纳米材料技术在香石竹切花保鲜中的应用研究进展

田 敏, 施自明, 蔡艳飞, 孙 丹, 赵培飞

(1.云南省农业科学院花卉研究所/云南省花卉育种重点实验室/国家观赏园艺工程技术研究中心,云南昆明 650200;2.昆明爱农农业科技有限公司,云南昆明 650500)

香石竹(DianthuscaryophyllusL.)又名康乃馨,是石竹科石竹属宿根草本植物,著名四大切花之一,其生产、消费及进出口贸易在世界各国花卉产业中占据着举足轻重的地位。香石竹同时也是最典型的乙烯敏感型切花之一,采后易衰老,贮运过程中损耗率通常在30%～40%,损耗症状表现为花朵开放受到抑制、过早枯萎、花瓣变色、腐烂等现象,导致瓶插寿命短,极大影响了切花的观赏价值。为此研究者围绕香石竹的保鲜展开了系列研究,化学保鲜如使用6-苄氨基嘌呤(6-BA)、8-羟基喹啉硫酸盐、季铵盐化合物、二氯异氰尿酸钠和硫代硫酸银(STS)[1]等保鲜剂;物理保鲜如低温冷藏[2-6]等保鲜措施被用于延长香石竹鲜切花的保鲜周期,提高香石竹采后寿命和观赏品质。但某些保鲜剂毒性作用较大,如8-羟基喹啉(8-HQ)、8-羟基喹啉柠檬酸盐(8-HQC);一些保鲜剂如硫代硫酸银(STS)溶液使用浓度较高,且稳定性较差(需要现配现用),过多使用会产生环境污染等风险;物理保鲜方法也存在诸如产品保鲜周期短、费用高等问题[7-10]。

近年来,纳米材料作为一种具有较高热稳定性、较强表面活性和催化性能的新型材料,被广泛应用于医疗、纺织、建材、食品和切花保鲜等领域。本研究对纳米材料技术在香石竹保鲜中的应用研究情况和纳米材料的保鲜机制进行了综述,旨在为香石竹采后处理中纳米保鲜产品的开发和应用提供参考。

1 纳米材料技术简介

纳米材料可以定义为处于非结合状态的自然副产品或人工材料,其中50%以上或更多的颗粒作为聚合体或凝聚体,一个或多个外部尺寸在1～100 nm 范围内,由这些物质或以它们作为基本单元构成的材料即为纳米材料[11]。纳米尺度的材料其性能会发生突变,呈现出既不同于原组成的原子、分子,也不同于宏观物质的独特的物理、化学和光学性质。纳米材料技术涉及在分子或原子水平上理解、制造和操纵材料,研究这些材料的性质及其应用。用于农业、生物科学和食品、保鲜工业的纳米材料包括各种类型,例如碳(石墨烯、纳米金刚石、富勒烯、碳纳米管、碳氮化物[12]等)、复合材料、金属氧化物、金属、有机和无机材料等[13-15]。

纳米材料具有较大的表面积可以提高效率,使用较少的原材料即可达到效果;同时还具有体积小、高稳定性、可调节成分、较强的抗菌性[16-17]等优点,已被开发用于农业等行业,并被证明可以有效提高产量和减少收获后浪费[18]。在果蔬[19-20]、切花采后保鲜[21-22]、植物生长[23-24]等领域应用广泛。

2 纳米材料技术在香石竹保鲜中的应用

香石竹切花从母体植株采收后,缺乏养分和水分的供应,其内部会发生大分子物质降解、乙烯生成迅速增加等一系列生理生化变化。对乙烯极其敏感的香石竹,容易受到其伤害而使开花进程加快,花蕾在高乙烯浓度下甚至不能正常开放,再加上采后贮运等环节易受到微生物感染,引起萎蔫,严重影响切花观赏品质和瓶插寿命。国内外研究表明,纳米银、铜、碳等材料具有有效抑制乙烯合成和微生物生长发育的能力,因而被用于改善香石竹切花的采后寿命和质量(表1)。

