非热处理对生鲜果蔬活性成分影响的研究进展

孙玉敬，徐清清

(浙江工业大学 食品科学与工程学院，浙江 杭州 310014)

水果和蔬菜中富含酚类化合物、类胡萝卜素、硫苷、维生素C和生育酚等多种生物活性成分[1-3]。这些化合物不但具有较高的抗氧化能力，还可以预防氧化应激和慢性疾病的发生，但是这些活性成分是果蔬的次生代谢产物，在果蔬中的含量偏低，如何通过非转基因的手段提高其含量是目前面临的难题。研究发现对果蔬进行采后非生物胁迫(即创伤应激)可以诱导植物食品中生物活性化合物的积累。最新的研究发现超声(Ultrasound，US)、脉冲电场(Pulsed electric fields，PEF)以及高压处理(High pressure processing，HPP)等非热处理技术不但可避免传统热处理过程中由于高热量引起的果蔬制品中生物活性化合物的损失及品质的降低[4]，而且在诱导生鲜植物食品中生物活性成分生物合成方面，与创伤应激产生的机制有异曲同工之处。此外，仅有少数研究报道其他非热技术(辐照处理、冷等离子体处理)对果蔬总酚的影响[5-6]。杨俊丽[7]、Wang等[8]研究辐照处理对水果贮藏品质的影响，主要侧重于对基础理化指标(果实硬度、腐烂指数、可滴定酸度等)的研究。Li等[9]、Bao等[10]分别研究冷等离子体对鲜切火龙果、番茄渣中酚类物质的影响，但都未涉及对新鲜果蔬(全果)的讨论。因此，笔者主要综述研究相对深入的US，PEF和HPP对生鲜果蔬生物活性成分影响的最新研究概况，这些技术不但可以起到蓄积果蔬次生代谢产物的目的，同时是很好的杀菌手段，可以延长生鲜果蔬保质期，以期为果实采后处理技术的研究提供理论依据。

1 超声处理对生鲜果蔬生物活性成分的影响

超声波是频率高于20 kHz的声波产生的一种能量形式，可以在气体、液体或固体介质中传播。超声波根据能量强度可分为高强度超声和低强度超声。高强度超声是指具有高能量低频超声(20～100 kHz)，低强度超声是指具有低能量高频超声(>100 kHz)[11]。低强度超声可以作为一种快速、精准、廉价、简单和无损的方法，用于分析食品的理化性质和检测食品生产过程中的动态变化[11-12]。高强度超声产生的热、机械和化学效应使液体中空化气泡快速形成和破裂，产生强烈的空化效应和其他共生效应，如高剪切力、搅拌、扰动效应和破碎，这些气泡在正压力循环中破裂，产生高速湍流及极高的压力和温度，高强度超声可以破坏细胞结构，这些细胞结构随后会激活或抑制食品发生理化变化，导致传热和传质过程的强化[5]。

在过去的十多年中，超声处理已成为食品巴氏杀菌和灭菌等传统热处理方法的替代选择。超声处理作为一种新兴非热处理技术，因其经济、使用简单和操作不需要外部化学试剂和添加剂[13-14]等特点，在食品加工和储存等领域中已经得到广泛的应用，如灭菌[15]、均质[16]、清洗、乳化[17]、冷冻、解冻[18]、干燥[19]、过滤、肉的嫩化、酒的陈化、切割、腌渍、微胶囊的制备和颗粒破碎及吸附[20-21]等。

最新研究发现超声可以作为非生物诱导因子，增加植物的次生代谢产物的积累，同时不会影响它们的表面质量[22]。以下主要介绍超声处理对生鲜果蔬酚类化合物、类胡萝卜素影响的研究报道。超声处理对生鲜果蔬生物活性成分研究总结见表1。

