，但該技術受許多因素綜合影響，與生物體內電荷的分布位置密切相關。且因果蔬本身的差異，需要不同的磁場參數。因此，在未來仍需要更多的系統性研究為MF 技術在果蔬保鮮中的應用做支撐。

2.6 超聲波處理在果蔬保鮮中的應用

超聲波技術是指利用低頻聲波（20～100 kHz）在液體中產生空化效應，即產生局部高溫和高壓變化，引起細胞壁結構破壞，細胞膜通透性增加，使微生物失活，從而延長食品貨架期[36]。劉夢培等[24]研究發現，甜柿經420 W US 處理30 min 后硬度提高2.97 kg/cm2，多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG）活力下降8.79 μg/（min·g），其他果膠降解酶如果膠裂解酶（pectate lyase，PL）、果膠甲酯酶（pectin methylesterase，PE）活力均有所下降，這表明該技術能夠有效抑制果實軟化。Neto 等[25]研究發現，US 處理后的生菜在貯藏溫度高于5 ℃時，微生物增殖速度更快，表明US 處理對生菜的抑菌效果隨貯藏溫度的上升而減小。Lu 等[23]研究發現，US 處理能增加番茄中總酚、番茄紅素、類胡蘿卜素等次生代謝物，這與US 處理提高PAL 活性有關，但US 處理時間越長反而會降低其活性并影響番茄品質。胡宇欣等[26]研究發現，US 處理鹿茸菇，不僅能維持鹿茸菇的亮度、硬度，還能提高ATP 酶和6-磷酸葡萄糖脫氫酶活性，使鹿茸菇采后維持較高的能量水平，減緩劣變。此外，Zhang 等研究發現，白菜[37]、番茄-絲瓜[38]混藏保鮮中利用超聲-氣調包裝聯合技術，其原有品質在貯藏期間得到了有效保持。因此，US 單獨使用以及聯合其他技術在果蔬保鮮中具有極大的應用潛力。US技術安全、無副作用，在減少微生物、提高果蔬品質方面表現出良好的效果。但該技術在食品工業中難以大規模使用，但聯合其他保鮮技術共同發展，有望成為更加商業化、經濟化的保鮮技術。

3 結論

物理保鮮技術具有簡單方便、效率高、綠色環保且能最大程度保留食品的營養成分等優點，在果蔬的保鮮貯藏中具有廣闊的應用前景。目前，物理保鮮技術仍存在一些問題，如殺菌保鮮機理尚不完全清楚，單一的物理保鮮技術不具有普遍適用性。后續可在以下方面進行研究：研究物理保鮮技術的原理、工作參數及影響因素，建立大數據庫，以確保獲得最佳的保鮮效果及最大的經濟效益；研究各物理保鮮技術之間或者與其他保鮮方式進行協同聯用，解析協同作用機理，并進行相應設備的開發；研究物理保鮮技術對果蔬次生代謝物（如類黃酮、多酚）的合成量、代謝途徑及其對果蔬營養價值的影響。