1-MCP在果蔬体内的药代规律研究及产品开发进展

赵愉涵，李有媛，赵韩栋，陈庆敏，孙 斐，焦文晓，傅茂润,*

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院）食品科学与工程学院，山东 济南 250353；2.山东农业工程学院食品科学与工程学院，山东 济南 250100）

1-甲基环丙烯（1-Methylcyclopropene，1-MCP），分子式为C4H6，是一种在常温下以气体形式存在的高效、低毒、安全的环丙烯类化合物。Sisler等[1]发现，1-MCP可通过干扰乙烯与其受体蛋白金属离子中的电子结合，不可逆地抢占乙烯受体，阻断乙烯信号的传导，使受体保持钝化状态，从而在激素水平上影响果实对乙烯的响应。作为一种活性强、抑制效应强、时效性好的乙烯抑制剂[2]，1-MCP可有效干扰内源乙烯促进衰老的作用及间接的分子生物学、生物化学代谢过程，对果实的初级代谢和次级代谢，如呼吸作用、挥发性物质生成、叶绿素降解、颜色变化、蛋白质和膜的变化、酸度和糖类代谢等产生多重影响，从而延长贮藏期和货架期，在果蔬贮藏保鲜领域得到了广泛应用[3-6]。

1 1-MCP在果蔬体内的药代规律

1-MCP进入果实内部后，部分与乙烯受体、非受体物质结合，还有部分发生了代谢和扩散[7]。1-MCP在果实体内的代谢过程主要通过吸附吸收和累积代谢两个阶段进行。

1.1 1-MCP在果蔬体内的吸收

在大多数水果中，由于气体交换是通过充满气体的孔隙或皮孔进行，所以吸收速率会受到组织形态和角质层阻力等影响。Huber等[8]在对比完整苹果和鲜切苹果的1-MCP吸收率时发现，苹果切片表面积与1-MCP吸收率呈正比。完整组织、切半组织和鲜切楔形块组织的1-MCP吸收率分别为（3.0±0.2）ng·kg-1·s-1、（13.8±2.4）ng·kg-1·s-1和（28.2±1.5）ng·kg-1·s-1。这表明吸收作用在表皮组织中受到限制，而在伤口组织中提高。Lee等[9]也提出，表面积、伤口和表皮去除是导致静态系统中气态1-MCP耗竭的重要因素，短时间（6 h）老化的苹果组织中1-MCP的吸收量显著下降，去除老化组织后新的表面组织可使吸附特性恢复90%。

研究发现，植物的不同部位，包括果实、叶片、根系以及地上和地下茎部都能够吸收和代谢1-MCP[10]。Choi等[11]发现不同植物组织对1-MCP的吸收特性存在显著差异，且所有果实中外果皮的吸收率和吸收能力显著高于内部组织。作者通过比较1-MCP在6种新鲜果实的吸收率和吸收能力发现，以鲜重衡量，最高吸收率依次为鳄梨外果皮和种皮、车前草果皮、鳄梨中果皮和芦笋组织；哈密瓜、番茄和橙子的外部组织和内部组织的吸收率、吸收能力均较低。而以干重衡量，吸收率排名却有所不同。芦笋组织和车前草外果皮表现出最高的吸收率，而橙肉和车前草浆则表现出最低的吸附率。此外，干燥果实复水后1-MCP的吸收特性也有所不同。果实组织干燥后，其1-MCP吸收能力明显降低，下降幅度分别为车前草组织48%、鳄梨组织60%、芦笋组织78%～89%。与新鲜果实组织相比，复水后鳄梨组织的吸收率和吸收能力与新鲜组织相当，而复水后芦笋和车前草组织的吸收率和吸收能力仍低于新鲜组织。

上述研究表明：果实不同组织对1-MCP的吸收能力不同，新鲜和干重基础上的吸附模式不同；另外，组织表面失水和复水后吸附能力的恢复情况不同；果实组织对1-MCP的吸收位点具有多样性的特点。

