詹麗娟，馬亞丹，張翠翠

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州，450002)

發(fā)光二極管(lighting emitting diode，LED)是一種直接把電轉(zhuǎn)化為光、能夠發(fā)出可見光和眾多單色光質(zhì)的半導(dǎo)體發(fā)光器件[1]。由于其波長類型豐富、光譜范圍正好與植物光合成和光形態(tài)建成的光譜范圍吻合，并可按照需要組合獲得純正單色光與復(fù)合光譜，因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物和園藝作物采前生長發(fā)育調(diào)控[2]。最近研究發(fā)現(xiàn)LED照射處理對園藝作物采后貯藏保鮮有顯著的調(diào)控作用[3-10]，而且與傳統(tǒng)的化學(xué)試劑保鮮方法相比，LED照射處理作為一種新興的物理保鮮方法，具有操作簡單、成本低廉、無毒害、無副產(chǎn)物殘留、對環(huán)境友好等其他保鮮方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)[3-4]，完全滿足現(xiàn)代生產(chǎn)者和消費(fèi)者對營養(yǎng)、安全和環(huán)保型食品的需求。盡管如此，目前國內(nèi)外對LED照射技術(shù)在果蔬采后保鮮中的研究和應(yīng)用還處于探索階段，主要集中研究不同光質(zhì)、光照強(qiáng)度和光照周期對果蔬采后營養(yǎng)品質(zhì)和生理變化的影響[5-10]，而對LED照射技術(shù)的保鮮機(jī)制更是知之甚少，尚無一致結(jié)論。有關(guān)LED照射技術(shù)保鮮果蔬的綜述文獻(xiàn)更少見報(bào)道[3，6]，為此，本文首先簡要介紹LED特性及可能的保鮮機(jī)制，重點(diǎn)綜述LED照射技術(shù)調(diào)控果蔬采后生理生化(色澤、失重率、呼吸強(qiáng)度、相關(guān)酶活性)和營養(yǎng)品質(zhì)(VC、可溶性糖、酚類物質(zhì)、抗氧化力)變化，并對其可能的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行分析討論，最后對當(dāng)前LED保鮮技術(shù)的研究應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行解析，以期為相關(guān)研究者和應(yīng)用企業(yè)提供有價(jià)值的參考資料。

1 LED特性和可能的保鮮機(jī)制

1.1 LED特性

LED是一種固態(tài)的半導(dǎo)體發(fā)光器件，在半導(dǎo)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，能夠直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、紫、白色的光，發(fā)光器件是由無毒的材料組成，眩光小，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源[4-5]。和傳統(tǒng)的高壓鈉燈與熒光燈相比，LED燈具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)節(jié)能高效：LED光電轉(zhuǎn)換效率高，其光能利用率達(dá)到了80%～90%，消耗的電量僅是白熾燈的1/8、日光燈的1/2；(2)光質(zhì)純，波長類型豐富：可按照需要組合獲得純正單色光與復(fù)合光譜，集中特定波長的光均衡地照射作物；(3)產(chǎn)生熱量少：LED是新型的冷光源，與相同功率的傳統(tǒng)照明光源相比，LED的發(fā)熱量要低很多，近距離照射果蔬時(shí)，不會因?yàn)闇囟冗^高導(dǎo)致果蔬組織腐爛。(4)綠色環(huán)保：LED是由無毒無害的原料組成的光源，不含鉛、汞等污染元素，對環(huán)境沒有任何污染，也能夠回收再利用，十分環(huán)保[6-7]。

