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果蔬保鲜新技术研究进展
日期:2012-07-27 作者:励建荣 朱丹实 来源:《食品与生物技术学报》.-2012,(4).-337-341 点击:
 

    中国是果蔬生产大国,近10年来水果产量一直稳居世界第一,水果总产量连年攀升,由2000年的6225t上升到2010年的2.14亿t,同比上升3.4倍。蔬菜产业也已成为中国农业和农村经济发展的支柱产业,种植面积仅次于粮食,成为中国第二大农作物。据农业部统计,2009年中国蔬菜播种面积和产量分别占世界的43%49%,均居世界第一。

    虽然中国果蔬产量很高,然而果蔬采收前后由于生理衰老、微生物侵害及机械损伤等多种原因,易腐烂变质,不耐贮藏。据相关统计,现阶段中国新鲜果蔬的腐烂损耗率较高,水果为30%左右,蔬菜为40%50%,而发达国家平均损耗率不到7%。因此加强果蔬保鲜技术的研究和应用,对发展农业、提高人民生活水平有重要意义。

1  果蔬保鲜技术概况

    目前国内外的果蔬采后贮藏保鲜技术方法主要分为3类:即物理方法、化学方法和生物方法。  

    其中物理方法可分为两类:一是针对微生物控制的手段,主要包括热处理、冷激、脉冲光、超高压、减压、辐照、超声波、臭氧等。另一类是控制环境条件的物理手段,目的是保持果蔬采后较佳品质,如控制温度方面的冰温贮藏、低温胁迫和变温贮藏;控制气体成分的CAMA;以及控制湿度的窖藏、聚乙烯薄膜等高阻湿材料的包装贮藏等。

    化学方法保鲜果蔬是目前国内采用较多的一种手段。化学保鲜剂种类繁多,采用较多的有l-MCPSO2、硅酸钠/钾、H2O2、次氯酸等。虽然化学保鲜效果显著,但会带来潜在的健康危害和环境污染等问题,因此在选择保鲜剂的种类和剂量方面需要慎重。

    生物保鲜技术具有贮藏环境小,贮藏条件易控制,处理费用低,污染小等优点,目前受到人们的普遍关注。生物保鲜技术总体可分为3类:一是利用拮抗菌来保鲜。微生物拮抗保鲜主要利用菌体次生代谢产物或直接利用微生物菌体和抗菌肽对食品进行保鲜。二是利用天然提取物质及仿生保鲜剂进行保鲜处理。主要利用中草药植物浸提液保鲜、利用天然植物精油的防腐保鲜以及利用动物源提取物的防腐保鲜,如壳聚糖、蜂胶等。三是利用基因工程将果蔬采前与采后相结合的保鲜技术,例如:采前和采后的抗性诱导、采前利用转基因技术抑制采后乙烯的合成、利用转基因技术控制果蔬细胞壁降解酶的活性等技术。

    由于果蔬品种多样,生理差异性显著,应针对不同的原料结合不同的技术手段,采取相应的保鲜处理。才能达到最佳的保鲜效果。

2  果蔬保鲜中新技术的发展方向

    国内外关于果蔬保鲜技术的研究较多,研究方向已逐渐向材料学、食品化学、有机化学、遗传生物学、机械工程学等诸多领域发展。为提高保鲜效果、延长保鲜时间、降低成本、提高综合效益,果蔬保鲜技术正在由单一技术向复合技术方向发展。研究各种保鲜技术的综合应用是国际保鲜的流行趋势。同时,采用安全、有效、无害的果蔬保鲜技术将是今后的发展趋势。

2.1  临界低温高湿保鲜技术

    果蔬在贮藏期间发生的生理生化变化与环境条件密切相关。温度、湿度作为最主要的环境因子,应受到普遍关注。20世纪80年代,日本北海道大学率先开展了临界低温高湿保鲜研究,此后国内外研究和开发的趋势是采用临界点低温高湿贮藏(CTHH),即控制在果蔬冷害点温度以上0.5l℃左右和相对湿度为90%98%左右的环境中贮藏保鲜果蔬。Min Zhang采用CTHH保鲜巨峰葡萄取得了良好的效果。临界点低温高湿贮藏的保鲜作用体现在两个方面:1)果蔬在不发生冷害的前提下,采用尽量低的温度可以有效地控制果蔬在保鲜期内的呼吸强度,使某些易腐烂的果蔬品种达到休眠状态;2)采用湿度相对高的环境可以有效降低果蔬水分蒸发,减少失重。从原理上说,CTHH既可以防止果疏在保鲜期内的腐烂变质,又可以抑制果蔬的衰老,是一种较为理想的安全保鲜手段。临界低温高湿环境下结合其他保鲜手段仍今后安全保鲜的一个研究方向。

