Progress of Bio-preservatives Combined with Physical Technologies in Fruits and Vegetables Preservation
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摘要: 生物保鲜剂因天然、安全、无毒等特点而广泛应用于果蔬保鲜领域，且越来越受到国内外研究者的关注。生物保鲜剂与物理保鲜技术组合的保鲜方式，具有协同和互补作用，能够达到更好的保鲜效果。本文概述了果蔬采后劣变的机制，详细阐述了近几年生物保鲜剂与低温、气调、臭氧、辐照、微波、超声波、超高压、高压脉冲电场等物理保鲜技术组合在果蔬保鲜中的应用研究进展，并总结了组合保鲜技术的优势和不足。旨在为生物保鲜剂的开发应用及组合保鲜方式的探究提供参考。Abstract: Bio-preservatives are widely used in fruits and vegetables preservation because of the characteristics of natural, safety and widely sources, and have attracted more and more attention from researchers. The combination of bio-preservatives and physical preservation technologies has synergistic and complementary effects and could achieve better preservation effect. The mechanism of quality deterioration of harvested fruits and vegetables are summarized, the application of bio-preservatives coupled with physical preservation technologies such as low-temperature, modified atmosphere, ozone, irradiation, microwave, ultrasonic, ultra-high pressure, pulse electric field in the preservation of fruits and vegetables are presented in detail, and their advantages and disadvantages are summarized to provide reference for development and application of bio-preservatives and the exploration of combined preservation methods.
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果蔬物理保鲜技术虽安全性高、操作简单、应用广泛、效果显著，但会造成果蔬细胞组织损伤，蛋白质、果胶等成分的分解，营养成分流失等不良后果[1]。生物保鲜剂来源于动植物、微生物中，天然、安全、无毒，具有良好的生物相容性和生物可降解性，对包括腐败微生物在内的多种微生物具有抗菌活性[2]，同时还具有阻隔氧气和微生物、维持水分、护色、抗氧化等作用，成为了近年保鲜领域研究的热点之一[3]。其中植物提取物、茶多酚、壳聚糖、乳酸链球菌素（Nisin）、聚赖氨酸、溶菌酶等应用较为广泛（图1）。然而，受温度、pH等因素的影响，生物保鲜剂保鲜效果并不稳定，推广应用难度大[4]。
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图 1 2013~2019年国内公开的100篇生物保鲜剂专利中的主要成分Figure 1. Main components in 100 patents of bio-preservatives published in China from 2013 to 2019单一的物理、生物保鲜技术仍然无法满足人们对果蔬质量安全及保鲜期的需求。为了延长果蔬保鲜期，将生物保鲜剂与物理技术相互组合的应用方式也越来越受到研究者的关注[5-6]。目前，生物保鲜剂主要与低温、气调、臭氧、辐照、微波、超声、超高压等物理技术组合，应用于水果、蔬菜、食用菌、坚果等保鲜，以发挥生物保鲜剂的优势，弥补物理技术不足，从而进一步延长保鲜期。本文重点阐述了近年来生物保鲜剂与物理保鲜技术组合应用的机制及研究现状，为果蔬保鲜技术的创新发展提供参考。
