超聲波技術(shù)在果蔬采后貯藏保鮮中的研究進(jìn)展

劉偉，宋弋，廖小軍，張潔，林瓊，吳杰，王志東，*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全收貯運(yùn)管控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100193；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，國(guó)家果蔬加工工程技術(shù)研究中心，農(nóng)業(yè)部果蔬加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京100083）

超聲波技術(shù)在果蔬采后貯藏保鮮中的研究進(jìn)展

劉偉1，宋弋2，廖小軍2，張潔1，林瓊1，吳杰1，王志東1，*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全收貯運(yùn)管控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100193；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，國(guó)家果蔬加工工程技術(shù)研究中心，農(nóng)業(yè)部果蔬加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京100083）

超聲波作為一種非熱加工技術(shù)單獨(dú)或結(jié)合殺菌劑可以有效除去果蔬表面的污垢，殺滅微生物，降解農(nóng)藥殘留，抑制酶的活性，調(diào)控質(zhì)構(gòu)、顏色等采后品質(zhì)。綜述超聲波技術(shù)在果蔬采后貯藏保鮮中的研究進(jìn)展，介紹超聲波的作用機(jī)制和相關(guān)設(shè)備，并對(duì)該技術(shù)在研究和應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

超聲波；果蔬；保鮮；殺菌；品質(zhì)

新鮮的水果和蔬菜富含豐富的膳食纖維、蛋白質(zhì)、維生素、無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)酸等營(yíng)養(yǎng)元素，是滿(mǎn)足人們?nèi)粘ｏ嬍辰】怠I(yíng)養(yǎng)均衡的重要食品。隨著人們生活水平不斷提高以及營(yíng)養(yǎng)健康的飲食理念逐漸形成，市場(chǎng)對(duì)于生鮮果蔬的需求日益增加，對(duì)于果蔬安全、營(yíng)養(yǎng)和品質(zhì)的要求也愈來(lái)愈高。近些年來(lái)，我國(guó)的果蔬產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)2016年我國(guó)水果和蔬菜的總產(chǎn)量分別達(dá)到2.75億噸和7.74億噸。由于果蔬采收、分級(jí)、預(yù)冷、采后商品化處理（清洗、打蠟、分級(jí)、包裝等）、貯藏、運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)規(guī)程、基礎(chǔ)設(shè)施、配套工藝、設(shè)備較為落后，以及生理病害、微生物病害的影響導(dǎo)致我國(guó)果蔬商品化率較低，采后損害、損耗浪費(fèi)情況較為嚴(yán)重[1]。目前，美國(guó)果蔬采后商品化率達(dá)到80%以上，意大利、法國(guó)、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家果蔬采后商品化率也達(dá)到60%～80%。目前我國(guó)果蔬商品化率僅為10%，果品損耗率約占總產(chǎn)量的15%～20%，蔬菜損耗率高達(dá)20%以上，果蔬每年的損耗量達(dá)到2億噸以上[2]。清洗是果蔬采后商品化處理的必要環(huán)節(jié)，可以提高商品價(jià)值，延長(zhǎng)貨架期。傳統(tǒng)的清洗方法可以有效除去果蔬表面的泥土、塵土，但是對(duì)于附著在果蔬表面的微生物、寄生蟲(chóng)、農(nóng)藥殘留等潛在危害物的清除作用難以達(dá)到食品安全的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段果蔬原料的清洗工序一般使用含氯消毒劑如氯酸鈉等提高清洗效率，殺滅微生物。但是，氯化物具有腐蝕性，容易引起皮膚和呼吸道疾病。而且，水氯化過(guò)程中產(chǎn)生高濃度的氯化物殘留（三氯甲烷、一溴二氯甲烷和三氯甲烷等），具有潛在的致癌性[3]。2007年，我國(guó)發(fā)布了次氯酸鈉類(lèi)消毒劑衛(wèi)生質(zhì)量技術(shù)規(guī)范，嚴(yán)格規(guī)范了其使用范圍、使用濃度、作用時(shí)間和使用方法。荷蘭、瑞典、德國(guó)和比利時(shí)等歐洲國(guó)家已經(jīng)明令禁止次氯酸鈉應(yīng)用于果蔬產(chǎn)品的殺菌消毒。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員主要研究了物理和生物方法對(duì)于果蔬采后保鮮的作用，包括：高壓、高溫、脈沖電場(chǎng)、電解水、輻照、氣調(diào)、涂膜、超聲波等[4]。

