硫化氫在采后果蔬貯藏保鮮中的應用

劉思思,胡文忠,陳 晨,馮 可,劉程惠,姜愛麗,趙琪琪,張曉芳,管磬馨

(大連民族大學生命科學學院,生物技術與資源利用教育部重點實驗室,遼寧大連 116600)

新鮮果蔬在采后仍然會不斷進行成熟、衰老等正常的生命活動,導致其在貯藏及運輸過程中營養物質大量損失,果蔬損耗嚴重。且在貯藏及運輸的過程中由于機械損傷,容易受到病原微生物的侵染,不僅會導致果蔬腐爛引起經濟損失,影響果蔬的食用價值和貨架壽命,更嚴重的可能會引起食品安全問題。近年來,隨著人們對食品安全越來越重視,對食品健康要求越來越高,尋求一種合適的保鮮技術亟不可待[1-4]。

硫化氫是一種無色且具有“臭雞蛋”氣味的氣體,是繼一氧化氮和一氧化碳后的第三個氣體信號分子。最初,硫化氫被認為是一種對人體有毒和污染環境的氣體。后來,檢測到動物體及人體內存在硫化氫(人體血漿中硫化氫濃度為5. 2×10-6mol·L-1)[5],推測硫化氫可能具有一定的生理作用,研究發現,低濃度的硫化氫對人體有舒張血管、消炎、保護細胞、調節消化系統和呼吸系統等功能[6]。硫化氫還能夠通過抑制果蔬呼吸代謝、降低乙烯生物合成的速率、保持果實硬度、推遲變色、延緩褐變,從而改善貯藏品質。除此之外,硫化氫還具有抑菌活性[7],誘導果蔬對病原菌侵染的抗病性,進而抑制腐爛、冷害等不良現象的發生,提高其經濟價值。本文綜述了硫化氫在采后及鮮切果蔬貯藏保鮮中的研究進展,旨在為硫化氫在采后及鮮切果蔬貯藏保鮮的深入研究與應用提供參考。

1 硫化氫對感官品質的影響

1.1 硫化氫對顏色產生的影響

果蔬顏色是感官品質的重要指標之一,在很大程度上決定了消費者的購買決策[8]。優良的果蔬顏色和亮度能激起大眾的消費心理,提高其經濟價值。果蔬的顏色與其本身所含的色素成分緊密相關,葉綠素、類胡蘿卜素和花色苷是決定果蔬采后色澤的主要色素,硫化氫可以改變果實中色素組分及相關酶活性,從而抑制果蔬在貯藏過程中果皮色澤的轉變。研究發現,硫化氫處理可以通過調節與果蔬葉綠素相關的酶活性及其降解相關基因的表達,從而抑制果蔬果皮顏色的改變。例如蕹菜葉和西蘭花經硫化氫處理后,顯著降低葉綠素酶的活性,并下調了葉綠素降解基因BoSGR、BoCLH2、BoPaO、BoRCCR、BoNyc、BosGr、BoClH 1、BoRcR和BoPpH的表達,減緩了貯藏期內光合作用的發生,從而延緩葉綠素的損失,控制兩者在貯藏過程中外表色澤的改變[9-10]。除此之外,酶促褐變也是使果皮色澤改變的原因。酶促褐變是由多酚類物質如鞣質、酪氨酸等在組織內酚氧化酶的作用下生成褐色的化合物—類黑素而引起的褐變。這種褐變常發生在水果、蔬菜和茶葉等的加工貯藏過程中,如去皮的蘋果、香蕉和切分的萵苣、蘑菇等的褐變,是由于多酚氧化酶的作用使酚類物質發生氧化所致;新鮮果蔬在貯藏期間遭受逆境脅迫(冷害、凍害和高二氧化碳傷害等)或機械損傷也會引起果蔬表面或組織內部出現褐變,該褐變是由于生理代謝障礙所致。酶促褐變的發生縮短了鮮切果蔬的貨架期和新鮮果蔬的貯藏期。決定果蔬酶促褐變的主要因素是組織中的酚類物質及其濃度、氧化酶活性、溫度和氧的可利用程度。研究表明,鮮切蓮藕、土豆、山藥、萵苣和南瓜經硫化氫處理后,顯著降低了鮮切蓮藕等在貯藏期間超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)和過氧化氫酶(CAT)的活性,有效抑制酶促褐變的發生,從而抑制鮮切蓮藕等在貯藏過程中切口表面色澤的改變[11-12]。

