外源草酸對水果的保鮮效應及其機制研究進展

摘 要：草酸是一種代謝產物，廣泛分布于植物、動物及真菌體中。許多研究表明外源草酸不僅有效延緩果實的成熟衰老進程，而且有效控制采后果實的病情、腐爛及褐變發生，對果實采后保鮮效果明顯。草酸處理降低果實的細胞壁代謝、提高抗氧化力、抑制呼吸強度和乙烯釋放量等生理效應與延緩果實采后成熟過程相關。草酸對水果的一些病原菌具有直接抑菌作用，而且誘導提高采后果實的系統抗病性，從而抑制果實采后腐爛發生。當前，外源草酸在水果采后保鮮中的應用研究已引起重視。我們綜述了外源草酸對水果采后貯藏保鮮的效應及其作用機制。并對進一步開展相關研究作出了展望。

關鍵詞：水果；外源草酸；貯藏；機理

中圖分類號：S66 文獻標識碼：A 文章編號：1009-9980(2010)04-605-06

草酸(Oxalic acid)是生物體的一種代謝產物，廣泛分布于植物、動物和真菌體中，并在不同的生命體中發揮不同的功能。研究發現百多種植物富含草酸，尤以菠菜、莧菜、甜菜、馬齒莧、芋頭、甘薯和大黃等植物中含量最高。由于草酸可降低礦質元素的生物利用率，在人體中容易與鈣離子形成草酸鈣導致腎結石，所以草酸往往被認為是一種礦質元素吸收利用的拮抗物。然而，外源草酸在毫摩爾濃度水平就具有極強的抗氧化性能，在適當用量范圍內可以作為一種天然的抗氧化劑應用于食物的貯藏中并發揮重要作用。當前，許多研究表明外源草酸(毫摩爾濃度，大大低于一些經常食用蔬菜或果實的草酸含量水平)能夠延緩果實成熟衰老進程，提高果實的抗病性，抑制采后果實病情發展和褐變發生，對采后水果的保鮮作用效應極為顯著，因而外源草酸在果蔬保鮮中的應用已引起廣泛關注。作者簡要概述外源草酸對水果的保鮮效應及作用機制，以期為進一步開展相關研究提供參考。

1 外源草酸延緩采后果實成熟的進程和機制

1.1 延緩果實采后的成熟進程

一些研究結果表明外源草酸能夠有效地延緩甜瓜、冬棗、獼猴桃、桃子、杧果和蘋果的采后成熟進程，從而延長果實的貯藏期及貨架期。例如，杜果采后硬度、可溶性固形物(SSC)和可滴定酸(TA)含量等是衡量果實成熟的重要指標。采后杧果經過5mmol·L^{-1草酸溶液浸泡10min后在常溫(25℃)、低溫(14℃)和氣調(3％CO_{2+2％O2、14℃)條件下貯藏，果實軟化、SSC增加和TA降低的速率都顯著減緩；果實貯藏期在常溫(25℃)下約20d，比對照延長6d；在低溫(14±1)℃下，貯藏期28d，比對照延長7d，貨架期為3d以上；在氣調條件下，貯藏期為30～35d，比對照延長約10d，貨架期可以達到3d。}}

1.2 延緩果實成熟的機制

1.2.1 降低果實的細胞壁代謝 在果實成熟過程中，多聚半乳糖醛酸酶(PG)、果膠酯酶(PE)、果膠甲酯酶(PME)、葡聚糖酶(α-Gal或/和β-Gal)、木聚糖酶(XYL)和纖維素酶(Cx)等水解酶被認為是引起果實軟化的重要因子。我們研究發現草酸處理顯著降低杧果果肉的PG、α-Gal、β-Gal、Cx和XYL的活性(資料待發表)。張中海等報道草酸處理推遲了采后獼猴桃果實PG活性高峰的出現時間。

