常見漿果氣調貯藏保鮮技術的研究進展

,，*,, ,,

(1.大連民族大學生命科學學院,遼寧大連 116600; 2.生物技術與資源利用教育部重點實驗室,遼寧大連 116600; 3.大連理工大學生命科學與技術學院,遼寧大連 116024)

常見漿果類主要包括越橘(Vaccinium)、樹莓(Rubus)、茶藤子(Ribes)、沙棘(Hippophae)、藍靛忍冬(Lonicera)、草莓(Fragaria)、五味子(Schisandr)、酸漿(Physalis)等[1]。漿果中水分含量極高,并含有豐富的糖、蛋白質、有機酸、維生素、礦物質等營養物質,以及多酚、花青素、黃酮等生理活性物質[2]。漿果在抗氧化、預防治療疾病和促進機體健康方面具有重要的作用,營養價值和經濟價值較高,因此廣受大眾消費者青睞。漿果類水果具有不耐貯藏,季節選擇性強,易受病原菌侵染等特性,使其口感和商業價值大打折扣。為保證漿果的新鮮口感以及其營養價值,防止其腐爛變質,國內外許多學者對漿果的貯藏保鮮進行了深入的研究。

氣調貯藏保鮮技術通過物理手段保持漿果的穩定性,具有抑制漿果成熟,降低低溫冷害和生理損傷,以及長期保持漿果的色香味與品質的特點,是漿果貯藏保鮮方面的研究熱點[3]。本文針對漿果氣調貯藏保鮮技術對漿果保鮮過程中的生理特性的影響作用及當前漿果的主要貯藏方式的研究現狀進行了綜述,并對當前的技術的發展前景進行分析和預測,以期作為未來氣調貯藏保鮮技術發展的參考依據。

1 氣調貯藏保鮮技術概述

氣調貯藏保鮮技術是指根據果蔬的不同生理特點,通過調節貯藏氛圍的氣體成分,以降低漿果的呼吸強度和酶的活性,從而維持漿果原有的形態、色澤、口感和營養成分,最終延緩漿果的成熟和衰老的方法[4]。

氣調保鮮貯藏技術分為采用自然降氧的自發氣調貯藏(Modified atmosphere storage,MA)和采用人工快速降氧的機械氣調庫貯藏(Controlled atmosphere storage,CA)。MA是指通過漿果自身呼吸代謝來降低環境中的O2含量,提高CO2的含量。主要包括氣調包裝(Modified Atmosphere Packing,MAP)和塑料薄膜帳硅窗氣調,其特點是成本低,易操作,但具有不易控制所需狀態,影響貯藏效果的缺點。主要依靠氣調庫對漿果的貯藏環境的各項參數(溫度、濕度、氣體成分等)進行調節,特點是成本高,貯藏期更長[5]。

2 氣調貯藏保鮮技術對漿果生理特性的影響

2.1 氣調對漿果內乙烯的影響

乙烯對呼吸躍變型漿果的成熟具有催化作用,較低濃度的乙烯能夠有效促進此類漿果的呼吸作用,刺激漿果成熟。氣調技術可以控制乙烯的合成量,低濃度O2能夠控制乙烯產生的原因是1-氨基環丙烷-1-羧酸(1-Amino Cyclopropane-1-Carboxylic acid,ACC)生成的過程是一個需氧的過程,在氮氣中乙烯是不能合成的,CO2對乙烯的抑制作用不清晰,CO2可能作用于乙烯生物合成的3個位點:蛋氨酸(Met)→ACC,ACC→C2H,ACC→MACC(丙二酰基ACC)。此外,也可能是由于CO2使pH降低來影響合成乙烯過程中的酶的活性[6]。在顏廷才等人的實驗中發現利用氣調、1-甲基環丙烯(1-methylcyclopropene,1-MCP)及氣調結合1-MCP處理都能有效地抑制軟棗獼猴桃內部乙烯的生成,減小乙烯峰值,且氣調結合1-MCP處理作用效果最佳,1-MCP處理效果優于氣調處理[7]。

