高压正静电场对柠檬表面蜡质亲水性的影响

孙承龙，薛新玉，路媛媛，宋艳波，刘振宇

（1山西农业大学园艺学院，山西 太谷 030801；2山西农业大学信息科学与工程学院，山西 太谷 030801；3山西农业大学生命科学学院，山西 太谷 030801）

0 引言

柠檬富含大量维生素、矿物质等各种微量元素，具有较好的食用价值和药用价值[1]。国内柠檬在8—12月成熟，市场供大于求，易造成囤积，因此常采用防腐剂保鲜、冷藏保鲜和气调保鲜等方法，减少柠檬腐烂，延长货架期，以缓解销售压力、提高经济效益[2]。但这些贮藏手段存在含有化学防腐剂、成本高和耗能高等缺陷[3-5]。高压静电场（high voltage electrostatic field，HVEF）保鲜技术是一种无污染的物理保鲜技术。高压静电场能电离空气，产生的离子雾具有抑制果蔬代谢、降低呼吸强度、降低酶活等作用，另外产生的臭氧不仅有杀菌作用，还可以与乙烯、乙醇发生反应，间接具有保鲜作用[6-8]。为解决现有贮藏保鲜方式带来的困扰，采用高效、对环境无污染的高压静电场贮藏保鲜具有较高的推广价值。

国内外已开展了利用HVEF技术进行保鲜的相关研究。吴钰[9]研究发现，椪柑经HVEF处理后，果实病原菌基数减少，诱导果实产生抗性延缓衰老，最终通过杀菌和果实生理调节减轻采后损失并维持果实品质。王宗伟等[10]发现，香菇经HVEF处理，呼吸强度明显降低，内源性甲醛含量下降，并且延缓多糖和维生素C的降解，从而导致失重率降低，延缓了香菇的衰老进程。此外，有研究表明，HVEF的作用效果受温度和处理时间等因素的影响[11]。综上所述，高压静电场是用于贮藏保鲜的新方法，目前已在香蕉[12]、冬枣[13]、樱桃番茄[14]等水果上广泛应用。

近些年，果实贮藏保鲜中果皮蜡质化学组成的变化备受关注。植物角质层蜡质是植物表皮细胞外由亲脂性化合物构成的疏水层，是植物最外层的保护屏障[15-16]。已有研究表明，冷藏处理相对于室温贮藏而言，果实果皮表面结构基本完好，蜡质晶体密实，并且能显著抑制果实果皮蜡质质量的降低[17-18]。因此，果实表皮的蜡质对果实的保鲜起到了至关重要的作用。柠檬没有呼吸高峰，但在采摘和储藏过程中容易发生机械损伤，造成表皮蜡质损坏，导致亲水性增强，水分易附着在表面影响果实的贮藏时间和品质。表皮蜡质亲水性直接影响果实的新鲜程度。虽然高压静电场保鲜技术是一种新兴的非热加工技术，但目前高压静电场与果实表皮的蜡质的关系尚不明确。通过对柠檬表皮蜡质角质层的物理结构分析[19]，选取柠檬角质层中成分含量最多的十六烷酸分子为研究对象，首先运用Materials Studio软件对柠檬表面的组分进行分子建模，结构优化，施加电场，扩散模拟仿真试验；随后利用傅立叶红外光谱仪对高压正静电场处理下的十六烷酸进行观察，分析亲水分子的变化情况，找出柠檬保鲜的最佳电场强度；最后采用Photoshop软件对处理后的柠檬果实进行表面润湿性分析，验证上述预测电场参数，旨在探究在静电保鲜过程中不同电场参数对柠檬表皮蜡质亲水性的影响，并找出最佳参数，为今后实际应用过程中选取合适的电场强度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

试验于2019年6—12月在山西农业大学信息科学与工程学院实验室进行。

1.2 试验材料

柠檬（购于山西省晋中市太谷县家家利超市），十六烷酸（C16H32O2，AR分析纯，国药集团化学试剂有限公司），溴化钾（KBr，AR分析纯，国药集团化学试剂有限公司），高压静电场发生电源（DW-P503-4ACD2，东文高压电源天津股份有限公司），傅里叶变换红外光谱仪（Nicolet iS5N）等。

