果蔬貯藏保鮮過程中果膠酶變化的研究進展

邢 穎，徐懷德

（1.運城學(xué)院生命科學(xué)系，山西 運城 044000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

果蔬是健康膳食的重要組成部分，可為人體提供維生素、礦物質(zhì)及膳食纖維等必需的營養(yǎng)物質(zhì)。采收后的果蔬仍是具有呼吸作用的鮮活生命體[1]，在成熟貯藏過程中會進行一系列的生理代謝活動，在此過程中相關(guān)指標如呼吸強度、乙烯產(chǎn)量、營養(yǎng)成分、硬度、色澤及揮發(fā)性成分等均會發(fā)生不同程度地改變。其中，果實硬度的改變與細胞壁完整結(jié)構(gòu)的損壞息息相關(guān)[2]。植物細胞壁由初生壁、次生壁及胞間層構(gòu)成，胞間層是位于相鄰細胞之間的部分，富含果膠，在細胞中起黏結(jié)作用，可以防止細胞間的分離，對維持細胞整體結(jié)構(gòu)的完整性起到重要作用[3]。果蔬采收后在貯藏過程中細胞壁組織結(jié)構(gòu)的改變是一個復(fù)雜的生理過程，其中細胞壁中的原果膠在果膠酶的作用下發(fā)生降解反應(yīng)，可溶性果膠含量升高，細胞壁結(jié)構(gòu)變得疏松，細胞壁變薄、細胞間空隙變大，因此果實硬度下降[4]。

根據(jù)貯藏保鮮技術(shù)原理的不同將貯藏保鮮技術(shù)分為物理方法，包括氣調(diào)、低溫、微波、輻射等；化學(xué)方法包括1-MCP、鈣處理等；生物技術(shù)包括植物提取物（多酚、原花青素等）、動物提取物（殼聚糖）及微生物提取物等。不同的保鮮技術(shù)其作用機理各不相同，其中，在維持果蔬硬度方面主要與抑制果膠酶活，減少果膠分解相關(guān)。不同貯藏保鮮技術(shù)對果蔬影響的研究較多，主要集中在果蔬的理化、營養(yǎng)、質(zhì)地、酶活變化等方面，其中，果蔬硬度的保持與果膠及果膠酶密切相關(guān)，但有關(guān)保鮮技術(shù)對果膠酶的總結(jié)還尚未報道。因此，本文以果膠酶為研究對象，總結(jié)常見不同保鮮貯藏技術(shù)對果蔬中果膠酶的影響，為果蔬貯藏新工藝的研發(fā)提供理論參考，促進果蔬保鮮技術(shù)的發(fā)展。

1 果膠與果膠酶

1.1 果膠

果肉軟化是果實后熟的重要標志之一，不僅受果實的乙烯代謝、蒸騰作用和呼吸作用的影響，而且與果膠物質(zhì)、纖維素、半纖維素的結(jié)構(gòu)和含量變化密切相關(guān)[5]。果膠主要是一類以半乳糖醛酸（Gal-A）為主由α-1,4-糖苷鍵連接組成的酸性雜多糖，根據(jù)果膠分子主鏈和支鏈結(jié)構(gòu)的不同，普遍將果膠分為3 類：同型半乳糖醛酸聚糖（Homogalacturonan，HG）、鼠李半乳糖醛酸聚糖-I（Rhamngalacturonan I，RGI）、鼠李半乳糖醛酸聚糖-II（Rhamngalacturonan II，RGII）[6]。其中，HG 被稱為“光滑區(qū)”，而RGI 和RGII 被稱為“毛發(fā)區(qū)”。

