基于電子鼻分析1-MCP對‘香紅’梨后熟進程的影響

閆子茹,岳盈肖,趙江麗,趙國群,劉金龍,*,關軍鋒,*

(1.河北科技大學生物科學與工程學院,河北石家莊 050081; 2.河北省農林科學院遺傳生理研究所,河北石家莊 050051； 3.河北工程大學生命科學與食品工程學院,河北邯鄲 056000)

‘香紅’梨是近年來選育出的梨新品種,果實成熟時果皮為紅色,果肉呈白色,口感酸甜適中,并且隨著果實的成熟,香氣越發濃郁,但常溫貨架期較短[1]。目前,關于香紅梨的研究主要在品種選育和栽培管理技術方面,未見有關其采后生理、保鮮技術等方面的研究報道。

1-MCP是一種乙烯抑制劑,它通過與乙烯受體優先發生不可逆結合,阻礙乙烯發揮反饋調節作用,達到延緩果實后熟衰老,提高貯藏品質的目的[2-3]。1-MCP對多種水果的貯藏保鮮都具有良好效果[4]。呼吸強度和乙烯釋放速率是果實采后貯藏評價常用的生理指標,果實香氣是果實的品質指標之一,果實氣味能刺激消費者的嗅覺、增進食欲,從而引起消費者的購買欲望。以往由于認識水平和分析手段的限制,人們對果實香氣品質的關注較少,近年來隨著分析技術的發展,果實的香氣品質成為了關注的熱點。研究報道1-MCP處理會影響梨[5-6]、蘋果[7]、獼猴桃[8]、藍莓[9]等果實香氣生成。

果實的品質指標多樣且變化規律復雜,依賴傳統的檢測方法無法快速、準確的反映貯藏過程中果實的新鮮度及品質狀態。電子鼻是一種針對揮發性物質的快速、無損檢測技術[10],利用電子鼻檢能夠更加快速、便捷、實時的掌握貯藏過程中果實品質的狀況。同時借助主成分分析(principal components analysis,PCA)、線性判別分析(linear discriminant analysis,LDA)及載荷分析(Loading)等方法,將不同傳感器輸出的數據進行降維處理,體現不同樣品的共性和特性,實現對不同產地、品種、成熟度及保鮮處理的水果進行區分[11-15],已有研究利用電子鼻技術分析梨果實在采后貯藏過程中的香氣和品質變化情況[15-20]。‘香紅’梨屬于西洋梨系統,在后熟軟化過程中會產生濃郁的香氣,但對該品種后熟過程中揮發性氣體變化規律的研究還未見相關報道。

本文利用電子鼻檢測技術對‘香紅’梨后熟過程中的揮發性成分進行分析,考察了1-MCP保鮮處理對‘香紅’梨貯藏期間揮發性氣體組分和相對含量的影響,同時探究了果實揮發性氣體變化與呼吸、乙烯的關系,以期為‘香紅’梨采后貯藏保鮮技術及其風味品質評價提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

‘香紅’梨 于商業采收期(2019年8月21日,盛花后145 d)采自主產區河北省秦皇島市昌黎縣,采收后立即運回河北省農林科學院遺傳生理研究所實驗室,果實在室內釋放田間熱后,次日進行處理,挑選大小均一、無機械損傷、無病蟲害的果實為試驗用果。1-MCP 美國Smart Fresh公司。

HWF-1A CO2紅外分析儀 江蘇金壇市科析儀器有限公司生產;GC9790ⅡB氣相色譜儀 浙江福立色譜儀器有限公司生產;PEN3型便攜式電子鼻 德國Airsense公司生產。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗處理 將所有處理的梨果隨機分為1-MCP組和對照組(CK),兩組梨果分別置于PE膜密封帳中,室溫(25 ℃)下密閉處理24 h,其中1-MCP組按照1.0 μL·L-1劑量處理,對照組用空氣密封。處理結束后取出梨果,將各處理果實分為三組,每組7個果實,將果實放于容積為7.536 L的密封罐中,置于20 ℃室溫下進行后熟。于第0、2、4、6、8、10 d將密封罐封口,密封0.5 h后測定呼吸強度、密封2 h后利用電子鼻測定果實揮發性氣體、密封5 h后測定乙烯釋放速率。測定期間不打開密封罐,測定完畢后打開密封罐。

