乙烯对果蔬成熟作用研究进展

严涵，郝全洋，艾祥，王瑞

（贵阳学院食品与制药工程学院，贵州贵阳 550003）

果蔬富含维生素、碳水化合物及糖类等营养物质，生命历程大致经生长、发育、成熟、衰老四个阶段，其品质与上述过程息息相关。正常成熟的果蔬具有良好的色泽、口感、风味及营养价值，一旦进入衰老阶段，品质将会逐渐降低。乙烯属于植物激素，在果蔬成熟中起重要作用，是果蔬成熟的主要调控因子。乙烯能影响果蔬成熟进程及质地变化，如加快成熟速度和营养物质转换、推动叶绿素的降解及细胞壁裂解等[1]。

鉴于乙烯在果蔬成熟中的重要作用，本文整理了乙烯在果蔬成熟方面的相关研究，概述了乙烯在呼吸跃变型和非呼吸跃变型果蔬成熟中的生物作用机制；介绍了常见的乙烯抑制剂和脱除剂在这两类果蔬中的作用机理及应用；分类阐明了乙烯对果蔬成熟过程中生理品质的影响，旨在为乙烯催熟果蔬工艺的开发应用及催熟机理的探究提供参考。

1 乙烯对果蔬成熟的生物作用机制

1.1 乙烯生物合成机制

乙烯对果蔬成熟的促进作用已被认可，其促进果蔬成熟的机理有以下两个观点：一是乙烯信号通路调节植物生长[2]；二是乙烯调控植物RNA 的生物合成，促进呼吸跃变型果实的成熟[3]。乙烯是以S-腺苷蛋氨酸（S-adenosylmethionine，SAM）为前体，经过转化、氧化合成而成。参与反应的化合物包括1-氨基环丙烷-1-羧酸（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC）、ACC 合成酶（1-aminocyclopropane-1-carboxylicacidsynthase,ACS）、ACC氧化酶（1-aminocyclopropane-1-carboxylicacidoxidase，ACO）。其中ACS 和ACO 是乙烯生物合成途径中的两个关键酶，也是各种果蔬的多基因家族编码。研究证明，这两个基因的正、负反馈调节作用影响乙烯的生物合成[4]。

1.2 乙烯催熟过程中相关基因的表达

转录因子MADS-RIN一直被认为是果蔬成熟过程中重要的成熟抑制因子。Li 等[5]研究了MADS-RIN在番茄成熟过程中的作用，使用CRISPR-P 程序选取RIN 的突变靶点，再通过PCR 技术扩增RIN 片段。以普通野生型番茄和RIN-CRISPR型番茄为试验对象，发现所有处理组番茄果实的成熟进程都可以启动，但是后者成熟更晚且果皮颜色变淡，证明该因子不会完全阻止果实的成熟。研究中还使用10 μL/L 的乙烯分别处理对照组与RIN-CRISPR组，前者在48 h 产生大量乙烯，后者72 h仍未有反应。正常番茄在成熟期间会产生呼吸跃变峰，乙烯生成系统由系统1 转变为系统2，RIN-CRISPR型番茄果实的乙烯生成系统被切断，导致内源性乙烯生成处于被抑制状态，影响果实正常成熟。在甘蓝成熟研究中，JIN 等[6]以SCNU-OC-41-102 观赏甘蓝的绿叶型及紫叶型为研究对象，探究乙烯生物合成基因在花青素积累过程中的作用机理。先分离样本中的总RNA 及cDNA，再通过PCR 技术进行基因表达，最终筛选出19 个乙烯生物合成基因的候选基因，包括ACO 与ACS 基因[7]。与白甘蓝对比，乙烯生物合成基因在绿叶和紫叶甘蓝中有更高的表达。

由此可见，乙烯在果蔬中的生物合成及信号传递受到调节因子和基因家族的调控。1-氨基环丙烷-1 羧酸合成酶 6 基因（1-aminocyclopropane-l-carboxylate synthase 6 gene，LE-ACS6）和MADS-RIN是目前国际普遍认可的乙烯调节因子，LE-ACS6为启动作用，该调节因子是乙烯生成系统的启动子，其基因表达受乙烯负反馈调节；与之相反的，MADS-RIN为抑制作用，影响多种基因转录物的积累及蛋白质翻译后降解。目前，关于乙烯受体及乙烯信号传递所涉及的蛋白质及基因家族需要进一步研究。