根據(jù)果膠溶解性的不同將果膠分為水溶性果膠（Water-soluble pectin，WSP）、螯合果膠（chelatorsoluble pectin，CSP）和堿溶性果膠（Na2CO3-soluble pectin，NSP）等。WSP 主要含有通過非共價和非離子鍵松散地與細胞壁結(jié)合的果膠，其結(jié)構(gòu)中富含HG，在果實成熟軟化中由于不溶性果膠的解聚含量會升高；CSP 通過離子鍵與細胞壁緊密結(jié)合，在胞間層中與鈣離子結(jié)合，以果膠酸鈣的形式存在，其含量下降會使得細胞黏合下降，細胞間隙增大；NSP 通過共價酯鍵與細胞壁聚合物連接，主要存在于初生細胞壁中，其含量下降會使得細胞壁強度下降，組織疏松，結(jié)構(gòu)中富含RG[7]。隨著果蔬成熟軟化過程的進行，果蔬中WSP 含量呈顯著上升趨勢，而NSP 呈下降趨勢，果膠的側(cè)鏈被水解。

1.2 果膠酶

果實成熟過程中涉及復(fù)雜的生理反應(yīng)，其中組織軟化主要由初生細胞壁層和胞間層結(jié)構(gòu)的解聚和降解而引起，果膠酶可通過影響細胞壁果膠納米結(jié)構(gòu)來改變細胞壁多糖的聚合度。果膠酶主要分為三種類型：a.原果膠酶，將不溶性的果膠降解為高度聚合的可溶性果膠；b.酯酶，通過去除果膠中的甲氧基，將高酯果膠轉(zhuǎn)化為低酯果膠；c.解聚果膠酶，包括水解酶和裂解酶，可裂解半乳糖醛酸中的α-1,4 鍵。常見的果膠酶主要包括聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG）、果膠酯酶（pectinesterase，PME）、β-半乳糖苷酶（β-galactosidase，β-GAL）、果膠裂解酶（pectate lyase，PL）等[8-9]。在果實成熟過程中，PME 可將HG 鏈上的甲酯基脫掉，此時細胞壁的pH 和電位值會因此產(chǎn)生的羧基而改變，同時由鈣橋及其他離子連接的果膠結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，果膠更容易被PG 水解，因此PME 的去甲基過程可視為為PG 作用的發(fā)揮提供底物。PG可作用于α-1,4-D-半乳糖苷鍵，水解過程產(chǎn)生低聚半乳糖醛酸或單半乳糖醛酸，使果膠物質(zhì)進一步降解，從而細胞間黏度降低，最終導(dǎo)致果實軟化、硬度下降。β-GAL 對半乳糖苷鍵起水解作用，能夠從β-D-半乳聚糖的非還原性末端切除β-D-乳糖殘基，因此，β-GAL 對果膠與半纖維素均有水解作用。在β-半乳糖苷酶的作用下，細胞壁β-D-半乳糖殘基不斷減少，可溶性果膠逐漸增加，進而破壞了細胞壁的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致果實軟化。

2 影響果膠酶的主要因素

2.1 乙烯

乙烯是一種植物激素，在植物生長和發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。呼吸躍變型果蔬在貯藏過程中由于其自身代謝的發(fā)生導(dǎo)致乙烯含量不斷升高，當(dāng)乙烯含量積累到一定程度時，果蔬硬度便開始下降[10]。同時，乙烯通過影響轉(zhuǎn)錄因子SIFSR 激活細胞壁中PG、PL、PME 等酶的活性，從而影響細胞壁的代謝，最終導(dǎo)致果實軟化[11]。研究表明，在番茄貯藏過程中，乙烯含量的降低強烈地影響了PG、PME 等細胞降解酶活性的變化[12]，從而降低果膠向半乳糖醛酸的轉(zhuǎn)化，維持果蔬硬度[13]。

