发光二极管(LED)照射调控果蔬采后贮藏保鲜研究进展

詹丽娟，马亚丹，张翠翠

(河南农业大学 食品科学技术学院，河南 郑州，450002)

发光二极管(lighting emitting diode，LED)是一种直接把电转化为光、能够发出可见光和众多单色光质的半导体发光器件[1]。由于其波长类型丰富、光谱范围正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围吻合，并可按照需要组合获得纯正单色光与复合光谱，因此被广泛应用于农作物和园艺作物采前生长发育调控[2]。最近研究发现LED照射处理对园艺作物采后贮藏保鲜有显著的调控作用[3-10]，而且与传统的化学试剂保鲜方法相比，LED照射处理作为一种新兴的物理保鲜方法，具有操作简单、成本低廉、无毒害、无副产物残留、对环境友好等其他保鲜方法无法比拟的优点[3-4]，完全满足现代生产者和消费者对营养、安全和环保型食品的需求。尽管如此，目前国内外对LED照射技术在果蔬采后保鲜中的研究和应用还处于探索阶段，主要集中研究不同光质、光照强度和光照周期对果蔬采后营养品质和生理变化的影响[5-10]，而对LED照射技术的保鲜机制更是知之甚少，尚无一致结论。有关LED照射技术保鲜果蔬的综述文献更少见报道[3，6]，为此，本文首先简要介绍LED特性及可能的保鲜机制，重点综述LED照射技术调控果蔬采后生理生化(色泽、失重率、呼吸强度、相关酶活性)和营养品质(VC、可溶性糖、酚类物质、抗氧化力)变化，并对其可能的调控机制进行分析讨论，最后对当前LED保鲜技术的研究应用中存在的问题进行解析，以期为相关研究者和应用企业提供有价值的参考资料。

1 LED特性和可能的保鲜机制

1.1 LED特性

LED是一种固态的半导体发光器件，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，能够直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光，发光器件是由无毒的材料组成，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源[4-5]。和传统的高压钠灯与荧光灯相比，LED灯具有如下优点：(1)节能高效：LED光电转换效率高，其光能利用率达到了80%～90%，消耗的电量仅是白炽灯的1/8、日光灯的1/2；(2)光质纯，波长类型丰富：可按照需要组合获得纯正单色光与复合光谱，集中特定波长的光均衡地照射作物；(3)产生热量少：LED是新型的冷光源，与相同功率的传统照明光源相比，LED的发热量要低很多，近距离照射果蔬时，不会因为温度过高导致果蔬组织腐烂。(4)绿色环保：LED是由无毒无害的原料组成的光源，不含铅、汞等污染元素，对环境没有任何污染，也能够回收再利用，十分环保[6-7]。

1.2 LED照射调控果蔬采后保鲜的可能机制

当前文献主要研究不同光质、光质配比、照射强度及照射周期对果蔬采后生理生化和品质变化的影响，有关LED照射技术对果蔬采后保鲜的调控机理讨论较少，且无明确的结论。根据现有文献归纳其可能的作用机制是：(1)促进采后果蔬继续进行光合作用：果蔬属于鲜活农产品，采收后的离体果蔬尽管脱离了水分和养分的供给，但在一定时间内仍进行生理代谢。一些绿色果蔬尤其是绿色蔬菜，采收后在适当的光照条件下还能够继续进行光合作用，累积营养物质，从而补充由于呼吸作用消耗的营养，达到保鲜目的[8-9]；(2)减缓/抑制呼吸强度及乙烯释放[10]：LED照射处理降低采后果蔬呼吸强度，从而减少呼吸底物的消耗；同时LED照射处理推迟乙烯释放高峰，延缓因乙烯释放诱导的果蔬衰老和成熟。(3)抑制采后果蔬表面微生物生长[4]：研究表明，LED照射通过光动力学灭活(photodynamic inactivation)和光催化灭活(photocatalytic inactivation)途径对部分食源性致病菌进行抑制和灭活，从而减缓采后果蔬表面微生物繁殖，减轻果蔬组织腐烂，达到保鲜目的(表1)。LED蓝光和近紫外光对细菌作用效果最显著，而红光的作用较小。在400～450 nm波段内，LED在波长峰值为405 nm时对致病菌抑制效果最好(表1)。例如，用波长405 nm，光照强度为21 mW/cm2的LED光照对一些食源性致病微生物处理9 h后，相关致病菌菌落数都有不同程度的下降[11](表1)。

