硫化氢在采后果蔬贮藏保鲜中的应用

刘思思,胡文忠,陈 晨,冯 可,刘程惠,姜爱丽,赵琪琪,张晓芳,管磬馨

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

新鲜果蔬在采后仍然会不断进行成熟、衰老等正常的生命活动,导致其在贮藏及运输过程中营养物质大量损失,果蔬损耗严重。且在贮藏及运输的过程中由于机械损伤,容易受到病原微生物的侵染,不仅会导致果蔬腐烂引起经济损失,影响果蔬的食用价值和货架寿命,更严重的可能会引起食品安全问题。近年来,随着人们对食品安全越来越重视,对食品健康要求越来越高,寻求一种合适的保鲜技术亟不可待[1-4]。

硫化氢是一种无色且具有“臭鸡蛋”气味的气体,是继一氧化氮和一氧化碳后的第三个气体信号分子。最初,硫化氢被认为是一种对人体有毒和污染环境的气体。后来,检测到动物体及人体内存在硫化氢(人体血浆中硫化氢浓度为5. 2×10-6mol·L-1)[5],推测硫化氢可能具有一定的生理作用,研究发现,低浓度的硫化氢对人体有舒张血管、消炎、保护细胞、调节消化系统和呼吸系统等功能[6]。硫化氢还能够通过抑制果蔬呼吸代谢、降低乙烯生物合成的速率、保持果实硬度、推迟变色、延缓褐变,从而改善贮藏品质。除此之外,硫化氢还具有抑菌活性[7],诱导果蔬对病原菌侵染的抗病性,进而抑制腐烂、冷害等不良现象的发生,提高其经济价值。本文综述了硫化氢在采后及鲜切果蔬贮藏保鲜中的研究进展,旨在为硫化氢在采后及鲜切果蔬贮藏保鲜的深入研究与应用提供参考。

1 硫化氢对感官品质的影响

1.1 硫化氢对颜色产生的影响

果蔬颜色是感官品质的重要指标之一,在很大程度上决定了消费者的购买决策[8]。优良的果蔬颜色和亮度能激起大众的消费心理,提高其经济价值。果蔬的颜色与其本身所含的色素成分紧密相关,叶绿素、类胡萝卜素和花色苷是决定果蔬采后色泽的主要色素,硫化氢可以改变果实中色素组分及相关酶活性,从而抑制果蔬在贮藏过程中果皮色泽的转变。研究发现,硫化氢处理可以通过调节与果蔬叶绿素相关的酶活性及其降解相关基因的表达,从而抑制果蔬果皮颜色的改变。例如蕹菜叶和西兰花经硫化氢处理后,显著降低叶绿素酶的活性,并下调了叶绿素降解基因BoSGR、BoCLH2、BoPaO、BoRCCR、BoNyc、BosGr、BoClH 1、BoRcR和BoPpH的表达,减缓了贮藏期内光合作用的发生,从而延缓叶绿素的损失,控制两者在贮藏过程中外表色泽的改变[9-10]。除此之外,酶促褐变也是使果皮色泽改变的原因。酶促褐变是由多酚类物质如鞣质、酪氨酸等在组织内酚氧化酶的作用下生成褐色的化合物—类黑素而引起的褐变。这种褐变常发生在水果、蔬菜和茶叶等的加工贮藏过程中,如去皮的苹果、香蕉和切分的莴苣、蘑菇等的褐变,是由于多酚氧化酶的作用使酚类物质发生氧化所致;新鲜果蔬在贮藏期间遭受逆境胁迫(冷害、冻害和高二氧化碳伤害等)或机械损伤也会引起果蔬表面或组织内部出现褐变,该褐变是由于生理代谢障碍所致。酶促褐变的发生缩短了鲜切果蔬的货架期和新鲜果蔬的贮藏期。决定果蔬酶促褐变的主要因素是组织中的酚类物质及其浓度、氧化酶活性、温度和氧的可利用程度。研究表明,鲜切莲藕、土豆、山药、莴苣和南瓜经硫化氢处理后,显著降低了鲜切莲藕等在贮藏期间超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)和过氧化氢酶(CAT)的活性,有效抑制酶促褐变的发生,从而抑制鲜切莲藕等在贮藏过程中切口表面色泽的改变[11-12]。

