反式-2-己烯醛的生態(tài)生理功能及其在果蔬保鮮中的應(yīng)用

王新策 ，朱莉莉，陳慶敏，岳鳳麗，傅茂潤，韓聰，孫斐*

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)<山東省科學(xué)院>食品科學(xué)與工程學(xué)院，生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室，山東濟(jì)南 250353；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江西南昌 330045；3.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院食品與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250100）

(E)-2-己烯醛是由指植物體內(nèi)C18和C16不飽和脂肪酸（亞麻酸或亞油酸）通過脂肪酸氧化酶（LOX）和脂氫過氧化物裂解酶（HPL）共同作用形成的含有6 個碳原子的醛類[1]，有綠葉或青草香氣，普遍存在于植物中，在植物受到機(jī)械損傷或蟲咬等脅迫后迅速釋放。當(dāng)亞麻酸作為合成前體，先經(jīng)LOX 催化形成13-氫過氧化物，后經(jīng)HPL催化形成順式-3-己烯醛（(Z)-3-己烯醛）[2]，(Z)-3-己烯醛可經(jīng)異構(gòu)酶的作用異構(gòu)化為反式-3-己烯醛（(E)-3-己烯醛）和反式-2-己烯醛（(E)-2-己烯醛），后者更易被異構(gòu)化[3]。

(E)-2-己烯醛在眾多植物中都有釋放，且是占總揮發(fā)性物質(zhì)最豐富的芳香活性化合物之一[4]。多數(shù)植物包括大型藻類等都能釋放反式-2-己烯醛，甚至在昆蟲、豬肉及其制品、油脂制品中也可檢測到[5]。(E)-2-己烯醛是棗果實中豐度最高的揮發(fā)性組分[6]；風(fēng)味活性值分析（odor activity values）結(jié)果表明，(E)-2-己烯醛對桃特征性風(fēng)味的貢獻(xiàn)排在所有揮發(fā)性物質(zhì)的第四位[7]；(E)-2-己烯醛是香蕉獨特風(fēng)味和香氣的重要組成成分[8]。(E)-2-己烯醛作為綠葉揮發(fā)物中的醛類物質(zhì)，具有一定的抑菌特性，并在果蔬保鮮中得到相關(guān)應(yīng)用。(E)-2-己烯醛對柑橘中酸腐病菌具有很強的抑制作用，可降低柑橘果實酸腐病的發(fā)病率、減緩發(fā)病程度[9]；在草莓中，(E)-2-己烯醛熏蒸處理能有效抑制草莓球腔菌的生長[10]。不同植物的不同發(fā)育階段，都會消耗大量的物質(zhì)原料和能量合成(E)-2-己烯醛，從進(jìn)化理論分析，(E)-2-己烯醛應(yīng)該有重要的生態(tài)生理功能，其合成途徑才能在進(jìn)化中保留下來。本文就(E)-2-己烯醛的生態(tài)生理功能、作用機(jī)理及在果蔬保鮮中的應(yīng)用進(jìn)行了歸納和總結(jié)，以期對(E)-2-己烯醛的深入研究提供參考。

1 (E)-2-己烯醛的生態(tài)生理功能

(E)-2-己烯醛又稱3-丙基丙烯醛、青葉醛，分子式C6H10O，分子量98.15，沸點150 ℃。以C18不飽和脂肪酸亞麻酸為合成底物，通過LOX 催化形成13-脂肪酸氫過氧化物，后經(jīng)兩個途徑進(jìn)行分解：第一個途徑是通過丙二烯合成酶（AOS）形成茉莉酸（JA），另一條途徑是經(jīng)過HPL 的催化形成(Z)-3-己烯醛，再經(jīng)異構(gòu)酶的作用形成(E)-2-己烯醛[11]。(E)-2-己烯醛在許多植物的莖、葉、果實和花中都有相對較高的釋放水平，同時在植物受到機(jī)械損傷、昆蟲咬食、病菌侵染等外界脅迫時也會大量釋放。(E)-2-己烯醛作為C6醛類，有較強的抑菌活性，對細(xì)菌、真菌類等病原菌具有抵御防衛(wèi)作用[12]。此外，(E)-2-己烯醛還具有抗蟲特性，能通過直接或間接作用對害蟲進(jìn)行防御[13]；同時，(E)-2-己烯醛具有誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗病性的作用，作為信號分子不但可以加強自身抗病防衛(wèi)系統(tǒng)的表達(dá)，同時還可誘導(dǎo)相鄰植株抗病相關(guān)基因的表達(dá)，以提高植物的抗性[14]。

