外源草酸对水果的保鲜效应及其机制研究进展

摘　要：草酸是一种代谢产物，广泛分布于植物、动物及真菌体中。许多研究表明外源草酸不仅有效延缓果实的成熟衰老进程，而且有效控制采后果实的病情、腐烂及褐变发生，对果实采后保鲜效果明显。草酸处理降低果实的细胞壁代谢、提高抗氧化力、抑制呼吸强度和乙烯释放量等生理效应与延缓果实采后成熟过程相关。草酸对水果的一些病原菌具有直接抑菌作用，而且诱导提高采后果实的系统抗病性，从而抑制果实采后腐烂发生。当前，外源草酸在水果采后保鲜中的应用研究已引起重视。我们综述了外源草酸对水果采后贮藏保鲜的效应及其作用机制。并对进一步开展相关研究作出了展望。

关键词：水果；外源草酸；贮藏；机理

中图分类号：S66　文献标识码：A　文章编号：1009-9980(2010)04-605-06

草酸(Oxalic acid)是生物体的一种代谢产物，广泛分布于植物、动物和真菌体中，并在不同的生命体中发挥不同的功能。研究发现百多种植物富含草酸，尤以菠菜、苋菜、甜菜、马齿苋、芋头、甘薯和大黄等植物中含量最高。由于草酸可降低矿质元素的生物利用率，在人体中容易与钙离子形成草酸钙导致肾结石，所以草酸往往被认为是一种矿质元素吸收利用的拮抗物。然而，外源草酸在毫摩尔浓度水平就具有极强的抗氧化性能，在适当用量范围内可以作为一种天然的抗氧化剂应用于食物的贮藏中并发挥重要作用。当前，许多研究表明外源草酸(毫摩尔浓度，大大低于一些经常食用蔬菜或果实的草酸含量水平)能够延缓果实成熟衰老进程，提高果实的抗病性，抑制采后果实病情发展和褐变发生，对采后水果的保鲜作用效应极为显著，因而外源草酸在果蔬保鲜中的应用已引起广泛关注。作者简要概述外源草酸对水果的保鲜效应及作用机制，以期为进一步开展相关研究提供参考。

1　外源草酸延缓采后果实成熟的进程和机制

1.1　延缓果实采后的成熟进程

一些研究结果表明外源草酸能够有效地延缓甜瓜、冬枣、猕猴桃、桃子、杧果和苹果的采后成熟进程，从而延长果实的贮藏期及货架期。例如，杜果采后硬度、可溶性固形物(SSC)和可滴定酸(TA)含量等是衡量果实成熟的重要指标。采后杧果经过5mmol·L^{-1草酸溶液浸泡10min后在常温(25℃)、低温(14℃)和气调(3％CO_{2+2％O2、14℃)条件下贮藏，果实软化、SSC增加和TA降低的速率都显著减缓；果实贮藏期在常温(25℃)下约20d，比对照延长6d；在低温(14±1)℃下，贮藏期28d，比对照延长7d，货架期为3d以上；在气调条件下，贮藏期为30～35d，比对照延长约10d，货架期可以达到3d。}}

1.2　延缓果实成熟的机制

1.2.1　降低果实的细胞壁代谢　在果实成熟过程中，多聚半乳糖醛酸酶(PG)、果胶酯酶(PE)、果胶甲酯酶(PME)、葡聚糖酶(α-Gal或/和β-Gal)、木聚糖酶(XYL)和纤维素酶(Cx)等水解酶被认为是引起果实软化的重要因子。我们研究发现草酸处理显著降低杧果果肉的PG、α-Gal、β-Gal、Cx和XYL的活性(资料待发表)。张中海等报道草酸处理推迟了采后猕猴桃果实PG活性高峰的出现时间。