表1 LED照射对食源性致病菌的影响[11]Table 1 Effect of LED irradiation on selected foodborne pathogens in vitro

2 LED照射技术对果蔬采后贮藏生理特性的调控作用

2.1 LED照射对果蔬采后颜色变化的影响

新鲜果蔬富含叶绿素、花青素和类胡萝卜素等，这些色素不仅具有极高的营养价值，还共同构成果蔬特有的诱人色彩，吸引消费者选择和购买。采后果蔬色素的降解往往是其衰老开始的主要标志，如绿色蔬菜在贮藏过程中出现叶片黄化衰老症状主要是由叶绿素降解而导致。研究发现，LED红光、蓝光、白光及其它们复合光照射处理均能显著抑制绿色蔬菜贮藏期间叶绿素降解，延缓其衰老黄化(表2)。和黑暗对照相比，LED红蓝复合光[12]、红绿复合光[12]、白蓝复合光[13]均能够减少西蓝花叶绿素降解，降低其黄化程度。其中，用强度为20 μmol/(m2·s) LED红白复合光连续照射西蓝花，在5℃条件下贮藏42 d后，照射样品中叶绿素含量比黑暗对照高出38%[13]。LED白光和红光单色光均能显著抑制上海青叶绿素降解，但红光作用效果好于白光[7]，相似的结果在西芹[14]和黄瓜[15]研究中也被报道。学者们普遍将这一结果归因于LED照射导致采后果蔬在贮藏初期仍然进行短期的光合作用，合成新的营养物质和色素，从而补充贮藏期间降解的色素，维持原有绿色，其中以波长范围为610～720 nm LED红光，对植物光合作用影响效果最显著，能够促进植物叶绿素形成、碳水化合物积累以及吸收和利用。而在黑暗对照条件下，绿色果蔬采后尽管具有光合作用能力，但由于缺乏光照无法进行光合作用，不能合成新的色素，降解的叶绿素得不到及时补充，从而表现为颜色变浅甚至出现黄化症状。此外，除了对叶绿素代谢有显著的调控作用，LED照射还调控果蔬采后红色素的变化。未成熟的绿色草莓采后用强度为98 μmol/(m2·s)绿光每天照射5 min，在贮藏第6天颜色由绿色变成深红色，该红色素的主要成分为花青素和天竺葵色素苷[16]。同样地，分别用30 lux红光和蓝光连续照射未成熟的樱桃番茄，在4℃贮藏10 d后，红光处理果实普遍开始转色，20 d后果实颜色均鲜艳有光泽；蓝光处理果实10 d后部分果实转色，20 d后果实鲜艳有光泽，而对照果实10 d后仅个别果实转色，20 d后果实表皮出现凹陷和褐色斑点，果肉软化程度严重[17]。然而，DHAKAL和BAEK[18]研究却发现LED蓝光照射显著抑制成熟的绿色西红柿番茄红素的合成，延缓其颜色由绿转红，从而延长其贮藏期。

表2 LED照射对部分蔬菜采后色泽变化的影响Table 2 Effect of LED irradiation on color of selected vegetables during postharvest storage

2.2 LED照射对果蔬采后失重率变化的影响

新鲜度是新鲜果蔬的重要感官品质，也是影响消费者选择和购买的主要因素。鲜重损失率是衡量果蔬采后新鲜度的重要指标。离体果蔬采后代谢活跃，呼吸旺盛，尤其是叶菜类蔬菜叶面积较大，蒸腾作用较强，加之采后缺少水分供给，组织内水分迅速减少，导致鲜重损失率增加，表现为表面萎蔫，新鲜度降低，感官品质下降。研究表明，LED光照对果蔬失重率的影响因果蔬种类不同而有差异(表3)。强度为75 μmol/(m2·s) LED白光连续照射番茄样品12 d后，处理样品失重率是黑暗对照样品的34%[19]；同样光照条件处理黄瓜果实在贮藏第10天，照射处理的黄瓜失重率显著低于黑暗对照[15]。相似地，LED红光处理显著降低上海青[7]和蕹菜[8]采后失重率。然而，LED光照对西芹[14]、芦笋[20]和芫荽[8]采后失重率确无显著性影响(表3)。有关LED照射降低果蔬采后失重率的机制目前尚未见报道。

