香茅精油處理對馬鈴薯的抑芽作用研究

袁麗雪，趙愉涵，孫斐，韓聰，閆琰，李丹，部建雯，陳慶敏*，傅茂潤*

1(齊魯工業大學(山東省科學院) 食品科學與工程學院，山東 濟南，250353)2(山東農業工程學院 食品科學與工程學院，山東 濟南，250100)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)是茄科屬一年生草本植物，種植周期短，單產收獲高，營養物質豐富，干物質含量約為20%，含量最多的是淀粉，除此之外還含有蛋白質、脂肪、粗纖維、礦物質及維生素等[1]。2015年農業部提出馬鈴薯主糧化戰略，將馬鈴薯列為第四大主糧進行推廣，擴大種植面積并提高畝產量[2]。采后的馬鈴薯塊莖會進入休眠狀態，此時營養物質消耗極少，當休眠狀態被打破時，馬鈴薯塊莖隨即發芽[3]。發芽會引起馬鈴薯營養成分流失、腐爛變綠，并產生龍葵素等有毒物質，從而造成馬鈴薯商品品質下降，以及巨大的食用安全隱患。因此，有效抑制馬鈴薯塊莖發芽成為亟待解決的問題。

目前抑制馬鈴薯發芽的方法有低溫貯藏、輻射處理、化學抑制劑等。在低溫貯藏過程中，淀粉轉化分解為還原糖，導致還原糖迅速聚集累積[4]。在油炸加工時，易生成帶有苦味的褐色物質，嚴重影響馬鈴薯的色澤和品質，并導致丙烯酰胺等致癌物質生成。輻射處理的作用是不可逆的，不適用于種薯，且運輸成本大、設備要求高，消費者的安全顧慮多。常見的化學抑制劑有氯苯胺靈、青鮮素、α-萘乙酸甲酯等[5]，抑芽效果好且成本低，在馬鈴薯貯藏產業廣泛應用，但青鮮素和α-萘乙酸甲酯對人體有致癌作用，在食用后存在一定的安全隱患；氯苯胺靈的降解產物如3-氯苯胺和苯胺基衍生物會產生某些致癌物質[6]，引發一系列健康風險和安全問題。隨著人們對農藥殘留和食品安全的重視，氯苯胺靈的可接受度在下降，我國食品安全國家標準規定氯苯胺靈在馬鈴薯上的最大殘留限量為30 mg/kg。因此尋找氯苯胺靈等化學抑芽劑的替代品，開發綠色安全高效的馬鈴薯新型抑芽劑，是馬鈴薯貯藏加工業亟待解決的問題。

植物精油主要含有萜類、醇類、醛類、酸類、酚類、芳香族化合物類等[7]，具有抑菌、抗病毒、抗氧化等生理作用[8]，因而被廣泛應用于食品、香料、醫藥、化妝品領域。已有研究表明，薄荷、葛縷子、蒔蘿、留蘭香、茉莉、百里香、肉桂等植物精油[9-12]對馬鈴薯的發芽具有明顯的抑制作用。香茅是一種常見的香料，具有抗菌消炎、驅蚊避蟲、和胃通氣、提神醒腦等作用[13]，被廣泛應用于醫藥、日化等領域，其安全性得到證實，而香茅精油(citronella essential oil，CEO)對于馬鈴薯的抑芽作用還未見報道。

本文采用香茅精油處理馬鈴薯塊莖，研究香茅精油對馬鈴薯貯藏期間的抑芽效果，從呼吸強度、糖代謝、蛋白質變化角度探究抑芽作用機理，以期為開發馬鈴薯的采后抑芽提供新的選擇。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯“V7”，2021年4月購自山東省濟南市槐蔭區山東匡山農產品綜合交易市場(已過休眠期)。香茅精油購自重慶芳黛化妝品商行。

碘、葡萄糖、NaOH、3，5-二硝基水楊酸、K2SO4，國藥集團化學試劑有限公司；KI、Na2SO3，天津博迪化工股份有限公司；可溶性淀粉、酒石酸鉀鈉、CuSO4、甲基紅、溴甲酚綠、硼酸，天津大茂化學試劑廠；Na2SO4，天津廣成化學試劑有限公司；苯酚，西隴科學股份有限公司；牛血清蛋白質，廣州浩瑪生物科技有限公司；石油醚、乙醇，天津富宇精細化工有限公司；考馬斯亮藍G-250、葡萄糖、果糖、蔗糖，上海源葉生物有限公司；濃硫酸(濃度98%)，煙臺遠東精細化工有限公司；乙腈，上海星可高純溶劑有限公司。

