果蔬机械损伤是指水果和蔬菜在采收、贮藏、包装、运输和销售等环节中,由于外力作用造成的物理损伤,如摩擦、挤压、摔打、割伤等。机械损伤会影响果蔬的质地外观、营养成分,增加微生物侵染几率,严重影响鲜活产品的质量和保质期[1]。由于目前许多水果和蔬菜的销售链较长,机械损伤是一个常见的问题,也是导致新鲜园艺产品降级和采后损失的主要物理缺陷之一[2]。因此,了解机械损伤机制并实施适当的控制方法,以最大限度地减轻果蔬品质劣变至关重要。
机械损伤会触发一系列果蔬自我保护和修复的生物学反应,影响果蔬外观(见表1),降低产品品质。机械损伤会引发呼吸速率和乙烯释放加快,加速果蔬的成熟和营养物质消耗。损伤也会使水分流失加剧,使得被微生物侵染的概率增加。果蔬内部有两套抗氧化防御系统,一类为非酶系统一类为防御酶系统,而机械损伤会导致果蔬内部氧化爆发。非酶系统主要有酚类抗坏血酸和维生素E 等。果蔬受到机械损伤时,不断积累的总酚类黄酮和木质素可以通过清除活性氧对果蔬进行愈伤,并一定程度上导致了果蔬的酶促褐变[3],伤口处可见黑色物质的积累。防御酶系统是通过酶对活性氧的清除作用来缓解活性氧对细胞的毒害作用。多余的活性氧积累到细胞膜上会使膜脂的饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的比例改变,细胞膜水解产生磷脂酸(phosphatidic acid,PA),PA 作为第二信使可触发一系列防御反应[4]。为了解机械损伤对果蔬的影响,本文对果蔬机械损伤发生的生物学机制进行综述,以选择适当的控制方法减少机械损伤的发生和影响。
表1 机械损伤对不同果蔬外观的影响
Table 1 The effect of mechanical damage on the appearance of different fruits and vegetables
果蔬种类草莓试验方法振动试验台(模拟运输)处理条件设计随机振动参数;振动1 h(模拟10 h 公路运输)损伤程度3 d:出现水渍斑,局部颜色变暗,出现萎缩现象5 d:大面积褐变,水渍斑较多,萎缩状况严重静置24 h:伤口面积:近4.00 cm2伤口深度:约0.20 cm 96 h:机械伤程度:4.29%腐烂程度:7.14%萎蔫程度:14.29%参考文献[3]苹果损伤指标褐变面积萎缩程度水渍斑数量损伤面积损伤深度[4]甜椒腐烂程度损伤程度萎蔫程度挤压处理(PT-8216B 型包装抗压试验机)模拟运输振动(模拟沥青路面)[5]胡萝卜机械伤程度萎蔫缩水变化冻伤程度电动机驱动振幅调节装置(模拟沙石公路路面)96 h:机械伤程度:15%萎蔫缩水程度:20%冻伤程度:5%3 d:1.5 m 损伤番茄硬度、果皮亮度下降最快6 d:1.5 m 番茄硬度下降至最初约0.5 倍,最先出现转色现象0°10 d:3 组20°、40°、60°跌落角度损伤面积分别为232.1、766.5、1 558.0 mm2;60°组电导率较初始值增加13.38%m①输送速度20 mm/s m/s当量弹性系数2 N/mm 时:损伤率3.3%;当量弹/mm性系数5 N/mm 时:损伤率17.0%②当量弹性系数2 N/mm输送速度25 mm/s 时:损伤率6.7%;输送速度30 mm/s 时:损伤率10.0%[5]番茄跌落处理[6]梨软化程度果皮亮度果皮色调角值变化褐变面积相对电导率(膜损害程度)单摆碰撞装置(机械伤处理)[7]菠菜塑性变形量损伤率菠菜夹持输送试验台(模拟采收、输送过程)加压速率:1 mm/min加压至72 N时间:10~12 min电动机频率:4.2 Hz振动频率:50 次/min振幅:2.8 cm加速度:0.5 g温度:11 ℃湿度:90%电动机频率:4.2 Hz振动频率:50 次/min振幅:5.6 cm加速度:1.2 g温度:0 ℃湿度:90%高度:0、100、150 cm地面:大理石跌落:自由跌落温度:25 ℃跌落角度:20°、40°、6碰撞次数:1 次部位:果实赤道部位温度:室温(20 ℃)夹持轮初始间距:10 m输送速度:20、25、30 m当量弹性系数:1、2、5 N[8]
