褪黑素在果蔬保鲜中的应用

童瑶 魏树伟 王纪忠

摘 要：褪黑素是一种在生物体中广泛存在的吲哚胺类化合物，具有清除活性氧自由基、调控成熟与衰老、抗生物和非生物胁迫等生理作用，是一种天然、高效、安全的保鲜剂。简要介绍了褪黑素在果蔬保鲜中清除活性氧自由基、调控果实成熟和衰老、提高抗病性和抗逆性、保持果实品质稳定等方面的作用，并对其应用前景进行展望。

关键词：褪黑素;果蔬;保鲜;研究进展

文章编号：2096-8108（2020）02-0056-04中图分类号：TS255.3文献标识码：A

Application of Melatonin in Preservation of Fruits and Vegetables

TONG Yao1，2，WEI Shuwei2*，WANG Jizhong1

（1.Huaiyin Institute of Technology，Huiyin 223003，China;2.Shandong Institute of Pomology，Shandong Taian 271000，China

）

Abstract：Melatonin is a kind of guanamine compound widely present in organisms. It has physiological functions such as scavenging reactive oxygen free radicals，regulating maturation and aging，and resisting biotic and abiotic stress. It is a natural， efficient and safe method. The role of melatonin in scavenging reactive oxygen species， regulating fruit ripening and senescence， improving disease resistance and stress resistance， and maintaining fruit quality stability in fruit and vegetable preservation are briefly introduced and the prospect of its application is prospected.

Keywords：Melatonin; Fruits and vegetables; Preservation; Research progress

褪黑素（N-乙酰-5-甲氧基色胺，melatonin，MT）又稱美拉酮宁、抑黑素、松果腺素，因其能使某些动物皮肤颜色变浅而被命名为“褪黑素”，具有高亲脂性和亲水性[1]，是一种广泛存在于动植物体内的吲哚类小分子物质[2，3]，在从藻类到人类等各种生物中具有多种生物学功能[4]。国内外学者对褪黑素在人体内生物学功能的研究表明，褪黑素具有调节免疫力、改善睡眠、抗衰老、抗肿瘤等多方面作用，同时也可有效调节内分泌、治疗AIDS和保护心血管等[5]。

褪黑素在植物中的生物学功能也引起了广泛关注。褪黑素被认为是活性氧清除剂，可高效清除活性氧自由基，提高抗氧相关酶（过氧化物酶等）酶活性和抗氧化剂（维生素C等）含量，抑制过氧化反应、延缓植物衰老，具有缓解盐胁迫、干旱胁迫、重金属胁迫、低温胁迫等逆境胁迫的作用[6]。倪知游等[7]研究表明，褪黑素可有效缓解可溶性蛋白的降解，提高脯氨酸和可溶性糖含量，降低盐胁迫对猕猴桃幼苗的伤害。唐懿等[8]研究结果显示，褪黑素处理过的茄子幼苗其细胞内的POD、SOD、CAT、APX等多种抗氧化酶的活性均比未施用褪黑素的茄子幼苗高，提高了茄子幼苗叶片对低温弱光环境的抵抗力。另外，褪黑素可以促进不定根形成，提高种子萌发速率，调节植物开花，具有和类生长素相似的结构和功能，被认为是一种新的植物生长调节剂和生物刺激剂[9、10]。Hernández-Ruiz等[11]研究表明，褪黑素可以促进大麦和小麦胚芽鞘的生长。除此之外，褪黑素在植物保鲜中的应用研究也被广泛关注，近年来已有相关文献进行报道[12、13]。本文对褪黑素进行了简述，分析了其在植物保鲜中的主要作用，旨在为褪黑素在果蔬产品保鲜中的应用提供参考。

