海藻酸钠/纳米TiO2复合涂膜对采后番木瓜果实软化及细胞壁降解影响

郭欣，邱小明，陈莲

（1.漳州职业技术学院食品工程学院，福建 漳州 363000；2.闽南师范大学生物科学与技术学院，福建 漳州 363000）

番木瓜（Carica papaya L.）是热带特色水果之一，为呼吸跃变型果实，呼吸代谢旺盛[1]。果实采收时色绿且肉质硬，经呼吸跃变后表皮由绿转黄，果肉出现浆状软化（又称溶质化）[2]，虽然在一定程度上使果实口感和风味更佳，但也导致了果实耐贮性变差，从而降低了果实营养价值和商业价值，严重制约了番木瓜的贮藏与运输。如何有效延缓番木瓜果实贮藏期间快速软化，推迟果实成熟进程，从而延长其采后货架期已成为采后番木瓜果实保鲜研究中亟待解决的问题。研究表明，细胞壁多糖代谢引起的果胶、纤维素和半纤维素等细胞壁组分的减少是水果软化的主要原因，与其细胞壁水解酶如多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG）、果胶甲酯酶（pectin methylesterase，PME）、纤维素酶（cellulase，Cx）和 β-半乳糖苷酶（β-D-galaetosidase，β-Gal）的活性密切相关[3]。FANG 等研究表明，酵母甘露聚糖涂膜可通过抑制贮藏期间番茄PME、PG和β-Gal活性延迟番茄果实软化进程[4]。邵远志等研究表明1-甲基环丙烯单独处理和1-甲基环丙烯结合乙烯处理可明显抑制番木瓜PG、Cx以及PME活性，抑制原果胶降解以及番木瓜果实的软化进程[5]。

海藻酸钠（sodium alginate，SA）是一种从海藻或细菌中提取得到的天然多糖，具有良好的水溶性、成膜性、黏性和安全性[6]，可有效延长油桃[7]、大枣[8]、砂糖橘[9]及甜樱桃[10]等多种水果的贮藏时间。但也有研究发现，单一海藻酸钠膜存在抗菌性能差、保鲜效果不显著等缺点[11]。纳米二氧化钛是一种新型无机纳米材料，具有广谱抗菌和防腐性，且安全无毒[12]。在海藻酸钠膜中加入纳米TiO2制得的海藻酸钠/纳米TiO2（sodium alginate/nano-TiO2，SA/TiO2）复合涂膜除了具有更强的机械、调气及保湿性能之外，还具有抗菌防霉、抗紫外线等功能[13]。研究表明，SA/TiO2复合涂膜可显著抑制香菇贮藏时的呼吸强度，减缓其水分散失，维持较好的感官品质和营养价值[14]；还可有效降低水蜜桃常温贮藏期间多酚氧化酶活性，抑制丙二醛含量增加，延缓水蜜桃果实组织衰老[15]。目前关于SA/TiO2复合涂膜在水果保鲜的应用研究主要集中在果实贮藏品质方面，但对于该复合涂膜调控果实采后软化的机理机制研究较少。

因此，本试验以番木瓜果实为材料，研究SA/TiO2复合涂膜处理对番木瓜果实后熟软化过程中果实硬度、细胞壁物质含量及细胞壁水解酶活性变化的影响，探讨SA/TiO2复合涂膜处理延缓番木瓜果实软化的作用机理，为采后番木瓜的贮藏保鲜提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

番木瓜：“日升10号”品种，采自漳州市农科所品种园，挑选果皮转黄率30%、大小均一、色泽相近、无病虫害及机械损伤的健康果实。

海藻酸钠：青岛博智汇力生物科技有限公司；纳米TiO2：上海江沪钛白化工制品有限公司；乙醇、丙酮、乙醚：国药集团化学试剂有限公司；多聚半乳糖醛酸、果胶、P-硝基苯-β-D-吡喃半乳糖苷：南京三舒生物科技有限公司。所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

GY-4数显果实硬度计：浙江托普仪器有限公司；TG20.5高速离心机：上海卢湘仪离心机仪器有限公司；JA2782N电子天平：上海精密仪器仪表有限公司；SAF-680T酶标仪：上海巴玖实业有限公司；DV 1000真空干燥器：杭州凯弗克斯实验室设备有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 番木瓜涂膜处理

新鲜番木瓜清洗表面后分成3组，分别浸泡于去离子水（CK）、1%海藻酸钠保鲜液（SA）、1.0%海藻酸钠+0.1%纳米TiO2复合保鲜液（SA/TiO2）中5 min。捞出沥干，待果实表面形成一层透明薄膜后装入聚乙烯保鲜袋中，每袋3个果实，置于（28±1）℃、相对湿度80%下贮藏。每2 d取样一次，测定相关指标，重复3次。