1.2 1-MCP与大分子的互作

乙烯的结合位点包含在乙烯受体ETR1蛋白的前128个氨基酸中。1-MCP对乙烯的抑制作用显示1-MCP会紧密的、不可逆的与乙烯受体蛋白结合。Binder等[12]提出了乙烯作用的反向激动剂与协同受体模型，可以解释受体突变的功能获得机制（图1）。基于此模型，乙烯抑制剂可以通过将受体锁定在抑制状态下而发挥作用（图2）。与主要的乙烯不敏感受体突变体类似，乙烯抑制剂只需将一小部分的受体锁定在激活状态就可能会抑制乙烯的反应途径。但研究证明植物组织中的乙烯受体仅吸附少量的1-MCP，实际上果蔬结合1-MCP的数量远远超过乙烯受体数量[11]。

图1 乙烯作用的反向激动剂与协同受体模型Fig.1 Inverse agonists and cooperative receptor models of ethylene effects

图2 1-MCP作用机理模型Fig.2 Mechanism models of 1-MCP effects

1-MCP处理果蔬后，随着时间的推移，1-MCP的作用逐渐减弱，这可能是由于1-MCP被果蔬中的某些酶及其他组分降解或被非生理组分吸收所致。1-MCP与乙烯特异性受体的竞争结合并不阻碍1-MCP参与和非特异性靶点的结合。通过分析果蔬中1-MCP的吸收情况，发现1-MCP不与糖、酸或其他水溶性强的代谢物发生相互作用，可溶性干物质和1-MCP吸收之间也缺乏相关论证。脂质、纤维素和蛋白质是吸收1-MCP的主要组分；在富含淀粉的植物材料中，大部分不溶性干物质以淀粉的形式存在，由于淀粉是葡萄糖聚合物并且具有内部空隙，所以推测它也可能有一定的能力与1-MCP结合。

1-MCP属低极性烯烃，因此非极性的脂质分子对其具有较强的溶解吸收能力。Dauny等[13]首次证实了脂质对1-MCP有吸收作用。试验首先将含油量高的鳄梨（23.0 g/100 g）和含油量低的苹果（0.1 g/100 g）[14]进行1-MCP熏蒸处理，并采用气相色谱法对密闭环境中1-MCP的浓度进行检测，发现鳄梨在密闭环境中的1-MCP浓度下降速度更快，下降幅度也更大。因此证实鳄梨对1-MCP的吸收作用远超苹果。Dauny随后将提取的鳄梨油脂进行1-MCP熏蒸，与蒸馏水相较，1-MCP浓度在含鳄梨油脂的密封环境中下降更快，此结果与整果试验结论一致。Choi等[11]通过比较油脂缺失的鳄梨外果皮和中果皮的1-MCP吸附能力，发现外果皮和中果皮对1-MCP的吸收率分别降低了26%和57%。综上结果表明，鳄梨果实主要通过油脂组分吸附1-MCP。

当前，1-MCP被一种或多种不溶性干物质组分吸收的论点得到很多研究的支持。Nanthachai等[10]通过比较不同新鲜农产品对1-MCP的吸收能力，发现1-MCP对农产品的初始吸附速率与不溶性干物质的含量呈正相关。Vallejo等[15]在研究水果贮藏容器中的1-MCP消耗时，发现木板和纸板包装能够降低1-MCP浓度，因而推测纤维素对1-MCP的吸收起到关键作用。木质素是一种无定形的疏水性酚醛聚合物，对染料、胆固醇、表面活性剂、杀虫剂和疏水性酚类化合物具有很高的吸附性能[16]。Choi等[11]也提出，芦笋茎和车前草外果皮对1-MCP的高吸收率和吸收能力是组织中木质素含量高的结果。由于木质素对1-MCP吸收速度快，吸收能力强，因而富含木质素的新鲜水果和蔬菜组织能够吸收更多的1-MCP。

果胶作为一种分布更均匀的细胞壁聚合物，也是吸收1-MCP的重要组分。脱酯反应导致高甲氧基果胶对1-MCP的吸附量降低，表明疏水性甲基基团是吸收1-MCP的位点，赋予了高甲氧基果胶的吸收性能。因此，果胶聚合物对1-MCP的吸收还与果胶酯化水平有关[17]，并且随着成熟过程中酯化水平的下降而下降[18]。Wakabayashi等[18]发现，成熟过程中鳄梨果实果胶酯化率从80%下降到14%，其1-MCP吸收率下降了45%，而油脂含量变化很小[19]。在脱酯作用下，1-MCP吸收能力的大小也反映了果实中油脂、木质素、残余酯化果胶以及其他未知吸附位点的累积效应。