1.2 硫化氫對硬度產生的影響

果蔬的質地是一種感官特性,它能反映果蔬的物理性質和組織結構,是構成食品品質的重要因素之一。果實硬度是指果肉抗壓力的強弱,是果蔬質地的重要保證,可作為果實成熟的判斷標準之一[13]。在果蔬貯藏過程中,果實硬度的下降主要與細胞壁物質成分改變及細胞壁水解酶活性上升密切相關[14]。硫化氫處理能夠有效保持果實的硬度,抑制細胞壁成分的降解和果膠代謝相關酶的活性,有效延緩果實的軟化。研究表明,獼猴桃[15-16]和葡萄[17]經過硫化氫處理后,顯著抑制了果實細胞壁的降解,降低了水溶性果膠和離子型果膠含量,從而有效防止硬度的下降,顯著延長果實的貯藏期和貨架期,保證了果實的貯藏品質。研究表明[18],果實硬度與還原糖含量呈顯著正相關,可以用來衡量果蔬硬度。Fallik等[19]在葡萄上的研究發現,在整個采后貯藏過程中,對照組漿果的可溶性固形物含量急劇下降,貯藏末期(17.15%)比初期相比(18.65%),下降了8%;處理組漿果的可溶性固形物含量略有下降,貯藏末期(18.65%)比初期相比(18.45%),僅下降了1%,且其含量始終高于對照組。硫化氫能夠抑制可溶性固形物含量的降低,延緩硬度的下降,保證了果實的貯藏品質,延長其貯藏期和貨架期。Gao等[15]在獼猴桃上的研究發現,在整個貯藏期間,硫化氫處理組果實還原糖含量始終高于對照組,并在第2 d達到峰值(26.5 mg/g),硫化氫有效抑制果實中還原糖含量的降低,延緩硬度的下降,有利于果實的貯藏保鮮。

1.3 硫化氫對風味產生的影響

果蔬風味是評價其品質的一個重要因素,也是果蔬商業價值的重要決定因素。果蔬的風味由糖、酸、可溶性固形物含量及揮發性芳香物質等共同決定[20]。其中,可溶性固形物含量(SSC)、可滴定酸(TA)是影響果蔬整體感官質量的主要因素[19]。硫化氫能夠改變果實中SSC和TA的含量,提高果實貯藏質量。例如,Zhu等[16]研究發現,獼猴桃經45和90 μmol L-1H2S處理,第18 d時,果實SSC顯著低于對照果實,分別比對照組低2.8%、2%;TA顯著高于對照果實,分別比對照組高4.2、3.7 g/kg。Ni等[17]研究發現,第4 d時,經硫化氫處理的葡萄與對照組相比,保持了較高的SSC和TA含量,處理組的SSC比對照組高2.45%,TA高0.6 g/L。Li等[10]在花椰菜小花上觀察到硫化氫能夠顯著抑制SSC含量的降低,貯藏第4 d,對照組的總可溶性固形物(TSS)為7.4%,處理組的TSS為11.8%,比對照組高4.4%。對草莓施用0.8 mmol/L-NaHS,可以導致桑椹在貯藏過程中的總糖濃度較低,TA較高[21]。在鮮切梨[7]、鮮切甘薯[22]上觀察到,經硫化氫處理過的果蔬能顯示出更高還原糖含量。