1.2 硫化氢对硬度产生的影响

果蔬的质地是一种感官特性,它能反映果蔬的物理性质和组织结构,是构成食品品质的重要因素之一。果实硬度是指果肉抗压力的强弱,是果蔬质地的重要保证,可作为果实成熟的判断标准之一[13]。在果蔬贮藏过程中,果实硬度的下降主要与细胞壁物质成分改变及细胞壁水解酶活性上升密切相关[14]。硫化氢处理能够有效保持果实的硬度,抑制细胞壁成分的降解和果胶代谢相关酶的活性,有效延缓果实的软化。研究表明,猕猴桃[15-16]和葡萄[17]经过硫化氢处理后,显著抑制了果实细胞壁的降解,降低了水溶性果胶和离子型果胶含量,从而有效防止硬度的下降,显著延长果实的贮藏期和货架期,保证了果实的贮藏品质。研究表明[18],果实硬度与还原糖含量呈显著正相关,可以用来衡量果蔬硬度。Fallik等[19]在葡萄上的研究发现,在整个采后贮藏过程中,对照组浆果的可溶性固形物含量急剧下降,贮藏末期(17.15%)比初期相比(18.65%),下降了8%;处理组浆果的可溶性固形物含量略有下降,贮藏末期(18.65%)比初期相比(18.45%),仅下降了1%,且其含量始终高于对照组。硫化氢能够抑制可溶性固形物含量的降低,延缓硬度的下降,保证了果实的贮藏品质,延长其贮藏期和货架期。Gao等[15]在猕猴桃上的研究发现,在整个贮藏期间,硫化氢处理组果实还原糖含量始终高于对照组,并在第2 d达到峰值(26.5 mg/g),硫化氢有效抑制果实中还原糖含量的降低,延缓硬度的下降,有利于果实的贮藏保鲜。

1.3 硫化氢对风味产生的影响

果蔬风味是评价其品质的一个重要因素,也是果蔬商业价值的重要决定因素。果蔬的风味由糖、酸、可溶性固形物含量及挥发性芳香物质等共同决定[20]。其中,可溶性固形物含量(SSC)、可滴定酸(TA)是影响果蔬整体感官质量的主要因素[19]。硫化氢能够改变果实中SSC和TA的含量,提高果实贮藏质量。例如,Zhu等[16]研究发现,猕猴桃经45和90 μmol L-1H2S处理,第18 d时,果实SSC显著低于对照果实,分别比对照组低2.8%、2%;TA显著高于对照果实,分别比对照组高4.2、3.7 g/kg。Ni等[17]研究发现,第4 d时,经硫化氢处理的葡萄与对照组相比,保持了较高的SSC和TA含量,处理组的SSC比对照组高2.45%,TA高0.6 g/L。Li等[10]在花椰菜小花上观察到硫化氢能够显著抑制SSC含量的降低,贮藏第4 d,对照组的总可溶性固形物(TSS)为7.4%,处理组的TSS为11.8%,比对照组高4.4%。对草莓施用0.8 mmol/L-NaHS,可以导致桑椹在贮藏过程中的总糖浓度较低,TA较高[21]。在鲜切梨[7]、鲜切甘薯[22]上观察到,经硫化氢处理过的果蔬能显示出更高还原糖含量。

