熱激處理減輕黃瓜冷害與細胞壁代謝的關系

沈麗雯,劉 娟,董紅敏,周心雅,佟慧玲,秦 文

(四川農業大學食品學院,四川雅安 625014)

熱激處理減輕黃瓜冷害與細胞壁代謝的關系

沈麗雯,劉 娟,董紅敏,周心雅,佟慧玲,秦 文*

(四川農業大學食品學院,四川雅安 625014)

為了進一步闡明熱激處理緩解黃瓜冷害癥狀的作用機理,研究熱激處理對采后黃瓜果實冷害指數、細胞壁組分以及細胞壁降解酶活性的影響,將“金田208”黃瓜經42 ℃熱水處理10 min后,于(2±1)℃下貯藏。貯藏期間定期測定黃瓜果實的冷害指數、果實硬度、細胞壁組分含量和細胞壁水解酶活性。實驗結果表明:與對照組相比,熱激處理可以顯著(p<0.05)降低黃瓜果實受到低溫脅迫時的冷害指數,能夠降低果膠甲酯酶(PME)、多聚半乳糖醛酸酶(PG)、β-葡萄糖苷酶和纖維素酶的活性,能夠延緩果膠和纖維素含量的下降。相關性分析結果表明,黃瓜的冷害與細胞壁組分(原果膠、可溶性果膠、纖維素)之間存在極顯著(p<0.01)的相關性,與細胞壁水解酶PME和纖維素酶活性之間存在極顯著(p<0.01)的相關關系,因此可以認為熱激處理可以通過降低采后黃瓜果實細胞壁降解酶的活性而減少細胞壁組分的降解,從而維持細胞壁結構的完整性,使黃瓜果實表現出一定的抗冷性。

熱激處理,黃瓜,冷害,細胞壁組分,細胞壁降解酶

黃瓜(Cucumis sativs L.)是一種典型的冷敏性蔬菜,長時間低溫貯藏會造成黃瓜冷害失去商品價值,從而造成經濟損失。為解決冷害與低溫貯藏之間的矛盾,熱處理作為一種安全高效的物理保鮮方法,近年來已經越來越多的應用于黃瓜的保鮮中。已有研究研究表明:熱激處理可以有效減輕黃瓜的低溫傷害[1],并且可以顯著降低黃瓜的膜滲透率和MDA含量,提高SOD、CAT、POD等保護酶的活性[2],特別是能夠對黃瓜果實硬度的下降起到一定的延緩作用[3]。此外,研究表明:適當的熱處理能夠抑制柿果[4]、龍眼[5]等果實細胞壁降解酶活性上升和細胞壁物質含量的下降,從而有效的延長果實的貨架期。

表1 熱激處理對黃瓜果實冷害指數的影響(%)

目前的研究結果普遍認為,果實的質地主要取決于果實中的果膠、纖維素、半纖維素等細胞壁物質的含量。果實在貯藏過程中,果膠甲酯酶(pectinmethylesterase,PME)、多聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase,PG)、半乳糖苷酶(β-galactosidase,β-Ga1)和纖維素酶(cellulase,Cx)等細胞壁水解酶活性增強,催化細胞壁物質降解,造成細胞胞間層結構改變,細胞壁總體結構破壞,是導致果實質地發生變化的主要原因[6]。

目前有關熱激處理對黃瓜果實細胞壁代謝的影響尚不十分清楚,特別是對于冷害與細胞壁代謝之間的關系的研究尚未見報道。本文旨在探討熱激處理對黃瓜低溫貯藏期間細胞壁組分和細胞壁水解酶活性的影響,并探討冷害發生與其之間的聯系,從細胞壁組分代謝的角度探索熱激處理誘導黃瓜抗冷性的機理,為黃瓜的貯藏保鮮以及熱激處理的應用提供理論基礎,并為其他果蔬的貯藏保鮮提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

品種為“金田208” 2014年3月7日采自四川攀枝花米易,置于塑料周轉箱中,當天運回四川農業大學食品學院實驗室,預冷過夜,選擇成熟度基本一致,瓜條順直,無病蟲害、無機械損傷的果實,用于實驗處理。

BS210S型電子天平 塞多利斯北京天平有限公司;HWS24型電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科技有限責任公司;UV-3200型紫外分光光度計 上海美普達有限公司;高速冷凍離心機 美國Thermo公司;低溫冷藏柜 青島海爾公司。