表1 纳米材料技术在香石竹保鲜中的应用

3 影响纳米材料技术对香石竹保鲜效果的因素

3.1 纳米材料种类

纳米材料种类是影响香石竹保鲜效果的关键因素之一。碳纳米材料(CNMs)及其衍生物如碳纳米管(carbon nanotubes)、石墨烯/氧化石墨烯(NGO)、C60等作为一种新兴的新型材料,以其出色的导电性、机械阻力、导热性、磁性和对病原体的抗菌活性[34-35]成为最具有前景的材料之一[36-37]。Zhang等研究了3种碳纳米材料单壁碳纳米管(SWCNT)、石墨烯量子点(GQD)和C60对香石竹Damina抗氧化活性和衰老的影响,结果发现与对照组相比,1 mg/L C60和25 mg/L GQD可将香石竹的瓶插寿命(VL)延长约10%;而SWCNT不能被植物维管组织吸收和运输,较高浓度的SWCNT甚至阻塞维管组织,导致瓶插寿命下降[32]。

3.2 纳米材料浓度

纳米材料的浓度是影响保鲜效果的又一关键因素。纳米银(AgNPs)在抗菌方面所表现的高活力性、广谱性、持久性和低毒性使其成为环境友好型的生物修复剂、净水剂和抗生素,在医疗、建材、纺织、保鲜和水净化[38-42]等领域得到广泛的应用。刘季平等用3种不同浓度(150、250、300 mg/L)纳米银溶液预处理香石竹马斯特(Master)切花 1 h,结果显示,各处理组均可延长瓶插寿命,但不同浓度处理呈现出差异。其中250 mg/L AgNPs溶液处理对切花花径、吸水量、相对鲜质量等生理指标产生了有益影响。瓶插期间Master花径增大,显著延缓了切花茎末端水分导度的降低,改善了水分吸收,使鲜样质量得以维持,切花的瓶插寿命显著延长[43]。Naing等也研究发现,高质量浓度AgNPs对香石竹Omea切花的保鲜效果并不是最理想的。与对照相比,25 mg/L AgNPs 处理将香石竹切花寿命延长1倍(12 d),而高浓度(50 mg/L) AgNPs 处理降低切花的相对鲜质量(relative fresh weight,RFW),低于25 mg/L NS处理组,衰老症状也提前 2 d 出现(出现在第11 d)[44]。Zhang等研究碳纳米材料对香石竹品种Damina采后保鲜的影响,发现不同浓度碳纳米材料(1、5、25 mg/L的GQD和 C60)的保鲜效果也存在差异。与对照组相比,25 mg/L GQD使试验材料瓶插寿命增加10.64%。然而,1、5 mg/L GQD 处理使瓶插寿命降低了近5%。对于C60处理组,1 mg/L C60减缓衰老的效果最好,5、25 mg/L C60同样也降低了试验材料的瓶插寿命[32]。纳米气泡(nanobubbles)指的是存在于固液界面或者液相环境下,粒径小于1～1 000 nm的气态聚集物[45-46]。纳米气泡具有较高的比表面积和溶解度,可以加速气体在液体中的溶解,并在液体中保持更长时间的稳定性[47-48]。氢气被认为是一种选择性抗氧化剂,有研究表明,富氢水预处理香石竹切花,可以增强抗氧化酶活性和其他气体信号分子(包括一氧化氮和硫化氢)的参与来延长香石竹切花的瓶插寿命[49];但氢气溶解度低、停留时间短,应用纳米气泡可以克服这一缺点。Liu等的研究表明,在相同溶解氢(DH)浓度时,氢纳米气泡水(HNW)比不添加纳米气泡的富氢水(hydrogen-rich water,HRW)表现出更高的抗氧化活性[47,50]。在Li等的研究中,氢纳米气泡水对香石竹Pink Diamond切花衰老的影响在一定范围内同样存在剂量依赖。用不同剂量(1%、5%、10%和50%)氢纳米气泡水处理切花,经5%氢纳米气泡水的处理组切花寿命为10 d,与蒸馏水对照相比,瓶插寿命延长近51%,也大于10%富氢水的处理(8 d),而50%的氢纳米气泡水处理不能延缓切花衰老[30]。与纳米银相比,纳米铜(CuNPs)具有较高的导电性和导热性,表现出良好的光学、抗菌、电学和催化性能,被认为是对微生物的强抗菌剂,常用于防治植物真菌病害以及保鲜消毒[51-52]。Rashidiani等将合成的纳米铜以10、20 mg/L 的浓度,通过脉冲方法处理香石竹Yellow Viana切花研究纳米铜对切花采后生理的影响,结果发现,与对照相比,20 mg/L的纳米铜脉冲处理使切花瓶插寿命增加约30%,并显著改善其水分关系。10 mg/L纳米铜处理组与对照组相比瓶插寿命差异不显著[53]。