2.2  结构化水保鲜技术

    结构化水技术是指利用一些非极性分子(如:某些惰性气体)在一定的温度和压力条件下,与游离水结合的技术,通过结构化水技术可使果蔬组织细胞间水分参与形成结构化水,使整个体系中的溶液黏度升高,从而产生两个效应:1)酶促反应速率减慢,实现对有机体生理活动的控制;2)果蔬水分蒸发过程受抑制。这为植物的短期保鲜贮藏提供了一种全新的原理和方法。20世纪90年代,日本东京大学学者用氙气制备甘蓝、花卉的结构化水,并对其保鲜工艺进行了探索,获得了较为满意的保鲜效果。Rahman用氙气保鲜茄子,可以明显降低其呼吸速率和腐败、褐变的程度。

    但使用高纯度氙气成本太高,研究者往往通过惰性气体的混合加压来另寻其保鲜方法,以降低其成本。詹仲刚采用氮气、氦气和氪气与氙气的对照,结果表明,这几种惰性气体对黄瓜的多酚氧化酶和过氧化物酶活性的影响差异性不大。单良研究了低氧条件下,加压CO2/Xe/O2混合气体对芦笋的保鲜效果,优化了保鲜条件.并进一步对其保鲜机制进行了初步探讨。M Zhang采用氩气和氙气的混合气体保鲜芦笋取得了良好的效果,可以有效的延长芦笋的保鲜期至12d。结构化水保鲜技术作为一种新型保鲜手段,在技术和机理方面仍需要进行更加深入的研究。

2.3  气调及气调包装保鲜技术

    气调贮藏是指在一定的温度和湿度条件下,通过调节贮藏环境中气体成分来达到保持果蔬品质、延长果蔬贮藏保鲜期的方法(通常是增加CO2体积分数和降低O2体积分数以及根据需要调节其气体成分体积分数)。改善和控制气氛包装也称气调包装,是很有发展前景的食品保鲜包装技术,根据包装后对材料内部气氛的控制程度可分为CAP(con trolled atmosphere packing)MAP(modified atmospher  packing)

    Solomos等人在1982年研究表明,低O2和高CO2对呼吸速率的抑制作用是低O2下呼吸链中氧化酶活性降低的缘故;Suzhuki等人发现,气调贮藏可以减少果蔬中氨基酸、VC、果胶物质等的损失;Striphanich等人认为.气调也影响着许多参与新陈代谢的酶系统,低O2和高CO2可以抑制与后熟有关的酶,这些酶与有机酸、糖类、脂肪酸等的代谢有关,决定着植物的衰老进程。气调保鲜能够在维持果蔬采后正常生理活动前提下,有效抑制其呼吸作用和蒸发作用,最大限度减少激索和微生物作用等不良影响,延缓果蔬的生理代谢过程,推迟后熟衰老和腐败变质发生,延长保鲜期。对于易腐果蔬的保鲜方面,气调贮藏取得了显著效果。Min zhangGongnian Xiao等研究了MAP对草莓、平菇、香菇、芦笋等易腐果蔬进行保鲜研究,探讨了包装材料的影响,建立了相应的呼吸速率模型,得到了各种易腐果蔬的最佳气调保鲜条件,取得了良好的保鲜效果。