1.2 儀器與設備

YGA2100型氣體測定儀，北京陽光億事達科技有限公司；V-1100D 紫外可見分光光度計，上海美譜達儀器有限公司；ME104型電子分析天平，上海梅特勒-托利多儀器有限公司；XW-80A旋渦混合器，海門其林貝爾儀器制造有限公司；H1805R臺式高速冷凍離心機，長沙湘儀離心機有限公司；RE-52AA旋轉蒸發儀，上海亞榮生化儀器廠；LC-20AT HPLC儀器，日本島津儀器有限公司；K9860全自動凱氏定氮儀、SH220F石墨消解儀，山東海能科學儀器有限公司。

1.3 樣品處理方法

在正式實驗之前，分別就香茅精油濃度和熏蒸方式進行預實驗，選擇香茅精油處理劑量0.5、1.0、2.0 mL/kg(以每筐馬鈴薯的質量計，每筐約1.5 kg)，熏蒸方式選擇直接熏蒸、濾紙熏蒸、混土熏蒸。馬鈴薯購買后運回實驗室，對馬鈴薯塊莖進行篩選，除去有機械損傷和病蟲害的馬鈴薯，隨后將馬鈴薯分裝到10 L塑料筐中。(1)直接熏蒸法：把香茅精油添加到培養皿中，放置于塑料筐中心密閉熏蒸。(2)濾紙熏蒸法：用移液槍將香茅精油滴加在濾紙上，濾紙粘貼于塑料筐外側密閉熏蒸。(3)混土熏蒸法：參考氯苯胺靈(馬鈴薯抑芽劑)的使用方法，以每筐馬鈴薯具體質量計，選擇不同的香茅精油處理劑量(0.5、1.0、2.0 mL/kg)處理馬鈴薯，將一定量香茅精油與無菌土(300 g，于121 ℃滅菌30 min)混勻，均勻覆蓋在馬鈴薯表面，用聚乙烯保鮮袋封口密閉熏蒸。定期測量芽長，統計發芽率。結果發現，混土熏蒸的抑芽效果最佳。對于香茅精油處理劑量(0.5、1.0、2.0 mL/kg)來說，隨處理濃度上升馬鈴薯的發芽率逐漸下降，因此本試驗采用混土熏蒸方式，選定1.0 mL/kg的質量濃度用于正式實驗。

將篩選后無機械損傷、無病蟲害的馬鈴薯分裝到10 L塑料筐中，每組6筐，每筐馬鈴薯10個(約1.5 kg)。其中3筐馬鈴薯用來測定發芽率、發芽指數、呼吸強度，另外3筐取樣后立即保存用于測定其他指標。采用混土熏蒸方式，香茅精油處理劑量為1.0 mL/kg(以每筐馬鈴薯具體質量計)，將一定量香茅精油與無菌土(300 g，于121 ℃滅菌30 min)混勻，均勻覆蓋于馬鈴薯表面，同時設置空白對照。然后將上述各處理組用厚度為0.03 mm的聚乙烯保鮮袋密封，于常溫下(25 ℃)貯藏20 d，其中在貯藏24 h時將聚乙烯保鮮袋的4個角分別戳孔，便于馬鈴薯進行氣體交換。

每4 d測定發芽率、發芽指數、呼吸強度。每4 d采用隨機取樣的方法進行取樣，具體取樣方法為：用打孔器沿馬鈴薯塊莖頂部至基部方向打孔取樣2次，然后垂直于上述方向再取樣2次，取樣后切成厚度3 mm左右的薄片混勻，液氮冷凍后放入-80 ℃冰箱儲存待用。

1.4 指標的測定

1.4.1 發芽率及發芽指數的測定

每個處理隨機選取5個馬鈴薯，記錄每個塊莖上的芽數并用游標卡尺測量最長芽的長度，均取平均值。發芽指數參照涂勇等[12]的方法，芽長共分8級(表1)，芽長小于2 mm視為未萌動或處于萌動狀態，判定為未發芽。

