短波紫外線處理對鮮切果蔬品質及抗氧化活性的影響研究進展

方曉彤,陶永霞,沈 琦,邵旭鵬,王 艷,王 成,劉峰娟

(1.新疆農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所,新疆烏魯木齊 830091; 2.農業農村部農產品質量安全風險評估實驗室,新疆烏魯木齊 830091; 3.新疆農產品質量安全重點實驗室,新疆烏魯木齊 830091; 4.新疆農業科學院科研管理處,新疆烏魯木齊 830091; 5.新疆農業大學食品科學與藥學學院,新疆烏魯木齊 830052)

鮮切果蔬起源于上世紀50年代[1]的美國,起初以去皮馬鈴薯為主原料[2],后出現切分成薄片、條狀的馬鈴薯鮮切產品。20世紀60年代出現了商業化發展的鮮切產業,但果蔬種類較少,保存時間較短,主要用于供應速食店。在我國,隨著人民生活水平的提高,部分地區的超市、餐廳出售的鮮切果蔬越來越多,隨著保鮮技術的發展和技術設備的更新換代,鮮切果蔬的品質有了改善。然而,貨架期短和加工后果蔬質量下降是制約鮮切果蔬發展的關鍵問題。因此如何解決鮮切果蔬由于受到削皮、切割等機械損傷出現的微生物侵染、營養損失、組織軟化、褐變等問題已成為研究熱點。

目前對鮮切果蔬保鮮的技術分為物理、化學、生物保鮮方法,由于人們對食品安全關注度逐漸增強,化學保鮮方法遭到排斥,物理保鮮方法認可度較高。短波紫外線處理屬于物理保鮮方法,是自然光中的一種光線。在電磁波譜中,將波長范圍在100～400 nm之間的電磁輻射稱為紫外線。根據紫外線波長的差異,分為長波紫外線(UV-A)、中波紫外線(UV-B)和波長為短波紫外線(UV-C)。波長分別為315～340、280～320、200～280 nm。早期短波紫外線作為非熱處理技術因其操作簡單、安全、無化學殘留等優點受到了廣泛的關注和認可,對其的研究重點主要是殺菌消毒功能,近年來,UV-C的研究重點已從消毒殺菌等安全性能轉變為保證食品質量的保鮮技術。

因此本文就近年來短波紫外線對鮮切果蔬安全、營養、感官品質及紫外線誘導對果蔬中抗氧化物質和抗氧化活性的影響進行綜述,以期為短波紫外線在鮮切果蔬中的應用提供參考。

1 UV-C處理在果蔬中的應用

早期短波紫外線作為非熱處理技術因其操作簡單、安全、無化學殘留等優點受到了廣泛的關注和認可,對其的研究重點主要是殺菌消毒的功能,如使用短波紫外線可殺滅用于洗滌廢水中的病原菌,減少水資源的浪費[3]。使用UV-C處理蔓越莓調味果汁,能有效的減少微生物數量、抑制大腸桿菌和沙門氏菌,在滅菌的同時,還可將花青素和抗壞血酸降低含量控制在FDA允許范圍內[4]。

近年來,UV-C的研究重點已從消毒殺菌等安全性能轉變為保證食品質量的保鮮技術。UV-C照射鮮切果蔬表面,可以穿透微生物細胞膜,引起同一DNA鏈中相鄰的胸腺嘧啶和胞嘧啶之間發生交聯,導致DNA翻譯和復制受阻,細胞功能受到損傷,最終導致細胞死亡[5],從而達到殺菌、保鮮、延長貨架期的目的。有研究表明,低劑量的紫外線照射可使有機體產生興奮效應,從而誘導植物體內產生積極的變化,包括產生抗真菌物質及延遲成熟等[6]。Rodoni等[7]用UV-C處理鮮切紅辣椒,發現UV-C不會改變鮮切紅辣椒的酸度、糖類物質含量,并且具有抵抗果膠溶解、軟化、腐爛的功效,從而保持營養品質。使用6.0 kJ/m2的 UV-C照射櫻桃,發現UV-C可誘導蘇氨酸、天冬氨酸等氨基酸的合成、抑制果膠的降解、提高櫻桃抗氧化能力的作用[8]。Alejandro等[9]對新鮮Tatsoi幼葉用UV-C預處理后結合高氧包裝材料進行處理,發現此種處理方法可以有效的保持幼葉的新鮮度、減少水資源的浪費,并推測可以將此種方法運用到其他綠色蔬菜中。在果蔬種植過程中UV-C也可有效的提高果蔬抗病性、增強其防御病害能力,如UV-C照射草莓可增加草莓對灰霉病的抗性[10]。目前,UV-C已被應用于果蔬采后貯藏保鮮領域,因其具有延緩成熟、提高果蔬抗病性和抗真菌能力、保證果蔬品質等特點,在鮮切果蔬領域也有廣闊的應用前景。