2 硫化氫對采后及鮮切果蔬生理生化的影響

2.1 硫化氫對能量產生的影響

能量能維持細胞正常代謝、生物體生長、發育、成熟和抵抗脅迫等過程中起著重要作用,是生物體進行一切生命活動的基礎。采后果蔬中的細胞能量主要是由呼吸產生,呼吸作用包括有氧呼吸和無氧呼吸,無氧呼吸不利于果蔬的貯藏,因此,貯藏過程中應盡量以有氧呼吸為主。在采后貯藏過程中,能量主要是以ATP的形式來儲存。采后果蔬的衰老程度與ATP含量和能荷水平呈負相關[23-24],而較高的ATP含量和能荷水平有利于采后果蔬在貯藏期間保持良好的品質并延緩采后果蔬衰老的發生[25-27]。當果蔬進入呼吸躍變期,耐貯性急劇下降,這是因為在果蔬發育定型之前,呼吸強度不斷下降,成熟開始時,呼吸速率急劇上升,到達呼吸高峰后便轉為下降,直至衰老死亡。隨著貯藏時間的延長,果蔬衰老加劇,ATP含量逐漸減少,表明其能量降低[28]。因此,保證充足的能量,能夠延緩新鮮果蔬衰老,延長采后貯藏壽命,保持整體品質[29]。硫化氫熏蒸的蕹菜在保持三磷酸腺苷、二磷酸腺苷和磷酸腺苷水平的情況下,導致了更高的能量變化,這有助于延緩葉綠素損失,同時保持綠色[9]。硫化氫可以通過改變與能量代謝有關的物質,如H+-ATPase、Ca2+-ATPase、琥珀酸脫氫酶(SDH)和細胞色素C氧化酶(CCO),來維持能量電荷,從而緩解果蔬衰老。研究發現[30],外源硫化氫處理花椰菜,顯著增強H+-ATPase、Ca2+-ATPase、琥珀酸脫氫酶(SDH)和細胞色素C氧化酶(CCO)的活性,有利于保持良好的品質,延緩果蔬衰老。

2.2 硫化氫對呼吸產生的影響

采后果蔬仍然是一個活體,為維持自身的生命體征,仍需繼續進行成熟、衰老等正常的生命活動,這些過程通過呼吸作用消耗自身的有機物來實現。果蔬采后腐爛主要是由于呼吸高峰的出現,從而啟動果蔬的成熟過程隨后進入生理衰老期,大量有毒代謝物的積累使果實的抗病能力逐漸減弱,組織解體腐爛,品質下降[28]。果蔬細胞內能量降低,導致貨架期縮短和產品質量下降,而貨架期縮短和產品質量下降都與呼吸強度的增加有關。硫化氫處理可以有效抑制果蔬貯藏期間呼吸強度的增加,延長果蔬的采后貯藏期和貨架期。有研究表明草莓果實經0.8 mmol/L-NaHS處理過后,由于硫化氫促進了氧化磷酸化的發生,生成更多的ATP,能量消耗減少,導致采后貯藏期間呼吸速率顯著降低[7]。CCO和SDH作為有氧氧化的標志物,CCO和SDH在細胞呼吸過程中也起著重要作用,硫化氫能提高CCO和SDH的活性[31],生成更多的ATP,減少能量消耗,有利于延長貨架期和保持品質。例如硫化氫處理能夠提高CCO和SDH的活性,CCO能夠激活位于線粒體呼吸鏈中的終端電子受體[32],SDH可通過與泛醌偶聯發生還原反應,氧化呼吸鏈酶和三羧酸循環中的琥珀酸[33],使香蕉、桑樹和草莓等果實生成更多的ATP,降低呼吸速率,減少果蔬自身的能量消耗,有利于延長貯藏壽命[30,34-35]。

