植物源抑芽物質對延長甘薯貯藏期的作用效果

鄒 雪 丁 凡 余韓開宗 羅萬宇 陳年偉劉麗芳 余金龍,? 王西瑤

(1綿陽市農業科學研究院,四川 綿陽 621023；2四川農業大學農學院,四川 成都 611130)

甘薯(Ipomoea batatas L.)為旋花科(Convolvulus)番薯屬(Ipomoea)植物,起源于熱帶南美洲,我國甘薯的總面積和總產量均居世界首位。甘薯塊根既能鮮食也可用于加工成粉絲、薯脯,還能作為飼料和工業原料生產乙醇和變性淀粉。但由于甘薯塊根無休眠期,溫度適宜即可萌芽,故每年因貯藏不當引起的甘薯塊根霉爛變質所造成的經濟損失約達15%,且萌芽會導致甘薯干物質減少50%以上,淀粉消耗約80%[1-2]。

甘薯塊根水分含量高,對貯藏溫度比較敏感,其可在16～35℃范圍內萌芽,貯藏溫度越高,萌芽越快,消耗的營養成分也越多。低溫貯藏有利于保證甘薯塊根的新鮮度,但甘薯塊根本身不耐低溫,貯藏溫度低于9℃便易出現冷害現象[2-3]。研究表明,甘薯塊根的最適貯藏溫度一般為10～13℃,但實際,貯藏環境很難長期滿足這一條件或需要增加成本來維持這種條件[4]。抑制甘薯塊根萌芽,是保證其品質、延長貯藏期,實現長期供應的有效方式。

目前用于抑制塊根、塊莖萌芽的方法可以分為物理法和化學法。輻照處理可以抑制馬鈴薯、甘薯發芽,但對保持品質的效果不理想；化學試劑乙烯、1-甲基環丙烷等處理馬鈴薯和甘薯存在加速細胞衰老和腐爛問題[5-8]。氯苯胺靈(3-氯氨基甲酸異丙基酯,CIPC)是世界范圍內用于馬鈴薯貯藏的抑芽劑,CIPC 屬低毒類物質[LD50(小鼠) ＞2 000 ～4 200 mg·kg-1體重],在馬鈴薯中的使用濃度一般為30 ～60 mg·kg-1。隨著人們對食品安全的重視,在歐盟、德國、加拿大等國家均制定了嚴格的CIPC 殘留限度(5 ～15 mg·kg-1),市場可接受度也持續下降[9-10]。將CIPC 用于甘薯貯藏能明顯抑制發芽,貯藏20 d 時,發芽率僅22.22%,但要達到這種效果所需的CIPC 濃度高達400 mg·kg-1,約為馬鈴薯常規用量的10 倍,此外,高濃度的CIPC 會加重甘薯腐爛[11]。化感物質是植物向環境中釋放的,并對周圍植物產生有害或有利影響的次生代謝物質,能影響種子萌發、幼苗生長和開花結實等[12-13]。研究表明,從一些芳香植物中提取的精油對馬鈴薯塊莖萌芽具有不同程度的抑制作用。薄荷(Mentha haplocalyx L.)、芫荽(Coriandrum sativum L.)和尤加利(Myrtaceae eucalypteae L.)精油處理馬鈴薯塊莖10 d 后均能不同程度地延緩發芽[14]。留蘭香(Mentha spicata L.)精油及其主要成分香芹酮能抑制馬鈴薯塊莖發芽及真菌和細菌活性,是未來極有潛力的綠色安全控芽劑[15-17]。但這些來源于植物的揮發性抑芽物質對甘薯的抑芽效果和品質影響尚未知。

本試驗以CIPC 為陽性對照,選用薄荷精油中的主要成分薄荷醇(2-異丙基-5-甲基環己醇,MEN)、留蘭香精油中的主要成分R-香芹酮(2,3-二甲基-5-異丙烯基-環己酮-1,CAR)處理甘薯塊根,探討MEN、CAR 對延長甘薯塊根貯藏期的作用效果,以期為甘薯貯藏保鮮提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

塊根萌芽性好的甘薯綿12-25-1、耐貯藏的紫肉甘薯品種綿紫薯9 號,由綿陽市農業科學研究院提供。

氯苯胺靈(97%,固體)、薄荷醇(98%,固體)、R-香芹酮(98%,液體)購自美國Sigma-Aldrich 公司；其他常規試劑,如可溶性淀粉、高氯酸、碘、蒽酮、硫酸、愈創木酚、乙醇等購自成都科龍化工試劑廠。

