2016-叶类蔬菜气调包装保鲜技术及其机理的研究进展_郭振龙.pdf

叶类蔬菜气调包装保鲜技术及其机理的研究进展 郭振龙 1 2 陈湘宁 1 2 许 丽 1 2 杨肖飞 3 张 庆 4 程金龙 4 1 北京农学院食品科学与工程学院 北京102206 2 农产品有害微生物及农残检测与控制北京市重点实验室 北京102206 3 北京市裕农优质农产品种植公司 北京101400 4 北京南河北星农业发展有限公司 北京102408 摘 要 笔者简述了叶类蔬菜 简称叶菜 的保鲜现状 通过归纳国内外气调包装保鲜技术在叶菜上的应 用研究 分析了气调包装技术在叶菜保鲜中低能耗 操作方便和安全可控的优点 指出了目前缺乏叶菜 保鲜技术体系和针对性强 保鲜效果好的包装材料 在此基础上通过总结气调包装下自由基理论在水果 和根茎类 瓜果类蔬菜上的应用 提出了基于自由基中心效应的叶菜气调包装保鲜机理 对转录组学和 蛋白组学在揭示保鲜机理的应用进行了展望 关键词 叶类蔬菜 气调保鲜 保鲜机理 中图分类号 S636 文献标志码 A 论文编号 casb15120060 Research Progress of Preservation Technology and Mechanism of Leaf Vegetables Under MAP Guo Zhenlong 1 2 Chen Xiangning 1 2 Xu Li 1 2 Yang Xiaofei 3 Zhang Qing 4 Cheng Jinlong 4 1 Department of Food Science and Engineering Beijing Agricultural College Beijing 102206 2 Beijing Key Laboratory of Harmful Microorganisms and Pesticide Residues Detection and Control on Agricultural Product Beijing 102206 3 Beijing Yunong High Quality Cultivation of Agricultural Products Company Beijing 101400 4 Beijing South River and North Star Agricultural Development Limited Company Beijing 102408 Abstract The situation of leaf vegetables preservation was introduced in this paper Advantages of modified atmosphere packaging MAP on leaf vegetables were summed up for its low energy consumption easy and safe operation with a review of MAP application at home and abroad The lack of preservation technology system for leaf vegetables and better targeted preservation packaging materials were pointed out Preservation mechanism based on free radical center effect of MAP on leaf vegetables was put forward with the summary of the application of free radical theory of modified atmosphere packaging to fruit and root vegetables and fruits vegetables Future applications of transcription and proteomics in preservation mechanism study were discussed in the last Key words leaf vegetables MAP preservation mechanism 0 引言 叶类蔬菜是指以叶片或叶球 叶丛 变态叶和叶柄 为食用部分的蔬菜 这类蔬菜富含纤维素 维生素和 矿物质 是一类非常重要的营养源 对于维持身体健康 意义重大 以中国为例 2013年 中国蔬菜种植面积 达到2 0899 10 7 hm 2 居世界首位 1 中国已经成为世 界上最大的 菜篮子 2014年 北京市蔬菜总产值达 到60多亿元 占农业总产值的40 2 而叶类蔬菜播种 基金项目 北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目 叶类蔬菜气调包装保鲜机理及技术研究 CIT TCD20150315 现代农业产业技术 体系北京市叶类蔬菜创新团队项目 5075237016 002 北京市科技计划课题 安全蔬菜标准化生产基地优化升级科技示范 Z151100001215013 