马 跃,胡文忠,程 双,姜爱丽,毕 阳

(1.甘肃农业大学食品科学与工程学院,甘肃兰州 730070; 2.大连民族学院生命科学学院,辽宁大连 116600; 3.大连工业大学生物与食品工程学院,辽宁大连 116034)

鲜切对果蔬生理生化的影响及其调控方法

马 跃1,胡文忠2,＊,程 双3,姜爱丽2,毕 阳1

(1.甘肃农业大学食品科学与工程学院,甘肃兰州 730070; 2.大连民族学院生命科学学院,辽宁大连 116600; 3.大连工业大学生物与食品工程学院,辽宁大连 116034)

鲜切果蔬发展前景十分广阔。本文从伤呼吸和伤乙烯的产生、酶促褐变、细胞壁及膜组分降解等方面介绍了由鲜切引起果蔬的一系列生理生化反应,并总结了低温加工贮运、防腐保鲜剂、气调处理以及可食性涂膜等控制鲜切果蔬不良变化的方法,旨在为后续研究鲜切果蔬理论提供参考。

鲜切果蔬,生理生化变化,调控方法

1 鲜切对果蔬生理生化的影响

1.1 伤乙烯生成

乙烯是植物生长的调节剂,几乎所有的植物组织均有产生乙烯的能力,果蔬组织切割后会导致乙烯生成量迅速增加,称为伤乙烯。机械伤害可诱发不产生或乙烯生成很少的果蔬乙烯释放量增加。如完整的南瓜几乎不产生乙烯,但是一旦受到机械伤害,就会在较短的时间内产生大量乙烯[2]。伤乙烯产生后会对产品产生很多不利影响,如伤乙烯会促进与果蔬成熟有关的酶的生物合成,使果实呼吸增加,组织软化,产生褐变,降低自身对逆境的抵抗力,从而加速果蔬组织的衰老与腐败。此外,有研究表明,果蔬中芳香物质的代谢受乙烯调节,用乙烯处理转基因番茄后,其柠檬酸和苹果酸的含量会升高[3]。

1.2 呼吸强度

大量研究表明,机械损伤会使果蔬组织呼吸速率显著增加,即伤呼吸,并随着衰老过程而进一步加强,甚至还会改变某些果蔬组织的呼吸途径。有研究指出,受损伤后的小白菜呼吸速率明显高于未受损伤的呼吸速率,而且呼吸速率随着伤害程度的增加而增加[4]。不同的切分方式对呼吸强度的影响也不同,切分越细,果蔬表面积增加越大,呼吸强度越高,切块胡萝卜的呼吸强度是未切分的 2倍左右,与切块胡萝卜相比,切片胡萝卜的呼吸强度增加了15.6%,切丝胡萝卜的呼吸强度增加了 36.7%[5]。切割引起的呼吸上升会导致货架期的缩短。呼吸作用还会引起糖类的消耗,淀粉降解加强,三羧酸循环和电子传递链活化,并产生大量 CO2、O2以及剧增的热量释放等生理效应。另外,鲜切果蔬表面的汁液阻塞气孔,气体扩散速率下降,造成局部的 CO2/O2的比值上升,达到一定程度后诱发无氧呼吸。无氧呼吸造成乙醇和乙醛的大量积累,使产品风味发生变化。切割后的果蔬对于温度更为敏感,温度高时生理和生化反应加速,不利于产品品质。一般来说,在一定的温度范围内,降低温度,呼吸强度就大大减弱。果蔬呼吸强度越小,物质消耗就越慢,货架期就会延长。

1.3 酶促褐变

切割造成果蔬细胞破碎,使细胞内容物如氧化酶被释放出来,引起组织的生理生化反应。不仅影响产品外观质量,也会产生令人不快的味道,并造成营养的流失,是限制鲜切产品货架期的主要因素。褐变已成为大部分果蔬如莲藕[6]、莴苣[7]、马铃薯[8]、苹果[9]、梨[10]等切割过程中都会遇到的一个问题,防止褐变已成为切割果蔬行业急需解决的首要问题。与酶促褐变相关的酶主要包括苯丙氨酸解氨酶(PAL)、多酚氧化酶 (PPO)和过氧化物酶 (POD)。PAL是参与酶促褐变底物酚类物质形成的关键性酶,同时也是次生代谢物质形成的关键性酶,而 PPO和 POD则直接催化酚类物质形成褐色物质。

