熒光和發(fā)光二極管輻射技術(shù)調(diào)控果蔬采后抗氧化活性及其機(jī)制研究進(jìn)展

馬亞丹，張翠翠，李林杰，詹麗娟*

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002）

大量流行病學(xué)調(diào)查研究表明經(jīng)常食用一定量的新鮮果蔬可以降低很多疾病尤其是慢性疾病發(fā)病率[1]，這主要得益于果蔬中含有大量天然抗氧化物質(zhì)（維生素類、多酚類以及類胡蘿卜素類等）[2]，這些抗氧化物質(zhì)發(fā)揮抗氧化作用的可能機(jī)理有：1）清除活性氧自由基；2）增強(qiáng)抗氧化酶活性；3）阻斷脂質(zhì)過氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，減少膜脂質(zhì)過氧化損傷，不少果蔬可抑制過氧化產(chǎn)物丙二醛及脂褐素的生成；4）減少DNA損傷[3]。因此，世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織建議每人每天應(yīng)食用不低于400 g新鮮果蔬[4]。

然而，新鮮的果蔬在采后貯運(yùn)和銷售過程中極易發(fā)生衰老劣變，主要表現(xiàn)為感官品質(zhì)下降和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降解。光輻射技術(shù)作為當(dāng)前一種新興的物理保鮮方法已經(jīng)被證實(shí)具有延緩果蔬采后衰老劣變和延長(zhǎng)貨架期作用[5-6]，且該技術(shù)成本低廉、操作簡(jiǎn)單、無(wú)毒害殘留、無(wú)副產(chǎn)物、對(duì)環(huán)境友好[5,7]，完全滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和消費(fèi)者對(duì)安全、環(huán)保型食品的生產(chǎn)和需求。目前研究應(yīng)用于果蔬采后保鮮領(lǐng)域的光輻射技術(shù)光源類型主要有熒光和發(fā)光二極管（lighting emitting diode，LED）。本實(shí)驗(yàn)室前期對(duì)熒光照射技術(shù)在果蔬保鮮方面的應(yīng)用進(jìn)行了綜述[5]，但有關(guān)光輻射技術(shù)尤其是LED光輻射技術(shù)對(duì)果蔬采后抗氧化活性調(diào)控的綜述文獻(xiàn)鮮有報(bào)道。為此，本文首先簡(jiǎn)要介紹光輻射技術(shù)的光源類型及其可能的保鮮機(jī)制，重點(diǎn)綜述光輻射技術(shù)對(duì)果蔬采后抗氧化物質(zhì)如VC、多酚化合物和類胡蘿素類等物質(zhì)以及抗氧化活性的調(diào)控作用，并對(duì)其可能的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行解析，最后對(duì)當(dāng)前光輻射技術(shù)在果蔬保鮮中的研究和應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行討論，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

1 光輻射類型及保鮮機(jī)制

1.1 熒光輻射技術(shù)及保鮮機(jī)制

熒光輻射（一般波長(zhǎng)范圍為380～720 nm）技術(shù)在果蔬保鮮中的研究最早可追溯到1972年，Peacock首次報(bào)道連續(xù)熒光輻射處理對(duì)香蕉果實(shí)采后呼吸躍變期的影響[8]。但由于早期化學(xué)保鮮劑在果蔬保鮮中的廣泛應(yīng)用，熒光輻射技術(shù)一直未得到快速發(fā)展。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代消費(fèi)者對(duì)安全、廉價(jià)和環(huán)境友好型食品需求的增加，熒光輻射技術(shù)作為一項(xiàng)綠色安全的物理保鮮方法在果蔬保鮮中的作用逐漸引起人們的廣泛關(guān)注并得到迅速發(fā)展。現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)熒光輻射技術(shù)在果蔬保鮮中的研究還處于探索階段，主要集中于研究熒光輻射強(qiáng)度和周期對(duì)果蔬采后營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和生理變化的影響[5]，有關(guān)熒光輻射延緩果蔬采后衰老的調(diào)控機(jī)理尚無(wú)明確定論，歸納起來(lái)主要有以下幾種觀點(diǎn)：1）熒光輻射引起葉片氣孔開放，光敏色素參與光延遲葉綠體衰老進(jìn)程[9]；2）熒光輻射延緩組織衰老主要通過光合作用產(chǎn)生糖類物質(zhì)[10]；3）通過光合作用和呼吸作用形成ATP[11]；4）光輻射抑制果蔬組織內(nèi)乙烯的釋放并推遲乙烯峰的出現(xiàn)，從而延緩組織衰老[12]。

