生物保鮮劑結(jié)合物理技術(shù)在果蔬保鮮中應(yīng)用的研究進(jìn)展

李光榮，劉 歡，張文祥，梁關(guān)海，錢正明1,，李文佳1,,

（1.宜昌山城水都冬蟲夏草有限公司，湖北宜昌 443000；2.東莞市東陽光鮮冬蟲夏草有限公司，廣東東莞 523850；3.廣東東陽光藥業(yè)有限公司,國家中醫(yī)藥局重點研究室，廣東東莞 523850；4.東莞市東陽光冬蟲夏草研發(fā)有限公司，廣東東莞 523850）

果蔬物理保鮮技術(shù)雖安全性高、操作簡單、應(yīng)用廣泛、效果顯著，但會造成果蔬細(xì)胞組織損傷，蛋白質(zhì)、果膠等成分的分解，營養(yǎng)成分流失等不良后果[1]。生物保鮮劑來源于動植物、微生物中，天然、安全、無毒，具有良好的生物相容性和生物可降解性，對包括腐敗微生物在內(nèi)的多種微生物具有抗菌活性[2]，同時還具有阻隔氧氣和微生物、維持水分、護(hù)色、抗氧化等作用，成為了近年保鮮領(lǐng)域研究的熱點之一[3]。其中植物提取物、茶多酚、殼聚糖、乳酸鏈球菌素（Nisin）、聚賴氨酸、溶菌酶等應(yīng)用較為廣泛（圖1）。然而，受溫度、pH 等因素的影響，生物保鮮劑保鮮效果并不穩(wěn)定，推廣應(yīng)用難度大[4]。

圖1 2013～2019 年國內(nèi)公開的100 篇生物保鮮劑專利中的主要成分Fig.1 Main components in 100 patents of bio-preservatives published in China from 2013 to 2019

單一的物理、生物保鮮技術(shù)仍然無法滿足人們對果蔬質(zhì)量安全及保鮮期的需求。為了延長果蔬保鮮期，將生物保鮮劑與物理技術(shù)相互組合的應(yīng)用方式也越來越受到研究者的關(guān)注[5?6]。目前，生物保鮮劑主要與低溫、氣調(diào)、臭氧、輻照、微波、超聲、超高壓等物理技術(shù)組合，應(yīng)用于水果、蔬菜、食用菌、堅果等保鮮，以發(fā)揮生物保鮮劑的優(yōu)勢，彌補物理技術(shù)不足，從而進(jìn)一步延長保鮮期。本文重點闡述了近年來生物保鮮劑與物理保鮮技術(shù)組合應(yīng)用的機制及研究現(xiàn)狀，為果蔬保鮮技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

1 果蔬采后劣變及機制

果蔬在采后的整理、清洗、運輸、保藏過程中，由于呼吸作用、酶、微生物等因素的影響，容易引發(fā)褐變、軟化、衰老、營養(yǎng)流失等品質(zhì)劣變現(xiàn)象[7?8]。由于組織機械損傷，細(xì)胞完整性被破壞，多酚氧化酶（PPO）與酚類物質(zhì)直接接觸在活性氧的作用下發(fā)生褐變，導(dǎo)致果蔬色澤惡化[9?10]。果膠脂酶、纖維素酶等細(xì)胞壁降解酶催化果膠、纖維素、半纖維素等細(xì)胞壁物質(zhì)被降解，導(dǎo)致細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)被破壞，造成果蔬質(zhì)地軟化[11]。呼吸作用、乙烯和活性氧自由基引起果蔬采后的生理衰老，導(dǎo)致質(zhì)地軟化及維生素C、可溶性糖、葉綠素等營養(yǎng)成分損失。葡萄球菌、大腸桿菌、酵母假單胞菌、霉菌、和歐文菌等是果蔬的主要腐敗菌，會引起果蔬霉變、酸敗、發(fā)酵、產(chǎn)氣、變色[12?13]。由于果蔬富含營養(yǎng)物質(zhì)，這些腐敗菌即使在4 ℃的低溫也會隨保藏時間而繁殖增加[14]。以上劣變現(xiàn)象均會影響果蔬的食用價值和銷售價值，甚至威脅人體健康。因此，需要充分運用物理和生物保鮮等綠色、安全的技術(shù)來控制果蔬采后的生理變化及腐敗微生物的生長繁殖，延緩劣變，保持新鮮度。