表3 LED照射对部分蔬菜采后鲜重损失率的影响Table 3 Effect of LED irradiation on fresh weight loss of selected vegetables during postharvest storage

2.3 LED照射对果蔬呼吸强度、乙烯释放量及相关酶活性变化的影响

采后果蔬仍然是鲜活的生命体，继续进行呼吸作用，维持其正常的生命代谢。呼吸作用增强则会使果蔬组织内有机物消耗增加，导致果蔬品质下降，贮藏寿命缩短。果蔬通常在进入成熟和呼吸高峰出现之前乙烯含量开始增加，并且出现一个与呼吸高峰相类似的乙烯高峰。呼吸高峰的增强和乙烯释放高峰的出现促使果蔬迅速成熟衰老。LED照射对果蔬采后呼吸强度和乙烯释放因果蔬种类不同而不同，即使是同一种蔬菜(如西蓝花)，不同光质和光强影响也有差异(表4)。和黑暗对照相比，红蓝复合光极显著抑制西蓝花呼吸作用，红绿复合光显著抑制西蓝花呼吸作用，而它们对乙烯释放量均无显著影响[12]。相比复合光，单色LED红光显著降低西蓝花呼吸强度和乙烯生成速度，推迟呼吸高峰和乙烯释放高峰，而蓝光则无此作用[10]。

多酚氧化酶(Polyphenol oxidase, PPO)和过氧化物酶(Peroxidase, POD)是影响果蔬采后颜色和品质变化的主要酶类，PPO和POD能在氧气参与下氧化底物酚类物质生成黑色素醌类物质，导致果蔬发生酶促褐变和品质下降。文献研究表明LED光照显著影响PPO和POD活性，但因果蔬品种不同而作用相反(表4)。用强度为75 μmol/(m2·s) LED白光连续照射番茄后，处理番茄果实内PPO和POD活性始终显著高于黑暗对照[19]；而相同的光照条件处理黄瓜却推迟黄瓜果实内PPO和POD活性高峰出现[15]。光照处理抑制PPO酶活性与改变其蛋白结构有关，有两种可能的机制：一是光照处理可使酶蛋白中的氨基酸如色氨酸、酪氨酸、组氨酸等受到光氧化后形成激发态自由基；二是光敏色素吸收光子后产生单线态氧，从而氧化破坏酶蛋白结构[21]。

表4 LED照射对部分蔬菜采后呼吸强度，乙烯释放量及相关酶活性变化的影响Table 4 Effect of LED irradiation on respiration rate, ethylene content, and enzyme activity of selected vegetablesduring postharvest storage

3 LED照射对果蔬采后贮藏品质特性的调控作用

3.1 LED照射对果蔬采后VC含量变化的影响

LED复合光和单色光均能显著增加采后果蔬VC含量(表5)。LED红蓝、红绿和白蓝复合光处理西蓝花后，处理样品中VC含量显著高于黑暗对照样品。相似地，LED单色白光和红光都显著增加番茄、黄瓜、蕹菜、芫荽和芦笋组织内VC含量(表5)。研究者推测其可能机制与果蔬在光照条件下通过光合作用增加组织内可溶性糖含量有关(表6)，因为可溶性糖如己糖是VC合成的前体物质[23]。最新研究表明，LED白光处理显著延缓西兰花VC降解发生在转录水平上，该研究发现50 μmol/(m2·s)光照处理在采后第1天和第2天显著上调VC合成相关基因(BO-VTC2，BO-GLDH)和再生基因(BO-MDAR1，BO-MDAR2)的表达[22]。

表5 LED照射对部分果蔬采后VC变化的影响Table 5 Effects of LED irradiation on vitamin C content of selected fruits and vegetables during postharvest storage

