冷等离子体调控鲜切山药活性氧代谢及提升贮藏品质的作用机制

　　本研究针对鲜切山药贮藏过程中易褐变、木质化及品质劣变等问题，创新性地采用冷等离子体(CP)非热加工技术，系统探究了不同电压处理(10–30?kV)对活性氧(ROS)代谢关键酶及品质特性的调控机制。结果表明20?kVCP处理可显著抑制O2?和H2O2积累，增强SOD、CAT抗氧化酶活性，降低PPO、POD等褐变相关酶活，使山药切片硬度保持率提升50%，褐变指数降低31%。该研究为鲜切果蔬绿色保鲜技术开发提供了重要理论依据。

　　

当您享用清脆可口的鲜切山药时，可能不会想到这些看似新鲜的食材正经历着一场激烈的生化战争。鲜切加工破坏了山药天然的表皮屏障，导致细胞液渗出，局部水分活度从≤0.85骤增至0.8–0.9，为中性和微酸性环境下的微生物繁殖提供了温床。更棘手的是，切割操作使内部酶类与氧气接触，触发酚类物质氧化形成褐色色素，同时水分流失和细胞壁重组还会引发木质化问题。在这场品质保卫战中，活性氧(ROS)扮演着关键角色，它们既是导致褐变和木质化的元凶，又是激活植物防御系统的信号分子。

传统热加工技术虽能有效灭酶，却会破坏营养成分、天然色泽和风味物质。纳米材料保鲜虽有一定效果，但其安全性和适用性仍需进一步验证。在这样的背景下，冷等离子体(CP)技术作为一种新兴的非热加工技术，逐渐展现出独特优势。它通过气体电离产生高活性粒子，包括带电粒子、活性氧(ROS)和活性氮物种(RNS)，既能破坏微生物细胞结构，又能刺激农产品内源抗氧化酶系统，增强自我防御能力。然而，CP技术在鲜切行业的广泛应用仍面临挑战，因为其处理效果受等离子体类型、处理强度、果蔬表面状态等多种因素影响，特别是其对采后生理的双重影响——既能产生活性氧氮物种，又能激发抗氧化反应——这一矛盾效应尚未得到充分解析。

正是在这样的研究背景下，来自仲恺农业工程学院的研究团队在《Food Chemistry: X》上发表了他们的最新研究成果。他们假设CP电压强度会非线性调节ROS稳态，存在一个最佳范围能够最小化氧化损伤同时增强防御酶活性。为了验证这一假设，研究团队系统探究了电压依赖性(10–30?kV)调控ROS代谢和关键酶的规律，为鲜切山药保鲜策略提供了宝贵见解，并增进了我们对鲜切山药品质变化机制的理解。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过介质阻挡放电(DBD)冷等离子体装置在10/20/30?kV电压下处理样品90秒；使用色差仪和质地分析仪测定色泽与硬度变化；采用紫外分光光度法检测褐变指数(BI)及相关酶活；使用商业试剂盒定量超氧阴离子(O₂^?)、过氧化氢(H₂O₂)含量及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)和肉桂醇脱氢酶(CAD)活性。所有实验均设三次生物学重复，数据采用SPSS进行显著性分析。

3.1. CP处理对鲜切山药贮藏品质的影响

研究表明，颜色是贮藏期间鲜切产品的关键感官属性。对照组山药切片在贮藏期间发生显著颜色变化，第3天即出现明显褐变，而CP处理显著抑制了这种变化。色差值(ΔE)在对照组增加了564%，远高于CP处理组(461%、357%、500%)，其中20?kV处理抑制效果最显著。褐变指数(BI)变化同样证实了这一趋势，对照组BI从初始值0.8升至4.5，而20?kV和30?kV处理组分别仅为对照组的69%和76%。硬度测定显示，对照组硬度下降58.6%，水分损失15.8%，而CP处理减缓了这种下降，20?kV处理组仅下降29.1%，且所有CP处理组水分损失均低于对照组。

