热激处理减轻黄瓜冷害与细胞壁代谢的关系

沈丽雯,刘 娟,董红敏,周心雅,佟慧玲,秦 文

(四川农业大学食品学院,四川雅安 625014)

热激处理减轻黄瓜冷害与细胞壁代谢的关系

沈丽雯,刘 娟,董红敏,周心雅,佟慧玲,秦 文*

(四川农业大学食品学院,四川雅安 625014)

为了进一步阐明热激处理缓解黄瓜冷害症状的作用机理,研究热激处理对采后黄瓜果实冷害指数、细胞壁组分以及细胞壁降解酶活性的影响,将“金田208”黄瓜经42 ℃热水处理10 min后,于(2±1)℃下贮藏。贮藏期间定期测定黄瓜果实的冷害指数、果实硬度、细胞壁组分含量和细胞壁水解酶活性。实验结果表明:与对照组相比,热激处理可以显著(p<0.05)降低黄瓜果实受到低温胁迫时的冷害指数,能够降低果胶甲酯酶(PME)、多聚半乳糖醛酸酶(PG)、β-葡萄糖苷酶和纤维素酶的活性,能够延缓果胶和纤维素含量的下降。相关性分析结果表明,黄瓜的冷害与细胞壁组分(原果胶、可溶性果胶、纤维素)之间存在极显著(p<0.01)的相关性,与细胞壁水解酶PME和纤维素酶活性之间存在极显著(p<0.01)的相关关系,因此可以认为热激处理可以通过降低采后黄瓜果实细胞壁降解酶的活性而减少细胞壁组分的降解,从而维持细胞壁结构的完整性,使黄瓜果实表现出一定的抗冷性。

热激处理,黄瓜,冷害,细胞壁组分,细胞壁降解酶

黄瓜(Cucumis sativs L.)是一种典型的冷敏性蔬菜,长时间低温贮藏会造成黄瓜冷害失去商品价值,从而造成经济损失。为解决冷害与低温贮藏之间的矛盾,热处理作为一种安全高效的物理保鲜方法,近年来已经越来越多的应用于黄瓜的保鲜中。已有研究研究表明:热激处理可以有效减轻黄瓜的低温伤害[1],并且可以显著降低黄瓜的膜渗透率和MDA含量,提高SOD、CAT、POD等保护酶的活性[2],特别是能够对黄瓜果实硬度的下降起到一定的延缓作用[3]。此外,研究表明:适当的热处理能够抑制柿果[4]、龙眼[5]等果实细胞壁降解酶活性上升和细胞壁物质含量的下降,从而有效的延长果实的货架期。

表1 热激处理对黄瓜果实冷害指数的影响(%)

目前的研究结果普遍认为,果实的质地主要取决于果实中的果胶、纤维素、半纤维素等细胞壁物质的含量。果实在贮藏过程中,果胶甲酯酶(pectinmethylesterase,PME)、多聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase,PG)、半乳糖苷酶(β-galactosidase,β-Ga1)和纤维素酶(cellulase,Cx)等细胞壁水解酶活性增强,催化细胞壁物质降解,造成细胞胞间层结构改变,细胞壁总体结构破坏,是导致果实质地发生变化的主要原因[6]。

目前有关热激处理对黄瓜果实细胞壁代谢的影响尚不十分清楚,特别是对于冷害与细胞壁代谢之间的关系的研究尚未见报道。本文旨在探讨热激处理对黄瓜低温贮藏期间细胞壁组分和细胞壁水解酶活性的影响,并探讨冷害发生与其之间的联系,从细胞壁组分代谢的角度探索热激处理诱导黄瓜抗冷性的机理,为黄瓜的贮藏保鲜以及热激处理的应用提供理论基础,并为其他果蔬的贮藏保鲜提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

品种为“金田208” 2014年3月7日采自四川攀枝花米易,置于塑料周转箱中,当天运回四川农业大学食品学院实验室,预冷过夜,选择成熟度基本一致,瓜条顺直,无病虫害、无机械损伤的果实,用于实验处理。