2 硫化氢对采后及鲜切果蔬生理生化的影响

2.1 硫化氢对能量产生的影响

能量能维持细胞正常代谢、生物体生长、发育、成熟和抵抗胁迫等过程中起着重要作用,是生物体进行一切生命活动的基础。采后果蔬中的细胞能量主要是由呼吸产生,呼吸作用包括有氧呼吸和无氧呼吸,无氧呼吸不利于果蔬的贮藏,因此,贮藏过程中应尽量以有氧呼吸为主。在采后贮藏过程中,能量主要是以ATP的形式来储存。采后果蔬的衰老程度与ATP含量和能荷水平呈负相关[23-24],而较高的ATP含量和能荷水平有利于采后果蔬在贮藏期间保持良好的品质并延缓采后果蔬衰老的发生[25-27]。当果蔬进入呼吸跃变期,耐贮性急剧下降,这是因为在果蔬发育定型之前,呼吸强度不断下降,成熟开始时,呼吸速率急剧上升,到达呼吸高峰后便转为下降,直至衰老死亡。随着贮藏时间的延长,果蔬衰老加剧,ATP含量逐渐减少,表明其能量降低[28]。因此,保证充足的能量,能够延缓新鲜果蔬衰老,延长采后贮藏寿命,保持整体品质[29]。硫化氢熏蒸的蕹菜在保持三磷酸腺苷、二磷酸腺苷和磷酸腺苷水平的情况下,导致了更高的能量变化,这有助于延缓叶绿素损失,同时保持绿色[9]。硫化氢可以通过改变与能量代谢有关的物质,如H+-ATPase、Ca2+-ATPase、琥珀酸脱氢酶(SDH)和细胞色素C氧化酶(CCO),来维持能量电荷,从而缓解果蔬衰老。研究发现[30],外源硫化氢处理花椰菜,显著增强H+-ATPase、Ca2+-ATPase、琥珀酸脱氢酶(SDH)和细胞色素C氧化酶(CCO)的活性,有利于保持良好的品质,延缓果蔬衰老。

2.2 硫化氢对呼吸产生的影响

采后果蔬仍然是一个活体,为维持自身的生命体征,仍需继续进行成熟、衰老等正常的生命活动,这些过程通过呼吸作用消耗自身的有机物来实现。果蔬采后腐烂主要是由于呼吸高峰的出现,从而启动果蔬的成熟过程随后进入生理衰老期,大量有毒代谢物的积累使果实的抗病能力逐渐减弱,组织解体腐烂,品质下降[28]。果蔬细胞内能量降低,导致货架期缩短和产品质量下降,而货架期缩短和产品质量下降都与呼吸强度的增加有关。硫化氢处理可以有效抑制果蔬贮藏期间呼吸强度的增加,延长果蔬的采后贮藏期和货架期。有研究表明草莓果实经0.8 mmol/L-NaHS处理过后,由于硫化氢促进了氧化磷酸化的发生,生成更多的ATP,能量消耗减少,导致采后贮藏期间呼吸速率显著降低[7]。CCO和SDH作为有氧氧化的标志物,CCO和SDH在细胞呼吸过程中也起着重要作用,硫化氢能提高CCO和SDH的活性[31],生成更多的ATP,减少能量消耗,有利于延长货架期和保持品质。例如硫化氢处理能够提高CCO和SDH的活性,CCO能够激活位于线粒体呼吸链中的终端电子受体[32],SDH可通过与泛醌偶联发生还原反应,氧化呼吸链酶和三羧酸循环中的琥珀酸[33],使香蕉、桑树和草莓等果实生成更多的ATP,降低呼吸速率,减少果蔬自身的能量消耗,有利于延长贮藏寿命[30,34-35]。