1.2 LED照射調(diào)控果蔬采后保鮮的可能機(jī)制

當(dāng)前文獻(xiàn)主要研究不同光質(zhì)、光質(zhì)配比、照射強(qiáng)度及照射周期對果蔬采后生理生化和品質(zhì)變化的影響，有關(guān)LED照射技術(shù)對果蔬采后保鮮的調(diào)控機(jī)理討論較少，且無明確的結(jié)論。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)歸納其可能的作用機(jī)制是：(1)促進(jìn)采后果蔬繼續(xù)進(jìn)行光合作用：果蔬屬于鮮活農(nóng)產(chǎn)品，采收后的離體果蔬盡管脫離了水分和養(yǎng)分的供給，但在一定時(shí)間內(nèi)仍進(jìn)行生理代謝。一些綠色果蔬尤其是綠色蔬菜，采收后在適當(dāng)?shù)墓庹諚l件下還能夠繼續(xù)進(jìn)行光合作用，累積營養(yǎng)物質(zhì)，從而補(bǔ)充由于呼吸作用消耗的營養(yǎng)，達(dá)到保鮮目的[8-9]；(2)減緩/抑制呼吸強(qiáng)度及乙烯釋放[10]：LED照射處理降低采后果蔬呼吸強(qiáng)度，從而減少呼吸底物的消耗；同時(shí)LED照射處理推遲乙烯釋放高峰，延緩因乙烯釋放誘導(dǎo)的果蔬衰老和成熟。(3)抑制采后果蔬表面微生物生長[4]：研究表明，LED照射通過光動力學(xué)滅活(photodynamic inactivation)和光催化滅活(photocatalytic inactivation)途徑對部分食源性致病菌進(jìn)行抑制和滅活，從而減緩采后果蔬表面微生物繁殖，減輕果蔬組織腐爛，達(dá)到保鮮目的(表1)。LED藍(lán)光和近紫外光對細(xì)菌作用效果最顯著，而紅光的作用較小。在400～450 nm波段內(nèi)，LED在波長峰值為405 nm時(shí)對致病菌抑制效果最好(表1)。例如，用波長405 nm，光照強(qiáng)度為21 mW/cm2的LED光照對一些食源性致病微生物處理9 h后，相關(guān)致病菌菌落數(shù)都有不同程度的下降[11](表1)。

表1 LED照射對食源性致病菌的影響[11]Table 1 Effect of LED irradiation on selected foodborne pathogens in vitro

2 LED照射技術(shù)對果蔬采后貯藏生理特性的調(diào)控作用

2.1 LED照射對果蔬采后顏色變化的影響

新鮮果蔬富含葉綠素、花青素和類胡蘿卜素等，這些色素不僅具有極高的營養(yǎng)價(jià)值，還共同構(gòu)成果蔬特有的誘人色彩，吸引消費(fèi)者選擇和購買。采后果蔬色素的降解往往是其衰老開始的主要標(biāo)志，如綠色蔬菜在貯藏過程中出現(xiàn)葉片黃化衰老癥狀主要是由葉綠素降解而導(dǎo)致。研究發(fā)現(xiàn)，LED紅光、藍(lán)光、白光及其它們復(fù)合光照射處理均能顯著抑制綠色蔬菜貯藏期間葉綠素降解，延緩其衰老黃化(表2)。和黑暗對照相比，LED紅藍(lán)復(fù)合光[12]、紅綠復(fù)合光[12]、白藍(lán)復(fù)合光[13]均能夠減少西藍(lán)花葉綠素降解，降低其黃化程度。其中，用強(qiáng)度為20 μmol/(m2·s) LED紅白復(fù)合光連續(xù)照射西藍(lán)花，在5℃條件下貯藏42 d后，照射樣品中葉綠素含量比黑暗對照高出38%[13]。LED白光和紅光單色光均能顯著抑制上海青葉綠素降解，但紅光作用效果好于白光[7]，相似的結(jié)果在西芹[14]和黃瓜[15]研究中也被報(bào)道。學(xué)者們普遍將這一結(jié)果歸因于LED照射導(dǎo)致采后果蔬在貯藏初期仍然進(jìn)行短期的光合作用，合成新的營養(yǎng)物質(zhì)和色素，從而補(bǔ)充貯藏期間降解的色素，維持原有綠色，其中以波長范圍為610～720 nm LED紅光，對植物光合作用影響效果最顯著，能夠促進(jìn)植物葉綠素形成、碳水化合物積累以及吸收和利用。而在黑暗對照條件下，綠色果蔬采后盡管具有光合作用能力，但由于缺乏光照無法進(jìn)行光合作用，不能合成新的色素，降解的葉綠素得不到及時(shí)補(bǔ)充，從而表現(xiàn)為顏色變淺甚至出現(xiàn)黃化癥狀。此外，除了對葉綠素代謝有顯著的調(diào)控作用，LED照射還調(diào)控果蔬采后紅色素的變化。未成熟的綠色草莓采后用強(qiáng)度為98 μmol/(m2·s)綠光每天照射5 min，在貯藏第6天顏色由綠色變成深紅色，該紅色素的主要成分為花青素和天竺葵色素苷[16]。同樣地，分別用30 lux紅光和藍(lán)光連續(xù)照射未成熟的櫻桃番茄，在4℃貯藏10 d后，紅光處理果實(shí)普遍開始轉(zhuǎn)色，20 d后果實(shí)顏色均鮮艷有光澤；藍(lán)光處理果實(shí)10 d后部分果實(shí)轉(zhuǎn)色，20 d后果實(shí)鮮艷有光澤，而對照果實(shí)10 d后僅個(gè)別果實(shí)轉(zhuǎn)色，20 d后果實(shí)表皮出現(xiàn)凹陷和褐色斑點(diǎn)，果肉軟化程度嚴(yán)重[17]。然而，DHAKAL和BAEK[18]研究卻發(fā)現(xiàn)LED藍(lán)光照射顯著抑制成熟的綠色西紅柿番茄紅素的合成，延緩其顏色由綠轉(zhuǎn)紅，從而延長其貯藏期。

