ε-聚赖氨酸在果蔬采后贮藏保鲜中的应用研究进展

袁帅，王秀红，白春美，李荣超，孟德梅，2*

（1.天津科技大学食品科学与工程学院，天津 300457；2.天津捷盛东辉保鲜科技有限公司，天津 300300）

果蔬采后贮运过程中极易受到病原微生物的侵染，导致果蔬品质下降并对消费者的健康产生潜在危害。据统计，我国果蔬年损耗约两亿吨，损耗率高达30%[1]。化学杀菌剂是目前生产上防治果蔬病害的主要技术，虽然简便有效，但给生态环境造成了污染，而且有潜在的食品安全风险[2]。若长时间使用一种或几种药剂，极易增强病原菌对药剂的耐药性，最终导致病害更难防治[3]。因此，亟需寻找绿色、安全、高效的措施来控制果蔬采后病害的发生，达到防腐保鲜和延长果蔬贮藏期的目的。

ε-聚赖氨酸（ε-polylysine，ε-PL）是 1977 年由日本学者在白色链霉菌（Streptomyces albulus）发酵液中发现的天然代谢产物[4]。ε-PL呈高聚合多价阳离子态（如图1），具有广谱抑菌活性[5-6]，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌以及真菌的生长繁殖都有较好的抑制作用[7-9]。ε-PL可通过静电吸附作用于细胞膜，改变细胞膜通透性、破坏细胞结构和抑制细胞代谢达到抑菌效果[10-11]。ε-PL的安全性也已在小鼠实验中得到证实，不会对生物体产生毒副作用，是一种天然、安全、高效的食品添加剂[12]，并被美国、日本、韩国和中国等国家批准为安全的食品防腐剂[13]。目前，ε-PL已经被用于苹果[14]、竹笋[15]、猕猴桃[16]、胡萝卜[17]、柑橘[18]等多种果蔬的采后防腐保鲜研究中。本文主要从ε-PL单独使用或与其它保鲜方法结合后的保鲜效果方面综述ε-PL在果蔬贮藏保鲜中的应用现状，以期为ε-PL在果蔬采后保鲜中的深入研究及应用提供参考。

图1 ε-PL的结构简式Fig.1 The condensed structural formula of ε-PL

1 ε-PL对果蔬中常见病原菌的抑制作用

1.1 ε-PL对菌体生长和繁殖的影响

抑菌剂对菌体生长和繁殖的影响是衡量其抑菌效果的重要指标。多项研究报道显示，ε-PL可有效抑制菌体生长，降低产孢子能力并抑制孢子的萌发。姜辣等[19]研究ε-PL盐酸盐对扩展青霉生长和产毒的影响，结果显示0.4 mg/mL ε-PL便可有效抑制孢子萌发，浓度为1.2 mg/mL的ε-PL抑制孢子萌发及菌体生长的效果最好。Wei等[20]用ε-PL体外处理粉红单端孢霉，发现200 μL/L ε-PL能够破坏孢子的形态，造成表面粗糙且萎缩；同时ε-PL可在质膜上形成通道进入孢子内部，使其进一步被破坏，并抑制该菌菌丝的生长，通过多方面影响达到抑菌的目的。吴倩等[21]用ε-PL体外处理从甜瓜中分离出的链格孢菌和爪甲曲霉两种病原菌，发现两种病原菌孢子数量均明显下降，20 mg/L的ε-PL处理能够完全抑制菌丝的生长。

