水果气调贮藏保鲜研究进展

摘要：气调贮藏作为一种有效的水果采后保鲜技术得到广泛的研究, 商业化应用成效显著。本文对近年来水果气调贮藏的适宜参数、气调贮藏对水果采后品质、生理及腐败微生物的影响及简易气调贮藏的发展现状和气调贮藏前水果预处理方法的研究进展进行了综述, 并指出气调贮藏保鲜技术的发展方向和需要深入研究与探讨的问题。

水果是人们日常生活中获得矿物质、维生素和膳食纤维等营养成分的重要来源。我国是世界上主要的水果产区之一, 水果种植面积和总产量位居世界前列。据中国农业信息网 (www.agri.gov.cn) 公布的统计数据计算, 2007—2011年, 全国水果种植面积、水果总产量和单位种植面积水果产量年平均增长率分别达到4.65%、2.47%和2.13%。

水果采摘后仍然是一个生命有机体, 继续进行着生理活动。由于脱离母体呼吸作用消耗的有机质和蒸腾作用丧失的水分等均会影响到采后水果的品质, 如贮藏不及时或贮藏方法不当, 极易发生失水皱缩与腐烂变质, 从而丧失商品价值和食用价值。随着时代的发展, 我国一些传统的水果贮藏保鲜技术, 如土窑洞贮藏和通风库贮藏等, 已经不能很好地满足生产的需要。不断研究和开发的贮藏新技术、新设备为果品贮藏企业进行水果规模化、标准化贮藏提供了便利。本文着重对最近几年水果气调贮藏技术的相关研究成果进行综述, 以期为水果气调贮藏保鲜技术的深入研究与推广应用提供参考借鉴。

1 水果气调贮藏适宜参数的研究

气调贮藏是一种有效的水果贮藏保鲜技术。根据气调方式的不同, 可分为主动式气调贮藏和被动式气调贮藏。其主要区别是前者依靠相应的机械设备强制性地对气体成分进行调控;而后者是依靠贮藏水果自身的呼吸作用来实现对周围气体成分的调整。

气调贮藏保鲜技术是通过控制贮藏空间的气体组分, 主要是氧气 (O2) 和二氧化碳 (CO2) 的浓度, 来实现控制水果呼吸作用等生理活动的进行, 以达到延长水果保质期的目的。通常空气中的O2浓度在21%左右, CO2浓度在0.04%左右, 不会对水果的呼吸作用产生限制。气调贮藏中, 通过人为干预的方式降低O2浓度, 提高CO2浓度, 且O2和CO2的浓度配比依贮藏水果品种的不同而相应变化。一些研究显示, 超低氧和高二氧化碳气调技术在富士苹果[1]和甜樱桃[2]等水果保鲜中取得了较好的效果。表1列举了部分水果气调贮藏保鲜的推荐气体组分与温度。

表1 不同水果气调贮藏时推荐的气体组分与温度Table 1 Recommended gas mixtures and temperature for fruits during CA/MA storage

气调贮藏所用的气体主要有O2、CO2和N2, 起贮藏保鲜作用的气体组分主要是O2和CO2, N2往往作为一种填充气体使用, N2浓度对气调贮藏保鲜效果的贡献不大。除了使用O2、CO2和N2之外, 也有利用一氧化碳 (CO) 、氧化氮 (N2O) 、二氧化硫 (SO2) 以及氩气 (Ar) 、氦气 (He) 等稀有气体进行气调贮藏试验的少量研究报道。郭嘉等[12]利用惰性气体Ar进行葡萄的气调贮藏保鲜研究, 发现常温 (25±2) ℃条件下贮藏24 d, 初始气体组分为60%Ar 5%O2 35%N2的气调贮藏措施在葡萄失重率、褐变指数、维生素含量以及综合感官品质方面的效果均优于自然气调组 (包装袋内为空气组分) 。Rocculi等[13]研究了5%O2 5%CO2分别配以90%N2O、90%N2和90%Ar对鲜切猕猴桃片贮藏品质的影响。结果表明, 90%N2O气调组在保持猕猴桃的硬度与色泽、防止果肉褐变等品质方面效果最佳;主成分分析表明, N2O气调组样品品质关键参数在4℃、12 d贮藏期内只发生略微改变。Kendra[14]认为, 尽管CO、SO2等气体用于气调贮藏研究能够取得一定成效, 但是由于安全性等问题, 如CO的易燃易爆和有毒性, 将限制这些气体用于商业化气调贮藏。

