文．圖／林彥丞 財團法人農業科技研究院產業發展中心研究專員
黃莉詠 財團法人農業科技研究院產業發展中心助理研究員
林恒生 財團法人農業科技研究院產業發展中心副主任
蔬果採後處理的目的，在於確保蔬果運輸、貯藏期間能夠維持新鮮、完整，把最好的產品交到消費者手上。隨著世代變遷，消費者注重的已經不僅是美觀、好吃的蔬果，更追求健康、安全的食材，因此，針對不同蔬果及目標市場，開發出最適合的採後處理程序，以更安全的方式減少蔬果貯藏期病蟲害發生，並維持良好的生理狀態，是學術和產業界發展的目標。
病原體感染會導致水果和蔬菜在採後處理、貯藏和運送過程中嚴重腐敗，並縮短櫥架壽命。根據聯合國農糧組織報告，全球約有33％的水果和蔬菜在採收後損耗，其中真菌是造成損耗的主因。據估計，在已開發國家大約20～25％的水果和蔬菜在採後處理的過程中因病原體感染而損耗，而在開發中國家，由於貯藏和運輸設施不足，採後損耗往往更為嚴重，可能高達50％。
除了品質降低和經濟損失外，被真菌病原體感染的蔬果還會對人類健康造成威脅，曲霉屬、鍊格孢屬、鐮刀菌屬和青黴屬等幾個屬的真菌會產生真菌毒素（Mycotoxin）。例如擴展青黴（Penicillium expansum）是水果中常見的病原體，它會產生許多潛在的致癌代謝物，包括桔黴素、棒曲霉素和細胞鬆弛素等。
為了減少化學性藥劑的使用，生物性防治即是採後病害防治的一種環保替代方案，其中使用酵母、真菌和細菌等生物防治物（Biological Control Agent，以下簡稱BCA）的做法在近年愈發普及。
有機食品需求帶動生物性防治劑
根據Markets and Markets Research Private所發布報告，2020年全球生物殺菌劑（Bio-fungicide）市場規模約為16億美元，預計將以16.1％的複合年增長率（CAGR）成長，於2025年達到34億美元。全球對有機食品需求的提升是推動生物殺菌劑市場增長的主要因素，次要因素包含各國對化學性農藥使用的限制，以及更有效的BCA產品上市。目前北美洲是全球最大的有機食品市場，也是BCA市場成長最快的地區，其次則分別為歐洲和亞太地區。全球BCA屬於完全競爭市場，大型上市企業僅占市場分額的9％，其餘近90％的市占率屬於小型私人企業。
BCA依照使用方式可分為田間、土壤、種子施用以及採後使用，其中土壤施用是最廣泛的應用，產品種類也最多。目前BCA產品應用於採後處理市場的規模較小，不過BCA是除化學藥劑之外，可在有機農業中使用的採後處理防治物，因此預期未來也會受惠於有機農產品市場的大幅擴大而成長。
生物性防治劑從何而來？
多數BCA分離自蔬果表面或是植株生存環境中，例如葉圈（Phyllosphere，植物地上部共生的微生物群）、根部和土壤中分離取得。從番茄葉圈分離的紅酵母菌（Rhodotorula glutinis）會阻礙灰黴菌的生長；從柑橘根部中分離出的檸檬型克勒克酵母（Kloeckera apiculate）可抑制柑橘和葡萄上的義大利青黴菌和灰黴病菌；從南極土壤中分離出的耐寒酵母（Leucosporidium scottii）可抑制導致蘋果青黴病和灰黴病的擴展青黴和灰色葡萄孢菌（Botrytis cinerea）；從番石榴葉片分離出的黑酵母菌（Aureobasidium pullulans）具有抑制番石榴瘡痂病（Pestalotiopsis sp.）的效果。
除了抑制病原菌的效果，這些微生物還需要以下特質，包含①遺傳穩定，不易在繁殖的過程中出現變異；②適應力強，能在各種貯藏環境下作用；③對多種病原體和不同作物有效，具備廣效性；④對人體和作物無害；⑤安全且容易製造、儲存和使用；⑥與其他化學和物理防治方式兼容，不會互相影響，才能成為具有實際應用價值的BCA。整體而言，BCA必須安全穩定，且比防治對象有更好的適應性和耐受性。
對抗病原菌的獨門絕技
BCA透過自身、病原菌和寄主植物三者之間的交互作用達成病害防治的效果，了解其作用機制有助於篩選出更適合防治的菌株，並且根據作用方式開發輔助方法以加強防治效果。以下舉例說明數種常見的BCA作用機制。
一、搶地盤大作戰－空間與營養競爭
碳水化合物、氨基酸和維生素等營養物質，以及氧氣或空間的競爭，對於抑制採後病害非常重要，也是目前最常見的BCA作用機制。在營養缺乏的情況下，BCA可以迅速消耗傷口部位的可用營養，使病原體缺乏營養而無法發芽、生長和感染。過去研究中發現成團泛菌（Pantoea. agglomerans CPA-2）在低營養濃度的環境下能夠防止病媒孢子萌發，但在高濃度時，對孢子萌發的抑制不顯著；當外施高濃度的營養物質氨基酸於蘋果表皮傷口時，黑酵母菌對擴展青黴的抑制效果則會較低營養濃度下的情況顯著降低。