2 生物保鮮劑組合物理保鮮技術(shù)的應(yīng)用

2.1 組合低溫保鮮

低溫保鮮可降低因呼吸、代謝等生理活動所帶來的物質(zhì)損耗，同時抑制腐敗菌的生長繁殖[15]。但果蔬低溫保鮮仍然會導(dǎo)致部分果蔬發(fā)生冷害[16]，進(jìn)而導(dǎo)致汁液流失、質(zhì)地軟化，并且低溫?zé)o法完全抑制有害微生物的繁殖及細(xì)胞的生理活動，部分產(chǎn)品的銷售和消費仍然受限。生物保鮮劑能有效地抑制微生物的繁殖，并附著于果蔬表面形成膜，隔絕氧氣和微生物。為了達(dá)到了更好的保鮮效果，將殼聚糖、植物活性成分、益生菌發(fā)酵液等生物保鮮劑組合低溫技術(shù)應(yīng)用于果蔬保鮮，效果顯著優(yōu)于單一保鮮技術(shù)（表1）。這種組合方式操作簡便、成本低廉、安全性高，具有良好的應(yīng)用推廣價值，但是選擇生物保鮮劑時應(yīng)避免其氣味和滋味對果蔬品質(zhì)的不良影響。

表1 生物保鮮劑組合低溫保鮮在果蔬中應(yīng)用的部分研究成果Table 1 Some research results of bio-preservatives combined with low temperature preservation in fruits and vegetables

2.2 組合氣調(diào)包裝技術(shù)

果蔬氣調(diào)包裝O2比例一般在4%左右，這種環(huán)境會引起呼吸鏈相關(guān)酶系統(tǒng)的代謝紊亂及SOD、CAT、POD 等活性降低，使得植物機體中自由基的生成和清除之間的動態(tài)平衡被打破，加快蔬菜衰敗[27?28]。而高氧環(huán)境（超過70 kPa）一定程度上能抑制果蔬的呼吸作用、部分細(xì)菌的繁殖及水分散失，并減緩了組織軟化和褐變[29?32]。近幾年的研究成果表明，將生物保鮮劑與高氧氣調(diào)組合不僅能夠發(fā)揮生物保鮮劑抑菌、殺菌作用，而且提升了抑制呼吸作用、延緩褐變的效果，具有一定的開發(fā)潛力[33]。百里香精油[34]、大蒜精油和肉桂精油混合物[35]組合40%～60% O2置換氣調(diào)保藏草莓和雙孢菇，減緩了褐變，降低了失重率，抑制了還原糖下降，保鮮期較單一氣調(diào)保鮮分別延長了4、7 d，效果提升明顯。徐仕翔[36]將月桂精油與自發(fā)氣調(diào)包裝組合保鮮櫻桃番茄，結(jié)果表明組合保鮮在常溫、低溫下的發(fā)病率顯著低于單一技術(shù)處理組。而Jiang[37]用2%海藻酸鈉與100%O2氣調(diào)組合冷藏雙孢菇，能保持子實體硬度，延緩褐變、開傘，延緩可溶固形物、總糖的變化，且貨架期延長至16 d。此外，大豆蛋白涂膜組合氣調(diào)技術(shù)能夠保持新鮮洋薊的抗氧化能力，延長新鮮茄子的保質(zhì)期至9 d[38?39]。將氣調(diào)保鮮技術(shù)與生物涂膜材料相結(jié)合，可以成為延長果蔬保鮮期的重要途徑。

此種組合方式也有其局限性，主要是對果蔬氣味和滋味的影響。桉樹精油結(jié)合氣調(diào)保鮮甜櫻桃，就出現(xiàn)了異味、質(zhì)量下降和莖褐變等劣變現(xiàn)象，保鮮效果甚至比對照組差[40]。可能是桉樹精油誘導(dǎo)了一定的氧化過程，加速了與櫻桃成熟衰老相關(guān)的生理變化。因此，在實際應(yīng)用中，要針對果蔬自身的特性以及感官可接受度，選擇合適的生物保鮮劑。

2.3 組合臭氧處理

臭氧可分解成氧氣，無殘留、無二次污染，溶于水形成臭氧水后仍具有良好的殺菌效果，但對表面粗糙的覆盆子、草莓等部分果蔬的殺菌效果并不理想[41]。臭氧的兩種形態(tài)決定了其結(jié)合生物保鮮劑的應(yīng)用包含兩種方式。一是保鮮劑涂膜結(jié)合臭氧氣體填充，如殼聚糖涂膜、聚賴氨酸浸泡再結(jié)合臭氧填充或熏蒸處理，該方法已應(yīng)用于冬棗[42]和石榴果[43]的保鮮，能夠抑制腐爛、維持感官品質(zhì)、減緩劣變。另一種是臭氧水和生物保鮮劑浸泡處理。石磊[44]對比了臭氧水、臭氧氣體組合2%殼聚糖涂膜保鮮歐亞種葡萄，發(fā)現(xiàn)前者效果更好，可溶性固形物、可滴定酸含量更高，而后者維持保鮮效果則需持續(xù)充入臭氧。此外，臭氧具有強氧化性，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中高劑量的臭氧會引起果蔬如生菜[45]的劇烈氧化。臭氧組合生物保鮮劑的應(yīng)用機理、安全性等仍需進(jìn)一步明確。