1.2.2 呼吸強度的測定 采用紅外分析儀法測定CO2呼吸強度[21]。果實密封0.5 h后,用注射器吸取罐中氣體10 mL,注入HWF-1A CO2紅外分析儀進行測定,單位為 mg·CO2·(kg·FW·h)-1。

1.2.3 乙烯釋放速率的測定 采用氣相色譜儀法測定乙烯釋放速率[3]。果實密封5 h后,用注射器吸取罐中氣體1 mL,注入GC9790ⅡB氣相色譜儀進行測定,單位為μL·kg-1·h-1。色譜柱:SUPPORT GDX-502 2 mm×2 m,3 mm。乙烯分析條件:柱箱溫度90 ℃,氣化室溫度140 ℃,氫火焰離子檢測器(FID)溫度200 ℃。載氣為氦氣(He),燃氣為氫氣(H2),助燃氣為混合空氣(Mixed air),氣體流量分別為40 mL·min-1(0.04 MPa),40 mL·min-1(0.04 MPa),30 mL·min-1(0.04 MPa)。

1.2.4 電子鼻分析 果實密封2 h后,用PEN3型電子鼻進行測定。電子鼻檢測條件:清洗時間100 s,校零時間5 s,測試時間150 s,室流量400 mL·min-1,進樣流量400 mL·min-1,取穩定狀態145～147 s的數據進行分析[12-15]。PEN3型電子鼻的10個傳感器敏感物質說明見表1[22],各傳感器信號響應情況見圖1。

表1 PEN3型電子鼻各傳感器的響應特性Table 1 Response characteristics of sensors in electronic nose PEN3

圖1 電子鼻響應值信號圖Fig.1 Responsive signal of each sensors for ‘Xianghong’pears

1.3 數據處理

采用Excel 2016軟件進行數值統計和計算,使用SPSS 22.0統計軟件,采用Duncan法進行顯著性檢驗(P<0.05為差異顯著);利用SigmaPlot 14.0進行繪圖,PCA分析用minitab 19軟件進行數據處理和繪圖,LDA分析用SPSS 22.0軟件進行數據處理和繪圖,Loading分析用電子鼻Winmuster 軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 1-MCP對‘香紅’梨呼吸強度與乙烯釋放速率影響

果實采后呼吸強度和乙烯釋放的變化情況影響著果實的貯藏壽命、品質變化和抗病能力。降低果實呼吸強度和乙烯釋放量并延遲高峰出現時間,有利于保持果實品質、延長貯藏時間、提高果實的商品價值。由圖2可知,貯藏期內1-MCP處理組果實的呼吸強度均顯著低于CK組(P<0.05),CK組果實的呼吸強度在貯藏期8 d時出現峰值。貯藏期間1-MCP處理組果實的乙烯釋放速率均顯著低于CK組(P<0.05);CK組果實的乙烯釋放速率在貯藏6 d時出現明顯的躍變高峰,1-MCP處理組果實的乙烯釋放速率在貯藏8 d內沒顯著性變化,在10 d出現顯著上升。呼吸作用是果實進行代謝活動的關鍵生理活動,呼吸旺盛會使其營養物質迅速消耗,加速果實衰老。乙烯是一種加速果實成熟與衰老的植物內源激素,1-MCP阻礙乙烯與其受體蛋白發生不可逆結合,影響乙烯發揮反饋調節作用,進而減少乙烯大量生成,延緩果實后熟衰老[2-3]。本研究結果表明,1-MCP處理能降低‘香紅’梨采后貯藏過程中的呼吸強度和乙烯釋放速率,延緩果實的成熟與衰老。這與前人在大果水晶梨[2]、雪花梨[3]和京白梨[23]等其他梨品種中的研究結果一致。

