熱激處理減輕黃瓜冷害與細胞壁代謝的關(guān)系

沈麗雯,劉 娟,董紅敏,周心雅,佟慧玲,秦 文

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,四川雅安 625014)

熱激處理減輕黃瓜冷害與細胞壁代謝的關(guān)系

沈麗雯,劉 娟,董紅敏,周心雅,佟慧玲,秦 文*

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)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(shù)、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(jīng)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(shù)、果實硬度、細胞壁組分含量和細胞壁水解酶活性。實驗結(jié)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(shù),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(guān)性分析結(jié)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(guān)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(guān)關(guān)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(jié)構(gòu)的完整性,使黃瓜果實表現(xiàn)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(jīng)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(jīng)越來越多的應(yīng)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?qū)S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?shù)臒崽幚砟軌蛞种剖凉鸞4]、龍眼[5]等果實細胞壁降解酶活性上升和細胞壁物質(zhì)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(shù)的影響(%)

目前的研究結(jié)果普遍認為,果實的質(zhì)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(zhì)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(zhì)降解,造成細胞胞間層結(jié)構(gòu)改變,細胞壁總體結(jié)構(gòu)破壞,是導(dǎo)致果實質(zhì)地發(fā)生變化的主要原因[6]。

目前有關(guān)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(guān)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(fā)生與其之間的聯(lián)系,從細胞壁組分代謝的角度探索熱激處理誘導(dǎo)黃瓜抗冷性的機理,為黃瓜的貯藏保鮮以及熱激處理的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ),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(zhuǎn)箱中,當天運回四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院實驗室,預(yù)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(xué)試劑有限公司;咔唑 國藥集團化學(xué)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(nèi),于2 ℃貯藏。對照組(以下簡稱對照):不經(jīng)熱激處理,直接置于2 ℃貯藏。每一處理重復(fù)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(shù)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(shù)據(jù)處理

所有測定均重復(fù)3次,結(jié)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(guān)性分析,Origin 8.1進行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱激處理對采后黃瓜果實冷害指數(shù)的影響

熱激處理對黃瓜果實冷害指數(shù)的影響結(jié)果見表1,采后黃瓜果實在2 ℃的低溫條件下,冷害指數(shù)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(xiàn)冷害癥狀,而熱激組的冷害發(fā)生則出現(xiàn)于第9 d。黃瓜的冷害癥狀表現(xiàn)為皮色變暗,失去光澤,果皮出現(xiàn)不規(guī)則水漬樣凹陷斑。整個貯藏過程中熱激組的冷害指數(shù)始終顯著(p<0.05)低于對照組,貯藏期結(jié)束時,對照組的冷害指數(shù)已經(jīng)高達0.332,而熱激組的冷害指數(shù)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(xiàn)不斷下降趨勢。熱激處理導(dǎo)致纖維素含量出現(xiàn)升高可能是由于纖維素存在于細胞壁內(nèi),纖維素微纖絲發(fā)生解離,導(dǎo)致纖維素含量增加,同時在果實貯藏期間,果膠和纖維素發(fā)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(guān),具體原因還有待實驗證實。至貯藏結(jié)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(zhì),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(zhì)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(xiàn)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(zhuǎn)化,對照組和熱激組果實中的可溶性果膠含量均呈現(xiàn)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(jié)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(zhuǎn)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(guān)系到果蔬中果膠物質(zhì)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(zhì)。由圖4可以看出,對照組的PG酶活性呈現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)在貯藏第15 d,比對照組晚出現(xiàn)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(jié)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(xiàn)不斷上升趨勢,而熱激組在貯藏前期有纖維素酶活性出現(xiàn)小幅下降,隨后也呈現(xiàn)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(jié)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(xù)下降。熱激處理組也呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,但峰值出現(xiàn)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(jié)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(shù)與細胞壁含量、細胞壁水解酶活性相關(guān)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(guān)系

植物的細胞壁呈現(xiàn)非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其主要構(gòu)成成分包括纖維素、果膠、半纖維素以及少量蛋白質(zhì)。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(zhuǎn)化使細胞壁的中膠層溶解,造成細胞間失去粘結(jié)作用而分離,同時纖維素和半纖維素分解,使得微纖絲結(jié)構(gòu)松弛,細胞壁結(jié)構(gòu)消失,細胞壁機械強度不斷下降,最終導(dǎo)致細胞壁總體結(jié)構(gòu)的破壞,從而最終導(dǎo)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(jié)構(gòu)的破壞,引起果實軟化,冷害癥狀則表現(xiàn)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(zhì)的代謝異常有直接關(guān)系。如表2所列實驗結(jié)果顯示,黃瓜果實在受到低溫脅迫時其果實的冷害指數(shù)與細胞壁成分之間存在密切的相關(guān)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(shù)均呈極顯著(p<0.01)的負相關(guān)關(guān)系,冷害指數(shù)與可溶性果膠之間呈現(xiàn)極顯著(p<0.01)的正相關(guān)關(guān)系,但熱激組與對照組相比,其相關(guān)系數(shù)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(shù)的相關(guān)性。

2.5 采后黃瓜果實冷害與細胞壁水解酶活性的關(guān)系

果實采后的質(zhì)地軟化與多糖水解酶有關(guān)[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(dǎo)致上述細胞壁成分和結(jié)構(gòu)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(guān)關(guān)系,這與趙云峰[19]在茄子中得出的實驗結(jié)論一致,對照組和熱激組的相關(guān)系數(shù)分別為0.989和0.876,CI與PME呈極顯著的負相關(guān)關(guān)系,而與PG、β-葡萄糖苷酶的活性關(guān)系不顯著。造成這種現(xiàn)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(dǎo)致的代謝異常使蛋白合成受阻有關(guān)。

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(xiàn),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(jié)構(gòu)的完整性,減輕冷害癥狀。

3 結(jié)論

本研究結(jié)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(jié)構(gòu)的完整性,減輕冷害癥狀。

相關(guān)性分析表明:原果膠和纖維素含量與冷害指數(shù)均呈極顯著(p<0.01)的負相關(guān)關(guān)系,冷害指數(shù)與可溶性果膠之間呈現(xiàn)極顯著(p<0.01)的正相關(guān)關(guān)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(guān),而與PG、β-葡萄糖苷酶的活性關(guān)系不顯著。

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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(shù),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(shù),E-mail：qinwen1967@yahoo.com。

TS255.3

A

1002-0306(2015)23-0329-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.060