甘薯塊根貯藏期間細(xì)胞壁成分及降解酶活性變化

曹如霞 徐 舒 李 玲 陳玲玲 陸國權(quán)*

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院/浙江省農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)改良技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311300； 2.浙江農(nóng)林大學(xué) 薯類作物研究所，杭州 311300)

甘薯(Ipomoeabatatas(L.) Lam)，旋花科甘薯屬植物，不僅是種植廣泛的糧食作物，也是重要的飼料和工業(yè)原料[1]。甘薯的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期以來在我國國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要位置，是我國主要糧食作物之一，其栽培面積和總產(chǎn)量?jī)H次于水稻、小麥和玉米，居第四位，且優(yōu)質(zhì)食用型品種種植面積在近幾年逐步擴(kuò)大[2]。甘薯具有較強(qiáng)的抗旱能力，耐貧瘠，但在貯藏過程中，易出現(xiàn)感病、發(fā)芽、失水萎蔫、營養(yǎng)流失和腐爛等情況，影響其營養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3-5]。

甘薯塊根對(duì)貯藏溫度較敏感，其會(huì)在16～35 ℃萌芽，<9 ℃便易出現(xiàn)冷害現(xiàn)象，林婕等[6]研究結(jié)果顯示，甘薯最適貯藏溫度為10～15 ℃。甘薯塊根收獲后大多會(huì)在29～31 ℃，相對(duì)濕度63%～65%條件下放置4 d，促使其表皮傷口愈合，減少貯藏中的腐爛[7]。Thompson 等[8]調(diào)查了甘薯枯萎病和黑星病在南非的發(fā)病情況，發(fā)現(xiàn)甘薯黑星病是南非地區(qū)甘薯生產(chǎn)的一個(gè)潛在威脅。張有林等[9]發(fā)現(xiàn)甘薯貯藏前經(jīng)愈傷和低溫處理，噻苯咪唑(TBZ)熏蒸結(jié)合塑料袋包裝，在適宜的溫度下貯藏，能用效抑制黑斑病的病原菌孢子繁殖，保鮮效果理想，食用安全衛(wèi)生。甘薯塊根貯藏過程中也會(huì)使用氣態(tài)二氧化氯(ClO2)，減少其被真菌污染的概率，延長貯藏期[10]。

甘薯塊根在收獲后生長已經(jīng)停止，但生命活動(dòng)仍在繼續(xù)，已從合成為主轉(zhuǎn)變成將體內(nèi)高分子化合物分解成簡(jiǎn)單分子[11]。細(xì)胞壁的降解會(huì)影響果實(shí)質(zhì)地，纖維素酶、果膠酶和β-半乳糖苷酶不僅在成熟期分解相應(yīng)的底物，降解細(xì)胞壁，使果實(shí)成熟，對(duì)采后果實(shí)軟化也有很大影響[12-14]。果實(shí)成熟過程中，原果膠不斷降解為可溶性果膠，細(xì)胞結(jié)構(gòu)也隨之受損，并且隨著微纖絲間果膠和纖維素物質(zhì)的溶解，微纖絲結(jié)構(gòu)變得松弛而軟化，細(xì)胞壁變薄，果肉硬度隨之下降。新鮮的甘薯塊根組織鮮嫩，含水量高，呼吸旺盛[15]，在貯藏過程中發(fā)生著一系列復(fù)雜變化，細(xì)胞壁在細(xì)胞壁酶作用下發(fā)生降解，導(dǎo)致軟化，進(jìn)而腐爛。不同品種甘薯塊根的抗腐爛性不同，但有關(guān)甘薯耐貯機(jī)制的研究鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)通過分析不同耐貯性甘薯塊根在貯藏過程中細(xì)胞壁成分及酶活性的變化規(guī)律，旨在探明耐貯性的生理機(jī)制，以期為甘薯塊根合理貯藏提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)品種為‘蘇薯 8 號(hào)’、‘浙薯 13’和‘南薯 88’，由河北省邯鄲市禾下土種業(yè)有限公司提供，種植于浙江農(nóng)林大學(xué)薯類作物研究所板橋基地，生長期110 d。種植采用單行高壟，壟寬50 cm，壟高、溝深和株距均為30 cm，小區(qū)內(nèi)各品種隨機(jī)排列，每個(gè)品種40 株，3次區(qū)間重復(fù)。于2018年9月10日收獲甘薯塊根，挑選大小一致，無破損，無病蟲害的塊根存放于保鮮庫中，溫度為12 ℃，相對(duì)濕度為85%，貯藏至0、7、15、30、45、60、81和102 d，分別取樣。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1腐爛率測(cè)定