BS210S型电子天平 塞多利斯北京天平有限公司;HWS24型电热恒温水浴锅 上海一恒科技有限责任公司;UV-3200型紫外分光光度计 上海美普达有限公司;高速冷冻离心机 美国Thermo公司;低温冷藏柜 青岛海尔公司。

蒽酮 上海科丰化学试剂有限公司;咔唑 国药集团化学试剂有限公司;水杨苷 Kayou 进口分装;3,5-二硝基水杨酸、羧甲基纤维素钠 成都科龙化工试剂厂;半乳糖醛酸 广州苏喏化工有限公司;除特殊说明外,上述试剂均为分析纯。

1.2 处理方法

将供试黄瓜随机分成两组,分别做如下处理。热激处理组(以下简称热激):采用 42 ℃热水处理10 min 后,于室温下阴干水分,置于泡沫塑料箱内,于2 ℃贮藏。对照组(以下简称对照):不经热激处理,直接置于2 ℃贮藏。每一处理重复三次。贮藏周期为18 d,每3 d对各组进行各项指标的测定。

1.3 指标测定

冷害指数测定方法实验将黄瓜冷害分为5级进行测定[2];可溶性果胶和原果胶的提取及测定参照曹建康的方法,果胶含量测定采用咔唑比色法测定[7-8];纤维素测定采用蒽酮比色法[9]测定;PG酶活性、Cx活性测定参考曹建康[7]的方法;β-Gal活性参考Carrington C M S[10]的方法;PME活性参考Lin T P[11]等的方法。

1.4 数据处理

所有测定均重复3次,结果取平均值,计算标准偏差(SD)用SPSS 17.0进行Duncan’s多重比较和Pearson相关性分析,Origin 8.1进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 热激处理对采后黄瓜果实冷害指数的影响

热激处理对黄瓜果实冷害指数的影响结果见表1,采后黄瓜果实在2 ℃的低温条件下,冷害指数随贮藏时间逐渐增大,但热激组和对照组之间差异明显,对照组在贮藏3 d后就开始出现冷害症状,而热激组的冷害发生则出现于第9 d。黄瓜的冷害症状表现为皮色变暗,失去光泽,果皮出现不规则水渍样凹陷斑。整个贮藏过程中热激组的冷害指数始终显著(p<0.05)低于对照组,贮藏期结束时,对照组的冷害指数已经高达0.332,而热激组的冷害指数仅为对照组的35.5%,由此可以看出,采后热激处理能够显著提高黄瓜果实的抗冷性,减轻冷害症状。

2.2 热激处理对采后黄瓜果实果肉细胞壁组分含量的影响

从图1看出:无论是对照组还是热激组,黄瓜果实中的纤维素含量均随着贮藏时间的延长而逐渐降低,在贮藏初期(0～3 d),对照组和热激组的纤维素含量差异不显著,但之后热激组的纤维素含量均显著(p<0.05)高于对照。在贮藏6 d时热激组的纤维素含量有所升高,此后仍呈现不断下降趋势。热激处理导致纤维素含量出现升高可能是由于纤维素存在于细胞壁内,纤维素微纤丝发生解离,导致纤维素含量增加,同时在果实贮藏期间,果胶和纤维素发生守恒变化也是纤维素含量增加的原因[12],此外,纤维素含量增加的原因还可能与热激处理激活了纤维素合成基因的表达[13],同时又较好的抑制了纤维素酶等降解酶的活性有关,具体原因还有待实验证实。至贮藏结束时,二者的纤维素含量分别为0.36%和0.46%。

图1 热激处理对采后黄瓜果实纤维素含量的影响Fig.1 Effect of heat shock treatment on the content of cellulose

原果胶是一种非水溶性的物质,由于它的存在使的果实组织坚实、脆硬,但随着果实的成熟和衰老,原果胶物质逐渐与纤维素分离形成可溶性果胶,使得果实组织变得松弛、软化,硬度下降。