1.1 抑菌活性

植物揮發(fā)性物質(zhì)從植物中釋放并在植物間傳導(dǎo)，目前已知的植物揮發(fā)性物質(zhì)都具有一定的抑菌活性。研究發(fā)現(xiàn)，與其他類揮發(fā)性物質(zhì)相比，醛類化合物被認(rèn)為是對真菌孢子、菌絲和細(xì)菌細(xì)胞都具有最強的生長抑制和最致命的一類揮發(fā)性物質(zhì)[15]。(E)-2-己烯醛作為C6醛，對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌都有抑制作用[16]。段騰飛等[17]研究發(fā)現(xiàn)，(E)-2-己烯醛對擴(kuò)展青霉具有良好的抑制作用，他還將其與其他8 種抑菌物質(zhì)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)(E)-2-己烯醛的抑制效果最好，并且能完全抑制部分植株擴(kuò)展青霉的生長；趙璐玲等[18]測定8 種綠葉揮發(fā)物對玉米貯藏過程中黃曲霉的抑菌效果，發(fā)現(xiàn)(E)-2-己烯醛具有較好的抑菌效果，并得出最小抑菌濃度和最小殺菌濃度分別為0.01、0.02 μL/mL。(E)-2-己烯醛對假單胞菌屬（Pseudomonas）、黃單孢菌屬（Xanthomonas）及歐文菌屬（Erwinia）等病菌也具有強烈的抑制作用。

目前，關(guān)于(E)-2-己烯醛的抑菌機(jī)理未見有文獻(xiàn)深入報道，但有以下三種關(guān)于其抑菌機(jī)理的推測。（1）(E)-2-己烯醛可以改變細(xì)胞膜的通透性，使細(xì)胞內(nèi)大量物質(zhì)外泄，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[19-20]。病原菌體正常的生長代謝是以完整的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)[21]，大多數(shù)的抑菌物質(zhì)是通過破壞細(xì)胞膜的完整性來起到抑菌效果。田虎[22]用(E)-2-己烯醛處理番茄采后分離出的寄生菌圓弧青霉時發(fā)現(xiàn)，用最小抑菌濃度處理的菌株與對照組相比，菌絲體出現(xiàn)明顯凹痕，并導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)泄漏；當(dāng)用最小殺菌濃度處理后發(fā)現(xiàn)菌株菌絲體完全干癟，胞內(nèi)物質(zhì)大量外泄，說明(E)-2-己烯醛改變了菌體的通透性，破壞了其完整性；進(jìn)一步測定了細(xì)胞脂質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)其脂質(zhì)含量明顯下降，說明(E)-2-己烯醛可能改變了細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)。(E)-2-己烯醛處理對青霉孢子膜的破壞作用呈濃度梯度模式，處理導(dǎo)致膜通透性參數(shù)的變化，包括細(xì)胞內(nèi)三磷酸腺苷含量的釋放、細(xì)胞外pH 降低及電導(dǎo)率增加等[23]。（2）(E)-2-己烯醛的抑菌活性源于醛類結(jié)構(gòu)中α,β-不飽和羰基與病原菌細(xì)胞膜上的親電基團(tuán)發(fā)生加合反應(yīng)，致使細(xì)胞失活[24]；(E)-2-己烯醛結(jié)構(gòu)中的羰基以α,β-雙鍵共軛形式存在，雙鍵增加了羰基的親電性能，也增加了它們的化學(xué)反應(yīng)性，而這些分子容易發(fā)生一些特征性化學(xué)反應(yīng)，包括Michael加成反應(yīng)、親核原子與雙鍵中β-碳反應(yīng)，同時α,β-不飽和羰基可以刺激防御相關(guān)基因的表達(dá)[25]。（3）(E)-2-己烯醛通過抑制己糖或氨基己糖等真菌細(xì)胞壁特有成分的生物合成路徑，以破壞細(xì)胞壁達(dá)到抑菌作用[26]。真菌細(xì)胞的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁起著維持細(xì)胞固有形態(tài)、完成胞內(nèi)物質(zhì)交換以及生物合成等作用，細(xì)胞壁的主要成分是己糖或氨基己糖，醛類物質(zhì)中特定的化學(xué)物質(zhì)可以阻礙細(xì)胞壁合成途徑上的化學(xué)物質(zhì)，改變細(xì)胞的通透性，起到殺菌效果。也有研究表明醛類中化學(xué)物質(zhì)對細(xì)胞的破壞歸因于它們抑制麥角固醇生物合成并同時抑制與麥角固醇結(jié)合的能力，預(yù)期了這些化合物對細(xì)胞壁的間接或次級作用[27]。