1.2 ε-PL对细胞完整性的影响

细胞膜和细胞壁的完整性是细胞维持正常生理活动的基础。目前，相关文献研究发现，ε-PL的抗菌活性是静电力与微生物细胞表面的相互作用，通过桶壁模型、环形孔模型和地毯模型等形式破坏细胞膜[6，22]，造成细胞膜渗透性增强、膜结构崩解以及内容物流出，从而起到抑菌的效果[23-24]。例如，肖媛等[18]研究发现，ε-PL不仅能够使柑橘酸腐菌的细胞膜通透性增加，核酸等胞内物质外渗流出，细胞膜完整性遭到破坏，而且使菌丝体形态结构发生畸变、孢子萌发受阻，进而抑制了菌体细胞的生长繁殖。Liu等[25]研究了ε-PL对指状青霉的抑菌机制，发现ε-PL造成菌丝干瘪、表面粗糙，破坏了细胞质膜的完整性导致内容物发生泄漏，而且ε-PL还可引起膜脂过氧化产生丙二醛（malondialdehyde，MDA），造成病原菌细胞进一步损伤。刘志恬等[26]试验发现，ε-PL处理链格孢菌后孢子染色率明显增加，荧光显微下观察到细胞膜和线粒体的完整性降低，且和ε-PL浓度呈现正相关，说明ε-PL严重破坏了链格孢菌的细胞膜结构。

1.3 ε-PL对细胞代谢的影响

多项研究发现，ε-PL穿透微生物细胞后，可进一步与细胞质和核酸相互作用，破坏DNA结构，引起DNA泄露并阻碍DNA合成，抑制菌体细胞内蛋白的合成及代谢[12，17]。Ye 等[27]在研究中发现，ε-PL 不仅可以破坏病原菌细胞结构，还可引发细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）胁迫，诱导氧化胁迫基因 sodA和oxyR表达水平的上升，同时可调控DNA损伤反应调控基因recA和lexA的表达、下调致病基因eaeA和espA的表达水平，最终造成病原菌细胞死亡。Li等[28]发现ε-PL处理后灰霉菌细胞结构被破坏引起胞内物质流出，促进体内ROS的积累，并导致菌体内BcXyn11 A与BcRAS1等致病基因的表达量下调，最终抑制灰霉菌的生长繁殖。

以上多项研究显示，ε-PL可通过破坏细胞膜完整性和细胞结构、抑制细胞代谢等不同方式抑制果蔬中多种病菌的生长和繁殖。ε-PL对果蔬中常见病原菌的抑制作用和抑制效果分别见图2和表1。

图2 ε-PL对果蔬中常见病原菌的抑制作用Fig.2 The inhibition effect of ε-PL on common pathogens in fruits and vegetables

表1 ε-PL对采后果蔬常见病原菌的抑制效果Table 1 The inhibitory effect on common pathogens of postharvest fruits and vegetables

2 ε-PL在果蔬采后保鲜中的应用研究

ε-PL作为新型食品防腐保鲜剂，研究发现其对多种类型的果蔬均具有良好防腐保鲜效果，不仅能抑制引起果蔬腐烂的微生物生长繁殖，还可降低果蔬呼吸强度、延缓果蔬褐变、保持果蔬良好的品质，还可调控果实自身的ROS代谢、苯丙烷代谢途径、茉莉酸类物质（jasmonic acids，JAs）的合成以及基因的表达等，提高果蔬的抗病能力。例如，Li等[16]在海藻酸基质的可食用涂膜中加入不同浓度的ε-PL，发现含有0.05%ε-PL的海藻酸涂膜处理，显著降低了鲜切猕猴桃果实中的电解质渗透率和MDA含量，同时保持了鲜切猕猴桃的色泽、总叶绿素和抗坏血酸含量、抗氧化能力及果实形态特性。巴良杰等[29]用浸泡500 μg/mL ε-PL的保鲜纸贮藏李子，与对照组相比ε-PL保鲜纸显著抑制了果实的腐烂率、失重率及MDA含量的增加，削弱了果实的呼吸强度和乙烯的释放，维持了果实良好的营养和感官品质。此外，有研究表明，ε-PL的抑菌效果具有最适浓度选择性。秦芸桦等[15]用ε-PL处理鲜切竹笋时发现，100 mg/L ε-PL虽然可以很好地抑制微生物繁殖、减轻水分的损失，但该浓度下ε-PL破坏了竹笋细胞结构，导致竹笋感官品质的下降。而且ε-PL单独使用的效果较弱，使用后很快会被消耗尽而失去活性。将其与其它抗菌剂、保鲜剂、物理保鲜方法进行联合使用，通过协同作用可显著增强其抗菌活性，降低保鲜成本[30-31]。

