發光二極管(LED)照射調控果蔬采后貯藏保鮮研究進展

詹麗娟，馬亞丹，張翠翠

(河南農業大學 食品科學技術學院，河南 鄭州，450002)

發光二極管(lighting emitting diode，LED)是一種直接把電轉化為光、能夠發出可見光和眾多單色光質的半導體發光器件[1]。由于其波長類型豐富、光譜范圍正好與植物光合成和光形態建成的光譜范圍吻合，并可按照需要組合獲得純正單色光與復合光譜，因此被廣泛應用于農作物和園藝作物采前生長發育調控[2]。最近研究發現LED照射處理對園藝作物采后貯藏保鮮有顯著的調控作用[3-10]，而且與傳統的化學試劑保鮮方法相比，LED照射處理作為一種新興的物理保鮮方法，具有操作簡單、成本低廉、無毒害、無副產物殘留、對環境友好等其他保鮮方法無法比擬的優點[3-4]，完全滿足現代生產者和消費者對營養、安全和環保型食品的需求。盡管如此，目前國內外對LED照射技術在果蔬采后保鮮中的研究和應用還處于探索階段，主要集中研究不同光質、光照強度和光照周期對果蔬采后營養品質和生理變化的影響[5-10]，而對LED照射技術的保鮮機制更是知之甚少，尚無一致結論。有關LED照射技術保鮮果蔬的綜述文獻更少見報道[3，6]，為此，本文首先簡要介紹LED特性及可能的保鮮機制，重點綜述LED照射技術調控果蔬采后生理生化(色澤、失重率、呼吸強度、相關酶活性)和營養品質(VC、可溶性糖、酚類物質、抗氧化力)變化，并對其可能的調控機制進行分析討論，最后對當前LED保鮮技術的研究應用中存在的問題進行解析，以期為相關研究者和應用企業提供有價值的參考資料。

1 LED特性和可能的保鮮機制

1.1 LED特性

LED是一種固態的半導體發光器件，在半導體中通過載流子發生復合放出過剩的能量而引起光子發射，能夠直接發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光，發光器件是由無毒的材料組成，眩光小，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源[4-5]。和傳統的高壓鈉燈與熒光燈相比，LED燈具有如下優點：(1)節能高效：LED光電轉換效率高，其光能利用率達到了80%～90%，消耗的電量僅是白熾燈的1/8、日光燈的1/2；(2)光質純，波長類型豐富：可按照需要組合獲得純正單色光與復合光譜，集中特定波長的光均衡地照射作物；(3)產生熱量少：LED是新型的冷光源，與相同功率的傳統照明光源相比，LED的發熱量要低很多，近距離照射果蔬時，不會因為溫度過高導致果蔬組織腐爛。(4)綠色環保：LED是由無毒無害的原料組成的光源，不含鉛、汞等污染元素，對環境沒有任何污染，也能夠回收再利用，十分環保[6-7]。

1.2 LED照射調控果蔬采后保鮮的可能機制

當前文獻主要研究不同光質、光質配比、照射強度及照射周期對果蔬采后生理生化和品質變化的影響，有關LED照射技術對果蔬采后保鮮的調控機理討論較少，且無明確的結論。根據現有文獻歸納其可能的作用機制是：(1)促進采后果蔬繼續進行光合作用：果蔬屬于鮮活農產品，采收后的離體果蔬盡管脫離了水分和養分的供給，但在一定時間內仍進行生理代謝。一些綠色果蔬尤其是綠色蔬菜，采收后在適當的光照條件下還能夠繼續進行光合作用，累積營養物質，從而補充由于呼吸作用消耗的營養，達到保鮮目的[8-9]；(2)減緩/抑制呼吸強度及乙烯釋放[10]：LED照射處理降低采后果蔬呼吸強度，從而減少呼吸底物的消耗；同時LED照射處理推遲乙烯釋放高峰，延緩因乙烯釋放誘導的果蔬衰老和成熟。(3)抑制采后果蔬表面微生物生長[4]：研究表明，LED照射通過光動力學滅活(photodynamic inactivation)和光催化滅活(photocatalytic inactivation)途徑對部分食源性致病菌進行抑制和滅活，從而減緩采后果蔬表面微生物繁殖，減輕果蔬組織腐爛，達到保鮮目的(表1)。LED藍光和近紫外光對細菌作用效果最顯著，而紅光的作用較小。在400～450 nm波段內，LED在波長峰值為405 nm時對致病菌抑制效果最好(表1)。例如，用波長405 nm，光照強度為21 mW/cm2的LED光照對一些食源性致病微生物處理9 h后，相關致病菌菌落數都有不同程度的下降[11](表1)。