应用基因操作方法调控、改变这些水解酶活性的研究结果表明还有另外一些重要因子参与果实成熟软化过程，其中扩展蛋白(expansin，EXP)又名膨胀素，是新近发现的一种与果实成熟软化密切相关的细胞壁蛋白，它可能通过抑制、干扰纤维素与木质葡聚糖(xyloglucan)之间的非共价键相互作用，破坏胞壁微纤丝结构，从而在果实成熟软化过程中发挥重要作用而倍受关注。EXP属于多基因家族，普遍存在于果实中，一部分EXP与果实生长发育有关，另部分EXP与果实后熟软化相关。外部刺激、植物激素对与果实成熟软化相关的EXP基因表达具有调节作用。例如，乙烯诱导跃变型果实番茄LeExpl、桃PchExpl的专一性表达，而非跃变型果实草莓FaExp2和FaExp5受生长素的负调节。最近，我们研究发现草酸处理抑制采后卡亡果果肉EXP基因表达(资料待发表)。另外，近些年果实软化机理的研究已证明LOX也与果实软化进程密切相：LOX可能是乙烯生物合成的上游因子，而LOX的膜质过氧化作用可能既是果实后熟软化的启动因子，又是加速果实后熟软化进程的关键因子。王文雅等研究发现Ca_{2+处理抑制番茄果实组织中LOX、PG活性和PG、LeLOXB、LeExpl基因的表达，而且主要通过抑制LOX来抑制果实软化过程的启动，从而延缓果实软化进程。由于草酸处理导致采后桃、冬枣和杧果等呼吸跃变型果实的LOX活性、ROS产量和乙烯释放量等降低，果实成熟软化减慢。因此，系统深入地研究外源草酸如何改变果实成熟过程中的信号传递来调控细胞壁代谢和乙烯生物合成代谢相关基因表达，将有利于进一步揭示、阐明草酸延缓采后果实成熟的分子生理机理。}

1.2.2　提高果实的抗氧化能力　果实成熟过程是一种氧化作用不断加强的过程，其活性氧自由基(ROS)产量增加不仅改变膜的完整性，而且加剧膜脂过氧化，最终导致细胞结构破坏，代谢紊乱。果实具备酶促和非酶促抗氧化防御系统清除ROS，从而缓解果实的氧化伤害，进而有助于延缓果实成熟衰老进程。特别是果实的超氧物岐化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和抗坏血酸氧化酶(APX)在抗氧化中发挥重要的作用，而且产生H₂O₂的抗氧化酶与清除H₂O₂的抗氧化酶之间的协同作用比单一酶在植物/果实的抗氧化过程中更具重要性。另外，LOX参与O₂^-　 和单线态氧等自由基的形成和膜脂过氧化过程，导致膜结构破坏，从而加速果实的成熟进程。抑制LOX活性升高、控制LOX基因表达能够有效地延缓、控制果实的成熟进程。桃和杧果采后经草酸处理后，果实的主要抗氧化物如抗坏血酸(AsA)和GSH并没有发生显著变化，但是LOX活性降低，SOD、CAT、POD和APX活性升高，ROS水平包括　产量和H₂O₂含量在贮藏期出现不同程度的降低，果实细胞膜透性增加趋势被缓解，膜脂过氧化产物丙二醛含量降低。说明草酸处理降低LOX活性及诱导提高果实抗氧化酶活性不仅导致ROS水平的降低，而且降低膜脂过氧化的程度，因而有助于维持细胞膜结构的稳定性，降低果实成熟进程的氧化伤害，最终减缓果实的软化进程并延缓果实的成熟过程。

1.2.3　抑制乙烯的生物合成　乙烯代谢是控制采后果实，特别是呼吸跃型果实成熟的一个重要因子。草酸处理有效地抑制采后冬枣、猕猴桃和杧果

等采后果实的乙烯释放量，并且推迟采后果实的乙烯释放量高峰的出现时间。ACC合成酶(ACS)和ACC氧化酶(ACO)是乙烯生物合成的2个关键酶。Wang等发现草酸处理降低冬枣采后乙烯产量的主要原因是抑制ACS活性，同时提高了与乙烯合成前体相关蛋白-胱硫醚-β-合酶结构域包含蛋白(CBSdomain-containing protein)的表达。

ROS作为中间信号或中间因素启动乙烯生物合成。同时，Ca²⁺作为一种重要的“第二信使”影响和调节植物体内乙烯代谢和延缓衰老，但是Ca2²⁺是促进还是抑制植物组织乙烯合成取决于Ca²⁺在细胞中分布位置及胞内外的²⁺浓度。研究发现外源草酸进入植物细胞的胞间隙与Ca²⁺形成草酸钙沉淀而降低胞膜外Ca²⁺水平，造成胞质Ca²⁺流，从而诱发胞内Ca²⁺库(如液泡等)释放出Ca²⁺；而随着胞膜外Ca²⁺水平降低，草酸钙沉淀可以重新溶解产生Ca²⁺。草酸以这种方式控制细胞壁和细胞质之间Ca²⁺水平有助于维护胞壁和胞膜的结构稳定性，也可作为一种信号引发细胞内的一系列生理生化反应。最新研究报道：采前25～30d喷施5mmol·L^-1草酸有效地提高采后卡亡果果皮和外果肉组织的钙含量，增加果皮细胞壁、细胞间隙、细胞膜、液泡膜和质体等部位疏松结合态钙的分布和含量。我们发现采后杧果经草酸处理后，果皮表皮细胞的液泡膜和质膜中Ca²⁺分布增加(资料待发表)。然而，草酸是否通过影响果实Ca²⁺的重新分配和／或ROS代谢引起中间信号产生，从而调控与果实细胞壁软化和乙烯生物合成相关基因的表达，最终有效延缓果实成熟的机理尚待研究。

