香茅精油处理对马铃薯的抑芽作用研究

袁丽雪，赵愉涵，孙斐，韩聪，闫琰，李丹，部建雯，陈庆敏*，傅茂润*

1(齐鲁工业大学(山东省科学院) 食品科学与工程学院，山东 济南，250353)2(山东农业工程学院 食品科学与工程学院，山东 济南，250100)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)是茄科属一年生草本植物，种植周期短，单产收获高，营养物质丰富，干物质含量约为20%，含量最多的是淀粉，除此之外还含有蛋白质、脂肪、粗纤维、矿物质及维生素等[1]。2015年农业部提出马铃薯主粮化战略，将马铃薯列为第四大主粮进行推广，扩大种植面积并提高亩产量[2]。采后的马铃薯块茎会进入休眠状态，此时营养物质消耗极少，当休眠状态被打破时，马铃薯块茎随即发芽[3]。发芽会引起马铃薯营养成分流失、腐烂变绿，并产生龙葵素等有毒物质，从而造成马铃薯商品品质下降，以及巨大的食用安全隐患。因此，有效抑制马铃薯块茎发芽成为亟待解决的问题。

目前抑制马铃薯发芽的方法有低温贮藏、辐射处理、化学抑制剂等。在低温贮藏过程中，淀粉转化分解为还原糖，导致还原糖迅速聚集累积[4]。在油炸加工时，易生成带有苦味的褐色物质，严重影响马铃薯的色泽和品质，并导致丙烯酰胺等致癌物质生成。辐射处理的作用是不可逆的，不适用于种薯，且运输成本大、设备要求高，消费者的安全顾虑多。常见的化学抑制剂有氯苯胺灵、青鲜素、α-萘乙酸甲酯等[5]，抑芽效果好且成本低，在马铃薯贮藏产业广泛应用，但青鲜素和α-萘乙酸甲酯对人体有致癌作用，在食用后存在一定的安全隐患；氯苯胺灵的降解产物如3-氯苯胺和苯胺基衍生物会产生某些致癌物质[6]，引发一系列健康风险和安全问题。随着人们对农药残留和食品安全的重视，氯苯胺灵的可接受度在下降，我国食品安全国家标准规定氯苯胺灵在马铃薯上的最大残留限量为30 mg/kg。因此寻找氯苯胺灵等化学抑芽剂的替代品，开发绿色安全高效的马铃薯新型抑芽剂，是马铃薯贮藏加工业亟待解决的问题。

植物精油主要含有萜类、醇类、醛类、酸类、酚类、芳香族化合物类等[7]，具有抑菌、抗病毒、抗氧化等生理作用[8]，因而被广泛应用于食品、香料、医药、化妆品领域。已有研究表明，薄荷、葛缕子、莳萝、留兰香、茉莉、百里香、肉桂等植物精油[9-12]对马铃薯的发芽具有明显的抑制作用。香茅是一种常见的香料，具有抗菌消炎、驱蚊避虫、和胃通气、提神醒脑等作用[13]，被广泛应用于医药、日化等领域，其安全性得到证实，而香茅精油(citronella essential oil，CEO)对于马铃薯的抑芽作用还未见报道。

本文采用香茅精油处理马铃薯块茎，研究香茅精油对马铃薯贮藏期间的抑芽效果，从呼吸强度、糖代谢、蛋白质变化角度探究抑芽作用机理，以期为开发马铃薯的采后抑芽提供新的选择。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

马铃薯“V7”，2021年4月购自山东省济南市槐荫区山东匡山农产品综合交易市场(已过休眠期)。香茅精油购自重庆芳黛化妆品商行。

碘、葡萄糖、NaOH、3，5-二硝基水杨酸、K2SO4，国药集团化学试剂有限公司；KI、Na2SO3，天津博迪化工股份有限公司；可溶性淀粉、酒石酸钾钠、CuSO4、甲基红、溴甲酚绿、硼酸，天津大茂化学试剂厂；Na2SO4，天津广成化学试剂有限公司；苯酚，西陇科学股份有限公司；牛血清蛋白质，广州浩玛生物科技有限公司；石油醚、乙醇，天津富宇精细化工有限公司；考马斯亮蓝G-250、葡萄糖、果糖、蔗糖，上海源叶生物有限公司；浓硫酸(浓度98%)，烟台远东精细化工有限公司；乙腈，上海星可高纯溶剂有限公司。