1970年，超聲波技術(shù)首次在食品領(lǐng)域應(yīng)用，用于檢測(cè)雞蛋蛋白質(zhì)量[5]。隨后，超聲波技術(shù)在殺菌、提取、干燥、過(guò)濾、乳化、檢測(cè)等食品工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅速。近些年來(lái)，超聲波作為一種非熱技術(shù)應(yīng)用于不同凈菜和鮮切果蔬，如：桃、李子、草莓、西紅柿、獼猴桃、香菜、萵苣、豆瓣菜、豆角、西洋芹等，研究發(fā)現(xiàn)超聲波通過(guò)清洗的方式處理果蔬可以起到良好的采后貯藏保鮮效果[6-14]。本文重點(diǎn)介紹超聲波的作用機(jī)制和相關(guān)設(shè)備，以及該技術(shù)在果蔬清洗、殺菌、減少農(nóng)藥殘留、品質(zhì)調(diào)控等方面的相關(guān)研究進(jìn)展，并對(duì)超聲波技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用前景和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

1 超聲波介紹

1.1 超聲波簡(jiǎn)介

超聲波是以機(jī)械振動(dòng)的形式在媒介中傳播的聲波，其頻率大于20 kHz超出了人耳聽(tīng)力的范圍。按照頻率（Hz）不同，超聲波可以分為低頻超聲（20 kHz＜ν＜1 MHz）和高頻超聲（ν＞1 MHz），按照功率不同（聲功率W、聲強(qiáng)W/m2或聲能量密度Ws/m3），超聲波也可以分為低功率（或低能量）超聲和高功率（或高能量）超聲[15]。低功率超聲的頻率高于1MHz，能量低于1W/cm2，因此超聲波通過(guò)物料時(shí)不會(huì)引起物理或化學(xué)變化。低功率超聲也被稱(chēng)為檢測(cè)超聲，在食品工業(yè)中主要應(yīng)用于食品理化性質(zhì)的分析檢測(cè)，提供食品組成、質(zhì)構(gòu)、糖分、酸度、流變性質(zhì)等相關(guān)數(shù)據(jù)[16]。高功率超聲的頻率在20 kHz和100 kHz之間，超聲波在液體介質(zhì)中產(chǎn)生強(qiáng)大壓力、剪切力和高溫，可以引起物料發(fā)生物理、化學(xué)或生物活性改變[17]。高功率超聲波也被稱(chēng)為功率超聲，主要應(yīng)用的領(lǐng)域包括：脫氣、滲透、殺菌、乳化、冷凍、干燥、過(guò)濾、提取、切割、解凍、清洗等，與傳統(tǒng)的食品加工技術(shù)相比較，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[16]。

1.2 超聲波的作用機(jī)制

超聲波通過(guò)一系列壓縮波和稀疏波在介質(zhì)中傳播，分別對(duì)應(yīng)形成正負(fù)壓，并產(chǎn)生正壓和負(fù)壓交替變化的周期，對(duì)介質(zhì)分子產(chǎn)生交替的壓縮和拉伸作用。當(dāng)聲波能量足夠高時(shí)，稀疏波對(duì)應(yīng)產(chǎn)生足夠大的負(fù)壓，如果負(fù)壓對(duì)氣體分子的作用力超過(guò)液體分子對(duì)氣體分子的作用力，原先存在于液體中的氣核就從液體中脫離，形成空穴氣泡。隨著超聲波的傳播，有些氣泡隨著超聲波的變化而逐漸長(zhǎng)大，達(dá)到臨界半徑后發(fā)生崩潰?？昭馀荼浪鷷r(shí)釋放出巨大能量，導(dǎo)致局部溫度（3 038℃）和壓力（1 000 MPa）迅速升高，產(chǎn)生高達(dá)108N/m2的強(qiáng)大的剪切力和大量高活性自由基[18]。當(dāng)大量氣泡崩塌時(shí)，高壓和高溫協(xié)同效應(yīng)產(chǎn)生微射流，使果蔬表面泥土、塵土、微生物、寄生蟲(chóng)等危害物剝離、脫落，農(nóng)藥殘留發(fā)生降解，微生物細(xì)胞壁和膜結(jié)構(gòu)被破壞，造成生物膜變薄、滲透性增加并失去選擇性進(jìn)而破壞微生物細(xì)胞組分，起到殺菌作用。另外，超聲波在介質(zhì)中傳播過(guò)程中可使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)，加速溶液的質(zhì)量傳遞。超聲波振動(dòng)能量被介質(zhì)吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃慷菇橘|(zhì)溫度升高[19]。

1.3 超聲波清洗設(shè)備介紹

超聲波技術(shù)在果蔬采后保鮮中的應(yīng)用仍然處于實(shí)驗(yàn)室水平，主要采用超聲清洗儀和超聲波探頭，其結(jié)構(gòu)分別如圖1中a和b所示。

圖1 超聲清洗儀a和超聲波探頭b的示意圖Fig.1 Schematic illustration of ultrasound bath（a）and ultrasound probe（b）

