非熱處理對生鮮果蔬活性成分影響的研究進展

孫玉敬，徐清清

(浙江工業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

水果和蔬菜中富含酚類化合物、類胡蘿卜素、硫苷、維生素C和生育酚等多種生物活性成分[1-3]。這些化合物不但具有較高的抗氧化能力，還可以預(yù)防氧化應(yīng)激和慢性疾病的發(fā)生，但是這些活性成分是果蔬的次生代謝產(chǎn)物，在果蔬中的含量偏低，如何通過非轉(zhuǎn)基因的手段提高其含量是目前面臨的難題。研究發(fā)現(xiàn)對果蔬進行采后非生物脅迫(即創(chuàng)傷應(yīng)激)可以誘導(dǎo)植物食品中生物活性化合物的積累。最新的研究發(fā)現(xiàn)超聲(Ultrasound，US)、脈沖電場(Pulsed electric fields，PEF)以及高壓處理(High pressure processing，HPP)等非熱處理技術(shù)不但可避免傳統(tǒng)熱處理過程中由于高熱量引起的果蔬制品中生物活性化合物的損失及品質(zhì)的降低[4]，而且在誘導(dǎo)生鮮植物食品中生物活性成分生物合成方面，與創(chuàng)傷應(yīng)激產(chǎn)生的機制有異曲同工之處。此外，僅有少數(shù)研究報道其他非熱技術(shù)(輻照處理、冷等離子體處理)對果蔬總酚的影響[5-6]。楊俊麗[7]、Wang等[8]研究輻照處理對水果貯藏品質(zhì)的影響，主要側(cè)重于對基礎(chǔ)理化指標(果實硬度、腐爛指數(shù)、可滴定酸度等)的研究。Li等[9]、Bao等[10]分別研究冷等離子體對鮮切火龍果、番茄渣中酚類物質(zhì)的影響，但都未涉及對新鮮果蔬(全果)的討論。因此，筆者主要綜述研究相對深入的US，PEF和HPP對生鮮果蔬生物活性成分影響的最新研究概況，這些技術(shù)不但可以起到蓄積果蔬次生代謝產(chǎn)物的目的，同時是很好的殺菌手段，可以延長生鮮果蔬保質(zhì)期，以期為果實采后處理技術(shù)的研究提供理論依據(jù)。

1 超聲處理對生鮮果蔬生物活性成分的影響

超聲波是頻率高于20 kHz的聲波產(chǎn)生的一種能量形式，可以在氣體、液體或固體介質(zhì)中傳播。超聲波根據(jù)能量強度可分為高強度超聲和低強度超聲。高強度超聲是指具有高能量低頻超聲(20～100 kHz)，低強度超聲是指具有低能量高頻超聲(>100 kHz)[11]。低強度超聲可以作為一種快速、精準、廉價、簡單和無損的方法，用于分析食品的理化性質(zhì)和檢測食品生產(chǎn)過程中的動態(tài)變化[11-12]。高強度超聲產(chǎn)生的熱、機械和化學(xué)效應(yīng)使液體中空化氣泡快速形成和破裂，產(chǎn)生強烈的空化效應(yīng)和其他共生效應(yīng)，如高剪切力、攪拌、擾動效應(yīng)和破碎，這些氣泡在正壓力循環(huán)中破裂，產(chǎn)生高速湍流及極高的壓力和溫度，高強度超聲可以破壞細胞結(jié)構(gòu)，這些細胞結(jié)構(gòu)隨后會激活或抑制食品發(fā)生理化變化，導(dǎo)致傳熱和傳質(zhì)過程的強化[5]。

在過去的十多年中，超聲處理已成為食品巴氏殺菌和滅菌等傳統(tǒng)熱處理方法的替代選擇。超聲處理作為一種新興非熱處理技術(shù)，因其經(jīng)濟、使用簡單和操作不需要外部化學(xué)試劑和添加劑[13-14]等特點，在食品加工和儲存等領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，如滅菌[15]、均質(zhì)[16]、清洗、乳化[17]、冷凍、解凍[18]、干燥[19]、過濾、肉的嫩化、酒的陳化、切割、腌漬、微膠囊的制備和顆粒破碎及吸附[20-21]等。

最新研究發(fā)現(xiàn)超聲可以作為非生物誘導(dǎo)因子，增加植物的次生代謝產(chǎn)物的積累，同時不會影響它們的表面質(zhì)量[22]。以下主要介紹超聲處理對生鮮果蔬酚類化合物、類胡蘿卜素影響的研究報道。超聲處理對生鮮果蔬生物活性成分研究總結(jié)見表1。