2.2 氣調對呼吸作用的影響

保鮮漿果的根本途徑就是降低漿果的呼吸強度,減慢漿果的呼吸速率就會影響其正常生命活動的進行,進而抑制漿果的腐爛變質[8]。漿果采后作為活的有機體,呼吸作用對于之后的貯藏品質至關重要。空氣中O2,CO2濃度是一定的,因此氣調環境內O2和CO2濃度的變化對漿果的呼吸強弱起直接作用。侯玉茹等人研究表明,體積分數為5%和10%的CO2結合氣調保鮮箱對草莓的貯藏效果較好[9]。除此以外,氣調箱的使用能明顯降低果實的呼吸強度,推遲其呼吸高峰的出現,孟憲軍、姜愛麗等人發現藍莓在1 ℃時,5% O2和30% CO2氣調貯藏條件時能更有利于延緩果實衰老進程,使有效貯藏期長達95 d[10]。高銘等以樹莓為研究對象,探討不同CO2濃度對冷藏期品質的影響,得出結論為5%的CO2濃度最能維持貯藏過程中氣調箱內CO2和O2濃度恒定,對保持樹莓品質效果最好[11]。

有早期研究者發現,低濃度的O2和高濃度CO2抑制呼吸作用的原因是削弱呼吸過程最后一步電子的氧化,抑制了電子傳遞鏈與氧化磷酸化產生的ATP,從而降低了代謝活性,而CO2主要影響糖酵解和三羧酸循環中的酶[12]。

2.3 氣調對自由基防御系統的影響

機體內存在兩種自由基防御系統:一種是酶促防御系統,包括超氧化物岐化酶(Superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶(Catalase,CAT)、過氧化物酶(Peroxidase,POD)等;另一種是非酶促防御系統,包括谷胱甘肽(Glutathione,GSH)、維生素C(Vitamin C,VC)等。兩種防御系統在漿果貯藏過程中協同作用來保護機體,機體防御能力的強弱對貯藏時間的長短和漿果品質的好壞有著不可分割的作用。

2.3.1 氣調對酶促防御系統的影響 氣調能夠影響漿果內部一系列酶系統,可以抑制成熟酶的活性,調節漿果果實的成熟過程,還存在水解細胞壁和促進衰老的酶類[13]。高CO2和低O2對多酚氧化酶(Polyphenol oxidase,PPO)有抑制作用,因此抑制了組織的褐變[14]。丙二醛(Malondialdehyde,MDA)是膜脂過氧化作用的主要產物之一,其含量的高低,是膜脂過氧化程度和果實衰老的標志。適當的氣體成分與比例可提高SOD和POD的活性,抑制PPO的活性,降低果膠分解,清除自由基,減緩果實的成熟與衰老[15]。高銘等人研究發現體積分數為5% CO2的箱式氣調處理樹莓,果實PPO活性的升高和MDA的積累受到一定的抑制,果實POD活性維持了較高水平[16]。

2.3.2 氣調對非酶促防御系統的影響 果實非酶促防御系統即抗壞血酸—谷胱甘肽(Ascorbate-glutathione,AsA-GSH)循環,可清除過氧化氫源[17]。維生素C是合成谷胱甘肽的前體之一,它不僅能維持GSH的巰基處于還原狀態,而且可以使氧化型谷胱甘肽轉變為GSH,使機體代謝產生的H2O2被還原[18]。所以,只有VC和GSH的協同作用才能更好的發揮抗氧化作用。在孟憲軍有關箱式氣調的實驗研究中發現,在10%、20%、30%三種CO2濃度處理下均有利于VC和GSH含量的保持,尤其是30% CO2處理60 d時,VC含量呈現了顯著上升的趨勢,而此時其GSH含量也有所上升,并且30% CO2處理的防腐保鮮效果最好,證明VC和GSH間存在著協同作用[19]。因此,證明氣調影響非酶促防御系統,使其在漿果貯藏期間變強。

2.4 氣調對漿果細胞壁代謝的影響

同時,氣調對細胞壁酶活性的影響主要體現在纖維素酶(Cellulase,CS)、果膠甲酯酶(Pectinesterase,PE)及多聚半乳糖醛酸酶(Polygalacturonase,PG)的活性上,通過控制氣體成分影響相關細胞壁酶活性進而減緩果實軟化的過程。如胡花麗等人發現3% O2與5% CO2的氣調貯藏抑制果實軟化進程與其降低果膠甲酯酶活性有關;單純10%CO2氣調處理會加快豐香草莓的軟化與其誘導果實纖維素酶、果膠甲酯酶及多聚半乳糖醛酸酶活性增強有關[20]。