果蔬经机械损伤后常常因酶促反应发生褐变现象,即在有氧条件下,酚酶催化酚类物质形成醌及其聚合物的反应过程[9]。当果蔬细胞膜脂完整性受损时,细胞内活性氧等损伤信号分子积累,激活多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)的活性,与此同时,果蔬组织中的多酚氧化酶和其底物(多酚类物质)解除物理隔离,从而激发酶促褐变反应[10]。研究发现,与0 N 和40 N 压缩力组相比,在80、160、320 N 和640 N 的压缩力下,采摘的苹果褐变度显著增加约2 000 倍,且苹果的褐变度随贮藏时间和压缩力的增加而增大[11]。
细胞膜主要由磷脂构成,能够控制物质进出细胞,保证膜内环境相对稳定。当植物细胞膜受到机械损伤时,磷脂酶C(phospholipase C)会快速水解肌醇磷脂产生一些次生代谢产物如二酰甘油、肌醇三磷酸和游离脂肪酸等,这些物质在植物对生物胁迫的反应中具有重要作用[12-13]。然而,磷脂酶D 和磷酯酶A1 的过度水解可能会引起细胞膜的破坏和破裂,导致细胞对外界环境的透水性和透气性增强,引发细胞膜的功能障碍。随着受损组织或死亡细胞的角质、寡聚半乳糖醛酸、腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)和DNA等内源性损伤相关分子模式的释放,这些分子被植物细胞表面受体,如受体样激酶(receptor-like kinases,RLK)家族等感应,触发早期的二级信号以产生模式触发免疫[14]。而活性氧等二级信号分子的过量积累能进一步增加膜的透性,使内含物外渗[15],损伤DNA、脂类、蛋白等生物大分子,最终导致细胞死亡和果蔬品质劣变。
愈伤呼吸(wound respiration)亦称伤呼吸或创伤呼吸,指植物组织在受到机械损伤时呼吸速率显著增高的现象[16]。创伤引起的呼吸作用增强与呼吸途径中酶的合成有关,糖酵解途径中的ATP 依赖性磷酸果糖激酶的合成,以及有氧呼吸增强过程中的线粒体结构和数量变化。愈伤呼吸还与细胞膜α-氧化,伤乙烯合成,氧化应激引起的褐变,以及苯丙氨酸氨解酶等植物防御性蛋白酶的合成过程相关[17]。受到机械损伤的果蔬呼吸速率会显著增加,并随着损伤程度的增加而进一步加强,机械损伤甚至还会导致某些果蔬组织呼吸途径发生改变。王艳颖等[18]在对采后富士苹果损伤的研究中发现,受到机械损伤后的富士苹果呼吸强度显著提高,并与温度呈正相关。伤害部位的有机酸、VC以及总糖含量迅速下降,贮藏过程中损伤部位的营养成分均出现上升、下降的反复过程,说明受伤组织具有提高代谢水平、快速消化伤害部位营养成分、实现自我修复的功能。机械损伤如瘀伤或割伤都会对芒果的品质产生负面影响,使成熟芒果中出现由贮藏过程中生化紊乱和非水解淀粉沉积导致的干燥海绵状组织,“海绵组织”部位呈现pH 值、VC 含量以及β-胡萝卜素含量降低的现象,淀粉酶和蔗糖酶活性也发生改变[19]。