表1 LED照射對食源性致病菌的影響[11]Table 1 Effect of LED irradiation on selected foodborne pathogens in vitro

2 LED照射技術對果蔬采后貯藏生理特性的調控作用

2.1 LED照射對果蔬采后顏色變化的影響

新鮮果蔬富含葉綠素、花青素和類胡蘿卜素等，這些色素不僅具有極高的營養價值，還共同構成果蔬特有的誘人色彩，吸引消費者選擇和購買。采后果蔬色素的降解往往是其衰老開始的主要標志，如綠色蔬菜在貯藏過程中出現葉片黃化衰老癥狀主要是由葉綠素降解而導致。研究發現，LED紅光、藍光、白光及其它們復合光照射處理均能顯著抑制綠色蔬菜貯藏期間葉綠素降解，延緩其衰老黃化(表2)。和黑暗對照相比，LED紅藍復合光[12]、紅綠復合光[12]、白藍復合光[13]均能夠減少西藍花葉綠素降解，降低其黃化程度。其中，用強度為20 μmol/(m2·s) LED紅白復合光連續照射西藍花，在5℃條件下貯藏42 d后，照射樣品中葉綠素含量比黑暗對照高出38%[13]。LED白光和紅光單色光均能顯著抑制上海青葉綠素降解，但紅光作用效果好于白光[7]，相似的結果在西芹[14]和黃瓜[15]研究中也被報道。學者們普遍將這一結果歸因于LED照射導致采后果蔬在貯藏初期仍然進行短期的光合作用，合成新的營養物質和色素，從而補充貯藏期間降解的色素，維持原有綠色，其中以波長范圍為610～720 nm LED紅光，對植物光合作用影響效果最顯著，能夠促進植物葉綠素形成、碳水化合物積累以及吸收和利用。而在黑暗對照條件下，綠色果蔬采后盡管具有光合作用能力，但由于缺乏光照無法進行光合作用，不能合成新的色素，降解的葉綠素得不到及時補充，從而表現為顏色變淺甚至出現黃化癥狀。此外，除了對葉綠素代謝有顯著的調控作用，LED照射還調控果蔬采后紅色素的變化。未成熟的綠色草莓采后用強度為98 μmol/(m2·s)綠光每天照射5 min，在貯藏第6天顏色由綠色變成深紅色，該紅色素的主要成分為花青素和天竺葵色素苷[16]。同樣地，分別用30 lux紅光和藍光連續照射未成熟的櫻桃番茄，在4℃貯藏10 d后，紅光處理果實普遍開始轉色，20 d后果實顏色均鮮艷有光澤；藍光處理果實10 d后部分果實轉色，20 d后果實鮮艷有光澤，而對照果實10 d后僅個別果實轉色，20 d后果實表皮出現凹陷和褐色斑點，果肉軟化程度嚴重[17]。然而，DHAKAL和BAEK[18]研究卻發現LED藍光照射顯著抑制成熟的綠色西紅柿番茄紅素的合成，延緩其顏色由綠轉紅，從而延長其貯藏期。

表2 LED照射對部分蔬菜采后色澤變化的影響Table 2 Effect of LED irradiation on color of selected vegetables during postharvest storage

2.2 LED照射對果蔬采后失重率變化的影響

新鮮度是新鮮果蔬的重要感官品質，也是影響消費者選擇和購買的主要因素。鮮重損失率是衡量果蔬采后新鮮度的重要指標。離體果蔬采后代謝活躍，呼吸旺盛，尤其是葉菜類蔬菜葉面積較大，蒸騰作用較強，加之采后缺少水分供給，組織內水分迅速減少，導致鮮重損失率增加，表現為表面萎蔫，新鮮度降低，感官品質下降。研究表明，LED光照對果蔬失重率的影響因果蔬種類不同而有差異(表3)。強度為75 μmol/(m2·s) LED白光連續照射番茄樣品12 d后，處理樣品失重率是黑暗對照樣品的34%[19]；同樣光照條件處理黃瓜果實在貯藏第10天，照射處理的黃瓜失重率顯著低于黑暗對照[15]。相似地，LED紅光處理顯著降低上海青[7]和蕹菜[8]采后失重率。然而，LED光照對西芹[14]、蘆筍[20]和芫荽[8]采后失重率確無顯著性影響(表3)。有關LED照射降低果蔬采后失重率的機制目前尚未見報道。

