果蔬機(jī)械損傷的生理及分子機(jī)制研究進(jìn)展

王敏，關(guān)博洋，殷菲朧，劉云芬，廖玲燕，潘中田，帥良*

（1.賀州學(xué)院食品與生物工程學(xué)院/食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院，廣西 賀州 542899；2.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 大連 116034）

我國(guó)水果和蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品資源豐富，產(chǎn)量位居世界首位，果蔬出口量占亞洲總出口量的70%以上，其中僅出口日本的果蔬總額每年達(dá)到3億多美元[1]。隨著“一帶一路”建設(shè)的發(fā)展，2018年我國(guó)與沿線國(guó)家的果蔬交易額達(dá)到760億美元，同比增長(zhǎng)16.4%[2]。但正是由于出口需長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)藏和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，增大了果蔬出現(xiàn)機(jī)械損傷的幾率。水果和蔬菜含水量極高，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，擠壓碰撞過程會(huì)使果蔬內(nèi)部水分流失，引起果蔬品質(zhì)下降。果蔬受到機(jī)械損傷后，微生物容易侵染破損部位，并在果蔬體內(nèi)大量繁殖，加速果蔬的腐敗變質(zhì)，影響其食用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)果蔬機(jī)械傷每年損耗量約為4 000萬噸，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2 000億人民幣[3]。果蔬機(jī)械損傷不僅包括果蔬在采收、包裝、運(yùn)輸和銷售環(huán)節(jié)中因受到跌落、碰撞、振動(dòng)、擠壓、刺傷等作用而引起的果蔬破損等傷害，也包括果蔬在加工過程中受到的鮮切等傷害[4]。因此，研究果蔬機(jī)械傷信號(hào)分子的防御機(jī)制，總結(jié)果蔬機(jī)械損傷生理生化特性，分析其影響因素，用科學(xué)的方法對(duì)果蔬進(jìn)行損傷防護(hù)，從而降低果蔬出現(xiàn)機(jī)械損傷的概率。

1 果蔬機(jī)械損傷的類型

1.1 靜壓損傷

靜壓損傷是指在儲(chǔ)運(yùn)過程中由于果蔬大量堆放而導(dǎo)致的果蔬損傷。隨著靜壓時(shí)間的延長(zhǎng)，果蔬要承受自身重力和上層果蔬壓力引起的接觸擠壓形變和摩擦損傷，造成果蔬品質(zhì)劣變。研究靜壓損傷通常采取外表層的黏彈性靜載試驗(yàn)，以外載力大小和時(shí)間長(zhǎng)短為依據(jù)判斷損傷程度，通過測(cè)量接觸面積和損傷直徑描述損傷規(guī)律。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于果蔬靜壓損傷的研究，主要集中在利用靜態(tài)壓縮法及Burgers的四單元模型探究果蔬靜壓損傷機(jī)理、探討堆疊果蔬的壓力分布和損傷面積的關(guān)系等。部分有關(guān)果蔬靜壓損傷的研究?jī)?nèi)容及成果見表1。

表1 果蔬靜壓損傷的研究Table 1 Study on static pressure injury of fruits and vegetables

1.2 振動(dòng)損傷

振動(dòng)損傷是由于果蔬的相互碰撞和低應(yīng)力循環(huán)引起的延遲損傷，大多發(fā)生在運(yùn)輸過程中。運(yùn)輸振動(dòng)對(duì)果實(shí)造成機(jī)械損傷，嚴(yán)重影響果蔬的組織流變特性，降低耐儲(chǔ)性[9]。影響果蔬振動(dòng)損傷的因素主要分為三類。第一類是果蔬自身影響，如成熟度、硬度；第二類是運(yùn)輸車輛的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)的影響，如運(yùn)輸車輛內(nèi)部懸掛和堆碼類型、車輛軸輪數(shù)量；第三類為不確定因素，如運(yùn)輸時(shí)間、速度和距離，路面平整程度，果蔬包裝方式、堆碼高度等。目前，主要采取穩(wěn)態(tài)振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)兩種方式研究果蔬的振動(dòng)損傷，而果蔬在運(yùn)輸過程中往往是由隨機(jī)振動(dòng)引起的損傷。因此，以隨機(jī)振動(dòng)為模型研究果蔬的運(yùn)輸振動(dòng)過程更具現(xiàn)實(shí)意義。Scalia等[10]在低溫控制的條件中模擬運(yùn)輸條件，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比振動(dòng)處理會(huì)降低草莓的品質(zhì)性狀。Fernando等[11]采用實(shí)際運(yùn)輸條件，在列車中放置不同堆碼位置和高度的香蕉，結(jié)果表明在列車尾部堆碼的香蕉損害最嚴(yán)重，每個(gè)堆碼位置的損傷程度與列車的振動(dòng)加速度密切相關(guān)。

