生物保鮮劑結合物理技術在果蔬保鮮中應用的研究進展

李光榮，劉 歡，張文祥，梁關海，錢正明1,，李文佳1,,

（1.宜昌山城水都冬蟲夏草有限公司，湖北宜昌 443000；2.東莞市東陽光鮮冬蟲夏草有限公司，廣東東莞 523850；3.廣東東陽光藥業有限公司,國家中醫藥局重點研究室，廣東東莞 523850；4.東莞市東陽光冬蟲夏草研發有限公司，廣東東莞 523850）

果蔬物理保鮮技術雖安全性高、操作簡單、應用廣泛、效果顯著，但會造成果蔬細胞組織損傷，蛋白質、果膠等成分的分解，營養成分流失等不良后果[1]。生物保鮮劑來源于動植物、微生物中，天然、安全、無毒，具有良好的生物相容性和生物可降解性，對包括腐敗微生物在內的多種微生物具有抗菌活性[2]，同時還具有阻隔氧氣和微生物、維持水分、護色、抗氧化等作用，成為了近年保鮮領域研究的熱點之一[3]。其中植物提取物、茶多酚、殼聚糖、乳酸鏈球菌素（Nisin）、聚賴氨酸、溶菌酶等應用較為廣泛（圖1）。然而，受溫度、pH 等因素的影響，生物保鮮劑保鮮效果并不穩定，推廣應用難度大[4]。

圖1 2013～2019 年國內公開的100 篇生物保鮮劑專利中的主要成分Fig.1 Main components in 100 patents of bio-preservatives published in China from 2013 to 2019

單一的物理、生物保鮮技術仍然無法滿足人們對果蔬質量安全及保鮮期的需求。為了延長果蔬保鮮期，將生物保鮮劑與物理技術相互組合的應用方式也越來越受到研究者的關注[5?6]。目前，生物保鮮劑主要與低溫、氣調、臭氧、輻照、微波、超聲、超高壓等物理技術組合，應用于水果、蔬菜、食用菌、堅果等保鮮，以發揮生物保鮮劑的優勢，彌補物理技術不足，從而進一步延長保鮮期。本文重點闡述了近年來生物保鮮劑與物理保鮮技術組合應用的機制及研究現狀，為果蔬保鮮技術的創新發展提供參考。

1 果蔬采后劣變及機制

果蔬在采后的整理、清洗、運輸、保藏過程中，由于呼吸作用、酶、微生物等因素的影響，容易引發褐變、軟化、衰老、營養流失等品質劣變現象[7?8]。由于組織機械損傷，細胞完整性被破壞，多酚氧化酶（PPO）與酚類物質直接接觸在活性氧的作用下發生褐變，導致果蔬色澤惡化[9?10]。果膠脂酶、纖維素酶等細胞壁降解酶催化果膠、纖維素、半纖維素等細胞壁物質被降解，導致細胞壁結構被破壞，造成果蔬質地軟化[11]。呼吸作用、乙烯和活性氧自由基引起果蔬采后的生理衰老，導致質地軟化及維生素C、可溶性糖、葉綠素等營養成分損失。葡萄球菌、大腸桿菌、酵母假單胞菌、霉菌、和歐文菌等是果蔬的主要腐敗菌，會引起果蔬霉變、酸敗、發酵、產氣、變色[12?13]。由于果蔬富含營養物質，這些腐敗菌即使在4 ℃的低溫也會隨保藏時間而繁殖增加[14]。以上劣變現象均會影響果蔬的食用價值和銷售價值，甚至威脅人體健康。因此，需要充分運用物理和生物保鮮等綠色、安全的技術來控制果蔬采后的生理變化及腐敗微生物的生長繁殖，延緩劣變，保持新鮮度。