甘薯腐爛率的測(cè)定根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：腐爛率=(腐爛甘薯個(gè)數(shù)/甘薯總個(gè)數(shù))×100%，求得平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差[16]。

1.2.2失重率測(cè)定

甘薯失重率的測(cè)定根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：失重率=(甘薯貯前鮮重-貯后鮮重)/貯前鮮重×100%。求得平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差[16]。

1.2.3果膠的測(cè)定

參照韓雅珊[17]的方法，用咔唑比色法進(jìn)行測(cè)定。

1.2.4纖維素的測(cè)定

使用植物纖維素(cellulose)酶聯(lián)免疫分析法。

1.2.5木質(zhì)素的測(cè)定

參照熊素敏[18]的方法，用滴定法進(jìn)行測(cè)定。

1.2.6纖維素酶(Cx)活性測(cè)定

參照Misoon[19]的方法，用分光比色法進(jìn)行測(cè)定。

1.2.7半纖維素酶(HCL)活性測(cè)定

參照劉靖宇[20]的方法并加以改進(jìn)，在試管中加入木聚糖溶液1.5 mL，加粗酶液0.5 mL，50 ℃ 水浴30 min，其后操作與纖維素酶活性測(cè)定相同。

1.2.8β-半乳糖苷酶(β-Gal)活性測(cè)定

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的錄入和整理采用Microsoft Excel 2013軟件，數(shù)據(jù)處理采用SPSS 20軟件，采用ANOVA進(jìn)行Tukey多重差異分析以及Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘薯塊根貯藏期間腐爛率變化

由圖1可知，‘蘇薯8號(hào)’在102 d貯藏期內(nèi)沒有出現(xiàn)腐爛情況，腐爛率為0。‘南薯88’在貯藏 45 d 后開始腐爛，腐爛率快速上升期出現(xiàn)在貯藏 60 d 后，貯藏102 d時(shí)腐爛率達(dá)到72%，顯著高于貯藏至同時(shí)期的其他2個(gè)品種。‘浙薯13’貯藏 81 d 后開始腐爛，貯藏102 d時(shí)腐爛率達(dá)到28%，顯著高于‘蘇薯8號(hào)’，顯著低于‘南薯88’。說明‘蘇薯8號(hào)’耐貯性最好，‘浙薯13’次之，‘南薯88’最差。

柱形上用不同小寫字母標(biāo)識(shí)代表不同品種在不同貯藏時(shí)間差異顯著，P<0.05。下同。 Different lowercase letters on the column indicate significant difference in storage time of different varieties atP<0.05. The same bellow.
圖1 貯藏期間甘薯塊根腐爛率變化
Fig.1 Change of rotting rate of sweetpotato storage roots during storage

2.2 甘薯塊根貯藏期間失重率變化

由圖2可知，甘薯塊根貯藏期間失重率呈上升趨勢(shì)。‘蘇薯8號(hào)’0～102 d貯藏期內(nèi)失重率變化幅度最小，貯藏102 d時(shí)失重率為14.71%。‘南薯88’和‘浙薯13’失重率在貯藏后期上升較快，貯藏102 d時(shí)失重率分別為21.1%和24.84%。‘蘇薯8號(hào)’貯藏30、81和102 d時(shí)失重率顯著低于‘浙薯13’，貯藏60 d時(shí)失重率顯著低于‘南薯88’。耐貯性好的‘蘇薯8號(hào)’失重率顯著低于其他2個(gè)品種，能較好的保持貯藏前后的質(zhì)量。

2.3 甘薯塊根貯藏期間可溶性果膠含量變化

由圖3可知，貯藏后甘薯塊根干重的可溶性果膠含量上升。貯藏前期3個(gè)品種甘薯可溶性果膠含量差異不大，7～15 d是快速上升期，之后‘南薯88’和‘浙薯13’趨勢(shì)平緩，而‘蘇薯8號(hào)’貯藏45 d時(shí)上升至最大值19.3 mg/g，顯著高于其他2個(gè)品種。‘南薯88’貯藏102 d時(shí)達(dá)到最大值8.5 mg/g，而‘浙薯13’貯藏60 d時(shí)達(dá)到最大值9.7 mg/g。耐貯性好的‘蘇薯8號(hào)’貯藏中后期可溶性果膠含量高于耐貯性一般的品種。