2.1 ε-PL与乳酸链球菌素（Nisin）的联合应用

Nisin是由乳酸链球菌产生的一种多肽物质,其抑菌效果强、安全性高，在一些国家甚至不限制其使用量[32]。但其是一种窄谱细菌素，仅能有效杀灭引起食品腐败的革兰氏阳性菌[33]。在一些研究中发现，Nisin和ε-PL具有协同作用，在相对较低的浓度下便抑制革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的生长繁殖。但在抑菌过程中两者主要作用的对象不同。Nisin对细胞壁的破坏作用强于ε-PL，在1/4最小抑菌浓度（the minimum inhibitory concentration，MIC）下Nisin便可破坏细胞结构，有助于ε-PL进一步破坏细菌细胞内部结构[34-35]。

毕文慧等[36]研究了 ε-PL、Nisin、曲酸复配对青椒细菌性软腐病的抑制效果，3种生物抑菌剂具有协同增强效果；其中ε-PL和Nisin均可作用于细胞膜，改变膜的通透性并阻碍磷脂化合物的合成，从而破坏细胞膜的稳定性达到抑菌的目的，曲酸可为两者提供稳定的酸性环境增强其作用效果；以161.5 mg/L ε-PL、181.00 mg/L Nisin、13.34 g/L曲酸复配时效果最佳，有效地抑制了青椒贮藏期间叶绿素、VC及可溶性固形物含量的下降，降低了失重率，维持了青椒良好的感官品质。陈东杰等[37]讨论了不同生物保鲜剂复配对樱桃保鲜的效果，采用ε-PL+Nisin+普鲁兰糖+纳他霉素复配，普鲁兰糖具有的成膜性显著降低了贮藏期间的失重率和腐烂率，减缓VC、可溶性固形物和可滴定酸含量的下降，ε-PL、Nisin和纳他霉素的复配作用可破坏细菌细胞结构，有效抑制绝大多数腐败菌的生长繁殖，保持较好的感官品质。黄现青等[38]将ε-PL、Nisin、生物表面活性素按质量百分比1∶1∶1混合，用不同浓度处理草莓进行防腐试验。在其所取范围内，保鲜效果和复合保鲜剂浓度呈正相关，显著抑制了点青霉的生长繁殖并降低了孢子的数量。Song等[17]以鲜切胡萝卜为试材，用ε-PL和Nisin结合壳聚糖涂膜处理，结果显示，3种保鲜剂联合处理后显著抑制了胡萝卜的呼吸速率、抗坏血酸含量的下降及多种微生物的生长繁殖，显著增加了样品中的总酚含量和抗病相关酶活，并可抑制Dc4CL和DcC4H基因的表达，降低木质素的合成，保持了鲜切胡萝卜的贮藏品质。

2.2 ε-PL与抗坏血酸（vitamin C，VC）的联合应用

VC是一种多羟基化合物，具有强烈的还原性，可清除生物体内产生的自由基，延缓果蔬的生理衰老过程[39]。多个试验表明，经ε-PL和VC结合处理后的保鲜效果要优于ε-PL或VC二者任一单独处理。郁杰等[40]以鲜切菠菜为试材，将ε-PL、L-VC按不同浓度复配，探究两者复配保鲜的可行性。试验结果显示，ε-PL主要起到了抗菌的作用，但单独使用调控活性氧代谢能力一般；抗坏血酸主要作用于果实，例如可抑制样品细胞膜脂过氧化作用，降低细胞内MDA的积累速度，并可提高细胞的超氧化物歧化酶的活性及抗氧化能力，两者复配使用具有显著协同增效的作用。其中0.05 g/L ε-PL＋10 g/L VC组最好，贮藏期与两者单独处理相比延长。刘硕等[41]研究了ε-PL对鲜切甘薯褐变的影响，在4℃条件下贮藏，考察0.03%ε-PL处理、5%抗坏血酸钙处理及0.03%ε-PL+5%抗坏血酸钙，3种不同处理对鲜切甘薯贮藏品质的影响。其中0.03%ε-PL+5%抗坏血酸钙复配处理保鲜效果最好，有效抑制了鲜切甘薯贮藏期间的菌落总数，降低了褐变度，保持了较高的总酚含量，并有效抑制了样品中多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）、过氧化物酶（peroxidase，POD）和苯丙氨酸解氨酶（L-phenylalanine ammonialyase，PAL）活性的升高，达到了抑制鲜切甘薯褐变和延长贮藏期的目的。