1.2 抗蟲特性

植物和草食性昆蟲在漫長協(xié)同進(jìn)化的過程中，進(jìn)化了一套完整、有效的防御系統(tǒng)來抵御昆蟲的侵害[28]。(E)-2-己烯醛作為植物次級代謝產(chǎn)物，對草食性昆蟲具有抵抗防御特性，此特性包括直接抗蟲性和間接抗蟲性。直接抗蟲性指(E)-2-己烯醛對昆蟲的直接毒害作用，研究報道，(E)-2-己烯醛可以減少害蟲對棉花的危害，并誘導(dǎo)形成棉花植保素[29]。Gen-Ichiro 等[30]研究發(fā)現(xiàn)(E)-2-己烯醛對線蟲具有很強的抑制活性，盡管這種抑制作用的確切機(jī)理尚不清楚，但結(jié)果表明，(E)-2-己烯醛處理抑制了線蟲擴(kuò)散能力，影響了營養(yǎng)物質(zhì)代謝和消化酶活性，從而干擾了線蟲正常的生理生化活性。

間接抗蟲特性指(E)-2-己烯醛可以引誘草食性昆蟲天敵到植物周圍，從而達(dá)到間接保護(hù)植物的作用[31]。(E)-2-己烯醛可誘導(dǎo)昆蟲捕食者快速找到目標(biāo)是由于昆蟲可以通過嗅覺感受到 (E)-2-己烯醛的快速釋放。Christensen 等[32]研究發(fā)現(xiàn)降低了玉米中(E)-2-己烯醛合成途徑的表達(dá)水平之后，與未處理植株相比，表達(dá)水平減少的植株對草食性動物天敵寄生蜂的吸引能力降低，也說明了(E)-2-己烯醛對昆蟲的間接抵御能力。同時，(E)-2-己烯醛對草食性昆蟲的直接和間接抵御作用可以作為系統(tǒng)抗性反應(yīng)信號，在相鄰植株間傳導(dǎo)并引發(fā)抗蟲性[33]。