2.4 甘薯塊根貯藏期間原果膠含量變化

由圖4可知，貯藏期間甘薯塊根干重中原果膠含量下降。3個(gè)品種甘薯原果膠含量在貯藏期間的各取樣時(shí)間點(diǎn)無顯著差異，其含量在0～7 d快速下降，可能是由于甘薯剛收獲，處于呼吸躍變期，體內(nèi)生命活動(dòng)較活躍，原果膠降解較快。‘蘇薯8號(hào)’貯藏至7 d時(shí)降至最小值96.2 mg/g，‘南薯88’和‘浙薯13’貯藏至15 d時(shí)降至最小值，分別是97.0和 96.5 mg/g。

圖2 貯藏期間甘薯塊根失重率變化
Fig.2 Change of weight loss rate of sweetpotato storage roots during storage

圖3 貯藏期間甘薯塊根干重中可溶性果膠含量變化
Fig.3 Change of soluble pectin content in sweetpotato storage roots during storage

圖4 貯藏期間甘薯塊根干重中原果膠含量變化
Fig.4 Change of protopectin content in sweetpotato storage roots during storage

2.5 甘薯塊根貯藏期間纖維素含量變化

由圖5可知，貯藏期間甘薯塊根干重中纖維素含量變化波動(dòng)較大。‘蘇薯8號(hào)’在貯藏當(dāng)天纖維素含量顯著高于‘南薯88’和‘浙薯13’，貯藏至7 d時(shí)纖維素含量上升至最大值95.93 mg/g，但其貯藏前后變化不大。‘南薯88’纖維素含量先升高再降低，貯藏至45 d時(shí)上升至最高值97.24 mg/g，此時(shí)的纖維素酶活性也達(dá)到最高值，之后纖維素可能在酶的作用下降解，含量顯著降低。耐貯性好的‘蘇薯8號(hào)’貯藏102 d后纖維素含量與貯藏前變化不大，其他2個(gè)品種甘薯有所增加。

圖5 貯藏期間甘薯塊根干重中纖維素含量變化
Fig.5 Change of cellulose content in sweetpotato storage roots during storage

2.6 甘薯塊根貯藏期間木質(zhì)素含量變化

由圖6可知，貯藏當(dāng)天‘蘇薯8號(hào)’干重中木質(zhì)素含量顯著高于‘南薯88’和‘浙薯13’，且在整個(gè)貯藏期間變化波動(dòng)較小，45～102 d一直高于其他2個(gè)品種的水平。‘南薯88’和‘浙薯13’分別在貯藏45和30 d時(shí)達(dá)到最大值，之后變化波動(dòng)較小。甘薯腐爛高峰期，木質(zhì)素含量下降快，且耐貯性好的甘薯品種木質(zhì)素含量高。

圖6 貯藏期間甘薯塊根干重中木質(zhì)素含量變化
Fig.6 Change of lignin content of sweetpotato storage roots during storage

2.7 甘薯塊根貯藏期間半纖維素酶(HCL)活性變化

由圖7可知，‘蘇薯8號(hào)’、‘南薯88’、‘浙薯13’貯藏7 d，HCL活性降至最小值，分別為6 816.29、6 835.31 和10 299.09 μg/(g·h)，之后呈先上升后下降的波動(dòng)趨勢(shì)。‘蘇薯8號(hào)’和‘浙薯13’在貯藏15 d，HCL活性達(dá)到高峰值，分別是15 736.22和19 039.37 μg/(g·h)，之后變化平緩，無顯著差異；‘南薯88’貯藏45 d，達(dá)到最大值18 486.91 μg/(g·h)，峰值出現(xiàn)時(shí)間晚于其他2個(gè)品種，且該時(shí)期也是其開始腐爛的時(shí)間。但在貯藏過程中，各取樣時(shí)間點(diǎn)的3個(gè)品種甘薯塊根HCL活性差異不顯著。

圖7 貯藏期間甘薯塊根鮮重中半纖維酶(HCL)活性變化
Fig.7 Change of hemicellulose enzyme (HCL) activity in sweetpotato storage roots during storage

2.8 甘薯塊根貯藏期間纖維素酶(Cx)活性變化

由圖8可知，‘蘇薯8號(hào)’和‘浙薯13’Cx活性在貯藏15 d同時(shí)出現(xiàn)高峰值，分別為5 547.21和3 656.75 μg/(g·h)，而‘南薯88’出現(xiàn)低峰值，酶活為1 576.67 μg/(g·h)，顯著低于‘蘇薯8號(hào)’，貯藏45 d時(shí)出現(xiàn)高峰值，達(dá)到5 209.02 μg/(g·h)，比‘浙薯13’顯著高2.02倍。3個(gè)品種Cx活性高峰出現(xiàn)時(shí)間和HCL相同，且‘南薯88’Cx和HCL活性同時(shí)達(dá)到高峰的時(shí)間點(diǎn)，也是其腐爛的起始點(diǎn)。

