非热物理技术在鲜切果蔬保鲜中的应用研究进展

胡晓敏，黄彭，刘雯欣，吴昕晔，敬贤余，秦文

(四川农业大学 食品学院，四川 雅安，625014)

鲜切果蔬又称最小加工、轻微加工、半加工、即食或即用果蔬[1]。国际鲜切农产品协会将鲜切果蔬定义为：任何新鲜水果或蔬菜在物理上改变了其原始形态，但仍处于新鲜状态。一般都经过修剪、去皮、清洗并切割成100%可以利用的产品，再对其进行袋装或预包装，为消费者提供新鲜、营养、便捷和有价值的果蔬制品[2]。

20世纪50年代，由于市场对去皮马铃薯的需要，鲜切果蔬开始在美国应运而生，60年代由于快餐行业的需要开始进入商业化阶段，80年代在欧美和日本等发达国家开始迅速发展，直到90年代鲜切果蔬才开始在我国兴起[3]。随着现代生活方式的快节奏化，消费者更青睐新鲜、营养、健康和便利的食品，这促使鲜切果蔬产业的发展方兴未艾[4]。目前机关食堂、中央厨房、连锁餐饮和大型超市等对鲜切果蔬的需求较大，预计到2023年，我国鲜切蔬菜的市场规模将达到317.1亿元。然而，与完整的新鲜果蔬相比，切割是鲜切果蔬加工中最为关键的环节，这种切割所带来的机械损伤，一方面会造成微生物的侵染、不良风味的产生、酶促褐变、组织软化以及水分和营养物质的流失等一系列不良影响，加速鲜切果蔬的腐败变质，缩短其货架期，甚至还会带来食品安全风险[3, 5]；而另一方面由于机械损伤属于采后非生物胁迫，而新鲜果蔬又是活的有机体，这会诱导机体对于逆境的应激防御反应，通过加速细胞的次生代谢产生一系列生理生化反应，促使多酚、黄酮和花青素等具有生物活性的次生代谢产物的积累，从营养健康角度而言，提升了鲜切果蔬的抗氧化性能[6]。

近年来，鲜切果蔬的保鲜技术已成为科研人员的研究热点，主要涉及物理、化学和生物保鲜三大类技术。其中物理保鲜技术主要是通过调节产品所处的环境温度、湿度、压力和气体组成等方法来延长其货架期，具有简单高效率、安全无污染、绿色且环保等优点[7-8]。然而，由于鲜切果蔬对热比较敏感，加热处理极易破坏其细胞组织结构，影响其固有品质特性，而非热物理技术却能避免这些问题，因此，一直备受国内外学者的关注和认可。本文主要针对近些年国内外比较热门的6种非热物理技术在鲜切果蔬保鲜中的应用进行综述，旨在为科学研究和工业生产提供一定的借鉴或参考。

1 低温等离子体在鲜切果蔬保鲜中的应用

低温等离子体(cold plasma，CP)被视为不同于固体、液体和气体的物质的第四态，是由气体分子电离所形成的一种包括自由电子、带电离子、原子、原子团和分子等组成的正负电荷总量相等的离子化气状混合物[9]。CP在常温条件下即可产生，利用不同的气体(空气、臭氧和氮气等)通过介质阻挡、滑动电弧或射频等方式放电即可形成包含紫外线、活性氧(reactive oxygen species，ROS)和活性氮等多种活性成分在内的CP，研究发现在抑菌、防褐变、降解农残、维持果蔬品质等方面具有显著的效果[10-11]。