1.2 主要儀器與設備

BSA323S 分析天平,北京賽多利斯儀器系統有限公司；DHG-91013A 型電熱恒溫鼓風干燥箱,上海三發科學儀器有限公司；BioMATE3S 紫外可見分光光度計,美國賽默飛生命科學公司；HS-800D 型電熱恒溫水浴鍋,太倉市華利達實驗設備有限公司；5417R 冷動離心機,德國艾本德生命科學公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 2016年11月初收獲后挑選整齊、健康的甘薯塊根,甘薯綿12-25-1、綿紫薯9 號各選取18～21 塊共放置在20 L 的塑料箱,每箱約5 kg。根據文獻[11]報道及前期預試驗,設置500 mg·kg-1CIPC(試劑與塊根重量比)、100 mg·kg-1MEN(試劑與塊根重量比)、100 μL·kg-1CAR(試劑與塊根的體積和重量比)3 組處理,每處理包括5 箱；以未添加試劑組作為空白對照(control,CK)。將自制加熱設備調至250℃使原樣試劑直接霧化,并在塑料箱中密閉循環5 min后,四周各開直徑3 cm 小孔以便甘薯塊根透氣、透水。為盡早觀察試驗效果,將塑料箱放置在溫度23±2℃,濕度55%～65%的環境中(此條件有利于甘薯塊根萌芽),貯藏時間為2016年11月15日-2017年4月20日。

1.3.2 甘薯塊根各項指標的測定 1)外觀。處理后貯藏3 d,在各試驗箱取樣,取薯塊根痕部位切開,用OLYMPUS SZ51 型體視鏡(日本奧林巴斯)觀察并拍照保存。

2)重量損失率。分別于貯藏第0、第30、第60、第90、第120、第150 天進行整箱稱重,計算重量損失。同時取樣以測定其他指標。

3)淀粉含量的測定。每處理取6 個薯塊切成2～3 mm 薄片于105℃殺青20 min,80℃烘至恒重。粉碎干樣后過150 μm 孔徑網篩,碘比色法測定淀粉含量。

4)可溶性糖含量的測定。稱取上述粉末0.1 g,用蒽酮比色法測定可溶性糖含量。

5)α-淀粉酶活性的測定。用直徑7 mm 的打孔器從薯塊中部取樣,稱取1 g 冰上研磨提取,定義與0 號對照管的A620差值每減少0.1 為1 個酶活力單位。

6)過氧化物酶活性的測定。愈創木酚法測定過氧化物酶(peroxidase, POD)活性,稱取1 g 冰上研磨提取,每分鐘A470變化0.01 為1 個酶活力單位。上述測定和計算方法參考文獻[18-19]。

7)花青素含量的測定。稱取0.2 g 干粉,用檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液(pH 值3.0)提取花青素,測定OD525吸光度,以958 為吸光度轉換為質量體積比的經驗系數[20]。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2007、DPS V7.65 進行數據統計分析,LSD 法比較平均數間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 貯藏期間不同處理下甘薯的萌芽情況

甘薯綿12-25-1 的萌芽性較好,田間收獲時就開始發芽,貯藏初期(0 d)的平均發芽率已達23.91%,溫室中貯藏使得發芽速率加快；綿紫薯9 號屬耐貯藏品種,在溫室中放置7 d 只有少量薯塊發芽。由圖1 可知,抑芽物質對甘薯塊根的抑芽能力表現為CAR ＞MEN＞CIPC。CAR 處理組甘薯塊根芽及分生組織整體死亡,MEN、CIPC 處理組中的甘薯塊根芽只是頂端被不同程度地破壞,但芽內部結構還在。抑芽物質不僅對甘薯塊根長出的芽有抑制作用,同時也會影響芽的形成。由表1 可知,貯藏第7 天,綿12-25-1 的發芽率達到66.70%,各處理的抑芽能力均達到極顯著水平,但隨著貯藏時間的延長,甘薯發芽率也在明顯上升, 30 d 時CIPC 和MEN 處理組的發芽率均已超過50%,90 d 時所有處理組均發芽,但芽或畸形芽僅2 ～3 mm,無法正常生長甚至死亡。各處理對耐貯藏品種綿紫薯9 號的抑制效果更佳,貯藏90 d 時,CK 發芽率達到96.25%,已展葉生長超50 mm,而CIPC 處理組薯塊無發芽跡象,CAR 和MEN 處理組的發芽率均較低,僅是芽點或死亡的芽組織。處理3 d 后體視鏡檢表明,MEN 和CAR 的抑芽能力強于CIPC,但在貯藏后期對綿紫薯9 號的抑芽效果弱于CIPC,推測是CAR、MEN 具有揮發性,且該品種發芽晚,中后期試劑揮發使得有效濃度降低所致。