超聲波清洗儀主要由清洗槽、超聲波發(fā)生器和加熱器組成。清洗槽由彈性好、耐腐蝕的優(yōu)質(zhì)不銹鋼制成。清洗槽底部安裝有超聲波發(fā)生器，超聲波發(fā)生器將高頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能之后，產(chǎn)生振幅極小的高頻震動(dòng)并傳播到清洗槽內(nèi)的溶液中發(fā)生空化作用。超聲清洗儀的工作頻率一般為40 kHz～60 kHz，功率和溫度可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用超聲清洗儀時(shí)，果蔬原料需要完全浸沒(méi)在清洗槽的溶液中，使其受到均勻的超聲波作用。超聲波萃取儀，又名超聲波細(xì)胞破碎儀，主要由超聲波發(fā)生器和傳感器兩大部分組成。超聲波探頭通過(guò)浸沒(méi)在反應(yīng)容器中釋放超聲波能量，產(chǎn)生空化作用。由于超聲波探頭末端表面積非常狹小，超聲波探頭可在短時(shí)間內(nèi)釋放大量能量，使液體介質(zhì)快速升溫。超聲波細(xì)胞破碎儀的工作頻率為20 kHz～60 kHz，功率調(diào)節(jié)一般不得超過(guò)70%，否則會(huì)造成探頭損壞。采用超聲波探頭時(shí)，果蔬原料同樣需要完全浸沒(méi)在溶液中，超聲波探頭置于反應(yīng)容器底部以上一定的距離，通常是幾厘米。

2 超聲波技術(shù)在果蔬采后貯藏保鮮中的研究

2.1 超聲波單獨(dú)作用殺滅果蔬微生物的研究

作為一種有效的輔助滅菌方法，超聲波已經(jīng)應(yīng)用于飲用水消毒、果汁、牛乳、飲料殺菌等領(lǐng)域[20]。一方面，超聲波通過(guò)空化作用在液體介質(zhì)中產(chǎn)生大量微小氣泡，氣泡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)剪切協(xié)同瞬間崩潰導(dǎo)致局部高溫和高壓，使微生物細(xì)胞遭到破壞；另一方面，空化作用使水分子分解產(chǎn)生·H和·OH，并與氫原子重組形成過(guò)氧化氫，攻擊微生物細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，造成生物膜變薄、滲透性增加，失去選擇性。H·可與泄露的DNA鏈的磷酸骨架反應(yīng)并造成磷酸酯鏈斷裂，在分子水平抑制微生物分裂繁殖[21]。超聲波的殺菌作用與微生物的種類(lèi)和形態(tài)相關(guān)。革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌比革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的細(xì)胞壁厚，對(duì)于超聲波的耐受性更強(qiáng)。另外，研究發(fā)現(xiàn)球狀細(xì)胞比棒狀細(xì)胞對(duì)于超聲波的耐受性更強(qiáng)，表面積較大的微生物細(xì)胞對(duì)于超聲波更為敏感[22]。果蔬在種植、收獲、加工、包裝、運(yùn)輸和銷(xiāo)售等環(huán)節(jié)中，落后的生產(chǎn)技術(shù)或粗放的處理方式容易造成腐敗菌和病原微生物污染。果蔬表面的微生物存在的主要形式是生物膜，由多層的混合種群的微生物聚集而成，伴有多種微生物分泌的保護(hù)性多糖成分，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。傳統(tǒng)的清洗方法對(duì)于附著在果蔬表面的生物膜作用有限，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)超聲波通過(guò)空化作用可以在一定程度上清除和殺滅果蔬表面的微生物，表1匯總了超聲波單獨(dú)應(yīng)用于不同果蔬殺菌的相關(guān)研究。

表1 超聲波單獨(dú)作用殺滅果蔬微生物的相關(guān)研究匯總Table 1 Summary of microorganisms inactivation of fruits and vegetables by ultrasound individually

以超聲波對(duì)草莓的殺菌研究為例，Cao等發(fā)現(xiàn)超聲波（40 kHz，350 W，10 min）處理的草莓在5℃、80%～90%濕溫相對(duì)度（Relative Humidity，RH）條件下貯藏8 d，腐敗率從23%減少到13%，菌落總數(shù)從（3.23±0.04）lg CFU/g減少到（2.43± 0.02）lg CFU/g，霉菌和酵母的數(shù)量從（3.88±0.07）lg CFU/g減少到（3.02±0.02）lg CFU/g，說(shuō)明超聲波清洗可以有效清洗、殺滅草莓表面微生物，抑制采后腐敗[23]。超聲波對(duì)于新鮮果蔬的殺菌作用主要與超聲波的頻率、功率、處理時(shí)間、溫度等因素相關(guān)。盡管隨著超聲波的頻率、功率、處理時(shí)間、溫度增加，越有利于殺滅果蔬中的微生物，但是空化作用所伴隨的機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)容易破壞果蔬的質(zhì)地，使?fàn)I養(yǎng)成分損失，商品價(jià)值減少。