1.2 仪器与设备

YGA2100型气体测定仪，北京阳光亿事达科技有限公司；V-1100D 紫外可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；ME104型电子分析天平，上海梅特勒-托利多仪器有限公司；XW-80A旋涡混合器，海门其林贝尔仪器制造有限公司；H1805R台式高速冷冻离心机，长沙湘仪离心机有限公司；RE-52AA旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；LC-20AT HPLC仪器，日本岛津仪器有限公司；K9860全自动凯氏定氮仪、SH220F石墨消解仪，山东海能科学仪器有限公司。

1.3 样品处理方法

在正式实验之前，分别就香茅精油浓度和熏蒸方式进行预实验，选择香茅精油处理剂量0.5、1.0、2.0 mL/kg(以每筐马铃薯的质量计，每筐约1.5 kg)，熏蒸方式选择直接熏蒸、滤纸熏蒸、混土熏蒸。马铃薯购买后运回实验室，对马铃薯块茎进行筛选，除去有机械损伤和病虫害的马铃薯，随后将马铃薯分装到10 L塑料筐中。(1)直接熏蒸法：把香茅精油添加到培养皿中，放置于塑料筐中心密闭熏蒸。(2)滤纸熏蒸法：用移液枪将香茅精油滴加在滤纸上，滤纸粘贴于塑料筐外侧密闭熏蒸。(3)混土熏蒸法：参考氯苯胺灵(马铃薯抑芽剂)的使用方法，以每筐马铃薯具体质量计，选择不同的香茅精油处理剂量(0.5、1.0、2.0 mL/kg)处理马铃薯，将一定量香茅精油与无菌土(300 g，于121 ℃灭菌30 min)混匀，均匀覆盖在马铃薯表面，用聚乙烯保鲜袋封口密闭熏蒸。定期测量芽长，统计发芽率。结果发现，混土熏蒸的抑芽效果最佳。对于香茅精油处理剂量(0.5、1.0、2.0 mL/kg)来说，随处理浓度上升马铃薯的发芽率逐渐下降，因此本试验采用混土熏蒸方式，选定1.0 mL/kg的质量浓度用于正式实验。

将筛选后无机械损伤、无病虫害的马铃薯分装到10 L塑料筐中，每组6筐，每筐马铃薯10个(约1.5 kg)。其中3筐马铃薯用来测定发芽率、发芽指数、呼吸强度，另外3筐取样后立即保存用于测定其他指标。采用混土熏蒸方式，香茅精油处理剂量为1.0 mL/kg(以每筐马铃薯具体质量计)，将一定量香茅精油与无菌土(300 g，于121 ℃灭菌30 min)混匀，均匀覆盖于马铃薯表面，同时设置空白对照。然后将上述各处理组用厚度为0.03 mm的聚乙烯保鲜袋密封，于常温下(25 ℃)贮藏20 d，其中在贮藏24 h时将聚乙烯保鲜袋的4个角分别戳孔，便于马铃薯进行气体交换。

每4 d测定发芽率、发芽指数、呼吸强度。每4 d采用随机取样的方法进行取样，具体取样方法为：用打孔器沿马铃薯块茎顶部至基部方向打孔取样2次，然后垂直于上述方向再取样2次，取样后切成厚度3 mm左右的薄片混匀，液氮冷冻后放入-80 ℃冰箱储存待用。

1.4 指标的测定

1.4.1 发芽率及发芽指数的测定

每个处理随机选取5个马铃薯，记录每个块茎上的芽数并用游标卡尺测量最长芽的长度，均取平均值。发芽指数参照涂勇等[12]的方法，芽长共分8级(表1)，芽长小于2 mm视为未萌动或处于萌动状态，判定为未发芽。