BCA與水果傷口中病原體的養分競爭也可能受到其他因素的影響。水果表面存在的非致病性天然微生物群，也可以通過拓殖（colonization）和有毒代謝物的產生來競爭營養和空間，所以經過表面清洗的水果在失去天然微生物群後，更容易受到病原菌感染。
除了碳水化合物和氨基酸，礦物質亦是微生物生長的必要元素；在鐵限制條件下，BCA能合成低分子量（500～1,000Da，Da全稱Dalton，為分子量單位）鐵載體競爭鐵離子的吸收。鐵載體是一種螯合化合物，分為細菌獨有的兒茶酚酸鹽，或酵母和細菌皆可產生的羥基酸鹽，這些鐵載體透過與病原體競爭鐵，從而阻礙它們的生長、萌發和發病機制。
二、毒素釋放－抗生素
部分BCA會分泌抗生素，可以抑制或殺死潛在病原體。許多細菌屬，例如芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、鏈黴菌屬、伯克霍爾德菌屬、泛菌屬、溶菌屬和腸桿菌屬會生產抗生素，常見的抗生素包含吡咯尼群（Pyrrolnitrin）、伊枯草菌素（Iturins）、丁香黴素（Syringomycin）。抗生素的作用機制包括抑制細胞壁合成、破壞細胞膜結構以及防止蛋白質合成，然而大量使用抗生素來抑制病原菌，有導致抗藥性迅速出現的風險，因此主流上仍偏好使用非抗生素的BCA來抑制真菌病原體。
三、真菌也懂寄生上流？
部分BCA可附著在病原體的菌絲上，產生細胞壁裂解酶（Cellular lysis）來達到防治效果。寄生行為大致包含以下流程：①與真菌病原體接觸，②BCA與病原體的相互識別，③裂解酶的分泌，以及④BCA在宿主體內的活躍生長。寄生可能直接殺死或破壞真菌病原體的結構，導致細胞畸形，包括細胞損傷、菌絲體裂解、細胞膜通透性改變和細胞質內容物洩漏，阻礙病原體孢子萌發，並破壞卵孢子。
四、刺激植物防禦反應
部分BCA可誘導宿主植物系統抗性以對付入侵病原體，包含生物性或非生物性逆境的抗性。相關反應包含絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號傳導、活性氧生成（ROS）、萜類化合物和植物抗毒素的合成、感染部位的木質化及強化宿主細胞壁，影響宿主植物基因表現量。
負責信號轉導和逆境反應的基因表現增加，而負責能量代謝和光合作用的基因下調，例如過氧化氫酶（CAT）、穀胱甘肽過氧化物酶和多酚氧化酶（PPO）的活化，都增加了宿主植物對入侵病原體的抵抗力，例如桃子施用羅倫隱球酵母（Cryptococcus laurentii）和甲基茉莉酸（MeJA）處理，增加果實幾丁質酶、葡聚醣酶、苯丙氨酸解氨酶（PAL）和過氧化物酶（POD）的活性，進而減少了由核果褐腐病菌（Monilinia fructicola）和擴展青黴造成的果腐病病斑直徑。
五、搭建堡壘－BCA的生物膜
部分BCA會形成生物膜（biofilm）以達成在蔬果表面拓殖的目標。生物膜如同BCA的安全堡壘，利用胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substance,EPS主要為多醣）包覆自身，使其得以在富含蛋白質、核酸和多醣的環境快速成長，而且對於外界環境改變的反應更加迅速。 在實驗室中培養釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）形成生物膜，對一些採收後病害具有防治效果，因為生物膜能使釀酒酵母更有效率地在傷口拓殖，使病原菌因為營養缺乏而無法感染宿主植物。然而，只有已經形成生物膜的酵母細胞才能有效抑制病原體的生長，因此發展誘發技術，或篩選出容易形成生物膜的菌株，是擴大應用這項特性的關鍵。
1＋1大於2 整合使用更有效
透過分析作用機制來選擇合適的BCA種類後，需要再釐清合適的施用時機與方式，才能將防治效果最大化。
一、田間栽培期施用
部分病原體在採前階段就感染宿主植物，這些潛伏感染成為水果和蔬菜在運輸或貯藏過程中腐爛的主要因素。採收前施用可以增加BCA的作用時間，預先讓BCA在果實表面拓殖，當採後處理期間傷口發生時，預先拓殖的BCA相較於病原菌有數量上的優勢，便更能競爭傷口上的營養物質與空間，減少病原菌在傷口繁衍的機會。然而，BCA田間環境的低存活率，是採前施用技術的主要瓶頸，因此目前應用較少。