Ambaw等[7]研究表明，完整苹果果实中的1-MCP结合位点数量是与乙烯结合位点数量的2 300倍，因此非受体物质结合位点在与1-MCP的结合中起着更加重要的作用。油脂、木质素和高甲氧基果胶的疏水性是1-MCP吸收的共同影响因素，商业化的1-MCP产品也是利用了1-MCP和环糊精的疏水作用力来保持稳定性的。

1.3 1-MCP的残留

施用农药后，植物各器官中农药浓度一般呈现先积累后降解的规律。根据植物种类、器官的不同，施药环境的温度、湿度和光照的不同，以及药品剂型和持久性的差异，药品在果蔬中的降解速度以及最终的残留量也存在差别，且高剂量施药也使得果实中农药及代谢物的残留量高于低剂量处理[20]。研究人员根据1-MCP在果蔬中各个部位的含量分布与迁移规律的差异性，对果蔬中1-MCP的吸收、分布、代谢、排泄进行了研究，这对在施用过程中选择合适的1-MCP剂量，建立最大残留限量等具有较高的理论参考价值[21]。

美国环保署审查认为：1-MCP在施用过程中是绿色安全的，且剂量限制要求比较宽松。该机构根据乙烯结合位点最高结合水平推测，1-MCP在植物叶片中的最大残留量为0.37 ng/g，在植物可食部位的最大残留量为0.004 ng/g[22]。在贮藏和运输过程中，果实的后熟逐步恢复对乙烯的敏感，1-MCP也会从乙烯结合位点脱落并进行扩散，因此实际的1-MCP残留量远远低于上述理论值。在欧盟食品安全局（EFSA）拟定的1-MCP最大残留限量（MRL）中，规定1-MCP在梨、李子、猕猴桃等果实中的最大残留限量为0.01 mg/kg[23]。加拿大卫生部虫害管理机构于2008年记录的1-MCP最大残留限量为0.01 mg/kg。该机构通过大鼠试验，测得大鼠1-MCP的每日容许摄入量（ADI）为0.000 9 mg/kg，远低于常见的两种农药草甘膦（0.30 mg/kg）和氯丙胺灵（0.05 mg/kg）。1-MCP非常低的ADI值也是印证其毒性低、绿色安全的重要指标[24]。

在1-MCP的残留检测方面，董晓庆[25]参照Lee等[9]的试验方法，抽取1-MCP处理后的果实内部气体，采用气相色谱仪测定其含量，研究1-MCP在苹果果实内的吸附扩散。高强等[22]以异丁烯为标样，通过GC-FID的方法，用半定量法对竹笋中1-MCP残留量进行检测，结果显示竹笋经1.0μL/L 1-MCP熏蒸36 h后，其1-MCP残留低于0.1μL/L。

目前，1-MCP在残留检测方面的研究成果还比较少，在进行1-MCP残留检测时还要继续从生理、生化和分子水平上研究其具体代谢通路，并借鉴已有农药残留检测上的研究成果，继续在1-MCP残留检测方面深入研究。

2 1-MCP剂型研发

1-MCP作为一种易于合成、使用方便、高效安全的乙烯抑制剂，在果蔬保鲜中广泛应用的同时，也被研制成很多高稳定性的1-MCP保鲜剂产品。目前市场上存在的1-MCP剂型主要有粉剂、片剂、微囊粒剂、泡腾片剂、可溶液剂[26]以及1-MCP保鲜纸。产品种类得到丰富的同时也带来了很多问题，保鲜剂剂型与用量不同，使用方法及应用效果也不尽相同，选择合适的产品剂型以及剂量浓度，使其能够发挥最大的保鲜效果也是应用中的重要问题。

2.1 1-MCP剂型及其优缺点

2.1.1 固体产品

1-MCP熏蒸处理在采后果蔬贮藏保鲜的研究和技术应用中已经相当成熟。采用物理或化学方法将1-MCP固定到载体上，或在一定条件下制成1-MCP粉剂、片剂等各种固体1-MCP制剂[27]，通过精准计算在密闭容器中的有效浓度，称取1-MCP药剂置于密闭的环境中，遇水浸湿后，1-MCP缓慢释放对果蔬等进行熏蒸。此类产品具有有效释放周期长，产品稳定性高，运输、贮存、使用方便，环保无毒，费用低廉的优点[28]。但熏蒸处理对密闭环境要求极高也是其缺点所在，并且还存在人工成本高，搬运易造成果蔬机械损伤等问题。