失水是鲜果行业中果蔬采后的普遍现象,机械损伤会导致果蔬失水加速。在采收前或采收过程中机械损伤对新鲜农产品外皮蜡质的损坏会导致外皮透气性、湿气通量增加以及贮藏过程中的水分损失[20]。研究发现,传统方法(使用带钩杆)采摘的葡萄柚会因落地冲击而受损,导致其水分流失较改进方法(使用带环状长布袖杆)采摘的增加了51%。此外,对于亚洲油菜而言,切断主根的采摘方式会造成采摘伤口过大,相较于轻微切割基部叶柄进行收割的方式,水分流失问题更为显著。采摘伤口引起的水分损失量占总水分损失的20%,而且水分损失随着损伤程度的增加而增加[20-21]。机械损伤引起的水分损失会引发水果的枯萎、皱缩、褐变,损害水果的口感、风味,加速衰老过程。
果蔬组织遭受机械伤害会造成乙烯释放量增加,即伤乙烯的生成[22]。伤乙烯的含量会受到果实的成熟度和种类的影响,水果自身也会产生乙烯,并在受到损伤时进行调控。Spricigo 等[23]研究发现,即便是肉眼不可见的机械损伤也能导致番茄果实乙烯含量明显增加。伤乙烯的产生会进一步刺激愈伤呼吸作用,促进酶的活性,致使果蔬中营养消耗加速,如柑橘果皮切片的乙烯释放量比完整果实高100 倍以上,且能维持40 h之久。在贮藏运输过程中,少数果实因机械损伤导致呼吸速率上升和伤乙烯生成,会启动内源乙烯的自动催化,其结果不仅促使本身提前成熟,还促使整个包装箱(库)的果实的乙烯自我增加值达到阈值以上,提早衰老成熟,严重时全部腐烂[24]。
水果软化是决定其货架寿命和商业价值的重要因素,果胶裂解酶(pectate lyase,PL)是引起番茄果实软化的主要原因之一[25]。拟南芥果胶裂解酶基因(AT2G15470、AT2G40310、AT4G13760、AT1G17150 和AT3G07830)在受伤应激期间上调表达1.28 倍至1.47倍[26]。机械损伤会影响果实中水解酶的活性,加快细胞壁结构破坏,使果实硬度降低且软化。目前发现参与细胞壁水解的酶有半乳糖醛酸酶(polygalacturonase,PG)、果胶酯酶(pectinesterase,PE)、果胶裂解酶、β-半乳糖糖苷酶(β-galactosidase,β-Gal)等。纪锋等[27]发现,哈密瓜果实中的PE 酶会随着机械损伤的发生进一步积累,加速果胶水解。果实的硬度是关系到口感的一个重要指标,适度的软化有助于增加商品品质,但伤乙烯可能会促使成熟果实过度软化,造成商品品质丧失。
酸性各酚类物质含量的增加是果蔬对机械损伤最常见的防御响应现象之一[28]。机械损伤引发的酚代谢涉及两种类型的反应:一种是由于细胞膜破裂导致现有的酚化合物被氧化,使酚化合物与氧化酶系统结合,另一种反应涉及合成单体或聚合酚化合物以修复伤口损伤。Surjadinata 等[29]研究表明,破碎等强烈的机械伤害(23.5 cm2/g)导致胡萝卜中可溶性酚类物质和抗氧化能力比整根胡萝卜增加了2.5 倍和12.4 倍。机械损伤引起了胡萝卜中主要的绿原酸(chlorogenic acid,5-CQA)和3,5-二咖啡酰奎宁酸的合成。多酚混合物中5-CQA 比例的提高虽然导致胡萝卜特定抗氧化活性的增强,但3,5-二咖啡酰奎宁酸也被称为二咖啡酸,具有一定的苦味。切碎的西兰花中儿茶素、羟基苯甲酸、咖啡酸、儿茶素没食子酸酯、丙烯酸、肉桂酸和槲皮素显著积累,其含量分别较对照组增加了1.0、1.4、4.6、3.1、43.4、4.8 倍和14.2 倍,说明机械损伤有助于提高受伤西兰花的抗氧化能力和细胞水平的多酚类营养物质含量[30]。不过,没食子酸、槲皮素和鞣花酸等果蔬次级代谢产物的增加,可能会给西兰花带来苦味,而鞣花酸、儿茶素和花青素等还会为果蔬带来涩味。