表3 LED照射對部分蔬菜采后鮮重損失率的影響Table 3 Effect of LED irradiation on fresh weight loss of selected vegetables during postharvest storage

2.3 LED照射對果蔬呼吸強度、乙烯釋放量及相關酶活性變化的影響

采后果蔬仍然是鮮活的生命體，繼續進行呼吸作用，維持其正常的生命代謝。呼吸作用增強則會使果蔬組織內有機物消耗增加，導致果蔬品質下降，貯藏壽命縮短。果蔬通常在進入成熟和呼吸高峰出現之前乙烯含量開始增加，并且出現一個與呼吸高峰相類似的乙烯高峰。呼吸高峰的增強和乙烯釋放高峰的出現促使果蔬迅速成熟衰老。LED照射對果蔬采后呼吸強度和乙烯釋放因果蔬種類不同而不同，即使是同一種蔬菜(如西藍花)，不同光質和光強影響也有差異(表4)。和黑暗對照相比，紅藍復合光極顯著抑制西藍花呼吸作用，紅綠復合光顯著抑制西藍花呼吸作用，而它們對乙烯釋放量均無顯著影響[12]。相比復合光，單色LED紅光顯著降低西藍花呼吸強度和乙烯生成速度，推遲呼吸高峰和乙烯釋放高峰，而藍光則無此作用[10]。

多酚氧化酶(Polyphenol oxidase, PPO)和過氧化物酶(Peroxidase, POD)是影響果蔬采后顏色和品質變化的主要酶類，PPO和POD能在氧氣參與下氧化底物酚類物質生成黑色素醌類物質，導致果蔬發生酶促褐變和品質下降。文獻研究表明LED光照顯著影響PPO和POD活性，但因果蔬品種不同而作用相反(表4)。用強度為75 μmol/(m2·s) LED白光連續照射番茄后，處理番茄果實內PPO和POD活性始終顯著高于黑暗對照[19]；而相同的光照條件處理黃瓜卻推遲黃瓜果實內PPO和POD活性高峰出現[15]。光照處理抑制PPO酶活性與改變其蛋白結構有關，有兩種可能的機制：一是光照處理可使酶蛋白中的氨基酸如色氨酸、酪氨酸、組氨酸等受到光氧化后形成激發態自由基；二是光敏色素吸收光子后產生單線態氧，從而氧化破壞酶蛋白結構[21]。

表4 LED照射對部分蔬菜采后呼吸強度，乙烯釋放量及相關酶活性變化的影響Table 4 Effect of LED irradiation on respiration rate, ethylene content, and enzyme activity of selected vegetablesduring postharvest storage

3 LED照射對果蔬采后貯藏品質特性的調控作用

3.1 LED照射對果蔬采后VC含量變化的影響

LED復合光和單色光均能顯著增加采后果蔬VC含量(表5)。LED紅藍、紅綠和白藍復合光處理西藍花后，處理樣品中VC含量顯著高于黑暗對照樣品。相似地，LED單色白光和紅光都顯著增加番茄、黃瓜、蕹菜、芫荽和蘆筍組織內VC含量(表5)。研究者推測其可能機制與果蔬在光照條件下通過光合作用增加組織內可溶性糖含量有關(表6)，因為可溶性糖如己糖是VC合成的前體物質[23]。最新研究表明，LED白光處理顯著延緩西蘭花VC降解發生在轉錄水平上，該研究發現50 μmol/(m2·s)光照處理在采后第1天和第2天顯著上調VC合成相關基因(BO-VTC2，BO-GLDH)和再生基因(BO-MDAR1，BO-MDAR2)的表達[22]。

表5 LED照射對部分果蔬采后VC變化的影響Table 5 Effects of LED irradiation on vitamin C content of selected fruits and vegetables during postharvest storage