表1 超声处理对生鲜果蔬生物活性成分研究

1.1 超声处理对生鲜果蔬酚类化合物的影响

研究表明超声处理在增加不同果蔬酚类化合物方面显示出不同的潜在作用。Pinheiro等[23]将整个番茄果实在(10±0.5)℃的水浴中，以45 kHz的恒定频率超声处理不同时间，与未处理样品组相比，所有超声处理组样品的总酚含量增加，并且在10 ℃贮藏期间超声波处理组的样品可以合成更高水平的总酚含量。葡萄中的酚类物质有很强的抗氧化能力，并具有预防高血压、抗血栓、抗炎和抗肿瘤等功能[28]。Hasan等[24]采用超声处理葡萄皮和叶片来富集白藜芦醇，结果表明超声处理和进一步孵育可使葡萄皮和叶片中白藜芦醇含量增加，先超声处理5 min再孵育6 h后，白藜芦醇含量增加7.7倍。相似地，Yu等[25]利用低功率(25 kHz)超声处理生菜60 s和120 s并贮藏2.5 d，结果表明：与对照相比，超声处理后生菜中酚类化合物分别增加35.3%和26.7%。Ling等[26]联合超声(400 W，6 min)与0.4%过乙酸处理枇杷，结果表明：超声和乙酸处理后，枇杷果实中总黄酮含量在第3 d达到最高值，且高于对照组。

1.2 超声处理对生鲜果蔬类胡萝卜素的影响

类胡萝卜素是具有抗氧化性能的四萜类化合物，可以防止细胞损伤和慢性疾病，也是植物的色素成分。Nowacka等[11]最近的一项调查报告显示超声处理过的胡萝卜中类胡萝卜素含量显著增加。研究人员发现：在35 kHz和3 W/cm2的超声处理胡萝卜10，20，30 min后，类胡萝卜素含量增加了42.3%，49.9%和41.1%。相似地，Cuellar-villarreal等[27]对胡萝卜进行超声处理(20 ℃，24 kHz)后发现：与对照样相比，类胡萝卜素含量提高21.1%。

超声波促进果蔬活性成分生物合成机理的研究还比较少，推测其可能的机理是超声处理后果蔬及其周围产生空化气泡，这些气泡经过不规则振荡和残酷的“瓦解”，产生高温高压，导致细胞解体、酶变性、微观通道的形成和自由基的产生，进而诱导植物食品应激反应，最终导致植物食品中多酚、类胡萝卜素等生物活性化合物的合成和积累[29-30]。

2 脉冲电场处理对生鲜果蔬生物活性成分的影响

近几年来，脉冲电场(PEF)作为一种食品非热技术发展迅速。PEF处理提供高电场的短脉冲，脉冲持续时间为微到毫秒，强度范围为0.1～80 kV/cm[31]。PEF处理是将电脉冲功率应用于位于两个电极之间的食物，从而导致点渗透。在电极间隙中，食物每次充电都会受到一个力，即所谓的电场[32]。食品是复杂的多组分/多相体系，在加工过程中会发生化学反应。当暴露在特定的电场中时，食品中某些电化学和物理化学性质会发生相应变化[33-34]。主要涉及PEF诱导的生物膜渗透、电化学和电解反应的发生、分子的极化和重新排列，以及化学反应活化能的降低。

与传统的食品热加工方式相比，PEF技术具有传递均匀、处理时间短、能耗少、产热低和污染小等优点[35]，因而能最大限度地保存食品原有的风味、口感和营养价值，延长食品货架期[36]。PEF技术在食品加工领域中的应用研究主要包括杀菌[37-39]、钝酶[40-41]、物质提取[42]和酒类催陈[43]等。近年来的研究表明：PEF处理技术可以诱导园艺作物产生胁迫，从而触发采后生物活性化合物的积累[44]。以下主要介绍脉冲电场对番茄、苹果等果蔬酚类化合物和类胡萝卜素的影响，脉冲电场处理对生鲜果蔬生物活性成分研究总结见表2。