1. 果蔬采后劣变及机制
果蔬在采后的整理、清洗、运输、保藏过程中，由于呼吸作用、酶、微生物等因素的影响，容易引发褐变、软化、衰老、营养流失等品质劣变现象[7-8]。由于组织机械损伤，细胞完整性被破坏，多酚氧化酶（PPO）与酚类物质直接接触在活性氧的作用下发生褐变，导致果蔬色泽恶化[9-10]。果胶脂酶、纤维素酶等细胞壁降解酶催化果胶、纤维素、半纤维素等细胞壁物质被降解，导致细胞壁结构被破坏，造成果蔬质地软化[11]。呼吸作用、乙烯和活性氧自由基引起果蔬采后的生理衰老，导致质地软化及维生素C、可溶性糖、叶绿素等营养成分损失。葡萄球菌、大肠杆菌、酵母假单胞菌、霉菌、和欧文菌等是果蔬的主要腐败菌，会引起果蔬霉变、酸败、发酵、产气、变色[12-13]。由于果蔬富含营养物质，这些腐败菌即使在4 ℃的低温也会随保藏时间而繁殖增加[14]。以上劣变现象均会影响果蔬的食用价值和销售价值，甚至威胁人体健康。因此，需要充分运用物理和生物保鲜等绿色、安全的技术来控制果蔬采后的生理变化及腐败微生物的生长繁殖，延缓劣变，保持新鲜度。
2. 生物保鲜剂组合物理保鲜技术的应用
2.1 组合低温保鲜
低温保鲜可降低因呼吸、代谢等生理活动所带来的物质损耗，同时抑制腐败菌的生长繁殖[15]。但果蔬低温保鲜仍然会导致部分果蔬发生冷害[16]，进而导致汁液流失、质地软化，并且低温无法完全抑制有害微生物的繁殖及细胞的生理活动，部分产品的销售和消费仍然受限。生物保鲜剂能有效地抑制微生物的繁殖，并附着于果蔬表面形成膜，隔绝氧气和微生物。为了达到了更好的保鲜效果，将壳聚糖、植物活性成分、益生菌发酵液等生物保鲜剂组合低温技术应用于果蔬保鲜，效果显著优于单一保鲜技术（表1）。这种组合方式操作简便、成本低廉、安全性高，具有良好的应用推广价值，但是选择生物保鲜剂时应避免其气味和滋味对果蔬品质的不良影响。
表 1 生物保鲜剂组合低温保鲜在果蔬中应用的部分研究成果Table 1. Some research results of bio-preservatives combined with low temperature preservation in fruits and vegetables果蔬名称 组合工艺 组合后较单一物理技术提升的效果 参考文献 毛竹笋 1.5%壳聚糖+低温保鲜 30 d时失重率及过氧化物酶（POD）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）
活分别降低50%、30%以上[17] 砂糖橘 1%壳聚糖组合1 ℃保藏 延缓膜脂过氧化、冷害，保藏35 d后的好果率提高了38% [18] 黄秋葵 1%壳聚糖涂膜后9 ℃冷藏 叶绿素和VC含量上升了47.17%、1.92倍，呼吸强度峰值延缓9 d [19] 生菜 百里香精油涂抹后6 ℃冷藏 保鲜12天后色泽、品质可接受 [20] 双孢菇 植物乳杆菌GIM1.191发酵液处理后，
聚乙烯膜包裹4 ℃冷藏护色，抑制总酚的积累和PPO活性，同时降低H2O2含量和提高抗O2-·活力，
提高POD和过氧化氢酶（CAT）活性[21] 无花果 2%壳聚糖涂膜后3 ℃冷藏 显著抑制可溶性固形物含量下降、水分散失、软化和还原糖的降解 [22] 双孢菇 没食子酸接枝壳聚糖（GA-g-CS）
涂膜后4 ℃保藏显著降呼吸速率、褐变程度、超氧阴离子产生速率和过氧化氢含量，
抗氧化能力显著提升[23] 双孢菇 50%芦荟胶涂膜后4 ℃保藏 显著降低了褐变程度、失重率和PPO活性 [24] 樱桃 ε-聚赖氨酸盐酸盐/壳聚糖复合涂膜
再放置4 ℃保藏减缓樱桃中可滴定酸和Vc含量的降低，改善樱桃的硬度和色泽 [25] 薇菜和蕨菜 茶多酚、川陈皮素、壳聚糖复合保鲜剂
喷洒处理后4℃保藏延长贮藏期5~7天，减少了营养成分和水分的流失，抑制PPO、POD的活性 [26] 2.2 组合气调包装技术
