柑橘枯水研究进展

2020-01-06姚世响李秋雨曹琦邓丽莉曾凯芳

食品与发酵工业 2020年18期

姚世响，李秋雨，曹琦，邓丽莉，曾凯芳*

1(西南大学食品科学学院，重庆，400715)2(西南大学食品贮藏与物流研究中心，重庆，400715)

柑橘富含可溶性糖、柠檬酸和抗坏血酸等营养及生理活性物质，风味口感俱佳，深受消费者喜爱，迄今已有四千多年的栽培历史[1]。中国是柑橘原产地之一，国家统计局数据显示2018年柑橘的栽培面积和产量超过3 730万亩和4 138万t，均位居世界首位。枯水常发生于柑橘采前和采后贮藏阶段，是柑橘果实的重要生理性病害[2-5]。

柑橘枯水时表现为水分干枯、糖酸风味寡淡、汁胞硬化、严重时丧失食用价值[2, 4-5]。刘基《卖桔者言》中“金玉其外、败絮其中”是对柑橘枯水最早的文字描述，即柑橘经长期贮藏后，尽管果皮正常新鲜，但果肉已经干枯絮败。柑橘枯水，又称粒化，自1934年以来陆续有国内外学者关注和研究[4, 6-7]。本课题组在多年研究柑橘枯水的基础上，对相关进展进行系统论述，旨在为柑橘枯水研究及防控措施开发提供借鉴。

1 枯水对柑橘产业的影响

我国柑橘大多数品种在10～12月成熟，短时间集中上市不仅给销售带来很大困难，同时也影响水果的稳定供给。柑橘产业通过采后贮藏和拓宽果实成熟时间(发展早、晚熟品种)等2种主要策略缓解销售压力，保障柑橘消费市场周年供给。例如，长江中上游柑橘带大力发展晚熟柑橘，成熟期可延长至次年1～3月，辅以留树保鲜技术能进一步延长至5月上市；再加上部分早熟品种，基本可以实现柑橘鲜果的全年供应。柑橘长期贮藏和留树保鲜阶段易发枯水，某些品种表现得尤为严重，如脐橙(纽荷尔脐橙、奉节晚橙、伦晚脐橙、夏橙、鲍威尔脐橙)、宽皮柑橘(椪柑)、晚熟杂柑(W.默科特、不知火、甘平)和蜜柚[4-5,7]。

枯水降低了柑橘品质和果实商品价值，制约了柑橘的有效供给，让柑橘产业难以满足中国消费结构转型下老百姓对柑橘“吃得好”的需求。目前缺乏柑橘枯水的系统调查数据，按照全国柑橘的枯水发生率为1%(一些品种发生率远高于此)计算，受枯水影响的柑橘果实量高达41.4万t/年，产值约16亿元/年。枯水已经成为制约柑橘产业发展的重要因素。

2 柑橘枯水与果实品质劣变

2.1 水分

柑橘枯水得名于果实食用时水分干枯，但水分减少其实并不是枯水的主要特征[8]。数据表明柑橘枯水时，汁胞相对水分含量变化并不明显，甚至呈增加趋势[3-4, 9]。水分较少的食用口感可能是因为水分在枯水进程中参与汁胞凝胶形成，被束缚住，导致自由水含量大幅减少，表现为出汁率显著下降[10]。果实的水分干枯口感还与果实失重有关。部分柑橘枯水时，果实没有显著失重[11]；部分柑橘枯水时，果实失重非常显著，如椪柑和沙田柚严重枯水时失重率分别为正常果实的5倍和2倍[8-9]。果实质量大幅降低意味着大量水分散失，呈现为果实水分较少的食用品质。

2.2 营养和生理活性物质

柑橘果实的主要营养物质是可溶性糖和有机酸，其中可溶性糖主要为蔗糖、葡萄糖和果糖3种组分，有机酸主要为柠檬酸，还有少量苹果酸[3, 12]。柑橘枯水的主要特征是营养风味骤然劣变，这与柑橘采后贮藏衰老阶段果实风味缓慢劣变有明显不同。数据表明柑橘枯水时，可溶性糖和有机酸快速消耗，最低可降低至正常汁胞的25%～30%[3-5, 7-9, 13]；其中，蔗糖，葡萄糖和果糖含量均出现显著降低[3-4, 7]；柠檬酸含量显著降低，苹果酸在椪柑中降低，在脐橙和蜜柚中升高[3-4, 7]。正是这些可溶性糖和有机酸主要组分在枯水时急剧降低，导致了柑橘果实的营养风味急剧劣变。

