果蔬機械損傷的生理及分子機制研究進展

王敏，關博洋，殷菲朧，劉云芬，廖玲燕，潘中田，帥良*

（1.賀州學院食品與生物工程學院/食品科學與工程技術研究院，廣西 賀州 542899；2.大連工業大學食品學院，遼寧 大連 116034）

我國水果和蔬菜等農產品資源豐富，產量位居世界首位，果蔬出口量占亞洲總出口量的70%以上，其中僅出口日本的果蔬總額每年達到3億多美元[1]。隨著“一帶一路”建設的發展，2018年我國與沿線國家的果蔬交易額達到760億美元，同比增長16.4%[2]。但正是由于出口需長時間儲藏和遠距離運輸，增大了果蔬出現機械損傷的幾率。水果和蔬菜含水量極高，營養物質豐富，擠壓碰撞過程會使果蔬內部水分流失，引起果蔬品質下降。果蔬受到機械損傷后，微生物容易侵染破損部位，并在果蔬體內大量繁殖，加速果蔬的腐敗變質，影響其食用價值和經濟效益。據相關資料統計，我國果蔬機械傷每年損耗量約為4 000萬噸，經濟損失達2 000億人民幣[3]。果蔬機械損傷不僅包括果蔬在采收、包裝、運輸和銷售環節中因受到跌落、碰撞、振動、擠壓、刺傷等作用而引起的果蔬破損等傷害，也包括果蔬在加工過程中受到的鮮切等傷害[4]。因此，研究果蔬機械傷信號分子的防御機制，總結果蔬機械損傷生理生化特性，分析其影響因素，用科學的方法對果蔬進行損傷防護，從而降低果蔬出現機械損傷的概率。

1 果蔬機械損傷的類型

1.1 靜壓損傷

靜壓損傷是指在儲運過程中由于果蔬大量堆放而導致的果蔬損傷。隨著靜壓時間的延長，果蔬要承受自身重力和上層果蔬壓力引起的接觸擠壓形變和摩擦損傷，造成果蔬品質劣變。研究靜壓損傷通常采取外表層的黏彈性靜載試驗，以外載力大小和時間長短為依據判斷損傷程度，通過測量接觸面積和損傷直徑描述損傷規律。近年來，國內外學者對于果蔬靜壓損傷的研究，主要集中在利用靜態壓縮法及Burgers的四單元模型探究果蔬靜壓損傷機理、探討堆疊果蔬的壓力分布和損傷面積的關系等。部分有關果蔬靜壓損傷的研究內容及成果見表1。

表1 果蔬靜壓損傷的研究Table 1 Study on static pressure injury of fruits and vegetables

1.2 振動損傷

振動損傷是由于果蔬的相互碰撞和低應力循環引起的延遲損傷，大多發生在運輸過程中。運輸振動對果實造成機械損傷，嚴重影響果蔬的組織流變特性，降低耐儲性[9]。影響果蔬振動損傷的因素主要分為三類。第一類是果蔬自身影響，如成熟度、硬度；第二類是運輸車輛的內部結構和外部結構的影響，如運輸車輛內部懸掛和堆碼類型、車輛軸輪數量；第三類為不確定因素，如運輸時間、速度和距離，路面平整程度，果蔬包裝方式、堆碼高度等。目前，主要采取穩態振動和隨機振動兩種方式研究果蔬的振動損傷，而果蔬在運輸過程中往往是由隨機振動引起的損傷。因此，以隨機振動為模型研究果蔬的運輸振動過程更具現實意義。Scalia等[10]在低溫控制的條件中模擬運輸條件，發現與對照組相比振動處理會降低草莓的品質性狀。Fernando等[11]采用實際運輸條件，在列車中放置不同堆碼位置和高度的香蕉，結果表明在列車尾部堆碼的香蕉損害最嚴重，每個堆碼位置的損傷程度與列車的振動加速度密切相關。