表1 发芽分级标准Table 1 Germination classification standards

发芽率和发芽指数按照公式(1)(2)计算：

(1)

(2)

1.4.2 呼吸强度测定

参考梁芸志等[14]方法，采用气体分析仪测定。随机选择5个马铃薯，放入体积为10 L的塑料筐中密闭1.5 h，记录CO2百分含量。呼吸强度以mg CO2/(kg·h)表示。

1.4.3 淀粉含量测定

参照曹建康等[15]的方法并做修改，采用碘-淀粉比色法。称取2.0 g马铃薯样品置于研钵中，加入30 mL石油醚和乙醇充分研磨、过滤，将滤渣转移至烧杯中，于沸水浴中加热、搅拌，直至淀粉完全糊化为澄清透明溶液。将上述溶液转移至100 mL容量瓶中，定容。淀粉含量按照公式(3)计算：

(3)

式中：m′，标准曲线中的淀粉质量，μg；V，提取液总体积，mL；N，样品稀释倍数；Vs，测定时吸取样品的体积，mL；m，样品质量，g。

1.4.4 还原糖含量测定

参照HU等[16]的方法，采用3，5-二硝基水杨酸法测定。称取1.0 g马铃薯样品，用50 L蒸馏水洗入三角瓶中，混匀后置于50 ℃水浴锅中保温30 min，待匀浆冷却后过滤，滤液转移至100 mL容量瓶并定容。在波长540 nm处测定溶液的吸光度。还原糖含量按照公式(4)计算：

(4)

式中：m′，标准曲线中的葡萄糖质量，μg；V，提取液总体积，mL；N，样品稀释倍数；Vs，测定时吸取样品的体积，mL；m，样品质量，g。

1.4.5 总糖含量测定

称取5.0 g马铃薯样品并加入10 mL 6 mol/L HCl溶液进行研磨，研磨后加入15 mL水置于沸水浴中煮沸30 min，取出冷却后加入1滴酚酞指示剂，以质量浓度100 g/L的NaOH溶液中和使溶液呈微红色，然后转移至100 mL容量瓶并定容。测定步骤及计算方法同1.4.4。

1.4.6 糖组分的测定

葡萄糖、果糖和蔗糖的提取和测定参照TERRY等[17]的方法并修改。称取1.5 g马铃薯样品于研钵中，加入20 mL 80%的乙醇充分研磨，然后转移至烧杯中超声波提取30 min，过滤后，将上清液在旋转蒸发仪中蒸干(温度设定为60 ℃)。残留物用10 mL的V(乙腈)∶V(水)=80∶20溶液溶解，置于4 ℃冰箱保存待用。提取液用0.45 μm滤膜过滤，然后用HPLC测定。其中色谱柱为NH2(5 μm，250 mm×4.6 mm)，柱温30 ℃，进样量20 μL，检测器为RID-10A(温度40 ℃)，流动相为乙腈和水(体积比80∶20)，流速为1.0 mL/min。

1.4.7 总蛋白含量测定

马铃薯样品消解2 h后，采用凯氏定氮法测定[18]，首先对仪器管路进行清洗，然后输入硫酸标准溶液的浓度以及蛋白质换算系数，待空白测试数值稳定后进行样品总蛋白含量测定，并记录全自动凯氏定氮仪的读数，总蛋白含量以%表示。

1.4.8 可溶性蛋白质含量测定

参照曹建康等[15]的方法，采用考马斯亮蓝染色法，测定在595 nm处溶液的吸光度。利用标准曲线计算马铃薯样品中的可溶性蛋白质含量，其中标准曲线为：y=0.002 9x+0.016 4(x表示蛋白质质量，y表示吸光值)，R2=0.998 7。

1.5 数据分析

每种样品设置3个平行，使用Excel 2010软件绘制图表，用SPSS 23.0软件进行差异显著性分析，结果以平均值±标准差表示，采用方差分析进行邓肯氏检验，以P<0.05表示差异显著。