2.2 金屬離子

酶的活性中心會被金屬離子所影響，導(dǎo)致酶的活性受到促進或者抑制。有關(guān)金屬離子對果膠酶活的研究主要集中在鈣離子上。鈣對果膠酶的影響主要從以下三個方面進行：a.對乙烯生成的影響。鈣可維持細胞壁和細胞膜的穩(wěn)定性，完整的細胞結(jié)構(gòu)對相關(guān)氧化酶有隔離作用，同時，鈣可抑制氧化酶的活性，減少乙烯生成，在此過程中果膠酶活性的增強效果得到抑制[14]；b.鈣離子可抑制細胞壁酶活的基因表達，降低相關(guān)酶活，減緩果膠的解聚，維持果蔬的硬度，延長貨架期[15]；c.鈣離子可與細胞壁果膠交聯(lián)結(jié)合形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的果膠鈣，對維持細胞壁完整性與穩(wěn)定性有重要作用[16]。

2.3 溫度

果實采收后置于低溫條件下可降低果實呼吸代謝和酶活性，同時減少營養(yǎng)物質(zhì)的消耗及果實硬度的損失。隨著溫度的降低，果實中生理代謝酶的活性逐漸降低。有研究表明，將果蔬處于近冰點貯藏，果實的呼吸強度和乙烯生成速率均顯著降低，并且呼吸速率和乙烯釋放高峰也明顯推遲[17]。

3 常見果蔬保鮮技術(shù)對果膠酶的影響

根據(jù)作用機理的不同，將果蔬貯藏保鮮技術(shù)分為物理、化學(xué)及生物保鮮技術(shù)，不同貯藏保鮮技術(shù)對果蔬軟化過程的抑制機制不同，如表1 所示。

表1 不同貯藏方法對果膠酶的影響Table 1 Effects of different storage methods on the pectase

3.1 物理保鮮技術(shù)

3.1.1 氣調(diào) 氣調(diào)是果蔬貯藏中常采用的方式，主要通過對貯藏環(huán)境中氣體的比例進行調(diào)節(jié)，使其形成低O2高CO2的狀態(tài)，從而降低果蔬的呼吸強度，延長果蔬貨架期的方法[18]。常用于調(diào)節(jié)貯藏環(huán)境條件的氣體有NO、N2及CO 等。一氧化氮（nitric oxide，NO）是可自由擴散的膜透性信號分子，在細胞內(nèi)或細胞間扮演重要的信使角色，具有延緩果實衰老、抑制病原菌侵染和微生物生長的優(yōu)點。此外，NO 無有害物殘留，大大提高了果品的食用安全性[19-20]。NO 對果膠酶的作用主要包括以下幾個方面：a. NO 可通過與乙烯的拮抗作用來緩解果實成熟，延長果實的貨架期[21]，在乙烯產(chǎn)量減少的同時，果膠酶的激活作用下降，果膠酶活性得到抑制；b. NO 處理可抑制果膠酶相關(guān)基因的表達，抑制酶活[22]。Zhao 等[23]將桃子置于 NO 中處理 10 min 后進行冷藏，其 PG 及β-GAL活性明顯降低。同時，NO 處理還可應(yīng)用于芒果[24]、甜瓜[25]、木瓜[26]，與對照組相比，經(jīng)過NO 處理后細胞壁的解聚能得到緩解，果實細胞壁中果膠酶的活性得到一定程度的抑制，果膠分解速率減慢，果實硬度保持較好。