3.2 LED照射對果蔬可溶性糖含量的影響

可溶性糖如葡萄糖是植物光合作用的直接產物和呼吸作用的直接底物。LED復合光和單色光照射都對果蔬采后可溶性糖類物質有顯著的調控作用(表6)。1 200 lux紅藍復合光每天12 h間斷照射西藍花20 d后，照射樣品中總糖和還原糖含量顯著高于黑暗對照[9]；強度為30 lux紅光和藍光連續照射能維持櫻桃番茄果實內糖類物質含量，減緩糖類物質降低速度[17]；相似的結果在蕹菜和芫荽研究中也被證實，用強度為5 μmol/(m2·s) LED紅光連續照射蕹菜和芫荽，20℃貯藏4 d后，蕹菜中還原糖含量顯著高于黑暗對照，芫荽中還原糖含量比黑暗對照高出32.69%(表6)。這可能歸因于LED照射尤其是紅光照射促進采后果蔬繼續進行光合作用，合成糖類物質，補充由于呼吸作用消耗的可溶性糖，表現為照射樣品中的糖含量上升或維持；而黑暗對照樣品由于不能進行光合作用，呼吸作用消耗的糖類得不到補充，表現為可溶性糖含量下降。

表6 LED照射對部分蔬菜采后可溶性糖變化的影響Table 6 Effects of LED irradiation on soluble sugar content of selected vegetables during postharvest storage

3.3 LED照射對果蔬抗氧化物質的影響

酚類物質被認為是果蔬抗氧化力性主要來源，也是當前果蔬中研究較多的營養成分。研究發現LED照射(385、470、525、630 nm)處理顯著增加草莓總酚和花色苷含量，在貯藏第4天，光照處理果實中總酚和花色苷含量分別為172.75 mg/100g和12.48 mg/100g，而對照果實只有151 mg/100g和9.89 mg/100g[16]。波長為470 nm LED光照處理楊梅8 d后，其花色苷含量是黑暗對照的1.8倍，進一步研究發現，LED光照上調花色苷合成相關基因MrCHI、MrF3H、MrF3’H、MrDFR1、MrDFR2和MrANS的表達[24]。類似的結果在蕎麥幼苗中得到證實，THWE等[25]研究發現50 μmol/(m2·s) LED光照顯著調控蕎麥幼苗多酚合成基因(FtPAL、FtF3’H、FtC4H、FtCHI、FtFLS-2和FtANS)轉錄，導致其蘆丁含量在處理4 d后顯著增加，矢車菊云苷和兒茶酚含量在處理后10 d內顯著增加。LED光照對果蔬采后抗氧化能力的影響因果蔬品種不同而不同，劉然然等[26]用50～112 lux綠光照射果蔬后發現，綠光能提高青椒自由基DPPH清除能力，卻降低西藍花DPPH清除能力，但對蘆筍DPPH清除能力無顯著影響。

4 LED照射在果蔬采后保鮮應用中存在問題

LED照射技術作為當前新興的安全綠色保鮮方法具有獨特的優勢，其在果蔬保鮮中的應用得到廣泛研究和關注。盡管如此，其研究和應用存在以下幾點問題：(1)保鮮機理不明：目前文獻關于LED照射技術保鮮果蔬的基礎理論研究相對較少，研究不深入，現有的文獻僅報道LED照射技術對果蔬采后生理和品質特性的影響，而對其誘導這些變化的調控機制尚無深入探討；(2)缺乏LED貯運設施裝備：目前LED照射處理裝置僅限實驗室研究，其裝置都是研究者根據需要定制或自制，設備參數無統一標準，在貯運銷售終端如冷庫、超市貨架和冰箱設備中未見植入LED裝置，從而限制LED照射技術在實際蔬菜保鮮中的推廣應用。(3)LED照射技術需和其他保鮮方式結合：盡管研究表明LED照射處理對果蔬采后保鮮具有積極的調控作用，但單獨使用LED照射處理對果蔬采后保鮮效果并不十分理想，因為新鮮果蔬采后衰老過程受多個因素影響，如貯藏環境的溫度、濕度、氣體成分等，因此研究LED照射處理需結合其他保鮮措施如低溫冷藏[27-29]、氣調包裝和保鮮劑[30]等。