3.2 LED照射对果蔬可溶性糖含量的影响

可溶性糖如葡萄糖是植物光合作用的直接产物和呼吸作用的直接底物。LED复合光和单色光照射都对果蔬采后可溶性糖类物质有显著的调控作用(表6)。1 200 lux红蓝复合光每天12 h间断照射西蓝花20 d后，照射样品中总糖和还原糖含量显著高于黑暗对照[9]；强度为30 lux红光和蓝光连续照射能维持樱桃番茄果实内糖类物质含量，减缓糖类物质降低速度[17]；相似的结果在蕹菜和芫荽研究中也被证实，用强度为5 μmol/(m2·s) LED红光连续照射蕹菜和芫荽，20℃贮藏4 d后，蕹菜中还原糖含量显著高于黑暗对照，芫荽中还原糖含量比黑暗对照高出32.69%(表6)。这可能归因于LED照射尤其是红光照射促进采后果蔬继续进行光合作用，合成糖类物质，补充由于呼吸作用消耗的可溶性糖，表现为照射样品中的糖含量上升或维持；而黑暗对照样品由于不能进行光合作用，呼吸作用消耗的糖类得不到补充，表现为可溶性糖含量下降。

表6 LED照射对部分蔬菜采后可溶性糖变化的影响Table 6 Effects of LED irradiation on soluble sugar content of selected vegetables during postharvest storage

3.3 LED照射对果蔬抗氧化物质的影响

酚类物质被认为是果蔬抗氧化力性主要来源，也是当前果蔬中研究较多的营养成分。研究发现LED照射(385、470、525、630 nm)处理显著增加草莓总酚和花色苷含量，在贮藏第4天，光照处理果实中总酚和花色苷含量分别为172.75 mg/100g和12.48 mg/100g，而对照果实只有151 mg/100g和9.89 mg/100g[16]。波长为470 nm LED光照处理杨梅8 d后，其花色苷含量是黑暗对照的1.8倍，进一步研究发现，LED光照上调花色苷合成相关基因MrCHI、MrF3H、MrF3’H、MrDFR1、MrDFR2和MrANS的表达[24]。类似的结果在荞麦幼苗中得到证实，THWE等[25]研究发现50 μmol/(m2·s) LED光照显著调控荞麦幼苗多酚合成基因(FtPAL、FtF3’H、FtC4H、FtCHI、FtFLS-2和FtANS)转录，导致其芦丁含量在处理4 d后显著增加，矢车菊云苷和儿茶酚含量在处理后10 d内显著增加。LED光照对果蔬采后抗氧化能力的影响因果蔬品种不同而不同，刘然然等[26]用50～112 lux绿光照射果蔬后发现，绿光能提高青椒自由基DPPH清除能力，却降低西蓝花DPPH清除能力，但对芦笋DPPH清除能力无显著影响。

4 LED照射在果蔬采后保鲜应用中存在问题

LED照射技术作为当前新兴的安全绿色保鲜方法具有独特的优势，其在果蔬保鲜中的应用得到广泛研究和关注。尽管如此，其研究和应用存在以下几点问题：(1)保鲜机理不明：目前文献关于LED照射技术保鲜果蔬的基础理论研究相对较少，研究不深入，现有的文献仅报道LED照射技术对果蔬采后生理和品质特性的影响，而对其诱导这些变化的调控机制尚无深入探讨；(2)缺乏LED贮运设施装备：目前LED照射处理装置仅限实验室研究，其装置都是研究者根据需要定制或自制，设备参数无统一标准，在贮运销售终端如冷库、超市货架和冰箱设备中未见植入LED装置，从而限制LED照射技术在实际蔬菜保鲜中的推广应用。(3)LED照射技术需和其他保鲜方式结合：尽管研究表明LED照射处理对果蔬采后保鲜具有积极的调控作用，但单独使用LED照射处理对果蔬采后保鲜效果并不十分理想，因为新鲜果蔬采后衰老过程受多个因素影响，如贮藏环境的温度、湿度、气体成分等，因此研究LED照射处理需结合其他保鲜措施如低温冷藏[27-29]、气调包装和保鲜剂[30]等。