1.2 LED光輻射技術(shù)及保鮮機(jī)制

LED是一種直接把電轉(zhuǎn)化為光，能夠發(fā)出可見光和眾多單色光質(zhì)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。發(fā)光器件是由無(wú)毒的材料組成，眩光小、冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源[13-14]。由于LED光波波長(zhǎng)類型豐富（一般波長(zhǎng)范圍為400～700 nm），光譜范圍正好與植物光合成和光形態(tài)建成的光譜范圍吻合（紅光波長(zhǎng)620～630 nm和640～660 nm、藍(lán)光波長(zhǎng)450～460 nm和460～470 nm為植物生長(zhǎng)敏感的波段），并可按照需要組合獲得純正單色光與復(fù)合光譜；因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物和園藝作物采前生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控。最近研究發(fā)現(xiàn)LED照射處理對(duì)園藝作物采后貯藏保鮮有顯著的調(diào)控作用[6]，有關(guān)LED照射技術(shù)對(duì)果蔬采后保鮮的調(diào)控機(jī)理討論較少，且無(wú)明確的結(jié)論。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)歸納其可能的作用機(jī)制是：1）促進(jìn)采后果蔬繼續(xù)進(jìn)行光合作用，合成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如可溶性糖，維持果蔬物質(zhì)能量代謝[6,15]；2）減緩/抑制呼吸強(qiáng)度及乙烯釋放[16]；3）上調(diào)果蔬某些營(yíng)養(yǎng)成分如花青素、類胡蘿卜素合成相關(guān)基因表達(dá)，增加/維持其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)水平[17]；4）抑制采后果蔬表面微生物生長(zhǎng)[18]。

2 光輻射技術(shù)對(duì)果蔬采后抗氧化物質(zhì)及抗氧化活性的調(diào)控

2.1 光輻射技術(shù)對(duì)果蔬采后VC的調(diào)控作用

VC又稱抗壞血酸，是人體必需的但無(wú)法自我合成的營(yíng)養(yǎng)元素，其廣泛存在于新鮮的果蔬中。光輻射對(duì)采后果蔬中VC含量具有顯著的調(diào)控作用，和黑暗對(duì)照相比，無(wú)論是熒光還是LED光輻射處理都能顯著增加或維持果蔬組織內(nèi)VC含量（表1）。生菜[19]、羽衣甘藍(lán)[20]、花椰菜[21]、西蘭花[22]、蘿卜嫩葉[23]、芹菜[24]和菠菜[25]在采后貯藏期間，經(jīng)光照強(qiáng)度范圍為15～30 μmol/（m2·s）熒光24 h/d連續(xù)輻射后，其組織內(nèi)VC含量顯著高于黑暗對(duì)照（表1）。番茄[26]和黃瓜[27]果實(shí)采后經(jīng)75 μmol/（m2·s） LED白光24 h/d連續(xù)照射后，組織內(nèi)V C含量顯著高于黑暗對(duì)照組；低強(qiáng)度（5 μmol/（m2·s））LED紅光對(duì)芫荽和蕹菜連續(xù)照射4 d后，處理樣品中VC含量分別是對(duì)照的2.38 倍和2.31 倍[28]；相似的，綠蘆筍經(jīng)2 μmol/（m2·s）的LED紅光照射6 d后，處理樣品中VC含量增加了55%，而黑暗對(duì)照樣品中VC含量則下降[29]；此外，LED紅藍(lán)、紅綠和藍(lán)白復(fù)合光均能增加/維持西蘭花和西芹貯藏過程中VC含量[30-32]（表1）。