圖2 貯藏期內香紅梨的呼吸強度與乙烯釋放速率的變化Fig.2 Changes in respiration intensity and ethylene release rate of ‘Xianghong’ pears during storage注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 電子鼻檢測‘香紅’梨揮發性氣體變化的PCA分析

將貯藏期CK組與1-MCP處理組果實揮發性氣體變化進行PCA分析,其目的是將電子鼻輸出數據降維成兩個不存在信息交叉的新指標,使得原本復雜并可能存在相互影響的數據變得簡單明了,性質相似的樣品在距離上會很接近。CK組PCA分析的主成分1(PC1)和主成分2(PC2)的貢獻率分別為87.41%和10.19%,總貢獻率為97.60%,說明PC1和PC2包含了主要的樣品信息。此時,在PC1上可以分為兩個區域,0、2、4、10 d的分布區域接近,其PC1特征值比較小,而6、8 d的分布區域接近,其PC1特征值比較大,說明在貯藏前期果實的揮發性氣體接近,隨著果實的成熟,其揮發性氣體會越發復雜和濃郁,揮發性氣體出現了較大變化。10 d的分布區域未沿著PC1正向繼續變化,而是接近0、2、4 d的區域。這可能是由于在貯藏后期隨著果實逐漸衰老,其揮發性氣體減少,導致貯藏后期與前期的果實揮發性氣體較相似。

1-MCP處理組PCA分析的PC1和PC2的貢獻率分別為68.18%、20.41%,總貢獻率為96.85%,說明分析結果包含了主要的樣品信息。0、2、6、8 d時1-MCP處理組在PC1上的交叉程度比CK組大,說明此階段1-MCP處理組的果實揮發性氣體相似,這可能是與1-MCP處理能減少貯藏期間‘香紅’梨的揮發性氣體生成有關系。但是,4、10 d果實揮發性氣體的分布區域偏離其他時間點,這可能由于4 d時果實的呼吸強度和乙烯釋放速率均較低,揮發性氣體開始釋放較少,而10 d時1-MCP處理果實的乙烯釋放速率增加導致果實揮發性氣體開始釋放引起。

圖3 香紅梨揮發性氣體變化的PCA分析Fig.3 PCA analysis of volatile gas in ‘Xianghong’ pears

圖4 香紅梨揮發性氣體變化的LDA分析Fig.4 LDA analysis of volatile gas in ‘Xianghong’ pears

2.3 電子鼻檢測‘香紅’梨揮發性氣體變化的LDA分析

如圖4 所示,CK組LDA分析的第一線性判別因子(LD1)和第二線性判別因子(LD2)的貢獻率分別為64.20%和20.80%,總貢獻率為85.00%。貯藏期內只有6、8 d的揮發性氣體分布區域發生重疊,說明‘香紅’梨在貯藏6、8 d時的揮發性氣體相似,而0、2、10 d的果實揮發性氣體的分布區域接近,這與PCA分析結果一致。

1-MCP處理組LDA分析的LD1和LD2的貢獻率分別為67.50%、23.80%,總貢獻率為91.30%。貯藏期間0、2、6、8 d的果實揮發性氣體的分布區域發生重疊或者是距離接近,說明1-MCP處理組在貯藏前期和中期時,揮發性氣體相似。4、10 d時果實揮發性氣體的分布區域未與其他時期發生交叉或重疊,并且在坐標軸上4、10 d的分布區域的距離變化較大。

貯藏期4 d時不同處理‘香紅’梨的果實揮發性氣體的分布區域均出現了較大變化。CK組果實揮發性氣體的分布區域較貯藏前期的變化主要表現在向LD2負向偏移,而1-MCP處理組果實揮發性氣體的分布區域較貯藏前期的變化主要表現在向LD1負向偏移。

