低温等离子体处理对鲜切胡萝卜品质及抗氧化活性的影响

孟宪伟,汤静,王春飞,陈逸婷,金鹏,郑永华

(南京农业大学食品科学技术学院,江苏 南京 210095)

鲜切果蔬是指新鲜果蔬经分级、洗净、切分、包装等加工处理后的果蔬制品,具备新鲜、卫生和营养等特点［1］。随着现代生活节奏的加快及人们对天然、营养的追求越来越高,消费者对鲜切果蔬的需求日益增加,鲜切果蔬产业发展迅速［2］。胡萝卜富含类胡萝卜素等营养物质,具有预防夜盲症、干眼病及心血管疾病等功能,且胡萝卜口感清脆、干物质含量高、切分后汁液损失少,特别适合鲜切加工处理,因此鲜切胡萝卜在鲜切果蔬市场中占据较大份额［3］,但鲜切胡萝卜在贮藏过程中存在因木质素含量增加而导致的白变现象及病原微生物滋生等品质劣变问题,从而失去商品价值［4］。为了延缓鲜切胡萝卜白变和抑制微生物的滋生,常采用物理［5］和化学［6］技术进行保鲜,其中低温等离子体处理因具备安全、高效等特点得到研究人员的广泛关注。

低温等离子体(cold plasma)是一种气体经电离后产生臭氧、活性氧(ROS)、紫外线及活性氮(RNS)等活性物质的混合体,被认为是第四态物质［7］。作为一种新型绿色冷杀菌技术,低温等离子体处理具有环保、高效和无残留等优点,在食品保鲜中具有较好的应用前景［8］。前人已对低温等离子体处理蓝莓［9］、黄瓜［10］和平菇［11］等果蔬保鲜的作用进行了研究,但主要集中在灭菌效果及对农药和真菌毒素的清除方面,对果蔬活性成分含量及抗氧化活性的研究较少［12］。果蔬鲜切加工造成的机械损伤会加速品质劣变,但也会促进酚类、黄酮类等次生代谢物的合成,为愈伤组织的形成提供物质基础［13］。我们前期研究发现鲜切加工处理可提高哈密瓜、胡萝卜中多酚类物质的含量和抗氧化活性,且切分损伤强度与酚类物质的合成积累呈正相关,提高了其抗氧化能力和潜在的营养价值［14-16］。如何通过加工和保鲜条件的控制,在确保产品品质和安全性的基础上,尽可能促进鲜切果蔬中多酚类等活性成分的积累和抗氧化活性的提高,进而增强产品的营养保健功效,已成为鲜切果蔬加工和保鲜技术研究的发展方向。近年来研究表明,低温等离子体处理不仅可以有效抑制鲜切甜瓜［17］、苹果［18］、猕猴桃［19］中微生物的生长,还可进一步提高多酚类物质的含量,增强其抗氧化活性,但有关低温等离子体处理对鲜切胡萝卜品质及抗氧化活性的研究还未见报道。因此,本试验研究了低温等离子体处理对鲜切胡萝卜色泽和菌落总数等主要品质指标、总酚和主要酚单体含量及抗氧化活性的影响,以明确低温等离子体对延缓鲜切胡萝卜品质劣变及提升营养价值的作用,为低温等离子体技术在鲜切胡萝卜保鲜中的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以胡萝卜(DaucuscarotaL.)品种‘新黑田五寸人参’为试材,选择外观规整、大小基本一致、新鲜、色泽深、无病虫害的胡萝卜立即运回实验室。

