竹材次生代谢产物在果蔬采后病害控制与保鲜中的作用研究进展

刘晓云，徐勇，田世平,3，陈彤,3*

（1.中国科学院植物研究所，北方资源植物重点实验室，北京100093；2.中国科学院大学，北京100049；3.农业农村部果品采后处理重点实验室，北京100049）

1 竹类资源的应用现状

竹是多年生常绿禾草类植物，属禾本科（Poaceae）竹亚科（Bambusoideae），作为重要的森林资源广泛分布于热带、亚热带、暖温带地区。我国是世界上最主要的竹材生产国，竹林面积达到720万hm2，约占世界竹类资源总量的30%，其种类、面积、产量均居世界之首[1]。在森林资源日益减少、木材稀缺的今天，竹类资源正发挥着越来越重要的作用。竹叶具有清热解毒、利尿及止血的功效；竹实可益气轻身，有助于消化；竹茹主治温气寒热等症；竹笋可鲜食或加工，作为药膳资源在我国有着悠久的应用历史；竹材广泛用于建筑、造纸和制造业等。然而，竹材利用后的下脚料和碎屑等废弃物占整株生物量的60%以上，往往被丢弃、掩埋或焚烧，不仅造成环境污染，也是对竹类资源的极大浪费[2-3]。因此，开发和利用竹类资源至关重要，而提高竹材的利用率，特别是对其次生代谢物质的功能挖掘和利用，已经成为迫切需要解决的问题。

2 竹材次生代谢产物的种类

近年来，大量研究发现，新鲜竹材中含有丰富的次生代谢产物，包括黄酮类、酚酸类、多糖、氨基酸、肽类、挥发性物质等多种活性成分[4-5]，其中黄酮类[6]、酚酸类[7-9]和多糖[10]物质含量较高，这些次生代谢产物为植物源活性成分的提取、功能分析和应用提供了重要资源。目前，常用的竹材次生代谢产物提取方法为乙醇冷浸提取法，而分离方法主要包括大孔树脂柱分离、葡聚糖凝胶柱分离、高效液相色谱分离，其结构鉴定主要依靠核磁共振、氢谱、碳谱、不失真极化转移增强法、质子检测远程1H-13C异核相关谱、质子检测异核单量子相干谱等[11]。由于篇幅限制和研究侧重，本文未对竹材次生代谢产物分离提取方法进行深入介绍。

2.1 黄酮类化合物

黄酮类化合物是一大类天然产物，是许多药用植物中的有效成分。研究显示，黄酮具有优良的抗自由基、抗氧化[12]、抗菌等生物学功效[13]。研究人员利用紫外光谱、核磁共振等方法对麻竹（Dendrocalamus latiflorus）竹叶中的黄酮类化合物进行了结构鉴定，发现其中4 种主要黄酮成分为牡荆苷[14-15]、芦丁、山萘酚-3-O-β-D-芸香糖苷、山萘酚-3-O-β-D-葡萄糖基（1-2)-α-L-鼠李糖苷[16-17]。而在越南巨竹（D.yunnanicus）竹叶中分离和鉴定到的黄酮组分为牡荆苷、3’4’，7-三羟基黄酮、木犀草素、芹菜黄素7-O-糖苷及含有4’-OH 黄酮类结构的一种新组分，并且研究发现竹叶总黄酮含量为2.32%[18]。QIU 等采用50%乙醇对唐竹（Sinobambusa tootsik）竹叶进行提取，经H103 大孔树脂吸附和解吸后进行高效液相色谱法（high performance liquid chromatography,HPLC）和超高效液相色谱-光电二极管阵列检测-串联四级杆-飞行时间质谱（ultra performance liquid chromatographyphotodiode-array detector-quadrupole time-of-flighttandem mass spectrometry,UPLC-DAD-QTOF-MS）分析发现，提取物中含有高浓度的木犀草素、芹菜素及其糖基化衍生物[19]。SUN等采用乙醇-匀浆萃取法对毛竹（Phyllostachys pubescens）竹叶中的总黄酮进行了提取，并借助高效液相色谱法定量测定了黄酮类化合物的含量，结果发现，竹叶黄酮提取物中主要含有荭草苷、异荭草苷、牡荆素与异牡荆素4种黄酮类化合物[20]。由此可见，尽管竹材中富含黄酮类化合物，但不同品种竹材及同种竹材的不同部位，其黄酮的种类和含量差异显著[21-22]。