2 UV-C處理對鮮切果蔬品質影響

2.1 UV-C處理對鮮切果蔬安全品質的影響

鮮切果蔬受到機械損傷后,易在貯藏運輸期間遭到微生物的侵染,導致其腐敗變質。UV-C照射能有效抑制鮮切果蔬表面微生物。Manzocco等[11]采用1.2 kJ/m2的UV-C處理鮮切蘋果,發現UV-C處理后的鮮切蘋果相比未處理組菌落總數減少1lg～2lg CFU/g,有較強的穩定性。Francisco等[12]采用1.4～13.7 kJ/m2的UV-C對鮮切西瓜進行處理并與常用的果蔬產品消毒液進行比較,發現使用消毒液處理的西瓜質量較差,易被污染導致腐爛。其中4.1 kJ/m2UV-C處理組與對照組相比,微生物數量減少了1lg CFU/mL,且不影響西瓜整體感官質量,隨著照射劑量的增大,微生物數量減少程度也隨之增大,從而證明UV-C處理鮮切西瓜可以減少鮮切西瓜表面的微生物,是一種有效的保鮮方法。使用0.3 kJ/m2UV-C照射鮮切西蘭花,與清水沖洗相比可使其菌落總數減少1.1lg CFU/g,使用0.5 kJ/m2UV-C照射鮮切西蘭花與未處理組相比菌落總數可減少40%[13]。坂崎腸桿菌是常見于鮮切果蔬中的病原體。Santo等[14]研究了不同劑量的UV-C(0～10 kJ/m2)對鮮切Royal gala蘋果、鮮切Rocha梨、鮮切Piel de sap甜瓜中坂崎腸桿菌的影響,發現UV-C處理可以有效的減少接種在鮮切果蔬上的坂崎腸桿菌。李斯特菌常見與食品中,若中毒可導致血液和腦組織感染,使用0.5 kJ/m2UV-C照射鮮切西蘭花可有效滅活102CFU/g李斯特菌[13]。綜上所述,短波紫外線處理技術可抑制鮮切果蔬表面微生物生長、殺滅致病菌,相對于消毒液等化學處理方法,無殘留無污染無危害,且價廉。

2.2 UV-C處理對鮮切果蔬營養品質的影響

維生素C是人體所需的高效抗氧化劑之一,其含量可以作為衡量果蔬營養價值的重要指標。研究發現UV-C可以抑制鮮切果蔬中維生素C的下降,耿亞娟等[15]采用20 W的紫外燈照射鮮切蘋果5、10、15 min,在同一貯藏時間內,UV-C處理組的維生素C含量均高于未處理組,尤其是UV-C處理15 min的鮮切蘋果可以更好抑制維生素C含量的下降。閆帥等[16]使用UV-C照射鮮切雞毛菜,發現UV-C照射組維生素C含量雖有下降,但在相同貯藏時間內一直高于對照組,貯藏12 d后UV-C照射9 min的鮮切雞毛菜維生素C含量高于對照組28.9%。UV-C照射鮮切紅心蘿卜后,可以有效抑制維生素C含量的下降[17]。UV-C處理后的香菇在室溫下可延長保質期,類黃酮和維生素C含量得以提高,抗氧化能力得以增強,從營養角度來看,具有一定的實用價值,UV-C處理可能是保持香菇品質和延長其采后壽命的一種有效的非化學方法[18]。以0.86 kJ/m2的UV-C處理鮮切胡蘿卜,可有效提高其胡蘿卜素的含量,有利于其營養品質[19]。