3.1.2 輻照 果蔬貯藏前經(jīng)過輻照處理可抑制微生物的生長，進而延長果蔬貨架期[27]。高能電子束輻照是一種非加熱的果蔬保鮮技術(shù)，具有操作簡便、處理時間短、不產(chǎn)生放射性污染、輻照劑量均勻等優(yōu)點[28]。電子束輻照對果膠酶的影響主要包括以下三個方面：a.電子束輻照可以通過降低果膠酶相關(guān)基因的表達來降低相關(guān)酶活，抑制果實細胞壁中纖維素和原果膠的降解，減少果實硬度的損失[29]；b.電子束輻照可減少乙烯的釋放，因此可降低與果實軟化相關(guān)基因的表達。王海宏等[30]采用不同劑量電子束輻照對不同成熟度番茄的理化、乙烯釋放量及乙烯合成關(guān)鍵酶基因表達量進行了對比，結(jié)果表明電子束可通過抑制與乙烯合成相關(guān)酶基因的表達來抑制乙烯的生成；c.電子束可抑制活性氧的積累，果蔬貯藏過程中的活性氧可作用于細胞壁多糖，包括纖維素、半纖維素及果膠等，因此引起細胞壁的破壞。0.5 kGy 電子束處理芒果過氧化氫和超氧陰離子含量均顯著低于對照組，果實硬度也明顯高于對照組[31]。Truc 等[32]在對芒果的研究中也有類似發(fā)現(xiàn)，電子束處理的芒果過氧化氫含量下降，淀粉轉(zhuǎn)化糖的程度下降，因此果實硬度下降程度減緩。

3.1.3 低溫及溫度激化保鮮

3.1.3.1 冰點貯藏 冰點（near-freezing temperature，NFT）貯藏，又稱近冰點貯藏。當(dāng)果蔬處于略高于冰點溫度范圍下貯藏時，果蔬組織細胞液不會發(fā)生凍結(jié)且仍保持活體狀態(tài)，但是其新陳代謝水平極低，其呼吸作用、后熟衰老、微生物生長等進程均大幅減緩。對一些果蔬品種采用近冰點貯藏，可顯著延長其貨架期，且保鮮效果明顯優(yōu)于普通的冷藏[33-34]。冰點貯藏極大地抑制了果實細胞壁降解酶的活性，能顯著延緩果實的軟化生理進程。杏在-1.9 ℃下近冰溫貯藏，與 0 和 5 ℃ 相比能更好地抑制 PG、PME 及β-GAL等細胞壁相關(guān)酶活，且不同果膠組分的降解程度下降[35]。在近冰溫（-0.2 ℃）下貯藏的四季豆，其PG、PME 的活性顯著降低，果膠成分降解程度下降，細胞壁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)保持良好，綠豆硬度顯著高于對照組[36]。

3.1.3.2 熱激處理 為預(yù)防果蔬在貯藏過程中冷害的發(fā)生，可將果蔬在采收之后進行適當(dāng)?shù)臏囟燃せ?。熱激處理是將果蔬置于非致死的高溫環(huán)境（30～55 ℃）中進行短時（幾秒到幾小時）處理[37]。熱激處理可影響細胞壁酶活，引起果膠等物質(zhì)改變，進而影響細胞壁結(jié)構(gòu)。熱激處理對不同果蔬中果膠及果膠酶的影響有較大差異，因而對細胞壁結(jié)構(gòu)的影響也相差較大。Wang 等[38]采用44 ℃熱空氣處理櫻桃114 min 后發(fā)現(xiàn)，PG 和PME 活性在貯藏期間顯著被抑制。香蕉經(jīng)過50 ℃、10 min 的熱處理后進行貯藏，其硬度在貯藏過程中呈現(xiàn)下降趨勢，但是熱處理組的硬度顯著高于對照組，且PL、β-GAL 及PG 活性及基因表達顯著下降，但PME 活性及基因表達沒有顯著變化[39]。成熟的草莓在采收之后在45 ℃下處理3 h，結(jié)果表明熱激處理可降低于PG、PL、ARA（阿拉伯呋喃糖酶）及β-GAL 相關(guān)基因的表達，而PME 及木糖苷酶相關(guān)基因表達則升高；同時處理組中細胞壁總量及以離子鍵和共價鍵結(jié)合的果膠含量均高于對照組，因此處理組中的草莓具有較好的硬度[40]。然而對有些水果而言，熱激處理反而會升高細胞壁酶活，導(dǎo)致細胞壁物質(zhì)降解，加速果實軟化進程。Díaz-Corona 等[41]對芒果進行46.1 ℃、75～90 min處理后進行貯藏，研究表明與對照組相比熱激處理對芒果硬度的影響無顯著性差異；PME 和β-GAL 活性經(jīng)過熱激處理后反而升高；而PG 活性在貯藏前期低于對照，在貯藏后高于對照組。熱激處理對不同果實細胞壁酶活的影響差異顯著主要與不同果蔬細胞壁結(jié)構(gòu)差異有關(guān)。