1.3 试验方法

1.3.1 高压正静电场作用下十六烷基分子的分子动力学模拟 将十六烷酸分子与水分子添加到一个模型中，激活构建好的模型，number改为1，力场选择compass，设置温度为347 K，即变压器温度。利用Forcite模块，对构建好的十六烷基分子进行几何优化，得到最优结构的模型。利用DMol3模块对构建好的模型添加180 kV/m电场，得到附加电场模型。最后，对模型施加不同强度高压正静电场，利用Forcite模块进行动力学模拟与分析，得到MSD曲线和偶极矩变化曲线，模拟高压正静电场作用下十六烷基分子的分子动力学。

1.3.2 高压正静电场对十六烷酸分子亲水性的影响 选用20 kV的高压正静电场，通过调整样品台与电场线间距分别获得50、100、150、200 kV/m电场强度。

通过傅里叶变换红外光谱机器对样品进行红外光谱测定分析。称十六烷酸0.1 g，放入培养皿中（d=60 mm），开盖置于不同电场强度（50、100、150、200 kV/m）下，每天固定处理2 h，连续处理2、4、6天，对照组不施加电场。在此期间保持室内环境温度（15±0.5）℃、相对湿度（90±5）%。对上述处理后的十六烷酸样品与溴化钾进行混合研磨，在压片机下进行压片处理，呈透明薄片，放入机器进行衍射分析。以氢氧根的吸收峰为研究对象，测定高压正电场对十六烷酸分子亲水性的影响。

1.3.3 高压正静电场对柠檬表皮湿润性影响 柠檬果实摆放时果顶朝上、保持间距，置于不同高压正静电场环境下（0、50、100、150、200 kV/m），每天固定处理2 h，连续处理2、4、6天。将处理后的柠檬表皮切片，吸取5 μL蒸馏水，滴在标记位置。待水滴静置30 s后利用尼康70D拍下表面液滴在表皮上的扩展区域，利用Photoshop抠出液滴的扩展面积，将扩展面积像素值除以水的像素值，得出其相对扩展比例[20]。

2 结果与分析

2.1 建立模型

使用工具栏中的Add Atoms工具，利用坐标放置16个C原子，添加O原子，修改双键，自动加氢，并利用Display styles，选择ball and stick球棍模型，可得十六烷酸球棍模型。利用clean工具优化结构，优化后的十六烷酸分子球棍模型如图1所示。

图1 Forcite模块优化后的十六烷酸分子

激活构建好的模型，使用DMol3模块在Z轴方向上加了一个大小为180 kV/m的电场，最终得到十六烷基分子模型，如图2所示。

图2 添加电场后的十六烷基分子模型

2.2 高压正静电场对十六烷基分子MSD指数和偶极矩的影响

图3 显示的是十六烷基分子分别在施加不同高压正静电场下的情况下进行分子动力学模拟计算得到的MSD和偶极矩。MSD指数可以体现分子间的扩散程度，MSD值越大亲水性越强。对于十六烷基分子扩散模拟模型而言，随着电场强度的增加，MSD指数先降低后增加，随后降低—升高—降低。当电场强度为180 kV/m时，MSD达到最小值，为0.514670493 Å2，说明十六烷基分子的亲水性最弱。在1080 kV/m的电场强度下，MSD值最大，则十六烷基分子亲水性较强。

图3 不同电场强度对十六烷酸分子模型MSD和偶极矩的影响

偶极矩表示分子极性的强弱和方向分析亲水性。控制一定的时间，添加0～1800 kV/m的电场强度时，末态偶极矩值先降低后增加，随后降低—升高波动出现，负号代表从负电中心指向正电中心。在180 kV/m的电场强度下偶极矩值最小，为-4.439012097 D；在720 kV/m的电场强度下，偶极矩达到最大值。因此，对于十六烷酸分子扩散模拟模型而言，电场强度为180 kV/m时，MSD指数和偶极矩值都达到最小，这表明当电场强度为180 kV/m时，十六烷酸分子亲水性最弱。