1.2.4　降低果实的呼吸速率　呼吸作用成为采后果实新陈代谢的主导，直接联系着其他各种生理生化过程，并影响和制约着采后果实的寿命、品质变化和抗病能力。随着贮藏时间的延长，采后果实的同化物质不断减少，呼吸越强则衰老越快；因此，抑制采后果实的呼吸速率对于延长果实贮藏期至关重要。桃果实采后分别经1和5mmol·L^-1草酸处理后，果实的硬度在贮藏中保持较高，果实呼吸速率在贮藏期间显著低于对照。其他研究也表明草酸处理显著抑制冬枣和猕猴桃果实采后的呼吸速率与延缓果实衰老进程相关。

2　外源草酸抑制果实采后腐烂及机制

2.1　抑制采后果实的腐烂发生

外源草酸有效地抑制甜瓜、冬枣、杧果、桃子、梨果等果实采后病情发展和腐烂发生。例如，采后草酸、采前+采后草酸和采前Ca²⁺采后草酸3种处理杧果，发现常温下6后，3种草酸处理果实的病情指数显著低于对照和杀菌剂处理；低温贮藏21d，3种草酸处理的病情指数显著低于对照和杀菌剂处理，随后在常温货架3，病情指数仍显著低于对照，但与杀菌剂处理的相当。气调下20和30d，草酸处理的病情指数显著低于对照和杀菌剂处理，随后在常温货架3d，病情指数仍显著低于对照和杀菌剂处理。桃栽培种“八月脆”果实采后经5mmol·L^-1，草酸溶液浸泡10min后在低温条件下贮藏，尽管处理和对照果实在低温下贮藏20d未出现病斑和腐烂，病情指数和果实腐烂率均为0，但是转入常温(25℃)3d后是果实腐烂剧增，其中对照和处理果实的病情指数分别是42.0％和25.0％，果实的腐烂率分别是84.0％和56.5％。

2.2　抑制腐烂发生的作用机制

2.2.1　提高采后果实的抗病性　许多研究证实草酸是一种非常有效的非生物诱抗剂，诱导植物对真菌、细菌和病毒的系统抗性。最近，一些研究表明草酸处理可诱导甜瓜、冬枣、梨果等采后果实对一些病原菌产生系统抗性。例如，Tian等发现草酸处理诱导梨果采后对aIternata的系统抗性。研究发现50mmol·L^{-1的草酸处理显著地降低A，ahernata、F.semitectum和T. roseum损伤接种“银帝”甜瓜果实的病斑直径，而且草酸处理诱导积累的信号分子可以通过果实的处理面向非处理面转移，从而诱导果实对损伤接种的病原菌的系统获得抗病性。Wang等认为草酸处理提高冬枣果实对青霉病的抗性与其诱导提高果实的major allergen、Cu/Zn-SOD和热激蛋白70(HSP70)3个与胁迫和防御相关蛋白质的表达相关。}

草酸处理诱导提高采后果实的抗病性可能与处理浓度相关，而且可能存在基因差异相关。邓建军等研究发现只有当草酸达到某一浓度时才能有效启动果实的防卫反应，一旦防卫反应被启动，更高浓度或重复处理均不能进一步增加防卫反应的强度。郑小林等认为草酸处理提高桃果实采后抗病性与其诱导提高果实的PPO、SOD和POD活性密切相关。草酸处理诱导提高梨果冬枣m、梨果果实抗病相关酶(POD，PPO，PAL)活性，但对杧果抗病相关酶的活性并不产生显著影响。说明草酸处理诱导提高采后果实的抗病性表现一定的复杂性。