表2 LED照射對部分蔬菜采后色澤變化的影響Table 2 Effect of LED irradiation on color of selected vegetables during postharvest storage

2.2 LED照射對果蔬采后失重率變化的影響

新鮮度是新鮮果蔬的重要感官品質(zhì)，也是影響消費(fèi)者選擇和購買的主要因素。鮮重?fù)p失率是衡量果蔬采后新鮮度的重要指標(biāo)。離體果蔬采后代謝活躍，呼吸旺盛，尤其是葉菜類蔬菜葉面積較大，蒸騰作用較強(qiáng)，加之采后缺少水分供給，組織內(nèi)水分迅速減少，導(dǎo)致鮮重?fù)p失率增加，表現(xiàn)為表面萎蔫，新鮮度降低，感官品質(zhì)下降。研究表明，LED光照對果蔬失重率的影響因果蔬種類不同而有差異(表3)。強(qiáng)度為75 μmol/(m2·s) LED白光連續(xù)照射番茄樣品12 d后，處理樣品失重率是黑暗對照樣品的34%[19]；同樣光照條件處理黃瓜果實(shí)在貯藏第10天，照射處理的黃瓜失重率顯著低于黑暗對照[15]。相似地，LED紅光處理顯著降低上海青[7]和蕹菜[8]采后失重率。然而，LED光照對西芹[14]、蘆筍[20]和芫荽[8]采后失重率確無顯著性影響(表3)。有關(guān)LED照射降低果蔬采后失重率的機(jī)制目前尚未見報(bào)道。

表3 LED照射對部分蔬菜采后鮮重?fù)p失率的影響Table 3 Effect of LED irradiation on fresh weight loss of selected vegetables during postharvest storage

2.3 LED照射對果蔬呼吸強(qiáng)度、乙烯釋放量及相關(guān)酶活性變化的影響

采后果蔬仍然是鮮活的生命體，繼續(xù)進(jìn)行呼吸作用，維持其正常的生命代謝。呼吸作用增強(qiáng)則會使果蔬組織內(nèi)有機(jī)物消耗增加，導(dǎo)致果蔬品質(zhì)下降，貯藏壽命縮短。果蔬通常在進(jìn)入成熟和呼吸高峰出現(xiàn)之前乙烯含量開始增加，并且出現(xiàn)一個(gè)與呼吸高峰相類似的乙烯高峰。呼吸高峰的增強(qiáng)和乙烯釋放高峰的出現(xiàn)促使果蔬迅速成熟衰老。LED照射對果蔬采后呼吸強(qiáng)度和乙烯釋放因果蔬種類不同而不同，即使是同一種蔬菜(如西藍(lán)花)，不同光質(zhì)和光強(qiáng)影響也有差異(表4)。和黑暗對照相比，紅藍(lán)復(fù)合光極顯著抑制西藍(lán)花呼吸作用，紅綠復(fù)合光顯著抑制西藍(lán)花呼吸作用，而它們對乙烯釋放量均無顯著影響[12]。相比復(fù)合光，單色LED紅光顯著降低西藍(lán)花呼吸強(qiáng)度和乙烯生成速度，推遲呼吸高峰和乙烯釋放高峰，而藍(lán)光則無此作用[10]。