但也有研究表明UV-C照射會降低鮮切果蔬中維生素C含量。雷屈文等[20]研究短波紫外線對鮮切菜的影響時發現,經UV-C照射后的鮮切菜,貯藏2 d后維生素C含量顯著下降,亞硝酸鹽含量上升。Alothman等[21]將鮮切菠蘿、鮮切香蕉、鮮切番石榴在UV-C下分別照射0、10、20、30 min后發現與無任何處理的對照組相比,UV-C處理后的鮮切香蕉的維生素C含量有所提升,鮮切菠蘿、鮮切番石榴的維生素C含量均有下降,其原因可能是實驗時鮮切果蔬暴露在氧氣和光照下,維生素C易在光、氧、加熱和抗壞血酸氧化酶、過氧化物酶等酶的作用下被氧化,UV-C處理也可產生部分熱量,因此會導致維生素C含量的下降。Gustavo等[22]使用UV-C分別照射鮮切芒果0、1、3、5和10 min后于5 ℃貯藏,發現鮮切芒果的維生素C含量隨輻照貯藏時間的延長而降低,但照射后的總抗氧化能力有所提高。較低劑量(1.6、2.8 kJ/m2)照射下,對鮮切西瓜中的番茄紅素含量無影響,較高劑量(4.8、7.2 kJ/m2)照射下番茄紅素有降低的現象[23]。由此可見,UV-C對鮮切果蔬營養品質的影響與果蔬種類及照射劑量有關。

2.3 對鮮切果蔬感官品質影響

2.3.1 顏色 隨著貯藏時間的延長,鮮切果蔬會出現亮度、色調改變的現象,鮮切胡蘿卜貯藏過程中易發生表面脫水,再加上受到機械損傷,會出現表面增白現象[24]。Carla等[25]的研究證實了鮮切胡蘿卜在貯藏過程中白度增加,但其對鮮切胡蘿卜使用UV-C照射和熱處理聯合處理,研究整體品質時發現,UV-C處理組的鮮切胡蘿卜貯藏10 d后,與剛切割的胡蘿卜顏色沒有明顯差別,因此UV-C處理可以較好的保持鮮切胡蘿卜的顏色[26]。UV-C處理可抑制鮮切蓮藕的褐變,使用75 W短波紫外線在距離鮮切蓮藕30 cm處照射,4 ℃貯藏8 d后發現,使用UV-C處理5和10 min的鮮切蓮藕褐變程度、可溶性醌含量明顯降低[27]。但也有研究表明采用UV-C照射鮮切蓮藕40 min后,鮮切蓮藕出現較高程度的褐變,因此長時間或高劑量的UV-C輻射可能會誘導果蔬褐變,其原因是UV-C過量照射會導致細胞受損、誘導褐變相關酶活性增加,從而使果蔬褐變度增加[28]。

2.3.2 硬度 使用UV-C照射鮮切蘋果,發現UV-C照射使鮮切蘋果內部水分迅速遷移至干燥的表面,加快脫水,表面果膠裂解酶失活,形成一層薄膜從而增加其硬度[29-30]。Lamikanra 等[31]發現UV-C照射鮮切甜瓜可以降低呼吸速率,在貯藏期顯著延緩硬度下降;對鮮切菠蘿進行UV-C照射0、60、90 s后,發現照射60和90 s與0 s有顯著差異且90 s照射組硬度下降速率低于60 s[32]。UV-C照射也可以延緩西蘭花根部的彎曲和變軟[33]。使用20 W/m2的UV-C照射鮮切甜瓜,發現UV-C照射組在貯藏期硬度下降趨勢小于未照射組,且在貯藏第7 d硬度有上升趨勢[34]。