蒽酮 上海科豐化學試劑有限公司;咔唑 國藥集團化學試劑有限公司;水楊苷 Kayou 進口分裝;3,5-二硝基水楊酸、羧甲基纖維素鈉 成都科龍化工試劑廠;半乳糖醛酸 廣州蘇喏化工有限公司;除特殊說明外,上述試劑均為分析純。

1.2 處理方法

將供試黃瓜隨機分成兩組,分別做如下處理。熱激處理組(以下簡稱熱激):采用 42 ℃熱水處理10 min 后,于室溫下陰干水分,置于泡沫塑料箱內,于2 ℃貯藏。對照組(以下簡稱對照):不經熱激處理,直接置于2 ℃貯藏。每一處理重復三次。貯藏周期為18 d,每3 d對各組進行各項指標的測定。

1.3 指標測定

冷害指數測定方法實驗將黃瓜冷害分為5級進行測定[2];可溶性果膠和原果膠的提取及測定參照曹建康的方法,果膠含量測定采用咔唑比色法測定[7-8];纖維素測定采用蒽酮比色法[9]測定;PG酶活性、Cx活性測定參考曹建康[7]的方法;β-Gal活性參考Carrington C M S[10]的方法;PME活性參考Lin T P[11]等的方法。

1.4 數據處理

所有測定均重復3次,結果取平均值,計算標準偏差(SD)用SPSS 17.0進行Duncan’s多重比較和Pearson相關性分析,Origin 8.1進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 熱激處理對采后黃瓜果實冷害指數的影響

熱激處理對黃瓜果實冷害指數的影響結果見表1,采后黃瓜果實在2 ℃的低溫條件下,冷害指數隨貯藏時間逐漸增大,但熱激組和對照組之間差異明顯,對照組在貯藏3 d后就開始出現冷害癥狀,而熱激組的冷害發生則出現于第9 d。黃瓜的冷害癥狀表現為皮色變暗,失去光澤,果皮出現不規則水漬樣凹陷斑。整個貯藏過程中熱激組的冷害指數始終顯著(p<0.05)低于對照組,貯藏期結束時,對照組的冷害指數已經高達0.332,而熱激組的冷害指數僅為對照組的35.5%,由此可以看出,采后熱激處理能夠顯著提高黃瓜果實的抗冷性,減輕冷害癥狀。

2.2 熱激處理對采后黃瓜果實果肉細胞壁組分含量的影響

從圖1看出:無論是對照組還是熱激組,黃瓜果實中的纖維素含量均隨著貯藏時間的延長而逐漸降低,在貯藏初期(0～3 d),對照組和熱激組的纖維素含量差異不顯著,但之后熱激組的纖維素含量均顯著(p<0.05)高于對照。在貯藏6 d時熱激組的纖維素含量有所升高,此后仍呈現不斷下降趨勢。熱激處理導致纖維素含量出現升高可能是由于纖維素存在于細胞壁內,纖維素微纖絲發生解離,導致纖維素含量增加,同時在果實貯藏期間,果膠和纖維素發生守恒變化也是纖維素含量增加的原因[12],此外,纖維素含量增加的原因還可能與熱激處理激活了纖維素合成基因的表達[13],同時又較好的抑制了纖維素酶等降解酶的活性有關,具體原因還有待實驗證實。至貯藏結束時,二者的纖維素含量分別為0.36%和0.46%。

圖1 熱激處理對采后黃瓜果實纖維素含量的影響Fig.1 Effect of heat shock treatment on the content of cellulose

原果膠是一種非水溶性的物質,由于它的存在使的果實組織堅實、脆硬,但隨著果實的成熟和衰老,原果膠物質逐漸與纖維素分離形成可溶性果膠,使得果實組織變得松弛、軟化,硬度下降。

由圖2可以看出,貯藏過程中黃瓜果實中的原果膠含量總體呈現下降趨勢,特別是對照組,在貯藏前期下降迅速,貯藏后期下降速度變緩。在整個貯藏過程中熱激組的原果膠含量顯著(p<0.05)高于對照組,這說明熱激處理可以在一定程度上抑制原果膠的降解。