引起鲜活果蔬污染的微生物主要为腐生性病原真菌(necrotrophic pathogens)和少量细菌,通常表征为采后腐烂。腐生性病原真菌可以利用果蔬的营养物质进行生长繁殖,主要侵染采后果蔬产品,并通过传播到达健康个体或伤口部位再次引起新的侵染[24]。常见的弱寄生性真菌包括青霉菌、曲霉菌和灰霉菌等,它们会使果蔬表面出现霉斑,逐渐使果蔬腐烂变质,丧失商品属性。研究表明,腐生性病原真菌利用3 个主要途径侵入寄主组织:通过机械伤口;通过天然开口,如气孔、茎尾和果梗;通过直接破坏寄主表皮[31]。黄敏等[32]研究发现,机械损伤(用不锈钢打孔器在香蕉中轴部位内外侧戳伤)给病原微生物浸染香蕉提供了机会,贮藏14 d后腐烂可达66.27%,造成香蕉在贮运过程尤其是贮藏后期的严重损失。新鲜伤口容易受致病菌侵染,推迟伤口与病菌接触,将使伤口有足够时间产生抗病性。损伤后的苹果接种扩展青霉菌越迟,伤口坏死半径差和腐烂率越低。愈伤7 d 后的苹果接种病原菌,苹果伤口已经有很强的抗青霉菌的作用[33]。
果蔬机械损伤控制技术是一种针对果蔬在收获、运输、贮藏和加工过程中可能受到的机械损伤进行控制的技术。其主要目的是减少果蔬在这些过程中产生的机械损伤和品质损失,从而保证果蔬产品的质量和营养价值。该技术主要包括采取合理的收割和运输方式、设计保护性包装、选择合适的机械设备、使用生物保鲜剂等方面,能够提高果蔬的质量和市场竞争力,降低生产成本和损失。
2.1.1 减少、保护切割伤口与瘀伤
切割伤口是鲜活果蔬采后水分损失和重量损失的主要原因之一,避免或减少采收造成的切割伤口可有效控制部分果蔬,特别是叶菜类果蔬的机械损伤[21]。邵洋洋等[34]研究发现,双孢菇采收时,采用不切根方式能够延缓其采后褐变和软化变质,并抑制双孢菇贮藏后期异戊醛、3-辛酮含量增加,以减轻其风味劣变。浆果类果蔬产品一般在清晨等温度较低的环境下采收为宜,采收时轻拿轻放,不要擦去葡萄、蓝莓等果实表面的果粉或碰伤果皮。蓝莓外表皮蜡质损伤程度越低,越有利于采后贮藏品质的保持以及货架期的延长[35]。葡萄果梗通常被认为是葡萄新鲜度的一个重要指标。新鲜的葡萄果梗通常是青绿色、柔软而有弹性的,而切割伤口的外在暴露使葡萄果梗极易干枯褐变,进一步影响葡萄果粒的水分含量与品质。集贤等[36]研究发现,低温和套袋对于抑制果梗的褐变、细胞膜透性的增加和PPO 活性的增加,以及减缓叶绿素含量的降低有很好的作用。套袋处理相同部位葡萄果梗的耐拉力和叶绿素含量显著高于不套袋处理,褐变指数和果梗细胞膜透性显著低于不套袋处理。目前,已经出现了一些单独针对葡萄果梗伤口的保护方法,如包膜和使用伤口愈合剂等,护绿防褐变效果较佳,但这些方法仍有技术升级空间。
2.1.2 优化机械采摘、传感技术及算法
使用摇晃和捕捉系统进行大规模收获,可能会在摘取和收集果实的操作中及摔落至无缓冲表面时导致果实受伤,机器采摘、分级、抓取等过程中过大的抓握力会使果实受损,因此需要调整机器采摘机械手的抓握力,开发新的接捕机制,以及通过增加缓冲材料和减少摔落高度等方式,来降低果实在采摘过程中的损伤[37-38]。桩式摇树机在采摘食用橄榄时存在采收效率低和果实易损伤的缺点。当树干振动参数被设定在183.4 m/s2 的加速度值以上时,机械采摘导致的水果损坏率比手工采摘增加了3.5 倍。调整振动参数、限制机器功率、修剪树冠以减小体积并促进振动传输到水果,以及进行有效的采后田间处理来保持水果的品质,都是确保振动采摘系统成功应用于绿橄榄的关键[38]。此外,随着传感技术和自动化技术的快速发展,例如新型传感器、嵌入式系统和机器学习算法,有利于水果的可见性和可操作性,能够有效预防采收摩擦损伤与冲击损伤,实现用于新鲜市场的果蔬采摘机器人的生产与商业化[39]。对于一些容易受机械伤害的植物,还可以采用人工收割和运输的方式。