表1 超聲處理對生鮮果蔬生物活性成分研究

1.1 超聲處理對生鮮果蔬酚類化合物的影響

研究表明超聲處理在增加不同果蔬酚類化合物方面顯示出不同的潛在作用。Pinheiro等[23]將整個番茄果實在(10±0.5)℃的水浴中，以45 kHz的恒定頻率超聲處理不同時間，與未處理樣品組相比，所有超聲處理組樣品的總酚含量增加，并且在10 ℃貯藏期間超聲波處理組的樣品可以合成更高水平的總酚含量。葡萄中的酚類物質(zhì)有很強的抗氧化能力，并具有預(yù)防高血壓、抗血栓、抗炎和抗腫瘤等功能[28]。Hasan等[24]采用超聲處理葡萄皮和葉片來富集白藜蘆醇，結(jié)果表明超聲處理和進一步孵育可使葡萄皮和葉片中白藜蘆醇含量增加，先超聲處理5 min再孵育6 h后，白藜蘆醇含量增加7.7倍。相似地，Yu等[25]利用低功率(25 kHz)超聲處理生菜60 s和120 s并貯藏2.5 d，結(jié)果表明：與對照相比，超聲處理后生菜中酚類化合物分別增加35.3%和26.7%。Ling等[26]聯(lián)合超聲(400 W，6 min)與0.4%過乙酸處理枇杷，結(jié)果表明：超聲和乙酸處理后，枇杷果實中總黃酮含量在第3 d達到最高值，且高于對照組。

1.2 超聲處理對生鮮果蔬類胡蘿卜素的影響

類胡蘿卜素是具有抗氧化性能的四萜類化合物，可以防止細胞損傷和慢性疾病，也是植物的色素成分。Nowacka等[11]最近的一項調(diào)查報告顯示超聲處理過的胡蘿卜中類胡蘿卜素含量顯著增加。研究人員發(fā)現(xiàn)：在35 kHz和3 W/cm2的超聲處理胡蘿卜10，20，30 min后，類胡蘿卜素含量增加了42.3%，49.9%和41.1%。相似地，Cuellar-villarreal等[27]對胡蘿卜進行超聲處理(20 ℃，24 kHz)后發(fā)現(xiàn)：與對照樣相比，類胡蘿卜素含量提高21.1%。

超聲波促進果蔬活性成分生物合成機理的研究還比較少，推測其可能的機理是超聲處理后果蔬及其周圍產(chǎn)生空化氣泡，這些氣泡經(jīng)過不規(guī)則振蕩和殘酷的“瓦解”，產(chǎn)生高溫高壓，導(dǎo)致細胞解體、酶變性、微觀通道的形成和自由基的產(chǎn)生，進而誘導(dǎo)植物食品應(yīng)激反應(yīng)，最終導(dǎo)致植物食品中多酚、類胡蘿卜素等生物活性化合物的合成和積累[29-30]。

2 脈沖電場處理對生鮮果蔬生物活性成分的影響

近幾年來，脈沖電場(PEF)作為一種食品非熱技術(shù)發(fā)展迅速。PEF處理提供高電場的短脈沖，脈沖持續(xù)時間為微到毫秒，強度范圍為0.1～80 kV/cm[31]。PEF處理是將電脈沖功率應(yīng)用于位于兩個電極之間的食物，從而導(dǎo)致點滲透。在電極間隙中，食物每次充電都會受到一個力，即所謂的電場[32]。食品是復(fù)雜的多組分/多相體系，在加工過程中會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當暴露在特定的電場中時，食品中某些電化學(xué)和物理化學(xué)性質(zhì)會發(fā)生相應(yīng)變化[33-34]。主要涉及PEF誘導(dǎo)的生物膜滲透、電化學(xué)和電解反應(yīng)的發(fā)生、分子的極化和重新排列，以及化學(xué)反應(yīng)活化能的降低。

與傳統(tǒng)的食品熱加工方式相比，PEF技術(shù)具有傳遞均勻、處理時間短、能耗少、產(chǎn)熱低和污染小等優(yōu)點[35]，因而能最大限度地保存食品原有的風味、口感和營養(yǎng)價值，延長食品貨架期[36]。PEF技術(shù)在食品加工領(lǐng)域中的應(yīng)用研究主要包括殺菌[37-39]、鈍酶[40-41]、物質(zhì)提取[42]和酒類催陳[43]等。近年來的研究表明：PEF處理技術(shù)可以誘導(dǎo)園藝作物產(chǎn)生脅迫，從而觸發(fā)采后生物活性化合物的積累[44]。以下主要介紹脈沖電場對番茄、蘋果等果蔬酚類化合物和類胡蘿卜素的影響，脈沖電場處理對生鮮果蔬生物活性成分研究總結(jié)見表2。