2.3 ε-PL与壳聚糖（chitosan，CTS）的联合应用

CTS是甲壳素N-脱乙酰基的产物，是一种天然保鲜物质，可在果实表面形成膜，阻止果蔬内外的气体交换，从而抑制果蔬呼吸、延缓衰老,达到保鲜的目的[42-43]。且相关研究证实，ε-PL和CTS形成的共价复合物，对细菌和真菌均具有一定的抗菌活性。复合物可以增强细胞内膜和外膜的通透性，最终引起细胞膜的破裂导致病原菌死亡[44]。

唐琦等[45]以金冠苹果为试材，用 50 μL/L ε-PL 复合1.0%CTS进行处理，以清水处理的果实作为对照。研究表明，CTS形成的膜降低了果实的透气性，使果实的呼吸高峰、质量损失率显著下降，试验组果实可溶性固形物含量、硬度、VC含量和可滴定酸含量的下降程度均低于对照组，说明CTS复合ε-PL处理明显降低了苹果果实消耗自身营养物质的速率。Shen等[46]研究发现采用ε-PL/CTS结合4 MPa加压氩气在4℃温度处理鲜切土豆，加压氩气限制样品中水流动性和酶活性，ε-PL/CTS涂层降低了样品与环境之间的气体交换，延缓了水分、抗坏血酸、颜色和硬度的流失，抑制了呼吸速率、MDA含量和酶活性（PPO和POD）的升高，保存效果明显好于单独处理。叶青青等[47]研究了CTS/ε-PL复合膜对柑橘保鲜的影响，制备了含有不同ε-PL 质量分数（ε-PL 相对于 CTS）的 CTS/ε-PL 复合膜，对复合膜的抑菌性及应用于柑橘贮藏保鲜的效果进行研究。结果表明，复合膜的抑菌性随着ε-PL浓度的增加而增强。使用复合膜后有效减缓了贮藏期间柑橘感官分值的下降，降低了柑橘果实的质量损失率和腐败率，同时降低了果实中糖含量和VC含量。该结果说明添加ε-PL后提高了CTS膜的抑菌性，而且二者的复合膜对柑橘有良好的保鲜效果。吴海霜等[48]为解决鲜切茄子的褐变问题，通过改变ε-PL的含量制备了多种ε-PL-CTS/聚乙烯复合膜，探究了含有不同ε-PL含量的复合膜对鲜切茄子保鲜效果的影响。结果发现，含有5%ε-PL含量的ε-PL-CTS/聚乙烯复合膜在减少鲜切茄子中营养物质消耗和水分流失，及抑制茄子褐变方面的保鲜效果最好。

2.4 ε-PL与物理保鲜方法的联合应用

在果蔬保鲜中采用的物理手段主要包括低温、气调、臭氧、辐照、紫外、微波、超声波等方式，低温保鲜可降低果蔬的呼吸并抑制腐败菌的生长繁殖，但低温保鲜会导致果蔬发生冷害造成品质下降；气调保鲜与低温保鲜效果相似，均可抑制细胞呼吸作用；辐照、紫外、微波、超声波处理均通过杀灭腐败菌的方式起到保鲜效果，但也都存在一定的副作用以及不足之处[49]。采用合适剂量的物理手段处理[如超声处理、紫外线（ultraviolet，UV）辐射等]可破坏病原菌细胞结构，有助于ε-PL在病原菌细胞膜上的吸收，二者能有效协同抑制病原菌的生长。此外，多项研究表明ε-PL与物理保鲜方法能够协同诱导果蔬体内抗病能力增加，保持果蔬贮藏品质。