光輻射增加/維持果蔬貯藏期間VC含量可能原因是：1）光輻射促進(jìn)VC合成前體物質(zhì)：研究發(fā)現(xiàn)熒光輻射可誘導(dǎo)果蔬尤其是綠色蔬菜如生菜[19]、芹菜[24]、西藍(lán)花[22]、菠菜[25]等在貯藏期間繼續(xù)進(jìn)行光合作用，累積可溶性糖，累積的可溶性糖如己糖可為VC合成提供前體物質(zhì)[25]。然而研究也發(fā)現(xiàn)，熒光輻射對(duì)菠菜組織中VC代謝相關(guān)酶如抗壞血酸過氧化物酶、抗壞血酸氧化酶、脫氫抗壞血酸還原酶和單脫氫抗壞血酸還原酶并無(wú)顯著影響[25]；2）光輻射上調(diào)VC合成相關(guān)基因的表達(dá)：最新研究發(fā)現(xiàn)，LED光輻射調(diào)控西蘭花VC變化發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，50 μmol/（m2·s）的LED白光輻射顯著上調(diào)西蘭花VC合成基因（BO-VTC2、BO-GLDH）和再生基因（BO-MDAR1、BO-MDAR2）的表達(dá)[33]。因此，光輻射對(duì)果蔬采后VC的調(diào)控可能通過增加合成前體物質(zhì)和上調(diào)合成相關(guān)基因表達(dá)，但其真正的調(diào)控機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

表 1 光輻射技術(shù)對(duì)部分果蔬采后VC含量變化的調(diào)控作用Table 1 Regulatory effect of light irradiation on VC content in selected fruits and vegetables during postharvest storage

2.2 光輻射技術(shù)對(duì)果蔬采后多酚物質(zhì)的調(diào)控作用

多酚類物質(zhì)是果蔬最重要的抗氧化物質(zhì)之一，也是果蔬抗氧化活性的主要來(lái)源。因其結(jié)構(gòu)中的鄰位酚羥基很容易被氧化成醌類結(jié)構(gòu)，消耗環(huán)境中的氧，同時(shí)對(duì)活性氧等自由基具有很強(qiáng)的捕捉能力，使多酚具有較強(qiáng)的抗氧化活性以及清除自由基的能力。光輻射技術(shù)顯著調(diào)控果蔬多酚含量變化（表2）。和黑暗對(duì)照相比，較高強(qiáng)度（12～24 μmol/（m2·s））的熒光輻射顯著提高生菜[34]、西蘭花[22,35]、花椰菜[21]和芹菜[36]中總酚含量，而較低強(qiáng)度（3 μmol/（m2·s））的熒光輻射則加速生菜[34]總酚降解；LED藍(lán)光對(duì)草莓[37]、蘿卜芽苗菜[38]及楊梅[17]采后貯藏期間總酚含量都有顯著的增強(qiáng)作用，草莓經(jīng)LED藍(lán)光輻射4 d和12 d后，處理組樣品中花青素含量顯著高于對(duì)照組，楊梅經(jīng)40 μmol/（m2·s）LED藍(lán)光輻射后，在貯藏第8天，處理組果實(shí)中花青素含量是對(duì)照組的1.8 倍（表2）。球芽甘藍(lán)經(jīng)20 μmol/（m2·s）LED白藍(lán)復(fù)合光輻射后，總黃酮含量顯著增加[39]，蘿卜芽苗菜經(jīng)強(qiáng)度為30 μmol/（m2·s）UV-B輻射11 d后，處理組樣品中總酚含量比多照組高約50%[38]（表2）。