表2 脉冲电场对生鲜果蔬生物活性成分研究

2.1 脉冲电场处理对生鲜果蔬酚类化合物的影响

酚类化合物与水果和蔬菜的抗氧化能力密切相关，经常摄食富含多酚类化合物的植物食品对人体大有益处。研究显示脉冲电场处理在增加不同果蔬中酚类化合物含量方面展现出潜在作用。EI Kantar等[45]分别在电场强度为3 kV/cm和10 kV/cm的条件下，对橘子、柚子和柠檬果实和果皮进行PEF处理。结果表明：高电场强度促进橘皮多酚的提取，处理后多酚含量可达到22 mg GAE/g DM。此外，有研究表明：利用低等强度(0.1～3 kV/cm，0.5～5 kJ/kg)和中等强度(0.5～5 kV/cm，1～20 kJ/kg)的PEF处理也可诱导植物食品应激反应，从而增强次生代谢物生成[31, 49]。Vallverdu-queralt等[46]研究表明：PEF处理(0.4～2.0 kV/cm和5～30脉冲)24 h导致番茄果实中羟基肉桂酸和黄酮含量增加，而黄酮醇、香豆素和阿魏酸-O-葡萄糖苷不受影响。类似地，Soliva-fortuny等[47]研究了(0.008～1.3 kJ/kg)PEF处理苹果对总酚、黄酮类和黄酮-3-醇含量的影响，结果显示PEF处理的苹果中酚类化合物含量高于未处理的苹果。最温和的PEF处理(0.008 kJ/kg)能在22 ℃储存24 h内，使苹果中总酚含量和黄烷-3-醇含量分别增加13%和92%，在4 ℃时观察到黄酮类化合物增加了58%。

2.2 脉冲电场处理对生鲜果蔬类胡萝卜素的影响

番茄红素是植物性食物中存在的一种类胡萝卜素，番茄和番茄制品是番茄红素的主要来源，具有较高的氧自由基清除和猝灭能力，经常摄食富含萜类化合物的果蔬可以降低罹患某些癌症和心血管疾病等的风险。Vallverdu-Queralt等[48]利用中等强度脉冲电场(MIPEF)处理生鲜番茄，并在4 ℃冷藏24 h 后研磨成汁，再采用热处理或高强度脉冲电场(HIPEF)处理番茄汁，冷藏保存56 d。结果表明：与对照相比，MIPEF处理的番茄汁中15-顺式番茄红素的含量提高了63%～65%。HIPEF处理的番茄汁在贮藏过程中与热处理和未处理的果汁相比，保留了更高的类胡萝卜素含量(10%～20%)[48]。

3 高压处理对生鲜果蔬生物活性成分的影响

高压处理(HPP)，也称高静水压力、超高压，已用于病原体灭活、蛋白质变性、保质期延长和固液体食品的保存等[50]。HPP技术可作为热处理的替代方法来避免感官、理化和营养特性的不良变化[51-53]。在食品超高压处理过程中，遵循帕斯卡原理和勒夏特列原理。高压处理对食品物理性质的影响遵循帕斯卡原理，对食品化学和微生物学的影响则遵循勒夏特列原理。

高压处理过程中，无论食物的形状大小如何，热量可瞬间均匀地传递到食品内，使食物中微生物与酶失活。商业高压处理条件为400～700 MPa，温度小于50 ℃。这种非热处理方法对共价键的影响较小，能够较好地保留与食品质量相关的化学成分如维生素、功能性化合物和风味。与传统加工方式相比，高压处理几乎不会改变植物食品的味道和新鲜度，不会导致营养成分的损失，安全、节能、耗时少，成为消费者可以接受的一种新型食品加工技术[54-55]。近年来的研究表明：高压处理(HPP)可以诱导园艺作物产生胁迫，从而触发采后生物活性化合物的积累。以下主要介绍高压处理对果蔬酚类化合物和类胡萝卜素的影响。高压处理对生鲜果蔬生物活性成分研究总结见表3。