由图2可以看出,贮藏过程中黄瓜果实中的原果胶含量总体呈现下降趋势,特别是对照组,在贮藏前期下降迅速,贮藏后期下降速度变缓。在整个贮藏过程中热激组的原果胶含量显著(p<0.05)高于对照组,这说明热激处理可以在一定程度上抑制原果胶的降解。

图2 热激处理对采后黄瓜果实原果胶含量的影响Fig.2 Effect of heat treatment on the fruit pectin content

由图3可以看出,随着贮藏期的延长,果实中的原果胶向可溶性果胶转化,对照组和热激组果实中的可溶性果胶含量均呈现上升趋势,采后果实中的可溶性果胶含量较低,但随着果实的软化,细胞壁的降解,其可溶性果胶含量不断升高。除贮藏开始时对照组和热激组可溶性果胶含量差异不显著外,整个贮藏过程中,热激组的可溶性果胶含量均显著(p<0.05)低于对照,贮藏结束时二者的差异达到1.30 g/100 g。

图3 热激处理对采后黄瓜果实可溶性果胶含量的影响 Fig.3 Effect of heat shock treatment on the soluble pectin

对原果胶和可溶性果胶含量的分析可以看出,热激处理对于抑制原果胶向可溶性果胶转化,延缓原果胶降解和可溶性果胶含量升高具有积极意义。

2.3 热激处理对采后黄瓜果实果肉细胞壁降解酶活性的影响

多聚半乳糖醛酸(PG)酶直接关系到果蔬中果胶物质的降解和果实的硬度。它能够通过水解作用和反式消去作用,切断果胶分子中的α-1,4-糖苷键,从而将果胶分子降解为小分子物质。由图4可以看出,对照组的PG酶活性呈现明显的先上升,后下降的趋势,在贮藏初期上升缓慢,从贮藏后第3 d开始,其PG酶活性出现大幅上升,至贮藏后第9 d,达到峰值,此后随着贮藏期的延长又不断下降。热激组的PG酶活性变化趋势与对照组基本一致,但是其PG活性峰值出现在贮藏第15 d,比对照组晚出现了6 d,且两者峰值相比差异显著(p<0.05),整个贮藏过程中,热激组的PG酶活性均低于对照组。

图4 热激处理对采后黄瓜果实PG酶活性的影响Fig.4 Effect of heat shock treatment on PG activity

图5结果表明,对照组黄瓜的纤维素酶活性在贮藏前期上升缓慢,至贮藏第6 d后开始迅速上升,此后仍呈现不断上升趋势,而热激组在贮藏前期有纤维素酶活性出现小幅下降,随后也呈现不断上升趋势,但仍显著(p<0.05)低于对照组,这与热激使黄瓜中纤维素含量高于对照的实验结果在理论上是一致的。

图5 热激处理对采后黄瓜果实纤维素酶活性的影响Fig.5 Effect of heat shock treatment on cellulase activity

由图6看出,在低温贮藏过程中对照组的β-葡萄糖苷酶活性先降低,至贮藏第3 d后开始上升,至第9 d后达到活性峰值,此后又继续下降。热激处理组也呈现先下降后上升的趋势,但峰值出现在贮藏后第12 d,且峰值显著(p<0.05)低于对照组。

由图7看出,果胶甲酯酶(PME)活性在贮藏过程中逐渐降低,从贮藏第6 d开始,热激处理组开始显著(p<0.05)低于对照组。至贮藏结束时,热激组的PME活性比对照组低18.5 μg·kg-1·h-1。

表2 黄瓜果实冷害指数与细胞壁含量、细胞壁水解酶活性相关性分析

图6 热激处理对采后黄瓜果实β-葡萄糖苷酶酶活性的影响Fig.6 Effect of heat shock treatment on β-glucosidase activity