3.3 香石竹品种的基因型

研究证实,纳米材料技术对香石竹切花的保鲜效果不仅与纳米材料类型、质量浓度有关,而且同一种纳米材料在不同香石竹品种间的保鲜效果也存在差异。Masoumeh等研究发现,在瓶插液中加入碳纳米管能够有效促进香石竹细胞膨胀、开花,延长香石竹切花的观赏期,但相同处理下不同栽培品种的瓶插寿命存在差异。在瓶插液中加入10 mg/L单壁碳纳米管(SWCNT),可明显延长品种White liberty的瓶插寿命,而品种Grand slam和品种Kirsi的瓶插寿命无明显增加。多壁碳纳米管(MWCNTs)延长瓶插寿命的最佳浓度在3个品种中也不尽相同,分别为Grand slam 20 mg/L、White liberty 40 mg/L 和Kirsi 80 mg/L[33]。Masoumeh等还研究发现,2种纳米管处理品种Grand slam和Kirsi,切花鲜质量的最佳浓度与瓶插寿命的最佳浓度相同,而用不同浓度SWCNTs保持溶液处理品种White liberty,对其鲜质量的效果相似[33]。乙烯是导致香石竹切花质量恶化或衰老的主要因素[8]。Naing认为品种间保鲜效果的差异可能与不同基因型香石竹乙烯生产模式的差异有关。在3个香石竹品种(Koba Kabana、Purple Sky、Lufa)的瓶插液中添加 25 mg/L AgNPs,品种Koba Kabana处理组的平均瓶插寿命最长(比对照延长7 d),相对鲜质量(RFW)在整个试验期间显著高于对照组,维持了较高的RFW和较低的乙烯产量,显著提高康乃馨切花的寿命。试验数据显示,在品种Koba Kabana中,从开花初期到衰老,雌蕊的乙烯产量始终高于花瓣;而品种Lufa和Purple sky的雌蕊产生的乙烯通过诱导花瓣中乙烯生物合成基因的表达,从而对花瓣产生了强烈的影响,并导致了比雌蕊更高水平的乙烯产生,影响了瓶插寿命[54]。