1.2 试验方法

将挑选好的胡萝卜用200 μmol·L-1次氯酸钠溶液消毒处理5 min,去皮切分成丝状(长5～7 cm、宽0.3 cm、厚0.2 cm),混匀后放入聚丙烯包装盒(体积18 cm×12.5 cm×3.5 cm,每盒约30 g)中密封包装。我们前期研究了不同电压(40、50、60、70 kV)和不同时间(1、3、5、7 min)低温等离子体处理(CPS-1型低温等离子体发生器,购于南京屹润等离子科技有限公司)对鲜切胡萝卜保鲜的效果,发现60 kV、5 min低温等离子体处理的效果最佳。因此,在本研究中我们选择该条件进行低温等离子体处理,以不作任何处理作为对照。每次取样随机选取4盒样品,一部分用于色泽和微生物指标的测定,另一部分经液氮速冻后进行其他指标测定。经处理后的鲜切胡萝卜置于(10±1)℃下贮藏,分别于12、24、48和72 h时取样。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 色泽测定参考范腾等［4］的方法并加以修改,使用CR200色差仪(日本柯尼卡美能达公司)测定样品的L*、a*及b*值,用以下公式计算白度值(WI):WI=100-［(100-L*)2+a*2+b*2］1/2。

1.3.2 木质素含量和过氧化物酶(POD)活性测定木质素含量测定参考Morrison等［20］的方法并稍做修改。取1 g冻样用5 mL 95%乙醇研磨,离心后将沉淀用95%乙醇溶液连续洗脱3次,然后置于85 ℃烘箱中烘干至恒重,加入3 mL 25%溴乙酰冰醋酸溶液进行复溶,于70 ℃下保温30 min后加0.9 mL 2 mol·L-1NaOH终止反应,最后用冰醋酸溶液定容至5 mL作为待测液,在波长280 nm下测定其光密度值,结果以D280·g-1表示。POD活性参考曹建康等［21］的方法测定。

1.3.3 菌落总数测定根据食品安全国家标准《食品微生物学检验 菌落总数测定:GB4789.2—2016》进行测定,结果以lg(CFU·g-1)表示。

1.3.4 抗坏血酸及总胡萝卜素含量测定抗坏血酸含量参考游万里等［14］的方法测定,总胡萝卜素含量参考Biehler等［22］的方法测定。测定时均取1 g冻样,结果用mg·100 g-1表示。

1.3.6 苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸-4-羟化酶(C4H)和4-香豆酸辅酶A连接酶(4CL)活性测定PAL活性测定参照Meng等［24］的方法,测定290 nm处光密度值变化;C4H活性的测定参考Lamb等［25］的方法,提取液与测定4CL时相同,测定波长340 nm处光密度值变化;4CL活性测定参考Knobloch等［26］的方法。以上酶活性的测定均根据蛋白含量反应体系,结果以U·mg-1表示。

1.3.7 总酚、绿原酸、咖啡酸含量和1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基清除率测定总酚含量测定参考朱惠文等［27］的方法;绿原酸、咖啡酸含量测定参照Surjadinata等［28］的方法并稍做修改。取5 g冻样用10 mL的预冷甲醇研磨后离心收集上清液,使用旋蒸仪35 ℃水浴下浓缩至4 mL,然后用Waters Sep-Pak(C18-500 mg)进行固相萃取,收集洗脱液,使用高效液相色谱仪(日本岛津公司)进行HPLC分析。DPPH自由基清除率测定参考朱惠文等［27］的方法。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2019、OriginPro 9.0 和SAS 8.0软件进行试验数据的处理、绘图和方差分析,通过独立样本t测验分析指标的差异显著性,以P<0.05表示差异达到显著水平,P<0.01表示差异达到极显著水平。

2 结果与分析

2.1 低温等离子体处理对鲜切胡萝卜色泽的影响

由图1-A可知:鲜切胡萝卜贮藏期间L*值逐渐增大,低温等离子体处理组L*值上升速度明显低于对照组。由图1-B、C可知:鲜切胡萝卜在贮藏期间a*、b*值均呈下降趋势,低温等离子体处理延缓了a*、b*值下降。由图1-D可知:鲜切胡萝卜贮藏期间白度值逐渐增加,低温等离子体处理显著抑制了白度值的增加。上述结果表明,低温等离子体处理可以有效减轻鲜切胡萝卜白变的发生,从而维持其外观品质。

图1 低温等离子体处理对鲜切胡萝卜贮藏期间L*(A)、a*(B)、b*(C)值及白度值(D)的影响Fig.1 Effect of cold plasma treatment on the L*(A),a*(B),b* value(C)and whiteness value(D)of fresh-cut carrot during storage *、**分别表示相同的贮藏时间内,低温等离子体处理组与对照组差异显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)。下同。*,**indicate significant difference(P<0.05)or extremely significant difference(P<0.01)between the cold plasma treatment group and the control group for the same storage time,respectively. The same below.