图7 热激处理对采后黄瓜果实果胶甲酯酶活性的影响Fig.7 Effect of heat shock treatment on PME activity

注:*表示显著,**表示极显著。

由此可见,热激处理可以有效抑制黄瓜果实果肉中的β-葡萄糖苷酶酶活性,降低PME活性,对于细胞壁组分具有保护作用。

2.4 采后黄瓜果实冷害与细胞壁组分含量的关系

植物的细胞壁呈现非常复杂的网络结构,其主要构成成分包括纤维素、果胶、半纤维素以及少量蛋白质。在果实成熟软化的过程中,伴随着果胶的降解和可溶性果胶含量的上升,这种转化使细胞壁的中胶层溶解,造成细胞间失去粘结作用而分离,同时纤维素和半纤维素分解,使得微纤丝结构松弛,细胞壁结构消失,细胞壁机械强度不断下降,最终导致细胞壁总体结构的破坏,从而最终导致果实软化[14]。研究表明[15]:细胞壁组分大量分解会造成细胞壁的绳状结构的破坏,引起果实软化,冷害症状则表现为果面凹陷、组织水渍状,果实腐烂。De Haan[16]认为桃果实的絮败与果胶物质的代谢异常有直接关系。如表2所列实验结果显示,黄瓜果实在受到低温胁迫时其果实的冷害指数与细胞壁成分之间存在密切的相关性。无论是对照组还是热激处理组其原果胶和纤维素含量与冷害指数均呈极显著(p<0.01)的负相关关系,冷害指数与可溶性果胶之间呈现极显著(p<0.01)的正相关关系,但热激组与对照组相比,其相关系数均有所降低,说明热激处理抑制了黄瓜果实细胞壁成分降解,缓解了可溶性果胶的升高,减小了各组分相对含量的变化,从而在不同程度上降低了细胞壁各组分与冷害指数的相关性。

2.5 采后黄瓜果实冷害与细胞壁水解酶活性的关系

果实采后的质地软化与多糖水解酶有关[17-18],这其中研究较多的主要包括PG、PME、β-Gal、Cx等,这些水解酶在果实软化过程中具有不同的作用,例如PG酶的主要功能是水解细胞壁果胶中多聚半乳糖醛酸多糖主链的α-1,4-糖苷键,生成半乳糖醛酸和低聚半乳糖醛酸[5],从而导致上述细胞壁成分和结构的变化。

如表2 所示,采后黄瓜的 CI与Cx活性呈极显著的正相关关系,这与赵云峰[19]在茄子中得出的实验结论一致,对照组和热激组的相关系数分别为0.989和0.876,CI与PME呈极显著的负相关关系,而与PG、β-葡萄糖苷酶的活性关系不显著。造成这种现象的原因可能是贮藏后期这两种酶的酶活快速降低,这可能与长时间的冷害胁迫导致的代谢异常使蛋白合成受阻有关。

与对照组相比,热激处理可以有效抑制采后黄瓜果肉细胞壁降解酶活性的上升,推迟酶活性高峰的出现,同时降低酶活性的峰值,从而有利于延缓细胞壁组分的降解,维持细胞壁结构的完整性,减轻冷害症状。

3 结论

本研究结果显示:42 ℃热水处理10 min可以显著提高黄瓜果实的抗冷性,减轻冷害症状。与对照组相比,热激处理可以有效推迟采后黄瓜果肉热激组的PG酶和纤维素酶的活性上升,降低β-葡萄糖苷酶活性高峰,抑制PME活性,从而有利于延缓细胞壁组分的降解,维持细胞壁结构的完整性,减轻冷害症状。

相关性分析表明:原果胶和纤维素含量与冷害指数均呈极显著(p<0.01)的负相关关系,冷害指数与可溶性果胶之间呈现极显著(p<0.01)的正相关关系。热激处理能够减轻低温胁迫下黄瓜的冷害症状与抑制了Cx活性和PME活性有关,而与PG、β-葡萄糖苷酶的活性关系不显著。

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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

沈丽雯(1989-)，女，硕士研究生，研究方向：果蔬采后生理及贮藏技术,E-mail：shenli.wen@163.com。

*通讯作者:秦文(1967-)，女，博士，教授，研究方向：果蔬采后生理及贮藏技术,E-mail：qinwen1967@yahoo.com。

TS255.3

A

1002-0306(2015)23-0329-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.060