微环境气调对冰温贮藏蓝莓货架期果实软化的影响

2022-07-02朱文月薛友林李春媛贾晓昱李江阔

食品科学技术学报 2022年3期

张鹏朱文月薛友林李春媛贾晓昱李江阔

(1.天津市农业科学院农产品保鲜与加工技术研究所, 天津 300384；2.国家农产品保鲜工程技术研究中心(天津)/农业农村部农产品贮藏保鲜重点实验室/天津市农产品采后生理与贮藏保鲜重点实验室, 天津 300384；3.辽宁大学轻型产业学院, 辽宁沈阳 110036)

蓝莓属于杜鹃花科(Ericaceae)越橘属(Vacciniumspp.),富含花青素、酚酸类化合物等功能成分,可以预防肥胖、糖尿病、心血管疾病等[1]。蓝莓的采摘期多集中在高温多雨的夏季,采后果实因呼吸代谢旺盛、生理代谢加快而耐贮性差[2],在常温下贮藏期不足7 d[3]。蓝莓在冷藏环境下可以有效延缓果实的软化,但将冷藏后的蓝莓从冷库取出,进入货架阶段,其软化现象加剧。因此,采用绿色安全的保鲜技术减缓冷藏后货架期间果实的软化对蓝莓品质提升具有重要意义。

微环境气调是指在小环境内通过气体的作用达到保鲜效果,其中气体包括常规自发气调产生的CO2、O2和新型气体1-甲基环丙烯(1-methylcyclopropylene,1-MCP)等,通过微环境气调可以实现小环境内自发气调(micro-environment modified atmosphere,mMAP)和1-MCP 双控调节[4-6]。蓝莓冷藏期保鲜效果表明[7],气调箱中加入1-MCP 能够延缓果实果肉平均硬度和营养成分的降低；薛友林等[8]研究表明,mMAP 延缓了冷藏后货架期间果实硬度和花色苷的下降。目前,微环境气调对蓝莓细胞壁代谢调控作用的研究鲜见报道。细胞壁主要由纤维素、半纤维素、果胶构成,引起果实软化主要与细胞壁组分和相关降解酶密切相关[9]。王秀[10]研究发现,纤维素、半纤维素、共价结合果胶会随着贮藏期间的延长而不断减少,水溶性果胶逐渐增加；Deng 等[11]分析冷库中蓝莓的生理变化表明,冷库贮藏抑制相关降解酶活性,延缓果胶和半纤维素的降解,这为基于细胞壁代谢研究果实软化的调控作用奠定了基础。

本研究从蓝莓果实细胞壁的代谢角度出发,研究微环境气调对果实硬度、细胞壁多糖和相关降解酶的影响,分析硬度与细胞壁组分、相关降解酶活性的关系,以期为微环境气调延缓蓝莓软化提供一定的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

莱克西蓝莓,2019年6月采自浙江宁波森田蓝莓农庄。 1-MCP 保鲜包,国家农产品保鲜工程技术研究中心(天津)；浓硫酸、乙醇、丙酮、果胶、3,5-二硝基水杨酸、羧甲基纤维素、半乳糖醛酸标准品、葡萄糖标准品,天津市江天化工有限公司；植物纤维素检测试剂盒、植物半纤维素检测试剂盒、植物原果胶检测试剂盒、可溶性果胶检测试剂盒、植物α-L-阿拉伯呋喃糖酶(α-L-arabinofuranosidase,α-Af)酶检测试剂盒、植物果胶甲酯酶(pectin methylesterases,PME)酶检测试剂盒、植物β-半乳糖苷酶(β-galactosidas,β-Gal)酶检测试剂盒,上海邦奕生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

冰温库,国家农产品保鲜工程技术研究中心(天津)；气调箱(配气调元件)(长0.28 m × 宽0.22 m×高0.12 m),宁波国嘉农产品保鲜包装技术有限公司；TA. XT. Plus 型物性仪,英国Stable Micro Systems 公司；ML503 型千分之一电子天平,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；3-30K 型冷冻离心机,德国Sigma 公司；Synergy H1 型多功能微孔板检测仪,美国Biotek Instrument 公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品处理