2 气调贮藏对水果采后品质、生理和腐败微生物的影响

2.1 气调贮藏对水果采后贮藏品质的影响

水果品质可以用其色泽、可溶性固形物含量 (SSC) 、硬度、VC含量、可滴定酸 (TA) 含量以及感官品质评价等参数来衡量。研究表明, 适宜的气调贮藏环境能够较好地保持贮藏水果的色泽、可滴定酸含量、果实硬度、可溶性固形物含量和感官品质等。麦馨允等[15]发现主动气调包装 (初始气体比例为21%O2 0%CO2 79%N2) 贮藏能够很好地保持杨桃的色泽、硬度和营养成分 (SSC、TA、VC、总酚、类黄酮等) 。Sivakumar等[4]对荔枝气调贮藏研究的结果表明, 2℃、相对湿度90%、17%O2 6%CO2的气调环境配合1-MCP预处理, 能够有效抑制荔枝的果皮褐变、保持TA含量、维持适宜糖酸比, 贮藏21 d未出现不良风味, 总体感官可接受性最高。

有研究者提出采用定性与定量的方法来分析气调贮藏对采后水果风味的影响, 为研究气调贮藏对水果品质的作用效果开辟了新的途径。申江等[16]通过研究与大桃风味品质密切相关的氨基酸含量变化来探讨冰温气调贮藏对大桃风味品质的影响。研究发现, 随着贮藏期的延长, 与大桃风味品质相关的氨基酸含量逐渐减少, 尽管在O2浓度低于5%时, 冰温气调贮藏的大桃氨基酸总量、风味物质前体化合物保存较好。但也应注意到, 由于冰温气调对大桃的生理生化反应尤其是对酶活性的影响, 造成大桃风味物质合成代谢缓慢, γ-癸内酯等芳香物质逐渐减少, 大桃过早丧失了其特有的风味。李德英等[17]研究了二苯胺 (DPA) 、1-MCP处理分别结合气调贮藏对红富士苹果贮藏品质及香气成分的影响。结果表明, 红富士苹果在气调贮藏180 d后, 尽管处理组SSC、果肉硬度等品质参数保持较好, 但DPA和1-MCP处理果实的酯类香气成分与对照相比分别减少了21.7%和69.6%, 香气成分总数则分别减少了17.9%和56.4%。虽然经过10 d货架期后香气成分有所增加, 但增加量不明显, 香气成分恢复不理想, 研究认为1-MCP处理严重影响富士苹果的风味品质。金宏[18]在对“粉红女士”苹果1-MCP处理研究中亦得出类似结论。

2.2 气调贮藏对水果采后生理的影响

2.2.1 呼吸作用

气调贮藏中提高CO2浓度和降低O2浓度都能够降低贮藏水果的呼吸作用强度, 从而延缓果实的成熟衰老。温度是影响水果呼吸作用的又一个关键因素。研究发现, 水果的生理活动如呼吸作用、成熟衰老进程、乙烯和酶的合成及生化反应速率等受温度影响较大。在一定的温度范围内, 随着温度的升高, 酶的活性增强、生化反应速率加快、呼吸作用强度增加, 温度每升高10℃呼吸强度增加到原来的2~4倍[19]。此外, 低氧还有减少内源乙烯的产生, 延迟呼吸跃变型果实呼吸高峰到来的作用[20]。

田龙[3]的研究结果表明, 气调贮藏 (O2体积分数为5%~6%, CO2体积分数为0~0.5%时) 能够降低黄金梨贮藏期间的乙烯释放速率并延迟黄金梨第二个乙烯高峰的到来、抑制呼吸作用强度并有效延缓果实硬度和VC含量的降低。王亮等[11]在对冬枣进行的气调贮藏研究中发现, 适当的低氧条件下, 果实呼吸作用强度降低、细胞膜完整性得到维持、延缓了冬枣果实的衰老。与单纯低温贮藏相比, 气调贮藏 低温对水果呼吸作用的抑制更为明显, 其保鲜作用更为显著的结论在其他研究者对灵武长枣[10]、新疆伽师瓜[21]以及库尔勒香梨[6]等的低温气调贮藏研究中均得到证实。