2 生物保鮮劑組合物理保鮮技術的應用

2.1 組合低溫保鮮

低溫保鮮可降低因呼吸、代謝等生理活動所帶來的物質損耗，同時抑制腐敗菌的生長繁殖[15]。但果蔬低溫保鮮仍然會導致部分果蔬發生冷害[16]，進而導致汁液流失、質地軟化，并且低溫無法完全抑制有害微生物的繁殖及細胞的生理活動，部分產品的銷售和消費仍然受限。生物保鮮劑能有效地抑制微生物的繁殖，并附著于果蔬表面形成膜，隔絕氧氣和微生物。為了達到了更好的保鮮效果，將殼聚糖、植物活性成分、益生菌發酵液等生物保鮮劑組合低溫技術應用于果蔬保鮮，效果顯著優于單一保鮮技術（表1）。這種組合方式操作簡便、成本低廉、安全性高，具有良好的應用推廣價值，但是選擇生物保鮮劑時應避免其氣味和滋味對果蔬品質的不良影響。

表1 生物保鮮劑組合低溫保鮮在果蔬中應用的部分研究成果Table 1 Some research results of bio-preservatives combined with low temperature preservation in fruits and vegetables

2.2 組合氣調包裝技術

果蔬氣調包裝O2比例一般在4%左右，這種環境會引起呼吸鏈相關酶系統的代謝紊亂及SOD、CAT、POD 等活性降低，使得植物機體中自由基的生成和清除之間的動態平衡被打破，加快蔬菜衰敗[27?28]。而高氧環境（超過70 kPa）一定程度上能抑制果蔬的呼吸作用、部分細菌的繁殖及水分散失，并減緩了組織軟化和褐變[29?32]。近幾年的研究成果表明，將生物保鮮劑與高氧氣調組合不僅能夠發揮生物保鮮劑抑菌、殺菌作用，而且提升了抑制呼吸作用、延緩褐變的效果，具有一定的開發潛力[33]。百里香精油[34]、大蒜精油和肉桂精油混合物[35]組合40%～60% O2置換氣調保藏草莓和雙孢菇，減緩了褐變，降低了失重率，抑制了還原糖下降，保鮮期較單一氣調保鮮分別延長了4、7 d，效果提升明顯。徐仕翔[36]將月桂精油與自發氣調包裝組合保鮮櫻桃番茄，結果表明組合保鮮在常溫、低溫下的發病率顯著低于單一技術處理組。而Jiang[37]用2%海藻酸鈉與100%O2氣調組合冷藏雙孢菇，能保持子實體硬度，延緩褐變、開傘，延緩可溶固形物、總糖的變化，且貨架期延長至16 d。此外，大豆蛋白涂膜組合氣調技術能夠保持新鮮洋薊的抗氧化能力，延長新鮮茄子的保質期至9 d[38?39]。將氣調保鮮技術與生物涂膜材料相結合，可以成為延長果蔬保鮮期的重要途徑。

此種組合方式也有其局限性，主要是對果蔬氣味和滋味的影響。桉樹精油結合氣調保鮮甜櫻桃，就出現了異味、質量下降和莖褐變等劣變現象，保鮮效果甚至比對照組差[40]。可能是桉樹精油誘導了一定的氧化過程，加速了與櫻桃成熟衰老相關的生理變化。因此，在實際應用中，要針對果蔬自身的特性以及感官可接受度，選擇合適的生物保鮮劑。

2.3 組合臭氧處理

臭氧可分解成氧氣，無殘留、無二次污染，溶于水形成臭氧水后仍具有良好的殺菌效果，但對表面粗糙的覆盆子、草莓等部分果蔬的殺菌效果并不理想[41]。臭氧的兩種形態決定了其結合生物保鮮劑的應用包含兩種方式。一是保鮮劑涂膜結合臭氧氣體填充，如殼聚糖涂膜、聚賴氨酸浸泡再結合臭氧填充或熏蒸處理，該方法已應用于冬棗[42]和石榴果[43]的保鮮，能夠抑制腐爛、維持感官品質、減緩劣變。另一種是臭氧水和生物保鮮劑浸泡處理。石磊[44]對比了臭氧水、臭氧氣體組合2%殼聚糖涂膜保鮮歐亞種葡萄，發現前者效果更好，可溶性固形物、可滴定酸含量更高，而后者維持保鮮效果則需持續充入臭氧。此外，臭氧具有強氧化性，在實際生產應用中高劑量的臭氧會引起果蔬如生菜[45]的劇烈氧化。臭氧組合生物保鮮劑的應用機理、安全性等仍需進一步明確。

