天然保鲜剂在采后浆果保鲜中应用的研究进展

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(1.大连民族大学生命科学学院,辽宁大连 116600； 2.生物技术与资源利用教育部重点实验室,辽宁大连 116600)

浆果是由子房或联合其他花器发育成的柔软多汁的肉质果,通常形小皮薄,可能有很多种子,如葡萄、蓝莓、番茄、猕猴桃、龙眼与荔枝等。其果皮薄,果肉水分含量高,采后即失去果树的养分供应,若未经保鲜处理,短期内会迅速衰老变质。同时,浆果在采摘和贮运过程中,易受机械损伤与微生物侵染,导致腐败变质,造成经济损失。相关数据显示,我国果蔬流通腐损率高达20%～30%,每年损失1000多亿元[1]。其中,植物病原真菌引起的采后腐烂是导致浆果类产品经济损失的重要因素之一[2]。浆果中最常见的病原真菌有黑曲霉(Aspergillusniger)、灰霉(Botryiscinerea)、刺盘孢(Colletotrichumacutatum)等,通常会引起黑曲霉病、灰霉病、炭疽病等诸多侵染性病害。此外,浆果采后还易遭受冷害等生理性病害。因此,在贮藏过程中如何选择适宜的保鲜技术,延缓浆果采后的自身“衰老”与防止微生物侵染就成为一个重要问题。

目前浆果类保鲜方法主要有低温贮藏、气调包装、化学保鲜剂保鲜、天然保鲜剂保鲜等。低温贮藏保鲜简单有效,但是设备造价高;气调包装模型复杂;而化学保鲜剂会有有害残留,易造成二次污染。近年来新兴的天然保鲜剂来源广泛,价格低廉,安全绿色,在各保鲜方法中优势明显,已成为人们关注的焦点。本文通过对天然保鲜剂在浆果类产品贮藏保鲜中的研究现状进行分类综述,并对其防腐保鲜机理及应用实例予以论述,以期为天然保鲜剂在浆果保鲜的研发和应用提供理论参考。

1 天然保鲜剂对浆果保鲜的作用机理

天然保鲜剂作用机理可大致归纳为几个方面:一是损伤病原菌的细胞器,如改变病原菌细胞膜流动性和透过性,或是直接使其溶破,细胞质流出,从而使其死亡;二是阻碍遗传物质的翻译表达,抑制病原菌繁殖;三是影响病原菌中各种酶的活性,扰乱其正常的生理活动;四是与病原菌竞争营养物质和空间,限制其生长繁殖[3-6]。

2 天然保鲜剂在浆果保鲜中的应用

2.1 动物源

动物源天然保鲜剂是从动物体内提取的天然抗菌活性成分,具有安全无毒、抗菌性强、抑菌谱广、水溶性强等优点[7]。常见的动物源保鲜剂有壳聚糖、鱼精蛋白、抗菌肽、溶菌酶、蜂胶等，用于浆果保鲜的主要是壳聚糖和蜂胶。

2.1.1 壳聚糖 壳聚糖来源于甲壳类动物的外骨骼,是甲壳素脱乙酰化得到天然无毒的生物聚合物,可生物降解、具有生物相容性[8],是生物界中唯一大量存在的天然碱性多糖。壳聚糖对植物病原菌具有抗性,加之其成膜性和激发植物防御机制的能力,适用于果蔬的涂膜保鲜[9]。相关研究显示,壳聚糖可能是通过对菌体表面带负电荷残基的干扰作用影响细胞膜的通透性,导致细胞内电解质和蛋白质成分的泄漏,从而影响病原菌生长和存活[4]。近年来,已有部分国内外研究学者将壳聚糖用于浆果保鲜中。

其中,Carlos等[10]从小克银汉线虫(Cunninghamellaelegans)中提取壳聚糖用于美洲葡萄(VitislabruscaL.)的涂膜保鲜,发现壳聚糖对采后葡萄的病原菌有抑制作用,能分别使葡萄灰霉与扩展青霉的抑制率从65.2%、68.6%升至94.6%、96.7%,能使葡萄的亮度增加,同时还可降低低温或是室温贮藏葡萄的失重率。Adel与 Mohamed[11]也证实了用1%～2%的壳聚糖溶液处理采后葡萄(El-Bayadi),经30 d冷藏后,处理组样品的过氧化物酶(Peroxidase)活性较初始值升高,均高于对照组,且浓度越大活性越高;壳聚糖处理组样品抗氧化能力增强,能有效减缓其腐败,保持较好硬度与感官品质,能使货架期延长2 d。Liu[12]研究发现壳聚糖处理能有效抑制番茄果实的青霉和灰霉生长,使其抗氧化物含量增加,抗氧化相关酶活性升高。此外,壳聚糖用于樱桃番茄[13]、草莓[14]均取得较好的保鲜效果。