1 褪黑素的发现

1917年，McCord和Allan在牛的松果体中发现了一种物质可以使蛙类皮肤里的黑色素发生凝结反应变成白色[14]。1958年，Lerner从牛的松果体中成功提取并鉴定了该物质的化学结构，并根据其能使某些动物皮肤发亮的特性将它命名为褪黑素[15]。1961年，Kopin等合成了氚标记褪黑素，并用其探究动物器官中3H-MT的分布。在之后很长一段时间内，人们都认为褪黑素只存在于人和动物体内，作为抗氧化剂和自由基清除剂，保护有机体免受内在和周围环境的氧化胁迫，直到1995年Hattori等首次在小麦、玉米、香蕉等可食用植物中发现了褪黑素。后续研究中，人们陆续在植物种子、根、叶片、花等各植物器官中检测到了褪黑素[16]，同时也在部分菊科植物、药用植物中发现了褪黑素，其中药用植物中的褪黑素含量较高。目前，植物已经被证实含有比动物更多的褪黑素，并且含有参与其生物合成的酶存在[17]。近年来，褪黑素在果蔬保鲜中的作用被广泛关注，研究表明，经褪黑素处理的猕猴桃[18]果实呼吸强度和乙烯释放量明显低于对照的果实，并可降低采摘后贮藏期间桃[19]果实腐烂率，防止冷害的发生。

2 褪黑素在果蔬保鲜中的作用

2.1 清除活性氧自由基

机体内发生酶促反应和非酶促反应时可能产生自由基，自由基学说是现在被普遍接受的一种衰老机制学说。活性氧自由基是由电子传递链产生的超氧阴离子，可通过与细胞内成分发生反应生成破坏性很强的羟基自由基和过氧亚硝基阴离子自由基，破坏核酸结构和功能，使蛋白质失活，从而造成细胞变形、突变和衰老[20]。在自然界中有许多天然活性物质可以清除自由基的活性，褪黑素能在植物组织中自由移动，是一种天然的活性氧清除剂。Lei等[21]研究发现在苹果成熟过程中，机体内的MDA含量和褪黑素含量呈现负相关，推测褪黑素在苹果成熟过程中的主要作用是清除呼吸跃变产生的活性氧，以维持细胞内的氧化还原平衡。Pieri[22]等研究结果显示，褪黑素清除自由基的能力比维生素E、抗坏血酸和谷胱甘肽强，是一种高效的氧化还原平衡剂。

2.2 调控果实的成熟和衰老

褪黑素可以诱导乙烯的合成和信号传导，抑制自由基的积累和膜脂过氧化反应，以维持机体的氧化还原平衡，促进果实成熟的同时延缓果实的衰老，是一种高效的保鲜剂。果实的成熟和衰老是两个紧密联系的过程，但是褪黑素对一些与成熟相关的参数，比如乙烯的生成、细胞壁的变化等起到了积极的调控作用，同时对一些与衰老相关的参数，比如衰老相关蛋白和抗毒素等则起着抑制的作用。有研究显示，番茄经过褪黑素处理之后可溶性固形物、抗坏血酸、番茄红素、柠檬酸和磷的含量普遍高于未处理的番茄，同时产量也提高了13%，且风味更佳[23]。Gao等[24]研究发现，褪黑素处理可以维持桃果实的重量，降低其呼吸速率和腐烂率，同时保持果实的硬度、可溶性固形物总量和抗坏血酸含量，延缓衰老，保证果实品质。辛丹丹等[25]研究结果显示，喷施褪黑素可以降低黄瓜贮藏过程中可滴定酸、叶绿素、维生素C和可溶性蛋白含量的下降速度，抑制其呼吸速率，减少乙烯释放量，降低MDA含量、相对电导率和活性氧含量。

2.3 提高抗逆性

低温冷害是指高于植物冰点以上的不适宜的温度环境，是产品采后贮藏期间常会出现的逆境胁迫。果蔬长期在低温环境下贮藏会影响其细胞膜流动性和酶活力，导致其发生生理代谢障碍和组织伤害[26]，因此如何提高抗冷性成了现在果蔬采后生理及保鲜技术的研究热点。2000年，Tan等[27]发现，将在25 ℃下生长的芦荟转移到4 ℃下培养时，机体内的褪黑素含量显著增加了，所以推测褪黑素对低温胁迫具有一定的抵御作用。Lei[28]等研究发现，经褪黑素处理的胡萝卜悬浮细胞系在低温胁迫环境下与对照组相比更好的保持了细胞膜功能和完整性。此外，低温贮藏是一种常见的保鲜手段，通过降低温度可以抑制果蔬的呼吸强度，从而达到果蔬保鲜的目的。但是长时间的低温贮藏也会导致果蔬叶片变黄、营养品质降低、茎部木质化等问题，褪黑素可以提高植物对低温的抵抗能力，是一种很好的辅助材料。贾志伟等[29]研究结果显示，褪黑素可以提高采后低温贮藏的菜心组织内SOD和POD的酶活性，减少MDA的积累，延缓叶绿素降解，高效保持茎和叶组织中可溶性糖和可溶性蛋白含量，同时降低菜心木质素含量，防止茎部木质化。