2.2 超聲波結(jié)合化學(xué)成分殺滅果蔬微生物的研究

盡管相關(guān)研究表明超聲波通過(guò)空化作用可以在一定程度上殺滅腐敗微生物和病原菌，但是部分研究者認(rèn)為現(xiàn)階段的超聲波技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用于新鮮果蔬殺菌還存在局限性[29]。超聲波與高溫、高壓、電場(chǎng)、輻照等物理方法結(jié)合能夠有效提高殺菌效率、抑制酶活，主要應(yīng)用于果汁、果醬、蛋液、牛乳等液體食品殺菌[30]。但是，超聲波與物理方法結(jié)合所產(chǎn)生的熱效應(yīng)和壓力容易破壞新鮮果蔬的組織結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)成分，而超聲波與化學(xué)成分如：消毒劑、有機(jī)酸和天然抑菌劑等結(jié)合適用于新鮮果蔬采后清洗、殺菌，表2匯總了超聲波與化學(xué)成分結(jié)合對(duì)于殺滅果蔬表面微生物的研究。

表2 超聲波結(jié)合化學(xué)成分殺滅果蔬微生物的相關(guān)研究匯總Table 2 Summary of microorganisms inactivation of fruits and vegetables by ultrasound combined with sanitizers

續(xù)表2 超聲波結(jié)合化學(xué)成分殺滅果蔬微生物的相關(guān)研究匯總Continue table 2 Summary of microorganisms inactivation of fruits and vegetables by ultrasound combined with sanitizers

以超聲波結(jié)合過(guò)氧乙酸對(duì)圣女果殺菌的研究為例，José等研究發(fā)現(xiàn)40 mg/L過(guò)氧乙酸或45 kHz超聲波分別使附著在果實(shí)表面的沙門(mén)氏菌Salmonella Typhimurium ATCC 14028減少了2.73 lg CFU/g和1.73 lg CFU/g；當(dāng)兩種清洗方式結(jié)合時(shí)，附著在果實(shí)表面的沙門(mén)氏菌減少了3.88 lg CFU/g，結(jié)果表明超聲波與過(guò)氧乙酸結(jié)合使用可以提高圣女果表面沙門(mén)氏菌的清除效率[31]。芽孢是某些細(xì)菌在生長(zhǎng)發(fā)育后期，在細(xì)胞內(nèi)部形成的圓形或橢圓形、厚壁、含水量低抗逆性強(qiáng)的休眠構(gòu)造，菌體芽孢對(duì)高溫、高滲透壓、極端pH值、機(jī)械振動(dòng)等許多理化因子有很強(qiáng)的抵抗力，如果不能有效的殺滅或控制芽孢，芽孢萌發(fā)后會(huì)導(dǎo)致食品腐敗[32]。蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus是果蔬中常見(jiàn)的致病微生物，比細(xì)菌具有更強(qiáng)的超聲波抗性[33]。Sagong等研究發(fā)現(xiàn)40 kHz超聲結(jié)合0.1%Tween 20分別使萵苣和胡蘿卜表面Bacillus cereus孢子減少了2.49 lg CFU/g和2.22 lg CFU/g[34]。超聲波與化學(xué)成分結(jié)合殺滅果蔬微生物主要與超聲波的功率、頻率、處理時(shí)間、化學(xué)成分及其濃度等因素相關(guān)。雖然增加消毒劑的用量可以在一定程度上提高殺菌的效率，但是消毒劑過(guò)量使用、種類(lèi)選擇沒(méi)有針對(duì)性，不僅不能提高消毒的效果，還有可能提高微生物的抗性、增加成本，如果在果蔬中殘留消毒劑可能會(huì)造成食品安全問(wèn)題。另外，隨著超聲波功率、頻率、處理時(shí)間的增加，有可能使化學(xué)成分發(fā)生降解，殺菌作用減弱[35]。

3 超聲波降解果蔬農(nóng)藥殘留的研究

近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)藥使用量總體呈現(xiàn)出明顯上升的態(tài)勢(shì)，農(nóng)藥使用的絕對(duì)數(shù)量增幅較大。