圖8 貯藏期間甘薯塊根鮮重中纖維酶(Cx)活性變化
Fig.8 Change in cellulase (Cx) activity of sweetpotato storage roots during storage

2.9 甘薯塊根貯藏期間β-半乳糖苷酶(β-Gal)活性變化

由圖9可知，3個(gè)品種甘薯塊根貯藏期間β-Gal酶活性總體呈上升趨勢(shì)。‘蘇薯8號(hào)’β-Gal酶活性在貯藏7 d時(shí)下降至最小值0.03 U/g，之后進(jìn)入快速上升，貯藏30 d時(shí)達(dá)到最大值0.13 U/g，45 d后變化平緩，無顯著差異。‘南薯88’貯藏15 d后 β-Gal 酶活性呈上升趨勢(shì)，45 d后上升幅度變大，與此同時(shí)開始腐爛，貯藏102 d時(shí)顯著高于‘蘇薯8號(hào)’2.3倍。‘浙薯13’β-Gal活性變化趨勢(shì)與‘蘇薯8號(hào)’相似，但貯藏102 d時(shí)，活性顯著高于‘蘇薯8號(hào)’2.5倍。貯藏中后期耐貯性一般的甘薯塊根腐爛時(shí)，β-Gal活性高，而耐貯性好的‘蘇薯8號(hào)’β-Gal 活性低且穩(wěn)定。經(jīng)相關(guān)性分析，得到甘薯塊根腐爛率與β-Gal活性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.614)，即β-Gal活性越高，塊根越容易腐爛。

圖9 貯藏期間甘薯塊根鮮重中β-半乳糖苷酶(β-Gal)活性的變化
Fig.9 Change of β-galactosidase (β-Gal) activity in sweetpotato storage roots during storage

2.10 甘薯塊根貯藏期間生理指標(biāo)相關(guān)性分析

由表1可知，腐爛率與失重率、β-Gal活性呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與木質(zhì)素含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與Cx酶呈顯著正相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

成熟的植物細(xì)胞壁一般由中膠層、初生壁和次生壁3部分組成，具有提高植物機(jī)械強(qiáng)度、維持細(xì)胞形狀等多種功能，其主要組分為果膠、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素[12,22]。果膠主要由2個(gè)共同延伸的同型半乳糖醛酸聚糖和鼠李糖聚半乳糖醛酸組成，其大量分支側(cè)鏈(阿拉伯聚糖，半乳聚糖和阿拉伯糖聚糖)形成果膠的所謂“毛狀區(qū)域”[23]。半纖維素含有許多雜分子多糖，主要由木聚糖和木葡聚糖組成；纖維素是以β-1，4 -糖苷鍵連接的葡萄糖多聚物，在細(xì)胞壁中形成微纖絲[24]。甘薯塊根在貯藏過程中，果膠物質(zhì)由一些高分子量的、高甲氧基化的果膠多糖轉(zhuǎn)變?yōu)榈头肿拥目扇苡谒墓z多糖，導(dǎo)致細(xì)胞壁中膠層降解，胞壁結(jié)構(gòu)破壞[25]。本研究中，原果膠含量下降，可溶性果膠含量上升，但是3個(gè)品種甘薯原果膠含量變化并無顯著差異，可能果膠含量并不是影響甘薯耐貯性差異的主要因素。林婕等[6]研究發(fā)現(xiàn)，甘薯貯藏后纖維素含量高于貯藏前，纖維素的增加使甘薯感官品質(zhì)出現(xiàn)變化。貯藏當(dāng)天‘蘇薯8號(hào)’的纖維素和木質(zhì)素含量顯著高于其他2個(gè)品種，且貯藏中后期木質(zhì)素含量也高于‘南薯88’和‘浙薯13’，木質(zhì)素對(duì)植物細(xì)胞壁起到剛性支撐的物理作用和抵抗疾病的侵襲作用[26]。木質(zhì)素含量可能是影響甘薯塊根耐貯性差異的因素之一，木質(zhì)素含量高的‘蘇薯8號(hào)’耐貯性好。