1.3 乙烯对非呼吸跃变型果蔬成熟的生物作用机制

根据采后生理的不同，果蔬可分成呼吸跃变型和非呼吸跃变型两类。前者在呼吸跃变期会产生大量乙烯并伴随着旺盛的呼吸作用，而后者则没有这种特征性的现象。其次，果蔬对外源乙烯的生理反应也有助于区分两种类型的果蔬。

乙烯的负反馈调节是非呼吸跃变型果蔬的成熟特性不同于呼吸跃变型果蔬的主要原因，在负反馈调节作用下，内源性乙烯不诱导其自身乙烯的继续合成；正反馈调节作用与之相反，且是呼吸跃变型果蔬产生呼吸跃变峰的主要原因。KEVANY 等[8]建立了ETHY 模型，将乙烯的合成区分为两个不同的系统——系统1 和系统2。在果蔬生长的前期，所有未成熟果蔬的乙烯生成模式都由系统1 调控，乙烯生成量处于基础水平。呼吸跃变型果蔬与非呼吸跃变型果蔬的不同是从乙烯生成模式的转变开始，系统2 在果蔬成熟开始时逐渐发挥作用，使得外源性乙烯刺激内源性乙烯的合成，诱导果蔬迅速成熟。大部分非跃变型果蔬在成熟过程中也会产生乙烯，但浓度远低于呼吸跃变型果蔬。不过，这并不意味着乙烯在非呼吸跃变型果蔬成熟中毫无作用。在一些非呼吸跃变型果蔬成熟过程中，同样会有CO2和乙烯生成量的激增，且发现了乙烯生成系统2 的存在。因此系统2 并不专属于呼吸跃变型果蔬，两种类型的果蔬具有相类似的成熟途径。

草莓是典型的非呼吸跃变型水果，易腐烂且繁殖周期短，因此草莓一直作为非跃变型果蔬成熟研究的重点。根据ELIAS 等[9]的研究，乙烯可以介导诱导系统抗性（Induced systemic resistance，ISR）来促进植物生长。除此之外，通过PCR 技术分析乙烯受体基因，发现Faetr1、Faers1 和Faein4 编码乙烯受体基因；Factr1 和Faein2 编码乙烯信号通路且干预草莓的成熟与衰老。SEPALLATA1（SEP 1）基因调控葡萄中乙烯的积累，乙烯积累水平低的葡萄果实半径相对减少[10]。Fakhri 和Cheshm gavi 是两种晚熟的葡萄品种，相对于其他早熟品种，其灌浆及成熟过程中SEP1 基因显著表达。研究表明，晚熟品种的浆果比早熟品种的浆果大[11]。以上论述得出，在一些非呼吸跃变型果蔬中，乙烯相关受体、基因仍处于活跃状态且调控成熟进程及改善成熟后的果实品质。柑橘成熟过程中，乙烯加速了叶绿素的降解，相对于自然成熟，外源乙烯处理组褪绿提前。西瓜发育成熟过程中，自身内源性乙烯水平很低，属于非呼吸跃变型，使用外源乙烯处理后，乙烯合成水平显著升高，颜色发育及果实软化速率明显加快。由此，对于非呼吸跃变型果蔬来说，乙烯同样具有促进果蔬成熟的作用。

1.4 乙烯对呼吸跃变型果蔬成熟的生物作用机制

呼吸跃变型果蔬在呼吸跃变期会产生明显的呼吸跃变峰，乙烯生成系统变为系统2，内源性乙烯大量生成，呼吸速率增大。显然，乙烯推进了呼吸跃变型果蔬的成熟进程。番茄、猕猴桃等果蔬中乙烯的生成量激增是果实自然成熟的前提，一旦系统2 被抑制或中断，其典型的呼吸跃变现象就会受到影响。

呼吸跃变型果蔬中的乙烯受体及基因在成熟过程中会有不同程度的表达，以此来调控乙烯的合成。番茄作为一种典型的呼吸跃变型果蔬，其中至少有6 个假定的乙烯受体家族，这6 个受体在番茄生长的不同时期表达，LeERT1、LeERT2 贯穿整个生长过程；未成熟突变体基因Never-Ripe（NR）和LeERT4 在成熟、衰老阶段表达的上调[12]，可推测NR和LeERT4 直接调控果蔬成熟期乙烯的合成。