Li等[50]研究表明，超声结合ε-PL处理能够有效保持水分子和大分子之间的氢键，从而抑制果蔬的呼吸代谢，降低失水率。Wang等研究表明[51]，超声处理产生的自由基能够与PPO和POD中的氨基酸作用，从而抑制酶的活性。此外，超声处理的空化效应还可以导致溶氧的消除和微生物失活[52]。Fan等[53]研究发现，用超声波结合ε-PL处理，23 W/L超声波结合0.4 g/L ε-PL的保鲜效果优于两者单独处理对鲜切莴苣的保鲜效果，不仅能够协同抑制莴苣中不同类型微生物的生长，而且协同抑制了样品的失重率、色差值、PPO和POD酶活、呼吸速率、水分的迁移，有效保持了总酚、VC和叶绿素含量，提高了鲜切莴苣的贮藏品质。郁杰等[54]用低强度UV-A区紫外光循环照射结合ε-PL处理鲜切菠菜，在0.588 kJ/m2的UV-A区紫外光以间隔8 h的频率光照结合0.05 g/L ε-PL溶液复合处理后有效抑制腐败菌的生长，减缓叶绿素和营养成分的消耗，可延长货架期至12 d。刘璐等[55]以砂蜜豆樱桃为试材，研究了浓度分别为100、300、500 mg/L的ε-PL对樱桃冰温（-0.5±0.5）℃条件下保鲜效果及品质的影响。结果表明，与对照组相比，ε-PL可有效保持樱桃贮藏期间的品质。其中，500 mg/L ε-PL处理的樱桃在冰温贮藏期间达到了最好的保鲜效果。于继男等[56]在冰温条件下研究了ε-PL对蓝莓贮藏保鲜的效果，发现能够有效延缓蓝莓的腐烂、抑制VC和花色苷的减少，抑制蓝莓的呼吸强度、乙烯生成速率以及过氧化氢活力，而且经300 μg/L ε-PL处理后的试验组效果最佳。曹森等[57]用纳他霉素、ε-PL、CTS分别处理蓝莓果实，冰温贮藏于（0.5±0.5）℃冷库中，发现ε-PL也具有很好的保鲜效果，但纳他霉素的效果优于ε-PL。

以上研究显示，将ε-PL与其它抗菌剂、保鲜剂、物理保鲜方法联合使用，产生协同作用可有效提高其防腐保鲜效果，延长果蔬货架期，保持良好的感官品质，具体见表2。

表2 ε-PL及与其它保鲜方法的联合应用Table 2 Application of ε-PL alone or combined with other fresh-keeping methods

3 展望

虽然ε-PL被大量研究证明在多种果蔬中具有很好的防腐保鲜效果，而且能够与其它抗菌剂/保鲜剂及物理保鲜方法联合应用于果蔬的保鲜，但是截至目前仅停留在研究层面，由于成本的原因大多数农户还是愿意选择低廉的化学保鲜剂。目前，关于ε-PL在果蔬防腐保鲜中的确切作用机制，尤其分子机制方面的研究仍是空白。此外，果蔬体内环境复杂，不同果蔬中的主要成分（糖、酸等）也不同，加之pH值、渗透压环境也各异及复杂的贮藏环境，因此果蔬的化学组成、物理环境和贮藏环境都对ε-PL的活性发挥也会有影响，这无疑对ε-PL规模化应用到果蔬防腐保鲜中造成了很大的挑战性。

针对上述几个问题，未来需要从以下几方面加强研究：加大有关ε-PL规模化试验中的应用及在商品化农业实践中的整合应用方面的研究；深入研究ε-PL的抗菌机制，并从分子和细胞水平上深入阐明其在果蔬中的抑菌、抗病和保鲜机理，为开发高效的ε-PL产品提供理论基础；在全面和深入研究ε-PL活性影响因素的基础上，与其它保鲜方法联合使用，开发持续性、广谱性和稳定性的复合保鲜方法。