2.2 酚酸类化合物

酚酸类物质，特别是羟基肉桂酸类酚酸，是植物细胞壁合成木质素的前体，广泛分布于禾本科植物的细胞壁中。作为具有多种生物活性的次生代谢产物，此类物质在控制细胞壁完整性、维持细胞形态、抵御病原菌入侵方面具有显著作用[23-24]。

竹中含有多种酚酸类化合物，主要包括对香豆酸、没食子酸、阿魏酸、肉桂酸、咖啡酸、绿原酸和茶多酚类化合物等。黄曹兴等采用2步中度碱水解和2 步酸水解法，定量分析了P.pubescens 竹青与竹黄细胞壁中阿魏酸和对香豆酸的含量，结果表明：竹青细胞壁中阿魏酸和对香豆酸含量分别为3.08%和5.91%，而竹黄细胞壁中阿魏酸和对香豆酸含量分别为3.11%和5.51%[25]。蒋乃翔等采用三氯化铁-铁氰化钾比色法，分别测定了1、3、5、7 年生4 个不同竹龄的P.pubescens 细胞壁总酚酸含量，结果显示：不同竹龄的P.pubescens细胞壁中均含有没食子酸、阿魏酸、肉桂酸和咖啡酸，且4种酚酸类物质的总含量以及没食子酸、阿魏酸和咖啡酸的含量随竹龄增长而增加[26]。VAN NGUYEN 等发现，山白竹（Sasa albo-marginata）提取物的酸类和酚类组分均表现出较强的抗菌活性，并且通过气相色谱-质谱联用法（gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS）分析共鉴定到30 种酸类和酚类化合物，主要包括乙酸、丙酸、水杨酸、3-羟基苯甲酸、邻茴香酸、愈创木酚、4-乙基苯酚和4-乙烯基苯酚等，这些成分在抗菌活性的形成中起着重要作用[27]。此外，时海燕等发现，淡竹（Lophatherum gracile）竹叶中含有较高浓度的绿原酸，同时还建立了高效分离和测定L.gracile竹叶中绿原酸含量的方法[28]。

2.3 多糖

多糖广泛存在于自然界的植物中，同样是多种植物源药物中的有效成分。竹材中的多糖具有多种生物活性，但多糖成分和含量因竹品种不同而存在差异。其中，阿拉伯糖、木糖、葡萄糖、半乳糖是构成竹材中多糖的主要成分。研究人员通过乙酰化衍生法和气相色谱法分析发现，P.pubescens竹叶中的多糖主要由鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖组成[29-30]。

2.4 其他小分子物质

竹材中还含有较多的氨基酸、肽类、挥发性物质等小分子化合物。氨基酸总量因竹材品种、竹龄和产地不同而存在显著差异。其中，含量相对较高的2 种氨基酸为天冬氨酸和谷氨酸。在相同品种中，竹沥中的氨基酸含量明显高于竹叶及竹枝[31]。研究发现，桂竹（P.bambusoides）和P.pubescens 竹叶中δ-羟基赖氨酸的含量分别占氨基酸总量的1.33%和1.40%。此外，路波等[32]采用酸水解法分离出苦竹（Pleioblastus amarus）竹叶中17 种常见的氨基酸，其中谷氨酸含量最高，约占氨基酸总量的13.56%。刘冰等从秦岭大熊猫主食竹中检测到7种人体必需氨基酸，约占氨基酸总量的42.32%[33]。此外，竹材中挥发性物质的含量和组成同样因品种而异，醇、酮、醛、酚、羧酸及呋喃等化合物为竹叶中主要的挥发性物质。研究发现，竹叶挥发油中的主要化学成分为3-甲基-2-丁醇，其他成分包括4-乙烯基-2-甲氧基-苯酚、己-2-烯醛、橙花叔醇、植物醇、苯乙醛、天竺葵醛、植酮、二氢猕猴桃内酯和异植物醇等[34]。JIN等采用水蒸气蒸馏法提取P.pubescens中的挥发性油类组分，并采用GC-MS进行鉴定，发现其中含有较多的顺-3-己醇，精油中醇类化合物的相对含量为39.8%～46.64%[35]。