    包装膜材料是气调保鲜包装的基础,为保持或维持包装容器内的气氛状态,对包装材料提出不同的要求,小型充气包装材料通常选用PETPAPVDCEVAL等为基材的复合包装薄膜。目前采用的新型硅橡胶膜做成气体交换窗,镶嵌在气调库的墙上或封闭塑料薄膜上用于果蔬贮藏。由于其较高的选择透气性,可以起到容器内外自动调气的作用,相对稳定容器内气调组成。李铁华等用硅窗气调保鲜贮藏茶树菇,有硅窗和没有硅窗存在对茶树菇的呼吸强度、VC含量、总酸、可溶性固形物含量、电导率及蛋白质含量等检测指标有显著差异,硅窗有良好的气体交换性能,能保证茶树菇贮藏在适宜的气体环境中,化学和生理变化缓慢,有利于茶树菇品质的保存。

    气调保鲜作为一种安全有效的保鲜手段,在国外发达国家已得到广泛应用,而在中国尚处于起步阶段。近年来,经过中国科研工作者的不断努力,某些新鲜食品采用气调包装已可达到514 d保鲜期,基本达到国外同类食品气调包装的保鲜期,但大范围的推广应用还需要进一步的技术支撑。总体来看气调包装在中国具有广阔的应用前景。

2.4  可食性涂膜保鲜技术

    可食膜是指以天然可食性物质(如多糖、蛋白质等)为原料,添加可食性增塑剂、交联剂等物质,通过不同分子间相互作用而形成的无毒可食的薄膜。果蔬的涂膜技术是在果蔬的表面通过喷涂或浸渍等手段以形成一层极薄的膜,以此来抑制果蔬的呼吸作用,阻止果蔬水分散失,防止外界氧气与果蔬内部成分发生氧化作用,提高果蔬抗机械损伤的能力及抵御病菌侵蚀的能力,从而提高果蔬的贮藏性能,进而保护果蔬的营养成分、色、香、味、形.延长果蔬的货架期。

    可食性涂膜保鲜技术的炎键是涂膜剂的选择,它是影响涂膜效果的首要因素。各国已经开发出多种新型可食性膜材料,已被确认具有良好涂膜效果的涂膜剂有淀粉、果胶、壳聚糖、乳清蛋白、醇溶蛋白等,它们在涂膜保鲜中具有各自的特点并且应用安全“。目前,可食性膜正在由过去的单一膜逐渐向复合膜的方向发展。可食性涂膜保鲜技术作为一种无污染、安全、简单易行的保鲜技术,越来越受到国内外同行的关注。

2.5  真空预冷及减压保鲜技术

    减压保鲜技术的一般过程是将果蔬置于密闭容器内,抽出容器内部分空气,使内部气压降到一定程度,同时经压力调节器输送新鲜湿空气,整个系统不断地进行气体交换,以维持贮藏容器内压力的动态恒定和保持一定的湿度环境。由于降低了空气的压力,使果蔬长期处于休眠状态,因此能够降低果蔬的呼吸强度,并抑制乙烯、二氧化碳、乙醛、乙醇的生物合成,从而可以达到延长果蔬货架期的效果。真空预冷技术的工作原理是将被果蔬原料放在真空室内,通过抽真空,造成一个低压环境,使物料内部的水分迅速蒸发,由于水分的蒸发吸热导致物料本身温度迅速下降(一般在010)。陶菲研究了白蘑菇的真空预冷的工艺并对白蘑菇进行保鲜研究,结果表明,真空预冷可以有效抑制了白蘑菇相关生理指标的变化,改善白蘑菇的感官品质,并延长期的货架期。

    将真空预冷和减压保鲜联用,保鲜效果进一步提升。李文香对水蜜桃和绿芦笋进行不同过程的真空预冷后,进行三阶段减压贮藏保鲜试验,在贮藏初期绝对压力较低,可以达到快速降温和减少田间热的目的;贮藏中期采用中度真空度,减少乙烯积累和水分散失;贮藏后期,进一步提高绝对压力,进步一减少失水并恢复果蔬的鲜味状态和风味物质。这种分阶段减压贮藏工艺,能明显抑制果实呼吸强度、膜透性的增加,减缓果实相关生理指标的变化,而且能很好的很好的控制普通减压贮藏的失水严重和风味减少的问题,明显提升了保鲜效果。