2.2.2　直接的抑茵作用　外源草酸对一些腐败真菌孢子萌发和菌丝生长具有直接抑制作用。例如，张衍荣等研究不同浓度草酸对豇豆枯萎病病菌的孢子萌发、菌丝生长和挑战接种后幼苗发病率的影响，结果表明草酸浓度>5.0mmol·L^-1都能显著地抑制豇豆枯萎病病菌孢子萌发，浓度>20.0 mmol·L^-1对病菌菌丝生长也有显著的抑制作用。Ganaieny等发现2、4、6、8和10 mmol·L^-1草酸均能抑制洋葱枯萎菌菌丝的生长，而且8 mmol·L^-1能极大减少其孢子的萌发。

炭疽病菌(Colletotrichum gloeosporioides Penz，)感染导致的炭疽病是采后卡亡果的主要病害之一。环境的pH影响炭疽病菌的生长和致病力。Zheng等发现PDA中草酸含量在5或高于5mmol·L^-1，无论pH值是否中和，杧果炭疽病菌的孢子萌发和菌丝生长均受到显著抑制(尽管同一草酸浓度下，不中和pH时比中和pH下的抑制效果更明显)，表明草酸除引起PDA的pH下降而抑制炭疽病菌的孢子萌发和菌丝生长外，对一些病原菌也具有直接的抑制作用。

2.2.3　缓解果实采后抗病力下降程度　采后果实，特别是呼吸跃变型水果的抗病性伴随果实的成熟进程而急剧降低，因为成熟过程中果实的物化、生理、生化等变化不仅增加果实对病原菌的易感性，而且

加剧潜伏性病害的发展。草酸有效控制水果采后的腐烂发生。不仅与草酸直接抑制采后病原菌如炭疽病菌孢子萌发和菌丝生长，以及草酸诱导提高果实的抗病性相关性，而且与草酸处理提高采后果实的SOD活性、降低LOX活性和果实的乙烯释放量等，从而延缓果实采后成熟等生理效应相关。

3　外源草酸对果实抗冷和抗褐变作用

冷敏性较强的果实在采后冷藏过程中往往发生冷害，提高这类果实的抗冷性对于延长果实的贮藏期至关重要。Ding等研究发现贮藏前用5 mmol·L^-1草酸浸泡杧果果实，可明显减缓果实在低温(5℃)下冷害的发生；草酸处理提高CAT和POD活性增高，从而降低果实内H₂O₂含量和减轻氧胁迫，可能是草酸减缓卡亡果果实冷害的原因之一。

外源草酸能有效控制采后莴苣及菊苣、苹果、香蕉切片、采后荔枝果实和采后龙眼果实的褐变发生。例如，荔枝采后经2和4mmol·L^-1草酸处理，果实的裼变系数显著降低：草酸处理提高荔枝果实膜的完整性、防止花色苷的降解、降低POD活性和膜脂过氧化作用等效应与其降低荔枝果实的褐变发生密切相关。草酸处理降低龙眼采后果实褐变与抑制果皮PPO活性相关。

4　结论与展望

目前，研究表明草酸处理不仅有效延缓果实的成熟衰老进程，而且有效控制采后果实的病情、腐烂及褐变发生，对果实采后保鲜效果明显。同时，检测表明毫摩尔浓度水平的草酸处理并没有引起果实草酸含量显著增高，也不影响果实成熟后常规食用品质指标，甚至还能改善一些果实的食用品质。例如，草酸处理改善红杧果成熟后果实表皮的着色，并对杧果果实㈣在气调贮藏下和猕猴桃果实(0±0.5)℃冷藏条件下的维生素C保持具有一定的辅助作用。Wang等发现草酸处理显著降低冬枣果实的乙醇含量而改善果实的食用品质。以草酸为主剂的复合清洗剂延缓采后苹果的衰老、降低腐烂率，同时能有效清除苹果表面农药、重金属残留和菌落。因此，草酸处理可作为一些水果采后贮藏保鲜可供选的新方法，而且其操作简单、价格低廉、安全有效而展示较大的商业应用前景。

今后，有关外源草酸延缓采后果实、特别是呼吸跃变型果实成熟衰老的分子机理，包括草酸如何通过影响信号传导而调控乙烯代谢、细胞壁代谢等关键相关基因的表达，进而调控果实采后的成熟衰老进程；以及草酸对采前或／和采后果实的抗病性机制，包括草酸处理引起果实表皮形成草酸钙晶体对果实防病效应、草酸对抗病物质(木质素、植保素、酚类、萜类化合物、病程相关蛋白等)的影响，调控果实pH变化而影响病原菌的致病力，以及调控抗病基因表达及其果实基因型方面的差异等方面尚待深入系统研究。

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