根據(jù)農(nóng)業(yè)部的統(tǒng)計(jì)資料，我國(guó)每年使用農(nóng)藥140多萬(wàn)噸，其中主要是化學(xué)農(nóng)藥，占世界總使用量的1/3[50]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者為提高生產(chǎn)效益和產(chǎn)量，大量使用農(nóng)藥，盡管?chē)?guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)于農(nóng)藥監(jiān)管越來(lái)越嚴(yán)格，高毒農(nóng)藥仍然屢禁不止，果蔬農(nóng)殘安全隱患仍然存在。食用含有農(nóng)殘留藥的果蔬會(huì)對(duì)人造成急性或亞急性中毒，嚴(yán)重影響人體健康，使得蔬菜農(nóng)藥殘留成為消費(fèi)者普遍關(guān)注的問(wèn)題。傳統(tǒng)的清理去皮、機(jī)械清洗、臭氧法、貯藏法等可以減少果蔬中的農(nóng)藥殘留，工業(yè)生產(chǎn)中需要一種既能夠去除殘留農(nóng)藥又能夠提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、保持果蔬品質(zhì)的降解方法。超聲波通過(guò)空化作用所伴隨的自由基氧化和局部高溫高壓可以降解有機(jī)化合物[51]。近年來(lái)科研人員致力于超聲波消除農(nóng)藥廢水以及超聲波降解果蔬農(nóng)藥殘留的研究，表3匯總了超聲波降解果蔬農(nóng)藥殘留的相關(guān)研究[52-56]。

表3 超聲波降解果蔬農(nóng)藥殘留的相關(guān)研究匯總Table 3 Summary of pesticide degradation of fruits and vegetables by ultrasound

岳田利等研究發(fā)現(xiàn)超聲波功率609.16 W、時(shí)間70.46 min、溫度15.45℃條件下，蘋(píng)果中有機(jī)氯農(nóng)藥去除率可達(dá)到64.32%。超聲波處理對(duì)蘋(píng)果的硬度沒(méi)有顯著性影響，雖然蘋(píng)果的總糖、總酸略有降低，但沒(méi)有超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及主要出口國(guó)蘋(píng)果標(biāo)準(zhǔn)的要求[44]。部分研究聚焦在超聲波與其他方式結(jié)合對(duì)于果蔬中農(nóng)藥降解的協(xié)同作用，Gong等發(fā)現(xiàn)超聲波結(jié)合臭氧使蘋(píng)果中二苯胺、多菌靈、百菌靈殘留的降解率達(dá)到80%以上，農(nóng)藥的降解率比單獨(dú)使用超聲波或臭氧處理有顯著提高[49]?？偟膩?lái)說(shuō)，超聲波對(duì)果蔬中殘留農(nóng)藥降解有良好的效果，通過(guò)與清洗劑結(jié)合可以提高農(nóng)藥降解效率。

4 超聲波調(diào)控果蔬采后品質(zhì)的研究

果蔬采后仍然是有生命的機(jī)體，在貯藏過(guò)程中受到環(huán)境因素和致病微生物的影響，逐漸成熟、衰老和死亡，果蔬的品質(zhì)也隨之發(fā)生改變。研究表明超聲波可以應(yīng)用于果蔬采后保鮮，延緩果蔬采后成熟衰老、抑制貯藏過(guò)程中品質(zhì)下降[57]。

4.1 超聲波對(duì)果蔬中酶的作用

酶作為一種生物催化劑對(duì)于果蔬在成熟和衰老過(guò)程中品質(zhì)形成有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)超聲波可以誘導(dǎo)果蔬防御酶的活性增加，提高果蔬采后貯藏期間的抗病性。苯丙烷類(lèi)代謝途徑在植物抗病防御機(jī)制中起著重要作用，丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonialyase，PAL）是苯丙烷代謝途徑的關(guān)鍵酶，酚類(lèi)物質(zhì)作為苯丙烷途徑的代謝產(chǎn)物，可被氧化成能對(duì)病原菌產(chǎn)生直接毒性的醌類(lèi)物質(zhì)，或參與被侵染部位木質(zhì)素的形成抑制病原菌的侵染[58]。Yeoh和Ali發(fā)現(xiàn)超聲波（25 W，10 min或20 min）可以顯著提高鮮切菠蘿中PAL的活性，以及鮮切菠蘿在貯藏期間的總酚含量和抗氧化活性，可能是超聲波發(fā)生空化作用產(chǎn)生自由基使鮮切菠蘿處于氧化應(yīng)激環(huán)境中，通過(guò)提高PAL的活性誘發(fā)抗氧化防御機(jī)制[59]。多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）和過(guò)氧化物酶（peroxidase，POD）是苯丙烷代謝途徑末端相關(guān)的酶，其活性的增加不僅能有效地清除內(nèi)源活性氧自由基，而且有利于植物木質(zhì)素和植保素的合成，通過(guò)使細(xì)胞壁增厚來(lái)抵御病菌的侵入和擴(kuò)展從而抑制發(fā)病。Yang等發(fā)現(xiàn)超聲波（40 kHz，350 W，10 min）結(jié)合水楊酸（0.05 mM）可以有效抑制擴(kuò)展青霉（Penicillium expansum）對(duì)桃子采后的侵染作用，比水楊酸單獨(dú)處理效果更好。而且，超聲波結(jié)合水楊酸增加了桃子防御酶如：幾丁質(zhì)酶（CHT）、β-1，3葡聚糖酶（GLU）、PAL、PPO和POD的活性，這些防御酶對(duì)于抑制桃子的采后真菌侵染具有重要作用[6]。同樣，研究發(fā)現(xiàn)超聲波結(jié)合水楊酸通過(guò)激活果實(shí)中的防御酶，抑制芒果和鴨梨采后受到真菌侵染[60-61]。另外，超聲波（40 kHz，10 min）結(jié)合水楊酸（1 mmol/L）可以激活桃子中氧化酶的活性，如：過(guò)氧化氫酶、抗壞血酸過(guò)氧化物酶、單脫氫抗壞血酸還原酶、脫氫抗壞血酸還原酶、谷胱甘肽還原酶等，抑制桃子在1℃貯藏中冷害的發(fā)生[62]。