1.3.1 苯丙氨酸解氨酶 (PAL) 鲜切果蔬加工中造成的伤害会诱导苯丙烷代谢酶系统,PAL是苯丙烷代谢的第一个关键性酶,切割作为机械损伤必然会对 PAL产生影响。庞坤[9]等人研究表明,鲜切苹果在贮藏过程中 PAL活性呈先上升后下降趋势,前期PAL活性明显上升是由伤害和伤乙烯大量释放引起的。在贮藏后期 PAL活性的下降可能是因为乙烯释放量的降低以及组织衰老造成的。PAL活性提高有利于愈伤组织的形成,起到修补伤口的作用。李正果[11]等研究认为植物在遭受伤害时,苯丙烷类代谢被激活,PAL活性上升以产生较多植保素、木质素来减轻伤害,当合成较多次生代谢物后,它们会反馈抑制 PAL活性,从而减少营养物质的消耗,有利于伤口愈合。

1.3.2 多酚氧化酶 (PPO) PPO通常被认为是引起果蔬产品采后褐变最重要的酶,其直接催化相应的酚类物质生成褐色的醌类物质,从而导致组织产生褐变。刘程惠[8]等研究表明,鲜切马铃薯的 PPO活性的变化是先增加后降低,再增加又降低,这是因为切割诱导了马铃薯组织中潜伏存在的 PPO活性,使其在贮藏初期内活性迅速提高;随后 PPO活性降低后又上升,这是诱导酶活和自杀性失活 2种作用平衡的结果;贮藏后期诱导作用降低,自杀性失活占主导,从而导致 PPO活性降低。Tomas-Barberan[12]等人认为切割伤害可直接激发 PPO活性的上升。研究表明,鲜切苹果的 PPO活性明显大于完整苹果,且在贮藏初期表层果肉的 PPO活性大于内层,可见受伤部位果肉的 PPO活性的上升快于远离受伤部位的果肉。贮藏中期表层和内层的 PPO活性差别不大。但在贮藏末期,内层的 PPO活性大于表层,一方面由于表层果肉衰老,各种代谢减缓,另一方面是因为 PPO催化的褐变产物对 PPO有一定的抑制作用[13]。潘永贵[14]等研究表明,鲜切莲藕组织中 PPO活性除了贮藏初期活性有所下降外 (其可能主要与贮藏温度下降有关),随着贮藏时间的延长,褐变逐步加重,PPO活性逐渐上升,这说明了莲藕组织褐变与 PPO活性有关。

1.3.3 过氧化物酶 (POD) 大量研究表明,POD在有 H2O2存在时能催化酚类、类黄酮的氧化和聚合,参与酚类物质的代谢,与果蔬组织褐变密切相关。另外,POD也是植物在逆境条件下酶促防御系统的关键酶,是细胞内清除活性氧的保护酶。庞坤[9]等研究表明,鲜切苹果的 POD活性呈先上升后下降的变化趋势。POD活性在贮藏初期快速上升可能是由于伤害的胁迫,果蔬膜系统的完整性受到破坏,细胞壁加快降解,游离态 POD得以增加。贮藏后期活性下降,可能是伤害对 POD产生的作用随时间减小造成的。田密霞[10]等研究指出,作为 POD底物的过氧化物主要是 H2O2,低浓度的 H2O2可提高 POD的活性,而高浓度反过来抑制 POD活性。用抗坏血酸处理鲜切梨果实,在贮藏过程中 POD活性上升,可能由于抗坏血酸清除了部分 H2O2,从而使 H2O2浓度降低的原因。

1.4 细胞壁及膜组分降解

细胞膜降解会导致细胞和组织结构的去区域化以及正常细胞功能的丧失。许多次级反应是由膜降解引起的,最常见的是组织褐变和异味的产生。另外组织软化也与细胞壁组分的降解有关。切割能影响细胞膜结构的破坏及原生质流动性的丧失,引起膜组分的迅速降解,如在切割后 15min内,鲜切马铃薯切片的磷脂减少 35%,糖脂减少 30%[15]。切割可能活化那些在正常条件下活性很低的酶,包括一些控制细胞壁、细胞膜代谢的酶。如伤害诱导番木瓜的多聚半乳糖苷酶、α-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷酶、脂氧合酶和磷脂酶 D,使其活性提高[16]。酰基水解酶和磷脂酶会使膜质降解产生自由脂肪酸。这些游离酸对细胞具有毒性,此外脂氧合酶 (LOX)可专一性的催化具有顺,顺-1、4戊二烯结构的不饱和脂肪酸转化为氢过氧化物,进一步生成对细胞有毒的短链挥发醛类物质和游离自由基,损伤细胞膜,最终使细胞完全解体。