3 氣調貯藏保鮮方式分類

3.1 MA貯藏

MA是采用具有氣體阻隔性能的包裝材料包裝食品,根據需求的不同,在低溫條件下降低氧氣濃度,向包裝內充入不同比例的氣體以防止食品在物理、化學等方面的品質下降或減緩其腐敗變質的速度,抑制腐敗微生物的生長,從而延長食品的貨架期,提高食品的價值[21]。Li等人通過研究氣調包裝在沙棘采后10 d中的影響,發現經過氣調包裝處理的沙棘的抗氧化活性比未處理的高,其中經過160 OTR(氧氣滲透率)處理的沙棘抗氧化活性更高。同時他們還指出氣調包裝技術可以與其他類似冰溫貯藏相結合以提高貯藏效果[22]。而李方根據氣體傳質基礎理論與Fick定理建立微孔膜氣調包裝內外氣體交換的數學模型,發現孔徑和孔數對包裝內氣體體積分數變化的影響顯著,膜厚影響不顯著,且模型預測值與實驗數據吻合度較高[23]。氣調包裝的效率和性能主要取決于對被包裝產品生理特性的正確理解和包裝件自身的合理設計。同時,氣體成分的調節是一個動態過程,包括漿果的呼吸和氣體對薄膜的滲透兩個環節,氣調包裝的機理、漿果包裝理論模型的建立和表征是氣調包裝的關鍵。

3.2 CA貯藏

CA貯藏主要是通過氣調庫來實現的,所謂氣調庫,即為將機械冷藏同氣調貯藏相結合的貯藏設施,是通過計算機調控設備內部的氣體成分、溫濕度以及乙烯濃度的一種保鮮方法。一個完整的氣調庫包括制冷設備、制氮設備、溫度傳感配置、二氧化碳脫除設備、乙烯脫除設備和加濕設備,同時還要有相對應的建筑格局[24]。在發達國家,氣調庫在六七十年代已經得到推廣和普及,鮮果的保鮮貯藏量占水果總量的40%～50%,其中氣調庫貯藏的鮮果占總貯藏量的60%～70%,即總產量的30%左右[25]。劉海東從保溫性、氣密性以及保鮮技術和設備等方面分析氣調庫的耗能狀況,全面準確掌握氣調保鮮過程的規律和技術特性,從而減少不必要的能耗[26]。在周博等人的研究中,經過對該氣調庫的快速降氧過程數值模擬獲得庫內O2和CO2濃度隨時間變化的規律,發現在貨物區則存在一定的梯度,貨物區中心位置不利于果蔬的貯藏[27]。而宿廣汀在長期的實驗后研究出O2和CO2濃度的自動控制系統,這對氣調庫的進一步開發和應用具有非常大的推動作用[28]。同時氣調庫的控制系統是保鮮氣調貯藏和運輸環境調控的關鍵組成部分。結合工業控制技術的發展,計算機技術和網絡通信技術,控制系統對環境的保鮮漿果氣調貯藏保鮮和運輸提出了新的趨勢[29]。氣調庫具有精準調控,貯藏量大且貯藏期長的的優點,但其成本高,占地面積大,對相配套設備和操作人員的技術要求高,目前也是眾多研究者的研究熱點之一。

4 前景與展望

我國是農業生產大國,2015年我國農業總產值達到了57635.8億元,其中水果總產量為27375.0萬噸[30]。常見漿果栽種面積以及產出量都居世界前列,同時我國也是漿果進口大國。當前,國內的貯藏保鮮技術發展相對于國外來說還有很大的差距,我國每年采后水果的損失量達生產總量的25%～30%,居全球首位[31]。因此,我國的漿果貯藏保鮮體系的發展也是挑戰與機遇并存。

近些年來,隨著人們生活質量的逐漸提高,氣調保鮮貯藏技術也已經日趨成熟,被廣泛的應用于各類果蔬保鮮中。雖然我國近年來大力發展氣調貯藏技術,但也存在相應的問題:首先,現有的氣調方法不具有針對性,對于部分漿果品種在氣調環境脅迫下的呼吸特性和響應尚缺乏系統性的實驗研究。其次,我國當前建立起的氣調庫自動化低,依然是人為影響因素較大。現有的漿果呼吸速率模型形式復雜、參數多、預測精度低,能預測的變量少,并且缺乏對溫度、濕度、氣體成分等影響因素的有效控制。此外,對于漿果氣調貯藏保鮮技術的研究多數仍停留在實驗方法上,局限于對氣體成分、包裝材料、貯藏條件的研究,對于氣調貯藏的使用溫度、濕度,以及氣調貯藏的氣體組成與漿果之間相互作用機制的研究不夠徹底。