2 结果分析

2.1 香茅精油处理对马铃薯块茎发芽形态的影响

CEO处理对马铃薯贮藏期间块茎发芽形态的影响如图1所示。以第0天未处理的马铃薯块茎为对照，在贮藏20 d时，对照组的马铃薯块茎发芽数较多，主要聚集在顶芽周围呈现簇拥状态，在块茎侧身也有一定的萌芽现象，顶芽表现为紫色或绿色而侧芽为黄色。处理组的马铃薯块茎几乎未发芽，发芽的块茎主要集中在顶芽，芽眼部位呈现黑色。

图1 香茅精油处理对马铃薯块茎萌芽的影响Fig.1 Effect of citronella essential oil treatment on potato tuber sprout

2.2 香茅精油处理对马铃薯发芽率和发芽指数的影响

发芽率和发芽指数与马铃薯的品质息息相关，发芽后马铃薯营养成分流失，外观和食用品质大幅下降。由图2可知，在贮藏第4天时，对照组的发芽率为25.00%，发芽指数为2.86%，此时香茅精油处理组尚未发芽。对照组的发芽率和发芽指数从贮藏第4天开始，呈现迅速上升趋势，处理组的发芽率和发芽指数始终显著低于对照组(P<0.05)。贮藏结束时，处理组的发芽率和发芽指数分别为15.00%和4.29%，而对照分别是100.00%和30.00%。因此，香茅精油处理可以有效延缓马铃薯发芽，将发芽率和发芽指数维持在较低水平。

a-发芽率；b-发芽指数图2 香茅精油处理对马铃薯发芽率、发芽指数的影响Fig.2 Effect of citronella essential oil treatment on potato germination rate and germination index

2.3 香茅精油处理对马铃薯呼吸强度的影响

呼吸强度是反映植物新陈代谢和生命活动强弱的重要指标。马铃薯在感染病害或受伤情况下呼吸强度明显增加[19]，马铃薯从市场购买运回实验室途中受到机械损伤，所以贮藏初期2组马铃薯呼吸强度最高[48.81 mg/(kg·h)](图3)。贮藏第4天和第8天时，处理组的马铃薯呼吸强度均高于对照组，二者差异达到显著水平(P<0.05)。随后2组马铃薯块茎呼吸强度均呈现下降趋势，贮藏16 d至贮藏期结束，香茅精油处理组呼吸强度上升，因为此时是处理组块茎萌芽时期。因此，贮藏初期香茅精油处理会使马铃薯块茎呼吸强度保持较高水平，而伤口愈合后又迅速下降，香茅精油处理在贮藏后期可抑制马铃薯的呼吸强度。

图3 香茅精油处理对马铃薯呼吸强度的影响Fig.3 Effect of citronella essential oil treatment on potato respiratory strength

2.4 香茅精油处理对马铃薯淀粉含量的影响

淀粉是马铃薯块茎的主要营养物质和能量来源[20]，淀粉含量的高低可以反映马铃薯贮藏品质的变化。淀粉与糖的转换在贮藏期间一直存在，始终遵循淀粉和还原糖的可逆动态平衡[21]。如图4所示，对照组和处理组的马铃薯淀粉含量在贮藏期间处于波动状态。从贮藏第12天至贮藏结束，二者的淀粉含量变化趋势相同，且处理组的淀粉含量始终高于对照组，达到显著水平(P<0.05)。贮藏第20天时，对照组和处理组的淀粉含量分别为11.81%、14.65%，分别为初始值的73.9%、91.6%，这表明，香茅精油处理可有效延缓淀粉含量的下降，更有利于保持贮藏过程中马铃薯品质。

图4 香茅精油处理对马铃薯淀粉含量的影响Fig.4 Effect of citronella essential oil treatment on potato starch content