應用基因操作方法調控、改變這些水解酶活性的研究結果表明還有另外一些重要因子參與果實成熟軟化過程，其中擴展蛋白(expansin，EXP)又名膨脹素，是新近發現的一種與果實成熟軟化密切相關的細胞壁蛋白，它可能通過抑制、干擾纖維素與木質葡聚糖(xyloglucan)之間的非共價鍵相互作用，破壞胞壁微纖絲結構，從而在果實成熟軟化過程中發揮重要作用而倍受關注。EXP屬于多基因家族，普遍存在于果實中，一部分EXP與果實生長發育有關，另部分EXP與果實后熟軟化相關。外部刺激、植物激素對與果實成熟軟化相關的EXP基因表達具有調節作用。例如，乙烯誘導躍變型果實番茄LeExpl、桃PchExpl的專一性表達，而非躍變型果實草莓FaExp2和FaExp5受生長素的負調節。最近，我們研究發現草酸處理抑制采后卡亡果果肉EXP基因表達(資料待發表)。另外，近些年果實軟化機理的研究已證明LOX也與果實軟化進程密切相：LOX可能是乙烯生物合成的上游因子，而LOX的膜質過氧化作用可能既是果實后熟軟化的啟動因子，又是加速果實后熟軟化進程的關鍵因子。王文雅等研究發現Ca_{2+處理抑制番茄果實組織中LOX、PG活性和PG、LeLOXB、LeExpl基因的表達，而且主要通過抑制LOX來抑制果實軟化過程的啟動，從而延緩果實軟化進程。由于草酸處理導致采后桃、冬棗和杧果等呼吸躍變型果實的LOX活性、ROS產量和乙烯釋放量等降低，果實成熟軟化減慢。因此，系統深入地研究外源草酸如何改變果實成熟過程中的信號傳遞來調控細胞壁代謝和乙烯生物合成代謝相關基因表達，將有利于進一步揭示、闡明草酸延緩采后果實成熟的分子生理機理。}

1.2.2 提高果實的抗氧化能力 果實成熟過程是一種氧化作用不斷加強的過程，其活性氧自由基(ROS)產量增加不僅改變膜的完整性，而且加劇膜脂過氧化，最終導致細胞結構破壞，代謝紊亂。果實具備酶促和非酶促抗氧化防御系統清除ROS，從而緩解果實的氧化傷害，進而有助于延緩果實成熟衰老進程。特別是果實的超氧物岐化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)和抗壞血酸氧化酶(APX)在抗氧化中發揮重要的作用，而且產生H₂O₂的抗氧化酶與清除H₂O₂的抗氧化酶之間的協同作用比單一酶在植物/果實的抗氧化過程中更具重要性。另外，LOX參與O₂^- 和單線態氧等自由基的形成和膜脂過氧化過程，導致膜結構破壞，從而加速果實的成熟進程。抑制LOX活性升高、控制LOX基因表達能夠有效地延緩、控制果實的成熟進程。桃和杧果采后經草酸處理后，果實的主要抗氧化物如抗壞血酸(AsA)和GSH并沒有發生顯著變化，但是LOX活性降低，SOD、CAT、POD和APX活性升高，ROS水平包括 產量和H₂O₂含量在貯藏期出現不同程度的降低，果實細胞膜透性增加趨勢被緩解，膜脂過氧化產物丙二醛含量降低。說明草酸處理降低LOX活性及誘導提高果實抗氧化酶活性不僅導致ROS水平的降低，而且降低膜脂過氧化的程度，因而有助于維持細胞膜結構的穩定性，降低果實成熟進程的氧化傷害，最終減緩果實的軟化進程并延緩果實的成熟過程。

1.2.3 抑制乙烯的生物合成 乙烯代謝是控制采后果實，特別是呼吸躍型果實成熟的一個重要因子。草酸處理有效地抑制采后冬棗、獼猴桃和杧果等采后果實的乙烯釋放量，并且推遲采后果實的乙烯釋放量高峰的出現時間。ACC合成酶(ACS)和ACC氧化酶(ACO)是乙烯生物合成的2個關鍵酶。Wang等發現草酸處理降低冬棗采后乙烯產量的主要原因是抑制ACS活性，同時提高了與乙烯合成前體相關蛋白-胱硫醚-β-合酶結構域包含蛋白(CBSdomain-containing protein)的表達。

ROS作為中間信號或中間因素啟動乙烯生物合成。同時，Ca²⁺作為一種重要的“第二信使”影響和調節植物體內乙烯代謝和延緩衰老，但是Ca2²⁺是促進還是抑制植物組織乙烯合成取決于Ca²⁺在細胞中分布位置及胞內外的²⁺濃度。研究發現外源草酸進入植物細胞的胞間隙與Ca²⁺形成草酸鈣沉淀而降低胞膜外Ca²⁺水平，造成胞質Ca²⁺流，從而誘發胞內Ca²⁺庫(如液泡等)釋放出Ca²⁺；而隨著胞膜外Ca²⁺水平降低，草酸鈣沉淀可以重新溶解產生Ca²⁺。草酸以這種方式控制細胞壁和細胞質之間Ca²⁺水平有助于維護胞壁和胞膜的結構穩定性，也可作為一種信號引發細胞內的一系列生理生化反應。最新研究報道：采前25～30d噴施5mmol·L^-1草酸有效地提高采后卡亡果果皮和外果肉組織的鈣含量，增加果皮細胞壁、細胞間隙、細胞膜、液泡膜和質體等部位疏松結合態鈣的分布和含量。我們發現采后杧果經草酸處理后，果皮表皮細胞的液泡膜和質膜中Ca²⁺分布增加(資料待發表)。然而，草酸是否通過影響果實Ca²⁺的重新分配和／或ROS代謝引起中間信號產生，從而調控與果實細胞壁軟化和乙烯生物合成相關基因的表達，最終有效延緩果實成熟的機理尚待研究。