有氧呼吸是水果进行正常生理活动的前提。气调贮藏时, O2浓度过低或者CO2浓度过高都会对贮藏果实产生不利影响。O2浓度过低往往会引起无氧呼吸, 加速果实有机质的消耗, 无氧呼吸产物乙醇和乙醛的产生与积累对果实有毒害作用:扰乱果实的生理代谢活动、贮藏果实出现异味, 并可能导致果实无法完成后熟[14]。石小琼等[8]在对官溪蜜柚气调保鲜贮藏条件优化研究中发现, 官溪蜜柚在O2浓度低于9%时出现无氧呼吸症状, 表现在呼吸强度急剧下降、紫色斑纹越来越明显、异味加重。许多研究表明, CO2浓度过高也会引起果实的呼吸伤害, 常见的是贮藏水果的组织褐变加重、呼吸速率增加及水果腐烂变质等。王亮等[11]在冬枣的气调贮藏研究中发现, CO2浓度超过4%时, 冬枣的呼吸强度异常升高, -2~-1℃条件下贮藏42 d时测得2%O2 10%CO2组的呼吸强度是非气调组呼吸强度的3.55倍。冬枣果实受到高浓度CO2伤害后, 表现出果肉软化褐变、果皮出现水渍状、果肉产生强烈的酒精味道。赵迎丽等[5]在石榴气调贮藏研究中也发现, 高浓度CO2 (10%) 会加剧石榴果实的无氧呼吸, 加速有机质的消耗、引起果实生理代谢紊乱、细胞膜透性增加、组织褐变加剧。此外, 丁丹丹等[22]在园黄梨气调贮藏研究中以及史辉等[9]在李果实的气调贮藏研究中, 均证实了高浓度CO2 (分别为≥3%和>4%) 对水果的不利影响。

2.2.2 酶活性

研究较多的酶类有多酚氧化酶 (PPO) 、过氧化物酶 (POD) 、过氧化氢酶 (CAT) 、超氧化物歧化酶 (SOD) 、脂氧合酶 (LOX) 以及与果胶分解密切相关的多聚半乳糖醛酸酶 (PG) 等。研究认为, PPO、POD与水果褐变密切相关, 这两种酶催化酚类物质氧化生成醌类物质, 进一步反应生成褐色素。而SOD、CAT则作为自由基清除剂和过氧化物清除剂, 可保护细胞膜不受损害, 维持细胞结构的完整性[23]。LOX的作用则较为复杂, 一方面LOX与水果风味物质的形成有关, 另一方面LOX又与膜脂过氧化有关。许多研究显示, 气调贮藏能够降低PPO、POD等酶活性的影响, 从而抑制果皮和果肉的褐变, 而SOD、CAT等酶则保持相对较高的活性。Liu等[7]在对莱阳梨气调贮藏研究中发现, 0℃下, 2%O2 2%CO2气调组SOD、POD、CAT三种抗氧化酶活性保持在相对较高的水平, 清除超氧自由基等活性氧的能力增强, 而LOX活性显著降低、脂质过氧化反应受到有效抑制, 从而较好地维持了细胞膜的完整性、延缓了衰老变质、延长了贮藏期。Li等[24]在莱阳梨气调贮藏研究中的相关结论与之相似。此外, 对PPO和与酚类物质合成密切相关的苯丙氨酸解氨酶 (PAL) 的研究表明, 0.5μL/L的1-MCP结合微孔薄膜, 不仅显著降低了PPO的活性, 而且对PAL也起到了一定的抑制作用, 减少了酚类物质的合成与分解, 有效抑制了果肉褐变。苏大庆[25]研究表明, 贮藏在2.5℃, 4%O2 3%CO2条件下的“乌龙岭”龙眼, 其果皮PPO和POD活性明显降低, 同时保持了较高的SOD和CAT活性, 有效延缓了细胞膜渗透率的增加, 显著降低了龙眼果皮褐变指数和果实腐烂率。

2.3 气调贮藏对水果腐败微生物的影响

气调贮藏中低O2和高CO2以及低温环境能够控制腐败微生物的生长繁殖。Conte等[26]认为, 甜樱桃贮藏期间的微生物数量与气调组分之间的关系密切。其中霉菌和革兰氏阴性好氧菌对高CO2非常敏感, 而低O2能够抑制大多数好氧微生物的生长繁殖, 但低O2对抑制真菌的生长作用有限。Rocculi等[27]在使用N2O气调贮藏鲜切菠萝研究中发现, 若以噬常温好氧菌数量达到10CFU·g作为评判货架期标准, 则4℃下、气体分压为86.13 k Pa N2O 10.13 k Pa O2 5.07 k Pa CO2的气调组货架期可达11 d左右, 相比对照组延长3~4 d, 并认为其对微生物的抑制是O2、CO2和N2O协同作用的结果。Serradilla等[28]在对甜樱桃的气调贮藏研究中发现, 1℃下5%O2 10%CO2和8%O2 10%CO2 (N2作为填充气体) 的气调组分能够非常有效地抑制噬常温好氧菌、噬冷菌、假单胞菌属、酵母菌和霉菌的生长, 有效抑制由微生物引起的腐烂变质。此外在模拟货架期环境下 (5℃、2 d和20℃、2 d) 发现微生物数量随温度升高而显著增加。