由表1可知，常用介质阻挡放电产生CP对鲜切果蔬进行保鲜，不仅可以直接用CP处理样品，还可以将CP与水混合形成CP活性水来处理样品。其中CP活性水处理不留死角，能全方位对样品表面残存的杂质或微生物进行清洗或消毒。LIU等[12]研究发现，CP活性水能有效抑制鲜切苹果上的细菌、霉菌和酵母的生长。SCHNABEL等[13]研究发现，用CP活性水清洗生菜能有效去污和杀菌，这与臭氧水、氯水、电解水等化学处理相比具有潜在的商用价值。CP处理还能抑制褐变、维持鲜切果蔬的硬度，TAPPI等[14-15]研究发现，CP处理鲜切苹果在贮藏4 h后褐变面积减少65%。此外，CP中的ROS有利有弊，一方面ROS作为信号转导分子，加速诱导机体的次生代谢，如苯丙烷代谢途径中酚类物质的积累，增强鲜切火龙果的抗氧化能力[10]；另一方面大量的ROS在杀菌的同时，还会氧化鲜切苹果中的VC和多酚等抗氧化物质[12]。虽然CP被证实具有显著的保鲜效果，但是它对鲜切果蔬的保鲜研究仍处于初级阶段，因为目前对于该技术的一些作用机制尚不完善，比如杀菌、抗褐变、促进次生代谢等机制。此外，对于CP中所包含的各种复杂的活性粒子，是否会形成有毒化合物的问题仍存在争议，故还需要做更深入的研究[3]。

2 电子束辐照在鲜切果蔬保鲜中的应用

目前，我国食品辐照技术最成熟的是使用60Co或137Se作为放射源的γ-射线，但这存在放射性污染与核泄漏的问题，引发消费者对食品安全的担忧。而电子束辐照(electron beam irradiation，EBI)却能防止这些弊端的出现，它是一种安全绿色，甚至可以替代γ-射线的新型技术[16]。与γ-射线相比，电子束不需要放射性同位素来产生电离辐射，而是通过电子加速器在真空环境下，以0.15 M～10 MeV的高能水平将电子加速到接近光速时即可产生。

由表1可知，EBI主要应用于鲜切果蔬的抑菌方面，其杀菌机理主要是破坏DNA结构，使酶和膜蛋白变性，从而导致微生物细胞的正常功能丧失；此外，还可通过间接作用，使一些物质发生辐解形成活性自由基，氧化微生物细胞膜，破坏细胞的完整结构，使其生长、发育和繁殖受阻[17]。PALEKAR等[18]研究发现，经EBI处理的鲜切哈密瓜中的沙门氏菌减少了3.8 lgCFU/g，这表明EBI是减少食源性致病菌的有效方法，从而降低食源性疾病风险的发生。此外，EBI在维持鲜切果蔬色泽方面的应用效果也较显著，SMITH等[19]研究发现，经EBI处理鲜切西瓜的颜色更红，这是因为该处理增加了细胞膜的通透性，使番茄红素溶出的缘故。冯岩岩等[20]研究发现EBI处理能抑制鲜切牛蒡中多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)的活性，还能抑制苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonium lyase，PAL)的活性，从而降低酚类的合成，进一步减少酶促褐变反应中酶的活性和底物的浓度，起到抑制褐变的作用。美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration，FDA)规定EBI的使用剂量，除了新鲜的生菜和菠菜可以辐射到4.5 kGy，其他新鲜的果蔬允许使用的剂量为≤1.0 kGy[3,19]。但是由于EBI在鲜切果蔬中的应用处于兴起阶段，因此对EBI最大剂量应用的安全性和可行性仍存争议，未来还需不断地探索证明。