光輻射對(duì)果蔬多酚調(diào)控主要機(jī)制目前尚無(wú)一致結(jié)論，但已有研究證實(shí)光輻射可誘導(dǎo)多酚合成關(guān)鍵限速酶-苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyase，PAL）活性上升，從而加速多酚合成，同時(shí)抑制多酚氧化酶和過氧化物酶（peroxidase，POD）活性，抑制多酚氧化降解[34]；同時(shí)研究也發(fā)現(xiàn)光輻射通過上調(diào)多酚合成途徑相關(guān)基因的表達(dá)，從而誘導(dǎo)多酚物質(zhì)的合成，例如40 μmol/（m2·s）LED藍(lán)光通過上調(diào)楊梅花青素合成相關(guān)基因MrCHI、MrF3H、MrF3’H、MrDFR1、MrDFR2和MrANS的表達(dá)提高花青素含量[17]，類似的報(bào)道在蕎麥幼苗研究中得到證實(shí)，50 μmol/（m2·s）的LED光照顯著上調(diào)蕎麥幼苗多酚合成基因FtPAL、FtF3’H、FtC4H、FtCHI、FtFLS-2和FtANS轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致其蘆丁含量在處理4 d后顯著增加，矢車菊云苷和兒茶酚含量在處理后10 d內(nèi)顯著增加[40]。由此可見，光輻射可通過調(diào)控多酚合成與降解相關(guān)酶活性及合成相關(guān)基因表達(dá)來(lái)調(diào)控多酚物質(zhì)的變化。

表 2 光輻射技術(shù)對(duì)部分果蔬采后多酚含量變化的調(diào)控作用Table 2 Regulatory effect of light irradiation on polyphenols content in selected fruits and vegetables during postharvest storage

2.3 光輻射技術(shù)對(duì)果蔬采后類胡蘿卜素的調(diào)控作用

類胡蘿卜素類主要包括胡蘿卜素（如β-胡蘿卜素和番茄紅素）和葉黃素（如葉黃素和蝦青素），各種類胡蘿卜素組成比例的變化賦予了不同果蔬特有的色澤，而果蔬色澤是果蔬采后主要的感官品質(zhì)之一，也是消費(fèi)者判斷果蔬成熟度、新鮮度、商品可接受度及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要參數(shù)[41]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)主要集中研究LED光輻射對(duì)類胡蘿卜素的調(diào)控作用（表3），低強(qiáng)度（1.4 μmol/（m2·s））LED白光循環(huán)間隔輻射野苣6 d后，處理組樣品中類胡蘿卜素含量顯著高于對(duì)照組[42]。高強(qiáng)度（150 μmol/（m2·s））的LED紅光輻射顯著提高柑橘中β-隱黃質(zhì)和葉黃素含量，并上調(diào)其相關(guān)合成基因[43]。LED紅光輻射可顯著提高番茄中番茄紅素的含量，而對(duì)β-胡蘿卜素含量無(wú)顯著影響[44]。此外LED復(fù)合白藍(lán)光連續(xù)輻射西藍(lán)花[45]和芽球甘藍(lán)[39]后，可顯著提高其類胡蘿卜素含量。光輻射可能通過上調(diào)類胡蘿卜素合成途徑相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)調(diào)控果蔬采后類胡蘿卜素含量，例如已有研究發(fā)現(xiàn)LED紅光輻射可顯著上調(diào)柑橘采后β-隱黃質(zhì)和葉黃素合成相關(guān)基因CitPSY、CitPDS、CitZDS、CitLCYb1、CitLCYb2、CitHYb和CitZEP的表達(dá)[43]，但鑒于關(guān)于光輻射對(duì)果蔬采后類胡蘿素調(diào)控研究文獻(xiàn)較少，鮮有研究對(duì)其調(diào)控機(jī)制進(jìn)行報(bào)道，因此關(guān)于光輻射對(duì)類胡蘿卜素含量的調(diào)控機(jī)理目前尚不清楚。

表 3 光輻射技術(shù)對(duì)部分果蔬采后類胡蘿卜素變化的調(diào)控作用Table 3 Regulatory effect of light irradiation on carotenoids content in selected fruits and vegetables during postharvest storage