表2 脈沖電場對生鮮果蔬生物活性成分研究

2.1 脈沖電場處理對生鮮果蔬酚類化合物的影響

酚類化合物與水果和蔬菜的抗氧化能力密切相關(guān)，經(jīng)常攝食富含多酚類化合物的植物食品對人體大有益處。研究顯示脈沖電場處理在增加不同果蔬中酚類化合物含量方面展現(xiàn)出潛在作用。EI Kantar等[45]分別在電場強度為3 kV/cm和10 kV/cm的條件下，對橘子、柚子和檸檬果實和果皮進行PEF處理。結(jié)果表明：高電場強度促進橘皮多酚的提取，處理后多酚含量可達到22 mg GAE/g DM。此外，有研究表明：利用低等強度(0.1～3 kV/cm，0.5～5 kJ/kg)和中等強度(0.5～5 kV/cm，1～20 kJ/kg)的PEF處理也可誘導(dǎo)植物食品應(yīng)激反應(yīng)，從而增強次生代謝物生成[31, 49]。Vallverdu-queralt等[46]研究表明：PEF處理(0.4～2.0 kV/cm和5～30脈沖)24 h導(dǎo)致番茄果實中羥基肉桂酸和黃酮含量增加，而黃酮醇、香豆素和阿魏酸-O-葡萄糖苷不受影響。類似地，Soliva-fortuny等[47]研究了(0.008～1.3 kJ/kg)PEF處理蘋果對總酚、黃酮類和黃酮-3-醇含量的影響，結(jié)果顯示PEF處理的蘋果中酚類化合物含量高于未處理的蘋果。最溫和的PEF處理(0.008 kJ/kg)能在22 ℃儲存24 h內(nèi)，使蘋果中總酚含量和黃烷-3-醇含量分別增加13%和92%，在4 ℃時觀察到黃酮類化合物增加了58%。

2.2 脈沖電場處理對生鮮果蔬類胡蘿卜素的影響

番茄紅素是植物性食物中存在的一種類胡蘿卜素，番茄和番茄制品是番茄紅素的主要來源，具有較高的氧自由基清除和猝滅能力，經(jīng)常攝食富含萜類化合物的果蔬可以降低罹患某些癌癥和心血管疾病等的風險。Vallverdu-Queralt等[48]利用中等強度脈沖電場(MIPEF)處理生鮮番茄，并在4 ℃冷藏24 h 后研磨成汁，再采用熱處理或高強度脈沖電場(HIPEF)處理番茄汁，冷藏保存56 d。結(jié)果表明：與對照相比，MIPEF處理的番茄汁中15-順式番茄紅素的含量提高了63%～65%。HIPEF處理的番茄汁在貯藏過程中與熱處理和未處理的果汁相比，保留了更高的類胡蘿卜素含量(10%～20%)[48]。

3 高壓處理對生鮮果蔬生物活性成分的影響

高壓處理(HPP)，也稱高靜水壓力、超高壓，已用于病原體滅活、蛋白質(zhì)變性、保質(zhì)期延長和固液體食品的保存等[50]。HPP技術(shù)可作為熱處理的替代方法來避免感官、理化和營養(yǎng)特性的不良變化[51-53]。在食品超高壓處理過程中，遵循帕斯卡原理和勒夏特列原理。高壓處理對食品物理性質(zhì)的影響遵循帕斯卡原理，對食品化學(xué)和微生物學(xué)的影響則遵循勒夏特列原理。

高壓處理過程中，無論食物的形狀大小如何，熱量可瞬間均勻地傳遞到食品內(nèi)，使食物中微生物與酶失活。商業(yè)高壓處理條件為400～700 MPa，溫度小于50 ℃。這種非熱處理方法對共價鍵的影響較小，能夠較好地保留與食品質(zhì)量相關(guān)的化學(xué)成分如維生素、功能性化合物和風味。與傳統(tǒng)加工方式相比，高壓處理幾乎不會改變植物食品的味道和新鮮度，不會導(dǎo)致營養(yǎng)成分的損失，安全、節(jié)能、耗時少，成為消費者可以接受的一種新型食品加工技術(shù)[54-55]。近年來的研究表明：高壓處理(HPP)可以誘導(dǎo)園藝作物產(chǎn)生脅迫，從而觸發(fā)采后生物活性化合物的積累。以下主要介紹高壓處理對果蔬酚類化合物和類胡蘿卜素的影響。高壓處理對生鮮果蔬生物活性成分研究總結(jié)見表3。

表3 高壓處理對生鮮果蔬生物活性成分研究

3.1 高壓處理對生鮮果蔬酚類化合物的影響

研究表明高壓處理可作為誘導(dǎo)因子用于植物次生代謝物的生物合成。利用高壓(15～60 MPa)處理芒果10～20 min可以誘導(dǎo)酚類和維生素C的生物合成[56]。與未處理樣品相比，60 MPa和30 MPa處理20 min的芒果維生素C含量更高，而經(jīng)15 MPa，10 min處理后，芒果中酚類化合物有更高積累[56]。這些結(jié)果表明：通過選擇合適的高壓處理條件，在園藝作物收獲后，可以觸發(fā)特定營養(yǎng)物質(zhì)的積累。