表1 發芽分級標準Table 1 Germination classification standards

發芽率和發芽指數按照公式(1)(2)計算：

(1)

(2)

1.4.2 呼吸強度測定

參考梁蕓志等[14]方法，采用氣體分析儀測定。隨機選擇5個馬鈴薯，放入體積為10 L的塑料筐中密閉1.5 h，記錄CO2百分含量。呼吸強度以mg CO2/(kg·h)表示。

1.4.3 淀粉含量測定

參照曹建康等[15]的方法并做修改，采用碘-淀粉比色法。稱取2.0 g馬鈴薯樣品置于研缽中，加入30 mL石油醚和乙醇充分研磨、過濾，將濾渣轉移至燒杯中，于沸水浴中加熱、攪拌，直至淀粉完全糊化為澄清透明溶液。將上述溶液轉移至100 mL容量瓶中，定容。淀粉含量按照公式(3)計算：

(3)

式中：m′，標準曲線中的淀粉質量，μg；V，提取液總體積，mL；N，樣品稀釋倍數；Vs，測定時吸取樣品的體積，mL；m，樣品質量，g。

1.4.4 還原糖含量測定

參照HU等[16]的方法，采用3，5-二硝基水楊酸法測定。稱取1.0 g馬鈴薯樣品，用50 L蒸餾水洗入三角瓶中，混勻后置于50 ℃水浴鍋中保溫30 min，待勻漿冷卻后過濾，濾液轉移至100 mL容量瓶并定容。在波長540 nm處測定溶液的吸光度。還原糖含量按照公式(4)計算：

(4)

式中：m′，標準曲線中的葡萄糖質量，μg；V，提取液總體積，mL；N，樣品稀釋倍數；Vs，測定時吸取樣品的體積，mL；m，樣品質量，g。

1.4.5 總糖含量測定

稱取5.0 g馬鈴薯樣品并加入10 mL 6 mol/L HCl溶液進行研磨，研磨后加入15 mL水置于沸水浴中煮沸30 min，取出冷卻后加入1滴酚酞指示劑，以質量濃度100 g/L的NaOH溶液中和使溶液呈微紅色，然后轉移至100 mL容量瓶并定容。測定步驟及計算方法同1.4.4。

1.4.6 糖組分的測定

葡萄糖、果糖和蔗糖的提取和測定參照TERRY等[17]的方法并修改。稱取1.5 g馬鈴薯樣品于研缽中，加入20 mL 80%的乙醇充分研磨，然后轉移至燒杯中超聲波提取30 min，過濾后，將上清液在旋轉蒸發儀中蒸干(溫度設定為60 ℃)。殘留物用10 mL的V(乙腈)∶V(水)=80∶20溶液溶解，置于4 ℃冰箱保存待用。提取液用0.45 μm濾膜過濾，然后用HPLC測定。其中色譜柱為NH2(5 μm，250 mm×4.6 mm)，柱溫30 ℃，進樣量20 μL，檢測器為RID-10A(溫度40 ℃)，流動相為乙腈和水(體積比80∶20)，流速為1.0 mL/min。

1.4.7 總蛋白含量測定

馬鈴薯樣品消解2 h后，采用凱氏定氮法測定[18]，首先對儀器管路進行清洗，然后輸入硫酸標準溶液的濃度以及蛋白質換算系數，待空白測試數值穩定后進行樣品總蛋白含量測定，并記錄全自動凱氏定氮儀的讀數，總蛋白含量以%表示。

1.4.8 可溶性蛋白質含量測定

參照曹建康等[15]的方法，采用考馬斯亮藍染色法，測定在595 nm處溶液的吸光度。利用標準曲線計算馬鈴薯樣品中的可溶性蛋白質含量，其中標準曲線為：y=0.002 9x+0.016 4(x表示蛋白質質量，y表示吸光值)，R2=0.998 7。

1.5 數據分析

每種樣品設置3個平行，使用Excel 2010軟件繪制圖表，用SPSS 23.0軟件進行差異顯著性分析，結果以平均值±標準差表示，采用方差分析進行鄧肯氏檢驗，以P<0.05表示差異顯著。