1.3 沖擊損傷

果蔬在采收、運輸和銷售過程中可能出現跌落、碰撞和敲擊等產生較強的沖擊力，使果蔬產生塑性變形等不可逆沖擊損傷。沖擊損傷程度主要與果蔬跌落高度、碰撞能量、碰撞次數、碰撞或跌落時其表面特性，以及果蔬自身成熟度、品種及大小有關[12]。目前，關于沖擊損傷影響的研究大部分都采用振動模擬、自由落體、沖擊擺等試驗方法，建立模型分析損傷程度和影響因素之間的關系。Zhou等[13]研究發現高強度機械沖擊持續時間越短，櫻桃損傷程度越高。Ghasem等[14]采用多元線性回歸分析方法研究蘋果的沖擊損傷，建立了蘋果果實損傷敏感性（以損傷體積衡量）的損傷預測模型，結果表明，提高溫度、增大曲率半徑可以降低蘋果的沖擊損傷程度。

1.4 鮮切損傷

果蔬經過剝皮、切片和包裝等簡單加工后成為鮮切即食產品。由于鮮切果蔬在加工過程中受到物理損傷，果蔬極易發生酶促褐變、微生物侵染、腐敗變質，降低商品價值。目前，國內外學者對鮮切果蔬的品質劣變做出許多研究。有研究表明，鮮切處理能提高果蔬體內苯丙氨酸解氨酶的活性，加速鮮切萵苣[15]、慈姑[16]、荸薺[17]等果蔬的褐變，導致果蔬品質下降。Liu等[18]研究發現鮮切處理過程容易受微生物侵染，鮮切處理能引起蘋果中細菌、霉菌和酵母菌含量大幅度的提高，影響蘋果的營養價值，加速蘋果腐敗變質。還有學者研究發現，鮮切處理促進了黃瓜體內變形假單胞菌的生長，引起黃瓜口味的變化和營養物質的流失[19]。

2 果蔬機械損傷的生理特性及影響因素

2.1 呼吸強度

果蔬體內需要能量進行生物大分子的轉換更新，細胞結構的維持和修復。這些能量大部分由呼吸作用消耗有機物提供。有學者通過人工模擬試驗方法，發現紅富士和秦冠機械傷果在貯藏過程中呼吸強度均增大，且紅富士果實呼吸峰提前[20]。在黃瓜[21]、獼猴桃[22]和甘藍[23]等果蔬中也有類似現象的發生。還有學者研究表明臨界高度以下，櫻桃番茄跌落高度越高，呼吸速率越大[24]。果蔬受到機械損傷后，呼吸作用逐漸增大，由此加強損傷組織的防御反應，促進愈傷組織的形成。機械傷也會導致果蔬正常代謝失衡，促進果蔬體內活性氧的積累，使其膜質系統發生過氧化反應；蛋白質、核酸等生物大分子遭到氧化，破壞果蔬細胞內外環境的穩定性，從而加速果實的衰老。

2.2 氧化酶活性

果蔬的過氧化物酶（peroxidase，POD）、多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）、過氧化氫酶（catalase，CAT）和超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）等的酶活性與自身的細胞膜透性和品質有重要關系[25]，提高酶活性能促進果蔬損傷愈合。有學者發現切片損傷會提高胡蘿卜中PPO活性，誘導組織中酚類物質的產生和積累[26]。有研究表明，機械損傷會抑制番茄[27]、蘋果[28]和青椒[29]等果蔬體內POD和PPO活性，導致果蔬品質劣變。同時，果蔬在遭受機械傷后會抑制體內CAT和SOD活性，破壞自身的抗氧化系統，造成果實體內H2O2的大量積累，加速果蔬在貯存過程中的衰老腐敗。機械損傷破壞了果蔬的組織結構，影響其細胞壁和細胞膜的完整性，引起酚類物質的積累，改變果蔬體內的酶類物質活性，促進果蔬表皮褐變，導致果蔬品質下降。

2.3 γ-氨基丁酸

植物在遭受機械損傷、缺氧和干旱等脅迫時，體內 γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）在應激組織中快速積累對抗脅迫[30-31]，果蔬在遭受機械傷后也會出現類似現象。研究表明，成熟番茄經破碎后體內GABA含量會升高[32]。Hou[33]等發現鮮切過程激活了GABA的分流和多胺降解途徑，誘導果蔬中GABA的積累。候螢等[34]研究表明機械傷處理會引起獼猴桃中GABA的富集；朱惠文等[35]發現較高溫度的短時間儲藏會促進鮮切胡蘿卜中酚類物質和GABA的積累，提高抗氧化能力。Wang等[36]發現CaCl2或抗壞血酸（ascorbic acid，ASA）處理均能使胡蘿卜絲中的GABA富集，延長儲藏期。