3 简易气调贮藏研究进展

近年来, 研究者多采用塑料薄膜包装袋进行简易气调研究, 在形成气调组分方面, 既有自发形成, 也有包装前依靠充入适宜配比气体组分的快速气调方式。

简易气调气体组分的形成受很多因素的影响, 如水果呼吸速率、贮藏温度和包装薄膜的透气性等。其中包装薄膜在简易气调贮藏中具有重要作用。适宜的包装薄膜有助于气调组分的形成与稳定。研究者认为, 如果包装薄膜的气体 (O2、CO2) 透过率与包装产品的呼吸速率相等, 包装袋内就能够形成相对稳定的气调组分, 从而实现延长产品贮藏期的目的[6]。不适宜的薄膜透气率容易诱发水果的无氧呼吸及CO2伤害等, 水分透过率过大或过小会导致水果失水萎蔫或包装袋内凝结水滴, 对贮藏水果带来不利影响。

鉴于薄膜透气性和水分透过率对简易气调包装袋内水果贮藏品质的影响, 目前简易气调包装材料正在向复合薄膜材料以及微孔 (孔径为40~200μm) 薄膜材料方向发展。研究认为, 单一材质的薄膜无法完全满足气调包装所要求的性能, 为满足气调包装材质的相关要求, 往往对膜进行复合[15]。肖功年等[29]在对草莓的气调研究中发现, 相对于单一材质的低密度聚乙烯 (LDPE) 和聚氯乙烯 (PVC) 薄膜, LDPE和PVC复合薄膜的贮藏保鲜效果更明显。李丽梅等[30]在使用微孔薄膜包装华山梨贮藏保鲜研究中得出, 微孔薄膜试验组的果心褐变率明显低于用普通聚乙烯薄膜包装的对照组, 贮藏后的综合品质优于对照。Kartal等[31]在使用微孔薄膜结合去氧剂研究草莓贮藏时发现, 与使用相同材质制得的无孔薄膜相比, 微孔薄膜 (微孔直径90μm, 微孔数量7~9个) 处理组能够形成并保持适宜的气调贮藏环境, 较好地保持了样品的p H、总可溶性固形物含量、色泽、质构特性 (硬度、弹性、黏性、咀嚼性) 和感官品质, 有效延长了草莓的保质期。

4 气调贮藏前水果预处理方法的研究

许多研究表明, 在水果气调贮藏之前选择适宜的预处理方法, 如用1-MCP、植物提取物、化学防腐抗菌剂、有机酸浸渍或喷涂、贮前预冷以及贮前热激处理等, 有助于增强气调贮藏效果。

1-甲基环丙烯 (1-MCP) 是乙烯的有效竞争抑制剂, 使用1-MCP处理水果能够显著抑制乙烯对水果成熟与衰老的促进作用, 延缓果实衰老。Sivakumar等[4]研究发现, 1-MCP结合气调比单独气调贮藏能够更有效抑制荔枝的果皮褐变和氧化酶 (PPO、POD) 活性, 维持细胞膜的完整性, 保持花青素含量, 延缓衰老。贮藏在2℃条件下21 d, 荔枝的风味品质和食用总体可接受性良好。Ketsa等[32]在对Gros Michel香蕉气调贮藏研究中发现, 1-MCP结合气调能够保持香蕉果皮和果肉的硬度及其固酸比, 抑制果皮和果肉中与乙烯合成密切相关的ACC合成酶和ACC氧化酶的活性, 从而抑制乙烯生成, 14℃贮藏条件下可有效延长香蕉贮藏期达100 d之久。