多酚氧化酶(Polyphenol oxidase, PPO)和過氧化物酶(Peroxidase, POD)是影響果蔬采后顏色和品質(zhì)變化的主要酶類，PPO和POD能在氧氣參與下氧化底物酚類物質(zhì)生成黑色素醌類物質(zhì)，導(dǎo)致果蔬發(fā)生酶促褐變和品質(zhì)下降。文獻(xiàn)研究表明LED光照顯著影響PPO和POD活性，但因果蔬品種不同而作用相反(表4)。用強(qiáng)度為75 μmol/(m2·s) LED白光連續(xù)照射番茄后，處理番茄果實(shí)內(nèi)PPO和POD活性始終顯著高于黑暗對照[19]；而相同的光照條件處理黃瓜卻推遲黃瓜果實(shí)內(nèi)PPO和POD活性高峰出現(xiàn)[15]。光照處理抑制PPO酶活性與改變其蛋白結(jié)構(gòu)有關(guān)，有兩種可能的機(jī)制：一是光照處理可使酶蛋白中的氨基酸如色氨酸、酪氨酸、組氨酸等受到光氧化后形成激發(fā)態(tài)自由基；二是光敏色素吸收光子后產(chǎn)生單線態(tài)氧，從而氧化破壞酶蛋白結(jié)構(gòu)[21]。

表4 LED照射對部分蔬菜采后呼吸強(qiáng)度，乙烯釋放量及相關(guān)酶活性變化的影響Table 4 Effect of LED irradiation on respiration rate, ethylene content, and enzyme activity of selected vegetablesduring postharvest storage

3 LED照射對果蔬采后貯藏品質(zhì)特性的調(diào)控作用

3.1 LED照射對果蔬采后VC含量變化的影響

LED復(fù)合光和單色光均能顯著增加采后果蔬VC含量(表5)。LED紅藍(lán)、紅綠和白藍(lán)復(fù)合光處理西藍(lán)花后，處理樣品中VC含量顯著高于黑暗對照樣品。相似地，LED單色白光和紅光都顯著增加番茄、黃瓜、蕹菜、芫荽和蘆筍組織內(nèi)VC含量(表5)。研究者推測其可能機(jī)制與果蔬在光照條件下通過光合作用增加組織內(nèi)可溶性糖含量有關(guān)(表6)，因?yàn)榭扇苄蕴侨缂禾鞘荲C合成的前體物質(zhì)[23]。最新研究表明，LED白光處理顯著延緩西蘭花VC降解發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，該研究發(fā)現(xiàn)50 μmol/(m2·s)光照處理在采后第1天和第2天顯著上調(diào)VC合成相關(guān)基因(BO-VTC2，BO-GLDH)和再生基因(BO-MDAR1，BO-MDAR2)的表達(dá)[22]。

表5 LED照射對部分果蔬采后VC變化的影響Table 5 Effects of LED irradiation on vitamin C content of selected fruits and vegetables during postharvest storage

3.2 LED照射對果蔬可溶性糖含量的影響

可溶性糖如葡萄糖是植物光合作用的直接產(chǎn)物和呼吸作用的直接底物。LED復(fù)合光和單色光照射都對果蔬采后可溶性糖類物質(zhì)有顯著的調(diào)控作用(表6)。1 200 lux紅藍(lán)復(fù)合光每天12 h間斷照射西藍(lán)花20 d后，照射樣品中總糖和還原糖含量顯著高于黑暗對照[9]；強(qiáng)度為30 lux紅光和藍(lán)光連續(xù)照射能維持櫻桃番茄果實(shí)內(nèi)糖類物質(zhì)含量，減緩糖類物質(zhì)降低速度[17]；相似的結(jié)果在蕹菜和芫荽研究中也被證實(shí)，用強(qiáng)度為5 μmol/(m2·s) LED紅光連續(xù)照射蕹菜和芫荽，20℃貯藏4 d后，蕹菜中還原糖含量顯著高于黑暗對照，芫荽中還原糖含量比黑暗對照高出32.69%(表6)。這可能歸因于LED照射尤其是紅光照射促進(jìn)采后果蔬繼續(xù)進(jìn)行光合作用，合成糖類物質(zhì)，補(bǔ)充由于呼吸作用消耗的可溶性糖，表現(xiàn)為照射樣品中的糖含量上升或維持；而黑暗對照樣品由于不能進(jìn)行光合作用，呼吸作用消耗的糖類得不到補(bǔ)充，表現(xiàn)為可溶性糖含量下降。