2.2 低温等离子体处理对鲜切胡萝卜木质素含量及过氧化物酶(POD)活性的影响

如图2-A所示:贮藏期间鲜切胡萝卜木质素含量逐渐增加,低温等离子体处理抑制了木质素含量的增加,并在贮藏24 h后木质素含量显著低于对照组。如图2-B所示:鲜切胡萝卜POD活性在贮藏期间呈现逐渐上升的趋势,低温等离子体处理组的POD活性在贮藏24 h后上升速度明显低于对照组,并始终保持相对较低的POD活性。这些结果表明低温等离子体处理可通过抑制POD的活性,减少木质素的生成,从而减轻白变的发生,维持鲜切胡萝卜的商品价值。

图2 低温等离子体处理对鲜切胡萝卜贮藏期间木质素含量(A)及过氧化物酶(POD)(B)活性的影响Fig.2 Effect of cold plasma treatment on the lignin content(A)and peroxidase(POD)(B) activity of fresh-cut carrot during storage

2.3 低温等离子体处理对鲜切胡萝卜菌落总数及抗坏血酸、总胡萝卜素含量的影响

随着贮藏时间的延长,鲜切胡萝卜菌落总数逐渐增加,低温等离子体处理显著抑制了菌落总数的上升(图3-A)。鲜切胡萝卜在贮藏期间抗坏血酸含量不断下降,低温等离子体处理减缓了其下降速度,含量始终高于对照组(图3-B)。由图3-C可知:总胡萝卜素含量在贮藏期间呈下降趋势,低温等离子体处理可显著延缓总胡萝卜素含量的下降。这些结果表明低温等离子体处理能显著抑制鲜切胡萝卜微生物的生长,维持较高的抗坏血酸及总胡萝卜素含量,从而延长货架期。

图3 低温等离子体处理对鲜切胡萝卜贮藏期间菌落总数(A)及抗坏血酸(B)、总胡萝卜素含量(C)的影响Fig.3 Effect of cold plasma treatment on total bacterial count(A),ascorbic acid content(B), total carotenoid content(C)of fresh-cut carrot during storage

2.4 低温等离子体处理对鲜切胡萝卜生成速率和H2O2含量的影响

图4 低温等离子体处理对鲜切胡萝卜贮藏期间生成速率(A)和H2O2含量(B)的影响Fig.4 Effect of cold plasma treatment on generation rate(A)and H2O2 content(B) of fresh-cut carrot during storage

2.5 低温等离子体处理对鲜切胡萝卜苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸-4-羟化酶(C4H)和4-香豆酸辅酶A连接酶(4CL)活性的影响

如图5所示:鲜切胡萝卜贮藏期间PAL活性呈上升趋势,低温等离子体处理可显著促进PAL活性的上升,在贮藏期间处理组PAL活性显著高于对照组。C4H活性在贮藏期间呈现先升后降的趋势,低温等离子体处理组的C4H活性高于对照组,在贮藏12 h后具有显著差异。4CL活性变化趋势与C4H相似,低温等离子体处理组4CL活性明显高于对照组。上述结果表明,低温等离子体处理提高了苯丙烷代谢关键酶PAL、C4H及4CL的活性,从而促进酚类物质的合成积累。

图5 低温等离子体处理对鲜切胡萝卜贮藏期间苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸-4-羟化酶(C4H) 和4-香豆酸辅酶A连接酶(4CL)活性的影响Fig.5 Effect of cold plasma treatment on phenylalanine ammonialyase(PAL),cinnamic acid 4-hydroxylase(C4H) and 4-coumaric acid coenzyme A ligase(4CL)activities of fresh-cut carrot during storage

