研究人员开发了一种通过使用可生物降解的微针注入褪黑激素来延长蔬菜保质期的方法。
我们都感到过当水果和蔬菜在我们能够吃之前变坏的愧疚感。现在，来自麻省理工学院和新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的研究人员已经证明，他们可以通过使用可生物降解的微针将褪黑激素注入收获的植物，以延长其保质期。
这是一个大问题，因为食物浪费的问题远远超出了我们的沙拉。全球超过30%的食物在收获后被浪费——足以养活超过10亿人。制冷是保存食物最常见的方法，但它需要许多地区无法负担或缺乏的能源和基础设施。
研究人员相信，他们的系统可以为制冷提供一种替代方案或补充。其方法的核心是丝绸微针贴片。微针能够穿透植物坚韧的蜡质外皮而不引起压力反应，并将精确量的褪黑激素输送到植物内部组织。
“这是我们首次能够应用这些微针来延长切割新鲜农作物的保质期，”研究的资深作者、麻省理工学院土木与环境工程副教授、麻省理工气候项目Wild Cards任务主任Benedetto Marelli说。“我们认为我们可以利用这项技术来传递能够调节或控制植物的采后生理的东西。最终，我们研究了激素，而褪黑激素已经被植物用来调节此类功能。我们浪费的食物可以养活大约16亿人。即使在美国，这种方法有一天也可以扩大对健康食品的获取。”
在即将在Nano Letters发表的研究中，Marelli和SMART的研究人员将含有褪黑激素的小型微针贴片应用于青菜（pak choy）的底部。施用后，研究人员发现褪黑激素能够在室温下延长蔬菜的保质期四天，在冷藏条件下延长十天，这可能使更多农作物在被浪费之前到达消费者手中。
“采后浪费是一个巨大的问题。在非洲和东南亚的新兴市场，这个问题极其重要，许多作物虽被生产，但在从农场到市场的过程中无法保持，”本研究的共同资深作者、新加坡淡马锡生命科学实验室的高级首席研究员Sarojam Rajani表示。
植物去压因子
多年来，Marelli的实验室一直在探索使用丝绸微针进行营养物质输送和植物健康监测等应用。由丝绸纤维蛋白制成的微针是无毒和可生物降解的，Marelli之前的工作已经描述了在规模上制造它们的方法。
为了测试微针延长食品保质期的能力，研究人员希望研究它们输送已知影响衰老过程的激素的能力。除了帮助人类入眠外，褪黑激素也是许多植物中的一种天然激素，帮助它们调节生长和衰老。
“我们输送的褪黑激素剂量非常低，因此它被作物完全代谢，不会显著增加食物中本来存在的褪黑激素量；我们不会摄入比平常更多的褪黑激素，”Marelli说。“我们选择青菜是因为它在亚洲是非常重要的作物，而且青菜非常易腐烂。”
青菜通常通过从根系切割植物来收获，暴露出提供便利的导管束，向植物的其他部分分配水分和营养物质。为了开始他们的研究，研究人员首先使用微针将荧光染料注入植物的基部，以确认导管能够将染料传播到整株植物。
研究人员随后比较了常规青菜植物和喷洒或浸泡了褪黑激素的植物的保质期，发现没有差异。
在确定基线保质期后，研究人员手动将含有褪黑激素的微针小贴片应用于青菜植物底部。然后，他们将处理过的植物和对照组放置在塑料盒中，在室温和冷藏条件下存储。
研究团队通过监测植物的重量、视觉外观和叶绿素浓度来评估植物，叶绿素作为一种绿色色素随着植物的老化而减少。
在室温下，未处理的对照组的叶子在两到三天内开始发黄。到第四天，发黄加速到植物可能无法出售的地步。相比之下，使用装有褪黑激素的丝绸微针处理的植物在第五天依然保持绿色，发黄过程显著延迟。处理植物在室温下的重量损失和叶绿素减少也显著减缓。总体而言，研究人员估计微针处理的植物在第八天仍保持可售价值。
“我们明确看到可以在没有冷链的情况下增强青菜的保质期，”Marelli说。
在约40华氏度的冷藏条件下，植物的发黄平均延迟约五天，处理过的植物在第25天仍保持相对绿色。
“对植物的光谱分析表明，处理过的植物具有更高的抗氧化活性，而基因分析显示褪黑激素在植物内部引发了一系列保护反应，保持了叶绿素并调整激素以减缓衰老，”共同第一作者、曾任淡马锡生命科学实验室博士后的Monika Jangir说。
“我们研究了褪黑激素的影响，发现它改善了植物被切割后的压力反应，从而基本上减少了植物所经历的压力，延长了其保质期，”共同第一作者、SMART组织内的农业精准技术的颠覆性和可持续技术组（DiSTAP）研究科学家Yangyang Han说。
朝着采后保存的方向
虽然微针相较于喷洒或浸泡作物等其他应用方法，可以最大限度地减少浪费，但研究人员表示，仍需要更多工作以大规模部署微针。例如，虽然研究人员在此实验中手动施用微针贴片，但未来可以使用拖拉机、自动无人机和其他农业设备来施用这些贴片。
“为了广泛采用这一技术，我们需要达到性能与成本的平衡，以证明其使用的合理性，”Marelli解释道。“这种方法需要变得足够便宜，以便农民可以定期使用。”
未来，研究团队计划使用其微针输送技术研究各种激素对不同作物的影响。团队相信该技术应该适用于所有类型的农产品。
“我们将继续分析如何增加这对作物的价值和质量的影响，”Marelli说。“例如，这是否可以使我们调节作物的营养价值、形状、质地等？我们还将继续研究如何扩大这一技术的规模，以便在实际应用中使用。”
这项工作得到了新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）和新加坡国家研究基金会的支持。