呼吸跃变期旺盛的呼吸活动及快速软化是呼吸跃变型果蔬的两大特征性表现。乙烯的作用不会影响甜瓜的糖分和酸度，但其呼吸跃变期的呼吸速率和果肉软化等受到调控[13]。将苹果的反义ACC 氧化酶基因构建于甜瓜中，能显著地改变其成熟性状[14]。另一方面，利用ACO 反义基因转化Galia型甜瓜，该基因导致ACO 活性和乙烯产量的显著降低，延缓了果肉软化和果皮变黄[15]。对于呼吸跃变型果蔬来说，无论是乙烯生成量激增还是果实对乙烯敏感性增大，都表明乙烯是其呼吸跃变特征出现的关键原因。

2 乙烯对果蔬生理品质的影响

果蔬的成熟伴随着一系列的生化反应，叶绿素、淀粉、酯类、醛类、有机酸、可溶性糖等物质在这一过程中生成或降解，果蔬自身生理品质（色泽、质地、香气、味道）随之改变。作为一种植物激素，乙烯加速了果蔬成熟，推动了反应进行及上述物质的积累或降解，影响了果蔬的生理品质。

2.1 色泽

果蔬的色泽是其品质的一项重要评价指标。对于消费者来说，色泽是判断果蔬品质及新鲜程度的直观标准。在自然成熟过程中，由于环境因素（光照、温度、湿度等）的影响，关系其色泽的色素成分及含量会随之变化。

叶绿素、胡萝卜素、花青素等是果蔬中常见的天然色素。乙烯的存在会推进叶绿素降解的进程，乙烯反应因子CitERF13 的表达会加快柑橘中叶绿素的降解，柑橘的颜色指数在开花后90 d 为12.4，开花后180 d 为2.4[16]。与之相似的，使用1-MCP 处理Comic 梨能抑制其乙烯的生成，使乙烯合成基因受到抑制，叶绿素降解减慢，有效保持了果实外果皮的色泽；而对照组中部分叶绿素降解基因的表达升高，外果皮出现不同程度褪绿和褐变现象[17]。乙烯还会对果蔬中的花青素产生不同的影响。苹果中花青素的积累受到乙烯反应因子的调控，调控水平较高的苹果植株中，花青素含量显著增加，果皮颜色变红，但其中机理尚不明确[18]。梨果实红色是由花青素积累产生的，对Red Zaosu 梨的基因进行表达分析证实，乙烯反应因子诱导花青素合成，使用蓝光照射果实，72 h 后开始着色，一直持续到240 h[19]。在有红光诱导的环境中，甘蓝中花青素含量高于白光环境中的，而乙烯在甘蓝的红光调节花青素合成途径中具有负调节作用[20]，此时外源乙烯的介入抑制了甘蓝花青素的积累，而大剂量的乙烯显示出更大的抑制作用；在正常环境中乙烯促进了紫甘蓝中花青素的积累[6]。出现两种不同现象的原因可能是红光的介入对乙烯的作用造成了影响。

2.2 挥发性物质

果蔬中挥发性物质多是碳氢化合物、醇类、酯类和醛类物质，部分挥发性物质带有独特的香气。乙烯促进了酯类挥发性物质代谢前体的形成，提升了脂氧合酶（Lipoxygenase，LOX）活性，相较于自然成熟果蔬，乙烯催熟的果蔬中酯类、醛类物质的含量有所变化。

香蕉是一种典型的呼吸跃变型水果，本身在成熟过程中会产生大量挥发性香味物质。乙烯与其中挥发性物质的合成存在联系，使用1-MCP 抑制乙烯的生成，香蕉中醇类物质含量有所提升，而一些酯类物质相对减少。番茄中的挥发性物质的积累已被证明受乙烯调节，抑制乙烯生物合成可抑制正己烷、正己醇、顺-3-己醇和类胡萝卜素等挥发物的积累[21]。与之相似，“Delicious”苹果中挥发性物质的生成也随着乙烯的抑制而减少。猕猴桃特殊的香气来自于正己醛这种已被鉴定为具有特定猕猴桃香气的挥发性化合物，而该种化合物由LOX 途径生成。猕猴桃的LOX家族基因已被鉴定的有6 个[22]，其中AdLox1和AdLox5 在成熟过程中上调，其表达受到乙烯的驱动，1-MCP 可延迟该转录过程。LOX 途径中产生的正己醛等物质也受乙烯的推动，而乙烯下调的AdLox2、AdLox3、AdLox4 和AdLox6 可能促进具有草香味挥发性物质的产生。

