低温等离子体活化水（PAW）对桃（Prunus persica (L.) Batsch）冷杀菌效果及贮藏品质的影响

《Horticulturae》：Effects of Low-Temperature Plasma-Activated Water (PAW) on Cold Sterilization Efficacy and Storage Quality of (Prunus persica (L.) Batsch)

　　

等离子体活化水（plasma-activated water，PAW）是一种新兴的非热杀菌技术，在采后保鲜领域具有潜在应用价值。本研究首先评价了通过改变放电电压、O₂流量和活化时间制备的9种PAW处理对贮藏期桃（Prunus persica (L.) Batsch）果实表面微生物数量、腐烂率、失重率和果实硬度的影响。与未处理对照相比，所有PAW处理均显著抑制果实表面微生物的增殖并延缓腐烂发生；经PAW处理的果实失重减少、软化延缓。其中，T9处理（8 kV、O₂流量12 mL/min、活化时间30 min；pH 4.28，EC 42.83 μS·cm^?1）在所测指标上综合表现最佳，故被选用于后续分析。以鲜重计的总可溶性固形物（total soluble solids，TSS）含量在贮藏第4天显著低于对照，但在第16天和第20天高于对照；可滴定酸（titratable acidity，TA）在整个贮藏期间无显著差异。生理生化分析表明，T9处理调控了活性氧（reactive oxygen species，ROS）稳态，降低了H₂O₂和丙二醛（malondialdehyde，MDA）积累，并改变了O₂^•?的升降动态，同时伴随若干贮藏时间点抗氧化酶（SOD、POD、CAT和APX）活性增强以及贮藏期间苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyase，PAL）活性的变化。T9处理果实的总酚含量和DPPH自由基清除能力较高，而PAL活性仅在贮藏第8天和第20天与对照存在显著差异。对第0、4、12和20天采集果实进行的非靶向代谢组学分析揭示了苯丙烷类、黄酮类和氨基酸代谢的时间依赖性变化。总体而言，PAW处理可能通过降低表面微生物负荷并调控抗氧化与苯丙烷类代谢，延缓桃果实采后品质劣变和腐烂。上述研究结果为PAW作为一种无残留保鲜技术的应用提供了依据。

**研究背景与问题**

桃（Prunus persica (L.) Batsch）是全球重要的落叶果树之一，年产量超过2400万吨，其营养价值、独特香气和外观品质使其在鲜食和加工市场均具有较大商业需求。但桃属于典型呼吸跃变型果实，采后生理代谢旺盛，室温下衰老极快，贮藏过程中易出现组织软化、果肉褐变和特征香气丧失等严重商业品质下降。同时，桃果皮薄、多汁，在采收、分级、包装和运输中极易受机械损伤，为病原菌侵入提供通道，进一步加剧腐烂损失。近期研究估计全球桃采后损失率高达20%–40%，在缺乏冷链设施的发展中国家尤为严重。特征香气是影响消费者接受度的重要感官属性，但采后极易劣变，其丧失与组织软化共同削弱果实商品价值，因此亟需开发有效的保鲜技术。

现有方法分为物理和化学两类。低温贮藏是最常见的物理方法，可抑制微生物生长和酶活性，但桃对低温敏感，在2–8 °C贮藏时极易发生冷害，表现为果肉褐变、质地发绵、汁液流失和风味劣变，其中约5 °C时冷害最严重。气调贮藏通过调节贮藏环境中O₂与CO₂比例抑制果实呼吸，是另一种有效物理保鲜方法，但需较大资本投入、运行成本高且操作技术要求严格，商业化推广面临诸多挑战。化学保鲜方面，1-甲基环丙烯（1-methylcyclopropene，1-MCP）作为乙烯受体竞争性抑制剂被广泛用于延缓呼吸跃变型果实成熟衰老，但其对桃的效果不一致，在某些品种和贮藏条件下可能加剧生理失衡并抑制芳香物质生物合成。杀菌剂可能促进病原菌产生抗性，化学残留引发食品安全担忧，可食性涂膜效果也有限。更重要的是，多数策略侧重于“延缓”而非“调控”，缺乏对采后果实衰老所涉及复杂生理代谢网络的深入干预能力。这些共同局限凸显了开发绿色、安全、低成本替代保鲜技术的迫切需求。