2.4 組合輻照技術(shù)

輻照技術(shù)可破壞微生物細(xì)胞，影響酶分子結(jié)構(gòu)和功能，從而抑制果蔬生理活動，延緩衰老[46]。其缺陷是會引起組織軟化、真菌和細(xì)菌感染增加、電解質(zhì)泄漏、異味、對冷害的敏感性增加、莖陷點病（如洋薊和柑橘類水果）、內(nèi)部變黑（如鱷梨）以及表皮凹陷等問題[46]。將輻照與生物保鮮劑組合應(yīng)用，一定程度上可降低輻照劑量，同時發(fā)揮生物保鮮劑保藏過程中長期持水、抑菌的作用。楊偉等[47]發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉涂膜組合60Co-γ輻照處理樂陵小棗，失重率較單一輻照處理降低12.9%，保藏105 d 后仍然無明顯皺縮。其次，利用輻照對殼聚糖等生物保鮮劑進(jìn)行降解，可提升抑菌性能。陳浩等[48]將殼聚糖經(jīng)0～200 kGy 的60Co-γ射線輻照降解后，涂膜保鮮砂糖橘、圣女果、金桔，發(fā)現(xiàn)對比未輻照的殼聚糖，可顯著降低3 種水果的失重率、腐爛率，保質(zhì)期從9 d 提高到18 d，且分子量越低效果越好。同樣，在新高梨[49]、草莓[50]的保鮮研究中，也表明殼聚糖經(jīng)輻照降解成更小分子量后的保鮮效果更佳。但是，這種組合處理果蔬會一定程度上提高微生物對輻照的抗性[46]。

2.5 組合紫外照射

紫外線（UV）照射可高度增強生物活性化合物和抗氧化酶活性[51]，具有很強的殺菌性能[52]，但UV 穿透能力較弱，單一處理仍然難以滿足保鮮需求。Vurmaz 等[53]發(fā)現(xiàn)，UV-C（200～280 nm）與丁香精油組合后處理柿子表面可減少黑曲霉0.68 lg CFU/cm2，較單一UV-C 殺菌效果照射增長一倍，且保藏7 d 后霉菌數(shù)量仍顯著低于后者。Abdipour 等[54]使用UV-B（280～320 nm）、UV-C 和殼聚糖（CS）復(fù)合處理甜櫻桃，結(jié)果表明UV/CS 處理較單一處理，顯著抑制了甜櫻桃果實硬度、總花青素含量、抗氧化能力的下降及果實失重率和可溶性固形物的增加。劉容等[55]采用3.0 kJ/m2劑量的UV-C 照射和質(zhì)量濃度1.0%殼聚糖涂膜處理鮮切淮山，在抑制呼吸強度、殺菌效果、總酚含量等方面較單一UV-C 照射處理增加了50.3%、25.2%、66.9%。即使能量較低的UV-A（320～400 nm）與ε-聚賴氨酸組合處理鮮切菠菜，在感官、失水率、微生物、抗氧化等方面也都顯著優(yōu)于單一UV-A 循環(huán)照射，保鮮期由8 d 延長至12 d[56]。這些研究都表明，UV 組合生物保鮮劑具有協(xié)同效應(yīng)，是延長其果蔬保鮮期的一種有效方法。

2.6 組合微波技術(shù)

微波的非熱效應(yīng)可以使微生物體內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生變異而失活，導(dǎo)致微生物死亡，同時具有延緩衰老、維持原有品質(zhì)的作用[57]。發(fā)揮微波與生物保鮮劑的各自優(yōu)勢，可更好地維持果蔬品質(zhì)、延長保鮮期。顧仁勇等[58]將微波與納他霉素-魔芋膠涂膜液組合處理新鮮板栗，保藏至70 d 時，降低的呼吸強度約為單一處理的2 倍，腐爛率僅為單一處理的三分之一；同時發(fā)現(xiàn)，板栗蟲害率和質(zhì)量損失率的下降分別與微波、涂膜相關(guān)，說明二者具有互補作用。黃文部[59]研究了微波結(jié)合多種植物精油處理鮮切西蘭花，發(fā)現(xiàn)肉桂精油清洗西蘭花后再經(jīng)300 W 微波處理40 s 能夠鈍化POD 活性，維持VC、總酚、總黃酮、可滴定酸的含量，減緩葉綠素分解，改善西蘭花的氣味。低功率微波可有效避免熱效應(yīng)，其與生物保鮮劑組合的保鮮技術(shù)也值得更進(jìn)一步研究。