2.6 低温等离子体处理对鲜切胡萝卜总酚、酚单体含量及DPPH自由基清除率的影响

如图6-A所示:贮藏期间鲜切胡萝卜的总酚含量呈上升趋势,低温等离子体处理可显著促进总酚含量的上升,在贮藏72 h后总酚含量达到589.29 mg·kg-1,是对照组含量的1.27倍。低温等离子体处理可显著促进绿原酸和咖啡酸含量的上升,在整个贮藏期间处理组的绿原酸和咖啡酸含量显著高于对照组(图6-B、C)。如图6-D所示:贮藏期间鲜切胡萝卜DPPH自由基清除率变化趋势与总酚含量变化类似,低温等离子体处理显著促进了DPPH自由基清除率的上升,在贮藏72 h后处理组DPPH自由基清除率比对照组高44.90%。这些结果表明,低温等离子体处理显著促进了鲜切胡萝卜多酚类物质的合成积累,从而使鲜切胡萝卜具有更高的抗氧化能力和潜在的营养价值。

图6 低温等离子体处理对鲜切胡萝卜贮藏期间总酚(A)、绿原酸(B)和咖啡酸含量(C) 及DPPH自由基清除率(D)的影响Fig.6 Effect of cold plasma treatment on total phenolics(A),chlorogenic acid(B)and caffeic acid contents(C), and DPPH radical scavenging rate(D)of fresh-cut carrot during storage

3 讨论

胡萝卜经切分处理后,由于丧失表皮的保护及内部结构遭到破坏,白变相关酶与底物反应加快,木质素含量逐渐增加,导致白变加快;同时汁液外溢为微生物繁殖提供了充足的营养,从而丧失商品价值,因此抑制表面白变及微生物滋生是鲜切胡萝卜保鲜的关键［29］。POD催化木质素单体发生聚合反应生成木质素,在木质素合成过程中起关键作用［30］。研究表明木质素的积累与鲜切胡萝卜白变程度密切相关,采用UV-C和NO处理可显著降低POD活性,抑制木质素的积累,从而减轻鲜切胡萝卜的白变［5-6］。本研究发现,低温等离子体处理可显著抑制鲜切胡萝卜POD活性,延缓木质素含量和白度值的上升,减轻白变的发生,但低温等离子体处理抑制POD活性的机制仍不清楚。前人研究发现低温等离子体处理可显著降低鲜切苹果［31］、马铃薯［32］多酚氧化酶(PPO)的活性,减轻褐变发生,其原因可能是等离子体中的ROS、RNS等活性物质会对PPO活性中心产生氧化并对其二级结构进行修饰,从而抑制其活性。因此,低温等离子体处理是否也通过对POD产生氧化修饰从而抑制其活性,尚有待进一步研究证实。鲜切果蔬中微生物的种类、数量决定着货架期及食用安全性,研究发现鲜切胡萝卜表面主要存在嗜中温型细菌和乳酸菌等微生物［33］。低温等离子体中的ROS、RNS等活性物质可对微生物的脂质、蛋白质及DNA等产生氧化作用,从而导致微生物死亡［7］。张志伟等［34］发现等离子体处理可有效灭杀鲜切胡萝卜表面的金黄色葡萄球菌,提高鲜切胡萝卜的食用安全性。低温等离子体处理也可显著抑制鲜切火龙果［35］和芒果［36］微生物生长,延长货架期。本研究发现,低温等离子体处理可有效抑制鲜切胡萝卜微生物生长,从而维持其安全品质。因此,低温等离子体处理在鲜切胡萝卜保鲜中具有较好的应用前景。

综上,低温等离子体处理可有效抑制鲜切胡萝卜在(10±1)℃ 贮藏条件下POD活性及木质素的积累,延缓抗坏血酸及总胡萝卜素含量的下降,减缓白变发生,维持较好的感官和营养品质;同时低温等离子体处理可有效抑制微生物的生长,延长产品货架期。此外,低温等离子体处理可促进鲜切胡萝卜ROS产生,提高苯丙烷代谢关键酶PAL、C4H及4CL的活性,促进绿原酸、咖啡酸等酚类物质的合成积累,使鲜切胡萝卜在贮藏期间保持更高的抗氧化活性,从而提高鲜切胡萝卜潜在的营养价值。