2 結果分析

2.1 香茅精油處理對馬鈴薯塊莖發芽形態的影響

CEO處理對馬鈴薯貯藏期間塊莖發芽形態的影響如圖1所示。以第0天未處理的馬鈴薯塊莖為對照，在貯藏20 d時，對照組的馬鈴薯塊莖發芽數較多，主要聚集在頂芽周圍呈現簇擁狀態，在塊莖側身也有一定的萌芽現象，頂芽表現為紫色或綠色而側芽為黃色。處理組的馬鈴薯塊莖幾乎未發芽，發芽的塊莖主要集中在頂芽，芽眼部位呈現黑色。

圖1 香茅精油處理對馬鈴薯塊莖萌芽的影響Fig.1 Effect of citronella essential oil treatment on potato tuber sprout

2.2 香茅精油處理對馬鈴薯發芽率和發芽指數的影響

發芽率和發芽指數與馬鈴薯的品質息息相關，發芽后馬鈴薯營養成分流失，外觀和食用品質大幅下降。由圖2可知，在貯藏第4天時，對照組的發芽率為25.00%，發芽指數為2.86%，此時香茅精油處理組尚未發芽。對照組的發芽率和發芽指數從貯藏第4天開始，呈現迅速上升趨勢，處理組的發芽率和發芽指數始終顯著低于對照組(P<0.05)。貯藏結束時，處理組的發芽率和發芽指數分別為15.00%和4.29%，而對照分別是100.00%和30.00%。因此，香茅精油處理可以有效延緩馬鈴薯發芽，將發芽率和發芽指數維持在較低水平。

a-發芽率；b-發芽指數圖2 香茅精油處理對馬鈴薯發芽率、發芽指數的影響Fig.2 Effect of citronella essential oil treatment on potato germination rate and germination index

2.3 香茅精油處理對馬鈴薯呼吸強度的影響

呼吸強度是反映植物新陳代謝和生命活動強弱的重要指標。馬鈴薯在感染病害或受傷情況下呼吸強度明顯增加[19]，馬鈴薯從市場購買運回實驗室途中受到機械損傷，所以貯藏初期2組馬鈴薯呼吸強度最高[48.81 mg/(kg·h)](圖3)。貯藏第4天和第8天時，處理組的馬鈴薯呼吸強度均高于對照組，二者差異達到顯著水平(P<0.05)。隨后2組馬鈴薯塊莖呼吸強度均呈現下降趨勢，貯藏16 d至貯藏期結束，香茅精油處理組呼吸強度上升，因為此時是處理組塊莖萌芽時期。因此，貯藏初期香茅精油處理會使馬鈴薯塊莖呼吸強度保持較高水平，而傷口愈合后又迅速下降，香茅精油處理在貯藏后期可抑制馬鈴薯的呼吸強度。

圖3 香茅精油處理對馬鈴薯呼吸強度的影響Fig.3 Effect of citronella essential oil treatment on potato respiratory strength

2.4 香茅精油處理對馬鈴薯淀粉含量的影響

淀粉是馬鈴薯塊莖的主要營養物質和能量來源[20]，淀粉含量的高低可以反映馬鈴薯貯藏品質的變化。淀粉與糖的轉換在貯藏期間一直存在，始終遵循淀粉和還原糖的可逆動態平衡[21]。如圖4所示，對照組和處理組的馬鈴薯淀粉含量在貯藏期間處于波動狀態。從貯藏第12天至貯藏結束，二者的淀粉含量變化趨勢相同，且處理組的淀粉含量始終高于對照組，達到顯著水平(P<0.05)。貯藏第20天時，對照組和處理組的淀粉含量分別為11.81%、14.65%，分別為初始值的73.9%、91.6%，這表明，香茅精油處理可有效延緩淀粉含量的下降，更有利于保持貯藏過程中馬鈴薯品質。

圖4 香茅精油處理對馬鈴薯淀粉含量的影響Fig.4 Effect of citronella essential oil treatment on potato starch content