3.4 纳米材料处理香石竹的方式

用纳米材料对香石竹切花采取不同方式的处理,也会影响保鲜效果。刘季平等探讨了AgNPs预处理、瓶插液及预处理+瓶插液3种方式对香石竹安静(Quiet )、马斯特(Master )和太平洋(Pacific)切花采后寿命的影响。结果显示,预处理+瓶插液处理方式最为有效,可显著延长这3个香石竹切花品种的瓶插寿命,其中50～70 mg/L预处理+5～10 mg/L 瓶插液的处理效果最佳,使Master切花瓶插寿命比对照延长14 d[55]。刘季平等认为产生这个结果的原因一方面是AgNPs的存在,持续抑制瓶插液中和花茎末端细菌的生长,减轻茎木质部导管的堵塞,改善水分吸收;另一方面与AgNPs拮抗乙烯的作用有关,2个作用叠加延长了香石竹切花寿命。在Masoumeh等的研究中,不同的处理方式会影响碳纳米管的保鲜效果,研究者采用叶面喷施和瓶插2种方式处理3个品种香石竹(White Liberty、Grand Slam、Kirsi)的切花,发现叶面喷施的方式对3个品种切花吸收水分、开花和保持品质影响较小,不能延长试验材料的瓶插寿命,推测可能是叶片太小限制了碳纳米管的叶面摄入[33]。

3.5 其他影响因素

在实际应用中还应考虑纳米材料自身结构以及与其他物质联合使用时对保鲜效果的影响。

纳米海绵(NS)是一类新型的基于超交联聚合物的胶体结构,由具有几纳米宽空腔的亚微观粒子制成,其结构包含极性可调的纳米级空腔,可以捕获、运输和选择性释放大量亲水和疏水物质[56]。与其他纳米粒子相比,纳米海绵不溶于水和有机溶剂,多孔、无毒且在300 ℃的高温下仍然稳定[57]。环糊精(CD)是一类环状低聚糖大分子的总称,常见的有α、β、γ-CD共3种类型。CD分子与具有羰基的交联剂反应,形成多孔网状(海绵状)结构的聚合物即为环糊精基纳米海绵,此类聚合物可以分散在水中形成稳定的胶体溶液。Seglie等研究了2种环糊精纳米海绵(α-CD-NSs、β-CD-NSs)与 1-甲基环丙烯(1-MCP)形成的复合物,对延长香石竹Idra di Muraglia切花采后寿命的影响,发现在相同处理条件下,α-CD-NS复合物的应用在统计学上没有提高切花的花瓶寿命;而β-CD-NS复合物在最低浓度(0.25 μL/L)时即可有效防止衰老,减少乙烯产生(11 d后几乎为零),更长时间保持原有花瓣颜色,比商业1-MCP气体施用方法更好地延长了切花的寿命[58]。Seglie等还研究发现,不同交联度的β-环糊精纳米海绵(β-CD-NSs 1 ∶2、β-CD-NSs 1 ∶4和β-CD-NSs 1 ∶8)会对掺入的1-甲基环丙烯(1-MCP)活性产生影响,交联度1 ∶8的β-CD-NSs与1-MCP所形成的复合物,在低悬浮浓度(0.25 μL/L)时即可达到最佳保鲜效果,使香石竹Idra di Muraglia切花的观赏品质保持14 d(对照切花在3 d后失去美感,在4 d内出现完全衰老),减少内源乙烯产量,并更好地保持原始花瓣颜色[31]。

碳纳米管的晶体结构非常接近石墨,研究表明,其结构对其性能有直接影响,单壁碳纳米管(SWCNTs)由单层石墨烯组成,直径范围为0.4～2 nm,而多壁碳纳米管(MWCNTs )由多层石墨烯片组成,外径和内径分别为2～100 nm和1～3 nm,单壁碳纳米管和多碧碳纳米管的长度分别为0.2 μm和几微米[59]。不同的碳纳米管具有不同的性质和应用潜力[59-60]。Masoumeh等的研究表明,在香石竹的采后保鲜应用中,碳纳米管溶液有助于延长香石竹的瓶插寿命,但碳纳米管粒径会影响保鲜效果。在该研究中2种碳纳米管作为瓶插液的最佳浓度有差异,与SWCNTs 相比,MWCNTs的最佳浓度更高(两者分别为10～40 mg/L和40～80 mg/L)[33]。这种差异可能与碳纳米管的粒径有关,SWCNTs具有更小的直径和更短的长度,易位能力强。