2.3 硫化氢对乙烯产生的影响

乙烯是引起果实成熟的内源性植物激素,是果实成熟与衰老的推动力[27]。其在植物体内的合成及释放对果实的后熟进程影响巨大,并影响果实的呼吸代谢进程[36]。在果蔬的成熟过程中产生的乙烯会对外释放,而逐渐积累的乙烯又会对果实呼吸代谢产生促进作用,引发一系列生理生化反应,进而加速叶绿素的降解、促进组织软化及多糖水解等,加剧果实的成熟和衰老,影响果蔬的贮藏品质[37]。硫化氢可以通过抑制乙烯合成相关酶或信号转导相关基因的表达,从而抑制乙烯的释放,延缓果蔬成熟,提高其贮藏品质。例如硫化氢处理可以降低乙烯合成基因 MdACS1、MdACO1、MdACS3、MdACO2、AdACS1、AdSAM、AdACO2、AdACS2和AdACO3,以及信号转导基因MdERF3、MdERF4、MdETR1、MdERF5、MdERS1和MdERS2的表达,从而降低苹果、香蕉、猕猴桃贮藏期间乙烯的产生,延缓成熟和衰老[38-39]。硫化氢处理还可以通过降低葡萄乙烯合成酶的活性,从而抑制乙烯的产生,延缓衰老[17]。此外,硫化氢还可以作为乙烯拮抗剂,抑制乙烯生物合成,减缓呼吸速率,延缓果实成熟、衰老。例如香蕉[40]经硫化氢处理后,能有效缓解乙烯诱导的香蕉皮发黄和果实软化,降低多聚半乳糖醛酸酶的活性,降低氧化应激,抑制乙烯信号通路来拮抗乙烯的生物合成,从而缓解香蕉果实的成熟和衰老。

2.4 硫化氢对褐变产生的影响

酶促褐变是导致各种果蔬在加工或采后贮藏过程中内部、外部和鲜切表面变色的主要问题之一[7]。褐变是由于酚类物质在一些氧化酶如过氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)存在下氧化而发生的[41]。

PPO是果蔬中将酚类物质氧化成醌,从而促使发生褐变的最重要的酶,对鲜切果蔬的营养、风味、质地、颜色、外观有一定的影响[42]。POD在有H2O2存在时能催化酚类物质氧化并参与酚类物质代谢,与PPO有协同作用,均能促使果蔬组织褐变,是一种与衰老有关的酶[42],也是逆境条件下酶促防御系统的关键酶,能清除细胞内产生和积累的过剩自由基,提高果蔬的抗逆性[43]。

3 硫化氢对采后及鲜切果蔬病害的影响

3.1 硫化氢对腐烂产生的影响

硫化物在诱导生物胁迫耐受性方面起着关键作用[45]。植物对病原体的抵抗能力与自身的硫营养状况直接相关,这最终导致了“硫诱导抵抗”的概念。植物生物合成一些特定的天然含硫化合物,如芥子油苷(十字花科)和蒜氨酸(洋葱和大蒜),以应对病原体的侵染[46]。研究表明,内生硫化氢在真菌感染时释放,表明硫化氢信号可能与病原体应激抗性的产生相关[46]。硫化氢可作为杀真菌剂,抑制果蔬腐败变质。Tang等[22]在鲜切甘薯上观察到,2 mmol/L-NaHS的施用对鲜切甘薯起到了强杀真菌剂的作用,抑制了鲜切甘薯中真菌引起的腐烂。外源硫化氢的施用通过抑制新鲜切割梨果中的采后病原体如黑曲霉、扩展青霉和意大利青霉的生长来降低腐烂发生率[7]。硫化氢处理有效地抑制了黑曲霉和意大利青霉引起的苹果、猕猴桃、番茄和柑橘的腐烂,这可能是由于在采后贮藏期间诱导细胞内ROS爆发并降低CAT和SOD相关基因的表达[47]。