1.2.4 降低果實的呼吸速率 呼吸作用成為采后果實新陳代謝的主導，直接聯系著其他各種生理生化過程，并影響和制約著采后果實的壽命、品質變化和抗病能力。隨著貯藏時間的延長，采后果實的同化物質不斷減少，呼吸越強則衰老越快；因此，抑制采后果實的呼吸速率對于延長果實貯藏期至關重要。桃果實采后分別經1和5mmol·L^-1草酸處理后，果實的硬度在貯藏中保持較高，果實呼吸速率在貯藏期間顯著低于對照。其他研究也表明草酸處理顯著抑制冬棗和獼猴桃果實采后的呼吸速率與延緩果實衰老進程相關。

2 外源草酸抑制果實采后腐爛及機制

2.1 抑制采后果實的腐爛發生

外源草酸有效地抑制甜瓜、冬棗、杧果、桃子、梨果等果實采后病情發展和腐爛發生。例如，采后草酸、采前+采后草酸和采前Ca²⁺采后草酸3種處理杧果，發現常溫下6后，3種草酸處理果實的病情指數顯著低于對照和殺菌劑處理；低溫貯藏21d，3種草酸處理的病情指數顯著低于對照和殺菌劑處理，隨后在常溫貨架3，病情指數仍顯著低于對照，但與殺菌劑處理的相當。氣調下20和30d，草酸處理的病情指數顯著低于對照和殺菌劑處理，隨后在常溫貨架3d，病情指數仍顯著低于對照和殺菌劑處理。桃栽培種“八月脆”果實采后經5mmol·L^-1，草酸溶液浸泡10min后在低溫條件下貯藏，盡管處理和對照果實在低溫下貯藏20d未出現病斑和腐爛，病情指數和果實腐爛率均為0，但是轉入常溫(25℃)3d后是果實腐爛劇增，其中對照和處理果實的病情指數分別是42.0％和25.0％，果實的腐爛率分別是84.0％和56.5％。

2.2 抑制腐爛發生的作用機制

2.2.1 提高采后果實的抗病性 許多研究證實草酸是一種非常有效的非生物誘抗劑，誘導植物對真菌、細菌和病毒的系統抗性。最近，一些研究表明草酸處理可誘導甜瓜、冬棗、梨果等采后果實對一些病原菌產生系統抗性。例如，Tian等發現草酸處理誘導梨果采后對aIternata的系統抗性。研究發現50mmol·L^{-1的草酸處理顯著地降低A，ahernata、F.semitectum和T. roseum損傷接種“銀帝”甜瓜果實的病斑直徑，而且草酸處理誘導積累的信號分子可以通過果實的處理面向非處理面轉移，從而誘導果實對損傷接種的病原菌的系統獲得抗病性。Wang等認為草酸處理提高冬棗果實對青霉病的抗性與其誘導提高果實的major allergen、Cu/Zn-SOD和熱激蛋白70(HSP70)3個與脅迫和防御相關蛋白質的表達相關。}

草酸處理誘導提高采后果實的抗病性可能與處理濃度相關，而且可能存在基因差異相關。鄧建軍等研究發現只有當草酸達到某一濃度時才能有效啟動果實的防衛反應，一旦防衛反應被啟動，更高濃度或重復處理均不能進一步增加防衛反應的強度。鄭小林等認為草酸處理提高桃果實采后抗病性與其誘導提高果實的PPO、SOD和POD活性密切相關。草酸處理誘導提高梨果冬棗m、梨果果實抗病相關酶(POD，PPO，PAL)活性，但對杧果抗病相關酶的活性并不產生顯著影響。說明草酸處理誘導提高采后果實的抗病性表現一定的復雜性。