第一作者简介 郭振龙 男 1991年出生 硕士 研究方向 农产品加工及贮藏工程 通信地址 102206北京市昌平区回龙观镇北农路7号北京农学 院 E mail 1349251391 通讯作者 陈湘宁 女 1972年出生 教授 博士 研究方向 农产品加工及贮藏工程 通信地址 102206北京市昌平区回龙观镇北农路7号北京农学 院 E mail chenxiangning 收稿日期 2015 12 10 修回日期 2016 03 18 中国农学通报 2016 32 21 161 165 ChineseAgricultural Science Bulletin 中国农学通报 面积占全市主要蔬菜播种面积的33 3 1 叶菜包装保鲜的技术需求 蔬菜保鲜是保障蔬菜供应的重要措施 而叶菜保 鲜是整个蔬菜保鲜中的重点与难点 众所周知 叶菜 相比果菜及根茎类蔬菜 其典型特点是含水量高 表面 积大 采收之后呼吸作用和蒸腾作用较强 叶菜一旦 保存不当 在短时间内将出现失水萎蔫 色泽变暗 营 养下降且感官品质损失等 严重的甚至会发生腐烂变 质 失去食用价值 据有关部门保守估计 中国果蔬损 耗率为25 45 造成的产值损失每年约750亿元 这些损耗可以满足2亿人口的基本营养需求 4 叶菜 损耗尤为严重 笔者所在课题组对北京地区油菜等不 同供应链关键节点损耗率的研究表明 在夏季高温季 节 叶菜的损耗率可高达46 59 5 8 叶菜损耗不仅造 成了巨大的经济损失 而且是对人力 物力乃至资源的 极大浪费 因此 如何降低叶菜损耗率 延长保鲜期是 叶菜及整个蔬菜产业亟需解决的技术问题 蔬菜保鲜的传统方法有低温保鲜 保鲜剂保鲜 等 实践表明 这些方法对蔬菜的保鲜起到了积极有 效的作用 但也不同程度地存在缺陷 如低温保鲜能耗 高 保鲜剂保鲜存在化学污染危害健康等问题 9 11 因 此 蔬菜产业急需一种能耗低 安全有效的保鲜方法 2 气调包装保鲜是解决叶菜保鲜问题的有效手段 气调包装保鲜 modified atmosphere packaging MAP 是近年来在气调库贮藏基础上发展起来的一种 新型果蔬保鲜手段 它采用可以调节气体组成比例的 包装材料 通过调节贮藏微环境中的O2浓度 CO2浓度 和湿度等条件而达到保鲜目的 研究证实气调包装保 鲜可以有效地保持叶菜的鲜度 对叶菜有很好的保鲜 效果 12 16 进一步的研究发现 气调包装可以有效降低 植物组织呼吸强度 延缓养分分解 保持原有的形态 色泽 风味和质地 17 18 同其他贮藏技术及气调库保鲜 相比 气调包装保鲜可以在蔬菜包装的微环境中实现 对气体组成及比例的调节和控制 操作方便 尤其是具 有可以满足运输过程中蔬菜保鲜的优点 一旦实现不 同叶菜包装材料和包装条件技术上的突破 就能实现 从产地到餐桌供应新鲜叶菜 在未来的蔬菜产业中将 会有很好的发展趋势 因而是很有前景的果蔬保鲜 手段 2 1 叶菜气调包装保鲜技术的研究进展 国内有叶类蔬菜气调包装保鲜的文献报道 张克 宏等 19 对叶类蔬菜的生理变化和气调保鲜基本原理进 行了研究 在生菜 菠菜 油菜等叶菜气调包装保鲜的 文献中 主要报道了气调包装条件下的气体组成和温 度对叶菜失重率 呼吸速率 Vc含量 叶绿素含量及其 他感官指标的影响 20 23 天津商业大学的郭玉花等 24 26 使用自行研制的纳米气调保鲜膜分别对生菜 菠菜和 油菜的气调包装效果进行了研究 国外有生菜气调包 装保鲜的文献报道 主要涉及生菜的气调包装保鲜效 果 气体组成对生菜呼吸代谢的影响 气调包装条件下 生菜的呼吸速率模型研究 27 31 国外对欧洲油菜的气调 保鲜效果也有研究 32 目前国内外大多数的研究集中于不同温度 气体 组成及比例对于叶菜保鲜效果的影响及贮藏期间所发 生的营养及生理变化 确定叶菜的最佳气调贮藏条 件 自行研制叶菜包装特定的包装材料也是研究的热 门之一 2 2 叶菜气调包装保鲜的技术需求 目前 大库气调贮藏在果蔬保鲜中的应用比较普 遍 而气调包装保鲜的应用非常少 关键问题在于没有 针对性很强的包装材料 塑料制品及复合包装材料由 于其便捷 耐用等特点 在叶菜保鲜中被广泛应用 但 由于塑料自身的特性 在老化降解和环境胁迫降解过 程中 聚合物大分子被分解成游离单体 部分有毒有害 单体会在保鲜过程中向食品迁移 对人体造成潜在的 危害 以叶菜呼吸速率为指标 筛选可以维持薄膜渗透 的速度与叶菜呼吸的气体间的平衡的气调包装材料 以满足贮藏期间保持与气调贮藏相似或一致的气体组 成 确定每种叶菜最优包装材料的技术参数范围 开发 出针对性强 保鲜效果好的气调包装活性材料 无疑将 是气调包装保鲜快速商业化所必需解决的问题 在上 述研究的基础上 采用自行研制的包装材料 对不同采 收时间的生菜 菠菜 油菜等叶菜建立最佳温度 容积 比和保鲜期等气调包装保鲜技术体系也是亟待解决的 问题之一 3 叶菜气调保鲜机理的研究进展 国内外有关于蔬菜气调包装的研究报道 关于气 调包装对蔬菜采后的活性氧代谢和呼吸代谢相关酶的 影响研究也有文献报道 但主要是对蕨菜 西兰花 金 针菇和菜心等非叶类蔬菜 33 36 未见针对生菜 菠菜和 油菜等叶类蔬菜的报道 国外针对菠菜的气调包装保 鲜研究的文献中 除通过各项指标评估气调包装的效 果 37 38 外 还有关于菠菜气调保藏过程中 