果蔬气调包装O2比例一般在4%左右，这种环境会引起呼吸链相关酶系统的代谢紊乱及SOD、CAT、POD等活性降低，使得植物机体中自由基的生成和清除之间的动态平衡被打破，加快蔬菜衰败[27-28]。而高氧环境（超过70 kPa）一定程度上能抑制果蔬的呼吸作用、部分细菌的繁殖及水分散失，并减缓了组织软化和褐变[29-32]。近几年的研究成果表明，将生物保鲜剂与高氧气调组合不仅能够发挥生物保鲜剂抑菌、杀菌作用，而且提升了抑制呼吸作用、延缓褐变的效果，具有一定的开发潜力[33]。百里香精油[34]、大蒜精油和肉桂精油混合物[35]组合40%~60% O2置换气调保藏草莓和双孢菇，减缓了褐变，降低了失重率，抑制了还原糖下降，保鲜期较单一气调保鲜分别延长了4、7 d，效果提升明显。徐仕翔[36]将月桂精油与自发气调包装组合保鲜樱桃番茄，结果表明组合保鲜在常温、低温下的发病率显著低于单一技术处理组。而Jiang[37]用2%海藻酸钠与100% O2气调组合冷藏双孢菇，能保持子实体硬度，延缓褐变、开伞，延缓可溶固形物、总糖的变化，且货架期延长至16 d。此外，大豆蛋白涂膜组合气调技术能够保持新鲜洋蓟的抗氧化能力，延长新鲜茄子的保质期至9 d[38-39]。将气调保鲜技术与生物涂膜材料相结合，可以成为延长果蔬保鲜期的重要途径。
此种组合方式也有其局限性，主要是对果蔬气味和滋味的影响。桉树精油结合气调保鲜甜樱桃，就出现了异味、质量下降和茎褐变等劣变现象，保鲜效果甚至比对照组差[40]。可能是桉树精油诱导了一定的氧化过程，加速了与樱桃成熟衰老相关的生理变化。因此，在实际应用中，要针对果蔬自身的特性以及感官可接受度，选择合适的生物保鲜剂。
2.3 组合臭氧处理
臭氧可分解成氧气，无残留、无二次污染，溶于水形成臭氧水后仍具有良好的杀菌效果，但对表面粗糙的覆盆子、草莓等部分果蔬的杀菌效果并不理想[41]。臭氧的两种形态决定了其结合生物保鲜剂的应用包含两种方式。一是保鲜剂涂膜结合臭氧气体填充，如壳聚糖涂膜、聚赖氨酸浸泡再结合臭氧填充或熏蒸处理，该方法已应用于冬枣[42]和石榴果[43]的保鲜，能够抑制腐烂、维持感官品质、减缓劣变。另一种是臭氧水和生物保鲜剂浸泡处理。石磊[44]对比了臭氧水、臭氧气体组合2%壳聚糖涂膜保鲜欧亚种葡萄，发现前者效果更好，可溶性固形物、可滴定酸含量更高，而后者维持保鲜效果则需持续充入臭氧。此外，臭氧具有强氧化性，在实际生产应用中高剂量的臭氧会引起果蔬如生菜[45]的剧烈氧化。臭氧组合生物保鲜剂的应用机理、安全性等仍需进一步明确。
2.4 组合辐照技术
辐照技术可破坏微生物细胞，影响酶分子结构和功能，从而抑制果蔬生理活动，延缓衰老[46]。其缺陷是会引起组织软化、真菌和细菌感染增加、电解质泄漏、异味、对冷害的敏感性增加、茎陷点病（如洋蓟和柑橘类水果）、内部变黑（如鳄梨）以及表皮凹陷等问题[46]。将辐照与生物保鲜剂组合应用，一定程度上可降低辐照剂量，同时发挥生物保鲜剂保藏过程中长期持水、抑菌的作用。杨伟等[47]发现海藻酸钠涂膜组合60Co-γ辐照处理乐陵小枣，失重率较单一辐照处理降低12.9%，保藏105 d后仍然无明显皱缩。其次，利用辐照对壳聚糖等生物保鲜剂进行降解，可提升抑菌性能。陈浩等[48]将壳聚糖经0~200 kGy的60Co-γ射线辐照降解后，涂膜保鲜砂糖橘、圣女果、金桔，发现对比未辐照的壳聚糖，可显著降低3种水果的失重率、腐烂率，保质期从9 d提高到18 d，且分子量越低效果越好。同样，在新高梨[49]、草莓[50]的保鲜研究中，也表明壳聚糖经辐照降解成更小分子量后的保鲜效果更佳。但是，这种组合处理果蔬会一定程度上提高微生物对辐照的抗性[46]。
2.5 组合紫外照射
紫外线（UV）照射可高度增强生物活性化合物和抗氧化酶活性[51]，具有很强的杀菌性能[52]，但UV穿透能力较弱，单一处理仍然难以满足保鲜需求。Vurmaz等[53]发现，UV-C（200~280 nm）与丁香精油组合后处理柿子表面可减少黑曲霉0.68 lg CFU/cm2，较单一UV-C杀菌效果照射增长一倍，且保藏7 d后霉菌数量仍显著低于后者。Abdipour等[54]使用UV-B（280~320 nm）、UV-C和壳聚糖（CS）复合处理甜樱桃，结果表明UV/CS处理较单一处理，显著抑制了甜樱桃果实硬度、总花青素含量、抗氧化能力的下降及果实失重率和可溶性固形物的增加。刘容等[55]采用3.0 kJ/m2剂量的UV-C照射和质量浓度1.0%壳聚糖涂膜处理鲜切淮山，在抑制呼吸强度、杀菌效果、总酚含量等方面较单一UV-C照射处理增加了50.3%、25.2%、66.9%。即使能量较低的UV-A（320~400 nm）与ε-聚赖氨酸组合处理鲜切菠菜，在感官、失水率、微生物、抗氧化等方面也都显著优于单一UV-A循环照射，保鲜期由8 d延长至12 d[56]。这些研究都表明，UV组合生物保鲜剂具有协同效应，是延长其果蔬保鲜期的一种有效方法。