2.5 香茅精油處理對馬鈴薯總糖和還原糖含量的影響

糖是馬鈴薯呼吸作用的主要底物，也是重要的能量儲存物質，馬鈴薯采后一切生命活動所需能量都由糖類提供。還原糖含量是衡量馬鈴薯貯藏品質的重要指標，還原糖包括葡萄糖、果糖、乳糖、麥芽糖等。還原糖會與氨基酸發生美拉德反應，產生棕色帶苦味的物質[22]，因此馬鈴薯中過高的還原糖會影響馬鈴薯油炸食品的色澤和品質。

整體來看，處理組的馬鈴薯總糖含量在貯藏期始終高于對照組，且在第4天和第12天達到顯著水平(P<0.05)(圖5-a)。貯藏20 d時，處理組和對照組的總糖含量分別為403.43、385.52 mg/g，與初始值相比分別下降了7.63%和9.18%。說明香茅精油處理可以減少總糖的消耗，使總糖含量保持在較高水平。如圖5-b所示，在貯藏期開始，馬鈴薯的還原糖含量最高(139.65 mg/g)，隨著貯藏時間延長，2組還原糖含量均呈下降趨勢，這是因為馬鈴薯脫離冷庫后，由于溫度升高，馬鈴薯呼吸作用加強以及糖逆轉化為淀粉，導致累積的還原糖含量逐步下降，這與司懷軍等[23]研究結果一致。貯藏結束時，對照組和處理組的還原糖含量分別為53.60、36.09 mg/g，差異達到顯著水平(P<0.05)。說明香茅精油處理可以抑制還原糖的產生速率，使馬鈴薯塊莖的還原糖含量保持在較低水平，從而減輕美拉德反應導致的品質和色澤變化。由于馬鈴薯總糖含量受還原糖含量影響，貯藏期間還原糖含量不斷被消耗，導致總糖含量也有一定消耗。

a-總糖；b-還原糖圖5 香茅精油處理對馬鈴薯總糖和還原糖含量的影響Fig.5 Effect of citronella essential oil treatment on potato total sugar and reduced sugar content

2.6 香茅精油處理對馬鈴薯糖組分的影響

在貯藏期間，對照組和處理組果糖和葡萄糖含量略有下降，而蔗糖含量則明顯下降。如圖6所示。

a-果糖；b-葡萄糖；c-蔗糖圖6 香茅精油處理對馬鈴薯果糖、葡萄糖、蔗糖含量的影響Fig.6 Effects of citronella essential oil treatment on potato fructose, glucose and sucrose content

在貯藏第8天至第16天，處理組和對照組間馬鈴薯果糖含量有顯著差異(P<0.05)，各組間葡萄糖含量僅在貯藏第8天時達到顯著性差異(P<0.05)。貯藏第8天時，處理組的果糖、葡萄糖含量顯著高于對照組，而處理組淀粉含量低于對照組，這說明在香茅精油作用下，馬鈴薯塊莖內淀粉轉化為蔗糖，進而在液泡轉化酶作用下生成大量果糖和葡萄糖，導致果糖、葡萄糖含量高于對照組(圖7)。對于蔗糖來說，在貯藏第12天，處理組蔗糖含量顯著高于對照組(P<0.05)(圖6-c)，而此時處理組葡萄糖、果糖含量低于對照組，可能是蔗糖在液泡轉化酶抑制劑作用下，合成果糖和葡萄糖路徑受阻，導致蔗糖被積累(圖7)。

2.7 香茅精油處理對馬鈴薯總蛋白和可溶性蛋白含量的影響

蛋白質代謝是馬鈴薯塊莖生命活動的基礎，馬鈴薯萌芽時，貯藏蛋白質在各種酶的作用下降解為小分子氨基酸，為新蛋白質和其他代謝物質合成提供基礎[24]。可溶性蛋白質是果蔬細胞中酶體系的重要構成部分，參與多種生理代謝過程，可溶性蛋白質的含量與果蔬細胞的成熟衰老密不可分[25]。