对游离黄酮 清除自由基活性的测定 39 以及气调包装菠菜的呼吸速 率检测模型研究 40 关于气调保鲜对蔬菜采后储藏期 间抗氧化能力的研究国外有文献报道 主要用于评估 辣椒 冬瓜等根茎类蔬菜 41 43 未见用于叶类蔬菜的报 162 道 因此引起了研究者的极大兴趣 3 1 活性氧自由基对蔬菜细胞衰老具有中心效应 活性氧自由基有细胞杀手之称 目前针对桃果实 贮藏过程中活性氧和线粒体呼吸代谢相关酶的研究发 现 在贮藏后期 由于活性氧自由基的增多 导致活性 氧自由基形成与清除的动态平衡被打破 44 据研究报 道 受到活性氧自由基的攻击后 线粒体膜 呼吸链和 线粒体DNA将受到破坏 从而导致线粒体内膜的完整 性受到损伤 使得细胞的能量代谢不能正常进行 最终 导致果蔬的衰老 45 47 因此 活性氧自由基的产生对于 蔬菜细胞衰老有中心效应 但目前在叶菜保鲜机理的 研究上还未有应用 笔者所在的课题组做了大量的叶菜气调包装保鲜 研究 研究发现采用气调包装可以降低叶菜在贮藏过 程中的呼吸速率和细胞中丙二醛的积累 抑制叶绿素 和可溶性蛋白含量的降低 9 15 由于丙二醛的生成与 自由基含量呈正相关 48 气调包装保鲜可以抑制丙二 醛生成的研究结果 推测气调包装保鲜对叶菜保鲜的 有效性极有可能是抑制了自由基诱导的线粒体膜损 伤 从而保护细胞线粒体呼吸代谢系统而起到保鲜作 用 气调包装保鲜的典型特点是在包装中减少气体组 成中O2含量 从而降低细胞的呼吸速率 49 50 因此 推 测气调包装通过降低叶菜的呼吸速率 使呼吸代谢中 的电子传递减弱 从而显著影响叶菜线粒体中活性氧 自由基的产生 3 2 气调包装影响叶菜中SOD等清除自由基的酶类 及非酶类相关物质的变化 研究认为 蔬菜贮藏后期 清除自由基的重要酶类 物质 如SOD 超氧化物歧化酶 CAT 过氧化氢酶 和GSH Px 谷胱甘肽过氧化氢酶 等 以及清除自由 基的非酶类物质如抗坏血酸和黄酮类物质 可以有效 清除或抵制自由基的产生 51 53 这2类物质是蔬菜自 由基产生的限制性因素 因而也是基于自由基中心效 应的叶菜保鲜研究的关键要素 气调包装保鲜能否影 响这些非酶类物质和呼吸关键酶的活性及表达 直接 关系着叶菜保鲜的成败 因此 研究不同气调包装条 件对SOD CAT和GSH Px酶的活性及表达的影响 以 及非酶类物质的含量变化对于揭示叶菜气调包装的保 鲜机理具有重要意义 3 3 气调包装影响叶菜中线粒体呼吸标志酶及Ca 2 等 内膜完整性指标物的变化 在蔬菜贮藏的后期 由于自由基的产生 会损伤线 粒体内膜的完整性 从而导致呼吸代谢关键酶活性的 丧失 导致细胞不能正常呼吸代谢而加快了衰老进程 54 如果线粒体内膜受到损伤 Ca 2 ATPase的活性就会丧 失 会直接导致Ca 2 浓度的升高 而Ca 2 浓度的升高会 对细胞造成损伤 36 蔬菜呼吸代谢的根本目的在于产 生ATP 获得能量 从而保持自身正常的生命状态 在 线粒体呼吸代谢产生能量的过程中 其内膜上的呼吸 酶SDH 琥珀酸脱氢酶 是催化柠檬酸循环中琥珀酸 转化为延胡索酸的关键酶 其内膜上的CCO酶 细胞 色素氧化酶 作为另一种与呼吸代谢密切相关的酶类 催化整个呼吸链的最后一步 接受来自细胞色素C的 电子 并传递到氧气分子上 将氧气转化为水分子 该 反应是能量代谢中的主要不可逆步骤 因此 CCO酶 也是调控线粒体呼吸的关键酶 44 55 功能完整的线粒 体 其内膜上的SDH和CCO具有一定的活性 这样细 胞才能正常生存 一旦线粒体的完整性受到破坏 细 胞的呼吸代谢将不能正常进行 细胞就会衰老 而对于 叶菜就表现为其新鲜品质不再保持 SOD CAT和GSH Px酶的活性及表达量的变化 以及其他非酶类自由基清除剂的含量变化是自由基产 生速率和含量变化的标识 Ca 2 ATPase的活性及Ca 2 浓度是反映线粒体内膜完整性的重要指标 研究不同 气调包装要素对其变化的影响可以揭示气调包装对线 粒体内膜完整性的影响机理 目前 国内外大多数学 者认为SDH和CCO是线粒体呼吸的标志酶 保护细 胞线粒体膜的完整性 从而维持SDH和CCO的活性 将成为目前蔬菜保鲜研究的最新着眼点 56 4 结论与展望 通过综述国内外气调包装保鲜技术在叶菜上的应 用研究 发现气调包装保鲜技术可以在微环境中很好 地解决叶菜保鲜中耗能高 操作不便和安全隐患的问 题 是理想的叶菜保鲜技术 但是 从整体上来看 目 前国内外的大量研究还主要集中于生菜 油菜等叶菜 的包装气体比例和常规保鲜膜的开发应用 缺乏对于 机理和某类叶菜特定包装材料的研究 针对不同采收 时间的叶菜 建立基于最佳温度 容积比和保鲜期等多 因素的叶菜气调包装保鲜技术体系 并在此体系基础 上 研制新型 针对性强 高效 安全的包装材料 可以 满足气调包装保鲜的技术需求 采用转录组学和蛋白 组学等生物学方法 从基因表达和蛋白表达水平研究 叶菜气调包装保鲜的机理是揭示植物老化机理最直接 有效的方法 通过实施上述措施 阐明气调保鲜机理 形成针对性的调控体系 为气调保鲜技术在叶菜上的 应用奠定理论基础 郭振龙等 叶类蔬菜气调包装保鲜技术及其机理的研究进展 163 中国农学通报 参考文献 1 中华人民共和国国家统计局 2014年中国统计年鉴 M 北京 中国 统计出版社 2014 375 377 2 