外源乙烯處理對甘薯裂果及細胞壁代謝的影響

程圣，靳苗苗，何欣遙，劉錦，張敏

(西南大學 食品科學學院，西南大學食品貯藏與物流研究中心，農業部農產品貯藏保鮮安全風險評估實驗室(重慶)，重慶，400715)

Effectsofexogenousethyleneonthecrackingandcellwallmetabolismofsweetpotato

CHENG Sheng,JIN Miaomiao,HE Xinyao,LIU Jin,ZHANG Min*

(College of Food Science, Food Storage and Logistics Research Center, Southwest University,Laboratory of Quality (Safety Risk Assessment for Argo-products on Storage and Preservation(Chongqing)，Mimnistry of Agriculture, Chongqing 400715, China)

ABSTRACTSweet potato is easy to sprout under high temperature environment, it has been found that exogenous ethylene treatment could effectively inhibit the sweet potato germination. But sweet potato would crack under high concentration of ethylene which reduces its commercial value. In this paper, sweet potatoes were treated with exogenous ethylene at the concentrations of 0,0.5,1 and 2 g/L. And based on the result, it analyzed the changes of germination rate, root cracking rate, raw pectin content, soluble pectin content, polygalacturonase (PG), cellulase (Cx), β-gluosidase (β-Glu), polyphenol oxidase (PPO), peroxidase (POD) of sweet potato and explored. The effects of different concentrations of exogenous ethylene on cracking and cell wall metabolism of sweet potato were analyzed. The results indicated that all ethylene treatment groups could inhibit the germination of sweet potato, and the higher ethylene concentration, the better the germination effect. However, the high concentration of 2 g/L ethylene caused the sweet potato to crack while the other groups had no cracking phenomenon. As the ethylene concentration increased, the activities of PPO and POD would increase, which led to hardening of cell wall and reduced extensibility. In addition, 0.5 g/L and 1 g/L ethylene could delay the increase of PG, Cx activities and the original pectin content in the middle and late stages. And 2 g/L exogenous ethylene treatment significantly increased the activities of sweet potato cell wall hydrolase (PG, Cx and β-glucosidase), and also promoted the decline of sweet potato pectin content and water-soluble pectin content, which eventually led to the increase of cracking.

Keywordssweet potato;exogenous ethylene;fruit cracking;cell wall metabolism

新鮮甘薯口味甜美，富含淀粉、維生素和糖類等營養物質，具有抗癌活血，止血消炎，舒腸通便等功效[1]。然而甘薯在16～35 ℃的貯運環境下極易發芽[2]，嚴重影響其商品價值。目前國內外關于甘薯的抑芽技術有輻照處理[3]、熱處理[4]、植物提取物處理[5]等。但由于技術及成本問題限制，這些技術均不適用于我國甘薯貯運抑芽。

乙烯是迄今發現五大類植物激素之一，與器官休眠和植物成熟衰老等生理現象密切相關，GEBHARO等[6]研究了乙烯在洋蔥休眠和發芽期間的作用，發現用5～10 μL/L外源乙烯連續處理洋蔥18周，發芽率從100%降低至7.5%。同時，本實驗室前期研究發現，外源乙烯能抑制甘薯發芽且效果顯著，是一項操作方便、成本低廉的有效抑芽技術。但過高濃度乙烯處理會導致甘薯塊莖開裂，使其失去商品價值。如能明確開裂機理，避免開裂的出現，乙烯抑芽技術就值得推廣應用。然而目前乙烯甘薯抑芽技術研究匱乏，乙烯引起甘薯塊莖開裂的機制更是缺乏文獻基礎。有研究表明，裂果現象本質為果皮和果肉組織生長速度不一而表現為果皮表面開裂現象[7]，臍橙[8]、明棗[9]、荔枝[10]、蘋果[11]、鱷梨[12]等果蔬的裂果現象與細胞壁組分及酶活性存在密切關系。本試驗采用不同質量濃度的外源乙烯對甘薯進行處理，研究甘薯塊莖開裂及細胞壁代謝情況，探尋裂果機理，為甘薯實際儲運抑芽保鮮提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

“紅心王”甘薯，購于重慶市北碚區天生農貿市場，該批甘薯需當日采摘，要求同一批次、大小均勻、機械傷少、無發芽、無病蟲害，3 h內到達實驗室，用清水洗凈后晾干備用。

標準郵政6號紙箱，260 mm×150 mm×180 mm(內尺寸)，3層B瓦楞，山東冠縣萬林紙制品有限公司；乙烯利，山東營養源食品科技有限公司；多聚半乳糖醛酸、水楊苷，上海源葉生物科技有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