3 紫外光照射在鲜切果蔬保鲜中的应用

紫外光(ultraviolet，UV)的波长在10～400 nm，根据生物效应的不同将其分为4个波段：10～200 nm的真空紫外(UV-D)；200～280 nm的短波紫外(UV-C)；280～315 nm的中波紫外(UV-B)和315～400 nm的长波紫外(UV-A)[21]。由于核酸对紫外的吸收、反应波峰分别为260～265 nm、260～269 nm，故常用UV-C杀菌贮藏食品，其原理是通过光化学反应诱导细菌的DNA形成嘧啶二聚体，从而破坏DNA结构使蛋白质合成受阻；此外，高剂量的UV-C还可直接破坏膜蛋白，影响细胞膜结构导致微生物细胞裂解死亡[21]。由表1可知，UV-C处理鲜切果蔬的剂量越高杀菌效果越好，但是高剂量又会给其他品质带来不良影响，因为高剂量的UV-C照射在杀菌的同时，还容易导致果蔬组织细胞脂膜过氧化，使细胞通透性增大。这不仅增加了原本区域化的酶与底物接触的机会进一步导致酶促褐变，还严重损伤细胞导致硬度降低。WANG等[22]研究发现，适宜剂量的UV-C能抑制鲜切藕片的褐变，剂量过高过低对褐变均无抑制作用，高剂量反而加剧褐变，但高剂量抑制微生物生长的效果更好。UV-C除了具有杀菌、抑制褐变的作用外，在诱导鲜切果蔬次生代谢方面的应用也较广泛，主要通过刺激机体产生ROS(特别是H2O2)，在抵御外界微生物侵染的同时，还能调控机体酚类物质代谢中关键酶活性，如PAL、4-香豆酸辅酶A连接酶(4-coumarate coenzyme A ligase，4CL)和肉桂酸-4-羟化酶，进一步催化酚类物质的合成积累。酚类物质是果蔬中最常见的次生代谢产物，也是最重要的抗氧化物质之一，酚类物质的积累不仅体现了果蔬中营养品质的增加，也意味着果蔬抗氧化能力的提升。已有许多研究发现，采用适宜剂量的UV-C照射不仅能使鲜切草莓[6]、鲜切红心萝卜[23]和鲜切胡萝卜[24]等鲜切果蔬中总酚含量增加，还能使其抗氧化能力提升。除此之外，COLLADO等[25]研究发现，UV-C处理还能减少鲜切蚕豆中抗营养因子(植酸、棉子糖和缩合单宁)的含量。LI等[6]研究表明，UV-C处理还能抑制鲜切草莓中不良的苦味、涩味和酸味的产生。

表1 非热物理技术在鲜切果蔬保鲜中的应用Table 1 Application of non-thermal physical technologies in fresh-cut fruits and vegetables preservation

根据已有的研究结果表明，UV-A和UV-B在杀菌方面存在一定的局限性。但是UV-A穿透能力强，能显著影响PPO活性，在抑制褐变方面的效果较好，LANTE等[26]研究发现UV-A处理鲜切苹果能抑制60%的褐变。而UV-B的主要作用则是诱导鲜切果蔬次生代谢中酚类物质的积累，DU等[27-28]研究发现1.3 kJ/m2UV-B处理鲜切生菜的总酚比对照增加了3倍，还发现当鲜切胡萝卜的比表面积越大，经UV-B处理后的酚类物质积累越多。综上所述，UV对鲜切果蔬的保鲜效果，取决于UV的类型和照射剂量，还与果蔬的种类有关。UV作为一种廉价易得、简单易上手、杀菌和保鲜效果显著的技术，近年来受到了广泛的关注，相信在未来也会是研究的热点。

4 脉冲光处理在鲜切果蔬保鲜中的应用

脉冲光(pulsed light，PL)是从连续的UV处理演变而来，指利用惰性气体(氙气为主)闪光灯，在紫外光、可见光和红外光的频率区域内(200～1 100 nm)产生短时间、高功率的广谱光脉冲，具有成本低廉、环保节能、方便灵活、短时高效等优点。1996年美国FDA批准PL可用于食品杀菌，并规定其剂量不得超12 J/cm2，脉冲宽度不得超2 ms[46]。由表1可知，PL主要应用于鲜切果蔬表面杀菌，其杀菌原理一是通过光化学效应，主要是UV-C对细菌DNA的破坏；二是通过光热或光物理效应，破坏细菌的细胞膜、蛋白质和其他成分。研究发现，金黄色葡萄球菌对PL最敏感，其次是大肠杆菌O157∶H7和沙门氏菌，而单核增生李斯特菌对PL抗性最强[32]。这也许与细菌细胞的结构有关，其中革兰氏阳性细菌，如单核增生李斯特菌有较厚的肽聚糖层，能保护细胞质中DNA不受PL影响。此外，PL对不同切割方式的鲜切果蔬的杀菌效果也不一样，KOH等[35]研究PL处理切割成球形、长方体形和三棱镜形的哈密瓜，发现球状样品中的微生物最少。这也许是与样品的比表面积和切割伤的大小有关；也可能是因为球状样品可以减少脉冲光在其表面的散射所致。由此可见，PL在鲜切果蔬杀菌方面有巨大潜力。然而，PL的光热效应会给产品带来不利影响，在破坏细菌壁膜的同时还会使部分果肉组织细胞裂解，从而导致组织软化或褐变。已有报道显示，PL结合可食性涂膜保鲜，能进一步抑制鲜切苹果[47]和鲜切哈密瓜[48]硬度的下降，这是因为可食涂膜能结合细胞中的果胶和纤维素成分，避免PL对果肉细胞的破坏，因此二者联用能更好地保持细胞壁的完整性。虽然FDA早已批准PL在食品中的应用，但是PL在鲜切果蔬方面的应用仍处于研究阶段，PL对各类鲜切果蔬的安全品质、感官品质和营养品质等的影响仍需进一步研究。