2.5 香茅精油处理对马铃薯总糖和还原糖含量的影响

糖是马铃薯呼吸作用的主要底物，也是重要的能量储存物质，马铃薯采后一切生命活动所需能量都由糖类提供。还原糖含量是衡量马铃薯贮藏品质的重要指标，还原糖包括葡萄糖、果糖、乳糖、麦芽糖等。还原糖会与氨基酸发生美拉德反应，产生棕色带苦味的物质[22]，因此马铃薯中过高的还原糖会影响马铃薯油炸食品的色泽和品质。

整体来看，处理组的马铃薯总糖含量在贮藏期始终高于对照组，且在第4天和第12天达到显著水平(P<0.05)(图5-a)。贮藏20 d时，处理组和对照组的总糖含量分别为403.43、385.52 mg/g，与初始值相比分别下降了7.63%和9.18%。说明香茅精油处理可以减少总糖的消耗，使总糖含量保持在较高水平。如图5-b所示，在贮藏期开始，马铃薯的还原糖含量最高(139.65 mg/g)，随着贮藏时间延长，2组还原糖含量均呈下降趋势，这是因为马铃薯脱离冷库后，由于温度升高，马铃薯呼吸作用加强以及糖逆转化为淀粉，导致累积的还原糖含量逐步下降，这与司怀军等[23]研究结果一致。贮藏结束时，对照组和处理组的还原糖含量分别为53.60、36.09 mg/g，差异达到显著水平(P<0.05)。说明香茅精油处理可以抑制还原糖的产生速率，使马铃薯块茎的还原糖含量保持在较低水平，从而减轻美拉德反应导致的品质和色泽变化。由于马铃薯总糖含量受还原糖含量影响，贮藏期间还原糖含量不断被消耗，导致总糖含量也有一定消耗。

a-总糖；b-还原糖图5 香茅精油处理对马铃薯总糖和还原糖含量的影响Fig.5 Effect of citronella essential oil treatment on potato total sugar and reduced sugar content

2.6 香茅精油处理对马铃薯糖组分的影响

在贮藏期间，对照组和处理组果糖和葡萄糖含量略有下降，而蔗糖含量则明显下降。如图6所示。

a-果糖；b-葡萄糖；c-蔗糖图6 香茅精油处理对马铃薯果糖、葡萄糖、蔗糖含量的影响Fig.6 Effects of citronella essential oil treatment on potato fructose, glucose and sucrose content

在贮藏第8天至第16天，处理组和对照组间马铃薯果糖含量有显著差异(P<0.05)，各组间葡萄糖含量仅在贮藏第8天时达到显著性差异(P<0.05)。贮藏第8天时，处理组的果糖、葡萄糖含量显著高于对照组，而处理组淀粉含量低于对照组，这说明在香茅精油作用下，马铃薯块茎内淀粉转化为蔗糖，进而在液泡转化酶作用下生成大量果糖和葡萄糖，导致果糖、葡萄糖含量高于对照组(图7)。对于蔗糖来说，在贮藏第12天，处理组蔗糖含量显著高于对照组(P<0.05)(图6-c)，而此时处理组葡萄糖、果糖含量低于对照组，可能是蔗糖在液泡转化酶抑制剂作用下，合成果糖和葡萄糖路径受阻，导致蔗糖被积累(图7)。

2.7 香茅精油处理对马铃薯总蛋白和可溶性蛋白含量的影响

蛋白质代谢是马铃薯块茎生命活动的基础，马铃薯萌芽时，贮藏蛋白质在各种酶的作用下降解为小分子氨基酸，为新蛋白质和其他代谢物质合成提供基础[24]。可溶性蛋白质是果蔬细胞中酶体系的重要构成部分，参与多种生理代谢过程，可溶性蛋白质的含量与果蔬细胞的成熟衰老密不可分[25]。

总体来说，处理组以及对照组的总蛋白含量在贮藏期间变化较平稳，呈现缓慢下降趋势(图8-a)。仅在贮藏第8天时，2组间的马铃薯总蛋白含量有显著差异(P<0.05)，贮藏结束时(20 d)，对照组和处理组的总蛋白含量分别为1.81%和1.79%。如图8-b所示，在贮藏期间，对照组以及处理组的可溶性蛋白质的含量均呈现先上升后下降趋势。从贮藏12 d至贮藏结束，2组间可溶性蛋白质含量具有显著差异(P<0.05)。贮藏结束时(20 d)，香茅精油处理组的马铃薯可溶性蛋白质含量比对照组高11.82%。结果表明，在贮藏过程中，2组马铃薯总蛋白含量都保持稳定，香茅精油处理对总蛋白的影响不大，而对马铃薯可溶性蛋白质含量的下降有抑制作用。

