物理技术在果蔬保鲜中的应用研究进展

陈思宇，金建，赵世琳

（西南科技大学 生命科学与工程学院，四川 绵阳 621010）

果蔬富含碳水化合物、维生素、无机盐等多种营养素，符合大众的膳食需求。我国的果蔬行业发展迅速，然而，果蔬采后在贮藏、运输过程中，因自身代谢及外在因素易导致褐变、细胞膜损伤、组织变软等现象[1-2]，使得大部分果蔬只能在短时间内供应。保鲜技术的应用可以有效延长果蔬的贮藏期。与化学保鲜技术相比，物理保鲜技术因其具有安全、高效、绿色等优点，是目前应用最广泛的一种保鲜技术。本文主要针对6 种物理技术在果蔬保鲜中的应用进行综述，旨在为果蔬的保鲜提供参考。

1 果蔬采后的生理变化

1.1 活性氧代谢

活性氧（reactive oxygen species，ROS）是指果蔬在正常代谢过程中产生的含氧代谢物，具有活跃的化学性质及生物活性[1]。在正常情况下，ROS 的产生与清除处于动态平衡，当果蔬受到环境温度、酸碱度胁迫或机械损伤时，平衡将被打破，导致其在果蔬内部开始上升并积累。ROS 积累过多，其强氧化性会干扰果蔬正常的代谢活动，加速脂质过氧化，产生丙二醛（malondialdehyde，MDA），改变细胞膜通透性，最终使果蔬丧失正常的生理机能而衰老腐败。

1.2 能量代谢

能量是维持生物体一切活动的基础，在生物体内主要以三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的形式存在，与生物体的生长、发育、衰老密切相关。研究表明，果蔬采后ATP 含量的多少与果蔬在贮藏期间能否保持良好的品质有关[3]。果蔬采后逐渐衰老，细胞内ATP 合成能力下降，细胞膜会因细胞能量的缺乏而丧失功能，造成细胞受损并加快果蔬的衰老行为。

1.3 呼吸代谢

呼吸代谢是果蔬采后腐败变质的重要原因之一，它为果蔬生命活动和生化反应提供能量和反应中间体[2]。呼吸作用所需要的能量依靠有机物如淀粉、蔗糖的消耗供给，作用过强会加快营养物质的消耗，产生ROS，加速细胞膜氧化损伤，因此果蔬采后的色泽、风味、质地、营养素含量与呼吸强度和呼吸酶活性息息相关。

2 物理技术在果蔬保鲜中的应用

近年来，物理技术在果蔬保鲜中的应用备受国内外研究学者的关注，包括相对传统的物理保鲜技术如气调包装（modified atmosphere packaging，MAP）以及其他几种主流新型的物理技术如辐照、高压静电场（highvoltage electrostatic field，HVEF）、低温等离子体（cold plasma，CP）、磁场（magnetic field，MF）、超声波（ultrasound，US）等。以上几种研究相对成熟或比较热门的物理技术在部分果蔬保鲜中的应用如表1 所示。

表1 物理技术在部分果蔬保鲜中的应用Table 1 Application of physical technology in preservation of some fruits and vegetables

2.1 气调包装在果蔬保鲜中的应用

气调包装是指利用果蔬自身的代谢特性，通过控制贮藏环境中的气体比例（O2、CO2、N2、C2H4等），限制果蔬在自然条件下的生理活动，以延长贮藏期。根据控制气体的方式可分为自发气调包装和可控气氛（controlled atmosphere，CA）贮藏。表1 显示，将穿孔薄膜与MAP 相结合，可以维持包装中气体分压稳定，且分压比例与微孔数量有关。Lei 等[4]研究发现，草莓采用含4 个100 μm 微孔的聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）薄膜，并保持袋内10 kPa O2和10 kPa CO2气体分压贮藏18 d，总酚、花青素、总黄酮含量分别提高25%、13%、29%，PAL 活性增强，货架期延长至19 d。此外，MAP 已被证实可以减轻真菌引起的腐败问题。Frans 等[5]研究发现，MAP 能够显著改善甜椒内部由于乳酸镰刀菌引起的腐烂，这极大可能是由于薄膜中O2分压降低，直接影响了真菌的增殖发育。研究表明，MAP 联合臭氧预处理在蓝莓[6]、青椒[7]中的保鲜效果显著。这是因为气态臭氧可以作为酚类物质生物合成的诱导子，提高果蔬抗氧化能力。气调技术通过控制贮藏环境中的气体比例，减缓果蔬呼吸代谢达到保鲜目的，因此该技术对控制环境气体比例的设备要求较高。若气体配比控制不当，如CO2浓度过高、O2浓度过低，果蔬则易进行无氧呼吸而不利于贮藏。此外，MAP 所使用的保鲜薄膜大多为聚乙烯、聚氯乙烯等材料，在未被完全降解的情况下易造成环境污染。