溫度激化處理具有無殘留、無污染、操作簡單等優(yōu)勢，但是由于操作成本高不適合工廠化連續(xù)操作。同時由于不同果蔬之間的差異性較大，因此果蔬的溫度激化處理相關(guān)條件的設(shè)置及大批量處理還需更多的研究與開發(fā)。

3.2 化學(xué)保鮮技術(shù)

化學(xué)保鮮技術(shù)是利用化學(xué)物質(zhì)或者化學(xué)反應(yīng)對果蔬中的酶或者微生物起到抑制的作用，常見的化學(xué)保鮮方式有鈣處理和1-MCP 處理。

3.2.1 鈣處理 鈣處理是一種安全、成本低及操作簡單的保鮮方式，鈣離子可通過抑制果蔬呼吸強度、保持果實的細胞膜的完整性來延緩果實衰老，同時鈣離子可參與果實的生理代謝及酶活性的調(diào)控，從而使貯藏期果實的細胞壁更加穩(wěn)定，果實的硬度得到維持[42]。紅樹莓在經(jīng)過氯化鈣處理后其硬度下降減緩，呼吸速率下降。與對照組相比，處理組的PG、PME活性下降，原果膠含量高，可溶性果膠含量低[43]。Liu等[44]發(fā)現(xiàn)杏貯藏在過程中細胞壁果膠組分的含量及納米結(jié)構(gòu)會發(fā)生分解和降解，1% w/w 的氯化鈣處理可阻止這些反應(yīng)的發(fā)生。

3.2.2 1-MCP 處理 1-甲基環(huán)丙烯（1-MCP）是一種安全的乙烯抑制劑，可競爭性的與乙烯受體進行不可逆的結(jié)合，爭奪乙烯結(jié)合位點，使得乙烯信號傳導(dǎo)阻斷，從而抑制乙烯的生成。同時，1-MCP 處理可顯著抑制果實中PG、PME、β-GAL 等果實體內(nèi)軟化相關(guān)酶的活性，抑制細胞壁的分解[45]。張夢媛等[46]采用1 μL/L 1-MCP 密閉熏蒸南果梨24 h 后進行常溫貯藏，研究表明與對照組相比，1-MCP 處理能抑制乙烯的產(chǎn)生，其高峰時間推遲且峰值下降，同時PG、PME活力顯著抑制，可溶性果膠含量顯著低于對照組，而原果膠含量高于對照組。1-MCP 處理可降低“Hwangok”和“Picnic”蘋果中四種與果膠有關(guān)酶的酶活（PG、PME、β-GAL 和α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶）。此外，1-MCP 處理降低了果膠降解基因（MdPG1、MdPME1、Mdβ-GAL1、Mdβ-GAL2和Mdα-ARF2）的表達；同時1-MCP 可以通過減少中性糖的增溶作用限制細胞壁水解酶的活性，從而維持細胞壁果膠的完整性，因此對兩個蘋果品種的軟化有延遲作用[47]。

3.3 生物保鮮技術(shù)

與傳統(tǒng)果蔬保鮮技術(shù)相比，生物保鮮技術(shù)具有條件易控制、無殘留、所需貯藏空間小等優(yōu)勢。生物保鮮技術(shù)是利用天然提取物、拮抗微生物等達到抑制果蔬呼吸作用、延緩果蔬衰老的一種保鮮貯藏方式。根據(jù)提取物來源的不同分為植物、動物及微生物提取物保鮮技術(shù)，其中植物提取物主要有精油、多酚、原花青素等；動物提取物有殼聚糖；微生物提取物有抗生素等。不同的生物保鮮技術(shù)對于果蔬細胞壁果膠酶活有不同的影響，因而可影響貯藏過程中果實的硬度。