除低温冷害以外，果蔬产品在采摘贮藏期间还易受到挤压、低氧、高温、光线不足、缺水等不良环境影响，导致品质降低，影响商品价值。已有研究证实，褪黑素在抵抗盐碱、干旱、高温等方面具有很好的效应[30、31]。

果蔬在采摘后由于病原菌的作用而造成的侵染性病害也是影响果蔬品质和经济效益的重要因素，通常这些侵染性病害是由真菌引起的。褪黑素能够提高CAT、SOD、POD等抗氧化酶活性来清除因为真菌侵染造成的活性氧迸发，提高抗病信号物质水杨酸和茉莉酸的含量。Zhao[32]发现褪黑素能够上调细胞壁相关基因表达来提高植株的抗病性。在植株被真菌侵染时，细胞壁最先被破坏，紧接着细胞器降解，最后导致细胞破裂，呈现出果肉腐烂的表型。而褪黑素能够保护细胞的功能和完整性，推测可能是因为褪黑素对菌丝有抑制作用。除此之外，褪黑素能够上调水杨酸合成过程中关键基因的表达，增加植株中水杨酸含量来提高植物的抗病性[33]。刘建龙[23]研究发现，褪黑素能够通过激活梨中与拟南芥同源的PbOPR3基因从而促进茉莉酸的合成，增加梨中茉莉酸的含量，进而提高植物抗病性。殷丽华[34]研究发现，苹果受褐斑病菌侵害时，外源褪黑素可以有效缓解叶绿素荧光的降低，保持细胞内过氧化氢含量的稳定性，提高了几丁质酶和β-1，3-葡聚糖酶的基因表达量，从而显著增强苹果对褐斑病的抗性。曹晶晶等[35]研究结果显示，采后褪黑素处理的苹果果实中POD、SOD、CAT和PAL的活性均显著提高，0.2 mmol/L的褪黑素处理可以显著抑制苹果病斑扩展。

2.4 使果蔬贮藏品质保持稳定

品质是决定果蔬商业价值重要的影响因素，失重率、呼吸速率、乙烯含量、色差、硬度、固形物含量等是衡量果实品质的重要指标。褪黑素作为高效保鲜剂，可以通过控制果蔬采后贮藏期间的呼吸速率和乙烯释放量来延缓果蔬品质降低。冯雪立等[36]研究表明，采后适宜浓度褪黑素处理李果实可以使果实可溶性固形物、可滴定酸含量保持稳定，降低果实呼吸强度和失重率，缓解维生素C的降解，保证果实的风味和品质。辛丹丹等[25]研究发现，100 μmol/L的外源褪黑素处理可以缓解黄瓜采后叶绿素、维生素C、可滴定酸、可溶性蛋白含量的下降，抑制膜脂过氧化反应，最大程度保证细胞膜功能和完整性，在保证黄瓜品质的同时延长货架期。王晶等[37]研究外源褪黑素对柑橘品质和乙醇代谢的影响发现，褪黑素處理‘爱媛38号柑橘果实可延缓其衰老，减少乙醇、乙醛积累，防止贮藏期间果实产生异味，保证果实的新鲜度，改善果实风味与品质。