北京市统计局 2015年北京统计年鉴 M 北京 中国统计出版社 2015 304 306 3 范双喜 陈湘宁 张领先 现代农业产业技术体系北京市叶类蔬菜 创新团队2013年度报告 R 2013 4 刘才宇 朱培蕾 赵贵云 等 叶菜类蔬菜贮藏保鲜技术研究进展 J 安徽农业大学学报 2011 38 5 797 801 5 Chen X N Li B J Meng L C et al Research Progress in Preservation of Postharvest Leafy Vegetables J Advanced Materials Research 2013 749 401 407 6 Dong Y R Liu S M 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Sci Dev 2011 2 2 124 127 14 陈湘宁 钟思琼 刘慧 等 膜包装鲜切蔬菜中主要腐败菌的分离与 鉴定 J 中国食品学报 2012 12 5 154 160 15 孟令川 吕莹 陈湘宁鲜切菜贮藏保鲜技术研究进展 J 中国农学 通报 2013 29 9 190 196 16 Rahman M M Miaruddin M Chowdhury M G F et al Effect of different packaging systems and chlorination on the quality and shelf life of green chili J Bangladesh Journal of Agricultural Research 2013 37 4 729 736 17 Fonseca S C Oliveira FA Brecht J K Modelling respiration rate of fresh fruits and vegetables for modified atmosphere packages a review J Journal of Food Engineering 2002 52 2 99 119 18 Dash S K Kar A Gorrepati K Modified atmosphere packaging of minimally processed fruits and vegetables J 2013 19 张克宏 杜俊娟 叶菜类蔬菜气调保鲜包装研究 J 包装工程 2007 1 49 52 20 沈莲清 王向阳 聂保杰 等 MAP技术保鲜生菜的研究 J 食品科 学 1998 9 54 56 21 刘敏 谢晶 菠菜MAP保鲜及低温贮藏研究 J 湖北农业科学 2008 9 1073 1076 22 韩春阳 王建清 孙炳新 等 菠菜常温气调包装研究 J 包装工程 2012 17 49 52 23 魏宝东 赵帅 程顺昌 等 不同浓度CO2对油菜常温下贮藏品质的 影响 J 食品与发酵工业 2013 8 212 215 24 郭玉花 黄震 滕立军 等 新鲜采摘生菜的纳米气调保鲜膜包装研 究 J 食品工业 2009 6 51 52 25 郭玉花 黄震 滕立军 等 新鲜菠菜的纳米活性气调包装研究 J 食 品工业 2009 4 167 170 26 郭玉花 黄震 滕立军 等 纳米气调包装新鲜小油菜保鲜研究 J 食 品工业 2008 6 214 216 27 Baldassarre V Spinardi A Cocetta G et al Use of chlorophyll a fluorescence for the evaluation of quality of minimally processed lettuce stored in controlled atmosphere J Italus Hortus 2010 17 3 92 97 28 Escalona V H Verlinden B E Geysen S et al Changes in respiration of fresh cut butterhead lettuce under controlled atmospheres using low and superatmospheric oxygen conditions with different carbon dioxide levels J Postharvest Biology and Technology 2006 39 1 48 55 29 Charles F Sanchez J Gontard N Modeling of active modified atmosphere packaging of endives exposed to several postharvest temperatures J Journal of Food Science 2005 70 8 E443 E449 30 Roversi R M Quality of minimally processed crisp head lettuce packaged under modified atmosphere J Ciencia E Agrotecnologia 2004 