超聲波對(duì)果蔬中的酶既有激活作用，也有鈍化作用。超聲波對(duì)于果蔬中酶的鈍化作用主要與超聲波的頻率、功率、處理時(shí)間、介質(zhì)和溫度等因素相關(guān)[63]。De Gennaro等比較了不同頻率（20、40、60 kHz）對(duì)于辣根POD鈍化的效果，發(fā)現(xiàn)隨著頻率增加POD的失活率逐漸加快，可能是由于低頻超聲產(chǎn)生的空化氣泡體積較大，破裂時(shí)釋放的能量較多，因此對(duì)于酶的鈍化效果較好[64]。Ercan和Soysal研究了不同超聲功率和時(shí)間對(duì)于番茄中POD活性的作用，發(fā)現(xiàn)隨著功率的增加，POD的失活速率逐漸加快，50%超聲功率處理150 s使POD完全失活，而75%超聲功率僅需90 s[65]。Cheng等研究發(fā)現(xiàn)超聲波（25 kHz，600 W）在55℃～75℃處理蘑菇與單獨(dú)熱處理（55℃～75℃）相比較使蘑菇PPO失活的D值減小了1.3倍～3倍，說(shuō)明超聲波和熱處理對(duì)于蘑菇PPO的鈍化效果有協(xié)同作用[66]。另外，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變介質(zhì)可以提高超聲波對(duì)酶的鈍化作用，李杰發(fā)現(xiàn)超聲波和臭氧水結(jié)合可以增加對(duì)于荔枝果皮PPO活性的抑制作用[67]；Jang等發(fā)現(xiàn)1%抗壞血酸結(jié)合超聲波（40 kHz）可以顯著抑制鮮切蘋(píng)果貯藏期間PPO的活性[68]。一般認(rèn)為超聲波對(duì)酶的鈍化效應(yīng)主要與空化作用所伴隨的機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)相關(guān)。超聲波處理過(guò)程中，大量氣泡崩塌時(shí)，高壓和高溫協(xié)同效應(yīng)產(chǎn)生微射流和剪切力破壞維持酶蛋白空間構(gòu)象的氫鍵、范德華力等次級(jí)鍵，誘導(dǎo)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，生物活性喪失。另外，空化作用使水分子分解產(chǎn)生具有高能量的中間產(chǎn)物如：H、OH自由基和過(guò)氧化氫，自由基可與酶的氨基酸殘基發(fā)生反應(yīng)，抑制酶的催化功能[69]。

4.2 超聲波對(duì)果蔬質(zhì)構(gòu)的作用

質(zhì)構(gòu)是消費(fèi)者接受新鮮果蔬的關(guān)鍵品質(zhì)，與果蔬組織中的果膠和纖維素組成和含量相關(guān)。果蔬采后成熟、衰老過(guò)程中，細(xì)胞壁果膠和半纖維素逐漸降解，細(xì)胞沿中膠層分離，細(xì)胞間結(jié)構(gòu)變得松散，宏觀表現(xiàn)為組織軟化[70]。質(zhì)地軟化使果蔬容易受到致病微生物侵染，貨架期變短，不利于貯運(yùn)，商品價(jià)值降低。研究發(fā)現(xiàn)超聲波可以延遲果蔬采后貯藏過(guò)程中的組織軟化，最大程度保持果蔬的硬度[7，23，71-72]。以超聲波對(duì)草莓的作用為例，Cao等發(fā)現(xiàn)350 W、40 kHz超聲波處理10 min可以顯著抑制草莓采后貯藏過(guò)程中軟化[23]。同樣，Gani等發(fā)現(xiàn)60 W、33 kHz超聲波處理20 min～30 min可以有效抑制草莓采后貯藏過(guò)程中軟化。但是，在同樣的功率、頻率條件下當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到40 min或60 min時(shí)，超聲波導(dǎo)致細(xì)胞損傷和水分損失，使草莓細(xì)胞壁硬度降低[8]。一方面，研究發(fā)現(xiàn)超聲波可以抑制果蔬的呼吸作用，而果蔬軟化相關(guān)酶主要通過(guò)呼吸作用提供能量；另一方面，超聲波可能通過(guò)空化作用抑制纖維素酶、聚半乳糖醛酸酶和果膠甲酯酶的活性，降低果蔬細(xì)胞壁降解的速度[73]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于超聲波抑制果蔬采后貯藏軟化的研究較少，作用機(jī)制需要進(jìn)一步研究證實(shí)。