表6 LED照射對部分蔬菜采后可溶性糖變化的影響Table 6 Effects of LED irradiation on soluble sugar content of selected vegetables during postharvest storage

3.3 LED照射對果蔬抗氧化物質(zhì)的影響

酚類物質(zhì)被認(rèn)為是果蔬抗氧化力性主要來源，也是當(dāng)前果蔬中研究較多的營養(yǎng)成分。研究發(fā)現(xiàn)LED照射(385、470、525、630 nm)處理顯著增加草莓總酚和花色苷含量，在貯藏第4天，光照處理果實(shí)中總酚和花色苷含量分別為172.75 mg/100g和12.48 mg/100g，而對照果實(shí)只有151 mg/100g和9.89 mg/100g[16]。波長為470 nm LED光照處理?xiàng)蠲? d后，其花色苷含量是黑暗對照的1.8倍，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，LED光照上調(diào)花色苷合成相關(guān)基因MrCHI、MrF3H、MrF3’H、MrDFR1、MrDFR2和MrANS的表達(dá)[24]。類似的結(jié)果在蕎麥幼苗中得到證實(shí)，THWE等[25]研究發(fā)現(xiàn)50 μmol/(m2·s) LED光照顯著調(diào)控蕎麥幼苗多酚合成基因(FtPAL、FtF3’H、FtC4H、FtCHI、FtFLS-2和FtANS)轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致其蘆丁含量在處理4 d后顯著增加，矢車菊云苷和兒茶酚含量在處理后10 d內(nèi)顯著增加。LED光照對果蔬采后抗氧化能力的影響因果蔬品種不同而不同，劉然然等[26]用50～112 lux綠光照射果蔬后發(fā)現(xiàn)，綠光能提高青椒自由基DPPH清除能力，卻降低西藍(lán)花DPPH清除能力，但對蘆筍DPPH清除能力無顯著影響。

4 LED照射在果蔬采后保鮮應(yīng)用中存在問題

LED照射技術(shù)作為當(dāng)前新興的安全綠色保鮮方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢，其在果蔬保鮮中的應(yīng)用得到廣泛研究和關(guān)注。盡管如此，其研究和應(yīng)用存在以下幾點(diǎn)問題：(1)保鮮機(jī)理不明：目前文獻(xiàn)關(guān)于LED照射技術(shù)保鮮果蔬的基礎(chǔ)理論研究相對較少，研究不深入，現(xiàn)有的文獻(xiàn)僅報(bào)道LED照射技術(shù)對果蔬采后生理和品質(zhì)特性的影響，而對其誘導(dǎo)這些變化的調(diào)控機(jī)制尚無深入探討；(2)缺乏LED貯運(yùn)設(shè)施裝備：目前LED照射處理裝置僅限實(shí)驗(yàn)室研究，其裝置都是研究者根據(jù)需要定制或自制，設(shè)備參數(shù)無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在貯運(yùn)銷售終端如冷庫、超市貨架和冰箱設(shè)備中未見植入LED裝置，從而限制LED照射技術(shù)在實(shí)際蔬菜保鮮中的推廣應(yīng)用。(3)LED照射技術(shù)需和其他保鮮方式結(jié)合：盡管研究表明LED照射處理對果蔬采后保鮮具有積極的調(diào)控作用，但單獨(dú)使用LED照射處理對果蔬采后保鮮效果并不十分理想，因?yàn)樾迈r果蔬采后衰老過程受多個(gè)因素影響，如貯藏環(huán)境的溫度、濕度、氣體成分等，因此研究LED照射處理需結(jié)合其他保鮮措施如低溫冷藏[27-29]、氣調(diào)包裝和保鮮劑[30]等。