28 4 823 830 31 Segall K I Scanlon M G Design and analysis of a modified atmosphere package for minimally processed romaine lettuce J Jouranal of theAmerican Society for Horticultural Science 1996 121 4 722 729 32 Conte A Scrocco C Brescia I et al Shelf life of fresh cut Cime di rapa Brassica rapa L as affected by packaging J Ltw food Science and Technology 2011 44 4 1218 1225 33 郭衍银 王相友 章耀 等 气调对蕨菜采后活性氧代谢的影响 J 西 北农业学报 2009 2 188 192 34 郭衍银 李玲 陈东 等 O2联合CO2气调对西兰花活性氧代谢及保 鲜效果的影响 J 食品科学 2013 24 304 308 35 边晓琳 张艳芬 冯莉 等 不同包装材料自发气调对冷藏金针菇活 性氧代谢的影响 J 园艺学报 2010 11 1851 1856 36 王惠惠 鲜切菜心关键技术研究 D 湛江 广东海洋大学 2013 37 Tudela J A Garrido Y Cantwell M et al Off odour development in modified atmosphere packaged baby spinach is an unresolved problem J Postharvest Biology and Technology 2013 75 75 88 38 Kaur P Rai D R Paul S Quality changes in fresh cut spinach spinaciaoleracea under modified atmospheres with perorations J Journal of Food Quality 2011 34 1 10 18 39 Gil M I Ferreres F Tomas Barberan et al Effect of postharvest storage and processing on the antioxidant constituents flavonoids and vitamin C of fresh cut spinach J Journal of 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线粒体呼吸代谢相关酶对桃果实成熟衰老及采后软化的 影响 D 扬州 扬州大学 2007 45 Cadenas E Davies K J A Mitochondrial free radical generation oxidative stress and aging J Free Radical Biology and Medicine 2000 29 3 222 230 46 Zoratti M De Marchi U Gulbins E et al Novel channels of the inner mitochondrial membrane J Biochimica et Biophysica Acta BBA Bioenergetics 2009 1787 5 351 363 47 吴兰芳 杨爱珍 王有年 等 线粒体调控细胞凋亡的研究进展 J 中 国农学通报 2010 26 8 63 68 48 孙雁霞 罗建勋 龙汉利 等 桢楠种子萌发过程中丙二醛和氧自由 基的变化 J 浙江林业科技 2013 3 1 4 49 Thompson A K Controlled atmosphere storage of fruits and vegetables M CABI 2010 50 Finnegan E Mahajan P V O Connell M et al Modelling respiration in fresh cut pineapple and prediction of gas permeability needs for optimal modified atmosphere packaging J Postharvest Biology and Technology 2013 79 47 53 51 Koerner J E Anderson B A Dage R C Protection Against Postischemic Myocardial Dysfunction in Anesthetized Rabbits with Scavengers of Oxygen Derived Free Radicals Superoxide Dismutase Plus Catalase N 2 Mercaptopropinyl Glycine 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