3 竹材次生代谢产物在果蔬采后病害控制与保鲜中的作用

新鲜果蔬是人类膳食结构的重要组分，为人类提供丰富的营养[36]。我国果蔬种植面积和产量均居世界第一，然而由于衰老、病原菌侵染和采后处理措施不当造成的采后品质劣变和腐烂损失仍然非常严重[37-39]。此外，鲜切果蔬含水量高，且为弱酸性，极易受到大肠埃希菌（Escherichia coli）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等病原菌侵染。竹材中含有丰富的黄酮、酚酸等多种次生代谢产物，可以作为有效的生物保鲜资源用于果蔬保鲜[23,40]。

竹材提取物对果蔬生产、销售各个环节中的主要病原菌均表现出较好的抑制效果。大量研究表明，竹叶提取物对链格孢菌（Alternaria alternata）、灰霉菌（Botrytis cinerea）、青霉菌（Penicillium spp.）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）[41]、番茄青枯菌（Ralstonia solanacearum）、苹果腐烂菌（Valsa mali Miyabe et Yamada）、苹果炭疽菌（Colletotrichum gloeosporioides）[42]的生长均具有一定的抑制效果[43]。操海群等评价了P.pubescens提取物对C.gloeosporioides 生长的影响，发现其乙酸乙酯提取物对C.gloeosporioides 的抑制率可达89.23%，进一步通过硅胶柱层析结合GC-MS 分析显示，其中的酚类化合物为主要的活性抑菌成分[44]。MORI等研究发现，毛竹（P.heterocycla f.pubescens）竹叶提取物对造成猕猴桃溃疡病的丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae pv.actinidiae biovar 3）具有显著的抑制效果；与乙醇提取物相比，热蒸汽提取物对P.syringae pv.actinidiae biovar 3、B.cinerea 等病原菌的生长表现出更好的抑制效果，并且这种抑制作用在很大程度上依赖于提取终产物的pH[45]。LIN 等在以毛竹（P.heterocycla）为材料制备竹醋的过程中发现，制备的气体组分能够快速、显著地抑制黑曲霉（Aspergillus niger）、毛霉（Mucor sp.）和青霉（Penicillum sp.）的生长[46]。P.pubescens的乙醇提取物对 C.gioeosporioides、辣椒疫霉病菌（Phytophthora capsici）的菌丝生长抑制率分别为75.12%和60.66%，而对苹果轮纹病菌（Physalospora piricola Nose）、梨黑心病菌（Fusicladium plrinum）和B.cinerea的菌丝抑制率均小于50%；进一步的薄层分析显示，反式对羟基肉桂酸为上述毛竹提取物中重要的抑菌活性成分[47]。李惠珍等以浓度为2%～3%的竹叶提取液处理福橘（Citrus auranitium）和青香蕉苹果（Malus pumila Mill.）发现，与对照组相比，竹叶提取液能够明显延长果实贮藏时间，减轻重量损失，降低自然腐烂率，较好地保持果实品质；此外，竹叶提取液还能够有效防止苹果汁、麦芽汁、马铃薯汁和橘子汁变质[48]。