3.2 对软化产生的影响

质地是评价各种肉质果蔬成熟度的重要品质属性。质地软化是果实成熟与衰老的典型特征,是限制果实长期贮藏的关键因素,其间经历细胞壁的降解、内容物的变化、呼吸速率变化等一系列生理生化变化[11]。质地的迅速丧失通常会导致果蔬的衰老和腐烂,因此,保持较高的硬度或减少软化程度仍然是延长水果和蔬菜采后贮藏寿命的主要目标之一。一些化学物质能延迟软化,硫化氢就是其中之一。采后施用1 mmol/L-NaHS显著延缓了鲜切猕猴桃在5 ℃贮藏期间的软化,延缓品质劣变,延长贮藏期[19]。硫化氢可以通过降低软化相关酶的活性,如多聚半乳糖醛酸酶(PG)、果胶甲基酯酶(PME)和内切-β-1,4-葡聚糖酶(EGSE),从而减缓软化。例如草莓果实经0.8 mmol/L的硫化氢处理后,基本上抑制了软化[21]。硫化氢还可以通过维持果蔬自身的可溶性果胶含量,抑制果蔬在贮藏期间发生软化。例如对桑椹施用0.8 mmol/L-NaHS,可观察到桑椹依然可以保持较高的可溶性果胶含量,显著延缓了其软化的发生[35]。

3.3 硫化氢对冷害产生的影响

4 硫化氢应用的制约因素

硫化氢是具有刺激性和窒息性的无色气体,主要经呼吸道吸收,当硫化氢浓度10～300 mg/m3(6.6～198 ppm)时,可出现眼急性刺激症状,稍长时间接触引起肺水肿。当硫化氢浓度介于300～760 mg/m3(198～502 ppm)时,可引发肺水肿、支气管炎及肺炎、头痛、头昏、恶心、呕吐、排尿困难。当浓度≥760 mg/m3(502 ppm)时,人会很快出现急性中毒,呼吸麻痹而死亡。硫化氢的毒性已经被证明了大约300年,这成为其被广泛应用的制约因素[51]。在过去十年中,大多数文献只关注硫化氢的环境毒理学[52]。事实上,以较高的速率接触硫化氢被认为对所有哺乳动物物种都有剧毒,在哺乳动物细胞中发现内源性硫化氢后,大量不同的生理功能归因于这种气体。近年来,硫化氢作为一组新分类的生物活性气体,被称为气体介质和气体发射器,因为它能够控制植物和动物的大量必要生理反应[53],对于植物,硫化氢具有诱导种子萌发、促进叶、茎、根等器官的生长和发育、增强非生物胁迫耐受性等功能[3];对于动物,硫化氢具有舒张血管、消炎、保护细胞、调节消化系统和呼吸系统等功能[2]。

硫化氢的残留浓度与其处理商品的内源性水平相关,果蔬中硫化氢的确切最大残留限量尚未报道。研究发现,经硫化氢处理过的果蔬,其硫化氢的内源性浓度增加[21]。Hu等[21]在草莓上的研究表明,与未处理的对照相比,经0.8 mmol/L处理的样品中的残留水平更高。同样,0.8 mmol/L处理西兰花小花的内源硫化氢含量约为10.14 μmol/kg,高于对照[39]。与Hu等[21]的发现相似,Hu等[35]的研究表明,经0.8和2.4 mmol/L处理的桑树和蕹菜中,内源硫化氢含量增加,其残留含量更高。Aghdam等[54]还注意到1.5 mmol/L处理的山楂果实中内源硫化氢含量增加,并且残留水平随剂量变化。研究表明,人体血浆硫化氢浓度为5.2×10-6mol/L[1]。此外,果蔬中硫化氢的使用浓度非常低,残留水平低于内源性人体血浆硫化氢水平,因此用硫化氢供体处理水果和蔬菜可以被认为是安全的。

5 展望

硫化氢在新鲜果蔬货架期或低温贮藏期间,具有延缓成熟、抑制衰老的作用,延长果蔬货架寿命,对维持其品质有着积极的作用,具有良好的应用前景。近年来,硫化氢在采后果蔬贮藏保鲜中的应用越来越多,低浓度的硫化氢在植物生长发育以及抗逆境胁迫响应中发挥着重要的调节作用,并且逐渐引起人们的关注,但仍然存在问题,例如硫化氢在植物整个生命周期的关键作用及其抗逆境胁迫反应机制尚不清楚,还需继续研究。而且目前,硫化氢对果蔬进行保鲜并未大量应用于实际果蔬保鲜工业中,因此,对硫化氢的应用与开发有待深入的探索。