2.4 硬度

根據果蔬品種和成熟度的差異，硬度也會有所不同。硬度是評價果蔬品質的重要指標，反映果蔬的新鮮度。但機械損傷普遍使蘋果、黃花梨[37]、青椒[29]、番茄[24，27]等果蔬組織軟化，導致果蔬品質下降。有研究表明，機械損傷使果蔬原果膠含量降低，可溶性果膠和纖維素含量升高[38]。機械損傷還會改變果蔬組織細胞結構、細胞膜透性和酶活性，促進細胞中底物和酶的結合，導致細胞壁被分解，果實進一步軟化。

2.5 可溶性固形物含量

可溶性固形物含量指果蔬細胞中含有可溶于水的糖類物質的含量大小，作為果蔬的主要營養物質，其含量可用于衡量果蔬品質的指標。果蔬中的糖類物質為呼吸作用提供底物，而機械損傷會引起果蔬呼吸速率的提高，促進糖代謝速率加快，加速果蔬品質劣變。研究表明，機械損傷會引起獼猴桃[22]、哈密瓜[39]等果實可溶性固形物含量升高，而機械傷蘋果[20]的可溶性固形物含量則是呈現先上升后下降的趨勢。

3 果蔬機械損傷防御調控的分子機制

植物在受到機械損傷后，體內會產生一系列的激素信號分子進行防御反應和應答調控，加強植物自身修復，采摘后的果蔬也有類似反應。機械損傷會刺激果蔬信號分子的產生、轉導和接收，激活果蔬的脅迫應答基因，誘導防御基因的表達。目前，對果蔬機械傷信號分子轉導的調控路徑尚未完全清楚，但已有研究表明水楊酸（salicylic acid，SA）[40]、茉莉酸甲酯（methyl jasmonate，MeJA）[41]和乙烯（ethylene，ET）[42]等可作為信號分子，誘導防御基因的表達。

3.1 SA在果蔬機械損傷防御調控的分子機制

SA是植物抗逆性和防御性系統中的信號分子。Tada等[43]提出SA介導防御基因的主要調節因子是NPR1。SA需要調節因子NPR1的參與激活PR基因的表達，啟動防御機制[44]。此外，NPR1還能與TGA類bZIP轉錄因子作用，激活PR基因的表達[45]。SA常用作果蔬的保鮮劑。Chen等[46]研究發現SA處理能促進機械傷葡萄中PAL mRNA的積累，提高PAL蛋白的含量和活性。陳夏鑫等[47]發現SA能有效抑制CwCHI基因的表達，延緩鮮切荸薺的黃化。

3.2 茉莉酸在果蔬機械損傷防御調控的分子機制

茉莉酸（jasmonate JA）在茉莉酸羧基甲基轉移酶的作用下生成茉莉酸甲酯（MeJA）[48]。有學者發現MeJA在蛋白質水平上有反應，能使果蔬新陳代謝從生長轉向防御[49]。COI1在植物中是一個重要的調控基因，F-box蛋白COI1可以促進JAZ蛋白的降解，介導茉莉酸信號傳導[50]。還有研究表明，茉莉酸信號需要轉錄因子MYC2的參與啟動JAZ蛋白，而且在Thr328殘基上磷酸化偶聯翻轉能刺激MYC2轉錄活性[51]，誘導防御基因的表達。外源MeJA可參與果蔬防御信號的轉導，激活果蔬的脅迫應答基因。Guo等[52]研究表明MeJA誘導機械傷柑橘PR5的mRNA表達水平升高，抑制柑橘綠霉病的發生。

3.3 ET在果蔬機械損傷防御調控的分子機制

ET是植物生長調節的重要因子，也參與了脅迫反應的防御機制。APETALA2/乙烯反應因子（AP2/ERF）蛋白家族，通過參與次生代謝物的生物合成來介導植物的逆境反應[53]。到目前為止，在擬南芥[42]中已鑒定出5 種乙烯受體 ETR1、ETR2、ERS1、ERS2、EIN4，在番茄中已經分離出第7個乙烯受體LeETR7[54]。機械傷脅迫促進花椰菜中BO-ACS1和BO-ACS2的基因表達，使花椰菜中傷乙烯含量顯著提高[55]。為減少脅迫后期傷乙烯的生成，Bu等[56]發現UV-C處理抑制了機械傷番茄中PME2.1、Cel1、PGcat和Exp1基因的轉錄表達，降低乙烯的生成量。