    真空预冷及减压贮藏对果蔬原料无污染及残留,是一种理想的安全保鲜手段。国内已研制成功真空冷却气调保鲜设备,其保鲜技术装备在杨梅、黄桃、龙眼、荔枝、河北鸭梨、山东大樱桃、辽西冬枣等特色果品保鲜中.取得了理想效果。应用该技术后,最难保存的江浙杨梅第一次批量进入美国、法国、意大利和新加坡市场。使用真空保鲜装置保鲜,一般可以比冷藏延长保鲜时间至少24倍。

2.6  臭氧保鲜技术

    臭氧(O3)是一种常温下不稳定的淡蓝色气体,易分解产生具有强氧化能力的原子氧,其在水中的氧化还原电位为2.07eV,仅次于氟,因此具有很强的消毒、灭菌功能。同时,臭氧气体能快速氧化分解果蔬呼吸释放的乙烯,延缓果蔬的成熟,减慢生理老化过程,从而起到果蔬保鲜作用。臭氧作为一种高活性、无残留、高渗透性的强氧化剂,已在果蔬贮藏的应用中受到重视并迅速发展。Tzortzakis等对番茄、草莓、葡萄、李子接种灰葡萄孢菌,13分别保存于空气(对照)和低浓度的臭氧富集气体0.1µmol/mol中,臭氧保存可以有效减少孢子数量。对罗马甜瓜进行水热激处理后再进行臭氧处理,能有效减少果皮表面总菌数,而且保留了甜瓜最初的质构和芳香物。

    臭氧处理时要注意通过一些环境条件来提高处理效果。当贮藏温度低于10时,杀菌能力较强,因为在高温条件下,臭氧易分解成氧气。臭氧杀菌能力在空气中比在水中明显减弱,所以应在相对湿度较高的贮藏环境中进行,果蔬利用臭氧保鲜处理的最佳湿度是90%95%。贮藏室存放的果蔬要留有一定间隙,有利于臭氧发挥作用。

    虽然臭氧保鲜安全、无残留,但是由于臭氧有强氧化性,臭氧处理不可避免的是在杀菌、降解农药的同时,无选择地破坏易被氧化的营养物质,具有强还原性的VC容易被臭氧氧化,而弱还原性的还原糖则不会与臭氧发生反应。臭氧使用浓度过大,还会引起果蔬表面质膜损害,使其透性增大、细胞内物质外渗,导致品质下降,甚至加速果蔬的衰老和腐败等。因此一定要选择合适的臭氧剂量。

2.7  超声波处理保鲜技术

    超声波多用于鲜切果蔬的清洗,是利用低频高能的超声波的空化效应在液体中产生瞬间高温高压造成温度和压力变化,使液体中某些细菌致死、病毒失活,甚至使体积较小的一些微生物的细胞壁破坏,从而延长果蔬的保鲜期。高翔等用超声波气泡清洗鲜切西洋芹10min后再用0.4%CaCl2溶液处理,微生物菌落去除80%,呼吸作用明显受到抑制,PPO活性一直处于较低水平,且对VC无明显的破坏作用,感官品质良好。陈育彦等采用超声波、臭氧及两者相结合处理鲜切韭薹,结果表明,4冷藏货架下,采用超声波和臭氧处理鲜切韭薹可以有效抑制韭薹的呼吸强度,对VC有很好的保护作用,对细菌增殖也有较好的抑制作用,较好地保持了鲜切韭薹的品质,特别是两者结合,可将韭薹的保鲜期延长至11dKuldiloke将超声波技术应用于柠檬汁加工中,发现经过处理的柠檬汁的色泽、口味和其中的营养物质被破坏程度极小。

    超声波消毒速度较快.对人无害,对果蔬无损害,但消毒不彻底。因此常考虑将其与其他冷杀菌技术联合使用,如超声波磁化联合杀菌、超声波紫外线联合杀菌、超声波巴氏杀菌等。

2.8 辐照保鲜

    食品辐照保鲜技术是20世纪发展起来的一种灭菌保鲜技术,是以辐射加工技术为基础,运用X射线、γ射线或高速电子束等电离辐射产生的高能射线对食品进行加工处理,产生强大的物理效应和生物效应,达到杀虫、杀菌、抑制生理过程,提高食品卫生质量、保持食品原有的成分及风味和延长货架期的目的。目前农产品辐照保鲜处理以γ射线应用最多,60Co作为辐射源最普遍,其原因在于60Co制备相对容易,释放出的γ射线能量大,穿透力强,半衰期较适中。水果种类不同,其所采用的辐照剂量有所差异,柑橘类所需剂量为0.30.5kGy,蔬菜处理剂量为0.050.15kGy