4.3 超聲波對(duì)果蔬顏色的作用

顏色是評(píng)價(jià)新鮮果蔬的重要品質(zhì)指標(biāo)，直接影響消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)選擇。果蔬采后貯藏過(guò)程中發(fā)生顏色變化與果蔬的呼吸強(qiáng)度、代謝程度以及微生物生長(zhǎng)情況等因素有關(guān)，變色的類(lèi)型包括以花青素為主的紅色降解，以葉綠素為主的綠色降解以及各類(lèi)褐變，花青素降解的途徑主要包括熱降解、氧化降解、光降解、糖降解、酶降解、微生物降解等途徑，而葉綠素和褐變主要是通過(guò)酶降解途徑[74]。以草莓為例，其主要色素是花青素，Alexandre等發(fā)現(xiàn)超聲波處理（35 kHz、120 W、2 min）的草莓在4℃貯藏13 d后，與未處理的草莓相比較花青素的含量顯著增加，總色差值降低一半[25]。同樣，Gani等研究發(fā)現(xiàn)超聲波（33 kHz，60 W，10 min～30 min）可以抑制草莓在冷藏過(guò)程中變色。但是，當(dāng)超聲波處理時(shí)間超過(guò)30 min時(shí)草莓的總色差值顯著增加，主要?dú)w因于超聲波的空化作用導(dǎo)致花青素降解，含量降低[8]。脫綠黃化是蘆筍采后衰老的主要表現(xiàn)特征，魏云瀟發(fā)現(xiàn)超聲波（20 kHz～100 kHz）可以抑制蘆筍亮度和紅色值增加，并提高色差值和色度角，表明超聲波對(duì)于抑制蘆筍采后黃化有積極作用[72]。機(jī)械損傷促使鮮切果蔬表面組織發(fā)生酶促褐變反應(yīng)，導(dǎo)致鮮切產(chǎn)品的感官品質(zhì)下降、貨架期縮短。楊明冠等發(fā)現(xiàn)超聲波（40 kHz，600 W，90 min）通過(guò)鈍化多酚氧化酶的活性有效抑制鮮切馬鈴薯貯藏過(guò)程中褐變的發(fā)生[75]。同樣，Amaral等發(fā)現(xiàn)在貯藏前4天超聲波（40 kHz，200 W，5 min）可以抑制鮮切馬鈴薯多酚氧化酶50%活性，但是第4天后多酚氧化酶的活性逐漸增加。超聲波處理樣品的色調(diào)值和亮度值與未處理的樣品沒(méi)有顯著性差異，因此判斷在此條件下超聲波抑制鮮切馬鈴薯褐變沒(méi)有顯著效果，可能與超聲波設(shè)備和功率、處理時(shí)間有關(guān)[76]。大多數(shù)防腐劑具有氧化性質(zhì)，容易誘發(fā)植物組織發(fā)生褐變或變白，限制了其在果蔬保鮮、護(hù)色中應(yīng)用。但是，超聲波結(jié)合某些化學(xué)成分可以對(duì)果蔬顏色起到保護(hù)作用，研究發(fā)現(xiàn)超聲波（20 kHz，400 W，10 min）結(jié)合檸檬酸（10 g/L）或過(guò)氧化氫（10 mL/L）抑制蘑菇褐變比單獨(dú)使用超聲波或檸檬酸、過(guò)氧化氫效果更好[77]。