圖2 熱激處理對采后黃瓜果實原果膠含量的影響Fig.2 Effect of heat treatment on the fruit pectin content

由圖3可以看出,隨著貯藏期的延長,果實中的原果膠向可溶性果膠轉化,對照組和熱激組果實中的可溶性果膠含量均呈現上升趨勢,采后果實中的可溶性果膠含量較低,但隨著果實的軟化,細胞壁的降解,其可溶性果膠含量不斷升高。除貯藏開始時對照組和熱激組可溶性果膠含量差異不顯著外,整個貯藏過程中,熱激組的可溶性果膠含量均顯著(p<0.05)低于對照,貯藏結束時二者的差異達到1.30 g/100 g。

圖3 熱激處理對采后黃瓜果實可溶性果膠含量的影響 Fig.3 Effect of heat shock treatment on the soluble pectin

對原果膠和可溶性果膠含量的分析可以看出,熱激處理對于抑制原果膠向可溶性果膠轉化,延緩原果膠降解和可溶性果膠含量升高具有積極意義。

2.3 熱激處理對采后黃瓜果實果肉細胞壁降解酶活性的影響

多聚半乳糖醛酸(PG)酶直接關系到果蔬中果膠物質的降解和果實的硬度。它能夠通過水解作用和反式消去作用,切斷果膠分子中的α-1,4-糖苷鍵,從而將果膠分子降解為小分子物質。由圖4可以看出,對照組的PG酶活性呈現明顯的先上升,后下降的趨勢,在貯藏初期上升緩慢,從貯藏后第3 d開始,其PG酶活性出現大幅上升,至貯藏后第9 d,達到峰值,此后隨著貯藏期的延長又不斷下降。熱激組的PG酶活性變化趨勢與對照組基本一致,但是其PG活性峰值出現在貯藏第15 d,比對照組晚出現了6 d,且兩者峰值相比差異顯著(p<0.05),整個貯藏過程中,熱激組的PG酶活性均低于對照組。

圖4 熱激處理對采后黃瓜果實PG酶活性的影響Fig.4 Effect of heat shock treatment on PG activity

圖5結果表明,對照組黃瓜的纖維素酶活性在貯藏前期上升緩慢,至貯藏第6 d后開始迅速上升,此后仍呈現不斷上升趨勢,而熱激組在貯藏前期有纖維素酶活性出現小幅下降,隨后也呈現不斷上升趨勢,但仍顯著(p<0.05)低于對照組,這與熱激使黃瓜中纖維素含量高于對照的實驗結果在理論上是一致的。

圖5 熱激處理對采后黃瓜果實纖維素酶活性的影響Fig.5 Effect of heat shock treatment on cellulase activity

由圖6看出,在低溫貯藏過程中對照組的β-葡萄糖苷酶活性先降低,至貯藏第3 d后開始上升,至第9 d后達到活性峰值,此后又繼續下降。熱激處理組也呈現先下降后上升的趨勢,但峰值出現在貯藏后第12 d,且峰值顯著(p<0.05)低于對照組。

由圖7看出,果膠甲酯酶(PME)活性在貯藏過程中逐漸降低,從貯藏第6 d開始,熱激處理組開始顯著(p<0.05)低于對照組。至貯藏結束時,熱激組的PME活性比對照組低18.5 μg·kg-1·h-1。

表2 黃瓜果實冷害指數與細胞壁含量、細胞壁水解酶活性相關性分析

圖6 熱激處理對采后黃瓜果實β-葡萄糖苷酶酶活性的影響Fig.6 Effect of heat shock treatment on β-glucosidase activity