将无机械损伤、果霜饱满的蓝莓装入小篮内,每篮1.2 kg,每个气调箱放2 个小篮,在采收2 h 内放入冷库预冷,并进行如下处理:1)mMAP 组:扣盖并粘贴气调元件；2)1-MCP 组:先粘贴气调元件,然后加入1 袋1-MCP 保鲜包(体积比约为1.0 μL/L)后迅速将盖子扣上,处理24 h 后,打开封闭气调元件；3)mMAP +1-MCP 组:先粘贴气调元件,然后加入1袋1-MCP 保鲜包(体积比约为1.0 μL/L)后迅速将盖子扣上；4)CK 组:不粘贴气调元件。各处理在产地完成后,冷链物流车4 d 内运至天津的实验室,放入冰温库( -0.5 ℃±0.3 ℃)中充分预冷后贮藏。冷藏30 d 后,将各处理组蓝莓放在常温下3 h,然后将气调箱盖子打开,挑选没有霉变、质地较好的蓝莓装入塑料盒后置于冰箱(7 ℃±1 ℃)冷藏,在货架0、3、6、9、12 d 时取样,进行相关指标的测定。

1.3.2 硬度的测定

选择大小一致的蓝莓采用物性仪测定硬度。果蒂朝上放置在测定台上,探头为P/75,测定程序参照薛璐等[12]的方法。

1.3.3 细胞壁多糖含量测定

纤维素和半纤维素的提取及测定采用酶联免疫吸附剂法测定,原果胶和可溶性果胶含量测定采用分光光度法测定,均根据试剂盒说明书进行操作。

1.3.4 相关降解酶酶活测定

纤维素酶(cellulase,Cx)酶活采用3,5-二硝基水杨酸法测定[13],根据葡萄糖标准曲线计算生成葡萄糖的含量,酶活以1 g 果肉1 h 转换葡萄糖的质量表示,μg/(g·h)-1；多聚半乳糖醛酸酶(polygalacturoneses,PG) 酶活采用3,5-二硝基水杨酸法测定[14],根据半乳糖醛酸标准曲线计算生成半乳糖醛酸含量,酶活以37 ℃时1 g 果肉1 h 催化生成半乳糖醛酸的质量表示,mg/(g·h)-1；PME、α-Af、β-Gal酶活均采用试剂盒进行测定,酶活单位为U·g-1。实验均重复测定3 次,取平均值。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 软件进行数据处理；采用SPSS 23.0 软件邓肯氏新复极差法进行数据显著性分析；并采用SIMCA 14.1 进行正交偏最小二乘-判别分析(orthogonal partial least squares-discrimination analysis,OPLS-DA)。

2 结果与分析

2.1 微环境气调对蓝莓冰温贮藏后货架期果实硬度的影响

微环境气调对冰温贮藏30 d 后货架期间蓝莓硬度的影响见图1。由图1 可知,各处理组蓝莓硬度随着货架时间的延长整体呈现下降的趋势,在货架前期(0 ～3 d),各处理组差异并不显著(P＞0.05)；而在货架6 d 时,mMAP 组和mMAP+1-MCP组蓝莓硬度分别为8.27 N 和8.29 N,显著高于其他处理组(P＜0.05)；在货架中后期(9 ～12 d),mMAP+1-MCP 处理组蓝莓硬度分别为8.04 N 和8.01 N,显著高于同期其他处理组(P＜0.05),而其他处理组间硬度差异不显著(P＞0.05)。结果表明,mMAP+1-MCP 处理在货架中后期能够有效延缓蓝莓果实的软化。

图1 不同处理对冰温贮藏30 d 蓝莓货架期硬度的影响Fig.1 Effects of different treatments on firmness of blueberry during shelf life after controlled freezing-point storage of 30 d

2.2 微环境气调对蓝莓冰温贮藏后货架期果实细胞壁多糖的影响

微环境气调对冰温贮藏30 d 后货架期间蓝莓细胞壁多糖的影响见图2。由图2(a)可得,CK 组蓝莓果实的纤维素质量比随着货架时间的延长呈现缓慢上升后迅速下降并小幅度变化的趋势,而其他3 个处理组呈现先下降后上升再下降的趋势。 CK组在货架0 d 时果实纤维素质量比显著低于其他处理组(P＜0.05),货架3 d 后果实纤维素质量比迅速下降,货架6 ～12 d 时同样显著低于其他处理组(P＜0.05),表明气调处理能够减少纤维素质量比的下降。货架6 d 时,CK、mMAP、1-MCP、mMAP+1-MCP 组纤维素质量比分别为1.54、2.47、1.87、3.38 mg/g,组间差异显著(P＜0.05),表明货架6 d 是纤维素产生变化的时间节点；在货架6 ～12 d 时各处理组呈现一定规律性,各组纤维素质量比由大到小依次为mMAP +1-MCP、mMAP、1-MCP、CK,货架12 d 时,mMAP+1-MCP 处理组果实纤维素质量比是CK 组的1.46 倍。