目前大部分果蔬的贮藏技术都涉及到冷藏环节，而低温贮藏环境会影响果蔬香气的保持。低温处理对乙烯调节因子PuCTR1 和PuEIN3 的影响较低，有效减少了南果梨在冷藏过程中香气酯类的损失[23]。但是在低温环境中使用外源性乙烯处理的猕猴桃表现出香味物质不足的特征，原因是相比于正常成熟的猕猴桃，其丁酸乙酯和丁酸甲酯的产生受到抑制[24]。推测低温调节了尚未完全成熟的猕猴桃乙烯信号的表达，干扰了LOX 途径的进行。

2.3 呈味物质

果蔬的味道主要取决于糖、酸、单宁等呈味物质的作用[25]，这些物质也与果蔬自身的营养价值、抗氧化性等有关。

对于非呼吸跃变型果蔬，尚未成熟完全就离开母体植株，导致呈味物质积累不足；对于呼吸跃变型果蔬，过度成熟进入衰老阶段，同样会降低其食用品质。研究发现，Ailsa Craig、Wisconsin 55 和Maglia Rosa Cherry 三个品种的番茄中，过熟或过早离开母体的番茄都会造成味道损失，而在植株上自然成熟的番茄都显现出更好的感官品质。通过检测，外源性乙烯处理组番茄的苹果酸脱氢酶1 的表达高于自然成熟番茄，且后者总糖含量更高[26]。在呼吸跃变型果蔬中，使用乙烯处理的猕猴桃相比对照组其可溶性固形物含量增加，可滴定酸含量降低，口味更佳[27]。

2.4 质地

软化是大多数肉质水果成熟的标志，而过度软化通常会导致采后腐烂和消费者购买欲的下降。果蔬的硬度是由于细胞壁在保持细胞黏附性的同时维持膨压所致[28]，果蔬成熟过程中细胞壁结构的改变涉及果胶与半乳糖醛酸长链的增溶和多糖分子量的降低，乙烯的出现间接增强了半乳糖醛酸长链的增溶，促进了细胞壁的解体，从而加速了果实软化[29]。例如，木瓜作为呼吸跃变型水果，由于跃变期产生大量乙烯导致其新陈代谢大大加快，果肉的软化是木瓜成熟过程中主要的变化[30]。

朱婉彤等[31]以谢伯克辛甜瓜为对象，分别使用300 mg/kg 乙烯溶液涂抹于果实表面及1 μL/L 的1-MCP 处理果实，乙烯处理组果实的软化程度明显高于对照组。经过检测分析，其果实硬度与果胶含量呈正相关性。由此可见，无论是在番茄、甜瓜等呼吸跃变型果蔬，还是草莓等非呼吸跃变型果蔬中，乙烯对于果蔬细胞壁的降解都具有推动作用，使用乙烯处理的果蔬，在软化进程方面快于自然成熟状态。

3 乙烯抑制剂与脱除剂

3.1 乙烯抑制剂

现代果蔬物流中为保持产品在运输、销售过程中的品质，往往需要抑制乙烯的生成。对于非呼吸跃变型果蔬来说，乙烯生成量一直处于一个低水平状态，果蔬更多的受到外源性乙烯的影响，因此，对非呼吸跃变型果蔬来说乙烯抑制技术主要是防止外源乙烯干扰；对于具有呼吸跃变特征的果蔬，还需要抑制其内源性乙烯的产生。目前常见的乙烯抑制剂包括1-甲基环丙烯（1-methylcyclopropene，1-MCP）、硝酸银、硫化氢、抗坏血酸等[32-33]。