圖7 熱激處理對采后黃瓜果實果膠甲酯酶活性的影響Fig.7 Effect of heat shock treatment on PME activity

注:*表示顯著,**表示極顯著。

由此可見,熱激處理可以有效抑制黃瓜果實果肉中的β-葡萄糖苷酶酶活性,降低PME活性,對于細胞壁組分具有保護作用。

2.4 采后黃瓜果實冷害與細胞壁組分含量的關系

植物的細胞壁呈現非常復雜的網絡結構,其主要構成成分包括纖維素、果膠、半纖維素以及少量蛋白質。在果實成熟軟化的過程中,伴隨著果膠的降解和可溶性果膠含量的上升,這種轉化使細胞壁的中膠層溶解,造成細胞間失去粘結作用而分離,同時纖維素和半纖維素分解,使得微纖絲結構松弛,細胞壁結構消失,細胞壁機械強度不斷下降,最終導致細胞壁總體結構的破壞,從而最終導致果實軟化[14]。研究表明[15]:細胞壁組分大量分解會造成細胞壁的繩狀結構的破壞,引起果實軟化,冷害癥狀則表現為果面凹陷、組織水漬狀,果實腐爛。De Haan[16]認為桃果實的絮敗與果膠物質的代謝異常有直接關系。如表2所列實驗結果顯示,黃瓜果實在受到低溫脅迫時其果實的冷害指數與細胞壁成分之間存在密切的相關性。無論是對照組還是熱激處理組其原果膠和纖維素含量與冷害指數均呈極顯著(p<0.01)的負相關關系,冷害指數與可溶性果膠之間呈現極顯著(p<0.01)的正相關關系,但熱激組與對照組相比,其相關系數均有所降低,說明熱激處理抑制了黃瓜果實細胞壁成分降解,緩解了可溶性果膠的升高,減小了各組分相對含量的變化,從而在不同程度上降低了細胞壁各組分與冷害指數的相關性。

2.5 采后黃瓜果實冷害與細胞壁水解酶活性的關系

果實采后的質地軟化與多糖水解酶有關[17-18],這其中研究較多的主要包括PG、PME、β-Gal、Cx等,這些水解酶在果實軟化過程中具有不同的作用,例如PG酶的主要功能是水解細胞壁果膠中多聚半乳糖醛酸多糖主鏈的α-1,4-糖苷鍵,生成半乳糖醛酸和低聚半乳糖醛酸[5],從而導致上述細胞壁成分和結構的變化。

如表2 所示,采后黃瓜的 CI與Cx活性呈極顯著的正相關關系,這與趙云峰[19]在茄子中得出的實驗結論一致,對照組和熱激組的相關系數分別為0.989和0.876,CI與PME呈極顯著的負相關關系,而與PG、β-葡萄糖苷酶的活性關系不顯著。造成這種現象的原因可能是貯藏后期這兩種酶的酶活快速降低,這可能與長時間的冷害脅迫導致的代謝異常使蛋白合成受阻有關。

與對照組相比,熱激處理可以有效抑制采后黃瓜果肉細胞壁降解酶活性的上升,推遲酶活性高峰的出現,同時降低酶活性的峰值,從而有利于延緩細胞壁組分的降解,維持細胞壁結構的完整性,減輕冷害癥狀。

3 結論

本研究結果顯示:42 ℃熱水處理10 min可以顯著提高黃瓜果實的抗冷性,減輕冷害癥狀。與對照組相比,熱激處理可以有效推遲采后黃瓜果肉熱激組的PG酶和纖維素酶的活性上升,降低β-葡萄糖苷酶活性高峰,抑制PME活性,從而有利于延緩細胞壁組分的降解,維持細胞壁結構的完整性,減輕冷害癥狀。

相關性分析表明:原果膠和纖維素含量與冷害指數均呈極顯著(p<0.01)的負相關關系,冷害指數與可溶性果膠之間呈現極顯著(p<0.01)的正相關關系。熱激處理能夠減輕低溫脅迫下黃瓜的冷害癥狀與抑制了Cx活性和PME活性有關,而與PG、β-葡萄糖苷酶的活性關系不顯著。

[1]侯建設,席玙芳,李中華,等. 貯前熱處理對2℃貯藏黃瓜抗冷性和自由基生物學的影響[J]. 食品與發酵工業,2004,30(5):138-142.

[2]寇曉虹,李玲,韓娜,等. 熱處理減輕黃瓜冷害作用機理的研究[J]. 食品工業科技,2006(11):164-166.

[3]楊紹蘭. 熱處理對黃瓜冷藏期間保鮮效果的影響[J]. 長江蔬菜,2009(3):49-51.

[4]羅自生. 熱激處理對柿果實軟化和細胞壁物質代謝的影響[J]. 中國食品學報,2006,6(3):84-88.

[5]趙云峰,林河通,王靜,等. 熱處理抑制采后龍眼果肉自溶及細胞壁物質降解[J]. 農業工程學報,2014(11):268-275.