5 高静水压处理在鲜切果蔬保鲜中的应用

高静水压(high hydrostatic pressure，HHP)处理又称超高压处理是一种新型的非热加工技术，对食品的感官特性、营养成分或挥发性风味物质等品质的影响极小[49]。HHP通常是将产品置于密闭弹性包装容器内，利用液体(常用水)作为传压介质，施加100 MPa以上的高压并维持一定时间，在低温或常温下即可达到加工所需目的，在HHP处理过程中，不论物料的状态、大小或成分如何，压力都可以均匀地分布在被加工产品的各个位置[4]。由表1可知，用300～600 MPa的压力能杀灭鲜切果蔬中的致病菌并维持产品整体的品质属性，但是施加的高压在一定程度上会使细胞的膨压下降，甚至破坏细胞导致产品硬度降低。不过在相对较低压力下能诱导次生代谢，促使某些营养物质增加。RAMOS-PARRA等[37]研究发现，HHP能诱导鲜切木瓜细胞中的氧化应激反应，产生ROS触发与类胡萝卜素代谢相关酶及其转录基因表达，从而增加机体对类胡萝卜素的代谢合成。WOO等[39]研究发现，HHP联合阳离子表面活性剂洗涤鲜切西兰花，能进一步杀灭单核增生李斯特菌，还能保留鲜切西兰花中主要的抗癌活性物质硫代葡萄糖酸盐含量。但是在实际应用中，该技术存在经济成本投入大、维修成本高等原因，难以实现大规模工业化应用。

6 加压惰性气体在鲜切果蔬保鲜中的应用

惰性气体，如氮气(N2)、氩气(Ar)和氙气(Xe)等，是一类无色、无味、无毒且化学活性较低的分子，几乎不与其他物质发生反应，能与氧分子竞争酶的结合位点，从而抑制酶活性[50]。而加压惰性气体(pressurized inert gases，PIG)是指在一定的温度和压力下，惰性气体能与果蔬组织中的水分子形成气体水合物，使得组织中的水分子被“结构化”，即游离水分子以氢键相连形成笼状结构，惰性气体分子则被填充在其中，形成稳定的惰性气体水合物。水分子的“结构化”限制了水的流动性，从而降低代谢底物的扩散速率，抑制果蔬的生理代谢反应，起到保鲜的作用。由表1可知，该技术在鲜切紫甘蓝[40]、鲜切黄瓜[41]、鲜切红枣[42]和鲜切梨[43]等中的应用均能显著阻止水分迁移，控制失水率。WU等[45]研究发现，加压氩气和氙气处理鲜切苹果，不仅能促进PAL和过氧化物酶(peroxidase,POD)的活性，还能诱导次生代谢促进H2O2、酚类和木质素的积累，从而提升了机体的愈伤防御能力，还能抑制大肠杆菌和酿酒酵母的浸染。XU等[43]研究发现，加压氮气处理对鲜切梨的颜色和硬度有负面影响，当使用0.3%(质量分数)VC和0.5%(质量分数)CaCl2浸泡3 min后再进行处理可扭转这种不利现象。由此可见，PIG在鲜切果蔬保鲜中的应用效果较好，当结合其他处理方法的保鲜效果更佳。与HHP处理相比加压惰气所需的压力更小，因此成本和维修费用也更低，操作相对而言更安全，更容易推广这项技术，在实际工业化应用也更广泛。