3.2 高壓處理對生鮮果蔬類胡蘿卜素的影響

高壓處理在增加不同果蔬中類胡蘿卜素含量方面展現(xiàn)出潛在作用。Sanchez-Moreno[57]研究表明HHP處理可增加柿子和橘子中類胡蘿卜素含量。Mcinerney[58]研究了高壓處理(400，600 MPa)對不同蔬菜類胡蘿卜素總含量和有效性的影響，結(jié)果顯示胡蘿卜、青豆和西蘭花中單個類胡蘿卜素水平不受高壓處理的影響。

4 非熱處理促進生鮮果蔬生物活性成分生物合成的生理機制探討

結(jié)合上述分析，不難發(fā)現(xiàn)US，PEF和HPP不但可以用于食品的殺菌，也可以在采后作為非生物誘導(dǎo)因子對生鮮果蔬生物活性成分進行合成和積累。因此，筆者提出一個假設(shè)模型(圖1)來解釋超聲(US)、脈沖電場(PEF)以及高壓處理(HPP)生鮮果蔬誘導(dǎo)生物活性成分積累的生理機制。US，PEF和HPP可誘導(dǎo)細胞膜通透性，從而觸發(fā)與創(chuàng)傷應(yīng)激相似的應(yīng)激反應(yīng)。對于超聲處理而言，細胞破壞是由質(zhì)膜中的壓力/溫度梯度引起的，而HPP在質(zhì)膜中產(chǎn)生壓力梯度，誘導(dǎo)膜的透性，同樣PEF產(chǎn)生電位，產(chǎn)生細胞膜破壞。

圖1 超聲(US)、脈沖電場(PEF)、高壓處理(HPP)生鮮果蔬生物活性成分積累的生理機制假設(shè)模型

植物細胞對非生物脅迫的反應(yīng)分為兩種：即時應(yīng)激反應(yīng)和遲發(fā)應(yīng)激反應(yīng)。即時應(yīng)激反應(yīng)從初級和次級信號分子產(chǎn)生開始，這些信號分子激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，參與轉(zhuǎn)錄因子的從頭合成，這些轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)植物次級代謝的基因表達。遲發(fā)應(yīng)激反應(yīng)是即時應(yīng)激反應(yīng)的結(jié)果，與植物適應(yīng)非生物壓力所需要的生化成分(如酶和次級代謝產(chǎn)物)的產(chǎn)生有關(guān)[59]。

US，PEF和HPP處理使植物組織發(fā)生膜破壞，ATP從受損細胞的細胞質(zhì)中釋放出來，然后與輔助細胞的質(zhì)膜受體結(jié)合[60-61]，誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生。ATP與質(zhì)膜受體的結(jié)合，除產(chǎn)生活性氧外，還會誘導(dǎo)其他次級信號分子如乙烯和茉莉酸[60]的產(chǎn)生，所有這些次級應(yīng)激信號分子都會通過胞漿擴散，啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子的激活，從而觸發(fā)營養(yǎng)物質(zhì)的生物合成。應(yīng)用非熱處理技術(shù)后，應(yīng)激信號分子的產(chǎn)生和植物次生代謝的激活是應(yīng)激反應(yīng)的一部分，而營養(yǎng)物質(zhì)的積累則視為貯藏過程中的一種遲發(fā)應(yīng)激反應(yīng)。因此，US，HPP和PEF處理后立即觀察到的生物活性化合物的增加可歸因于膜可萃取性的升高。

5 結(jié) 論

非熱技術(shù)如US，HPP和PEF處理等可作為誘導(dǎo)因子在誘導(dǎo)新鮮果蔬中活性化合物方面表現(xiàn)出很高的潛力，是未來生鮮果蔬領(lǐng)域很好的研究方向。今后，需要更多的研究人員將這些技術(shù)應(yīng)用到更多的果蔬種類上以檢驗其效果，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律。研究內(nèi)容需要進一步深入，比如非熱技術(shù)對于活性成分的影響并不全是正向的，有的提高，有的降低，還有的沒有影響。在檢測指標時需要分析到活性成分的單體化合物，分析這些技術(shù)對各類活性成分影響的規(guī)律。在掌握規(guī)律的基礎(chǔ)上實現(xiàn)有效利用其正向效應(yīng)同時規(guī)避其不利效應(yīng)。關(guān)于非熱技術(shù)增強生物活性成分積累的機理方面的研究報道更多的是基于理論知識的推理，今后可以綜合食品化學(xué)技術(shù)、采后生理學(xué)、基因組、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等生物技術(shù)來分別來闡明不同生物活性成分變化的具體機理。