因此,針對以上面臨的問題有以下解決對策:一,要進一步細化漿果的分類,并對每一種細化的漿果的采后生理特性進行深入研究,制定具有針對性的氣調貯藏保鮮方法;二,可結合計算機數學模型精確控制氣調庫中的各類影響因素,實時監控貯藏過程中的生理生化動態,以達到動態調控的目的;三,從生理學,分子生物學等方面進一步研究氣體組成與生理變化之間的關系,建立可以通過測量漿果的質量變化預測趨勢變化的一個數學模型,更好地引導漿果在儲存期間的氣體參數設置。

隨著科技的不斷進步與消費者品質要求的提高,單一的控制氣體成分來延長保鮮期的方式已經不能夠滿足市場需求,因此,單一氣調保鮮技術開始向復合氣調保鮮的方向發展,而與其他貯藏技術如涂膜保藏、臭氧殺菌保藏、輻照殺菌保藏等相結合的技術成為眾多研究者的對象,如臭氧+氣調[32]、涂膜+氣調[33]、冰溫處理+氣調[34]、1-MCP+箱式氣調[35]、UV-C+氣調[36]以及磁場+氣調貯藏[37]等復合型氣調貯藏保鮮技術。多種復合型的氣調保鮮技術具有無農藥殘留、環境污染及抗藥性等優勢,符合果蔬綠色包裝保鮮的新趨勢,而且將氣調與更多技術相結合不僅能夠通過對氣體成分進行調節，降低代謝對漿果造成的營養流失,還能夠抑制和殺滅致病菌。因此,復合型氣調貯藏保鮮技術，尤其是與天然提取物相結合的氣調貯藏保鮮技術已經成為今后氣調貯藏技術的主要研究和發展方向。

[1]郭琳,于澤源,李興國. 幾種小漿果揮發性成分研究概述[J]. 園藝學報,2008,35(4):611-617.

[2]Manganaris G A,Goulas V,Vicente A R,et al. Berry antioxidants:small fruits providing large benefits.[J]. Journal of the Science of Food & Agriculture,2014,94(5):825-833.

[3]戚英偉,田建文,王春良. 水果氣調貯藏保鮮研究進展[J].保鮮與加工,2014,5(4):53-58.

[4]Liang J Y,Zhu D S,Feng X Q,et al. Status and prospects on modified atmosphere storage technology of fruits and vegetables[J]. Journal of Food Safety and Quality,2013:1617-1625.

[5]Thompson A. Controlled Atmosphere Storage of Fruits and Vegetables[M]. UK. CABI Publishing,2010.

[6]關文強,胡云峰,李喜宏. 果蔬氣調貯藏研究與應用進展[J]. 保鮮與加工,2003,4(6):3-5.

[7]顏廷才,劉振通,李江闊等. 箱式氣調結合1-MCP對軟棗獼猴桃冷藏期品質及風味物質的影響[J]. 食品科學,2016,37(20):253-260.

[8]馮雙慶. 果蔬貯運學(第二版)[M]. 北京：化學化工出版社,2008.

[9]侯玉茹,李文生,王寶剛,等. 高CO2結合氣調保鮮箱對草莓貯藏期間品質變化的影響[J]. 包裝工程,2015,37(9):38-41,107.

[10]孟憲軍,姜愛麗,胡文忠,等. 箱式氣調貯藏對采后藍莓生理生化變化的影響[J]. 食品工業科技,2011,32(9):379-383.

[11]高銘,紀淑娟,程順昌,等. 不同濃度CO2對箱式氣調貯藏樹莓保鮮效果的影響[J]. 食品工業科技,2012,33(12):341-343,446.

[12]Beaudry R M. Effect of O2and CO2partial pressure on selected phenomena affecting fruit and vegetable quality[J]. Postharvest Biology and Technology,1999,15(3):293-303.

[13]Chen X H,Qin W D,Ma L H,et al. Effect of high oxygen modified atmosphere packaging on the respiration and enzymatic activity of fresh-cut lettuce[J]. Food and Fermentation Industries,2011,37(12):208-212.