3.2. 冷等离子体处理调控鲜切山药切片贮藏期间ROS水平

超氧阴离子(O₂^?)作为ROS的关键组分，在贮藏第一天因切割损伤引发的氧化应激而显著积累，峰值达0.06?μmol?g^?1。CP处理显著降低了O₂^?生成，10?kV和20?kV组分别比对照组降低66.7%和51.9%，但这种降低仅在山药表层(<5?mm)明显。过氧化氢(H₂O₂)含量呈现先升后降趋势，第3天达到峰值(内部3.59，外部3.62?μmol?g^?1)。有趣的是，10?kV和30?kV组H₂O₂含量高于对照组，而20?kV组在第5–7天显著降低，第7天表层组织降低幅度达80.6%。

3.3. 冷等离子体处理调节抗氧化酶活性以减轻鲜切山药ROS

SOD活性在1–3天急剧上升，第5天达到峰值后急剧下降，CP处理适度增强了山药表层组织的SOD活性。POD活性变化与SOD类似，但CP处理抑制了表层组织的POD活性，且抑制强度与CP强度相关。CAT活性在内部和外部组织中表现不同，20?kV和30?kV处理刺激了所有组织的CAT活性。SOD作为对抗环境应激的第一道防线，将超氧化物自由基转化为H₂O₂和O₂，其活性上升进而提高了H₂O₂水平，随后刺激POD和CAT活性将H₂O₂分解为O₂和H₂O。

3.4. 冷等离子体处理抑制贮藏期间鲜切山药PPO活性

酶促褐变是影响果蔬品质的关键因素，多酚氧化酶(PPO)是与酶促褐变密切相关的酶。PPO活性在贮藏初期急剧上升，后期下降，CP处理抑制了鲜切山药表层的PPO活性，20?kV处理抑制效果最强。过氧化物酶(POD)在H₂O₂存在下可催化各种酚类物质氧化，与PPO在酶促褐变中具有协同效应。POD在CP处理后同样受到抑制，20?kV和30?kV处理更有效。

3.5. 冷等离子体调节PAL和CAD活性以控制贮藏山药褐变和木质化

苯丙氨酸解氨酶(PAL)和肉桂醇脱氢酶(CAD)是通过合成酚类化合物和木质素 contribute to褐变的酶。机械损伤激活PAL，启动酚类反应导致变色，而CAD参与木质素合成，影响质地和颜色。贮藏期间，山药内部PAL活性因生理变化而增加，第1天达到峰值后稳定，而表层组织(<5?mm)在初始峰值后下降。较高电压CP处理(20?kV, 30?kV)显著抑制了代谢稳定状态(3–5天)的PAL活性。CAD活性在1–3天急剧上升，第5天达到峰值后下降，较高电压CP处理显著抑制了表层CAD活性，30?kV处理最有效，第7天活性降至对照组的29.7%和67.3%。

研究结论与讨论部分指出，采后山药的衰老和腐败过程复杂，以果肉褐变和组织木质化为特征，常伴随氧化应激。植物持续遭受各种逆境如低温、营养缺乏和机械损伤，会触发ROS产生。ROS水平升高可能导致细胞膜脂质过氧化，破坏细胞结构，从而影响山药的贮藏品质和口感。管理ROS浓度对于有效贮藏管理至关重要。

CP处理作为一种非热加工技术，能够通过放电产生电离空气RONS，在生物体内提供独特的微环境，并对生物实体施加局部氧化应激。在某种程度上，冷等离子体可被视为一种非生物胁迫，刺激植物防御系统，如增加次生代谢产物和激活抗氧化酶系统。CP处理影响高温胁迫下贮藏水稻的酚类代谢，激活苯丙烷代谢，促进较高水分含量稻米内部酚类合成速率，增强组织抗氧化特性，减轻膜过氧化和自由基积累，从而延缓水稻在高温胁迫贮藏条件下的品质劣变。

植物氧化应激主要通过由非酶和酶抗氧化剂组成的高效系统来抵消过量ROS。SOD、POD和CAT是酶抗氧化系统中的关键酶。当山药暴露于CP产生的RONS时，CP在山药表面产生的RONS作为信号分子，增强抗氧化酶活性，加速清除过量O₂^?和H₂O₂，从而在贮藏早期保护细胞免受氧化损伤。CP处理已显示部分灭活外部POD酶，这可以解释观察到的POD活性抑制，较高CP频率与更大功效相关。SOD和CAT在应对非生物胁迫诱导的氧化应激中的上调是一种广泛现象，尽管反应因物种和植物器官而异。