2.3 高压正静电场对十六烷酸亲水分子的影响

将未经高压正静电场处理的十六烷酸样品，标记为CK.0，对其进行红外图谱分析（图4）。从红外谱图中可以看出CK.0标品在3500 cm-1以上的波数检索到2个伸缩振动峰，波数分别是3649.56、3819.29 cm-1，说明十六烷酸分子中有-OH的存在。

图4 CK.0标准品的IR谱图

图5 为不同电场强度下（0、50、100、150、200 kV/m）分别处理2、4、6天（每天处理2 h）后的十六烷酸的红外谱图。结果表明，当样本在不同电场强度下处理2天和4天后，红外光谱曲线变化杂乱，曲线变化无规律；随着处理时间的延长，当处理时间达到6天时，红外谱图曲线呈现出规律性变化，在3649.56、3819.29 cm-1附近峰的强度明显减小。

图5 不同高压正静电场强度下处理不同天数的十六烷酸的IR谱图

当样本受正静电场处理6天时，随着电场强度的增加，样品在3000～3500 cm-1的峰位与标品CK.0相同峰位对比最为显著，且吸收峰较尖锐；经过静电场处理后，由于键力常数的减小，吸收移向较低波数（3000 cm-1附近），在3000 cm-1以上的氢氧根峰段峰位值消失，氢氧根与水分子结合能力减弱。

根据上述试验结果分析可见，在静电场200 kV/m处理6天下的十六烷酸的羟基基团抑制效果最好，氢氧根与水分子结合能力得到了有效抑制，降低了亲水分子的活跃程度，即亲水性越低保鲜效果越好。

2.4 电场强度对柠檬表皮湿润性影响

由图6可以看出，随着电场作用时间的增加，水滴在柠檬表皮的扩展面积减小，像素值降低。当柠檬经静电场处理6 h后，不同电场强度与扩展比例存在明显差异。随着电场强度的增加，扩展比例呈现出先增加后降低的趋势，因此当200 kV/m处理6 h时其相对扩展比例最小，此时柠檬表皮亲水性最差。

图6 不同电场强度对柠檬表皮湿润性影响

3 结论与讨论

（1）本研究首先利用MS软件分析十六烷酸分子模拟模型，预测出电场强度为180 kV/m时十六烷酸分子亲水性最弱，该预测结果与高压电场保鲜果蔬时多采用的150 kV/m接近。并且在实际高压静电场试验，通过利用傅里叶红外光谱仪检测和果实表面润湿性分析，最终验证得到最佳电场强度为200 kV/m，与MS预测结果一致。综合以上结果表明，高压正静电场对柠檬表面蜡质的亲水性有明显的抑制作用。在一定范围内，随着电场强度和电场作用时间的延长抑制作用增加，200 kV/m处理6天效果最佳。

（2）本研究仅探讨了单独使用高压正静电场对柠檬表面蜡质亲水性的影响，高压负静电场对柠檬表面蜡质的亲水性的作用尚未可知。今后可建立高压负静电场对柠檬表面蜡质亲水性的影响模型，以更加全面探究高压静电场对柠檬表面蜡质亲水性的影响。

（3）已有研究表明，高压静电场与其他保鲜方法相联合，如低温[21]、气体[22]等，能进一步提高高压静电场保鲜效果。如何将高压静电场与其他保鲜方法联用，值得进一步试验研究。

（4）研究高压静电场对延长果蔬保鲜机理研究，除对表皮蜡质亲水性的研究，大部分的研究内容仍集中在杀菌研究和果实的生理调节过程。因此，进一步研究经高压静电场处理后果蔬的呼吸速率，包括呼吸系统电子传递[23]及细胞膜结构[24]和糖类、激素代谢[25]等具有重要意义。