1.3 沖擊損傷

果蔬在采收、運(yùn)輸和銷售過程中可能出現(xiàn)跌落、碰撞和敲擊等產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊力，使果蔬產(chǎn)生塑性變形等不可逆沖擊損傷。沖擊損傷程度主要與果蔬跌落高度、碰撞能量、碰撞次數(shù)、碰撞或跌落時(shí)其表面特性，以及果蔬自身成熟度、品種及大小有關(guān)[12]。目前，關(guān)于沖擊損傷影響的研究大部分都采用振動(dòng)模擬、自由落體、沖擊擺等試驗(yàn)方法，建立模型分析損傷程度和影響因素之間的關(guān)系。Zhou等[13]研究發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度機(jī)械沖擊持續(xù)時(shí)間越短，櫻桃損傷程度越高。Ghasem等[14]采用多元線性回歸分析方法研究蘋果的沖擊損傷，建立了蘋果果實(shí)損傷敏感性（以損傷體積衡量）的損傷預(yù)測(cè)模型，結(jié)果表明，提高溫度、增大曲率半徑可以降低蘋果的沖擊損傷程度。

1.4 鮮切損傷

果蔬經(jīng)過剝皮、切片和包裝等簡(jiǎn)單加工后成為鮮切即食產(chǎn)品。由于鮮切果蔬在加工過程中受到物理損傷，果蔬極易發(fā)生酶促褐變、微生物侵染、腐敗變質(zhì)，降低商品價(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鮮切果蔬的品質(zhì)劣變做出許多研究。有研究表明，鮮切處理能提高果蔬體內(nèi)苯丙氨酸解氨酶的活性，加速鮮切萵苣[15]、慈姑[16]、荸薺[17]等果蔬的褐變，導(dǎo)致果蔬品質(zhì)下降。Liu等[18]研究發(fā)現(xiàn)鮮切處理過程容易受微生物侵染，鮮切處理能引起蘋果中細(xì)菌、霉菌和酵母菌含量大幅度的提高，影響蘋果的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，加速蘋果腐敗變質(zhì)。還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，鮮切處理促進(jìn)了黃瓜體內(nèi)變形假單胞菌的生長(zhǎng)，引起黃瓜口味的變化和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失[19]。

2 果蔬機(jī)械損傷的生理特性及影響因素

2.1 呼吸強(qiáng)度

果蔬體內(nèi)需要能量進(jìn)行生物大分子的轉(zhuǎn)換更新，細(xì)胞結(jié)構(gòu)的維持和修復(fù)。這些能量大部分由呼吸作用消耗有機(jī)物提供。有學(xué)者通過人工模擬試驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)紅富士和秦冠機(jī)械傷果在貯藏過程中呼吸強(qiáng)度均增大，且紅富士果實(shí)呼吸峰提前[20]。在黃瓜[21]、獼猴桃[22]和甘藍(lán)[23]等果蔬中也有類似現(xiàn)象的發(fā)生。還有學(xué)者研究表明臨界高度以下，櫻桃番茄跌落高度越高，呼吸速率越大[24]。果蔬受到機(jī)械損傷后，呼吸作用逐漸增大，由此加強(qiáng)損傷組織的防御反應(yīng)，促進(jìn)愈傷組織的形成。機(jī)械傷也會(huì)導(dǎo)致果蔬正常代謝失衡，促進(jìn)果蔬體內(nèi)活性氧的積累，使其膜質(zhì)系統(tǒng)發(fā)生過氧化反應(yīng)；蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子遭到氧化，破壞果蔬細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的穩(wěn)定性，從而加速果實(shí)的衰老。