[6]王聘,郜海燕,周擁軍,等. 減壓處理對新疆白杏果實軟化和細胞壁代謝的影響[J]. 農業工程學報,2012,28(16):254-258.

[7]曹建康. 果蔬采后生理生化實驗指導[Z]. 北京:中國輕工業出版社,200768-76.

[8]龐榮麗,張巧蓮,郭琳琳. 水果及其制品中果膠含量的比色法測定條件優化[J]. 果樹學報,2012,29(1):302-307.

[9]王晶英,敖紅,張杰. 植物生理生化實驗技術與原理[Z]. 哈爾濱:東北林業大學出版社,200316-18.

[10]Carrington C M S,Greve L C,Labavitch J M. Cell wall metabolism in ripening fruit(VI.Effect of the antisense polygalacturonase gene on cell wall changes accompanying ripening in transgenic tomatoes)[J]. Plant Physiology,1993,103(2):429-434.

[11]Lin T P,Liu C C,Chen S W. Purification and characterization of pectinmethylesterase from Ficus awkeotsang Makino achene[J]. Plant Physiology,1989,91(4):1445-1453.

[12]陳亞敏.核果類果實采后細胞壁多糖微觀結構及降解模式的研究[D]. 鄭州：河南工業大學,2013.

[13]劉志偉.毛竹筍采后纖維化過程中纖維素合成相關基因的表達[D]. 臨安：浙江農林大學,2010.

[14]Seymour G B,Gross K C. Cell wall disassembly and fruit softening[J]. Postharvest News and Infornation,1996,7(3):45-52.

[15]劉衛曉,茅林春. 桃果實采后軟化機理研究進展[J]. 河北林果研究,2002,17(3):279-283.

[16]Dawson D,Watkins C. Intermittent warning affects cell wall composition of 'Fantasia' nectarines during ripening and storage[J]. Jour Amer Soc Hort Sci,1995,120(6):1057-1062.

[17]李春燕,張光倫,曾秀麗,等. 細胞壁酶活性與甜橙果實質地的相關性研究[J]. 四川農業大學學報,2006,24(1):73-76.

[18]劉超超.早熟蘋果品種軟化機理的初步研究[D]. 泰安：山東農業大學,2011.

[19]趙云峰,林瑜,林河通,等. 熱處理對冷藏茄子果實細胞壁代謝的影響[J]. 揚州大學學報：農業與生命科學版,2012,33(4):97-102.

Impact of heat shock treatment on cucumber cell wall composition and cell wall hydrolase activity

SHEN Li-wen,LIU Juan,DONG Hong-min,ZHOU Xin-ya,TONG Hui-ling,QIN Wen*

(College of Food Science,Sichuan Agricultural University,Ya’an 625014,China)

In order to clarify the mechanism of how heat shock treatment alleviate the chilling injury of cucumber,the influence of hot shock treatment on the chilling injury index,cell wall compositions and cell wall degrading enzyme activity were studied. In a certain time interval,the chilling injury index,cell wall compositions and cell wall degrading enzyme activity were measured. “Jintian 208” cucumbers were put in 42 ℃ hot water for 10 min and then stored at(2+1)℃. The test results showed that heat shock treatment could significantly decrease(p<0.05)the chilling injury index by comparing with the control group,it also could reduce the activities of the pectinesterase(PME),Polygalacturonase(PG),β-glucosidase and Cellulase,in turn,it could postpone the the reduction of the content of pectin and cellulose. The correlation analysis showed that there existed highly significant correlations between chilling injury indexs and cell wall components,cell wall hydrolase and cellulose activities(p<0.01). It could,therefore,be considered that the heat shock treatment can reduce the degradation of cell wall components by reducing the activity of cell wall degrading enzymes in cucumber fruits. In turn,the integrity of the cell wall structure can be maintained. Thus,the cucumber exhibits a certain cold resistance.

heat shock treatment,cucumber,chilling injury,cell wall components,cell wall degrading enzymes

2014-11-26

沈麗雯(1989-)，女，碩士研究生，研究方向：果蔬采后生理及貯藏技術,E-mail：shenli.wen@163.com。

*通訊作者:秦文(1967-)，女，博士，教授，研究方向：果蔬采后生理及貯藏技術,E-mail：qinwen1967@yahoo.com。

TS255.3

A

1002-0306(2015)23-0329-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.060