1.3 誘導(dǎo)抗病性

病原菌對植物的侵染性與植物防御機(jī)制的產(chǎn)生是病原菌與植物長期相互作用的結(jié)果，由于病原菌長期進(jìn)化過程中會形成一系列的侵染策略，植物也會不斷進(jìn)化防御系統(tǒng)用來抵御病原菌的侵入和擴(kuò)展，這種保護(hù)機(jī)制被稱為抗病性。植物對病原菌的抗性可分為基礎(chǔ)抗性和誘導(dǎo)抗性，基礎(chǔ)抗性是指病原體侵染前就預(yù)先存在的抗性因素，誘導(dǎo)抗性是指病原菌侵染后引起植物產(chǎn)生新的抗性結(jié)構(gòu)及一系列生物化學(xué)反應(yīng)。(E)-2-己烯醛被認(rèn)為可能是植物抗病基因的調(diào)節(jié)因子，是病原菌侵染過程中植物自身或相鄰植物間的信號分子。(E)-2-己烯醛熏蒸處理可以誘導(dǎo)黃瓜對灰霉產(chǎn)生抗性，同時提高了相關(guān)防御酶的活性以及黃瓜葉片中木質(zhì)素的積累[34]；在檸檬中，(E)-2-己烯醛可以誘導(dǎo)防御相關(guān)基因LOX 基因、HPL 基因以及AOS 基因的表達(dá)[35]；(E)-2-己烯醛處理番茄，增加了番茄中乙烯受體、脂氧合酶和苯丙氨酸解氨酶（PAL）基因的mRNA 水平，增加了對灰霉的抗性[36]。這些研究表明(E)-2-己烯醛既具有直接抑菌作用，也具有誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗病性的作用。

(E)-2-己烯醛誘導(dǎo)自身及相鄰植株產(chǎn)生抗病性的機(jī)理可分為3 個方面。（1）(E)-2-己烯醛可以誘導(dǎo)植物中木質(zhì)素含量的增加，使細(xì)胞壁加厚并木質(zhì)化，抵御病原菌對植物的侵染。當(dāng)植物受到外來病原物侵染時，作為防御第一屏障的細(xì)胞壁會受到部分破壞，從而誘導(dǎo)細(xì)胞對細(xì)胞壁進(jìn)行自我修復(fù)，細(xì)胞壁上的非蛋白物質(zhì)快速堆積，加厚細(xì)胞壁并使其木質(zhì)化[37]；(E)-2-己烯醛誘導(dǎo)植物中木質(zhì)素的積累，木質(zhì)素沉淀可以抵御病原菌對植物細(xì)胞的降解，并且木質(zhì)素合成前體酚類物質(zhì)對病原菌有毒性，起到抵御的作用[38]。（2）(E)-2-己烯醛增加了植物中植保素和幾丁質(zhì)酶的積累，提高植物防御酶活性。植物遭受外界脅迫后會產(chǎn)生或積累一類小分子抗菌物質(zhì)，稱為植物保衛(wèi)素，(E)-2-己烯醛處理誘導(dǎo)擬南芥中植保素和幾丁質(zhì)酶的積累，可以抑制病原菌的生長和繁殖。(E)-2-己烯醛處理煙草可以誘導(dǎo)相關(guān)防御酶活性增加，通過防御酶活性增加和協(xié)調(diào)作用做出保護(hù)性反應(yīng)[39]。（3）(E)-2-己烯醛可能作為信號分子，提高植物中防衛(wèi)基因的表達(dá)量。信號識別、信號傳導(dǎo)和防衛(wèi)基因的表達(dá)是植物抵御外界侵害經(jīng)過的三個階段[40]，(E)-2-己烯醛處理明顯增加了黃瓜葉片中苯丙氨酸酶（PAL）基因和幾丁質(zhì)酶的表達(dá)量，幾丁質(zhì)酶是JA 信號途徑的標(biāo)記基因，說明(E)-2-己烯醛作為誘導(dǎo)抗病信號可能通過JA 信號途徑進(jìn)行傳導(dǎo)。