UV-2450PC型紫外可見分光光度計，日本島津公司；HH-2型數顯恒溫水浴鍋，常州奧華儀器有限公司；FA2004型電子天平，上海恒平科學儀器有限公司；H1650R型臺式高速冷凍離心機，湖南湘儀公司；RXZ-8000型智能人工氣候箱，寧波東南儀器有限公司；KQ3200DB型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品準備

將晾干后的甘薯隨機分為4組，每組1.5 kg并與一定量的乙烯利一起密封。實驗中質量濃度設置根據乙烯利質量與箱內空氣體積比分別為：0(對照組)、0.5、1、2 g/L。隨后將封箱后的甘薯放置人工氣候箱貯藏12 d，設置氣候箱參數為溫度(25±1)℃、溫度(90±5)%來模擬常溫物流環境。

取樣：每2 d隨機從3箱中取樣，如圖1所示，先將甘薯切成2 cm厚的圓柱體，再用小刀在距甘薯表皮1.0～1.5 mm處沿甘薯外周切開，圖1脫離部位為甘薯周皮和次生韌皮部結合物，取樣時脫去周皮部分僅取次生韌皮部淺黃色果肉，用于實驗各項指標的測定。

圖1 分離甘薯周皮和次生韌皮部Fig.1 Separate the pericarp and secondary phloem of sweet potato

1.3.2 發芽率的測定

以果皮出現肉眼可見的芽點視為發芽[13]，參考PANKOMERA[14]的方法，觀察并記錄每個甘薯的發芽數，發芽級數記錄為：1級=0芽；2級=1～3芽；3級=4～6芽；4級=7～9芽；5級=10芽及以上。按照公式(1)和公式(2)分別計算甘薯的發芽指數和發芽率：

(1)

(2)

式中:i,發芽級數；K,甘薯總個數。

1.3.3 塊根開裂率的測定

以果皮出現肉眼可見的裂紋視為塊根開裂。按照公式(3)計算甘薯的塊根開裂率：

(3)

1.3.4 原果膠含量的測定

參考曹建康等[15]的方法，測定甘薯的原果膠含量，單位以%表示。

1.3.5 水溶性果膠含量的測定

參考曹建康等[15]的方法，測定甘薯的水溶性果膠含量，單位以%表示。

1.3.6 多聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase，PG)活性的測定

參考曹建康等[15]的比色法，測定甘薯的PG活性，酶活性單位以mg/(h·g)表示。

1.3.7 纖維素酶(cellulase，Cx)活性的測定

參考曹建康等[15]的比色法，測定甘薯的Cx活性，酶活性單位以mg/(h·g)表示。

1.3.8 β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase，β-Glu)活性的測定

參考曹建康等[15]的比色法，測定甘薯的β-Glu活性，酶活性單位以mg/(h·g)表示。

1.3.9 多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)活性的測定

參考ZHOU等[16]的方法，測量甘薯的PPO活性，酶活性單位以ΔOD420/(min·g)表示。

1.3.10 過氧化物酶(peroxidase,POD)活性的測定

參照MAEHLY等[17]的方法，測定甘薯的POD活性，酶活性單位以ΔOD470/(min·g)表示。

1.4 數據分析

使用Microsoft Excel 2007對各指標進行數據計算；采用Origin 2017對數據進行圖像處理；用SPSS 25.0對各項指標進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 外源乙烯處理對甘薯發芽率和塊根開裂率的影響

外源乙烯處理對甘薯發芽率的影響如表1所示，對照組在2 d時發生發芽現象，0.5 g/L乙烯組在10 d時發生發芽現象，1、 2 g/L乙烯組到實驗末期也均未發芽，對照組12 d時發芽率分別為(56.67±9.43)%，與其他3組差異極顯著(P<0.01)，0.5 g/L乙烯組在12 d時發芽率為(10±8.16)%。表2顯示了各組在貯存時期的裂果率，2 g/L乙烯處理組在6 d時觀察到裂果現象，到12 d時裂果率高達(40±8.16)%。但對照組、0.5 g/L乙烯組、1 g/L乙烯組甘薯均未觀察到裂果現象。綜上可知，乙烯處理能明顯延緩甘薯發芽，且濃度越高作用越明顯。其中0.5 g/L外源乙烯處理能將甘薯發芽時間延遲8 d，1 g/L和2 g/L乙烯處理能將甘薯初始發芽時間至少延遲10 d，但外源乙烯質量濃度過高會使甘薯發生裂果現象，從而降低其商品性。