一些有机酸和无机酸广泛用于气调贮藏预处理, 如草酸、植酸、抗坏血酸、水杨酸、柠檬酸等。陈义伦等[33]提出, 柿果气调贮藏前经0.2%Ca Cl2 0.1%Na SO3 0.3%植酸预处理, 可有效降低柿子的水分损失、保持果实硬度、抑制褐变发生、推迟可溶性单宁向不溶性单宁转化速度。郑小林等[34]用5 mmol/L抗氧化剂草酸对杧果气调贮藏前进行预处理, 在 (14±1) ℃温度下40 d的贮藏期内, 草酸 气调处理可比单独气调处理果实软化和果肉可溶性固形物增加的速率减缓、果实病情指数和果实腐烂率显著降低、SOD活性提高、还原型抗坏血酸采后损失量减少。Waghmare等[35]在对鲜切番木瓜气调研究中发现, 贮藏期间用1%Ca Cl2 2%柠檬酸溶液预处理的鲜切番木瓜各项测定指标 (总可溶性固形物含量、硬度、色泽、感官评定值、由微生物引起的品质劣变等) 与非处理组存在显著差异, 1%Ca Cl2 2%柠檬酸结合气调包装贮藏组的鲜切番木瓜感官性状和其他品质参数优于对照组, 嗜常温好氧细菌、霉菌和酵母菌的生长受到有效抑制, 有效延长了番木瓜的货架期。

由于认识到化学防腐保鲜剂可能存在的潜在风险, 近几年天然植物提取物日益受到研究者的重视和青睐。茶叶提取物、丁香精油、薄荷精油、甘草提取物以及其他一些天然植物提取物在水果贮藏保鲜中的作用和功效得到了广泛地研究和论证。研究发现, 这些天然植物提取物具有良好的防腐保鲜和抗氧化作用, 能够有效抑制腐败微生物的生长繁殖、保持贮藏水果品质。Serrano等[36]研究植物精油结合气调贮藏方法对甜樱桃的保鲜效果时发现, 丁香酚 气调和百里香酚 气调与单纯气调对照相比均能减少樱桃的失重率、抑制褐变和保持果实硬度, 在抑菌方面能够降低霉菌、酵母菌和细菌菌落总数2~4 log CFU。Ranasinghe等[37]在Embul香蕉气调贮藏研究中发现, 从肉桂皮和叶中提取的精油能够有效控制气调贮藏过程中香蕉冠腐病的发生, (14±1) ℃贮藏21 d和 (28±2) ℃贮藏14 d的Embul香蕉感官品质和理化指标均保持较好, 认为植物精油结合气调贮藏是延长Embul香蕉货架期的一种安全、经济有效的手段。值得注意的是, 尽管天然植物提取物在水果保鲜方面具有重要作用, 但国内研究者对其在水果气调贮藏方面的应用研究非常少, 还有待科研工作者进一步探讨。

5 结束语

气调贮藏技术的发展为果品贮藏保鲜行业的发展起到了巨大的推动作用。气调贮藏作为一种先进的水果贮藏保鲜技术, 与其他贮藏技术如涂膜贮藏、辐照杀菌贮藏、臭氧杀菌贮藏、减压贮藏等成为众多科技人员研究的对象之一。随着技术的不断进步, 气调贮藏由最初的单纯依靠控制气体成分来达到贮藏保鲜效果的气调方式向复合气调贮藏方向发展, 冰温气调、涂膜处理 气调[38]、臭氧处理 气调[39]、辐照处理 气调[40]、化学合成或天然抗褐变剂、防腐剂结合气调等复合气调贮藏技术不断得到研究和发展。笔者认为, 今后各种复合气调贮藏方式尤其是气调贮藏与天然植物提取物相结合的气调方式将成为气调贮藏研究和应用的重要方向。

尽管对气调贮藏的研究已经有相当长的时间, 但仍然存在一些需要证实和深入探究的问题。比如, 许多观点认为CO2对乙烯的竞争性抑制作用是在乙烯作用位点处, 但该观点并未得到证实, 其作用模式尚不清楚[23]。理论上依靠气调贮藏尤其是超低氧和高二氧化碳气调贮藏能够降低贮藏期间微生物对贮藏水果的侵害, 但国内缺乏对其相关方面的系统性研究和报道。此外, 为生产出适合水果气调用的包装薄膜, 制膜材料、制膜技术等有待进一步开发和提高。鉴于气调贮藏对水果香气成分的影响, 如何保持水果香气以及如何采取措施使香气成分在贮藏后期得以恢复, 将成为气调贮藏研究的一个新方向。所有这些问题都有待科研工作者耐心细致地进行研究和论证。