2.1.2 液态产品

与熏蒸处理相比，叶面喷施1-MCP的方法操作更加简便，更符合现代农业生产省时省力的需求。邓娇燕[29]通过模拟高温环境研究叶面喷施1-MCP缓解辣椒幼苗高温损伤的生理及分子机制发现，80 g·hm-21-MCP可以有效促进高温条件下辣椒的光合作用，缓解高温胁迫造成的叶片早衰，提高辣椒产量。李红震等[30]通过1-MCP采前喷洒泰山早霞苹果，发现在采前8 d喷施1-MCP，可以有效延长货架期，但处理效果不如采后熏蒸。目前研究人员通过在1-MCP稳定溶液基础上，添加有机溶剂、乳化剂和助剂制成了很多高稳定性1-MCP溶液制品，作用方式一般为喷施和浸蘸。这种方法操作简单，适用范围广，不受空间和气体环境限制，但同时也存在1-MCP作用时间短，挥发速度快且浓度不均的缺点。若浓度过高，1-MCP易在果蔬表面残留，浓度过低，又难以发挥作用[31]，所以使得1-MCP溶液的应用受到限制。

2.1.3 纸状产品

为解决固体、液体1-MCP保鲜剂存在使用不方便、稳定性差的问题，1-MCP缓释保鲜纸应运而生。缓释保鲜纸采用具有透气性、透湿性的薄膜塑纸，将定量1-MCP包结物、吸水剂、分散剂均匀蜡封其内[32]，在果蔬贮藏过程中，吸水剂吸收果蔬呼吸产生的水汽，诱发该保鲜纸向袋内缓缓释放1-MCP，从而使得1-MCP气体持续、稳定、均匀地熏蒸果实，缓慢高效地发挥作用，达到保鲜的目的[33]。张倩等[34]和李建挥等[35]分别采用1-MCP保鲜纸保鲜油桃和蓝莓，均发现1-MCP保鲜纸对降低果实失重率、腐烂率、呼吸强度等作用效果显著，从而有效提高果实的贮藏品质。

2.2 1-MCP剂型发展新趋势

1-MCP气体性质活泼，遇水易挥发，不易储存，且可以作为乙烯的竞争抑制剂，其竞争抑制作用可以通过增加乙烯浓度得到缓解，因此在使用中存在3个关键要点：①植物材料必须在密闭环境中处理以防气体的泄漏，这也限制了其应用[36]；②1-MCP在某些植物中的作用可能是暂时的，这取决于植物的品种、1-MCP浓度和光照等因素[37]，因此，对某些植物需要连续或重复使用才能达到理想的保鲜效果；③1-MCP的保鲜效果与处理温度和外源乙烯存在有关[38]。因此在保鲜工业中，选取合适的处理剂型、浓度，挑选合理的施放时间、频次以使1-MCP高效稳定的发挥作用，是当前研究人员在进行保鲜过程中需考虑的重点问题，同时也是未来剂型研发的新趋势。

为满足当代保鲜行业对材料处理省时省力、药品处理精准施放、保鲜效果品质优良的要求，研究人员对产品剂型、施放环境做了更多的改良，以期使1-MCP在使用过程中能高效安全的发挥作用。蒋刚彪等[39]研制出一种1-MCP缓释胶黏剂，其采用具有网状结构的聚合物包裹1-MCP，并结合粘合剂和顺滑剂等辅料，起到双重缓释的作用，缓释时间长，保鲜效果可长达15～20 d，且制备工艺简单，生产成本较低。此外，在进行果蔬保鲜时，只需将其涂抹在包装箱内面即可，做到省时省力，节省空间。张平安等[40]通过在低温搅拌条件下，用明胶来包覆1-MCP的微乳液，再加入固膜剂对包覆膜进行固化，制备1-MCP微胶囊，此类产品缓释时间较长，有效物质含量较高，制备方法简单，操作方便，适用于工业化规模生产。吴学民等[41]研制出的1-MCP泡腾颗粒剂（片剂），因其无粉尘、颗粒崩解速度快、有效成分释放充分，贮藏稳定性好的优点，得到研究人员的广泛关注。