表1 貯藏期間不同處理對甘薯發芽率的影響Table 1 Effect of different treatment on sprouting rate of sweet potato during storage /%

2.2 貯藏期間不同處理下甘薯重量損失率的變化

貯藏期間,甘薯塊根的重量損失主要包括呼吸、芽生長消耗、水分散失等。由圖2 可知,隨著貯藏時間的延長,甘薯塊根重量不斷下降,重量損失均呈升高趨勢。CIP、MEN、CAR 能不同程度抑制芽的生長,從而減少物質消耗,在貯藏后期各處理組的重量損失均極顯著低于CK(P＜0.01)。貯藏150 d 時,CK 重量損失率高達30.71%,抑芽效果最好的CAR 處理組損失率最低,僅14.25%,占CK 損失的46.40%。貯藏90 d 時綿12-25-1 腐爛率為5.01%,CIPC、MEN 處理使甘薯腐爛率分別上升到6.93%和9.61%,CAR 處理組的腐爛率與CK 無顯著差異(P＞0.05)；綿紫薯9 號所有處理組在整個貯藏期間均無任何腐爛,屬耐貯藏品種(數據未列出)。對比兩材料的腐爛情況可知,甘薯塊根腐爛與基因型密切相關,若塊根本身有腐爛,外源抑芽處理會加劇這一情況,但不會主動引起塊根腐爛。

圖2 貯藏期間不同處理對甘薯塊根重量損失率的影響Fig.2 Effect of different treatment on weight loss rate of sweet potato during storage

2.3 貯藏期間不同處理下甘薯品質的變化

2.3.1 貯藏期間不同處理對甘薯淀粉含量的影響 由圖3 可知,貯藏0 d 時綿12-25-1 的淀粉含量高達71.86%,極顯著高于綿紫薯9 號(P＜0.01)；兩種甘薯材料淀粉含量均隨著貯藏時間的延長而下降,最大降幅分別出現在貯藏第90 天和第120 天,與它們的發芽和旺盛生長時間差異相關。各處理組綿12-25-1、綿紫薯9 號的淀粉含量也呈下降趨勢,與CK 相比,各處理組均有減緩兩材料淀粉含量下降的作用,其中CAR處理組的效果最佳。各處理組保持綿12-25-1 塊根淀粉含量的能力更顯著,90 d 時各處理組的淀粉含量均保持與貯藏起始相近的水平,而此時CK 已下降到48.06%,150 d 時CAR 處理組的淀粉含量保持最高,較同期CK 高34.57%,并顯著高于其他處理(P ＜0.05)。

圖3 貯藏期間不同處理對甘薯淀粉含量的影響Fig.3 Effect of different treatment on starch content of sweet potato during storage

2.3.2 貯藏期間不同處理對甘薯可溶性糖含量的影響 與淀粉含量相反,可溶性糖含量在綿紫薯9 號中極顯著高于綿12-25-1(P＜0.01),是綿12-25-1 的1.52 倍。隨著貯藏時間的延長,CK 和各處理組綿12-25-1、綿紫薯9 號的可溶性糖含量均呈波動下降趨勢,各處理組的可溶性糖含量在貯藏后期均高于CK。綿12-25-1 的可溶性糖含量在30 d 時升高到最大值,各處理組能推遲甘薯可溶性糖最高值出現的時間,其中CIPC 和MEN 處理組在60 d 達最大值,而抑芽能力最強的CAR 處理組則在90 d 出現峰值。可溶性糖峰值出現的時間差異從側面反映出抑芽差異對塊根生理狀態影響的不同。綿紫薯9 號的MEN 處理組可溶性糖含量的變化與CK 相似,呈平穩下降；CIPC 和CAR處理且則在120 d 時達到峰值再下降。