1.3.2 测定指标及方法

果实硬度参照张志良等[16]的方法，测定果实赤道面3个点的硬度，取平均值；纤维素含量参照王学奎[17]的方法测定；原果胶和可溶性果胶含量采用咔唑比色法测定[18]；PG和PME活性参照魏建梅等[19]的方法测定；Cx和β-Gal活性参照王学奎[17]的方法测定。

2 结果与分析

2.1 SA/TiO2复合涂膜处理对采后番木瓜果实硬度的影响

果实硬度直接反映了果实的软化程度[20]。SA/TiO2复合涂膜处理对采后番木瓜果实硬度影响见图1。

从图1可知，采后番木瓜果实硬度随贮藏时间的延长呈下降趋势。对照组果实硬度从贮藏第2天起即快速下降，尤其是在贮藏8 d～10 d期间降幅最大。SA/TiO2复合涂膜处理组果实硬度下降速率最缓慢，整个贮藏期间硬度整体高于对照组果实，并在贮藏4 d～12 d期间与对照差异显著（P<0.05）。由此可见，SA/TiO2复合涂膜处理明显延缓了番木瓜果实的软化，较好地保持了果实硬度。

图1 SA/TiO2复合涂膜处理对采后番木瓜果实硬度影响Fig.1 Effects of SA/TiO2treatment on hardness of harvested papaya fruit

2.2 SA/TiO2复合涂膜处理对采后番木瓜果实细胞壁组分含量的影响

纤维素是果实细胞壁的主要成分之一，与果胶和半纤维素共同构成细胞壁的“果胶-纤维素-半纤维素”网络结构[21]。SA/TiO2复合涂膜处理对采后番木瓜果实细胞壁组分含量的影响见图2。

如图2 A所示，番木瓜果实贮藏过程中，不同处理组果实纤维素含量均出现不同程度的下降。整个贮藏期间，对照组降幅明显高于涂膜处理组，贮藏第12天时果实纤维素含量比开始下降了31.9%，而同时期SA/TiO2复合涂膜处理组和单一SA涂膜处理组果实纤维素含量约为对照组的1.9倍和1.74倍，与对照组之间差异极显著（P<0.01）。这说明SA/TiO2复合涂膜处理可明显抑制番木瓜果实衰老过程中细胞壁纤维素降解。

果胶物质是果实细胞壁的基质多糖，包括原果胶和可溶性果胶，二者的形态变化直接影响果实质地变化[22]。如图2 B所示，不同处理组果实原果胶含量呈下降趋势，并且均在贮藏6 d～10 d下降最快。整个贮藏期间，SA/TiO2复合涂膜处理果实原果胶含量水平始终保持最高，至贮藏结束时仍有0.63%，为同时期对照组的2.42倍。统计分析表明，SA/TiO2复合涂膜处理果实原果胶含量在贮藏4 d～12 d期间极显著高于对照组（P<0.01）。

由图2 C可知，不同处理组果实可溶性果胶含量不断上升，其中SA/TiO2复合涂膜处理组上升最缓慢。整个贮藏期间，SA/TiO2复合涂膜处理果实可溶性果胶含量始终保持最低水平，至贮藏结束时约为0.43%，仅为同时期对照组的53.8%。显著性分析表明，整个贮藏期间，SA/TiO2复合涂膜处理果实可溶性果胶含量极显著低于对照组（P<0.01）。以上分析表明，相比单一SA涂膜处理，SA/TiO2复合涂膜处理可更有效地抑制采后番木瓜果实细胞壁中原果胶的降解，延缓可溶性果胶的生成，从而维持果实完整的细胞壁结构，延缓果实软化进程，这与番木瓜果实硬度变化（图1）相吻合。

图2 SA/TiO2复合涂膜处理对采后番木瓜果实纤维素、原果胶和可溶性果胶含量的影响Fig.2 Effects of SA/TiO2treatment on content of cellulose，protopectin and soluble pectin of harvested papaya fruit

2.3 SA/TiO2复合涂膜处理对采后番木瓜果实细胞壁降解酶活性的影响

PG可沿多聚半乳糖醛酸主链水解果胶酸，从而促使果胶降解[5]。PME对果胶具有去甲酯化作用，生成适合于PG作用的底物[23]。SA/TiO2复合涂膜处理对采后番木瓜果实细胞壁降解酶活性的影响见图3。

从图3 A可知，整个贮藏期间不同处理组果实PG活性均呈整体上先上升后下降趋势。对照组果实PG活性在贮藏0～2 d期间有一个急剧上升的阶段，并在第8天达到最大值，随后缓慢下降。而涂膜处理组果实PG活性在贮藏前8 d则是逐渐升高，随后逐渐下降。至贮藏第12天，PG活性顺序为对照>单一SA涂膜处理>SA/TiO2复合涂膜处理。显著性分析表明，整个贮藏期间SA/TiO2复合涂膜处理组果实PG活性极显著（P<0.01）低于对照组。