2.3 1-MCP与其他技术的复合

随着1-MCP应用范围的扩大，采后果蔬保鲜已由单一处理发展到与其他保鲜技术联用以发挥协同效应。复合保鲜技术是采用两种或两种以上方法来防止果蔬腐烂变质，能够结合各种单一保鲜剂的优点，通过改变果蔬的体液成分或浓度，抑制果蔬内酶的活力和其他生命活动，并杀死或抑制微生物，从而更好的达到保鲜的目的。

2.3.1 1-MCP与预冷技术的结合

当前，果蔬的预冷和保鲜剂处理是分两个阶段进行的。一种方法是先进行果蔬预冷，再对预冷后的果蔬施加保鲜剂处理，但此时由于果蔬处于较低的贮藏温度，而保鲜剂处理又需要在较高的温度才能发挥作用，且果蔬经过预冷阶段后错失了保鲜剂处理的最佳时机，导致保鲜剂的处理效果不佳；另一种方式是先对果蔬进行保鲜剂处理，然后再进行预冷，但该方式中保鲜剂的处理是在常温下进行，导致果蔬的呼吸及其他生理代谢活动旺盛，其衰老速度在处理期间没有得到有效的抑制，从而影响了保鲜剂和后续预冷的处理效果。

针对当前不同果蔬品种的预冷与保鲜剂同时处理的需求，现代保鲜技术发明出速率可调式移动预冷与1-MCP一体化处理装备，通过调节降温速率，使温度快速将至预冷与1-MCP一体化处理的适宜温度，提高预冷与1-MCP处理的有效性。该装置简化了预冷与保鲜剂分别处理的工序，同时又显著提高了果蔬预冷和保鲜剂处理的效果，具有广泛的适应性，为未来1-MCP的广泛应用提供了新的技术手段[42]。

2.3.2 1-MCP与杀菌剂的结合

不同种类的果蔬，由于1-MCP作用时间、浓度和温度的不同，1-MCP对真菌侵染病害有抑制作用或促进作用。Estiarte[43]等研究发现，1-MCP会加重番茄黑霉病的发病率。Díaz等[44]发现乙烯处理番茄会增加灰葡萄孢菌感染的抗性，而1-MCP的使用会增加番茄对病原体的易感性。为了进一步改善和提高1-MCP对果蔬的保鲜效果，研究人员对1-MCP联合杀菌剂的复合保鲜技术进行了研究。

二氧化氯（ClO2）是一种高效、广谱、安全的化学消毒剂[45]。2004年，美国食品和药品管理局（FDA）将其批准为果蔬杀菌剂，我国也将稳定性ClO2列为食品添加剂，准许应用在果蔬、水产品的保鲜中。在果蔬保鲜中，ClO2通过杀灭果蔬表面的病原菌，起到延长果蔬贮藏期的作用[46]。臭氧（O3）作为一种高活性、无残留，高渗透性的强氧化剂，在水处理、空气净化以及食品加工贮藏等领域得到了广泛应用。在果蔬保鲜的应用中，它具有消毒杀菌、降解有害气体、诱导果蔬产生抗病性的作用[47]。但ClO2和臭氧在果蔬保鲜中也存在保鲜效果差，果蔬的营养成分流失，药伤等问题[48-49]。

目前，1-MCP与ClO2、臭氧等杀菌剂在果蔬保鲜中的应用已经非常广泛。为解决1-MCP抗菌效果差、杀菌剂保鲜效果有限的问题，研究人员将1-MCP与ClO2或臭氧复配使用，这既可以克服单一处理的缺点，也能更好地发挥单一保鲜剂的优点，在一定程度上起到了协同增效的作用。金童[50]以樱桃、冬枣、青椒为原料，探究1-MCP与ClO2联合处理对果蔬贮藏品质的影响，发现联合处理能够克服单一处理的缺点，在生理、病理两方面结合了两者的优点，有效抑制了叶绿素、VC等的降解，降低其腐烂率及菌落总数，缓解了果实采后衰老和品质劣变，效果优于单独处理，保鲜效果最好。吉宁等[51]将1-MCP与O3结合处理蓝莓，发现复合处理较单独使用1-MCP可更有效地降低贮藏期间蓝莓的腐烂率，延缓果实软化，改善果实内在和外在的品质，延长货架期，但以臭氧浓度为100μL/L的处理效果最佳。