2.3 硫化氫對乙烯產生的影響

乙烯是引起果實成熟的內源性植物激素,是果實成熟與衰老的推動力[27]。其在植物體內的合成及釋放對果實的后熟進程影響巨大,并影響果實的呼吸代謝進程[36]。在果蔬的成熟過程中產生的乙烯會對外釋放,而逐漸積累的乙烯又會對果實呼吸代謝產生促進作用,引發一系列生理生化反應,進而加速葉綠素的降解、促進組織軟化及多糖水解等,加劇果實的成熟和衰老,影響果蔬的貯藏品質[37]。硫化氫可以通過抑制乙烯合成相關酶或信號轉導相關基因的表達,從而抑制乙烯的釋放,延緩果蔬成熟,提高其貯藏品質。例如硫化氫處理可以降低乙烯合成基因 MdACS1、MdACO1、MdACS3、MdACO2、AdACS1、AdSAM、AdACO2、AdACS2和AdACO3,以及信號轉導基因MdERF3、MdERF4、MdETR1、MdERF5、MdERS1和MdERS2的表達,從而降低蘋果、香蕉、獼猴桃貯藏期間乙烯的產生,延緩成熟和衰老[38-39]。硫化氫處理還可以通過降低葡萄乙烯合成酶的活性,從而抑制乙烯的產生,延緩衰老[17]。此外,硫化氫還可以作為乙烯拮抗劑,抑制乙烯生物合成,減緩呼吸速率,延緩果實成熟、衰老。例如香蕉[40]經硫化氫處理后,能有效緩解乙烯誘導的香蕉皮發黃和果實軟化,降低多聚半乳糖醛酸酶的活性,降低氧化應激,抑制乙烯信號通路來拮抗乙烯的生物合成,從而緩解香蕉果實的成熟和衰老。

2.4 硫化氫對褐變產生的影響

酶促褐變是導致各種果蔬在加工或采后貯藏過程中內部、外部和鮮切表面變色的主要問題之一[7]。褐變是由于酚類物質在一些氧化酶如過氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)存在下氧化而發生的[41]。

PPO是果蔬中將酚類物質氧化成醌,從而促使發生褐變的最重要的酶,對鮮切果蔬的營養、風味、質地、顏色、外觀有一定的影響[42]。POD在有H2O2存在時能催化酚類物質氧化并參與酚類物質代謝,與PPO有協同作用,均能促使果蔬組織褐變,是一種與衰老有關的酶[42],也是逆境條件下酶促防御系統的關鍵酶,能清除細胞內產生和積累的過剩自由基,提高果蔬的抗逆性[43]。

3 硫化氫對采后及鮮切果蔬病害的影響

3.1 硫化氫對腐爛產生的影響

硫化物在誘導生物脅迫耐受性方面起著關鍵作用[45]。植物對病原體的抵抗能力與自身的硫營養狀況直接相關,這最終導致了“硫誘導抵抗”的概念。植物生物合成一些特定的天然含硫化合物,如芥子油苷(十字花科)和蒜氨酸(洋蔥和大蒜),以應對病原體的侵染[46]。研究表明,內生硫化氫在真菌感染時釋放,表明硫化氫信號可能與病原體應激抗性的產生相關[46]。硫化氫可作為殺真菌劑,抑制果蔬腐敗變質。Tang等[22]在鮮切甘薯上觀察到,2 mmol/L-NaHS的施用對鮮切甘薯起到了強殺真菌劑的作用,抑制了鮮切甘薯中真菌引起的腐爛。外源硫化氫的施用通過抑制新鮮切割梨果中的采后病原體如黑曲霉、擴展青霉和意大利青霉的生長來降低腐爛發生率[7]。硫化氫處理有效地抑制了黑曲霉和意大利青霉引起的蘋果、獼猴桃、番茄和柑橘的腐爛,這可能是由于在采后貯藏期間誘導細胞內ROS爆發并降低CAT和SOD相關基因的表達[47]。