图3 SA/TiO2复合涂膜处理对采后番木瓜果实PG、PME、Cx和β-Gal活性的影响Fig.3 Effects of SA/TiO2treatment on PG,PME,Cx和β-Gal activity of harvested papaya fruit

从图3 B可知，对照组及涂膜处理组果实PME活性变化趋势一致，均呈现整体上先上升后下降趋势，其中SA/TiO2复合涂膜处理组PME活性始终处于最低水平。不同处理组均在贮藏第6天出现峰值，此时SA/TiO2复合涂膜处理组果实PME活性仅为对照组的83.9%。随后，SA/TiO2复合涂膜处理组果实PME活性极显著（P<0.01）低于对照组。

果实成熟过程中，Cx通过促进纤维素和半纤维素的水解，破坏果实细胞壁网络结构[24]，同时果胶侧链中性糖在β-Gal作用下被水解[25]，导致水果软化。从图3 C可知，番木瓜果实Cx活性随贮藏时间的延长先上升后下降。对照组果实Cx在贮藏第6天即出现活性高峰，分别为同时期单一SA涂膜处理组的1.17倍和SA/TiO2复合涂膜处理组的1.47倍。整个贮藏期间，涂膜处理组果实Cx活性均低于对照，并比对照推迟4 d即在贮藏第10天才达到最高值。说明涂膜处理可有效抑制番木瓜果实Cx活性增加，推迟活性高峰的出现。进一步比较发现，SA/TiO2复合涂膜处理组果实Cx活性在贮藏期间始终保持最低水平。

从图3 D可知，对照组果实β-Gal活性在贮藏0～6 d迅速增加，在贮藏第6天达到最大值后逐渐降低。不同涂膜处理组果实β-Gal活性呈现出与对照类似的峰型变化规律，同样在第6天出现活性峰值，但整体水平均低于对照组。进一步比较发现，整个贮藏期间，SA/TiO2复合涂膜处理组果实β-Gal活性水平最低，与对照差异达极显著（P<0.01）水平。

3 讨论与结论

果实软化是一个复杂而有序的过程，最明显的表现就是果实硬度显著降低，质地变软，最终腐烂变质[26]。大量研究表明，果实软化的主要原因是细胞壁相关降解酶催化果胶和纤维素等细胞壁组分降解，细胞中胶层逐渐溶解甚至液化，细胞间产生空隙，最终导致果肉组织全部瓦解浆化[3]。本研究结果显示，番木瓜果实刚采收时，细胞中果胶物质以不溶性的原果胶形态为主，此时果实硬度较高，便于贮运。随着贮藏时间的延长，果实原果胶和纤维素含量不断下降，可溶性果胶含量却逐渐升高，果实硬度逐渐降低。相关性分析结果表明，番木瓜采后贮藏过程中原果胶和纤维素含量均与果实硬度呈显著性正相关（r＞0.857，P<0.05）。由此可见，番木瓜果实的软化与原果胶、纤维素等细胞壁组分的降解密切相关。研究还显示，与对照相比，涂膜处理有效抑制了番木瓜果实常温贮藏过程中原果胶、纤维素的降解和可溶性果胶的生成，特别是添加了纳米TiO2的SA/TiO2复合涂膜处理效果更显著，这可能是因为纳米TiO2和SA之间有强烈的物理交联作用，使其成膜均匀且韧性增强，因此能更有效抑制番木瓜果实细胞内果胶和纤维素等物质形态的转化，从而维持果实硬度。

果实细胞壁组分的降解与PG、PME、Cx和β-Gal等细胞壁水解酶活性密切相关[27]。这些水解酶在果实软化的不同阶段促进细胞壁组分的降解，引起果实软化。本研究中，贮藏期间采后番木瓜果实PG、PME、Cx和β-Gal活性峰值出现时间与原果胶、纤维素含量和果实硬度快速下降时间一致，说明这些水解酶活性的跃变促进了采后番木瓜果实原果胶、纤维素物质的降解，对果实硬度下降起到至关重要的作用。而PME活性高峰早于PG出现，这可能是因为PME对于番木瓜果实软化具有先导作用，首先启动果胶降解，为PG进一步水解果胶提供底物。研究结果表明，与对照组和单一SA涂膜处理组相比，SA/TiO2复合涂膜处理组果实PG、PME、Cx和β-Gal活性在整个贮藏期间始终保持最低水平，这可能是因为SA/TiO2复合涂膜处理能使膜与果实表皮中间形成一个高CO2低O2的气体环境，有效抑制采后番木瓜果实各种细胞壁水解酶活性，减缓细胞壁组分水解过程，保持果实细胞壁的完整性，从而延缓果实软化。

本研究表明，与对照和单一SA涂膜处理组果实相比，SA/TiO2复合涂膜处理能有效抑制采后番木瓜果实PG、PME、Cx和β-Gal活性等细胞壁降解酶的活性，减缓果实贮藏过程中果胶和纤维素等细胞壁组分的降解，维持果实硬度，从而延缓果实软化、延长采后番木瓜货架期。