2.4 組合輻照技術

輻照技術可破壞微生物細胞，影響酶分子結構和功能，從而抑制果蔬生理活動，延緩衰老[46]。其缺陷是會引起組織軟化、真菌和細菌感染增加、電解質泄漏、異味、對冷害的敏感性增加、莖陷點病（如洋薊和柑橘類水果）、內部變黑（如鱷梨）以及表皮凹陷等問題[46]。將輻照與生物保鮮劑組合應用，一定程度上可降低輻照劑量，同時發揮生物保鮮劑保藏過程中長期持水、抑菌的作用。楊偉等[47]發現海藻酸鈉涂膜組合60Co-γ輻照處理樂陵小棗，失重率較單一輻照處理降低12.9%，保藏105 d 后仍然無明顯皺縮。其次，利用輻照對殼聚糖等生物保鮮劑進行降解，可提升抑菌性能。陳浩等[48]將殼聚糖經0～200 kGy 的60Co-γ射線輻照降解后，涂膜保鮮砂糖橘、圣女果、金桔，發現對比未輻照的殼聚糖，可顯著降低3 種水果的失重率、腐爛率，保質期從9 d 提高到18 d，且分子量越低效果越好。同樣，在新高梨[49]、草莓[50]的保鮮研究中，也表明殼聚糖經輻照降解成更小分子量后的保鮮效果更佳。但是，這種組合處理果蔬會一定程度上提高微生物對輻照的抗性[46]。

2.5 組合紫外照射

紫外線（UV）照射可高度增強生物活性化合物和抗氧化酶活性[51]，具有很強的殺菌性能[52]，但UV 穿透能力較弱，單一處理仍然難以滿足保鮮需求。Vurmaz 等[53]發現，UV-C（200～280 nm）與丁香精油組合后處理柿子表面可減少黑曲霉0.68 lg CFU/cm2，較單一UV-C 殺菌效果照射增長一倍，且保藏7 d 后霉菌數量仍顯著低于后者。Abdipour 等[54]使用UV-B（280～320 nm）、UV-C 和殼聚糖（CS）復合處理甜櫻桃，結果表明UV/CS 處理較單一處理，顯著抑制了甜櫻桃果實硬度、總花青素含量、抗氧化能力的下降及果實失重率和可溶性固形物的增加。劉容等[55]采用3.0 kJ/m2劑量的UV-C 照射和質量濃度1.0%殼聚糖涂膜處理鮮切淮山，在抑制呼吸強度、殺菌效果、總酚含量等方面較單一UV-C 照射處理增加了50.3%、25.2%、66.9%。即使能量較低的UV-A（320～400 nm）與ε-聚賴氨酸組合處理鮮切菠菜，在感官、失水率、微生物、抗氧化等方面也都顯著優于單一UV-A 循環照射，保鮮期由8 d 延長至12 d[56]。這些研究都表明，UV 組合生物保鮮劑具有協同效應，是延長其果蔬保鮮期的一種有效方法。

2.6 組合微波技術

微波的非熱效應可以使微生物體內的物質發生變異而失活，導致微生物死亡，同時具有延緩衰老、維持原有品質的作用[57]。發揮微波與生物保鮮劑的各自優勢，可更好地維持果蔬品質、延長保鮮期。顧仁勇等[58]將微波與納他霉素-魔芋膠涂膜液組合處理新鮮板栗，保藏至70 d 時，降低的呼吸強度約為單一處理的2 倍，腐爛率僅為單一處理的三分之一；同時發現，板栗蟲害率和質量損失率的下降分別與微波、涂膜相關，說明二者具有互補作用。黃文部[59]研究了微波結合多種植物精油處理鮮切西蘭花，發現肉桂精油清洗西蘭花后再經300 W 微波處理40 s 能夠鈍化POD 活性，維持VC、總酚、總黃酮、可滴定酸的含量，減緩葉綠素分解，改善西蘭花的氣味。低功率微波可有效避免熱效應，其與生物保鮮劑組合的保鮮技術也值得更進一步研究。