1.5 其他生理反应

除上面所说的几种生理变化外,还会产生其他变化,如产生水分蒸发、组织软化、营养成分流失、产生愈伤反应等。这些反应均会对产品质量造成不利影响。水分蒸发会导致产品发生萎蔫或皱缩。去皮或切割会导致这些蒸腾作用的屏障减少或消除,增加组织的比表面积,从而使水分散失加剧。组织软化可能是伤害诱导的细胞壁和细胞膜降解酶作用的结果,也可能是果胶及多糖类物质的降解,另外细胞失水也可引起组织的软化[17]。果蔬切割后,营养物质大量损失,特别是VC损失严重,经去皮的马铃薯, VC损失高达 35%[18]。此外,蛋白质含量也会下降,一方面由于蛋白质合成能力减弱,另一方面蛋白质分解加快。组织受到伤害后,会引发愈伤反应,在伤害部位的细胞壁中产生并沉积木栓质和木质素等一系列次生代谢物质。种类及品种不同的果蔬,产生的次生代谢物质种类也不同。组织的愈伤反应能影响鲜切果蔬的外观,产生的木质素尽管可以防御病原微生物的入侵,但在一定程度上却降低了其食用品质。

2 鲜切果蔬不良变化的控制方法

2.1 低温加工、贮运

适宜的低温可有效地降低果蔬组织的新陈代谢速度,抑制相关酶的活性,防止褐变,降低呼吸强度及乙烯释放量。当环境温度低于 5℃时,各种微生物的繁殖会受到明显抑制[19]。王莉[20]等对切割生菜的保鲜研究结果表明,贮藏温度越低,越有利于保持切割生菜的品质。低温有利于保鲜,但是当温度降低到临界低温时会发生冷害。因此,鲜切果蔬在低温下贮藏应控制适当的温度。但低温处理只是一般鲜切果蔬保鲜的必要条件,需要与其它保鲜手段配合使用。

2.2 防腐保鲜剂

主要应用化学方法进行防腐保鲜处理。利用柠檬酸可降低 pH,抑制酶活性,利用螯合剂可抑制酶活性,保持鲜切果蔬的新鲜度。目前用于鲜切果蔬的防腐保鲜剂主要有山梨酸钾、抗坏血酸、柠檬酸、4 -己基间苯二酚、氯化钙、氯化锌、氯化钠、乳酸钙、乙二胺四乙酸、半胱氨酸、谷胱甘肽、植酸等。许多天然提取物也有利于鲜切果蔬的保鲜。采用丁香提取物处理鲜切茄子,可很好地解决贮藏过程中失重和褐变的问题[21]。姜黄、虎杖、艾叶、丁香提取物对切割蔬菜中常见大肠杆菌 (Escherichia coli)、荧光假单胞 菌 (Pseudom onas fluorescens)、啤 酒 酵 母(Saccharom yces cervisiae)等病原微生物均有一定的抑制作用[22]。

2.3 气调处理

自发气调包装 (modified a tmosphere packaging, MAP)是通过包装袋内外气体交换和袋内产品的呼吸作用,被动地形成一个袋内的气调环境,或用某一特殊的混合气体充入特定的包装袋,其最终目标是在包装袋内形成一个理想的气体条件,尽可能地降低产品的呼吸强度,同时不对产品产生不良影响[23]。这种环境可有效限制氧的供应、抑制乙烯生成及好氧性微生物的繁殖,从而延迟果蔬衰老,抑制腐烂的发生。研究发现,含有 5%～10%CO2以及 2%～5% O2的气调环境,可明显降低蔬菜呼吸速率,抑制酶活性,延长鲜切蔬菜货架寿命[24]。所有的MAP处理都应该注意包装材料的透气性,透气性差会引起高浓度 CO2伤害和低浓度 O2伤害,造成代谢紊乱,品质下降;透气性太好不仅会引起失水,而且达不到自发气调指标。目前鲜切果蔬大多采用气调包装结合低温冷藏,能显著延长鲜切果蔬的贮藏期,较好地保持鲜切果蔬品质。