二、採後施用
採後施用BCA是目前最主流的做法，較採收前應用更有效且穩定。可以噴霧或浸漬的方式施用。例如採後施用木黴菌（Trichoderma harzianum）、粉紅粘帚黴（Gliocladium roseum）和多變擬青黴（Paecilomyces variotii Bainier），比採前施用更好地控制草莓中的灰黴病和檸檬中的鍊格孢菌（Alternaria spp.）。
三、整合性施用
儘管BCA具有抑制採收後病害的效果，但單獨使用時通常不足以維持95％以上的防治率。單獨使用物理方法（例如紫外線照射和熱處理）或化學方法也都不足以100％控制採後疾病。因此，採後病害管理結合生物、物理和化學防治方法，可能是最有效的處理，利用每種方法的協同效應，從而提高病害防治的功效。
例如紅酵母菌對甜櫻桃中的擴展青黴和鍊格孢菌的防治效果在配合水楊酸的處理下提高。在低濃度下，水楊酸對BCA和病原體的生長只有輕微的影響，防治效果的改善是透過誘導宿主植物中相關防禦酶的活化，包括多酚氧化酶、苯丙氨酸解氨酶和葡聚醣酶等，而不是單獨提升BCA的抑菌作用；當與熱空氣或碳酸氫鈉搭配使用時，成團泛菌在抑制檸檬和其他柑橘類果實貯藏期間青黴菌和藍黴菌的效果顯著提高。這些物理與化學方法對BCA的影響小，但仍具有抑制病原菌的效果，當BCA與小劑量的化學藥劑結合使用，也能達到與使用大量化學殺菌劑相似的病害防治效果。
四、市售BCA以採後處理為主
目前市售BCA產品，大多建議於採後處理階段使用，採前處理的產品較少。有效成分以酵母菌為主的產品居多，細菌和真菌次之，主要是因酵母生長的營養需求簡單，可廣泛利用不同種碳水化合物，並可生長於多樣的自然環境；主要的BCA產品製造商大多分布於西歐與北美地區，與當地較為蓬勃的有機產品市場有關。
困難重重 生物性防治劑開發瓶頸
目前已有數百篇關於使用BCA防治採後病害的研究，然而僅有少數能進入商業開發階段並正式成為商品。主要的瓶頸是商業環境下BCA容易出現防治效果不彰及表現不穩定的問題，原因來自對BCA作用機制的理解不足。生物防治系統的成功是宿主植物、BCA、病原體和植物原本內生的微生物群（Epiphytic microflora）四個角色之間發生複雜交互作用的結果，形成四級營養交互系統（Quadritrophic system）。雖然已經研究超過30年，目前對這些交互作用的認識仍有限。
近年來，分子生物學技術的應用提高了對BCA作用機制的認識，特別是組學技術（Omics techniques），包括基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、總體基因組學和代謝組學，是剖析複雜交互作用的重要工具。透過這些分析，有望能更深入理解BCA是如何在宿主植物上拓殖、存活和分化，從而能進入商業開發階段，從生產方法、組成配方、包裝方式、施用和儲存方法的角度，加強BCA的使用效果。
預防勝於治療 生物防治劑未來可期
許多BCA（真菌、酵母菌和細菌）已經在實驗室和小規模田間試驗中，證明可用於蔬果的採後病害防治處理，然而要確保在多樣的採後環境下依然保持穩定的防治效果，仍有許多門檻需要克服。作物的採後處理、採後生理狀態以及貯藏環境都會交互作用，從而影響BCA的效果，在一般情況下，單獨使用BCA的防治效果較化學性藥劑差，因此應以植物病害整合管理（Integrated Disease Management,IDM）的角度思考，整合各個採前和採後的各種防治方法，以達到長期降低化學藥劑的使用，並維持穩定防治效果。
病害整合管理的概念延伸自害物整合管理（Integrated Pest Management,IPM），其理念是透過監測環境因子、病害預測及建立經濟臨界值，秉持預防勝於治療的理念。這套管理的概念已被延伸到採後處理領域，針對不同農產品種類，從栽培期、採收前到採收後的各處理步驟導入防治措施，隨著生物性和物理性防治技術的完熟與應用，將能在不使用大量化學藥劑的情況下，逐步減少採收後病蟲害，並增強蔬果本身的健康度，穩定蔬果採後品質。
儘管目前BCA產品的開發不易，隨著全球對有機農產品需求以及環境保護意識的提升，採後處理的BCA市場成長可期。
（參考文獻請洽作者）
更多文章請見《豐年雜誌》2022年8月號