3.1 黄酮类化合物在果蔬采后病害控制与保鲜中的作用

竹叶黄酮具有较强的抑菌作用，能有效抑制造成鲜切果蔬产品污染的E.coli、S.aureus、B.subtilis等病原菌生长[49]。杨洋等发现，木犀草素能够抑制S.aureus和B.subtilis的生长，并且抑制作用表现出显著的剂量依赖效应，比相同浓度的山梨酸和亚硝酸钠抑菌活性更强[50]。檀星等利用平板计数法和抑菌圈法分析了油竹（Bambusa surrecta）笋干黄酮对S.aureus、B.subtilis、Rhizopus spp.、Mucor spp.生长的影响，发现酸性环境能够显著提高上述黄酮组分的抑菌效果[51]；而25 mg/mL 竹叶黄酮能够抑制A.niger的生长[52]。王敏等研究表明：富含黄酮类物质的竹叶提取物能够有效降低苹果在储藏期间的失重率，延缓果实褐变，同时减缓抗坏血酸和可滴定酸含量的变化；当竹叶提取物质量浓度达到0.5 mg/mL时，其对果实的保鲜效果最佳[53]。木犀草素及其衍生物对细胞氧化胁迫环境的缓解可能与超氧化物歧化酶（superoxide diamutase,SOD）和过氧化物酶（peroxidase,POD）的活性或者线粒体膜的完整性有关[54]。鉴于其显著的抑菌和抗氧化作用，木犀草素具有很好的应用前景。

3.2 酚酸类化合物在果蔬采后病害控制与保鲜中的作用

对许多化合物结构分析表明，大部分具有自由基清除作用的类黄酮均为天然酚类物质[43,55]。花毛竹（P.edulis）竹叶在70%乙醇提取物中的主要成分为绿原酸及其衍生物[55]。林学政等[56]详细研究了绿原酸对立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）、茄链格孢菌（Alternaria solani）、葫芦刺盘孢（Colletotrichum lagenarium）、尖孢镰孢菌（Fusarium oxysporum）、大丽轮枝菌（Verticillium dahliae）、B.cinerea 等病原真菌孢子萌发的影响，并检测了其对黄瓜枯萎病和辣椒疫病的防治效果，发现绿原酸能有效抑制上述病原真菌在体外条件下的孢子萌发，造成P.capsici和C.lagenarium 的孢子萌发明显异常，而其只有在较高浓度时才能延长B.cinerea孢子的萌发时间；盆栽防治和大棚试验表明，绿原酸能有效控制辣椒疫病和黄瓜枯萎病的发生。并且，绿原酸对E.coli、S.aureus、B.subtilis也具有一定的抑制作用[57]。此外，竹叶含有较高浓度的对香豆酸等酚酸类物质[58-59]，这些物质通过苯丙烷代谢途径调节木质素、水杨酸、儿茶素、芪类等物质的合成，并且进一步影响细胞花青素、黄酮等物质的形成和积累[60-61]（图1）。YUAN等研究发现，对香豆酸及其衍生物对香豆酸甲酯可以诱导冬枣（Ziziphus jujuba Mill.）果实苯丙烷代谢途径的激活和防御反应，从而有效控制由A.alternata引起的黑斑病[62]。

茶多酚是主要从毛竹、茶叶等材料中分离得到的多酚类化合物。王文渊等利用超声辅助提取技术，从竹叶中提取了4种主要茶多酚组分，分别为表没食子儿茶素没食子酸酯、表没食子儿茶素、表儿茶素没食子酸酯和表儿茶素，上述成分的自由基清除能力随着温度的升高而增强[63]。此外，茶多酚对多种造成果蔬病害的细菌[64]和真菌[65-66]的生长表现出不同程度的抑制作用，包括香蕉炭疽病菌（Colletotrichum musae）、F.oxysporum、核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）和B.cinerea 等真菌[67]，并且能够通过减缓果蔬采后的生理活性，推迟果蔬的后熟期[68-70]。汪金莲等研究发现，茶多酚以剂量依赖的方式抑制C.musae 和F.oxysporum 等植物病原真菌生长，其抑制作用主要是通过破坏病原菌细胞膜结构和抑制菌体过氧化氢酶（catalase,CAT）和过氧化物酶（POD）的酶活，从而降低细胞活力和多种酶系统的缓冲保护能力[66]。另外，茶多酚能够阻断色素氧化途径，保持天然色素（如胡萝卜素、叶绿素、红花黄、维生素B2和胭脂红等）的稳定，从而对果蔬及其加工制品的颜色保持具有显著效果[71-72]。