2.4 可食性涂膜

可食性涂膜能在果蔬表面形成一层对水分和气体具有半透性的屏障,从而降低呼吸、减缓褐变和水分散失,进而抑制鲜切果蔬生理紊乱的发生,延长货架期[25]。在成膜剂中加入抗氧化剂、保鲜剂是常用的方法,这样结合使用能减少试剂的使用剂量,且可以更有效地抑制鲜切果蔬的褐变和品质损失。Lee[26]等研究发现采用加入抗坏血酸和氯化钙的乳清蛋白的可食性涂膜处理,可使鲜切苹果感官品质保持 2周无劣变。Perez-Gago[27]等研究发现在乳清蛋白和蜂蜡涂膜中与抗坏血酸或半胱氨酸结合使用,比单独使用涂膜能更有效地抑制鲜切苹果的褐变。壳聚糖是研究较多的涂膜材料之一,壳聚糖膜可阻碍果蔬中水分的蒸腾作用,抑制果蔬的呼吸强度,延缓食品皱缩和萎蔫。Chine[28]等研究表明,壳聚糖保鲜膜阻止了鲜切芒果的水分损失和风味劣化,增加了可溶性固形物、可滴定酸和抗坏血酸含量,还抑制了微生物的生长。采用壳聚糖保鲜膜能有效提高鲜切芒果的品质及延长其货架寿命。

2.5 其它方法

利用射线辐照处理、振荡磁场、高压及生物防腐剂处理,对于鲜切果蔬的保鲜也具有很好的效果[29]。

3 结束语

鲜切果蔬仍具有生命活动、呼吸等新陈代谢作用,在加工和贮藏过程中,很容易腐烂变质。所以要求在鲜切果蔬的加工、贮藏、运输和销售中有一个高度配合的冷链系统,使果蔬组织自身的新陈代谢处于最低状态,微生物的生长繁殖也受到最大的抑制。

伤害诱导的多种生理变化是影响大多数鲜切果蔬质量和货架期的重要因素。值得注意的是这些生理生化变化之间并不是相互孤立的,如产生的乙烯可能会促进与褐变相关的酶活性提高,诱发酶促褐变,或诱发降解膜结构的酶使组织的膜结构分解,进一步促进褐变和乙烯的产生等。我们需要深入研究确定它们之间的相互关系,明确鲜切果蔬的生理变化机制,为更好地保持鲜切产品的质量奠定生物学基础。

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Effects of fresh-cut on the physio-biochemical changes of fruits and vegetables and its controlling methods

MA Yue1,HUW en-zhong2,＊,CHENG Shuang3,JIANG A i-li2,BIYang1
(1.College of Food Science and Engineering,Gansu AgriculturalUniversity,Lanzhu 730070,China; 2.College ofLife Science,Dalian NationalitiesUniversity,Dalian 116600,China; 3.College ofBio&Food Techonlogy,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China)

The indus try of fresh-cut fruits and vege tab les has good p rosp ec ts.In this p ap e r,the deve lopm ent of wound ing e thylene and resp ira tion,enzym a tic b rowning,deg rada tion of ce ll wa ll and m em b rane comp onents of fresh-cut fruits and vege tab les we re reviewed.M oreove r,som e effec tive controlling m e thods,such aslowtemp e ra ture p rocess ing,s torage and transp ort,p rese rva tive agent,controlled a tm osp he re and ed ib le coa tings we re introduced.The m a jor role of this p ap e r is to p rovide som e confe rences for the subsequent s tudy on fresh-cut fruits and vege tab les.

fresh-cut fruits and vege tab les;p hys io-b iochem ica l changes;controlling m e thods

TS255.1

A

1002-0306(2010)02-0338-04

鲜切果蔬(即最小化加工果蔬或切割果蔬)是指新鲜果蔬原料经清洗、去皮、修整、切割、包装而制成的方便果蔬制品。鲜切果蔬可减少城市垃圾,提高附加值,节约时间,不但符合消费者对自然、新鲜、卫生、方便、环保及健康食品的需要,还可满足食品快餐业、团体饮食业、军事后勤供给的特殊需要,逐渐成为城市果蔬消费的主流,被认为是今后果蔬业发展的方向之一[1]。但鲜切果蔬还存在明显的缺点。它极易变质和衰老,货架期短。鲜切加工造成的机械损伤导致一系列复杂的物理和生理效应,对果蔬的生理特性、品质特性及货架期等均产生诸多不利影响。鲜切果蔬经切割后失去了果实整体的代谢协调性,产生不可修复的、失去自身保护的伤害,诱发一系列生理生化反应,如伤乙烯的产生、呼吸速率升高、酶促褐变、细胞壁及膜组分降解等,这些变化加速了鲜切果蔬的衰老进程。本文综述了鲜切加工对果蔬造成的不良生理生化反应及控制方法,从而为鲜切果蔬的加工、保鲜提供一定的理论依据,对深入探明鲜切果蔬的生物学问题具有重要的实际意义和理论价值。

2009-03-02 ＊通讯联系人

马跃(1984-),女,硕士研究生,研究方向：食品科学。

国家自然科学基金项目(30771508,30671458);辽宁省教育厅高等学校科研基金资助项目(2005L057)。