在整个贮藏期间，CP处理增强了SOD和CAT活性，从而维持较低的H₂O₂和O₂^?水平。它还抑制了PAL、CAD、PPO和POD的活性，减轻山药木质化和褐变，从而保持产品的品质和新鲜度。褐变的减轻定量反映在CP处理样品中显著较低的BI中，特别是在20和30?kV下。这与降低的PPO活性一致，表明CP处理有效抑制了酚类化合物的酶促氧化，这是导致视觉褐变的主要途径。

CP处理的功效取决于应用电压，较高电压处理对某些酶的抑制更大。已确定20?kV的最佳条件用于保持鲜切山药的新鲜度。这种电压依赖性反应的差异可能源于酶抑制—CP抑制PPO活性减少醌聚合(主要褐变途径)—和ROS稳态—组织应对高氧化气氛的能力。在这种情况下，研究人员假设30?kV产生过量H₂O₂氧化酚类，而20?kV通过增强CAT活性维持平衡的ROS水平。与对照组和30?kV处理相比，20?kV下BI的最佳抑制支持了这一假设，表明平衡的氧化环境对于最小化色素降解和褐变至关重要。

此外，CP的功效本质上受食品基质特性控制，如不同商品的不同反应所证明。在致密组织食品(如核桃、黑胡椒)中，有限的等离子体渗透由于物理屏障效应最小化了酚类化合物降解。相反，在均质基质(如巧克力奶)中，过高的处理强度(>15?kV)通过无约束的ROS扩散减少了30%的酚类。关键基质因素包括结构、组成和相态决定了CP对营养素稳定性和酶灭活的功效。在本研究中，研究人员假设效果受微观结构屏障限制。山药薄壁组织呈现低孔隙度，与苹果等高孔隙度水果形成对比。这种致密基质物理阻挡活性物种渗透，将直接影响限制在表面。此外，在低流速条件下，一些半衰期短的活性物种可能无法到达食品内部。通常，对于较厚的食品，延长处理时间以实现更好的杀菌效果。然而，如果处理时间过长，低温等离子体产生的高活性ROS可能促进食品氧化，并最终可能对风味产生不利影响。

CP处理施加空间分层调控：由于其表面直接沉积活性物种，其效果在山药表面(<5?mm深度)最为显著，而内部组织(>5?mm)表现出延迟反应。这种梯度主要通过信号转导机制产生，其中CP在表面产生的H₂O₂和O₂^?作为移动信号分子向内传播，触发次级防御级联。因此，内部组织不是通过直接RONS暴露反应，而是通过生理中继系统。第5天深层组织中延迟的CAT激增证明了这一点，这反映了胡萝卜愈伤组织中SOD/H₂O₂诱导的酶激活。关键的是，山药厚度调节了这一过程。致密的薄壁组织将等离子体渗透限制在<5?mm，将立即的酶抑制限制在表层区域。

对于鲜切山药，酶促褐变和微生物污染是品质下降的主要驱动因素。虽然传统技术分别解决这些问题(如亚硫酸盐用于褐变，氯用于微生物)，但CP独特地同时抑制两种途径。然而，等离子体处理对特定组织生理的影响变化很大。本研究获得的结果表明有必要进一步研究等离子体暴露对特定组织生理的影响后果，以选择最佳处理参数，优化其针对特定最终产品的效果。

该研究最终得出结论，CP处理通过调节活性氧氮物种(RONS)代谢，为提升鲜切山药采后品质和延长货架期提供了一种有前景的非热技术。这种处理刺激植物的防御机制，增加抗氧化酶活性，减少氧化应激，从而保持山药的营养价值和新鲜度。CP的有效性受处理电压影响，已确定20?kV为保持新鲜度的最佳条件。然而，处理效果因山药厚度而异，表明表面处理(小于5?mm厚度)比内部效果(大于5?mm厚度)更显著。因此，为优化CP处理的益处，必须针对山药厚度定制特定参数，包括强度和时间，确保RONS的均匀渗透和分布以获得最佳结果。