低温等离子体（low-temperature plasma，LTP）作为新兴非热加工技术，近年来在食品保鲜领域展现出广阔应用前景。该技术通过气体放电产生活性氧氮物种（reactive oxygen and nitrogen species，RONS）、紫外光子和电场，可在近室温条件下实现高效表面杀菌和代谢调控。但将等离子体直接作用于食品表面可能造成氧化损伤或表面氧化，且高压设备大规模应用仍面临技术挑战。为克服这些局限，研究人员开发了等离子体活化水（plasma-activated water，PAW）技术，即以经等离子体放电处理的水为介质，通过浸渍或喷施间接处理果实，从而实现间接等离子体处理。PAW通常具有低pH和高氧化还原电位，已知含有复杂的活性物种混合物，其组成取决于制备参数。PAW的保鲜效应一般归因于其活性组分的双重功能：一方面，PAW通过破坏微生物细胞膜和干扰核心代谢途径发挥广谱抗菌作用；另一方面，适当水平的活性物种可作为温和氧化信号调控果实抗氧化系统。在蓝莓、草莓和叶菜中，PAW已被证明可抑制灰葡萄孢（Botrytis cinerea）等病原菌，同时维持贮藏品质。另有研究报道，冷等离子体衍生 Species 可抑制多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）、过氧化物酶（peroxidase，POD）和果胶裂解酶，从而延缓细胞壁降解并保持硬度。

尽管已有上述令人鼓舞的结果，但针对PAW处理桃的系统研究仍较缺乏。桃果实代谢活跃、表皮脆弱，对外源处理反应敏感，正是最可能受益于新型保鲜干预、同时也最易受其风险影响的农产品类型。迄今，PAW如何影响桃表面微生物数量、采后生理和品质保持仍不清楚。因此，研究人员用PAW处理桃果实，评价其对采后品质、表面微生物数量和软化相关变化的影响。

**主要关键技术方法**

研究人员以商业成熟度采收的“Okubao”桃（单果重200–220 g）为材料，随机分为T1–T9九个处理和对照共十组，每组分为非破坏性测定（腐烂率、失重率、硬度，3个生物学重复，每重复50果）和破坏性取样（3个生物学重复，液氮研磨混匀）两部分。采用介质阻挡放电（dielectric barrier discharge，DBD）装置（由河北工业大学合作实验室设计组装）制备PAW，以氩气为工作气体，按L9(3⁴)正交设计考察放电电压（6、7、8 kV）、活化时间（10、20、30 min）和氧气流速（4、8、12 mL·min^?1）三因素，每批活化1 L纯化水，现制5 min内使用。果实浸渍5 min后于25 °C风干2 h，在25 ± 1 °C、50 ± 5% RH条件下贮藏20 d，每4天取样。表面微生物采用棉拭子涂抹25 cm²后梯度稀释，分别于LB琼脂（细菌，37 °C、24–48 h）和PDA（真菌，28 °C、3–5 d）计数，以Log CFU·cm^?2表示。通过极差分析和方差分析（ANOVA）考察各因素影响，并采用模糊隶属函数对5项贮藏指标进行综合评价；TSS用数字折光仪测定，TA用0.1 mol·L^?1 NaOH滴定至pH 8.2。ROS代谢指标（O₂^•?、H₂O₂、MDA）及SOD、POD、CAT、APX、PAL活性和总酚、DPPH清除能力按相应方法或试剂盒测定；并对第0、4、12、20天样品委托上海美吉（Majorbio）进行基于UHPLC-Q Exactive HF-X的非靶向代谢组学分析，经PCA、OPLS-DA筛选差异代谢物（VIP > 1且FDR < 0.05）并进行KEGG富集分析。

**研究结果**

3.1 PAW的表征：与对照（pH 6.83，EC 23.6 μS/cm）相比，多数PAW处理pH下降（3.42–7.37），仅T1略有升高；EC为13.70–42.83 μS/cm，T1（13.70 μS/cm）和T2（18.83 μS/cm）低于对照，其余7个处理EC升高。

3.2 PAW处理对表面微生物、腐烂和品质指标的影响：PAW处理在整个贮藏期显著降低桃表面细菌和真菌总数（p < 0.05）；贮藏20 d时T9表面菌落数显著低于对照和多数其他处理。值得注意的是，T6（EC 24.53 μS/cm，pH 4.49）的抗菌效果弱于T5（EC 33.93 μS/cm，pH 4.24）。贮藏20 d时T9腐烂率为30%，对照为65%；失重率对照为46.63%、T9为25.52%；T9硬度在4 d时显著高于对照并持续至16 d，20 d时较对照高25.1%但差异不再显著。外观照片显示对照8 d时已大面积皱缩，而T5和T9无明显腐烂迹象，T9在20 d时仍保持良好色泽和完整性。