SP-淀粉磷酸化酶；AGPase-腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶；SS-淀粉合成酶；UGPase-尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶；SuSy-蔗糖合成酶；VI-液泡转化酶；INH-液泡转化酶抑制剂；PPP-磷酸戊糖途径；EMP-糖酵解图7 碳水化合物代谢路径[26]Fig.7 Carbohydrate metabolic pathways

a-总蛋白质；b-可溶性蛋白质图8 香茅精油处理对马铃薯总蛋白质和可溶性蛋白质含量的影响Fig.8 Effect of citronella essential oil treatment on potato total protein and soluble protein content

3 讨论与结论

采后香茅精油处理能有效抑制马铃薯发芽，贮藏第20天时，马铃薯的发芽率和发芽指数分别为15.00%和4.29%，而对照组为100.00%和30.00%。香茅精油使马铃薯块茎芽眼部分呈现黑色，在萌芽阶段破坏芽组织，延缓发芽时间。品质方面，香茅精油处理延缓了淀粉、可溶性蛋白质含量的下降，贮藏结束时，有效保持了马铃薯块茎的营养成分。香茅精油处理降低了还原糖的产生速率，减少还原糖的积累，使马铃薯在后续加工期间保持良好的色泽和品质。

马铃薯块茎萌芽需要能量，而这些能量大部分是由淀粉降解产生的。在马铃薯贮藏过程中，淀粉与还原糖遵循着可逆动态平衡，淀粉在淀粉磷酸化酶(starch phosphorylase，SP)作用下生成葡萄糖，经一系列反应最终形成蔗糖。蔗糖在蔗糖合成酶(sucrose synthase，SuSy)、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDP glucose pyrophosphorylase，UGPase)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP glucose pyrophosphorylase，AGPase)、淀粉合成酶(starch synthase，SS)作用下重新形成淀粉。除此之外，蔗糖在液泡转化酶作用下重新生成果糖和葡萄糖。香茅精油处理可减少总糖的消耗，使总糖保持较高的水平，贮藏结束时下降了7.63%。香茅精油处理延缓了马铃薯淀粉含量的下降，抑制了还原糖的产生速率，使还原糖含量保持在较低水平。对于糖组分来说，果糖和葡萄糖含量处于动态变化，总体来说呈现缓慢下降趋势，而蔗糖含量的下降趋势较明显，说明香茅精油明显加快了蔗糖的降解速度。

马铃薯块茎的休眠状态被打破后，蛋白质开始分解为氨基酸，以支持芽的发育和生长。LIU等[27]研究发现，差异表达蛋白质随着分生组织的再次生长而发生转移，最终导致马铃薯块茎休眠被打破。对于总蛋白和可溶性蛋白质来说，香茅精油处理可以维持总蛋白含量稳定，减少马铃薯总蛋白消耗；处理组可溶性蛋白质含量在贮藏期结束时仍高于对照组，这表明香茅精油处理可以减缓可溶性蛋白质的消耗，延缓马铃薯衰老进程。本试验发现，香茅精油处理在贮藏前期使马铃薯块茎呼吸强度保持较高水平，伤口愈合后又迅速下降，并在贮藏后期抑制了马铃薯呼吸强度。

综上所述，香茅精油作为一种天然植物成分，除了具有良好的抑芽效果，还可使马铃薯保持良好的商品价值，这为开发新型安全马铃薯抑芽剂提供了新的选择。另外，马铃薯萌芽过程中，香茅精油对糖代谢的影响较大，而对蛋白质代谢的影响较小，但其具体的生理生化及分子机制还需进一步研究。