3.3.1 植物提取物 采收后的果蔬由于營養(yǎng)豐富且水分含量高，貯藏過程中極易被微生物侵染。在微生物生長繁殖過程中分泌的各種代謝產(chǎn)物和胞外酶可破壞果蔬組織結(jié)構(gòu)，加快果蔬軟化。外源性多酚類物質(zhì)可與果蔬細胞壁中的果膠結(jié)合，抑制果蔬軟化。原花青素可與果膠通過氫鍵、疏水鍵、離子鍵及共價鍵等方式結(jié)合[48]，同時原花青素也可降低果膠酶活性，因而對果蔬的細胞壁有一定的影響。Chen 等[49]采用1%原花青素對香蕉進行處理發(fā)現(xiàn)，與對照香蕉果實相比，原花青素處理果實表現(xiàn)出更好的硬度，同時其PG、PME、PL 的活性降低，PG、PME 及PL 基因表達下降。石榴皮是生物活性物質(zhì)的優(yōu)質(zhì)來源，Megha 等[50]在殼聚糖涂層中增加石榴皮提取物將其應(yīng)用于梨的保鮮貯藏，結(jié)果表明添加石榴皮提取物與殼聚糖組合能較好地抑制果實中PG 及PME 的活性，對梨的硬度起到很好的維持作用。

3.3.2 動物提取物 動物提取物種類較少，研究較多的利用殼聚糖在果蔬表面形成保護膜，創(chuàng)造一個隔絕氧氣、乙烯等氣體的屏障延緩水果軟化，延長保質(zhì)期。殼聚糖通過影響與果實呼吸代謝相關(guān)的酶活來抑制果實呼吸作用，同時其對細胞壁中果膠酶的活性和相關(guān)基因的表達均有抑制作用[51-52]。Arisa 等[53]對比了不同分子量殼聚糖對香蕉軟化程度的影響，研究表明高分子量和中等分子量的殼聚糖可抑制PG和PME 的活性，降低乙烯含量和呼吸速率，從而保持果蔬較好的硬度?！癎armrok”獼猴桃在收獲后貯藏前采用殼聚糖處理可抑制乙烯生成和呼吸速率，同時PG 基因表達被下調(diào)。Wang 等[54]的研究結(jié)果表明，殼聚糖涂膜處理對草莓果實冷藏過程中延緩軟化效果明顯，主要歸因于PG 和PME 活性以及PG1和PME1轉(zhuǎn)錄水平受到抑制。在殼聚糖基食品涂層中加入石榴皮提取物[50]、抗壞血酸[55]、檸檬酸[56]及水楊酸[57]等對果蔬貯藏期間果實軟化、果膠酶均有積極的影響。

4 總結(jié)與展望

不同保鮮貯藏技術(shù)對果膠酶的作用機理不同。一氧化氮、1-MCP、冰點貯藏及采用殼聚糖形成保護膜均可減少乙烯產(chǎn)生，抑制果膠酶相關(guān)基因的表達，果膠相關(guān)酶活下降，果膠組分的分解減緩，果實的硬度得到維持。采用鈣處理后，鈣可與低酯果膠形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)抵抗PG 降解，對維持細胞壁完整性與穩(wěn)定性有重要作用。有關(guān)不同貯藏條件對果膠酶的研究主要集中酶活及基因表達方面，而不同貯藏條件對果膠酶的結(jié)構(gòu)影響等相關(guān)研究還有待進一步研究探索，為保鮮貯藏技術(shù)對果實硬度的影響提供更完善可靠的理論依據(jù)。