3.3 多糖在果蔬采后病害控制与保鲜中的作用

ZHANG 等[73]采用超声辅助提取法提取方竹（Chimonobambusa quadrangularis）笋 多 糖（C.quadrangularis polysaccharides,CPS），通过乙醇沉淀得到3 种多糖组分CPS70、CPS75、CPS80，其中CPS75具有较高的自由基清除能力；据此，作者提出75%的乙醇适于从竹笋加工副产品中沉淀多糖，并可应用于果蔬及加工制品的保鲜。CHEN等通过超声辅助提取（ultrasonic-assisted extraction,UAE）和凝胶排阻层析法纯化C.quadrangularis 竹笋粗多糖，最高产率为8.76%[74]，而采用冻干工艺获得的CPS具有更高的抗氧化胁迫和自由基清除能力。相关分析表明，糖醛酸含量和相对分子质量、葡萄糖含量可能与冻干CPS的上述活性密切相关[75]。上述结果明确了从毛竹中提取多糖的可能性，并且为果蔬采后贮运销环节中减轻氧化胁迫的措施提供了参考[76]。XIAO 等[77]从毛竹（P.pubescens Mazel）叶中分离得到一种水溶性的中性多糖（water-soluble neutral polysaccharides,NPs），得率为原材料质量的10.2%，且NPs 表现出较强的抗氧化活性，呈剂量依赖性，当其质量浓度分别为4.0 和3.0 mg/mL 时，对1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）和2，2-联氮-二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二铵盐（ABTS）游离自由基清除率可达到85.9%和99.78%；此外，0.5～50.0 mg/mL 的NPs 对E.coli、S.aureus、B.subtilis 均表现出明显的生长抑制作用。上述多糖组分可以用于制备植物胶类可食膜，作为多糖涂膜减少水分散失，抑制病原菌侵染，从而广泛用于鲜切果蔬保鲜[78-79]。

3.4 其他小分子物质在果蔬采后病害控制与保鲜中的作用

LI 等对撑绿杂交竹（Bambusa pervariabilis×Dendrocala-mopsis grandis）进行了代谢物和代谢途径分析，发现脯氨酸、谷氨酸、精氨酸与该品种的高抗病性有关，但其作用机制还不清楚[80]。此外，新鲜麻竹（D.latiflora Munro）笋中一种抗真菌蛋白Dendrocin 对B.cinerea 和F.oxysporum 的生长具有抑制作用[81]。江惠[82]通过测量抑菌圈，对P.pubescens竹叶天然抗菌肽的抑菌效果进行研究发现：竹叶天然抗菌肽能够抑制E.coli、S.aureus、B.subtilis 和B.cereus的生长，并且抑菌效果表现出明显的剂量依赖性；此外，这些天然抗菌肽能耐受短暂的高温，不易受pH、酶和有机溶剂的影响。JIN 等测定了毛竹（P.heterocycla cv.pubescens）挥发油的抗氧化胁迫能力，同时以S.aureus 和E.coli 作为评价抗菌活性的指标微生物，评价其抗菌性能，结果显示：毛竹挥发油具有自由基清除活性，其半抑制浓度（IC50）值达到3.162 2 μL/mL；当体积分数为50.42～300 μL/mL时，该组分对S.aureus 和E.coli 均有一定的抑制作用，并且在实验浓度范围内表现出剂量依赖性[35]。TAO 等研究了毛竹（P.heterocycla cv.pubescens）叶挥发油的抗菌活性，发现竹叶挥发油能抑制B.subtilis 生长，其最低抑菌质量浓度（MIC）为2.25 mg/mL[83]。上述研究为竹叶挥发油的开发和应用提供了理论依据。

竹材次生代谢产物的主要生物活性概述见表1。

4 问题与展望

采后果蔬腐烂变质会造成巨大损失，而在果蔬采后保鲜中化学试剂的使用会严重污染环境，危害人类健康。因此，以植物源活性物质取代化学试剂迫在眉睫。而将植物源活性物质应用于果蔬保鲜目前还处于起步阶段，对活性物质的提取、分离和鉴定是进行保鲜产品研究开发的基础，在此基础上开展作用机制、仿生合成、构效关系等深入系统的研究将成为新的热点。作为主要的森林资源，竹材次生代谢产物含有丰富的天然活性物质，对其次生代谢产物的深层开发利用可以提高竹资源的利用率，有助于减损增效，是实现农业供给侧改革的重要途径，具有广阔的发展前景。