吴雨衡等也研究发现,纳米铜(CuNPs)与蔗糖的组合对香石竹切花保鲜效果更好。该组研究者用CuNPs(2、5、10 mg/L)与蔗糖(3 g/L)组合溶液瓶插处理香石竹切花小桃红(Tonic Golem),2 mg/L CuNPs+3 g/L蔗糖的组合可最有效促进花朵开放和增进花色,提升吸水量和保持切花水分平衡,明显延缓花瓣萎蔫(瓶插12 d才出现)和改善观赏品质,具有良好的保鲜作用。与对照(以去离子水作为瓶插液) 相比,2、5、10 mg/L CuNPs 单独处理对小桃红切花没有明显的保鲜效果,对照及单用 CuNPs处理的小桃红切花瓶插8 d开始出现花朵萎蔫、花色暗淡等品质劣变现象[29]。

4 纳米材料的保鲜机制

4.1 金属纳米颗粒的保鲜机制

研究证实,纳米银延缓香石竹切花衰老的机制与其抗菌和抑制乙烯合成能力有关[44,61-63]。用纳米银处理香石竹切花后,纳米银粒子缺少2个电子的外壳对微生物有吸附作用,当微生物被银离子吸附后[64],银离子一方面通过与微生物细胞质成分和核酸相互作用,破坏负责呼吸的酶并干扰膜通透性[65-66],抑制瓶插溶液和花茎末端微生物的生长,而且还进入植物维管组织,抑制木质部细菌生长,减轻切花细菌性茎堵塞,改善切花的水分吸收和运输;另一方面银离子从维管组织转移到花器官,抑制香石竹花瓣和雌蕊中乙烯合成关键酶基因(ACS、ACO)、花瓣衰老相关基因(CP1),上调花瓣衰老抑制基因CPi的表达,同时香石竹乙烯信号转导通路上的正调控基因EIL1/2、ERS2和EBF1的表达也受到抑制,减少花瓣和雌蕊中乙烯的产生,从而显著延长切花瓶插寿命[44,63]。

纳米铜对香石竹的保鲜机制研究同样也集中在抗菌和对乙烯的抑制方面,纳米铜的抗菌机制尚无统一定论,可能的机制是通过：(1)与DNA和蛋白质等生物大分子的相互作用破坏生化过程[67];(2)破坏质膜完整性[68];(3)活性氧(ROSs)的产生对细菌细胞造成氧化损伤[69];(4)导致细菌细胞死亡的一些凋亡基因表达的变化等造成微生物死亡,减少切花茎端细菌种群的生长,提高瓶插液的吸收和相对鲜质量(RFW),增加香石竹切花瓶插寿命[70]。目前的研究还发现,纳米铜处理后香石竹花瓣中过氧化物酶(POD)活性增强,降低了花瓣中过氧化氢(H2O2)的水平,从而抑制自催化乙烯的产生,延长香石竹瓶插寿命[53]。

4.2 碳纳米材料的保鲜机制

C60和石墨烯量子点(GQD)对香石竹的保鲜机制在于：通过C60和GQD对香石竹中羟基自由基(—OH)生成的部分抑制作用,以及GQD较高的DPPH自由基清除能力,C60和GQD可直接影响香石竹细胞内活性氧代谢,导致细胞氧化还原状态发生变化,抗氧化系统活性增加,膜脂过氧化减少,从而有效延缓植物组织的衰老和脱落[32]。

在香石竹瓶插液中的碳纳米管增强了酶(APX、CAT、POD 和 SOD)和非酶(类胡萝卜素、多酚和类黄酮)抗氧化剂活性,减轻了叶绿素降解、电解质泄漏和脂质过氧化,其保鲜机制在于通过改善水分关系和刺激抗氧化防御来延长瓶插寿命[33]。