3 展望

从褪黑素被发现到之后很长一段时间，人们都认为其只存在于人和动物体内，所以对于褪黑素更多的是研究其对人和动物的生物学功能及其作用机制。褪黑素在植物中的研究起步较晚，近年来才开始其在果蔬保鲜中的应用研究，相关报道还比较少。已有研究显示，褪黑素具有清除活性氧自由基、调控成熟与衰老、提高抗逆性等生理作用，但是关于褪黑素对果实品质的影响及其作用机制还鲜有报道，亟待进一步研究。果蔬作为直接食用的产品，对安全、健康的要求非常高，褪黑素作为天然的保鲜剂，具有良好的保鲜效果，易于被人体吸收，从营养学角度可以将其归类于一种维生素，且具有调节免疫力、改善睡眠、抗衰老、抗肿瘤等多方面作用，有益于人体健康，在果蔬采后贮藏保鲜方面有广泛的应用前景。

参考文献

[1]Arnao， M.B.， Hernandezruiz， J. Functions of melatonin in plants： a review[J]. Journal of Pineal Research， 2015， 59（2）： 133.

[2]姜超强，祖朝龙.褪黑素与植物抗逆性研究进展[J].生物技术通报，2015，31（4）：47-55.

[3]王蕊，杨小龙，须 晖，等.高等植物褪黑素的合成和代谢研究进展[J].植物生理学报，2016，52（5）：615-627.

[4]Jemima， J.， Bhattacharjee， P.， Singhal， R.S. Melatonina review on the lesser known potential nutraceutical[J]. International Journal of Pharmaceutical Sciences Research， 2011（2）：1975-1987.

[5]Reiter， R.J.， Tan， D.X.， Rosales-corral， S.， et al. The universal nature， unequal distribution and antioxidant functions of melatonin and its derivatives[J]. Mini Reviews in Medicinal Chemistry， 2013， 13（3）： 373.

[6]Lowden， A.， Akerstedt， T.， Wibom， R. Suppression of sleepiness and melatonin by bright light exposure during breaks in night work[J]. J Sleep Res， 2004， 13（1）： 37-43.

[7]倪知游，夏 惠，高 帆，等.外源褪黑素对猕猴桃幼苗盐胁迫的缓解作用[J].四川农业大学学报，2017，35（4）：535-539.

[8]唐 懿，余雪娜，何 娟，等.外源褪黑素对低温弱光胁迫下茄子幼苗生理特性的影响[J].湖南农业大学学报（自然科学版），2017，43（3）：257-261.

[9]Hernandezruiz， J.， Cano， A.， Arnaom， B. Melatonin： a growth-stimulating compound present in lupin tissues[J].Planta， 2004， 220（1）： 140-144.

[10]Kim， M.， Seo， H.， Park， C.， et al. Examination of the auxin hypothesis of phytomelatonin action in classical auxin assay systems in maize[M]// An inquiry into the medical curriculum /. W. Green & son， ltd. 2016： 48-58.

[11]Hernández-Ruiz， J.， Cano， A.， Arnao， M.B. Melatonin acts as a growth-stimulating compound in some monocot species[J]. Pineal Res， 2005（39）：137-142.

[12]Lee， H.Y.，Byeon， Y.，Tan， D.X.，et al. Arabidopsis serotonin Nacetyltransferase knockout mutant plants exhibit decreased melatonin and salicylic acid levels resulting in susceptibility to an avirulent pathogen[J]. J Pineal Res， 2015， 58（3）： 291-299.

[13]Sun， Q.， Zhang， N.， Wang， J.， et al.Melatonin promotes ripening and improves quality of tomato fruit during postharvest life[J]. J Exp Bot， 2015， 66（3）： 657-668.

[14]S.F.Pang.褪黑素及其受体的研究现状和展望[J].第二军医大学学报，2001（1）：5-7.

[15]赵 燕，王东华，赵曦陽.植物中褪黑素的研究进展[J].西北植物学报，2014，34（1）：196.

[16]Arnao， M.B.Phytomelatonin： discovery， content， and role in plants[J]. Adv Bot， 2014（2）：1-12.

[17]Tan， D.X.， Manchester， L.C.， Liu， X.， Rosales-Corral， S.A.， Acuna-Castroviejo， D.， Reiter， R.J. 2013. Mitochondria and chloroplasts as the original sites of melatonin synthesis： A hypothesis related to melatonin's primary function and evolution in eukaryotes[J].Journal of Pineal Research， 2013（54）：127-138.