表1 外源乙烯處理對甘薯發芽率的影響 單位：%

表2 外源乙烯處理對甘薯塊根開裂率的影響 單位：%

2.2 外源乙烯處理對甘薯原果膠含量的影響

果膠物質是一種多糖類高分子化合物，以部分甲酯化的形態存在于果實細胞初生壁中[18]，通常在未成熟的果實中以原果膠狀態存在，原果膠不溶于水，黏性強，可以使果實飽滿挺立。如圖2所示，各組甘薯果膠含量隨貯存時間延長均呈現不同程度的下降，這是因為隨甘薯成熟，原果膠在果膠酶作用下分解為可溶性果膠，與纖維素分離，進入細胞液中，使細胞松散，果實軟爛。0～4 d，對照組原果膠含量下降最慢，而2 g/L乙烯組原果膠含量下降16.84%，與其余3組差異極顯著(P<0.01)，可能因為高乙烯質量濃度促進甘薯果實成熟，從而加劇原果膠的分解。4～12 d，對照組下降速度增快，12 d時原果膠含量顯著低于0.5、1 g/L乙烯組(P<0.05)，這是由于2 d后對照組已開始發芽，芽原基組織加速原果膠的降解。乙烯處理組中2 g/L乙烯組原果膠含量下降速度最快，與其余組差異極顯著(P<0.01)，其次是1 g/L乙烯組，但與0.5 g/L乙烯組差異不顯著(P>0.05)，說明外源乙烯處理會加速甘薯原果膠含量的下降，且外源乙烯質量濃度越高，甘薯原果膠含量下降速度越快。綜上，外源乙烯會加速果膠分解，但由于有效抑制發芽，使得0.5 g/L乙烯組和1 g/L乙烯組與對照組相比能在貯藏中后期抑制甘薯原果膠含量的下降，而2 g/L乙烯組始終加快了果實原果膠的分解速度。

圖2 外源乙烯處理對甘薯原果膠含量的影響Fig.2 The effect of exogenous ethylene treatment on raw pectin content of sweet potato

2.3 外源乙烯處理對甘薯水溶性果膠含量的影響

由圖3可知，貯存過程中各組甘薯水溶性果膠含量隨時間延長不斷上升，這是因為原果膠被水解后從細胞壁流出，導致細胞中可溶性果膠含量增加，果皮強度下降[19]。0～4 d，對照組水溶性果膠含量上升最慢，與1、 2 g/L乙烯組差異顯著(P<0.05)，與0.5 g/L乙烯組差異不大(P>0.05)。4 d后CK組上升速度加快，12 d時水溶性果膠含量顯著高于0.5、1 g/L乙烯組(P<0.05)。2 g/L乙烯組可溶性果膠含量上升速度最快，與其余組差異極顯著(P<0.01)，其次是1 g/L乙烯組。綜上，外源乙烯處理均會加速果實水溶性果膠的累積，乙烯質量濃度越高，可溶性果膠含量變化速率越快，但由于外源乙烯同時具有抑芽效果，從而減少了由甘薯發芽導致的可溶性果膠含量的上升，與對照組比較，0.5 g/L乙烯組和1 g/L乙烯組均能在貯藏中后期有效抑制甘薯水溶性果膠含量的上升，而2 g/L乙烯組儲運全程加速了水溶性果膠的累積。

圖3 外源乙烯處理對甘薯可溶性果膠含量的影響Fig.3 The effect of exogenous ethylene treatment on soluble pectin content of sweet potato

2.4 外源乙烯處理對甘薯PG活性的影響

PG是一種在細胞壁結構改變中起到重要作用的酶，它主要將果實中多聚半乳糖醛酸降解為半乳糖醛酸，導致細胞壁結構解體，降低果皮的延展性，從而導致塊根開裂的發生[20]。各組甘薯在貯藏期間的PG活性如圖4所示，隨著時間延長，各組甘薯PG活性均逐漸上升。其中2 g/L乙烯組PG活性全程上升速度最快，與其他3組差異極顯著(P<0.01)。實驗末期，2 g/L乙烯組較對照組PG活性提升了21.63%，這是因為乙烯能夠調控PG基因表達，通過誘導PGmRNA的積累從而增加PG的活性[21]。0～4 d，對照組PG活性上升最慢，與2 g/L乙烯組差異顯著(P<0.05)，4 d后對照組上升速度加快，10 d后顯著高于0.5、1 g/L乙烯組(P<0.05)，12 d時，0.5、1 g/L乙烯組較對照組PG活性分別降低了22.01%、9.57%，這是因為對照組甘薯發芽最多，誘導PG活性上升速度加快。綜上可知，2 g/L外源乙烯處理會明顯加速甘薯PG活性的升高，而0.5、1 g/L外源乙烯處理可在后期延緩塊根PG活性升高。

圖4 外源乙烯處理對甘薯PG活性的影響Fig.4 The effect of exogenous ethylene treatment on PG activity of sweet potato