2.2 辐照技术在果蔬保鲜中的应用

食品辐照是指食品受到可控剂量的非电离辐射（紫外线、可见光、无线电波等）或电离辐射（γ 射线、X射线、电子束）后，杀灭包括病毒在内的致病及腐败微生物，并且不会影响食品品质或营养特性的一种非热物理技术，其中以电离辐射为主[27]。与X 射线相比，γ射线因其更经济有效而被广泛应用于果蔬保鲜。由表1 显示，果蔬保鲜效果与辐照剂量密切相关。Zhao 等[8]研究发现，椪柑致病菌指状青霉的生长抑制作用与γ射线剂量呈正相关，但过高剂量（＞1 kGy）则会加快果实衰老，以0.5 kGy 为最佳保鲜效果。Panou 等[9]研究发现，草莓经适宜剂量γ 射线辐照能有效保持口感及外观，高剂量反而会加速果实失重，但高剂量抑制草莓真菌腐败效果更好。Khalili 等[11]研究发现，经γ 射线辐照处理的黄瓜，其果皮叶绿素和维生素C 保持能力分别提高约3 倍和1.4 倍，并延长了7 d 的贮藏期。此外，辐照技术能有效抑制果蔬酶促褐变。叶爽等[12]研究发现，香菇经剂量为1.0 kGy 的60Co 产生的γ 射线处理后，贮藏21 d，亮度L* 值由90.06 减小到87.77，而对照组L* 值由90.54 减小到80.71，这表明辐照能有效抑制香菇颜色劣变。γ 射线具有较强的穿透力，虽能强烈致死微生物，但射线发生装置需要设置专门的安全防护，投资成本较大，且该技术在果蔬的保鲜应用中需要严格控制剂量，并规范地处理废弃物。目前，允许接受辐照的果蔬种类受限，消费者对辐照食品的接受度不高，辐照技术在果蔬保鲜中应用的发展仍面临着很大的挑战。

2.3 高压静电场在果蔬保鲜中的应用

高压静电场属于电磁能，是利用生物体本身具有的电学特性，与生物体相互作用产生的生物学效应[28]。HVEF 通过电离空气产生臭氧、影响呼吸系统电子传递、引起水的存在形式及水酶结合状态改变等延缓果蔬采后的生理变化，近年来在果蔬保鲜领域中得到广泛关注。吴珏等[13]研究发现，HVEF 能有效减少椪柑果实表面的真菌数量，降低果实在贮藏期间的失重率和呼吸速率，维持椪柑采后的新鲜度和品质。成纪予等[29]研究发现，适宜的电场处理能有效减轻机械损伤对甘薯细胞组织的伤害，并得出经电场强度800 kV/m、时间10 h、温度26 ℃处理，受损甘薯愈伤部位的木质素合成速率最大，愈伤效果最佳。杨智超等[30]研究发现，HVEF 处理樱桃番茄，果实表面大肠杆菌菌落总数减少1.44～2.15 lg（CUF/g），这表明HVEF 处理能降低由食源性致病菌引起的食品安全问题的风险。此外，该处理还能使樱桃番茄部分类黄酮和生物碱成分含量升高，这有利于改善果实采后的营养品质。Zhao 等[14]研究发现，HVEF 预处理能降低番茄贮藏过程中超氧化物阴离子和过氧化氢的生成速率，减弱ROS 对番茄造成的影响。HVEF 作为一种低温杀菌技术，耗时短、成本低，无辐照及化学物质残留，符合热敏性食品的加工需求，但由于电压高而存在一定的危险，对环境湿度要求高，大规模的推广和应用该技术存在一定的难度。

2.4 低温等离子体在果蔬保鲜中的应用

低温等离子体是除固、液、气外的第四态物质，是由中性气体在特定激励条件下电离产生自由电子，自由电子再与周围介质中的分子、原子或电子发生碰撞，产生的活性粒子[31]。CP 可以在室温和常压下产生，根据放电方式可以分为介质阻挡放电、滑动电弧放电、电晕放电、辉光放电。张禾等[32]研究发现，适宜电流强度的低温等离子体能通过积累ROS 来破坏细菌细胞膜的完整性，促进杨梅致病菌桔青霉孢子凋亡，降低果实腐败率。此外，已有许多研究证明，适宜电压的CP在芒果[15]、杏子[16]、火龙果[17]等果蔬的应用中，不仅能提高果蔬总酚物质的含量，还能提升其抗氧化能力，从而延缓果蔬采后生理变化。Jia 等[18]研究发现，60 kV ACP处理能显著延缓番茄红化，维持表皮绿色。这是因为ACP 处理能有效抑制叶绿素降解、类胡萝卜素积累，降低叶绿素酶和脱镁叶绿酸a 加氧酶（pheophorbide a oxygenase，PAO）活性。Song 等[19]研究发现，CP 处理对生菜中大肠杆菌O157∶H7 和鼠伤寒沙门氏菌的抑制作用高达2.8 lg（CFU/g），这表明CP 能有效减少食源性致病菌，从而降低食源性疾病发生的风险。CP 作为一种新型非热物理保鲜技术，操作安全简单，能最大程度地保持果蔬原有的营养成分，在果蔬保鲜应用中有广阔的发展前景。然而，CP 在处理形状不规则的食品原料方面尚存在缺陷。低温等离子体活化水[33]有利于解决此问题，成为了目前一种较为新颖的保鲜方式。此外，关于CP 杀菌原理和安全性评价仍需要更完善的理论支撑。