果实风味还与香气密切相关，香气由挥发性物质决定，柑橘挥发性物质中含量最多的是萜烯类物质，其中主要成分是D-柠檬烯[14-15]。椪柑果实枯水时挥发性物质总含量下降了68%，其中D-柠檬烯含量减少了87%[16]；脐橙枯水时挥发性物质总含量降低了46%，其中D-柠檬烯降低了85%[4]。

柑橘果实富含大量类胡萝卜素、抗坏血酸、多酚等生理活性物质，在枯水时含量普遍下降。枯水汁胞发白，橙色消失，类胡萝卜素显著消耗[17]；抗坏血酸含量在枯水时显著下降，最高约50%[4-5]；多酚含量在枯水时下降超过一半[5]。

2.3 质地

质地是柑橘果实的重要品质，主要由细胞壁决定[18]。与柑橘成熟后期的汁胞化渣不同，果实枯水时汁胞粒化、变硬、难以咀嚼，这也是柑橘枯水的另一典型特征，这种质地变化的生物学基础是细胞壁组分发生了改变[2-3, 18]。果胶是细胞壁中胶层主要组分，起粘连相邻细胞功能，成熟过程中果胶降解，导致细胞松散，宏观上表现为果实质地变软，呈化渣特性[19]；枯水过程中，果胶结构与含量发生了变化，可能与水分子、钙离子交联形成凝胶，进一步增强细胞间粘连，是汁胞硬化的重要因素[4]。木质素是细胞壁的次生壁的主要成分，在增强细胞机械强度方面有重要功能[20]。柑橘枯水时，汁胞木质素含量增加，有明显次生壁发育现象，细胞壁加厚，特别是在紧皮柑橘如橙类和柚类果实中较为显著，这是导致枯水汁胞显著变硬，难以咀嚼的主要原因[4, 17, 21]。

3 柑橘枯水时果实品质劣变的生物学基础

3.1 糖酸代谢途径

可溶性糖和有机酸是柑橘果实核心营养物质，在贮藏衰老阶段中缓慢消耗，但在枯水进程中呈快速耗竭特征[3, 22]。柑橘采后衰老阶段糖酸消耗机制可参考本课题组最近发表的综述[3, 22]。柑橘可溶性糖可通过蔗糖和单糖代谢途径及呼吸途径降解，也可以转运至果皮参与代谢[23]。柑橘果实生长初期开始合成有机酸，发育和成熟后期至贮藏阶段逐渐降解[24]。其中，柑橘有机酸主要组分柠檬酸的降解主要有4条途径，包括三羧酸循环、合成γ-氨基丁酸、合成谷氨酰胺及其他氨基酸、合成乙酰辅酶A及次生代谢物[24-27]。

柑橘枯水时糖酸物质急剧消耗与呼吸途径有关。柑橘是非呼吸跃变型果实，呼吸强度在采后贮藏阶段逐渐降低，但在枯水发生进程中会升高，枯水果实的呼吸强度可高至正常果实的1.5～6倍[5, 28]。三羧酸循环以柠檬酸为底物，参与呼吸途径，其中顺乌头酸酶(aconitase，Aco)是关键酶，将柠檬酸催化为异柠檬酸[29]。椪柑和柚类枯水汁胞中，Aco编码基因表达量显著上调，显示三羧酸循环参与了柑橘枯水时的柠檬酸降解[3, 7]。综上，活性增强的呼吸途径是枯水汁胞糖酸物质耗竭的重要途径。