3.4 轉錄因子在果蔬機械損傷防御調控的分子機制

基因表達調控是植物脅迫反應中最常見的方式。轉錄因子（transcription factors，TFs）感知逆境信號，在轉錄水平上調控下游防御基因表達，參與植物防御機制[57]。植物受到逆境脅迫后，AP2/ERF、WRKY、BHLH、bZIP、MYB和NAC等6個主要TFs家族發揮重要作用[58]。除了參與植物的防御反應外，還有研究表明WRKY轉錄因子與果蔬機械傷褐變呈高度相關。劉建汀等[59]研究發現，4個WRKY基因Unigene0018509、Unigene0021412、Unigene0025291和Unigene0034271參與鮮切絲瓜褐變的調控反應。此外，WRKY75還與番茄組織褐變有關[60]。

4 果蔬機械損傷的防護措施

果蔬在采摘、運輸、儲藏和銷售過程中極易受到機械損傷而影響其本身的營養價值，采取適合的物理減振裝置和化學處理等防護措施能有效減緩果蔬機械傷的產生，延長果蔬的儲藏期限，增加果蔬的經濟效益。

4.1 減振防護

果蔬的物理減振裝置通常要符合兩個條件，一是能在最大程度上保護產品免受沖擊、振動和靜壓等損傷，同時具有良好的通透性能，便于果蔬進行有氧呼吸。其次是經濟性，包裝材料要盡可能的便宜、易獲取，還要便于果蔬的裝卸和運輸。目前，市場上常見的果蔬減振包裝主要有瓦楞紙板、泡沫網袋、充氣柱和聚乙烯泡沫塑料等[61]。采取適合的物理減振裝置能有效減低果蔬在運輸過程中的呼吸強度和乙烯釋放量，維持果蔬硬度和VC含量，保持果蔬貨架期的品質。

4.2 化學試劑防護

目前，國內外學者對果蔬機械損傷的化學防護措施做出許多了研究，也取得了一定的成果。已有研究表明，1-MCP[21]、異硫氰酸烯丙酯[23]等處理能抑制果蔬傷呼吸強度，延緩果蔬衰老進程；CaCl2[27]、1-甲基環丙烯、乙烯吸收劑[28]和腐胺[29]處理均能提高機械傷果蔬體內的抗氧化酶活性，加強果蔬抗氧化能力；赤霉素[15]、抗壞血酸和阿魏酸[16]、6-芐氨基嘌呤[17]能延緩鮮切蓮藕和荸薺的褐變，保持鮮切果蔬的品質。

4.3 其他防護

除了物理減振裝置和化學處理等防護措施外，還有學者采用等離子體活化水浸泡鮮切蘋果，發現PAW處理能抑制鮮切蘋果中細菌、霉菌和酵母菌的生長，減少微生物對果蔬的侵染[18]。鄭鄢燕[19]等采用3%O2＋7%CO2氣調包裝儲藏，抑制了變形假單胞菌對黃瓜口味變化的影響，保持鮮切黃瓜的品質。

5 展望

果蔬在采后極易遭受機械損傷而導致品質下降。因此，研究果蔬機械損傷的生理特性和分子機制，采用合適的化學處理和減振裝置，能有效減少果蔬機械損傷的產生。目前，國內外學者對果蔬機械損傷分子機制和生理特性的研究已取得一定成果與進展，但還有部分問題尚待研究探討。

例如，果蔬在運輸過程中受到的損傷大都是隨機的、不確定的，通過自制振動裝置研究果蔬振動損傷特性是存在一定局限性的，試驗結果與現實也可能存在一定的差異。果蔬機械損傷會對果蔬原本的風味造成影響，而大多數學者都是針對損傷后果蔬營養物質的流失，對果蔬特征性芳香物質和口感變化的研究較少。近年來，國內外學者對TFs轉錄因子有一定的研究成果，但大多數限定于植物機械傷脅迫中，在果蔬機械傷的研究中非常有限。而且，果蔬機械損傷信號分子的調控機制尚未完全清楚，果蔬損傷愈合過程中的防御系統和調控路徑還有待研究探討。