2.6 组合微波技术
微波的非热效应可以使微生物体内的物质发生变异而失活，导致微生物死亡，同时具有延缓衰老、维持原有品质的作用[57]。发挥微波与生物保鲜剂的各自优势，可更好地维持果蔬品质、延长保鲜期。顾仁勇等[58]将微波与纳他霉素-魔芋胶涂膜液组合处理新鲜板栗，保藏至70 d时，降低的呼吸强度约为单一处理的2倍，腐烂率仅为单一处理的三分之一；同时发现，板栗虫害率和质量损失率的下降分别与微波、涂膜相关，说明二者具有互补作用。黄文部[59]研究了微波结合多种植物精油处理鲜切西兰花，发现肉桂精油清洗西兰花后再经300 W微波处理40 s能够钝化POD活性，维持VC、总酚、总黄酮、可滴定酸的含量，减缓叶绿素分解，改善西兰花的气味。低功率微波可有效避免热效应，其与生物保鲜剂组合的保鲜技术也值得更进一步研究。
2.7 组合超声波技术
超声波的空化作用可以去除果蔬表面的微生物，同时破坏微生物的细胞壁及细胞膜结构而使微生物死亡，如抗性弱的大肠杆菌及体积较大的啤酒酵母菌[60]。同时，超声波还能激活丙氨酸转氨酶抗氧化防御机制增加抗氧化性，钝化多酚氧化酶降低褐变，抑制纤维素酶、果胶甲酯酶减缓组织软化，有效地提升了贮藏价值及商业价值[61]。但是，超声波短时间处理对有害微生物的杀灭效果有限，而处理时间过长，则会促进果胶的分解，造成表皮损伤、组织软化和营养流失[1, 62]。在莴苣的保鲜研究中，26 kHz超声波组合0.018%百里香精油、牛至精油的杀菌效果较0.018%精油处理显著增强，能够延长保鲜期约5 d[63]。刘伟等[61]将2.0%乳酸溶液作为清洗液，在室温条件下以40 kHz的超声波清洗生菜5 min，和单一超声波处理组相比，大肠杆菌含量进一步下降至2.75 lg CFU/g。因此，将超声波技术组合生物保鲜剂具有研究价值和应用前景。
2.8 组合其他物理技术
生物保鲜剂还可以与超高压、高压脉冲电场（PEF）等物理技术组合应用于果蔬保鲜。生物保鲜剂组合超高压技术的应用一定程度上可降低压力值，改善超高压带来的失水、氧化、淀粉和蛋白质分解、色素化合物变化、酶促反应[64]等不良影响，提升耐高压果蔬（榴莲泥[65]、板栗[66]等）的感官品质和保鲜期。PEF与生物保鲜剂（Nisin、溶菌酶、片球菌素、有机酸、丁香油等）联合使用可扩大抗菌剂的作用范围，在产品稳定性和安全性方面具有优势[67]。这些组合技术仍然需要进一步研究。
综上所述，生物保鲜剂与物理保鲜技术应用于果蔬保鲜能够增强抑菌杀菌效果，延缓劣变，提升品质，延长保鲜期，具有重要的价值和意义。但是，二者组合后也存在一定的不足之处，可能会一定程度上制约组合技术的应用，需要特别关注（表2）。
表 2 生物保鲜剂组合不同的物理技术应用于果蔬保鲜的优势与不足Table 2. Advantages and disadvantages of bio-preservatives combined with physical technologies applied in fruits and vegetables物理保鲜技术 主要应用范围 组合后的优势 组合后的不足 低温 水果、蔬菜、食用菌 延缓褐变、软化，提升抗氧化能力，延长保鲜期 保鲜剂带来气味、滋味的变化 气调 水果、蔬菜、食用菌 抑菌杀菌，延缓褐变，延长保鲜期 部分保鲜剂会加重异味和褐变 臭氧 水果 抑制腐烂，维持颜色，延缓劣变，降低了臭氧的浓度 机理及安全性不明 辐照 水果 增强抑菌杀菌效果，降低辐照的使用剂量 保鲜剂可能会增强微生物的抗性 紫外 水果 增强杀菌效果，抑制硬度、抗氧化能力、失重率的下降 作用于表面，紫外降低保鲜剂抑菌活性 微波 蔬菜、坚果 降低呼吸强度，延缓褐变，改善气味 仍然无法避免热效应 超声 蔬菜 提升抑菌杀菌效果，延长保鲜期 作用于表面，杀菌效果提升有限 超高压 坚果、果泥 抑菌杀虫，延缓氧化、变色、失重，降低超高压的不利影响 先涂膜再超高压处理，应用范围有限 3. 总结与展望