3.3 正交分析与综合评价：极差分析表明活化时间是影响pH（R = 1.536）和EC（R = 19.433）的主导因素，pH次之受氧流量影响（R = 1.193），EC次之受电压影响（R = 10.944）；随活化时间由10 min延长至30 min，平均pH持续下降、平均EC升高，而电压和氧流量均值呈中间水平最优。ANOVA证实三因素均显著影响pH和EC（p < 0.05）。模糊隶属函数综合评价中T9居首（0.993），T8（0.728）和T7（0.721）次之，对照最低（0.084），故初步选定T9用于后续机理研究。

3.4 PAW对TSS和TA的影响：T9果实TSS在4 d时显著低于对照（p < 0.05），8 d和12 d逐渐接近对照，16 d后显著高于对照（p < 0.05）并维持较高水平至20 d；TA两组均逐渐下降，贮藏期间无显著差异。

3.5 PAW对ROS代谢和抗氧化系统的影响：对照H₂O₂波动剧烈，4 d骤升并于16 d达峰后下降，而处理组变化相对平缓，在4、12和20 d显著低于对照（p < 0.05）；对照MDA先降后升并在16–20 d急升，处理组MDA保持相对稳定且在4、8、12和20 d显著降低；O₂^•?两组均先升后降，贮藏中期（8、12 d）T9显著高于对照，后期（16、20 d）显著低于对照（p < 0.05）。POD活性先升后降，处理组下降更慢，4 d显著高于对照（p < 0.001），12 d（p < 0.01）和16 d（p < 0.001）再次显著升高；SOD两组均先升后降并于8 d达峰，处理组峰值后下降更缓，4 d和12 d显著高于对照（p < 0.01）、16 d仍较高（p < 0.05）；APX变化较平稳，仅12 d显著高于对照（p < 0.05）；CAT波动大，对照在8 d和12 d出现两个明显低谷，处理组在8 d和16 d显著高于对照（p < 0.05）。PAL活性处理组在8 d和20 d显著高于对照（p < 0.05）。DPPH清除率对照先降后升并于16 d最低，处理组波动小且在4、8、12和16 d显著高于对照（p < 0.05）；总酚含量处理组全期高于对照，4 d（p < 0.001）、8 d和16 d（p < 0.01）、20 d（p < 0.001）差异显著。

3.6 PAW对代谢系统的影响：PCA中QC样品紧密聚集，PC1（36.50%）和PC2（14.40%，累计50.90%）区分样品，对照随衰老沿PC1迁移，而T9沿PC2分离，12 d T9形成独立聚类。OPLS-DA模型参数R2Y = 0.97、Q2 = 0.938，200次置换检验证实模型未过拟合。以VIP > 1和FDR < 0.05为标准，4、12和20 d差异代谢物（differentially expressed metabolites，DEMs）分别为767个（上调678、下调89）、381个（上调160、下调221）和495个（上调300、下调195），4 d以上调为主（88.4%），12 d降至最低且下调占优（58.0%），20 d回升且上调占60.6%。KEGG富集显示，4 d显著富集于苯丙烷生物合成、黄酮生物合成、ABC转运蛋白和氨酰-tRNA生物合成；12 d主要为多种植物次生代谢物生物合成、苯丙烷生物合成以及α-亚麻酸和亚油酸代谢；20 d为植物激素信号转导、黄酮和黄酮醇生物合成及黄酮生物合成。合并5条核心通路（苯丙烷生物合成、黄酮和黄酮醇生物合成、黄酮生物合成、苯丙氨酸代谢和亚油酸代谢）的DEMs得到34个关键代谢物，层次聚类热图显示其在贮藏期的积累模式。