2.2.2 直接的抑茵作用 外源草酸對一些腐敗真菌孢子萌發和菌絲生長具有直接抑制作用。例如，張衍榮等研究不同濃度草酸對豇豆枯萎病病菌的孢子萌發、菌絲生長和挑戰接種后幼苗發病率的影響，結果表明草酸濃度>5.0mmol·L^-1都能顯著地抑制豇豆枯萎病病菌孢子萌發，濃度>20.0 mmol·L^-1對病菌菌絲生長也有顯著的抑制作用。Ganaieny等發現2、4、6、8和10 mmol·L^-1草酸均能抑制洋蔥枯萎菌菌絲的生長，而且8 mmol·L^-1能極大減少其孢子的萌發。

炭疽病菌(Colletotrichum gloeosporioides Penz，)感染導致的炭疽病是采后卡亡果的主要病害之一。環境的pH影響炭疽病菌的生長和致病力。Zheng等發現PDA中草酸含量在5或高于5mmol·L^-1，無論pH值是否中和，杧果炭疽病菌的孢子萌發和菌絲生長均受到顯著抑制(盡管同一草酸濃度下，不中和pH時比中和pH下的抑制效果更明顯)，表明草酸除引起PDA的pH下降而抑制炭疽病菌的孢子萌發和菌絲生長外，對一些病原菌也具有直接的抑制作用。

2.2.3 緩解果實采后抗病力下降程度 采后果實，特別是呼吸躍變型水果的抗病性伴隨果實的成熟進程而急劇降低，因為成熟過程中果實的物化、生理、生化等變化不僅增加果實對病原菌的易感性，而且加劇潛伏性病害的發展。草酸有效控制水果采后的腐爛發生。不僅與草酸直接抑制采后病原菌如炭疽病菌孢子萌發和菌絲生長，以及草酸誘導提高果實的抗病性相關性，而且與草酸處理提高采后果實的SOD活性、降低LOX活性和果實的乙烯釋放量等，從而延緩果實采后成熟等生理效應相關。

3 外源草酸對果實抗冷和抗褐變作用

冷敏性較強的果實在采后冷藏過程中往往發生冷害，提高這類果實的抗冷性對于延長果實的貯藏期至關重要。Ding等研究發現貯藏前用5 mmol·L^-1草酸浸泡杧果果實，可明顯減緩果實在低溫(5℃)下冷害的發生；草酸處理提高CAT和POD活性增高，從而降低果實內H₂O₂含量和減輕氧脅迫，可能是草酸減緩卡亡果果實冷害的原因之一。

外源草酸能有效控制采后萵苣及菊苣、蘋果、香蕉切片、采后荔枝果實和采后龍眼果實的褐變發生。例如，荔枝采后經2和4mmol·L^-1草酸處理，果實的裼變系數顯著降低：草酸處理提高荔枝果實膜的完整性、防止花色苷的降解、降低POD活性和膜脂過氧化作用等效應與其降低荔枝果實的褐變發生密切相關。草酸處理降低龍眼采后果實褐變與抑制果皮PPO活性相關。

4 結論與展望

目前，研究表明草酸處理不僅有效延緩果實的成熟衰老進程，而且有效控制采后果實的病情、腐爛及褐變發生，對果實采后保鮮效果明顯。同時，檢測表明毫摩爾濃度水平的草酸處理并沒有引起果實草酸含量顯著增高，也不影響果實成熟后常規食用品質指標，甚至還能改善一些果實的食用品質。例如，草酸處理改善紅杧果成熟后果實表皮的著色，并對杧果果實㈣在氣調貯藏下和獼猴桃果實(0±0.5)℃冷藏條件下的維生素C保持具有一定的輔助作用。Wang等發現草酸處理顯著降低冬棗果實的乙醇含量而改善果實的食用品質。以草酸為主劑的復合清洗劑延緩采后蘋果的衰老、降低腐爛率，同時能有效清除蘋果表面農藥、重金屬殘留和菌落。因此，草酸處理可作為一些水果采后貯藏保鮮可供選的新方法，而且其操作簡單、價格低廉、安全有效而展示較大的商業應用前景。

今后，有關外源草酸延緩采后果實、特別是呼吸躍變型果實成熟衰老的分子機理，包括草酸如何通過影響信號傳導而調控乙烯代謝、細胞壁代謝等關鍵相關基因的表達，進而調控果實采后的成熟衰老進程；以及草酸對采前或／和采后果實的抗病性機制，包括草酸處理引起果實表皮形成草酸鈣晶體對果實防病效應、草酸對抗病物質(木質素、植保素、酚類、萜類化合物、病程相關蛋白等)的影響，調控果實pH變化而影響病原菌的致病力，以及調控抗病基因表達及其果實基因型方面的差異等方面尚待深入系統研究。