果實(shí)采后在貯藏過程中會(huì)出現(xiàn)軟化腐爛的情況，如蘋果果實(shí)，其細(xì)胞壁含量降低，細(xì)胞壁相關(guān)代謝酶活性升高[27]。本研究中，Cx活性與腐爛率呈顯著正相關(guān)。‘蘇薯8號(hào)’和‘浙薯13’貯藏15 d時(shí)Cx和HCL活性同時(shí)達(dá)到高峰值，而‘南薯88’貯藏 45 d 時(shí)Cx和HCL同時(shí)達(dá)到高峰值，且開始腐爛，失重率上升。Cx分解含1，4 -β-葡萄糖基鏈的半纖維素基質(zhì)多糖，破壞果膠-纖維素-半纖維素的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使果實(shí)細(xì)胞壁遭到破壞，果實(shí)質(zhì)地軟化，進(jìn)而影響貯藏效果[22, 28]。整個(gè)貯藏期內(nèi)，HCL活性比Cx活性高，與王煒等[29]研究結(jié)果相似。嘎啦蘋果果實(shí)軟化過程中，水溶性細(xì)胞壁組分增加，細(xì)胞壁酶活性增加，且在不同的軟化階段發(fā)揮不同作用[30]。姜建中等[31]研究發(fā)現(xiàn)桑葚采后自溶，果實(shí)質(zhì)地軟化，是由于細(xì)胞壁降解酶活性變化，引起細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)變化，自溶指數(shù)高的‘大10’桑椹中的 PE、PG和β-Gal活性顯著高于‘白玉王’桑椹。耐貯性差的‘南薯88’在甘薯貯藏中后期腐爛，Cx和HCL共同發(fā)揮重要作用，使細(xì)胞壁組分和結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，細(xì)胞壁遭到破壞，抗逆性降低，進(jìn)而導(dǎo)致甘薯腐爛。

表1 甘薯塊根貯藏期間生理指標(biāo)相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of physiological indexes of sweetpotato storage roots during storage

注：*和**分別表示在0.05和0.01水平(雙尾)上顯著相關(guān)。

Note: * and ** indicate significant correlations at 0.05 and 0.01 (two-tailed), respectively.

本研究中，β-Gal活性與腐爛率呈極顯著正相關(guān)，‘南薯88’開始腐爛時(shí)，β-Gal活性也逐漸增強(qiáng)，而貯藏中沒有腐爛的‘蘇薯8號(hào)’β-Gal活性低于其他2個(gè)品種。β-Gal參與降解細(xì)胞壁的半乳糖苷鍵，既能降解果膠，也能降解半纖維素，同時(shí)也能降解糖蛋白和糖脂，使細(xì)胞壁中一些組分變得不穩(wěn)定，促使細(xì)胞壁降解[32-33]。甘薯腐爛時(shí)，β-Gal活性高，這與柿果采后和蘋果貯藏一樣[34-35]。腐爛率與β-Gal活性強(qiáng)弱有關(guān)，耐貯性好的‘蘇薯8號(hào)’β-半乳糖苷酶活性低且在貯藏期內(nèi)穩(wěn)定，而耐貯性差的‘南薯88’β-半乳糖苷酶活性升高時(shí)，易腐爛。

甘薯塊根貯藏過程中，細(xì)胞壁成分在一系列酶的作用下降解。貯藏后期，未出現(xiàn)腐爛情況的‘蘇薯8號(hào)’塊根中3種酶活性比出現(xiàn)腐爛情況的‘南薯88’和‘浙薯13’低。甘薯貯藏中后期，耐貯性差的‘南薯88’β-Gal活性加強(qiáng)，Cx活性出現(xiàn)高峰，塊根進(jìn)入快速腐爛期，這2種酶對(duì)其腐爛影響較大，可能是由于其參與降解細(xì)胞壁和中膠層物質(zhì)，同時(shí)β-Gal也可以通過增加細(xì)胞壁的孔隙率和增強(qiáng)其他細(xì)胞壁降解酶的進(jìn)入促使甘薯塊根組織加速軟化，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，對(duì)病原菌等抗逆性降低，進(jìn)而容易腐爛[36-37]。

總之，通過研究耐貯性不同的3個(gè)品種甘薯貯藏過程中細(xì)胞壁成分及細(xì)胞壁降解酶與腐爛率的關(guān)系，結(jié)果表明，耐貯性好的‘蘇薯8號(hào)’有較高的木質(zhì)素含量，較低的HCL、Cx活性，貯藏中后期β-Gal活性低且穩(wěn)定。‘浙薯13’和‘南薯88’腐爛高峰期，木質(zhì)素含量下降快，其貯藏中后期β-Gal活性升高；‘南薯88’開始腐爛時(shí)，Cx和HCL活性達(dá)到高峰值。甘薯細(xì)胞壁降解酶活性升高，加快細(xì)胞壁成分降解速度，促使其細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)改變，完整性下降，抵抗能力減弱，容易腐爛。