2.2 氧化酶活性

果蔬的過氧化物酶（peroxidase，POD）、多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）、過氧化氫酶（catalase，CAT）和超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）等的酶活性與自身的細(xì)胞膜透性和品質(zhì)有重要關(guān)系[25]，提高酶活性能促進(jìn)果蔬損傷愈合。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)切片損傷會(huì)提高胡蘿卜中PPO活性，誘導(dǎo)組織中酚類物質(zhì)的產(chǎn)生和積累[26]。有研究表明，機(jī)械損傷會(huì)抑制番茄[27]、蘋果[28]和青椒[29]等果蔬體內(nèi)POD和PPO活性，導(dǎo)致果蔬品質(zhì)劣變。同時(shí)，果蔬在遭受機(jī)械傷后會(huì)抑制體內(nèi)CAT和SOD活性，破壞自身的抗氧化系統(tǒng)，造成果實(shí)體內(nèi)H2O2的大量積累，加速果蔬在貯存過程中的衰老腐敗。機(jī)械損傷破壞了果蔬的組織結(jié)構(gòu)，影響其細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的完整性，引起酚類物質(zhì)的積累，改變果蔬體內(nèi)的酶類物質(zhì)活性，促進(jìn)果蔬表皮褐變，導(dǎo)致果蔬品質(zhì)下降。

2.3 γ-氨基丁酸

植物在遭受機(jī)械損傷、缺氧和干旱等脅迫時(shí)，體內(nèi) γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）在應(yīng)激組織中快速積累對(duì)抗脅迫[30-31]，果蔬在遭受機(jī)械傷后也會(huì)出現(xiàn)類似現(xiàn)象。研究表明，成熟番茄經(jīng)破碎后體內(nèi)GABA含量會(huì)升高[32]。Hou[33]等發(fā)現(xiàn)鮮切過程激活了GABA的分流和多胺降解途徑，誘導(dǎo)果蔬中GABA的積累。候螢等[34]研究表明機(jī)械傷處理會(huì)引起獼猴桃中GABA的富集；朱惠文等[35]發(fā)現(xiàn)較高溫度的短時(shí)間儲(chǔ)藏會(huì)促進(jìn)鮮切胡蘿卜中酚類物質(zhì)和GABA的積累，提高抗氧化能力。Wang等[36]發(fā)現(xiàn)CaCl2或抗壞血酸（ascorbic acid，ASA）處理均能使胡蘿卜絲中的GABA富集，延長(zhǎng)儲(chǔ)藏期。

2.4 硬度

根據(jù)果蔬品種和成熟度的差異，硬度也會(huì)有所不同。硬度是評(píng)價(jià)果蔬品質(zhì)的重要指標(biāo)，反映果蔬的新鮮度。但機(jī)械損傷普遍使蘋果、黃花梨[37]、青椒[29]、番茄[24，27]等果蔬組織軟化，導(dǎo)致果蔬品質(zhì)下降。有研究表明，機(jī)械損傷使果蔬原果膠含量降低，可溶性果膠和纖維素含量升高[38]。機(jī)械損傷還會(huì)改變果蔬組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞膜透性和酶活性，促進(jìn)細(xì)胞中底物和酶的結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)胞壁被分解，果實(shí)進(jìn)一步軟化。

2.5 可溶性固形物含量

可溶性固形物含量指果蔬細(xì)胞中含有可溶于水的糖類物質(zhì)的含量大小，作為果蔬的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其含量可用于衡量果蔬品質(zhì)的指標(biāo)。果蔬中的糖類物質(zhì)為呼吸作用提供底物，而機(jī)械損傷會(huì)引起果蔬呼吸速率的提高，促進(jìn)糖代謝速率加快，加速果蔬品質(zhì)劣變。研究表明，機(jī)械損傷會(huì)引起獼猴桃[22]、哈密瓜[39]等果實(shí)可溶性固形物含量升高，而機(jī)械傷蘋果[20]的可溶性固形物含量則是呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。

3 果蔬機(jī)械損傷防御調(diào)控的分子機(jī)制

植物在受到機(jī)械損傷后，體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一系列的激素信號(hào)分子進(jìn)行防御反應(yīng)和應(yīng)答調(diào)控，加強(qiáng)植物自身修復(fù)，采摘后的果蔬也有類似反應(yīng)。機(jī)械損傷會(huì)刺激果蔬信號(hào)分子的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)導(dǎo)和接收，激活果蔬的脅迫應(yīng)答基因，誘導(dǎo)防御基因的表達(dá)。目前，對(duì)果蔬機(jī)械傷信號(hào)分子轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)控路徑尚未完全清楚，但已有研究表明水楊酸（salicylic acid，SA）[40]、茉莉酸甲酯（methyl jasmonate，MeJA）[41]和乙烯（ethylene，ET）[42]等可作為信號(hào)分子，誘導(dǎo)防御基因的表達(dá)。