4.3 1-甲基环丙烯/NS复合物、β-环糊精纳米海绵-1-MCP复合物的保鲜机制

β-环糊精纳米海绵(β-CD-NS)作为1-甲基环丙烯 (1-MCP) 的载体,本身无保鲜香石竹切花的作用。气态性质的1-MCP是一种非常有效的乙烯负反应预防剂[71],而且没有任何毒性;但通常只能维持相当短的时间,需要连续或重复处理;以及在低温下(0～5 ℃)活性降低[72-77],增加了应用处理的难度。与市售产品相比,β-CD-NS中包含的1-MCP在切花保鲜中表现出优异的抗乙烯性能,其机制在于：β-CD-NS大分子交联程度显著影响1-MCP 的释放,高交联的β-CD-NS(如 1 ∶8)的网状化程度较高,这种交联聚合物粉末内有大量自由空腔,1-MCP可被包裹其中,并具有完全不溶性,起到缓释其中的活性成分1-MCP的作用,可以在较长时间内提供活性成分的连续供应,防止花瓣中的色素降解,减少内源性乙烯的产生,提高香石竹切花寿命和观赏品质[31]。高交联度的β-CD-NS复合物中,聚合物总量的增加使1-MCP扩散的路径长度增加,使复合物在低浓度下即可具有高活性,与气态商业产品相比所需的总剂量减少、处理切花的频率降低[58,78]。Ludovica Seglie等推测纳米海绵除了能够通过缓慢释放乙烯拮抗剂,减少衰老过程,同时还通过吸附乙烯和捕获其他目标有机化合物来减少乙烯生成,延长切花瓶插寿命[79-82]。

4.4 氢纳米气泡水的保鲜机制

氢气纳米气泡水(HNW)是指纳米级粒径的氢气聚集物溶解于水中形成的“溶液”[83]。由于纳米气泡具有独特的高内压和带负电荷表面的特性,这可以提高气体在液体中的溶解度和停留时间[84]。与不含纳米气泡的氢气水相比,HNW具有更强的抗氧化活性,对羟基自由基(—OH)的去除能力更强[47,85-86]。

切花衰老是一个复杂的过程,主要与水分的流失、离子的泄漏、活性氧的产生以及蛋白质和核酸的合成和降解有关[87],ROS参与膜降解并导致细胞死亡。在切花采后期间,通常观察到ROS过量产生,而ROS的清除可能由于抗氧化酶活性的增加而延缓切花衰老的发生[88-89]。研究发现,HNW延长香石竹瓶插寿命的机制如下：HNW增加了氢分子(H2)的可用性,H2渗透到细胞中,抑制了瓶插期间香石竹核酸酶(包括DNase和RNase)和蛋白酶活性的增加趋势,通过降低活性氧的积累和衰老相关酶的初始活性,减少相对鲜质量下降和水分损失(维持细胞膨胀)、延缓电解液泄漏的增加、选择性去除具有细胞毒性的ROS,推迟ROS的积累和花瓣细胞的死亡,延缓了香石竹切花的衰老[30]。

5 结语与展望

纳米材料技术是一项相对年轻但发展迅速的技术,在世界各地的食品、农业、医药、各种工业和人类活动等广泛领域都有应用。纳米结构和纳米颗粒由于其高比表面积、小尺寸和特殊的性质(例如高催化性质)而改善了它们所使用的系统的质量。纳米材料应用于香石竹切花,其保鲜效果受材料种类、使用浓度、香石竹基因型和处理方式等因素的影响,在实际应用中应加以考虑。此外,目前关于纳米材料技术在香石竹保鲜领域的应用多集中于纳米银、碳纳米管等少数材料的保鲜研究,其他材料的应用研究尚不够充分。同时,金属和金属氧化物纳米粒子易渗透到细胞中,未来的研究应侧重于减少纳米复合材料和纳米粒子可能存在的危害,采用更环保的合成方法,由天然产品合成的绿色纳米颗粒来解决这一限制,助力于香石竹切花采后保鲜,减少采后损失,提高产品质量,同时提高产品的竞争力。