随着人们对于新鲜水果、净菜和预制菜需求量的增加,采摘和采后处理操作中对于大规模机械化设备的需求也不断增加,而这些机械设备操作引起的静力和动力作用使水果容易受到机械损伤[40]。
升级净菜、预制菜加工装备与技术。在确保清洗干净的前提下,降低蔬菜损伤率、且易于后续整理包装的清洗技术,是当前的研究重点方向之一。预制菜中的即配食品,经清洗、分切等初步物理加工而成的小块肉、生鲜净菜等,依然存在食品安全问题和产品口感还原度较差问题,例如:滚筒式清洗机内壁有筋肋,在增加洁净度的同时也增加了物料损伤风险,只能适用于果皮较厚、不易损伤的圆形或者椭圆形果蔬;毛刷清洗机是茄果类、根茎类蔬菜清洗常用设备,但是不适用于清洗叶菜和表皮脆弱的果蔬[41]。这些即配食品需要选择合适的加工装备,升级加工和包装技术以减少机械损伤对预制菜产业带来的干扰。土豆、芋头、荸荠、胡萝卜、甘薯、甘蔗、菠萝、西瓜等净化加工需要去皮,甚至需要切分成规定的大小和形状,采用升级优化后的去皮方法与技术,可以在很大程度上减轻因机械损伤而导致的果蔬细胞壁的破坏,避免细胞液外流,降低微生物繁殖和酶促反应发生的可能性[42]。
2.3.1 控制运输过程中的振动损伤
从农场到零售店之间的运输振动带来的静载、挤压、振动、跌落、冲击等多种载荷作用是导致新鲜水果机械损伤的主要原因之一[43-44]。Zhou 等[43]研究发现,运输过程中卡车上不同位置的梨的损伤程度显著不同,容器顶部的梨比容器底部的梨受损更严重。此外,不同振动水平均会造成一定程度的机械损伤,影响梨皮细胞的质膜完整性和梨组织细胞壁的多糖组分含量,从而导致梨在运输后商业化过程中的颜色变化和软化。张兴军[45]在对香蕉运输小车稳定性的研究中采用的履带式运输小车,越野性能好,转弯半径小,有利于车辆在运输过程中保持稳定。
2.3.2 设计保护性包装
适当的包装设计系统和良好的包装可以为农产品提供重要的保护,以防止挤压危害,减轻果蔬产品在运输和贮藏过程中所面临的机械损伤风险。Fadiji 等[46]发现包装设计会影响苹果挫伤的发生率和严重程度。两种瓦楞纸板(MK4 和MK6)包装,对于振动的递性范围在100%~250%,在较高长高比的MK4 包装中,苹果果实的损坏较少。李春飞[47]在模拟运输条件下箱装果品的损伤研究中发现,采用衬垫加隔档的缓冲结构对苹果的保护性最好。同时,在包装设计时还需要考虑到调整产品的堆放方式和数量,避免产品受到垂直压力等问题,利用能够承受多次堆叠的坚固包装有助于最小化这种危险,从而减少农产品损坏的发生和程度[48]。此外,通过适合的包装可防止或减轻加工果蔬暴露于空气中发生的失水萎蔫、切断面褐变等问题。然而,果蔬种类、包装材料的厚薄、透气率大小以及真空度的高低都会影响包装效果。
温度是果蔬采后保持品质的最重要因素之一。低温能够延缓易腐烂果蔬的以下腐败因素:与成熟相关的老化、软化、质地和颜色变化;不良代谢变化和因细胞呼吸氧化分解糖、脂肪、蛋白质产生的热量;水分流失和由此引起的萎缩;由细菌、真菌和酵母侵袭引起的腐败、不良生长现象,如马铃薯的发芽[49]。以上果蔬贮藏问题均能够通过低温延缓,与机械损伤引起或加重的品质劣变现象相重叠,即低温也能延缓机械损伤带来的危害。谢佳妮等[50]研究发现,将贮藏温度从20 ℃降低到8 ℃,能减少机械损伤对鲜切胡萝卜的不良影响,延缓损伤激活的呼吸速率、硬度和总酚含量等相关指标的变化。当果肉温度为24 ℃时,草莓对机械损伤最为敏感,随着果肉温度的降低,草莓对机械损伤的敏感性减弱,可以减少60%的损伤体积量[51]。不过值得注意的是,贮藏加工果蔬的温度并非越低越好,需要选择合适的低温贮藏鲜活果蔬,预防低温冷害与机械损伤叠加作用加重果蔬损失率。相比之下,1 ℃温度下的草莓受到了更严重的机械损伤,其瘀伤体积增大了93%[51]。此外,预冷方式对于机械损伤的影响存在显著差异。Toivonen 等[52]认为,苹果采摘后对其进行快速空气冷却,有助于苹果在采摘中发生的轻度瘀伤完全愈合,而Ferreira 等[51]认为水冷冷却更有助于减轻果实机械损伤,强制气流冷却的草莓具有更大的瘀伤体积。