4.4 超聲波對(duì)果蔬營(yíng)養(yǎng)成分的作用

新鮮果蔬富含的碳水化合物、有機(jī)酸、維生素C等營(yíng)養(yǎng)成分，是人體生理代謝的能量來(lái)源和必要物質(zhì)。研究人員以維生素C、pH值、多酚、可溶固形物、可滴定酸等作為考察指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)超聲波在一定條件下使果蔬中的營(yíng)養(yǎng)成分在采后貯藏過(guò)程中保持較高水平[7，23-25，78-79]可溶固形物、可滴定酸、維生素C是決定草莓品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)，Cao等發(fā)現(xiàn)超聲波（40 kHz，350 W，10 min）可以顯著抑制草莓采后貯藏過(guò)程中可溶固形物、可滴定酸、維生素C含量的降低，而同樣的功率和時(shí)間條件下，25 kHz或28 kHz超聲波處理使草莓中營(yíng)養(yǎng)元素嚴(yán)重?fù)p失[23]。Cao等通過(guò)響應(yīng)面進(jìn)一步優(yōu)化了超聲波處理草莓的最佳工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)超聲波在40 kHz，250 W，9.8 min條件下可以使草莓在采后貯藏過(guò)程中可溶固形物、可滴定酸、維生素C的含量保持較高水平[24]。同樣，Alexandre等發(fā)現(xiàn)超聲波（35 kHz，120 W，2 min）顯著抑制了草莓在9 d貯藏過(guò)程中維生素C的降解，但是在貯藏期第13天經(jīng)過(guò)超聲波處理和未經(jīng)處理的草莓中維生素C的含量都只剩余2%，說(shuō)明超聲波對(duì)于草莓采后貯藏過(guò)程中維生素C含量的影響與超聲波的功率、頻率、處理時(shí)間和貯藏時(shí)間有關(guān)[25]。另外，消毒劑單獨(dú)用于清洗新鮮果蔬，不利于果蔬營(yíng)養(yǎng)成分的保持，含氯消毒劑可以加速果蔬中維生素C、α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜降解、黃酮等營(yíng)養(yǎng)元素降解[80-81]。但是，超聲波結(jié)合消毒劑可以對(duì)果蔬營(yíng)養(yǎng)成分起到保護(hù)作用，研究發(fā)現(xiàn)超聲波（40 kHz，100 W，10 min）結(jié)合二氧化氯（40 mg/L）對(duì)于保持李子采后的營(yíng)養(yǎng)成分如：維生素C、還原糖、可滴定酸等比單獨(dú)使用超聲波或二氧化氯效果更好[7]。

5 結(jié)語(yǔ)和展望

超聲波作為一種非熱加工技術(shù)在果蔬采后清洗、殺菌、減少農(nóng)藥殘留、品質(zhì)調(diào)控等方面具有良好的效果，顯示了其在果蔬采后保鮮中潛在的應(yīng)用性。但是，目前超聲波保鮮技術(shù)還不成熟，從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化應(yīng)用面臨很多挑戰(zhàn)。首先，缺乏超聲波清洗不同果蔬的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)參數(shù)。其次，超聲波清洗設(shè)備耗能高，需要與其他物理或化學(xué)技術(shù)結(jié)合使用提高效率。而且，超聲波單獨(dú)使用時(shí)對(duì)于微生物致死效果有限。為了拓展超聲波清洗技術(shù)的市場(chǎng)空間，加快商業(yè)化應(yīng)用的步伐。首先，需要建立超聲波清洗的標(biāo)準(zhǔn)、工藝參數(shù)和配套設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)；其次，提升超聲波設(shè)備的清洗精度和強(qiáng)度，開(kāi)發(fā)工業(yè)化規(guī)模的連續(xù)化生產(chǎn)設(shè)備；最后，將超聲波技術(shù)與現(xiàn)有的成熟技術(shù)結(jié)合使用，降低能耗，提高生產(chǎn)效率。

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Research Advance on the Ultrasonic Technolgy in Postharvest Fruits and Vegetables Storage

LIU Wei1，SONG Yi2，LIAO Xiao-jun2，ZHANG Jie1，LIN Qiong1，WU Jie1，WANG Zhi-dong1，*
（1.Institute of Agro-Products Processing Science and Technolgy CAAS，Key Laboratory of Agro-products Quality and Safety Control in Storage and Transport Process，Ministry of Agricultrue，Beijing 100193，China；2.National Engineering Research Center for Fruit and Vegetable Processing，Key Laboratory of Fruit and Vegetable Processing，Ministry of Agriculture，Research Center of Fruit and Vegetable Processing Engineering，Ministry of Education，College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

As a non-thermal processing technology，ultrasound used alone or in combination with bacteriacide can effectively remove the dirt on the surface of fresh fruits and vegetables，degrade pesticide residues，kill microorganisms，inhibit the enzyme activity，regulate the texture，colour and other quality of postharvest fruits and vegetables.This paper reviews the progress of ultrasonic technology in postharvest storage and preservation of fruits and vegetables，introduces the mechanism and related equipment of ultrasound，analyzes the development trend of the technology in research and application.

ultrasonic；fruits and vegetables；preservation；sterilization；quality

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.23.040

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“食品非熱加工新技術(shù)研究與裝備開(kāi)發(fā)”（2016YFD0400302）；北京市糧經(jīng)作物產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（BAIC09-2017）；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程項(xiàng)目

劉偉（1984—），男（漢），助理研究員，博士研究生，研究方向：果蔬貯藏和加工。

*通信作者:王志東（1958—），男（漢），研究員，本科，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品貯藏理論與技術(shù)。

2017-05-02