呼吸作用可以为细胞壁代谢途径提供反应所需能量和细胞壁组分合成所需前体。考虑到柑橘枯水时汁胞的2个典型特征是糖酸物质快速消耗和细胞壁物质含量增加，有学者基于葡萄柚和柚类生理数据提出假设，认为细胞壁组分合成可能是诱发柑橘糖酸风味劣变的关键因素[28, 30]。本课题组发现椪柑果实糖酸物质的分布具有异质性特点，即糖酸物质分布不均一，浓度沿果蒂至果顶逐渐升高；同时，枯水通常偏好从糖酸物质浓度最低的果蒂开始发生，暗示枯水发生与糖酸代谢存在紧密关联；运用二代核酸测序技术和代谢组学技术对采后枯水过程中椪柑不同部位汁胞进行系统比较，首次从组学层面解析柑橘枯水时营养物质劣变的代谢途径[3]。结果表明椪柑采后枯水进程中蔗糖合成途径被抑制，包括蔗糖和单糖在内的糖降解途径和呼吸途径被激活，细胞壁物质(包括果胶、纤维素和木质素)降解途径被抑制，细胞壁合成途径被激活；同时糖酸组分(蔗糖、葡萄糖、果糖、柠檬酸和苹果酸)含量下降，细胞壁组分(纤维素、原果胶、木质素)含量增加[3]。综合分析椪柑枯水结果可以发现，细胞壁合成途径可能是诱导柑橘果实糖酸物质耗竭的关键代谢途径。类似结果在脐橙采后枯水中也存在[4]，在低温诱导晚熟脐橙采前枯水的研究中得到了进一步证实[31]。

3.2 细胞壁合成途径

柑橘果实成熟时细胞壁降解，细胞壁组分含量降低，而枯水时细胞壁组分含量升高，显示细胞壁代谢途径有重大差异。柑橘枯水时，果胶合成途径关键基因UDP-葡萄糖醛酸-差向异构酶编码基因和半乳糖醛酸转移酶编码基因表达量升高，果胶降解关键基因，如果胶甲酯酶(pectin methylesterase, PME)编码基因表达量降低[3]。PME活性在枯水时的变化比较复杂，脐橙粒化突变体和正常果实相比PME活性降低[32]；晚熟脐橙枯水时PME活性升高[31]；这需要我们谨慎审视PME在柑橘枯水中的功能。果胶含量在枯水时通常不会降低，反而升高[31]。纤维素合成酶编码基因表达量升高，有利于初生壁主要组分纤维素含量增加[3]。另外，柑橘枯水时，木质素合成途径关键基因，如肉桂醇脱氢酶基因表达量显著上调[3, 31]。枯水汁胞木质素含量显著增加[3-4, 21, 30]；枯水汁胞中能观察到明显次生壁发育，细胞壁显著加厚[3, 21, 34-35]。

次生壁发育不仅存在于汁胞枯水进程中，更是维管植物普遍存在且调控机制相对保守的生物学现象[20, 36]。目前研究表明以NAC-MYB转录因子为核心所介导的转录调控网络在次生壁发育中起关键作用[36-37]。本课题组运用转录组学技术鉴定到椪柑枯水特异性NAC和MYB转录因子各2个[3]。对脐橙枯水相关MYB转录因子进行异源功能分析，发现其具有调控次生壁合成功能，未来可望进一步探讨其在柑橘枯水进程中的功能[38-39]。

3.3 果皮结构

柑橘果实是包含果皮和果肉的有机整体，其中果皮与果实品质、贮藏特性存在密切关系[22]。目前果皮与果实枯水关系比较复杂，尚无统一结论。一方面，果皮发育不好或者早衰都可能促进柑橘枯水。果皮蜡质发育不好，果实保水能力显著降低，在发育及成熟过程中易失水，最后可能促进柑橘枯水[40-41]。20世纪80～90年代庞杰等[42]、张百超等[43]对宽皮柑橘枯水开展了系列研究，发现果实贮藏过程中，果皮早衰导致果皮结构疏松，促进果实整体代谢加强，最终诱发枯水。另一方面，有证据显示为了维持果皮正常生理活动，果肉中大量营养物质和水分被转运至果皮，进而诱发了果肉枯水。宽皮柑橘果皮与果肉之间有相对发达的维管组织作为输导系统，在果肉与果皮间转运营养物质和水分，因此在长期贮藏过程中，果肉营养物质与水分容易运输至果皮，以帮助果皮适应逆境，极端情况便是果皮正常而果肉枯水，即所谓“金玉其外，败絮其中”[22]。有证据支持柑橘采后贮藏阶段，果皮存在的二次生长驱动营养物质从果肉转运至果皮被消耗，进而诱发枯水[44-45]。目前果皮与果肉枯水关系还有很多疑问，比如很难确定究竟是果皮衰老还是果皮生长在促进果实枯水。