    辐照食品的安全性一直是人们所关注的问题。消费者担心使用电离辐射,导致辐照食品不安全。FAOWHOIAFA三个权威机构组成的联合专家委员会,根据长期以来毒理学、营养学、辐射化学以及微生物资料,认为辐射总平均剂量不超过10kGy的食品是安全的,不存在毒理学危害。19905月美国已批准3kGy辐照肉、禽制品供应市场。目前,有40多个国家和地区,批准80多种辐照食品上市。

2.9  拮抗菌保鲜技术

    国外拮抗菌用于果蔬采后保鲜的研究起步于20世纪80年代中期,主要是从苹果、柑橘、梨、桃等水果筛选拮抗菌,它们对水果采后主要病害具有明显的拮抗作用。很多拮抗菌已经进行了半商业化的实验,有的拮抗菌已经处于商品化应用阶段。在国内,这方面的研究起步比较晚,20世纪90年代关于拮抗菌的研究主要集中在土壤及植物病害防治方面,而运用拮抗菌来进行果蔬采后保鲜的研究主要开始于2000年以后。研究领域主要集中在柑橘、苹果、草莓、葡萄。等大宗水果的拮抗菌生物保鲜方面。

    拮抗菌的保鲜机理是由于其可以产生抗菌物质:抗生素、细菌素、溶菌酶、蛋白酶、过氧化氢和有机酸等;重寄生作用;竞争性生长抑制作用;诱导果蔬抗性等。这种具有拮抗作用的微生物可以抑制或杀死果蔬中的有害微生物,或与有害微生物竞争果蔬中的糖类等营养物质,阻止储存期间果蔬VC、糖含量和SOD活力的下降,从而达到防腐保鲜的目的。

    国内外研究者近年来研究发现了一些具有发展潜力的果蔬保鲜拮抗菌:酵母菌,如汉逊德巴利酵母、假丝酵母、隐球酵母、红酵母、丝孢酵母、柠檬形克勒克酵母、膜醭毕赤酵母等;细菌,如芽孢杆菌、假单胞杆菌、放线菌等;霉菌,如木霉、青霉等。

2.10  纳米保鲜技术

    纳米材料科学的进步催生了这种新型的保鲜技术。将纳米无机抗菌材料通过特殊工艺添加到包装材料中,用该材料制作的容器具备长效的杀菌性能。纳米材料具有抗菌杀毒、低透氧率、低透湿率、阻隔二氧化碳、吸收紫外线、自沽功效与良好的阻隔性及力学性能等优良特性。应用于果蔬保鲜方面的纳米材料主要有纳米氧化硅、纳米二氧化钛、银系纳米材料等。

    纳米材料主要通过两种技术手段作用于果蔬保鲜:一是作为抑菌剂涂被于果蔬表面,另一是作为果蔬的包装材料。”纳米保鲜果蜡”应用于水果的保鲜,发现保鲜果蜡具有保护果面、增加果品色泽和亮度、抑制呼吸、延缓衰老、保持硬度等特点,能够延长水果贮藏期限。将纳米材料制备成保鲜袋,发现纳米袋具有良好的透氧性能,能在贮藏期内通过缓慢的自发气调形成低氧、高二氧化碳的微环境,抑制呼吸强度,减少自由基生成,延缓衰老;同时其良好的透湿性能显著降低鲜切果蔬的水分蒸腾,减少失水率,保持果蔬的鲜活状态。

    纳米技术是一种全新的技术,如同转基因食品一样,其安全性方面引起的争议使大部分消费者都持保守的态度。2003Robert F.ServiceScience上,Geoff BrumfielNature上相继发表编者文章,讨论了纳米尺度物质与生物环境相互作用,及可能产生的生物效应问题。由于纳米物质可以通过多种途径进入自然环境产生多种环境行为,还可能引起生物体的毒性效应,因此纳米技术和纳米材料的应用和开发,既提出了全新的食品保鲜概念,也引发了人们对其安全性的普遍担忧。随着纳米技术的发展以及安全评价手段的完善,相信这一谜题会得到解决。