7 非热物理技术在鲜切果蔬保鲜中的应用对比分析

根据前述对6种非热物理技术在鲜切果蔬保鲜中的应用，可以发现这些技术都具有简单高效、易于推广、绿色安全和节能环保等优点。但目前在鲜切果蔬的实际应用中，紫外光处理应用最为广泛；低温等离子体、电子束辐照、脉冲光处理和加压惰性气体正处于研究阶段，需要大量的理论数据支撑技术的可行性；而高静水压由于设备成本相对较高，在科学研究和工业生产中的应用均存在一定局限性。

表2对比分析了各个非热物理技术的利弊、主要作用和可能适宜应用的鲜切果蔬类型。由表2可以看出，电子束辐照、紫外光和脉冲光主要作用于样品的表面，因此适合于切面较为平整的鲜切果蔬的杀菌；高静水压和加压惰性气体能均匀作用于整个样品，故更适合于结构较为复杂的鲜切果蔬杀菌，如鲜切西兰花和鲜切卷心菜等；其中低温等离子体的作用方式有2种，直接处理和形成活性水处理，因此低温等离子体适合于任何鲜切果蔬杀菌。然而，由于各种非热物理技术杀菌的机理不同，通常要杀灭鲜切果蔬残存的微生物需要较大的强度，而强度过高又会给果蔬品质带来不利影响，因此研究非热物理技术结合其他技术对鲜切果蔬保鲜的协同作用是很有必要的。此外，低温等离子体、电子束辐照和紫外光照射对抑制鲜切果蔬褐变方面效果较好；加压惰性气体对维持鲜切果蔬的水分具有良好效果。

表2 非热物理技术的利弊、主要作用和可能适宜应用的鲜切果蔬类型Table 2 Advantages and disadvantages, main functions and applicable types of non-thermal physical technologies

8 总结与展望

综上所述，非热物理技术对鲜切果蔬的感官、营养和风味等品质影响极小，在抑制细菌、真菌和致病菌等微生物的生长繁殖方面效果明显，同时还能抑制褐变、维持果肉的质地并且降低营养物质的损失，在一定程度上延长了产品的货架期。更重要的是，这些技术在适当条件下处理，还能诱导一些鲜切果蔬中有益于人体健康的次生代谢产物，特别是酚类物质的积累，提升产品的营养价值，可为日常饮食提供廉价易得的酚类抗氧化剂。虽然各个非热物理技术在鲜切果蔬保鲜中均有一定效果，但是由于每种鲜切果蔬自身的基质差异，同一非热物理技术并不适用于所有的鲜切果蔬，而且某种技术的不同处理条件对同一鲜切果蔬的保鲜效果也不一样，因此针对不同种类的鲜切果蔬还需要通过实验来确定适宜的技术和条件，以期在最大经济效益下达到最佳的保鲜效果。此外，由于每项技术存在一定的局限性，一些研究发现将各个物理技术联合或结合其他方法使用的保鲜效果也许会更好，这为鲜切果蔬的保鲜研究提供了新的思路，具有重要的理论价值。

随着现代经济社会的飞速发展，以及人民生活方式的快节奏化，鲜切果蔬因其具有新鲜、便利和营养等优点越发受到广大消费者的喜爱。为此，鲜切果蔬的市场份额也在逐年增大，已成为农产品未来发展的一大方向，这将带动保鲜技术的不断发展。非热物理技术作为一种安全、高效和绿色的保鲜技术，已受到国内外的广泛关注，未来这类技术除了研究其对鲜切果蔬的保鲜效果外，还应从如下几点突破：(1)由于每种鲜切果蔬拥有特殊的香气，这是衡量其感官品质的重要指标，因此利用GC-MS分析鲜切果蔬在贮藏过程中香气物质的变化很有必要；(2)深入研究各项技术的具体作用机制，如杀灭微生物、抑制酶促褐变、维持硬度和促进次生代谢等方面的机制；(3)从分子生物学角度进一步揭示各个技术对鲜切果蔬保鲜的本质，加速技术从实验室到生产应用的推广，为实际生产和消费提供科学依据和膳食指导。此外，由于非热物理技术均需在机械设备的辅助下进行，机械化处理更适宜工业化批量应用与生产，相信未来在鲜切果蔬的保鲜中，非热物理技术必将发挥越来越大的作用。