3.1 SA在果蔬機(jī)械損傷防御調(diào)控的分子機(jī)制

SA是植物抗逆性和防御性系統(tǒng)中的信號(hào)分子。Tada等[43]提出SA介導(dǎo)防御基因的主要調(diào)節(jié)因子是NPR1。SA需要調(diào)節(jié)因子NPR1的參與激活PR基因的表達(dá)，啟動(dòng)防御機(jī)制[44]。此外，NPR1還能與TGA類bZIP轉(zhuǎn)錄因子作用，激活PR基因的表達(dá)[45]。SA常用作果蔬的保鮮劑。Chen等[46]研究發(fā)現(xiàn)SA處理能促進(jìn)機(jī)械傷葡萄中PAL mRNA的積累，提高PAL蛋白的含量和活性。陳夏鑫等[47]發(fā)現(xiàn)SA能有效抑制CwCHI基因的表達(dá)，延緩鮮切荸薺的黃化。

3.2 茉莉酸在果蔬機(jī)械損傷防御調(diào)控的分子機(jī)制

茉莉酸（jasmonate JA）在茉莉酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下生成茉莉酸甲酯（MeJA）[48]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)MeJA在蛋白質(zhì)水平上有反應(yīng)，能使果蔬新陳代謝從生長(zhǎng)轉(zhuǎn)向防御[49]。COI1在植物中是一個(gè)重要的調(diào)控基因，F(xiàn)-box蛋白COI1可以促進(jìn)JAZ蛋白的降解，介導(dǎo)茉莉酸信號(hào)傳導(dǎo)[50]。還有研究表明，茉莉酸信號(hào)需要轉(zhuǎn)錄因子MYC2的參與啟動(dòng)JAZ蛋白，而且在Thr328殘基上磷酸化偶聯(lián)翻轉(zhuǎn)能刺激MYC2轉(zhuǎn)錄活性[51]，誘導(dǎo)防御基因的表達(dá)。外源MeJA可參與果蔬防御信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活果蔬的脅迫應(yīng)答基因。Guo等[52]研究表明MeJA誘導(dǎo)機(jī)械傷柑橘PR5的mRNA表達(dá)水平升高，抑制柑橘綠霉病的發(fā)生。

3.3 ET在果蔬機(jī)械損傷防御調(diào)控的分子機(jī)制

ET是植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)的重要因子，也參與了脅迫反應(yīng)的防御機(jī)制。APETALA2/乙烯反應(yīng)因子（AP2/ERF）蛋白家族，通過參與次生代謝物的生物合成來介導(dǎo)植物的逆境反應(yīng)[53]。到目前為止，在擬南芥[42]中已鑒定出5 種乙烯受體 ETR1、ETR2、ERS1、ERS2、EIN4，在番茄中已經(jīng)分離出第7個(gè)乙烯受體LeETR7[54]。機(jī)械傷脅迫促進(jìn)花椰菜中BO-ACS1和BO-ACS2的基因表達(dá)，使花椰菜中傷乙烯含量顯著提高[55]。為減少脅迫后期傷乙烯的生成，Bu等[56]發(fā)現(xiàn)UV-C處理抑制了機(jī)械傷番茄中PME2.1、Cel1、PGcat和Exp1基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，降低乙烯的生成量。

3.4 轉(zhuǎn)錄因子在果蔬機(jī)械損傷防御調(diào)控的分子機(jī)制

基因表達(dá)調(diào)控是植物脅迫反應(yīng)中最常見的方式。轉(zhuǎn)錄因子（transcription factors，TFs）感知逆境信號(hào)，在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控下游防御基因表達(dá)，參與植物防御機(jī)制[57]。植物受到逆境脅迫后，AP2/ERF、WRKY、BHLH、bZIP、MYB和NAC等6個(gè)主要TFs家族發(fā)揮重要作用[58]。除了參與植物的防御反應(yīng)外，還有研究表明WRKY轉(zhuǎn)錄因子與果蔬機(jī)械傷褐變呈高度相關(guān)。劉建汀等[59]研究發(fā)現(xiàn)，4個(gè)WRKY基因Unigene0018509、Unigene0021412、Unigene0025291和Unigene0034271參與鮮切絲瓜褐變的調(diào)控反應(yīng)。此外，WRKY75還與番茄組織褐變有關(guān)[60]。