2.4 光輻射技術(shù)對(duì)果蔬采后抗氧化活性的調(diào)控作用

熒光和LED輻射技術(shù)對(duì)果蔬采后抗氧化活性都有顯著的調(diào)控作用（表4）。熒光光照強(qiáng)度對(duì)果蔬采后抗氧化活性有顯著影響，較高強(qiáng)度（12～24 μmol/（m2·s））熒光連續(xù)輻射可顯著增加生菜[34]、芹菜[36]和西藍(lán)花[22,35]采后貯藏期間抗氧化活性（鐵離子還原能力法（ferric ion reducing antioxidant power，F(xiàn)RAP）），而較低強(qiáng)度（3 μmol/（m2·s））熒光輻射則顯著降低生菜[34]采后貯藏期間抗氧化活性（FRAP法）。不同于光照強(qiáng)度，光質(zhì)對(duì)果蔬采后抗氧化活性調(diào)控作用相似，一般來(lái)說，不同光質(zhì)輻射均能增加果蔬抗氧化活性。如LED藍(lán)光和LED白-藍(lán)復(fù)合光顯著增加蘿卜芽苗菜[38]、西藍(lán)花[45]和球芽甘藍(lán)[39]抗氧化活性；此外，不同蔬菜品種對(duì)相同的光輻射條件應(yīng)答反應(yīng)也不相同，例如，青椒、西藍(lán)花和蘆筍在相同的光輻射條件（強(qiáng)度20～112 μmol/（m2·s）LED綠光24 h/d連續(xù)輻射）處理6 d后，青椒中處理組抗氧化活性顯著高于對(duì)照組，西藍(lán)花中處理組抗氧化活性顯著低于對(duì)照組，而蘆筍中處理組抗氧活性和對(duì)照組無(wú)顯著差異[46]。果蔬抗氧化活性主要來(lái)源于其抗氧化物質(zhì)如維生素類、多酚類和類胡蘿卜素，研究表明，大部分果蔬抗氧化活性與其VC、總酚、類胡蘿卜素及類黃酮含量呈極顯著正相關(guān)[47]；因此光輻射增加果蔬抗氧化活性可能主要與其增加果蔬抗氧化物質(zhì)含量有關(guān)。

表 4 光輻射技術(shù)對(duì)部分果蔬采后抗氧化活性變化的調(diào)控作用Table 4 Regulatory effect of light irradiation on antioxidant activity of selected fruits and vegetables during postharvest storage

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，光輻射技術(shù)作為一項(xiàng)綠色、節(jié)能和環(huán)保的保鮮新技術(shù)，可顯著提高果蔬貯藏期間抗氧化物質(zhì)如VC、酚類和類胡蘿卜素類物質(zhì)含量和抗氧化活性。光輻射對(duì)果蔬抗氧化物質(zhì)調(diào)控的可能機(jī)制主要是通過調(diào)控抗氧化物質(zhì)合成前體物質(zhì)、合成或降解相關(guān)酶活性、合成代謝相關(guān)基因表達(dá)等。盡管如此，光輻射作為一項(xiàng)新興的保鮮技術(shù)，其對(duì)果蔬保鮮的調(diào)控機(jī)制仍不明確。現(xiàn)有文獻(xiàn)更多地是研究光輻射對(duì)果蔬采后生理生化和品質(zhì)變化的影響，但對(duì)光輻射導(dǎo)致這些變化的機(jī)制討論較少，而且研究文獻(xiàn)所采用光源類型、光照強(qiáng)度、光質(zhì)、貯藏條件等差異較大，從而導(dǎo)致光輻射對(duì)相同參數(shù)的調(diào)控作用結(jié)果較大差異，甚至相互矛盾，從而難以形成一致性結(jié)論；其次，研究中設(shè)定的光輻射強(qiáng)度和周期同實(shí)際生產(chǎn)有差異，研究多采用較高強(qiáng)度連續(xù)光輻射處理，而在實(shí)際生產(chǎn)中，果蔬采后貯藏和銷售過程中的光照強(qiáng)度往往相對(duì)較低，光輻射時(shí)間也有間斷，這都可能影響研究成果在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的轉(zhuǎn)化和推廣；最后，光輻射研究和應(yīng)用缺乏專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的光輻射設(shè)施裝備，目前研究中光輻射裝置都是研究者根據(jù)需要自制或定制，設(shè)備參數(shù)無(wú)統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，且規(guī)模僅限實(shí)驗(yàn)研究，在貯運(yùn)銷售終端如貯藏庫(kù)、超市貨架、零售店和消費(fèi)者冰箱終端設(shè)備中尚未見植入光輻射裝置，這也限制了光輻射技術(shù)在實(shí)際蔬菜保鮮中的推廣應(yīng)用。