2.1.2 蜂胶 蜂胶是蜜蜂将采集的树脂混入其分泌物加工而成的一种具有芳香气味的天然化合物,其成分有酯类、糖类、二萜酸和五环三萜类化合物等。一方面,蜂胶对各种细菌、真菌、病菌和病原虫都有抑制和杀灭作用;另一方面,蜂胶良好的成膜性可阻止果蔬内外气体交换、抑制呼吸、降低新陈代谢、减少表面水分蒸发,进而减少营养物质消耗和品质下降[15]。

Pastor等[16]使用含有蜂胶提取物的羟丙基甲基纤维素(hydroxypropyl methylcellulose)溶液对葡萄涂膜处理,得出处理葡萄的微生物安全性更佳,且不会对光泽、气味、硬度与风味等理化特性产生影响。在室温条件下,用2%蜂胶乙醇提取物对草莓涂膜,可显著降低草莓果实的呼吸强度、失重率与腐烂率,有效保持其硬度,维持产品的原有品质,延缓果实的成熟衰老[17]。

2.2 植物源

植物源天然保鲜剂安全、健康,符合绿色生活的理念。植物源天然保鲜剂种类繁多,如多糖类、多酚类、萜类、甙类和苯丙素类等,并且来源广泛，在采后浆果保鲜中应用较多的有植物精油、异硫氰酸烯丙酯、芦荟凝胶、茶多酚等。

2.2.1 植物精油 精油是从植物的花、叶、茎、根或果实中提炼萃取的挥发性芳香物质。精油主要活性成分为肉桂醛、柠檬醛、丁香酚、柠檬烯与麝香草酚等,是经美国FDA认证的一般公认安全食品添加剂[18]。很多精油具有杀虫、抗菌、抗氧化和抗癌作用,可用于食品行业[19]。精油挥发的次生代谢产物可增强植物对病原微生物的防御能力,还可直接作用于植物病原菌[20]。精油对微生物的作用方式主要有两种,一是对细胞壁和细胞膜造成不可逆损伤,导致蛋白质和DNA、RNA的渗漏[3];二是抑制菌丝生长、孢子萌发和芽管伸长[5]。

何靖柳等[21]通过体外实验发现,肉桂精油能有效抑制从 “红阳”猕猴桃中分离出的尖孢炭疽菌(Colletorichumacutatum)与葡萄座腔菌(Botryosphaeriaparva)的生长,使“红阳”猕猴桃果实的呼吸速率降低、呼吸消耗减少,果实硬度下降,腐烂与失重均得到有效抑制。吕明珠等[22]发现肉桂精油保鲜液可有效抑制红提葡萄表面致病菌的生长,在63 d贮藏期内,处理组的烂果率均低于对照组;同时还能维持红提葡萄的含水量,降低质量损失和呼吸强度,从而提高葡萄品质。丁香精油可有效抑制樱桃番茄上根霉、灰霉的生长,降低果实的腐烂率,达到良好的防腐保鲜效果[23]。

2.2.2 异硫氰酸烯丙酯(allyl isothiocyanate,AITC) 异硫氰酸烯丙酯广泛存在于山葵、叶芥菜、辣根等植物中[24],杀菌作用强且广谱,并食用安全。研究发现低浓度的AITC即可显著抑制食源性微生物的生长,且真菌比细菌对AITC更为敏感[25]。用AITC熏蒸 “Tecla” 和 “Monterey”草莓,使采后草莓灰霉病发病率降低45%以上[26],且处理组和对照组果实的总酚含量、抗氧化能力无显著性差异,从而表明AITC处理对果实的营养品质无不良影响。AITC处理能降低接种链格孢、青霉和毛霉造成的桑葚腐烂率,还可以显著抑制桑葚的呼吸作用,保持果实硬度,延缓果实品质下降[27]。Chen等[28]也进一步证实,AITC可以减缓采后桑葚果实的代谢速率,提高果实品质,延长贮藏时间。