2.5 外源乙烯處理對Cx活性的影響

纖維素酶能夠水解纖維素釋放可溶性糖[22]，降低果皮機械強度，增加果實開裂概率。如圖5所示，各組甘薯隨時間延長，Cx活性呈上升趨勢，其中2 g/L乙烯組上升速度最快，12 d時比對照組Cx活性提高10.43%，這是因為乙烯可以促進纖維素酶的生成，且質量濃度越高，促進效果越明顯[23]。對照組由于甘薯發芽作用，使該組Cx活性在0～4 d上升較慢，4 d后上升速度加快。12 d時，0.5、1 g/L乙烯組較對照組Cx活性分別降低了31.06%、20.71%。說明2 g/L外源乙烯處理會明顯增大甘薯Cx活性，而0.5、1 g/L外源乙烯處理可在后期延緩甘薯Cx活性升高。

圖5 外源乙烯處理對甘薯Cx活性的影響Fig.5 The effect of exogenous ethylene treatment on Cx activity of sweet potato

2.6 外源乙烯處理對甘薯β-Glu活性的影響

β-葡萄糖苷酶是一種能夠水解結合于末端的非還原性β-D-葡萄糖苷鍵，在纖維素降解中起非常重要的作用[24]。如圖6所示，各組甘薯β-Glu活性隨時間延長逐漸上升，其中2 g/L乙烯組上升速度最快，12 d時較對照組β-Glu活性提高了22.83%。整個貯藏期間，對照組β-Glu活性與0.5、1 g/L乙烯組差異不顯著(P>0.05)，0.5 g/L乙烯組和1 g/L乙烯組間也無顯著差異(P>0.05)。說明在常溫儲運條件下，2 g/L外源乙烯處理明顯誘導了甘薯內β-Glu活性增強，而0.5、1 g/L乙烯組β-Glu活性與對照組差異不大。

圖6 外源乙烯處理對甘薯β-Glu活性的影響Fig.6 The effect of exogenous ethylene treatment on β-Glu activity of sweet potato

2.7 外源乙烯處理對甘薯PPO活性的影響

PPO是參與代謝的關鍵氧化酶，參與合成木質素及細胞壁成分間酚基交聯鍵的形成，導致細胞壁硬化及延展性的降低[25]，也可催化酚類物質生成醌類化合物[26]。如圖7所示，乙烯處理組PPO活性均高于對照組，這是因為果皮中PPO對乙烯較敏感，乙烯可以促進PPO活性的增大。整個貯存過程中，2 g/L乙烯組PPO活性上升速度最快，與其余組相比差異極顯著(P<0.01)，12 d時與對照組相比，2 g/L乙烯組PPO活性提升了96.73%、0.5 g/L乙烯組PPO活性提升了41.76%、1 g/L乙烯組提升了52.61%。說明外源乙烯處理會明顯誘導甘薯內PPO活性增強，且乙烯質量濃度越高，PPO活性提高程度越大。這與姜愛麗等[27]的研究結果一致。

圖7 外源乙烯處理對甘薯PPO活性的影響Fig.7 The effect of exogenous ethylene treatment on PPO activity of sweet potato

2.8 外源乙烯處理對甘薯POD活性的影響

POD是一種普遍存于果蔬體內的氧化還原酶，參與細胞壁多聚化木質素前體的生物合成，能促進木栓化和木質化[28-29]。如圖8所示，0～12 d各組甘薯POD活性均有所上升，這是因為POD是果蔬在逆境下防御系統的重要組成酶[30]，貯藏環境引起塊根防御系統，使得POD活性增加。其中，2 g/L乙烯組POD活性上升速度高于其余3組，差異顯著(P<0.05)，12 d時2 g/L乙烯組POD活性較對照組提高了78.37%，這可能因為乙烯質量濃度過高對甘薯果實造成傷害脅迫，使得細胞壁受到破損，增加了游離態POD[31]。綜上可知，外源乙烯處理會明顯提升甘薯POD活性，且外源乙烯質量濃度越高，甘薯POD活性提升程度越大。

圖8 外源乙烯處理對甘薯POD活性的影響Fig.8 The effect of exogenous ethylene treatment on POD activity of sweet potato

3 結論

研究結果表明，不同質量濃度外源乙烯處理甘薯均有抑芽效果，且外源乙烯質量濃度越高，抑芽效果越好，但質量濃度過高會導致甘薯塊根開裂，本實驗中2 g/L乙烯處理組會導致甘薯塊根開裂，其余組均無塊根開裂現象，這是因為隨乙烯質量濃度增大，甘薯果皮中PPO、POD酶活性逐漸上升，使細胞壁硬化程度及延展性加速下降；低質量濃度乙烯(0.5、1 g/L)處理甘薯可使貯藏中后期塊根PG、Cx活性提高并抑制甘薯原果膠降解速度；2 g/L外源乙烯處理會明顯增大甘薯細胞壁水解酶(PG、Cx和β-Glu)活性，促使甘薯原果膠含量下降、水溶性果膠含量上升，塊根開裂易發性增加。