表3 高压处理对生鲜果蔬生物活性成分研究

3.1 高压处理对生鲜果蔬酚类化合物的影响

研究表明高压处理可作为诱导因子用于植物次生代谢物的生物合成。利用高压(15～60 MPa)处理芒果10～20 min可以诱导酚类和维生素C的生物合成[56]。与未处理样品相比，60 MPa和30 MPa处理20 min的芒果维生素C含量更高，而经15 MPa，10 min处理后，芒果中酚类化合物有更高积累[56]。这些结果表明：通过选择合适的高压处理条件，在园艺作物收获后，可以触发特定营养物质的积累。

3.2 高压处理对生鲜果蔬类胡萝卜素的影响

高压处理在增加不同果蔬中类胡萝卜素含量方面展现出潜在作用。Sanchez-Moreno[57]研究表明HHP处理可增加柿子和橘子中类胡萝卜素含量。Mcinerney[58]研究了高压处理(400，600 MPa)对不同蔬菜类胡萝卜素总含量和有效性的影响，结果显示胡萝卜、青豆和西兰花中单个类胡萝卜素水平不受高压处理的影响。

4 非热处理促进生鲜果蔬生物活性成分生物合成的生理机制探讨

结合上述分析，不难发现US，PEF和HPP不但可以用于食品的杀菌，也可以在采后作为非生物诱导因子对生鲜果蔬生物活性成分进行合成和积累。因此，笔者提出一个假设模型(图1)来解释超声(US)、脉冲电场(PEF)以及高压处理(HPP)生鲜果蔬诱导生物活性成分积累的生理机制。US，PEF和HPP可诱导细胞膜通透性，从而触发与创伤应激相似的应激反应。对于超声处理而言，细胞破坏是由质膜中的压力/温度梯度引起的，而HPP在质膜中产生压力梯度，诱导膜的透性，同样PEF产生电位，产生细胞膜破坏。

图1 超声(US)、脉冲电场(PEF)、高压处理(HPP)生鲜果蔬生物活性成分积累的生理机制假设模型

植物细胞对非生物胁迫的反应分为两种：即时应激反应和迟发应激反应。即时应激反应从初级和次级信号分子产生开始，这些信号分子激活信号转导网络，参与转录因子的从头合成，这些转录因子调节植物次级代谢的基因表达。迟发应激反应是即时应激反应的结果，与植物适应非生物压力所需要的生化成分(如酶和次级代谢产物)的产生有关[59]。

US，PEF和HPP处理使植物组织发生膜破坏，ATP从受损细胞的细胞质中释放出来，然后与辅助细胞的质膜受体结合[60-61]，诱导活性氧的产生。ATP与质膜受体的结合，除产生活性氧外，还会诱导其他次级信号分子如乙烯和茉莉酸[60]的产生，所有这些次级应激信号分子都会通过胞浆扩散，启动信号转导网络，导致转录因子的激活，从而触发营养物质的生物合成。应用非热处理技术后，应激信号分子的产生和植物次生代谢的激活是应激反应的一部分，而营养物质的积累则视为贮藏过程中的一种迟发应激反应。因此，US，HPP和PEF处理后立即观察到的生物活性化合物的增加可归因于膜可萃取性的升高。

5 结 论

非热技术如US，HPP和PEF处理等可作为诱导因子在诱导新鲜果蔬中活性化合物方面表现出很高的潜力，是未来生鲜果蔬领域很好的研究方向。今后，需要更多的研究人员将这些技术应用到更多的果蔬种类上以检验其效果，发现其规律。研究内容需要进一步深入，比如非热技术对于活性成分的影响并不全是正向的，有的提高，有的降低，还有的没有影响。在检测指标时需要分析到活性成分的单体化合物，分析这些技术对各类活性成分影响的规律。在掌握规律的基础上实现有效利用其正向效应同时规避其不利效应。关于非热技术增强生物活性成分积累的机理方面的研究报道更多的是基于理论知识的推理，今后可以综合食品化学技术、采后生理学、基因组、蛋白质组学和代谢组学等生物技术来分别来阐明不同生物活性成分变化的具体机理。