2.2.3 芦荟凝胶 芦荟凝胶是从芦荟(Aloevera)叶中提取的具有生物活性和抗菌活性的凝胶，其具有复杂的化学成分,主要是多糖和可溶性糖类,其次是蛋白质,蛋白质中很多是酶,其成分还有氨基酸、维生素和蒽醌[29]。同样,芦荟凝胶可作为可食性涂膜用于果蔬保鲜,但是目前的研究还相对较少。王静等[30]用0.05%～0.5%的芦荟提取液处理 “丰香”草莓,发现处理组草莓的腐烂率与失重率有所降低,营养物质下降速率减缓;此外,低浓度芦荟提取液的处理效果更好。也有研究表明,芦荟凝胶对葡萄[31]的采后主要病原菌有抑制作用。

2.2.4 茶多酚 茶多酚组成复杂、分子量及结构差异很大,是多酚类及其衍生物的混合物,主要由儿茶素、黄酮醇、花色素、酚酸与缩酚酸等组成。茶多酚是从茶叶中提取的全天然抗氧化物质,具有抗氧化能力强、抗癌、抗炎、抗辐射,无毒副作用、无异味等特点。茶多酚可通过破坏细胞膜、抑制酶的作用、影响蛋白质表达、与微生物必需的金属离子络合等方式抑制微生物的生长繁殖[6]，将其溶液喷洒在果蔬表面,有抑菌保鲜的作用。

李军[32]用茶多酚处理葡萄,40 d室温贮藏后发现,葡萄处理组果实果皮状态较好,仍有光泽,果实硬度基本正常;而对照组果皮失去光泽,出现严重的褶皱,果实变软塌缩。对比处理与对照组VC含量可知茶多酚能明显抑制葡萄贮藏过程中的VC氧化。

2.3 微生物源

微生物拮抗保鲜简单来说即以菌治菌,是通过拮抗或竞争作用抑制有害微生物。除拮抗菌体本身之外,有些微生物能产生细菌素、有机酸等有抗菌活性的代谢产物[33],抑制或杀灭有害微生物,减少微生物的腐败;而有些微生物能分泌具有成膜性的多糖物质,在果蔬表面形成微气调环境,降低果蔬呼吸作用和水分蒸发,进而达到减缓衰老和保鲜的效果[34]。

2.3.1 乳酸链球菌素(Nisin) 乳酸链球菌素是乳酸乳球菌乳酸亚种(Lactococcuslactis subsp. Lactis)合成分泌的细菌素[35],是一种安全的微生物防腐剂。其主要通过损伤细胞壁、改变细胞通透性、改变核酸分子结构、抑制酶的作用、抑制代谢过程、抑制核酸合成等过程抑制、杀死靶细胞[36]。

在冰温贮藏条件下,吴汶飞等[37]测定了Nisin和溶菌酶两种生物保鲜剂不同浓度及组合对鲜切荔枝果肉影响,结果得出,0. 05%-Nisin与溶菌酶浸渍预处理可显著降低贮藏期间菌落总数、霉菌和酵母的增加幅度,Nisin对细菌的抑制效果优于溶菌酶,而溶菌酶对霉菌和酵母菌的抑制效果优于Nisin,且对果肉有一定的护色作用。两种保鲜剂复配处理优于单独处理。

2.3.2 拮抗酵母 近年来,针对水果采后病害控制,以酵母为基础的生物防治产品发展迅速[38]。酵母菌适合用于微生物拮抗,主要有以下原因:培养基廉价,生长迅速,容易大量生产;对营养物质要求简单,对极端环境条件的耐受性强;不产生致敏孢子或毒素,食用安全。此外,酵母是唯一适应水果微环境(高糖、高渗透压和低pH)的微生物拮抗菌。通常认为酵母主要通过竞争到的营养物质和空间抑制病原体,因为它们能更有效地使用资源。