LDA分析以采集揮發性成分響應值的空間分布狀態及彼此間的投影距離表現氣味變化的速率[24],它能保證投影后的樣本在空間中有最小的類內距離和最大的類間距離,以達到最佳的分離性[25]。從LDA分析圖形上看,同一樣品的測試數據比PCA分析更加集中,對于具有揮發性氣體差異的果實而言,LDA分析有更好的區分能力。這與薛友林等[24]在藍莓中的研究結果一致。徐賽等[26]在研究采收時間對不同保鮮環境荔枝耐貯藏能力的影響時,認為利用LDA分析方法證明,在不同貯藏環境下B2荔枝儲藏時間的識別效果優于B1荔枝。

2.4 ‘香紅’梨揮發性氣體的Loading分析

對‘香紅’梨的果實揮發性氣體進行Loading分析表明,Loading分析的第一、第二主成分貢獻率分別達到99.75%、0.13%,總貢獻率為99.88%(圖5),說明分析結果包含了主要的樣品信息。傳感器W5S、W2W和W2S與原點的距離最遠,其他傳感器不僅與原點的距離較近,并且在位置上存在重疊,說明W5S、W2W和W2S這三個傳感器對區別CK組和1-MCP組的揮發性氣體發揮了關鍵作用。

電子鼻分析可以反映果實的后熟進程。貯藏期間不同處理果實揮發性氣體的W5S、W2W和W2S傳感器信號響應值變化情況如圖6所示。CK組果實揮發性氣體的傳感器信號響應值在貯藏期間呈現先升高后降低的變化趨勢,而1-MCP組果實的傳感器信號響應值變化波動較小。這與乙烯釋放速率的變化規律(圖2)相似,CK組果實伴隨乙烯釋放速率高峰(6 d)的出現,揮發性氣體響應值明顯升高;在貯藏6、8 d時,氮氧化合物(W5S)、有機硫化物和芳香族化合物(W2W)、醇類和部分芳香族化合物(W2S)這三類物質明顯增多;之后在10 d時降低。1-MCP組果實乙烯釋放速率始終較低,果實的揮發性氣體響應值也始終保持在較低水平,尤其是對氮氧化合物(W5S)、有機硫化物和芳香族化合物(W2W)、醇類和部分芳香族化合物(W2S)三類物質的影響較大。Simona B[27]等在不同桃品種中發現果實乙烯釋放和揮發性氣體的變化規律一致。董萍等[28]發現南果梨香氣成分的釋放與果實后熟過程有很大關系,總體上呈現先升高后降低的趨勢,其中1-MCP處理雖延長了果實的貯藏期但使果實香氣成分的種類減少了27.8%。

圖6 貯藏期間香紅梨揮發性氣體的 傳感器信號響應值變化情況Fig.6 Changes of sensors signal response value of volatile gas in ‘Xianghong’ pears during storage

果實中揮發性氣體能通過脂肪酸、氨基酸、甲羥戊酸、甲基赤蘚糖醇等代謝途徑產生[29]。1-MCP處理‘香紅’梨降低了果實后熟過程中的乙烯釋放速率和呼吸強度,使得果實消耗儲存的能量代謝產物如ATP、NADPH等,而這些正是合成脂肪酸所必須的物質,脂肪酸合成代謝通路受阻使得果實揮發性氣體的合成與釋放受到抑制。電子鼻檢測未能具體明確揮發性成分的種類,所以后續研究還可利用氣相色譜法-質譜法聯用(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)技術對果實揮發性氣體進行定量定性分析,并探究其變化規律。

3 結論

1-MCP處理明顯降低‘香紅’梨貯藏期間的呼吸強度和乙烯釋放速率,減少氮氧化合物(W5S)、有機硫化物和芳香族化合物(W2W)、醇類和部分芳香族化合物(W2S)這三類揮發性物質的生成。與PCA分析相比,LDA分析可以更好地對不同后熟階段果實的揮發性氣體進行區分。電子鼻分析表明,1-MCP處理延緩了‘香紅’梨果實的后熟進程。