生物保鲜剂与物理保鲜技术均具有安全、高效、无污染的特点。二者组合应用不仅可以充分发挥各自的优势，还能弥补各自的缺陷，保鲜效果较单一技术提升显著。随着人们对果蔬安全和新鲜度重视，生物保鲜剂与物理保鲜技术组合应用的优势和应用价值会越发明显，前景也非常广阔。同时，未来生物保鲜剂结合物理保鲜技术的应用研究需要重点关注以下几方面：生物保鲜剂结合物理保鲜技术协同增效机制的研究；生物保鲜剂带来的感官等不利影响，及结合物理保鲜技术后可能引发的有害微生物抗性提高等深层次问题；与新型物理保鲜技术结合，尤其是低温等离子电场等非热杀菌技术；满足智能保鲜设备的需求，不断推动果蔬保鲜技术的自动化、智能化。
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图 1 2013~2019年国内公开的100篇生物保鲜剂专利中的主要成分
Figure 1. Main components in 100 patents of bio-preservatives published in China from 2013 to 2019
表 1 生物保鲜剂组合低温保鲜在果蔬中应用的部分研究成果
Table 1 Some research results of bio-preservatives combined with low temperature preservation in fruits and vegetables
果蔬名称 组合工艺 组合后较单一物理技术提升的效果 参考文献 毛竹笋 1.5%壳聚糖+低温保鲜 30 d时失重率及过氧化物酶（POD）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）
活分别降低50%、30%以上[17] 砂糖橘 1%壳聚糖组合1 ℃保藏 延缓膜脂过氧化、冷害，保藏35 d后的好果率提高了38% [18] 黄秋葵 1%壳聚糖涂膜后9 ℃冷藏 叶绿素和VC含量上升了47.17%、1.92倍，呼吸强度峰值延缓9 d [19] 生菜 百里香精油涂抹后6 ℃冷藏 保鲜12天后色泽、品质可接受 [20] 双孢菇 植物乳杆菌GIM1.191发酵液处理后，
聚乙烯膜包裹4 ℃冷藏护色，抑制总酚的积累和PPO活性，同时降低H2O2含量和提高抗O2-·活力，
提高POD和过氧化氢酶（CAT）活性[21] 无花果 2%壳聚糖涂膜后3 ℃冷藏 显著抑制可溶性固形物含量下降、水分散失、软化和还原糖的降解 [22] 双孢菇 没食子酸接枝壳聚糖（GA-g-CS）
涂膜后4 ℃保藏显著降呼吸速率、褐变程度、超氧阴离子产生速率和过氧化氢含量，
抗氧化能力显著提升[23] 双孢菇 50%芦荟胶涂膜后4 ℃保藏 显著降低了褐变程度、失重率和PPO活性 [24] 樱桃 ε-聚赖氨酸盐酸盐/壳聚糖复合涂膜
再放置4 ℃保藏减缓樱桃中可滴定酸和Vc含量的降低，改善樱桃的硬度和色泽 [25] 薇菜和蕨菜 茶多酚、川陈皮素、壳聚糖复合保鲜剂
喷洒处理后4℃保藏延长贮藏期5~7天，减少了营养成分和水分的流失，抑制PPO、POD的活性 [26] 
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表 2 生物保鲜剂组合不同的物理技术应用于果蔬保鲜的优势与不足
Table 2 Advantages and disadvantages of bio-preservatives combined with physical technologies applied in fruits and vegetables
物理保鲜技术 主要应用范围 组合后的优势 组合后的不足 低温 水果、蔬菜、食用菌 延缓褐变、软化，提升抗氧化能力，延长保鲜期 保鲜剂带来气味、滋味的变化 气调 水果、蔬菜、食用菌 抑菌杀菌，延缓褐变，延长保鲜期 部分保鲜剂会加重异味和褐变 臭氧 水果 抑制腐烂，维持颜色，延缓劣变，降低了臭氧的浓度 机理及安全性不明 辐照 水果 增强抑菌杀菌效果，降低辐照的使用剂量 保鲜剂可能会增强微生物的抗性 紫外 水果 增强杀菌效果，抑制硬度、抗氧化能力、失重率的下降 作用于表面，紫外降低保鲜剂抑菌活性 微波 蔬菜、坚果 降低呼吸强度，延缓褐变，改善气味 仍然无法避免热效应 超声 蔬菜 提升抑菌杀菌效果，延长保鲜期 作用于表面，杀菌效果提升有限 超高压 坚果、果泥 抑菌杀虫，延缓氧化、变色、失重，降低超高压的不利影响 先涂膜再超高压处理，应用范围有限
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