为减轻果蔬机械损伤,可以采用羧甲基纤维素等可食性涂膜,以及生物保鲜剂等进行处理,减少微生物感染和氧化反应,帮助果蔬快速恢复。Saba 等[53]发现羧甲基纤维素抗坏血酸涂膜抑制了苹果片的褐变,保持了果肉的坚硬度,并减少了可溶性固形物含量、可滴定酸度和pH 值的变化。海藻酸钠-羧甲基纤维素-洋葱废弃物提取物活性包装膜能有效控制鲜切苹果和土豆的褐变指数、硬度和失重率[54]。
使用乙烯抑制剂1-甲基环丙烯(1-methylcyclopropene,1-MCP)等延缓果蔬的成熟和腐败,也可以减缓机械损伤的发生。Li 等[55]发现1-MCP 处理前后均延缓了损伤果实硬度、总可溶性固形物(total soluble solid,TSS)含量和可滴定酸(titratable acidity,TA)含量的下降。1-MCP 的使用也减小了瘀伤体积。腐胺、亚精胺等外源多胺也具有延缓果实衰老、提高果实硬度和抗碰伤性、延长果实贮藏期等重要生理功能。腐胺和赤霉素处理商业成熟阶段的桃果实,有效降低了果实受机械压缩损伤的易感性,损伤区域的体积和表面积更小,而且处理后果实的乙烯排放量和呼吸速率降低[56]。番茄果实遭受机械损伤后质量减少3% 以上,且伤口愈合期间果实质量损失持续增加,经脱落酸处理,果实较对照组和脱落酸合成抑制剂氟啶草酮处理组失重情况显著减轻[57]。此外,抗坏血酸、苯甲酸钠、氯化钙等抗氧化剂和抗菌剂以及一些植物源制剂,也可以减缓果蔬的衰老和腐败过程,从而减少机械损伤带来的进一步损害。
随着社会科技的发展以及消费者对优质果蔬、鲜切果蔬和预制菜等产品需求的提高,机械损伤正逐步成为显著的鲜活果蔬贮藏与加工产业发展的瓶颈之一。例如:鲜活枸杞、蓝莓等浆果保鲜期短,采收、运输等过程中机械损伤严重的问题依然存在,限制了鲜活浆果反生产季节存储与跨地域销售。选取恰当的采收方式、加工装备与技术升级、控制振动损伤与设计保护性包装、选择合理的贮藏温度与预冷方式以及采用可食性涂膜与生物保鲜剂等策略,能够有效减少机械损伤的发生,对维持果蔬的营养品质和延长货架期具有重要意义。此外,随着机械化装备和技术的不断进步与广泛应用,未来果蔬机械损伤控制技术的发展方向将会更加注重智能化、科学化和实用化。例如,运用智能算法控制技术,有效避免操作不当、误操作和意外导致机械损伤的发生,对果蔬损伤的程度和位置进行监控,进而调整运行程序和参数;利用图像识别等机器视觉技术,对果蔬的外形进行探测,开展智能分级、无损检测、按需包装等作业,提高果蔬的加工效率,为消费者提供更高质量的果蔬产品等。通过不断深入的科学研究和技术创新,未来果蔬机械损伤控制技术将不断进步,满足消费者对农产品高品质、安全、方便的需求,为果蔬生产和食品加工业的发展带来更大的推动力。
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Effect and Control Methods of Mechanical Damage on Postharvest Quality of Fruits and Vegetables