2.7 組合超聲波技術(shù)

超聲波的空化作用可以去除果蔬表面的微生物，同時破壞微生物的細(xì)胞壁及細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)而使微生物死亡，如抗性弱的大腸桿菌及體積較大的啤酒酵母菌[60]。同時，超聲波還能激活丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶抗氧化防御機制增加抗氧化性，鈍化多酚氧化酶降低褐變，抑制纖維素酶、果膠甲酯酶減緩組織軟化，有效地提升了貯藏價值及商業(yè)價值[61]。但是，超聲波短時間處理對有害微生物的殺滅效果有限，而處理時間過長，則會促進(jìn)果膠的分解，造成表皮損傷、組織軟化和營養(yǎng)流失[1,62]。在萵苣的保鮮研究中，26 kHz 超聲波組合0.018%百里香精油、牛至精油的殺菌效果較0.018%精油處理顯著增強，能夠延長保鮮期約5 d[63]。劉偉等[61]將2.0%乳酸溶液作為清洗液，在室溫條件下以40 kHz 的超聲波清洗生菜5 min，和單一超聲波處理組相比，大腸桿菌含量進(jìn)一步下降至2.75 lg CFU/g。因此，將超聲波技術(shù)組合生物保鮮劑具有研究價值和應(yīng)用前景。

2.8 組合其他物理技術(shù)

生物保鮮劑還可以與超高壓、高壓脈沖電場（PEF）等物理技術(shù)組合應(yīng)用于果蔬保鮮。生物保鮮劑組合超高壓技術(shù)的應(yīng)用一定程度上可降低壓力值，改善超高壓帶來的失水、氧化、淀粉和蛋白質(zhì)分解、色素化合物變化、酶促反應(yīng)[64]等不良影響，提升耐高壓果蔬（榴蓮泥[65]、板栗[66]等）的感官品質(zhì)和保鮮期。PEF 與生物保鮮劑（Nisin、溶菌酶、片球菌素、有機酸、丁香油等）聯(lián)合使用可擴(kuò)大抗菌劑的作用范圍，在產(chǎn)品穩(wěn)定性和安全性方面具有優(yōu)勢[67]。這些組合技術(shù)仍然需要進(jìn)一步研究。

綜上所述，生物保鮮劑與物理保鮮技術(shù)應(yīng)用于果蔬保鮮能夠增強抑菌殺菌效果，延緩劣變，提升品質(zhì)，延長保鮮期，具有重要的價值和意義。但是，二者組合后也存在一定的不足之處，可能會一定程度上制約組合技術(shù)的應(yīng)用，需要特別關(guān)注（表2）。

表2 生物保鮮劑組合不同的物理技術(shù)應(yīng)用于果蔬保鮮的優(yōu)勢與不足Table 2 Advantages and disadvantages of bio-preservatives combined with physical technologies applied in fruits and vegetables

3 總結(jié)與展望

生物保鮮劑與物理保鮮技術(shù)均具有安全、高效、無污染的特點。二者組合應(yīng)用不僅可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，還能彌補各自的缺陷，保鮮效果較單一技術(shù)提升顯著。隨著人們對果蔬安全和新鮮度重視，生物保鮮劑與物理保鮮技術(shù)組合應(yīng)用的優(yōu)勢和應(yīng)用價值會越發(fā)明顯，前景也非常廣闊。同時，未來生物保鮮劑結(jié)合物理保鮮技術(shù)的應(yīng)用研究需要重點關(guān)注以下幾方面：生物保鮮劑結(jié)合物理保鮮技術(shù)協(xié)同增效機制的研究；生物保鮮劑帶來的感官等不利影響，及結(jié)合物理保鮮技術(shù)后可能引發(fā)的有害微生物抗性提高等深層次問題；與新型物理保鮮技術(shù)結(jié)合，尤其是低溫等離子電場等非熱殺菌技術(shù)；滿足智能保鮮設(shè)備的需求，不斷推動果蔬保鮮技術(shù)的自動化、智能化。