将梅奇酵母(Metschnikowiafructicola)用于处理采后草莓,可显著降低草莓果实腐烂率,高浓度处理组的效果较好。相比之下,梅奇酵母的处理效果好于水处理和化学剂处理。由于生物防治剂可在草莓表面繁殖,抵抗致腐微生物的侵染和扩张,这也是其可在草莓贮存期取得较好防腐保鲜效果的主因[39]。

Tang等[40]研究发现,拮抗酵母Candidadiversa与harpin蛋白质单独使用均可显著降低人工接种时猕猴桃的灰霉(B.cinerea)与青霉(P.expansum)感染,还可降低自然感染率,两者结合效果更优。同时,Candidadiversa和harpin单独或组合处理也会诱导猕猴桃防御反应酶的活性升高,如多酚氧化酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶。因此,Candidadiversa和harpin用于控制猕猴桃采后腐烂极具潜力。

2.4 复配保鲜剂

由上可知,不同来源的保鲜剂单独使用时均有一定的保鲜效果,然而也存在一些问题。如单一成分的保鲜剂易使病原菌产生抗性,或是某一种保鲜剂的抗菌谱窄,效果有限;又如精油,气味浓郁,浓度太低抑菌效果不好,浓度过高又可能对产品产生危害。因此,许多研究尝试复配保鲜。

Jorge[41]等用壳聚糖-芦荟(Aloevera)涂层处理采后蓝莓(Vacciniumcorymbosum),5 ℃贮藏。结果发现,未涂层蓝莓2 d后出现霉菌污染,而涂层蓝莓9 d后出现霉菌污染;15 d后涂层和未涂层蓝莓的质量损失分别为3.7%和6.2%;25 d后涂层蓝莓的微生物生长和失重率较未涂层分别降低了50%和42%。整体来说,复合涂层使蓝莓货架期延长了5 d。壳聚糖和大蒜素复合涂膜处理可有效抑制葡萄的呼吸强度,控制失重率和腐烂率,且提高果实耐压力,延长货架期[42]。Kumari等[43]还研究了壳聚糖和水杨酸结合处理荔枝果实，结果发现处理组样品的采后病害侵染率得到降低,延缓了荔枝的腐烂,保持果实品质和营养成分。2.0%茶多酚与1.5%壳聚糖复合涂膜处理草莓,能明显降低草莓的失重率、腐烂指数、呼吸强度,保持较好的感官品质[44]。用不同浓度溶菌酶、壳聚糖和氯化钙复配保鲜液对草莓进行保鲜处理,能有效延长草莓的货架期,较好的保持其感官品质和营养价值[45]。

Aloevera芦荟凝胶结合抗坏血酸涂膜处理草莓,与对照果实相比,处理可以延缓失重、硬度下降,维持维生素C、花青素等营养物质含量以及抗氧化能力,延长草莓果实货架期,并且涂膜降低了好氧嗜温菌、酵母和霉菌数[46]。

3 展望

目前天然保鲜剂已有多种专利产品,并在实践中得到应用,但仍存在诸多问题。例如,一些天然化合物,如精油等具有较大活性,往往会对果蔬产生负面影响的味道和气味,甚至可能导致药害,可以寻找适当的吸附剂,以减弱或去除精油的气味。此外,虽然某些天然保鲜剂的体外研究具有很好的效果,但是应用于果蔬可能影响其生理代谢,而不能达到预期效果,可能需要一个合适的载体或介质来解决。与动物源和植物源相保鲜剂相比,微生物源保鲜剂具有生长周期短、易培养、不受季节限制、易贮运等诸多优点;但同时,微生物及其代谢产物易随周围环境的变化而变化,因此,其稳定性和纯度便会受到影响。将不同保鲜方法或不同来源的保鲜剂复配通常能取得更优的效果,而复配对产品的影响具有复杂性和风险性,因而其研究应用难度也更大。为解决上述问题,一方面,需要提高天然保鲜剂的纯度,减少杂质成分对产品及对协同保鲜剂的影响;另一方面,对拮抗菌等生命活体,提高其抗性及耐受性,以适应复杂环境。

天然保鲜剂因其优异特点已被广泛接受并为国内外研究者看好。虽然天然保鲜剂的机理、研究、应用还不够成熟,但是随着安全、健康、环保的理念深入人心,天然保鲜剂前景光明。这激励着人们积极探索,破解难题,而这不仅需要相关研究者的通力合作,也需要来自企业的联合合作、社会上的支持。

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