2 (E)-2-己烯醛在果蔬保鮮中的應(yīng)用

果蔬采后是活的有機(jī)體，仍會進(jìn)行呼吸、休眠、新陳代謝等生命活動[41]。果蔬采后在貯藏或運輸過程中易受微生物污染，導(dǎo)致其營養(yǎng)損失、腐爛變質(zhì)、損耗嚴(yán)重，并且會對人體產(chǎn)生危害，引起食源性疾病。為了防止病原體（如細(xì)菌和真菌）在果蔬收獲后的侵染，常使用化學(xué)方法防治，這些方法存在化學(xué)污染、藥物殘留和難降解問題。植物釋放出多種揮發(fā)性化合物，其中一些是水果、蔬菜、香料和草藥中重要的風(fēng)味品質(zhì)因子[42]。揮發(fā)性化合物被認(rèn)為在新鮮農(nóng)產(chǎn)品防御腐爛微生物過程中起了重要作用[43]。(E)-2-己烯醛作為綠葉揮發(fā)物，已被用作抗真菌熏蒸劑，很多試驗已經(jīng)證明(E)-2-己烯醛可以在果蔬貯藏過程中降低果蔬腐爛速度，從而較長時間地維持其品質(zhì)。

2.1 抑制果蔬真菌的生長

果蔬在貯藏過程中極易受到真菌感染，從而出現(xiàn)病變、品質(zhì)降低等一系列不好的商業(yè)化現(xiàn)象[44]，青霉屬（Penicillium）、曲霉屬（Aspergillus）、葡萄孢屬（Botrytis）和鏈格孢霉（Alternaria）等霉菌均是導(dǎo)致新鮮果蔬腐爛和病變的常見菌類[45]。Jihong 等[46]研究了(E)-2-己烯醛對番茄貯藏過程中主要病原體之一圓弧青霉的抗真菌活性和潛在的抑菌機(jī)理，試驗數(shù)據(jù)表明環(huán)孢假單胞菌的膜通透性隨著(E)-2-己烯醛濃度的增加而增加，并且(E)-2-己烯醛可以誘導(dǎo)總脂質(zhì)含量和細(xì)胞外pH 的降低。這些結(jié)果表明，(E)-2-己烯醛對環(huán)孢假單胞菌的抗真菌活性可歸因于細(xì)胞膜完整性的破壞，膜通透性的增加和細(xì)胞成分的泄漏。

(E)-2-己烯醛能明顯抑制果蔬貯藏過程中病原菌菌落直徑的擴(kuò)展，降低孢子萌發(fā)率以及抑制孢子芽管的伸長；同時對細(xì)胞膜形態(tài)和結(jié)構(gòu)有一定的抑制作用，(E)-2-己烯醛處理可改變病原菌菌絲表面形態(tài)，使其干癟，表面變得粗糙不規(guī)則。(E)-2-己烯醛可增大細(xì)胞膜透性，使MDA 含量增加。這說明經(jīng)(E)-2-己烯醛處理的病原菌的細(xì)胞膜發(fā)生膜脂過氧化，細(xì)胞遭到不同程度的損傷，可見(E)-2-己烯醛處理對果蔬保鮮具有積極作用。但是，使用(E)-2-己烯醛存在局限性，有文獻(xiàn)報道高濃度的(E)-2-己烯醛直接抑制真菌的生長，可能與植物中不良反應(yīng)的誘導(dǎo)有關(guān)[47]；在低濃度下，(E)-2-己烯醛可能會促進(jìn)菌絲的生長[48]。