2.7 組合超聲波技術

超聲波的空化作用可以去除果蔬表面的微生物，同時破壞微生物的細胞壁及細胞膜結構而使微生物死亡，如抗性弱的大腸桿菌及體積較大的啤酒酵母菌[60]。同時，超聲波還能激活丙氨酸轉氨酶抗氧化防御機制增加抗氧化性，鈍化多酚氧化酶降低褐變，抑制纖維素酶、果膠甲酯酶減緩組織軟化，有效地提升了貯藏價值及商業價值[61]。但是，超聲波短時間處理對有害微生物的殺滅效果有限，而處理時間過長，則會促進果膠的分解，造成表皮損傷、組織軟化和營養流失[1,62]。在萵苣的保鮮研究中，26 kHz 超聲波組合0.018%百里香精油、牛至精油的殺菌效果較0.018%精油處理顯著增強，能夠延長保鮮期約5 d[63]。劉偉等[61]將2.0%乳酸溶液作為清洗液，在室溫條件下以40 kHz 的超聲波清洗生菜5 min，和單一超聲波處理組相比，大腸桿菌含量進一步下降至2.75 lg CFU/g。因此，將超聲波技術組合生物保鮮劑具有研究價值和應用前景。

2.8 組合其他物理技術

生物保鮮劑還可以與超高壓、高壓脈沖電場（PEF）等物理技術組合應用于果蔬保鮮。生物保鮮劑組合超高壓技術的應用一定程度上可降低壓力值，改善超高壓帶來的失水、氧化、淀粉和蛋白質分解、色素化合物變化、酶促反應[64]等不良影響，提升耐高壓果蔬（榴蓮泥[65]、板栗[66]等）的感官品質和保鮮期。PEF 與生物保鮮劑（Nisin、溶菌酶、片球菌素、有機酸、丁香油等）聯合使用可擴大抗菌劑的作用范圍，在產品穩定性和安全性方面具有優勢[67]。這些組合技術仍然需要進一步研究。

綜上所述，生物保鮮劑與物理保鮮技術應用于果蔬保鮮能夠增強抑菌殺菌效果，延緩劣變，提升品質，延長保鮮期，具有重要的價值和意義。但是，二者組合后也存在一定的不足之處，可能會一定程度上制約組合技術的應用，需要特別關注（表2）。

表2 生物保鮮劑組合不同的物理技術應用于果蔬保鮮的優勢與不足Table 2 Advantages and disadvantages of bio-preservatives combined with physical technologies applied in fruits and vegetables

3 總結與展望

生物保鮮劑與物理保鮮技術均具有安全、高效、無污染的特點。二者組合應用不僅可以充分發揮各自的優勢，還能彌補各自的缺陷，保鮮效果較單一技術提升顯著。隨著人們對果蔬安全和新鮮度重視，生物保鮮劑與物理保鮮技術組合應用的優勢和應用價值會越發明顯，前景也非常廣闊。同時，未來生物保鮮劑結合物理保鮮技術的應用研究需要重點關注以下幾方面：生物保鮮劑結合物理保鮮技術協同增效機制的研究；生物保鮮劑帶來的感官等不利影響，及結合物理保鮮技術后可能引發的有害微生物抗性提高等深層次問題；與新型物理保鮮技術結合，尤其是低溫等離子電場等非熱殺菌技術；滿足智能保鮮設備的需求，不斷推動果蔬保鮮技術的自動化、智能化。