[18]胡 苗，李佳颖，饶景萍.褪黑素处理对采后猕猴桃果实后熟衰老的影响[J].食品科学，2018， 39（19）：226-232.

[19]Gao， H.， Lu， Z.M.， Yang， Y.， et al. Melatonin treatment reduces chilling injury in peach fruit through its regulation of membrane fatty acid contents and phenolic metabolism[J]. Food Chemistry， 2018（245）： 659-666.

[20]张翠利，付丽娜，杨小云，等.活性氧自由基与细胞衰老关系的研究进展[J].广州化工，2015，43（19）：5-7.

[21]Lei， Q.， Wang， L.， Tan， D.X.， et.al. Identification of genes for melatonin synthetic enzymes in ‘Red Fuji apple （Malus domestica Borkh.cv.Red） and their expression and melatonin production during fruit development[J].Journal of Pineal Research， 2013， 55（4）： 443-451.

[22]Pieric， Moroni， F.， Marra， M.， et al. Melatonin is an efficient antioxidant[J]. Arch Gerontol Geriatr， 1995（20）： 159-165.

[23]刘建龙.外源褪黑素对梨果实发育、采后品质和抗轮纹病的影响及其调控机制研究[D].西北农林科技大学，2019.

[24]Gao， H.， Zhang， Z.K.， Chai， H.K.，et.al. MT treatment delays postharvest senescence and regulates reactive oxygen species metabolism in peach fruit[J].Postharvest Biology and Technology， 2016（118）： 103-110.

[25]辛丹丹，司金金，寇莉萍.黄瓜采后外源褪黑素处理提高品质和延缓衰老的研究[J].园艺学报，2017，44（5）：891-901.

[26]Ruelland， E.， Zachowski， A. How plants sense temperature[J]. Environmental and Experimental Botany， 201

0（69）： 225-32.

[27]Tan， D.X.， Manchester， L.C.， Reiter， R.J.， et al. Significance of melatonin in antioxidative defense system： Reactions and products[J]. Biological Signals and Receptors， 2000， 9（3-4）： 137-159.

[28]Lei， X.Y.，Zhu， R.Y.，Dai， Y.R.， et al. Attenuation of cold-induced apoptosis by exogenous melatonin in carrot suspension cells： the possible involvement of polyamines[J]. J Pineal Res， 2004（36）： 126-131.

[29]贾志伟，孙曼丽，常金梅，等.菜心采后褪黑素处理的低温保鲜效果分析[J].热带作物学报，2019，40（7）：1413-1420.

[30]尹赜鹏，王珍琪，齐明芳，等.外施褪黑素对盐胁迫下番茄幼苗光合功能的影响[J].生态学杂志，2019，38（2）：467-475.

[31]夏 惠，高 帆，胡荣平，等.褪黑素预处理对高温下猕猴桃幼苗抗氧化能力的影响[J].西北植物学报，2019，39（8）：1425-1433.

[32]Zhao， H.， Su， T.， Huo， L.， et.al.Unveiling the mechanism of melatonin impacts on maize seedling growth： sugar metabolism as a case[J].Journal of Pineal Research，2015（59）：255-266.

[33]Zhao， H.， Xu， L.， Su， T.， et.al.Melatonin regulates carbohydrate metabolism and defenses against pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 infection in  Arabidopsis thaliana[J].Journal of Pineal Research， 2015（59）：109-119.

[34]殷丽华.苹果属资源对苹果褐斑病的抗性机理及抗性诱导研究[D].西安：西北农林科技大学，2013.

[35]曹晶晶，于子超，张 颖，等.外源褪黑素对苹果采后灰霉病的防效及防御酶活性的影响[J].植物生理学报，2017，53（9）：1753-1760.

[36]冯雪立，董晓庆，朱守亮，等.褪黑素处理对蜂糖李果实的保鲜效应[J/OL].食品工业科技：1-12[2019-11-07].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1759.TS.20191016.1205.024.html.

[37]王 晶，洪 敏，馮 雨，等.外源褪黑素对“爱媛38号”柑橘品质和乙醇代谢的影响[J/OL].食品与发酵工业：1-10[2019-11-07].https：//doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.021282.