目前应用最广的乙烯抑制剂是1-MCP，它对乙烯受体的亲和力是乙烯分子的十倍左右[34]，通过不可逆的与受体结合，阻断乙烯信号分子传递，从而抑制乙烯生成，在大多数果蔬的保鲜中得到应用。但是，使用1-MCP 也存在增加呼吸跃变型及非呼吸跃变型果蔬品质下降的可能。使用1-MCP 的同时联用其他手段可加强对乙烯生成的控制，如香蕉在25 ℃用400 nL/L 的1-MCP 处理16 h，通风后再用50 μL/L 乙烯处理1 min，可减缓乙烯生成速率，起到很好的保鲜作用[35]；使用20 μL/L 的1-MCP 处理Hardy 猕猴桃并在（1±0.5）℃的条件下贮存，可有效抑制果实成熟、降低呼吸、乙烯生成速率，维持果实提取物的抗癌特性[36]。但根据Li 等[37]的报道，（0±0.5）℃下，1-MCP 的使用可能通过上调参与木质素合成的AcPOD1而增加木质素的积累，这对果实品质来说是不利的；使用超声波技术联合1-MCP 影响苹果中乙烯受体基因的表达，MdETR1 和MdERS1 基因受到抑制，且单独的超声波处理或1-MCP 处理的效果低于联合处理效果[38]。1-MCP对部分水果的保鲜作用见表1。

3.2 乙烯脱除剂

乙烯脱除剂具有清除乙烯的作用，主要通过化学反应和物理吸附来完成。高锰酸钾、碳酸钾、钯、二氧化钛、天然稀土都属于乙烯脱除剂[46-49]。利用钯基材料，可制造新型钯基乙烯脱除剂。Mansourbahmani 等[50]发现一种钯促进材料，由钯浸渍沸石表面，可以分散出大量的钯颗粒。活性炭及粉末状活性炭均能有效吸附外源性乙烯，但钯颗粒活性炭是最有效的一种，经过试验证明，通过活性炭的物理吸附性结合钯材料对乙烯的氧化作用，钯颗粒活性炭与1%钯催化剂结合的系统可有效延缓番茄的成熟，且相对于其他处理方法（高锰酸钾基沸石、水杨酸、1-MCP）效率最高[50]。

由于钯的昂贵性，高锰酸钾成为目前使用时间最长、价格最低、研究最多的乙烯脱除剂。目前市场上已经有很多高锰酸钾乙烯脱除剂产品可供选择[51-52]，一般选择矿物质为载体，通过外包装包裹避免与果蔬直接接触。高锰酸钾乙烯脱除剂的包装材料与商业用途及经济成本等因素有关。相比于塑料薄膜包装，近年来出现了大量应用于新鲜果蔬的聚合物薄膜包装，这些物质多以聚乙烯为基料，掺入沸石、黏土、活性炭等细粉体材料吸附乙烯。Álvarez-hernandez 等[53]以海泡石为载体研制出一种新型的高锰酸钾基乙烯脱除剂，结合被动气调包装探究其对Mirlo naranja 杏的保鲜作用，实验证明具有良好的效果。此外，目前研究表明，高锰酸钾对“sapote”苹果的生理成熟过程也具有一定的抑制作用，能够在不改变总糖含量的情况下延缓软化，减少失重率和腐烂率[54]。同属于呼吸跃变型果蔬，高锰酸钾基乙烯脱除剂对香蕉、芒果、番茄、猕猴桃、木瓜等都具有延缓成熟的作用[50,52,55]。关于高锰酸钾应用于非呼吸跃变型果蔬乙烯脱除的文献报道相对较少，但是在实际中确实表现出延迟非呼吸跃变型果蔬成熟的作用。

表1 1-MCP 对部分水果的保鲜作用及处理方法Table 1 Effects of 1-MCP on the preservation and treatment of some fruits

4 小结

乙烯在果蔬成熟中发挥着重要的作用。通过探究乙烯的生物作用机制、乙烯对果蔬软化、淀粉降解和色素合成等过程中关键酶及基因表达的作用机理可了解不同乙烯调节因子对果蔬成熟后生理品质的影响，但目前看来，乙烯受体及乙烯信号传递所涉及的蛋白质及基因家族的相关研究仍有欠缺，在未来的研究中需要进一步探究。再者，在两种不同类型的果蔬中，乙烯生成系统不同，乙烯对果蔬成熟后生理品质的影响及果蔬成熟中乙烯的抑制与脱除方法也因此不同。目前1-MCP 是广泛使用的保鲜剂，实际效果中由于果蔬自身成熟度不同而有所差异，结合乙烯对成熟的促进作用及1-MCP 的保鲜作用，最佳催熟阶段及保鲜工艺具有较高的研究价值，也是未来果蔬领域的研究方向之一。