總體來說，處理組以及對照組的總蛋白含量在貯藏期間變化較平穩，呈現緩慢下降趨勢(圖8-a)。僅在貯藏第8天時，2組間的馬鈴薯總蛋白含量有顯著差異(P<0.05)，貯藏結束時(20 d)，對照組和處理組的總蛋白含量分別為1.81%和1.79%。如圖8-b所示，在貯藏期間，對照組以及處理組的可溶性蛋白質的含量均呈現先上升后下降趨勢。從貯藏12 d至貯藏結束，2組間可溶性蛋白質含量具有顯著差異(P<0.05)。貯藏結束時(20 d)，香茅精油處理組的馬鈴薯可溶性蛋白質含量比對照組高11.82%。結果表明，在貯藏過程中，2組馬鈴薯總蛋白含量都保持穩定，香茅精油處理對總蛋白的影響不大，而對馬鈴薯可溶性蛋白質含量的下降有抑制作用。

SP-淀粉磷酸化酶；AGPase-腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶；SS-淀粉合成酶；UGPase-尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶；SuSy-蔗糖合成酶；VI-液泡轉化酶；INH-液泡轉化酶抑制劑；PPP-磷酸戊糖途徑；EMP-糖酵解圖7 碳水化合物代謝路徑[26]Fig.7 Carbohydrate metabolic pathways

a-總蛋白質；b-可溶性蛋白質圖8 香茅精油處理對馬鈴薯總蛋白質和可溶性蛋白質含量的影響Fig.8 Effect of citronella essential oil treatment on potato total protein and soluble protein content

3 討論與結論

采后香茅精油處理能有效抑制馬鈴薯發芽，貯藏第20天時，馬鈴薯的發芽率和發芽指數分別為15.00%和4.29%，而對照組為100.00%和30.00%。香茅精油使馬鈴薯塊莖芽眼部分呈現黑色，在萌芽階段破壞芽組織，延緩發芽時間。品質方面，香茅精油處理延緩了淀粉、可溶性蛋白質含量的下降，貯藏結束時，有效保持了馬鈴薯塊莖的營養成分。香茅精油處理降低了還原糖的產生速率，減少還原糖的積累，使馬鈴薯在后續加工期間保持良好的色澤和品質。

馬鈴薯塊莖萌芽需要能量，而這些能量大部分是由淀粉降解產生的。在馬鈴薯貯藏過程中，淀粉與還原糖遵循著可逆動態平衡，淀粉在淀粉磷酸化酶(starch phosphorylase，SP)作用下生成葡萄糖，經一系列反應最終形成蔗糖。蔗糖在蔗糖合成酶(sucrose synthase，SuSy)、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDP glucose pyrophosphorylase，UGPase)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP glucose pyrophosphorylase，AGPase)、淀粉合成酶(starch synthase，SS)作用下重新形成淀粉。除此之外，蔗糖在液泡轉化酶作用下重新生成果糖和葡萄糖。香茅精油處理可減少總糖的消耗，使總糖保持較高的水平，貯藏結束時下降了7.63%。香茅精油處理延緩了馬鈴薯淀粉含量的下降，抑制了還原糖的產生速率，使還原糖含量保持在較低水平。對于糖組分來說，果糖和葡萄糖含量處于動態變化，總體來說呈現緩慢下降趨勢，而蔗糖含量的下降趨勢較明顯，說明香茅精油明顯加快了蔗糖的降解速度。

馬鈴薯塊莖的休眠狀態被打破后，蛋白質開始分解為氨基酸，以支持芽的發育和生長。LIU等[27]研究發現，差異表達蛋白質隨著分生組織的再次生長而發生轉移，最終導致馬鈴薯塊莖休眠被打破。對于總蛋白和可溶性蛋白質來說，香茅精油處理可以維持總蛋白含量穩定，減少馬鈴薯總蛋白消耗；處理組可溶性蛋白質含量在貯藏期結束時仍高于對照組，這表明香茅精油處理可以減緩可溶性蛋白質的消耗，延緩馬鈴薯衰老進程。本試驗發現，香茅精油處理在貯藏前期使馬鈴薯塊莖呼吸強度保持較高水平，傷口愈合后又迅速下降，并在貯藏后期抑制了馬鈴薯呼吸強度。

綜上所述，香茅精油作為一種天然植物成分，除了具有良好的抑芽效果，還可使馬鈴薯保持良好的商品價值，這為開發新型安全馬鈴薯抑芽劑提供了新的選擇。另外，馬鈴薯萌芽過程中，香茅精油對糖代謝的影響較大，而對蛋白質代謝的影響較小，但其具體的生理生化及分子機制還需進一步研究。