圖4 貯藏期間不同處理對甘薯可溶性糖含量的影響Fig.4 Effect of different treatment on soluble sugar content of sweet potato during storage

2.3.3 貯藏期間不同處理對綿紫薯9 號花青素含量的影響 CK 和各處理組綿紫薯9 號干粉中的花青素含量在貯藏60 d 內變化不明顯,但隨后均呈快速下降趨勢(圖5)。CK 在貯藏90 d 時降幅最大,甘薯塊根花青素含量僅為初始含量的64.29%；各處理組的花青素含量在貯藏中、后期均高于同時期CK,150 d 時CIPC、MEN、CAR 處理組甘薯的花青素含量分別較CK高23.83%、7.44%和22.06%,即抑制塊根發芽生長有利于延緩甘薯塊根花青素消耗。

2.4 貯藏期間不同處理下甘薯酶活性的變化

2.4.1 貯藏期間不同處理對甘薯α-淀粉酶活性的影響 淀粉酶通過將淀粉分解為小分子糖類,為甘薯萌芽和生長提供能量。由圖6 可知,貯藏期間,無論是CK 還是各處理組,萌芽性好的甘薯材料綿12-25-1 α-淀粉酶活性均極顯著高于耐貯藏品種綿紫薯9 號(P＜0.01),最高可達4.90 倍。綿12-25-1 的α-淀粉酶活性在各處理組均表現為隨著貯藏時間的延長呈下降趨勢,而各處理組的甘薯α-淀粉酶酶活性在貯藏120 d 時均顯著低于CK(P＜0.05),以CIPC 處理組的酶活下降最為顯著。綿紫薯9 號的α-淀粉酶活性在CK 和各處理組中均隨著貯藏時間的延長總體呈升高趨勢,各處理組均能促進酶活性的升高,但與CK 差異不顯(P＞0.05)著。α-淀粉酶活性在兩種甘薯材料中的變化趨勢相反,推測這是由于綿12-25-1 萌芽早,貯藏后期塊根逐漸老化,而綿紫薯9 號萌芽晚,在貯藏中、后期正是幼苗旺盛生長階段造成的。

圖5 貯藏期間不同處理對綿紫薯9 號花青素含量的影響Fig.5 Effect of different treatment on anthocyanin content of Mianzishu 9 during storage

圖6 貯藏期間不同處理對甘薯α-淀粉酶活性的影響Fig.6 Effect of different treatment on α-amylase activity of sweet potato during storage

2.4.2 貯藏期間不同處理對甘薯POD 活性的影響 POD 作為活性氧清除系統中的關鍵酶,能減輕鹽、干旱等外界脅迫產生的活性氧或自由基對細胞膜系統的傷害,是重要的防御酶類[21]。在貯藏期間,各處理組均表現為甘薯POD 活性極顯著高于同期CK(P ＜0.01),但變化無明顯規律。貯藏90 d 時綿12-25-1的CAR 處理組活性最高,是CK 的1.39 倍,120 d 和150 d 時CAR 和CIPC 處理組的活性相似且均高于MEN 處理組和CK。貯藏90 d 時各處理組的綿紫薯9號POD 活性均高于CK,其中CIPC 處理組活性最高,較CK 高36.83%,而CAR 處理組與CK 差異不顯著(P＞0.05)；貯藏120 d 時CIPC 和MEN 處理組的POD活性下降略低于CK,而CAR 各處理組的較CK 升高22.48%；貯藏150 d 時CK 和各處理組差異不顯著(P＞0.05)。POD 活性升高說明甘薯塊根在貯藏期間受到各處理的抑制作用后產生了抗逆反應。

圖7 貯藏期間不同處理對甘薯POD 活性的影響Fig.7 Effect of different treatment on POD activity of sweet potato during storage