4 果蔬機(jī)械損傷的防護(hù)措施

果蔬在采摘、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏和銷售過程中極易受到機(jī)械損傷而影響其本身的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，采取適合的物理減振裝置和化學(xué)處理等防護(hù)措施能有效減緩果蔬機(jī)械傷的產(chǎn)生，延長(zhǎng)果蔬的儲(chǔ)藏期限，增加果蔬的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 減振防護(hù)

果蔬的物理減振裝置通常要符合兩個(gè)條件，一是能在最大程度上保護(hù)產(chǎn)品免受沖擊、振動(dòng)和靜壓等損傷，同時(shí)具有良好的通透性能，便于果蔬進(jìn)行有氧呼吸。其次是經(jīng)濟(jì)性，包裝材料要盡可能的便宜、易獲取，還要便于果蔬的裝卸和運(yùn)輸。目前，市場(chǎng)上常見的果蔬減振包裝主要有瓦楞紙板、泡沫網(wǎng)袋、充氣柱和聚乙烯泡沫塑料等[61]。采取適合的物理減振裝置能有效減低果蔬在運(yùn)輸過程中的呼吸強(qiáng)度和乙烯釋放量，維持果蔬硬度和VC含量，保持果蔬貨架期的品質(zhì)。

4.2 化學(xué)試劑防護(hù)

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)果蔬機(jī)械損傷的化學(xué)防護(hù)措施做出許多了研究，也取得了一定的成果。已有研究表明，1-MCP[21]、異硫氰酸烯丙酯[23]等處理能抑制果蔬傷呼吸強(qiáng)度，延緩果蔬衰老進(jìn)程；CaCl2[27]、1-甲基環(huán)丙烯、乙烯吸收劑[28]和腐胺[29]處理均能提高機(jī)械傷果蔬體內(nèi)的抗氧化酶活性，加強(qiáng)果蔬抗氧化能力；赤霉素[15]、抗壞血酸和阿魏酸[16]、6-芐氨基嘌呤[17]能延緩鮮切蓮藕和荸薺的褐變，保持鮮切果蔬的品質(zhì)。

4.3 其他防護(hù)

除了物理減振裝置和化學(xué)處理等防護(hù)措施外，還有學(xué)者采用等離子體活化水浸泡鮮切蘋果，發(fā)現(xiàn)PAW處理能抑制鮮切蘋果中細(xì)菌、霉菌和酵母菌的生長(zhǎng)，減少微生物對(duì)果蔬的侵染[18]。鄭鄢燕[19]等采用3%O2＋7%CO2氣調(diào)包裝儲(chǔ)藏，抑制了變形假單胞菌對(duì)黃瓜口味變化的影響，保持鮮切黃瓜的品質(zhì)。

5 展望

果蔬在采后極易遭受機(jī)械損傷而導(dǎo)致品質(zhì)下降。因此，研究果蔬機(jī)械損傷的生理特性和分子機(jī)制，采用合適的化學(xué)處理和減振裝置，能有效減少果蔬機(jī)械損傷的產(chǎn)生。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)果蔬機(jī)械損傷分子機(jī)制和生理特性的研究已取得一定成果與進(jìn)展，但還有部分問題尚待研究探討。

例如，果蔬在運(yùn)輸過程中受到的損傷大都是隨機(jī)的、不確定的，通過自制振動(dòng)裝置研究果蔬振動(dòng)損傷特性是存在一定局限性的，試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)實(shí)也可能存在一定的差異。果蔬機(jī)械損傷會(huì)對(duì)果蔬原本的風(fēng)味造成影響，而大多數(shù)學(xué)者都是針對(duì)損傷后果蔬營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失，對(duì)果蔬特征性芳香物質(zhì)和口感變化的研究較少。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)TFs轉(zhuǎn)錄因子有一定的研究成果，但大多數(shù)限定于植物機(jī)械傷脅迫中，在果蔬機(jī)械傷的研究中非常有限。而且，果蔬機(jī)械損傷信號(hào)分子的調(diào)控機(jī)制尚未完全清楚，果蔬損傷愈合過程中的防御系統(tǒng)和調(diào)控路徑還有待研究探討。