[14]Ali S,Khan A S,Malik A U,et al. Effect of controlled atmosphere storage on pericarp browning,bioactive compounds and antioxidant enzymes of litchi fruits.[J]. Food Chemistry,2016,206:18.

[15]Paniagua A C,East A R,Heyes J A. Interaction of temperature control deficiencies and atmosphere conditions during blueberry storage on quality outcomes[J]. Postharvest Biology and Technology,2014,95(95):50-59.

[16]高銘,紀淑娟,程順昌,等. 不同濃度CO2對箱式氣調貯藏樹莓保鮮效果的影響[J]. 食品工業科技,2012,33(12):341-343,446.

[17]Jimenez A,Hernandez J A,Rio L A D,et al. Evidence for the Presence of the Ascorbate-Glutathione Cycle in Mitochondria and Peroxisomes of Pea Leaves[J]. Plant Physiology,1997,114(1):275-284.

[18]Lee SK,Kader AA. Preharvest and postharvest factors influencing vitamin C content of horticultural crops[J]. Postharvest Biology and Technology,2000,20(3):207-220.

[19]孟憲軍,姜愛麗,胡文忠,等. 箱式氣調貯藏對采后藍莓生理生化變化的影響[J]. 食品工業科技,2011,32(9):379-383.

[20]Huhuali. Study of the effects of controlled atmosphere storage on enzymes activities of cell wall of strawberry[J]. Food and Machinery,2011,27(1):98-101.

[21]Rohani A C,Faridah M S,Ahmad SO. The effects of modified atmosphere packaging on chemical,sensory and microbiological changes in black tiger prawn(Penaeusmonodon)[J]. Journal of Tropical Agriculture & Food Science,2008,26(2):1-9.

[22]Li J,Wei S,Margaret B M,et al. Effect of Modified Atmosphere Packaging (MAP) on the Quality of Sea Buckthorn Berry Fruits during Postharvest Storage[J]. Journal of Food Quality,2014,38(1):13-20.

[23]李方,盧立新. 微孔膜氣調包裝內4外氣體交換數學模型的建立[J]. 食品科學,2010,31(4):257-259.

[24]王世清,姜文利,李鳳梅,等. 氣調庫與氣調貯藏保鮮技術[J]. 糧油加工,2008,39(10):124-127.

[25]蔡雷,蔡衛華. 氣調庫—跨世紀發展的保鮮貯藏設施[J]. 包裝與食品機械,1998,16(4):23-25.

[26]劉海東. 氣調庫節能減耗的途徑[J]. 保鮮與加工,2008,8(4):56-56.

[27]周博,南曉紅,文改黎. CFD模擬氣調庫快速降氧過程O2和CO2濃度變化規律[J]. 農業工程學報,2015,31(13):274-280.

[28]宿廣汀,王素榮. 氣調庫中二氧化碳和氧氣濃度的自動控制系統[J]. 包裝與食品機械,2011,29(3):69-71.

[29]Zhou X,Lv E,Lu H,et al. Research Status and Prospects of Control Technologies in Fresh-keeping Environment of Controlled Atmosphere Storage and Transportation for Fruits and Vegetables[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research,2013,10:242-248.

[30]中華人民共和國國家統計局. 中國統計年鑒(2016)[K].北京：中國統計出版社,2010.

[31]勵建榮. 生鮮食品保鮮技術研究進展[J]. 中國食品學報,2010,10(3):1-12.

[32]趙曉丹,傅達奇,李瑩. 臭氧結合氣調冷藏對草莓保鮮品質的影響[J]. 食品科技,2015,41(6):24-28.

[33]丁華,王建清,王玉峰,等. 百里香精油與氣調技術聯用對草莓貨架壽命的影響[J]. 河南工業大學學報(自然科學版),2016,37(3):71-75.

[34]白麗娟,魯曉翔,李江闊,等. 冰溫結合氣調貯藏對樹莓保鮮效果的影響[J]. 食品工業科技,2013,34(18):327-330.

[35]顏廷才,劉振通,李江闊,等. 箱式氣調結合1-MCP對軟棗獼猴桃冷藏期品質及風味物質的影響[J]. 食品科學,2016,37(20):253-260.

[36]于剛. 納米硒和UV-C處理對藍莓品質及貯藏性的影響[D]. 大連：大連理工大學,2012.

[37]黃利強. 磁場結合氣調包裝對葡萄保鮮效果的研究[J]. 包裝工程,2010,32(11):23-26.