2.11  基因工程保鲜技术

    基因工程保鲜技术,主要通过减少果蔬生理成熟期内源乙烯的生成、控制细胞壁降解酶的活性,以及延缓水果在后期成熟过程中的软化,来达到保鲜的目的。

    抑制果实乙烯合成与乙烯合成相关的酶基因主要包括ACC合成酶(1-amino-cyclopropane-1 carboxylate synthaseACS)基因、ACC氧化酶(1-amino-cyclopropane-1-carboxylate  oxidascACO)基因和ACC脱氨酶(1-amino-cyclopro- pane-1-carboxylate deaminascACCD)基因。ACS是乙烯形成的关键酶,由多基因家族编码,各个基因协同表达,每个基因都有自己的转录特性,近年来不断揭示出果实中ACS基因家族中的新成员;ACO是一种与膜结合的酶,此酶具有结构上的立体专一性,其内部存在正反馈调控,ACOACS基因协同表达影响乙烯的形成,进而控制着果实的成熟过程。ACCD可将ACC降解为丁酮酸和氨,从而降低植物体内乙烯的合成量。

    抑制细胞壁的降解与细胞壁降解有关的酶多聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonasesPG)、果胶甲酯酶(peclin methylesterasPMEPE)、纤维素酶(cellulase)。通常认为PG是果实软化的主要酶,PG位于植物细胞壁中,其功能是使细胞壁中的多聚半乳糖醛酸降解为半乳糖醛酸,导致果实由硬变软。反义PG基因的转入可以降低PG活性,减弱了外源乙烯的作用,延缓了果实的衰老,从而提高了耐贮性能,达到果实保鲜作用。Tucker克隆到PME基因cDNA并构建了35S启动子控制下的反义基因。此种反义基因在转基因番茄中表达后果实中的PME活性大大降低,低PME活性的果实与非转基因的果实相比,其果胶分子量较大,甲酯化过程和番茄红素堆积不受影响,表明PME在果实细胞壁代谢中可延缓果实的衰老,延长贮藏期。纤维素酶的内切-14-p-葡聚糖酶(EG)是细胞壁代谢酶类之一,它是由一类多基因家族成员编码的水解酶。近期,吴富旺从荔枝果实上分离得到两个EG基因,并分别命名为LcEGlLcEG2。通过信号肽及跨膜结构预测分析表明,这两个基因在荔枝果实的生长发育过程中起着不同的作用:LcEGl的表达可能跟荔枝果皮和果肉的发育有关,而LcEG2可能只跟果肉的早期生长相关。

    利用基因工程保鲜果蔬,弄清与乙烯代谢、果实成熟软化以及细胞壁降解有关的每个基因的具体功能和它的时空表达模式及调控因子,还需要我们做大量的基础研究工作。

3  展望

    目前中国的低温贮藏、化学贮藏、减压贮藏和气调贮藏等技术都取得了重大突破,有些水果已基本达到了周年供应。然而,随着生活水平的提高,人们对食品卫生的要求越来越高,希望能吃到天然、安全、营养的食品,因此采用无毒、无害的物理和生物保鲜技术以防止果蔬的腐烂变质显得尤为重要。同时,鉴于国内外食品安全的严峻形势以及国际市场对农产品监测指标的逐步完善,应用新型、安全、无污染的、可降解的保鲜技术,将是今后研究的一个重要方向。

    随着改革开放和经济的飞速发展,中国的果蔬市场必将会越来越繁荣,果蔬贮藏保鲜业既是果蔬种植业和采后加工业的桥粱,也是农业产业化的重要内容。发展果蔬贮藏保鲜可以使工农业总产值成倍增长,特别是对于中国目前日益增长的人口和日益减少的耕地的严峻形势,增进果蔬保鲜业的发展,减少果蔬等农作物的损耗和浪费,更具有特殊而深远的意义。

    作者单位:(1.渤海大学 化学化工与食品安全学院,辽宁 锦州 1210132.辽宁省食品安全重点实验室辽宁 锦州 1210133.辽宁省食品贮藏加工及质量安全控制工程技术研究中心,辽宁锦州 121013)

    文章采集:caisy

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