3.2 對軟化產生的影響

質地是評價各種肉質果蔬成熟度的重要品質屬性。質地軟化是果實成熟與衰老的典型特征,是限制果實長期貯藏的關鍵因素,其間經歷細胞壁的降解、內容物的變化、呼吸速率變化等一系列生理生化變化[11]。質地的迅速喪失通常會導致果蔬的衰老和腐爛,因此,保持較高的硬度或減少軟化程度仍然是延長水果和蔬菜采后貯藏壽命的主要目標之一。一些化學物質能延遲軟化,硫化氫就是其中之一。采后施用1 mmol/L-NaHS顯著延緩了鮮切獼猴桃在5 ℃貯藏期間的軟化,延緩品質劣變,延長貯藏期[19]。硫化氫可以通過降低軟化相關酶的活性,如多聚半乳糖醛酸酶(PG)、果膠甲基酯酶(PME)和內切-β-1,4-葡聚糖酶(EGSE),從而減緩軟化。例如草莓果實經0.8 mmol/L的硫化氫處理后,基本上抑制了軟化[21]。硫化氫還可以通過維持果蔬自身的可溶性果膠含量,抑制果蔬在貯藏期間發生軟化。例如對桑椹施用0.8 mmol/L-NaHS,可觀察到桑椹依然可以保持較高的可溶性果膠含量,顯著延緩了其軟化的發生[35]。

3.3 硫化氫對冷害產生的影響

4 硫化氫應用的制約因素

硫化氫是具有刺激性和窒息性的無色氣體,主要經呼吸道吸收,當硫化氫濃度10～300 mg/m3(6.6～198 ppm)時,可出現眼急性刺激癥狀,稍長時間接觸引起肺水腫。當硫化氫濃度介于300～760 mg/m3(198～502 ppm)時,可引發肺水腫、支氣管炎及肺炎、頭痛、頭昏、惡心、嘔吐、排尿困難。當濃度≥760 mg/m3(502 ppm)時,人會很快出現急性中毒,呼吸麻痹而死亡。硫化氫的毒性已經被證明了大約300年,這成為其被廣泛應用的制約因素[51]。在過去十年中,大多數文獻只關注硫化氫的環境毒理學[52]。事實上,以較高的速率接觸硫化氫被認為對所有哺乳動物物種都有劇毒,在哺乳動物細胞中發現內源性硫化氫后,大量不同的生理功能歸因于這種氣體。近年來,硫化氫作為一組新分類的生物活性氣體,被稱為氣體介質和氣體發射器,因為它能夠控制植物和動物的大量必要生理反應[53],對于植物,硫化氫具有誘導種子萌發、促進葉、莖、根等器官的生長和發育、增強非生物脅迫耐受性等功能[3];對于動物,硫化氫具有舒張血管、消炎、保護細胞、調節消化系統和呼吸系統等功能[2]。

硫化氫的殘留濃度與其處理商品的內源性水平相關,果蔬中硫化氫的確切最大殘留限量尚未報道。研究發現,經硫化氫處理過的果蔬,其硫化氫的內源性濃度增加[21]。Hu等[21]在草莓上的研究表明,與未處理的對照相比,經0.8 mmol/L處理的樣品中的殘留水平更高。同樣,0.8 mmol/L處理西蘭花小花的內源硫化氫含量約為10.14 μmol/kg,高于對照[39]。與Hu等[21]的發現相似,Hu等[35]的研究表明,經0.8和2.4 mmol/L處理的桑樹和蕹菜中,內源硫化氫含量增加,其殘留含量更高。Aghdam等[54]還注意到1.5 mmol/L處理的山楂果實中內源硫化氫含量增加,并且殘留水平隨劑量變化。研究表明,人體血漿硫化氫濃度為5.2×10-6mol/L[1]。此外,果蔬中硫化氫的使用濃度非常低,殘留水平低于內源性人體血漿硫化氫水平,因此用硫化氫供體處理水果和蔬菜可以被認為是安全的。

5 展望

硫化氫在新鮮果蔬貨架期或低溫貯藏期間,具有延緩成熟、抑制衰老的作用,延長果蔬貨架壽命,對維持其品質有著積極的作用,具有良好的應用前景。近年來,硫化氫在采后果蔬貯藏保鮮中的應用越來越多,低濃度的硫化氫在植物生長發育以及抗逆境脅迫響應中發揮著重要的調節作用,并且逐漸引起人們的關注,但仍然存在問題,例如硫化氫在植物整個生命周期的關鍵作用及其抗逆境脅迫反應機制尚不清楚,還需繼續研究。而且目前,硫化氫對果蔬進行保鮮并未大量應用于實際果蔬保鮮工業中,因此,對硫化氫的應用與開發有待深入的探索。