3 討論

大多數化感物質對種子萌發和生長均有一定的抑制作用,從防風草中提取的精油能抑制雜草胚根、幼苗伸長及其干重積累[22]。研究表明,化感物質綠原酸、咖啡酸和兒茶酚等通過抑制磷酸化酶、蛋白水解酶、淀粉酶的活性降低物質代謝、能量供應以抑制發芽[13,23]。薄荷醇和香芹酮作為芳香植物中的揮發性次生代謝物,可用作牙膏、口香糖、飲料、糖果和香水等的賦香劑,被廣泛應用于食品和化工領域。薄荷醇和香芹酮會引起馬鈴薯塊莖芽分生組織頂端的膜損傷而抑制發芽直至芽死亡[16-17],可以作為環境友好型的抑芽物質,具有開發綠色安全控芽劑的潛力。本試驗將薄荷醇、香芹酮分別用于處理甘薯塊根,發現兩者均可抑制甘薯發芽,在體視鏡下可觀察到芽頂端生長點壞死到整個芽死亡的過程,與抑制馬鈴薯塊莖發芽的過程相似,推測它們對塊莖、塊根發芽的抑制作用具有相似性。

貯藏過程中,甘薯塊根由于呼吸作用和發芽會消耗其水分和淀粉,且水分的消耗快于淀粉,故選用鮮樣測定淀粉含量,但測定值會偏高[24]。本研究選擇干樣測定,在一定程度上去除了水分變化的影響,提高了結果的可信度。謝逸萍等[25]測定5 個甘薯品種在13±1℃ 貯藏120 d 的變化,發現淀粉含量降幅為0.14%～10.80%。而本試驗在23±2℃下貯藏,綿12-25-1 和綿紫薯9 號的對照組(CK)在120 d 時下降到34.62%和35.85%,遠高于13±1℃貯藏條件,說明高溫加快了塊根的呼吸和發芽,使得淀粉消耗加劇。抑芽物質處理在抑制甘薯發芽的同時極顯著地延緩了淀粉含量的下降速率,對保持淀粉含量作用明顯,以CAR 處理組效果最佳,120 d 時僅下降17.01%,推測CAR 處理若結合更低一些的溫度貯藏,在保持品質上效果更佳。

淀粉酶分解淀粉為小分子糖類,為甘薯萌芽和生長提供能量,可認為高淀粉酶活性是薯塊發芽的正常反應[26-27]。易穗上發芽水稻品種在萌芽過程中α-淀粉酶活性、可溶性糖、可溶性蛋白和水分含量比不易穗上發芽品種的相對較高[28],這與本試驗中耐貯藏甘薯品種綿紫薯9 號的α-淀粉酶活性遠低于萌芽性好的材料綿12-25-1 的特點相符,故從延緩萌芽培育耐貯藏品種角度考慮,低淀粉酶活力可以作為篩選耐貯藏甘薯品種的指標之一。甘薯塊根無休眠期,在西南丘陵區11月初收獲時因溫度限制而進入強制休眠,但在田間收獲時發現綿12-25-1 不同于其他材料,薯塊打破了溫度限制并已大量發芽。已知種子發芽需要內源赤霉素促進淀粉酶合成,赤霉素誘導馬鈴薯塊莖休眠解除與促進α-、β-淀粉酶編碼基因的轉錄本聚集相關[29],高α-淀粉酶活性且易萌芽的綿12-25-1 塊根內部是否合成了較高濃度的赤霉素,抑芽處理組延緩淀粉下降的同時是否也抑制了赤霉素的合成,尚有待進一步研究。

表達Cu/Zn SOD 和APX 基因的轉基因甘薯在鹽脅迫下表現為葉片抗氧化酶系統的POD、SOD 等活性均高于未轉基因甘薯,且提高了轉基因甘薯的耐鹽性[30]。香芹酮、丁香酚處理馬鈴薯塊莖在抑制芽生長的同時引起POD 活性在不同時間提高,升高程度與香芹酮、丁香酚濃度呈正相關[31],這與本試驗各抑芽處理組能不同程度提高塊根POD 活性的結果一致,推測外源抑芽物質處理引起了塊根代謝紊亂,活性氧升高,塊根活性氧清除系統中的關鍵酶POD 活性提高,可以清除活性氧,是一種保護機制。

4 結論

CAR、MEN、CIPC 3 種試劑均具有抑制甘薯塊根發芽的作用,抑芽能力表現為CAR ＞MEN ＞CIPC。CIPC 用于抑制發芽所需的濃度過高,不適用于甘薯貯藏保鮮；CAR 抑制芽生長的效果最佳,能降低甘薯塊根的重量損失,對保持淀粉含量效果極顯著,同時能延緩甘薯可溶性糖和花青素的耗損。故從抑芽能力和環境安全角度考慮,來源于植物且用量低、抑芽效果穩定的CAR 更適用于延長甘薯貯藏期。