3 UV-C處理對果蔬抗氧化物質及抗氧化活性的影響

果蔬被切割后會自主產生相應的防御體系,機械損傷部位發生傷呼吸、大量的乙烯被釋放,導致表面活性氧的產生,活性氧破壞果蔬的自由基代謝,加快果蔬的衰老,嚴重影響果蔬生理品質。果蔬自身防御體系通過誘導抗氧化物積累,提高超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化物酶(peroxidase,POD)和過氧化氫酶(catalasw,CAT)等抗氧化物酶的活性來對抗活性氧[35],從而提高果蔬品質。

3.1 抗氧化相關酶活性

抗氧化相關的酶,如PPO、POD、SOD、CAT等,其酶活對鮮切果蔬品質及抗氧化能力有密切關系。PPO、POD是褐變反應相關酶,POD的活性與果蔬損傷、生理應激和酚類底物有直接關聯,SOD可將超氧陰離子自由基(O2-)轉化為H2O2,CAT可將H2O2轉化為H2O[36]。周成敏等[37]將黃甜竹筍剝殼后采用2.6 kJ/m2的UV-C照射,于6 ℃、85%～90%相對濕度環境下貯藏10 d發現,UV-C處理顯著抑制了木質素和H2O2含量的上升,同時也顯著抑制了POD、肉桂醇脫氫酶(cinnamyl alcoholdehydrogenase,CAD)、PPO的活性,顯著提高了SOD和CAT的活性。Zhang等[38]將鮮切紫甘藍分為六層,對其進行UV-C處理,結果顯示UV-C照射后的鮮切紫甘藍SOD、POD、CAT活性均比未照射組高,因此UV-C可以提高其抗氧化酶的活性。姜丹等[39]研究檸檬酸和UV-C聯合處理鮮切蘋果,使用UV-C每5 min照射鮮切蘋果的一面,發現UV-C處理后的鮮切蘋果POD呈現先上升后下降趨勢,其活性明顯高于檸檬酸處理組、檸檬酸UV-C聯合處理組。UV-C處理組清除自由基的能力也明顯高于其他組,PPO活性也高于其他處理組,由此反映出UV-C處理對鮮切蘋果抗氧化相關酶的活性有提高作用,可以延緩鮮切蘋果的衰老。Lamikanra等[31]在10 ℃下使用UV-C照射鮮切甜瓜,與未進行UV-C照射的果實相比,前者能增加POD的活性,從而引起鮮切甜瓜的防御反應,延長鮮切甜瓜的貨架期。Oms-Oliu等[40]認為抗氧化酶的活性與UV-C照射劑量有直接關系,因此適宜的UV-C照射劑量可有效提高抗氧化酶的活性,若劑量過高,反而會導致酶活受到影響。

3.2 非酶抗氧化物質及抗氧化活性

非酶抗氧化物質是指果蔬中所含的抗氧化物質,如多酚類物質、花青素、類黃酮等。短波紫外線照射處理可誘導鮮切果蔬的次生代謝作用,促使果蔬多酚及類黃酮等次生代謝產物含量的增加[41]。