2.3.3 1-MCP与果蔬风味形成调控技术的结合

香气物质的形成在很大程度上取决于乙烯的含量和作用[52-53]。Zhu等[54]指出，乙烯与呼吸跃变型果实（如番茄)中的挥发性物质的合成有关。在果实发育的后期，果实的新陈代谢以分解为主，脂肪酸、氨基酸和单糖是香气的前体物质，挥发性化合物的形成主要是通过果实中酶的催化作用，在挥发性物质的共同参与下形成了水果的香气成分[55]。研究人员曾指出，经1-MCP处理后，果实中挥发性物质的产生会减少或改变[56-57]。Lurie等[58]研究发现，1-MCP可降低与成熟度相关的乙酸和丁酸酯的增加，减少醇和醛的生成。Fan等[57]指出，1-MCP处理可提高杏果实中可滴定酸含量，导致果实酸味增强。

为保持果实良好的感官品质，秦苏怡[59]将1-MCP与气调包装联用，研究其对双孢蘑菇货架期品质的影响，发现在阻隔性气调包装中，双孢蘑菇的苦味、酸味和甜味的变化随贮藏时间的延长略有下降，而鲜味与咸味随着贮藏时间的延长轻微上升。王友升等[60]用1-MCP和水杨酸处理桃子，对果实衰老中挥发性物质进行分析发现，1-MCP处理抑制了桃子后熟过程中醇类、脂肪族酯类、内酯和萜烯的产生，而水杨酸处理则促进了醇类、脂肪族酯类、羰基化合物、内酯和萜烯的释放。纪淑娟等[61]发现采用冷藏结合1-MCP处理的方式，可延长南果梨的贮藏期，但冷藏后南果梨的香气变淡，而冷藏90 d后用水杨酸浸泡果实2 min，可提高果实挥发性酯类物质合成代谢关键酶的活性与表达，促进了果实酯类物质的生成，从而一定程度恢复了1-MCP处理南果梨冷藏后果实的香气。

目前，1-MCP与其他保鲜剂的复合处理仍处于研究阶段。在基础研究中，还需要更深入地研究保鲜剂各自的作用机理和相互协同机理。在应用研究上，还应不断扩大应用的范围。对于不同种类的果蔬及其最佳应用条件还需做进一步的研究和优化，以发展更加高效、安全、简便的1-MCP联合处理保鲜新技术。

3 结语与展望

本文通过对1-MCP在果蔬体内的药代规律研究及剂型研发进展进行综述，并对1-MCP在果蔬中的定量定时精准施放进行阐述，为未来对1-MCP的应用研究提供新的思路。当前1-MCP在果蔬保鲜的研究中已经取得了非常显著的进展，但大多集中于1-MCP在采后果蔬的应用中，而对1-MCP影响果实乙烯代谢的机理、1-MCP在果蔬体内的代谢规律、1-MCP剂型的研发、1-MCP施用的普适性以及1-MCP联用保鲜技术等方面仍然存在很多问题需要深入研究。此外，1-MCP在施用过程中可能会出现的如转色不均、挥发性物质降低、感官品质下降、抗病性下降等一些负面问题还亟待解决。最后，1-MCP因处理的浓度、温度、时间以及果蔬的种类、采收期的不同而发挥不等的保鲜效果，1-MCP发挥最佳效能的技术参数还需要不断优化。因此，如何高效安全地使用1-MCP，探索其最佳联用组合和技术参数，使农业产业的利润最大化，建立起符合生产实际与行业标准的1-MCP应用技术体系，如何将理论研究和应用研究相结合，从生理、生化和分子水平上揭示1-MCP的作用机制以及代谢规律，也是未来1-MCP在采后果蔬贮藏保鲜上技术发展及应用推广的关键所在。相信在不久的将来，对1-MCP在果蔬应用上的研究将会更加成熟。