4 柑橘枯水防控技术

4.1 采前因素与柑橘枯水关系

柑橘枯水与采前因素密切相关，包括树龄、结果数量、果实大小和果皮结构。树龄比较大的树，果实发生枯水的风险较高[46]。单树结果少，容易导致单果大，果皮徒长而结构粗糙，容易枯水，因此将每棵树的挂果数量控制在合理范围对于预防柑橘枯水非常重要[47]。对于有种子的柑橘品种，汁胞虽面临种子竞争营养，却更不易枯水，如琯溪蜜柚杂交品种，有籽果实枯水率要远低于无籽果实[48]。砧木对树体抗逆性、营养吸收能力和果实品质有重要影响，也能一定程度影响柑橘枯水。

有效的栽培管理能缓解柑橘枯水。采前过量灌溉会导致柑橘枯水，因此在生产中减少单次灌溉水量和灌溉次数可有效减缓枯水发生[8]。其机理可能是土壤适当干旱有利于促进树体脱落酸合成，进而诱发果实表面蜡质合成，增强果实保水能力[40]。柑橘果实如果挂树时间较长，留树期间果蒂处易枯水，采收期较晚，果实不耐贮藏且易枯水，因此适当早采有利于减缓枯水[8]。

矿质元素处理能缓解枯水发生。在柑橘果树生长季节联合喷施ZnSO4和CuSO4可将枯水发生率由78%降至51%，喷H3BO3也有类似效果[50]。对晚熟柑橘采前合理喷施K、Zn等矿质元素，也能一定程度缓解越冬果实枯水[51]。植物激素作为调控果实成熟与衰老的关键因子，目前在枯水中的确切功能还知之甚少。

4.2 采后控制技术与措施

研究显示目前有一些采后措施，如预贮处理、植物激素浸泡和矿质元素处理，能够缓解柑橘枯水。果实采后预贮处理对果实的贮藏性能和品质提升具有明显作用。对柑橘进行预贮处理后，可显著降低果皮含水量，抑制果皮生理活性，能有效延缓果皮生长，能降低枯水的发生率[8]。赤霉素GA3浸泡处理能够一定程度抑制椪柑、蕉柑、红桔枯水的发生[8]。采用钙离子浸泡可减缓胡柚枯水[44]。总的来说，柑橘产业目前还比较缺乏对于柑橘采后枯水的高效防控措施。

5 总结与展望

5.1 存在问题

柑橘枯水研究存在的第一个主要问题是不同研究结果难以统一。对于生理数据：失重率、相对含水量和果胶含量等，在枯水时可能升高或者变化不显著；呼吸强度和PME活性等，在枯水时可能升高或者降低。对于果皮数据：既有支持营养物质可从果肉转运至果皮的证据，也有不支持的证据；既有支持采后果皮二次生长诱导果肉枯水的证据，也有支持采后果皮衰老诱导果肉枯水的证据。不同实验室结果的相互矛盾使得枯水研究难以深入，这很大程度上源于柑橘枯水的复杂性。从我们的研究来看，枯水是一个复杂现象的统称。从柑橘种类和发生条件来看，不同种类柑橘的枯水表型不同，比如宽皮柑橘和紧皮柑橘的粒化汁胞在质地方面存在明显差异；同一品种柑橘因为不同诱发因素所发生的枯水，表型也不一致，比如低温诱导和采后贮藏诱导的粒化汁胞表型有明显差异；同一品种相同条件下也会有不同枯水类型，如蜜柚采后既有裂瓣型枯水，也有非裂瓣型枯水，这两类粒化汁胞表型有差别。从枯水(粒化)汁胞表型看，枯水汁胞至少包括膨大型和萎缩型等多种。从汁胞生理状态看，从正常状态发展到木质化状态，至少有3个阶段，包括膨大、凝胶化和木质化。

柑橘枯水研究的第二个主要问题是尽管目前发现了很多与枯水发生密切相关的因素，但却难以控制实验条件，证实这些因素对柑橘枯水有诱发作用，这与枯水是采前和采后因素综合决定有关。因此，学术界迄今为止未能建立可稳定诱导柑橘枯水研究的模型，这使得许多枯水研究局限于基于分析正常和枯水汁胞的差异而得出的结果，难以通过实验体系进行快速有效验证，即很多实验结果停留在相关性层次的水平，难以确立其与枯水的因果关系。