2.5 磁场处理在果蔬保鲜中的应用

磁场是一种无形但客观存在的物理场[34]。外加磁场与生物体内电荷相互作用影响生物体的新陈代谢，从而达到杀菌的作用。磁场分为交变磁场和静磁场，目前，由于静磁场的保鲜机制缺乏定论，磁场保鲜技术主要集中在对交变磁场的技术研究中。吕莉萍[35]利用AMF 处理鲜切苹果，发现该处理能有效减慢果实DPPH 自由基清除能力的下降，降低ROS 对细胞组织的影响。此外，研究表明，磁场对由低温贮藏引起的果蔬冷害有抑制作用。Zhao 等[20]研究发现，连续或间歇AMF 处理香蕉均能降低PPO 活性和呼吸强度，抑制MDA 积累，从而减弱冷害影响。Jiang 等[21]研究发现，MF 协助冷冻西兰花能显著缩短相变时间，提高冷冻平均速率，使冷冻食品品质得到改善。Irungu 等[22]研究发现，经MF 处理并贮藏8 周的土豆块茎发芽数较少，并显著降低其失重率，从而延长土豆货架期并降低由发芽土豆引起食物中毒的概率。在果蔬低温贮藏过程中，MF 减轻果实冷害效应效果显著，在一定程度上延长了香蕉、芒果等冷敏型热带水果的销售周期。虽然，MF 技术已被证实能够应用于食品保鲜，但该技术受许多因素综合影响，与生物体内电荷的分布位置密切相关。且因果蔬本身的差异，需要不同的磁场参数。因此，在未来仍需要更多的系统性研究为MF 技术在果蔬保鲜中的应用做支撑。

2.6 超声波处理在果蔬保鲜中的应用

超声波技术是指利用低频声波（20～100 kHz）在液体中产生空化效应，即产生局部高温和高压变化，引起细胞壁结构破坏，细胞膜通透性增加，使微生物失活，从而延长食品货架期[36]。刘梦培等[24]研究发现，甜柿经420 W US 处理30 min 后硬度提高2.97 kg/cm2，多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG）活力下降8.79 μg/（min·g），其他果胶降解酶如果胶裂解酶（pectate lyase，PL）、果胶甲酯酶（pectin methylesterase，PE）活力均有所下降，这表明该技术能够有效抑制果实软化。Neto 等[25]研究发现，US 处理后的生菜在贮藏温度高于5 ℃时，微生物增殖速度更快，表明US 处理对生菜的抑菌效果随贮藏温度的上升而减小。Lu 等[23]研究发现，US 处理能增加番茄中总酚、番茄红素、类胡萝卜素等次生代谢物，这与US 处理提高PAL 活性有关，但US 处理时间越长反而会降低其活性并影响番茄品质。胡宇欣等[26]研究发现，US 处理鹿茸菇，不仅能维持鹿茸菇的亮度、硬度，还能提高ATP 酶和6-磷酸葡萄糖脱氢酶活性，使鹿茸菇采后维持较高的能量水平，减缓劣变。此外，Zhang 等研究发现，白菜[37]、番茄-丝瓜[38]混藏保鲜中利用超声-气调包装联合技术，其原有品质在贮藏期间得到了有效保持。因此，US 单独使用以及联合其他技术在果蔬保鲜中具有极大的应用潜力。US技术安全、无副作用，在减少微生物、提高果蔬品质方面表现出良好的效果。但该技术在食品工业中难以大规模使用，但联合其他保鲜技术共同发展，有望成为更加商业化、经济化的保鲜技术。

3 结论

物理保鲜技术具有简单方便、效率高、绿色环保且能最大程度保留食品的营养成分等优点，在果蔬的保鲜贮藏中具有广阔的应用前景。目前，物理保鲜技术仍存在一些问题，如杀菌保鲜机理尚不完全清楚，单一的物理保鲜技术不具有普遍适用性。后续可在以下方面进行研究：研究物理保鲜技术的原理、工作参数及影响因素，建立大数据库，以确保获得最佳的保鲜效果及最大的经济效益；研究各物理保鲜技术之间或者与其他保鲜方式进行协同联用，解析协同作用机理，并进行相应设备的开发；研究物理保鲜技术对果蔬次生代谢物（如类黄酮、多酚）的合成量、代谢途径及其对果蔬营养价值的影响。