**讨论部分总结**

作者在讨论中指出，正交设计中活化时间是pH和EC的主导因素，反映活性物种随时间累积和酸化；电压和氧流量在中间水平（水平2）达最优后趋于平台或略降，提示最优值位于或处于所测范围内，但30 min时活化时间仍呈单调趋势，更长活化时间尚不能完全排除，有待后续验证；基于贮藏20 d模糊隶属函数的多指标综合评分确认T9保鲜性能最佳，支持了正交筛选的可靠性。研究证明PAW显著降低桃表面微生物生长、减少腐烂和失重、延缓软化，这些效应可能与PAW中活性物种的联合作用有关：一方面通过诱导氧化应激、损伤细胞膜、扰乱微生物氧化还原稳态使表面微生物失活，且其抗菌活性不太可能归因于单一组分；草莓中PAW抑制灰葡萄孢毒力、应激和细胞代谢相关基因（BCBCG1、BCATG1、BCSTR2、BCSOD1）表达，苹果中PAW延缓炭疽病症状并影响胶孢炭疽菌（Colletotrichum gloeosporioides）致病相关基因表达，为PAW的抗采后病原菌作用提供了间接支持。另一方面，PAW可能改变ROS积累并诱导氧化还原调控，从而调节果实抗氧化酶系统，类似变化已在PAW处理的草莓、鲜切芒果、枸杞和葡萄中报道。品质指标方面，T9早期TSS略低可能与瞬时胁迫响应有关，后期TSS较高提示PAW延缓衰老、减少糖分消耗；对照虽因严重失重理论上应浓缩溶质，但衰老加剧导致糖消耗超过浓缩效应，最终TSS较低；TA无显著变化说明PAW未明显影响果实酸度，类似效应在苹果和鲜切芒果中亦有报道。总体而言，PAW可能通过外部抑菌与内部生理调控的联合作用保持桃果实品质，作为非热处理可减少化学残留担忧，兼具抗菌和生理调节双重益处，是一种极具前景的替代保鲜方法。

关于酶促与非酶促抗氧化系统的时间协调，作者指出SOD在4 d显著增强，POD在4 d显著升高并总体维持至16 d，CAT在8 d显著增强，APX在12 d显著升高，因此抗氧化响应更宜描述为SOD、POD、CAT和APX在时间上重叠的协同诱导，而非严格的顺序“接替”。T9在8 d和20 d维持显著较高的PAL活性，与较高的总酚含量和改善的DPPH清除能力共同提示PAW处理果实苯丙烷类相关代谢的改变。酶促与非酶促抗氧化物的协同变化可能解释PAW处理果实中后期较低的MDA水平；T9果实H₂O₂在多个时间点较低，O₂^•?中期较高、后期较低，提示PAW调节了ROS产生与清除之间的氧化还原平衡，从而减轻脂质过氧化并有助于维持膜功能。此外，两组总酚均在16 d达峰后下降，对照20 d时骤降，可能源于衰老加剧、膜完整性破坏使酚类与PPO接触而发生酶促氧化聚合生成褐色物质，对照后期PAL活性下降亦支持酚类生物合成能力丧失；而PAW处理果实20 d时仍保持显著较高的酚类水平，可能归因于其延缓衰老、更好地保持膜完整性从而减少酚类氧化。

关于代谢网络的调控，代谢组学分析表明PAW对桃代谢的影响强烈依赖贮藏时间：4 d时差异代谢物以上调为主，苯丙烷生物合成、黄酮生物合成、ABC转运蛋白和氨酰-tRNA生物合成显著富集，提示与氧化还原调控和蛋白质合成相关的早期生理代谢调整，PAW可能模拟温和非生物胁迫促进采后果实生理调整，早期苯丙烷和黄酮生物合成富集与生理测定中PAL活性和酚类积累升高一致；12 d时差异代谢物最少且下调居多，多种植物次生代谢物生物合成、苯丙烷生物合成及α-亚麻酸和亚油酸代谢显著富集，由于α-亚麻酸和亚油酸是茉莉酸类前体和膜脂关键组分，提示PAW处理与脂质相关信号的可能关系，脂肪酸代谢改变可能反映膜脂重塑变化，与PAW处理果实MDA积累显著降低一致；20 d时植物激素信号转导、黄酮和黄酮醇生物合成及黄酮生物合成显著富集，黄酮通路的持续富集表明贮藏后期抗氧化次生代谢物持续积累，有助于缓解衰老引起的氧化损伤，植物激素信号转导富集则提示PAW可能有助于维持激素稳态以延缓果实衰老。综上，PAW处理通过直接抑菌和调控生理代谢过程的联合作用延缓桃果实衰老，并伴随酶促与非酶促抗氧化系统以及苯丙烷代谢、激素信号转导和膜脂代谢等关键通路的调控。

**研究结论（译文）**

综上，T9处理延缓了采后衰老，这与表面微生物负荷降低、氧化胁迫减轻以及苯丙烷和黄酮代谢的改变密切相关。上述研究结果为PAW作为一种无残留保鲜技术用于采后桃果实提供了依据。