3.2.1 酚類物質 UV-C照射采后果蔬產生的非生物脅迫可以提高果蔬中酚類物質[42]、黃酮類物質[43]的含量。Rodoni等[44]研究了UV-C處理番茄,發現其可以提高酚類物質和黃酮類物質的含量,對咖啡酸、對香豆素、反式阿魏酸、綠原酸、沒食子酸、原兒茶酸、蘆丁、槲皮素等酚酸和類黃酮含量及總酚含量均有顯著提高作用。與未處理的番茄果實相比,UV-C處理組在貯藏21 d總酚含量均呈上升趨勢,貯藏28 d后略有下降,貯藏末期再次上升。UV-C處理組總酚類物質含量顯著高于對照。貯藏35 d后,UV-C處理組酚類總含量最高,比對照組高約12.82%。Bravo等[45]使用UV-C對鮮切番茄照射后也有類似發現,適當劑量的UV-C可顯著提高番茄中的酚類化合物,但若照射時間超過12 h,將會導致酚類物質含量降低,其原因可能是產生了光氧化反應。Carla等[26]研究表明,鮮切胡蘿卜經過UV-C處理后總酚含量有所提高。綠原酸是胡蘿卜中主要的酚類化合物,是一種含有奎寧酸的咖啡酸酯[46],UV-C處理可以促進這些抗氧化化合物在貯藏過程中的增強。Rodoni等[7]研究發現UV-C照射鮮切紅辣椒可以促使表皮酚類物質的積累從而延長鮮切辣椒的貨架期。Alothman等[21]對將鮮切菠蘿、鮮切香蕉、鮮切番石榴在UV-C下分別照射0、10、20、30 min后發現總酚含量較未處理組相比有所提高,在UV-C照射鮮切芒果的研究發現,UV-C處理60 min后,芒果中酚類物質含量增加[47]。高梵等[17]使用UV-C處理的鮮切紅心蘿卜,發現0.86 kJ/m2的UV-C處理顯著提高了PAL、C4H、4-CL的活性,從而促進鮮切紅心蘿卜的次生代謝。其他劑量的UV-C處理可使花青素和黃酮類物質含量的增加、延緩抗壞血酸含量的下降,從而提升鮮切紅心蘿卜的抗氧化活性。紫甘藍中含有較高水平的抗氧化物質[48],Wu等[49]采用不同劑量的UV-C照射鮮切紫甘藍,在3.0 kJ/m2的照射劑量下,花青素的含量顯著提高,且可改變與花青素代謝相關的葡萄糖淀粉酶、酰基轉移酶基因及與花青素色素相關的R2R3MYB基因。綜上所述,適當劑量的UV-C可誘導果蔬酚類物質合成增加。Reyes等[50]研究發現,果蔬損傷后誘導酚類物質的產生情況取決于組織的類型、鮮切果蔬自身的初始酚類物質含量和種類,因此酚類物質的變化可能與果蔬種類、切割面積等有直接原因,所以不同的鮮切果蔬經UV-C照射后會誘導不同的酚類物質合成。

3.2.2 抗氧化活性 在UV-C處理對鮮切果蔬抗氧化活性的影響方面,Alothman等[47]研究UV-C照射鮮切芒果和鮮切菠蘿,發現UV-C可提高其清除自由基的能力。與無任何處理的對照相比,UV-C處理后的鮮切芒果DPPH自由基清除率增加了2%,鮮切菠蘿增加了4%,因此經UV-C處理的樣品的抗氧化活性可顯著提高。錢書意等[51]采用UV-C照射白玉菇,貯藏7 d后,UV-C處理組的DPPH自由基清除率明顯高于無處理的對照組,可提高白玉菇的抗氧化能力,這與Wu等[52]和Jiang等[18]使用UV-C處理雙孢蘑菇和鮮切香菇后的結論一致。

4 展望

綜上所述,短波紫外線技術不僅有保持鮮切果蔬等采后果蔬的品質、增強其抗氧化性、延長貨架期的作用,而且可以有效的提高果蔬抗病性、增強其防御病害能力[53]。但由于不同種類的果蔬對短波紫外線的耐受性不同,照射后產生的非生物性脅迫表現也不同,而且UV-C的作用效果還受果蔬的成熟度、病原微生物的種類、輻照劑量、貯藏溫度等諸多因素的影響[54],因此,應加大研究力度。

目前,國內外學者對于UV-C照射對果蔬品質及抗氧化活性的影響已有較多的報道,也初步了解了UV-C照射對果蔬品質及抗氧化活性影響的原因,但是研究還不夠深入和全面。未來對UV-C照射技術應用于果蔬保鮮方面的研究應考慮以下幾點:UV-C處理對果蔬品質及抗氧化活性影響的機理;短波紫外線對不同果蔬香氣成分的影響及調控機制;UV-C處理對果蔬中微生物及其真菌毒素的影響,為鮮切果蔬的質量安全提供技術保障;目前在保證鮮切果蔬營養及品質的前提下,減少其腐敗變質,僅靠一項保鮮技術,難度較大,因此可研究短波紫外線技術與其他技術相結合,如與1-MCP[55]、生物保鮮劑[56]、熱水和高氧氣調包裝處理[57]、電解水[58]、UV-B[59]等處理相結合,可使其確保安全的前提下,發揮更好的作用,避免果蔬營養過量流失,盡可能延長其貨架期,保證鮮切果蔬營養品質和質量安全。