2.2 增強果蔬防御酶活性并清除活性氧

果蔬成熟衰老過程通常伴隨著活性氧的過量產(chǎn)生，活性氧自由基是由電子傳遞鏈產(chǎn)生的超氧陰離子，可通過與細(xì)胞內(nèi)成分發(fā)生反應(yīng)生成破壞性很強的羥基自由基和過氧亞硝基陰離子自由基，破壞核酸結(jié)構(gòu)和功能，使蛋白質(zhì)失活，從而造成細(xì)胞變形、突變和衰老[49]。Junko 等[50]研究發(fā)現(xiàn)(E)-2-己烯醛可以有效減少草莓果實采后灰霉菌的感染，并且可以誘導(dǎo)抗病性，此抗病性可能與抗真菌相關(guān)基因有關(guān)；Neri 等[51]將接種過擴(kuò)展青霉的梨在20 ℃下進(jìn)行(E)-2-己烯醛熏蒸處理，研究發(fā)現(xiàn)接種后24 h 或48 h施用(E)-2-己烯醛處理，可以更大程度地減少腐爛程度、擴(kuò)展青霉感染和棒曲霉素含量，而在接種后2 h 施用則無效，施用后貯藏溫度（-1 ℃）不影響果實的抗真菌活性，且處理對果實理化性狀無影響。(E)-2-己烯醛可誘導(dǎo)植物相關(guān)防御酶活性的提高，過氧化物酶（POD）等保護(hù)酶活性的增加可以及時清除活性氧，使植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除處于動態(tài)平衡之中，自由基維持在一個較低的水平，從而提高果蔬的抗性，避免活性氧對細(xì)胞造成傷害，延長果蔬貯藏期。

2.3 保持果蔬品質(zhì)

質(zhì)地是果實品質(zhì)和商品性的保證，也是評估果蔬采后貯藏品質(zhì)的重要參數(shù)，果蔬中糖和酸等碳水化合物比例及含量是影響口味的重要因素[52]。張智毅[53]將(E)-2-己烯醛和正己醛聯(lián)合使用對鮮切菠蘿蜜進(jìn)行熏蒸處理，研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)合處理可以延緩鮮切菠蘿蜜的褐變和軟化現(xiàn)象，同時抑制了抗壞血酸、還原糖含量的下降以及可滴定酸含量的上升，較好地保持了鮮切菠蘿蜜的風(fēng)味和口感。(E)-2-己烯醛和正己醛聯(lián)合處理可以清除鮮切菠蘿蜜貯藏初期產(chǎn)生的活性氧自由基，保持抗氧化相關(guān)酶的酶活，一定程度上能起到抗衰老作用。

3 展望

綠葉揮發(fā)物(E)-2-己烯醛作為植物源天然抑菌劑具有無毒無害、高效、低殘留等優(yōu)點，對植物病原菌起到了很好的抑制作用，能有效抑制貯藏期間果蔬微生物的侵染，但其對果蔬品質(zhì)保持的效果一般。如果將(E)-2-己烯醛與保鮮劑（如1-甲基環(huán)丙烯）復(fù)配熏蒸使用，可以將兩種保鮮效果結(jié)合，并且(E)-2-己烯醛已可工業(yè)生產(chǎn)，兩者復(fù)配制成熏蒸劑有望在果蔬采后運輸貯藏中得到應(yīng)用。關(guān)于(E)-2-己烯醛生態(tài)生理功能的報道較多，但對其機(jī)制機(jī)理、作用位點尚不十分明確，且過高過低濃度是否會對果蔬抑菌性及品質(zhì)產(chǎn)生影響也尚不明確，因此，(E)-2-己烯醛生態(tài)生理功能有待深入探索。文獻(xiàn)報道單細(xì)胞藻類已具有合成(E)-2-己烯醛的能力，但是這一進(jìn)化時期陸生植物、食草昆蟲和植物病原菌尚未完成進(jìn)化，這意味著科學(xué)界普遍認(rèn)為的(E)-2-己烯醛參與抑菌、抗蟲和誘導(dǎo)抗性等功能與進(jìn)化理論可能存在一定的矛盾。而(E)-2-己烯醛的產(chǎn)生和釋放都在葉綠體內(nèi)膜上完成，因此是否可能存在著揮發(fā)性物質(zhì)和質(zhì)體轉(zhuǎn)化的一種可能誘導(dǎo)關(guān)系或者(E)-2-己烯醛可能作為質(zhì)體轉(zhuǎn)化的上游或下游信號，也有待研究探索。