由图2(b)可知,各组蓝莓果实半纤维素质量比变化也呈现出整体下降的趋势,CK 组在货架3 d 时果实半纤维素质量比迅速下降,之后保持平稳状态,在货架9 d 后又再次快速下降,而其他3 个处理组在货架前6 d 变化并不明显,其中mMAP、mMAP +1-MCP 处理组果实半纤维素质量比相对较高,在货架9 d 时,mMAP 组的半纤维素质量比下降速率加快,而mMAP+1-MCP 组的半纤维素质量比显著高于其他处理组(P＜0.05),货架12 d 时,CK、mMAP、1-MCP、mMAP + 1-MCP 组纤维素质量比分别为0.45、0.48、0.43、0.57 mg/g,mMAP+1-MCP 处理组果实半纤维素质量比是CK 组的1.27 倍,表明在货架后期mMAP+1-MCP 处理后果实细胞壁的半纤维素可维持在较高水平。

由图2(c)可知,各处理组蓝莓果实原果胶质量摩尔浓度随货架时间的延长基本呈降低趋势。在货架3 d 时,mMAP+1-MCP 处理组果实原果胶质量摩尔浓度为68.77 μmol/g,显著高于其他处理组(P＜0.05)；在货架中后期(6 ～12 d),各处理组果实原果胶质量摩尔浓度呈现出不同程度的降低,但mMAP+1-MCP 处理组始终高于其他处理组,货架12 d 时,CK、mMAP、1-MCP、mMAP +1-MCP 组果实原果胶质量摩尔浓度分别为42.58、44.11、38.34、46.59 μmol/g,可见,mMAP +1-MCP 处理可有效抑制果实原果胶下降。

由图2(d)可知,货架3 d 时4 个处理组的可溶性果胶质量摩尔浓度上升,CK 组在货架3 ～9 d 时保持较高的可溶性果胶质量摩尔浓度,货架12 d 上升到峰值,1-MCP 组可溶性果胶质量摩尔浓度则在货架6 d 时下降后逐渐上升,mMAPz 组和mMAP +1-MCP 组在货架9 d 时明显下降后逐渐上升。在货架后期(9 ～12 d),mMAP +1-MCP 组和mMAP 组的可溶性果胶质量摩尔浓度始终显著(P＜0.05)低于CK 组和1-MCP 组,且mMAP +1-MCP 处理组蓝莓可溶性果胶质量摩尔浓度最低。

图2 不同处理对冰温贮藏30 d 蓝莓货架期细胞壁多糖的影响Fig.2 Effects of different treatments on cell wall polysaccharide of blueberry during shelf life after controlled freezing-point storage of 30 d

2.3 微环境气调对蓝莓冰温贮藏后货架期果实细胞壁降解酶的影响

微环境气调对冰温贮藏30 d 后货架期间蓝莓细胞壁降解酶的影响见图3。由图3(a)可知,CK 组蓝莓Cx 活性在货架期呈快速上升又下降的趋势,而其他处理组Cx 活性则变化相对较为平缓；货架9 d 时,CK、mMAP、1-MCP、mMAP+1-MCP 组果实Cx 活性分别为40.99、34.04、35.86、34.42 μg/(g·h)-1,其中mMAP 组和mMAP +1-MCP 组果实Cx 活性相对较低,货架12 d 时mMAP 组果实的Cx 活性提高至35.69 μg/(g·h)-1,而mMAP+1-MCP 组果实Cx 活性为33.81 μg/(g·h)-1,仍然保持在较低水平。mMAP、1-MCP 和mMAP +1-MCP 处理对蓝莓货架期Cx 的抑制作用主要体现在货架中后期(6 ～12 d),这与1-MCP 结合自发气调对李果实Cx 活性影响[15]相似,表明mMAP+1-MCP 可使蓝莓贮后货架后期Cx 活性保持在较低水平。

由图3(b)可知,货架0 ～3 d 时mMAP+1-MCP组蓝莓果实PME 活性保持在平稳状态,货架6 d 时小幅下降,之后逐渐上升；CK 组和1-MCP 组蓝莓PME 活性在货架3 d 时迅速升高,货架6 d 时不同程度下降后再迅速升高,与1-MCP 组不同的是,货架9 d 后CK 组蓝莓PME 活性继续大幅度上升,而1-MCP 组上升较为平缓；mMAP 组蓝莓PME 活性在货架3 d 时升高后逐渐下降,货架9 d 时降到最低值,之后快速上升。货架9 ～12 d 时,mMAP 组和mMAP+1-MCP 组PME 活性显著(P＜0.05)低于其他处理组。 mMAP 和mMAP+1-MCP 处理均可延缓蓝莓PME 活性上升幅度并降低其峰值,二者结合效果更佳。

由图3(c)可知,随着货架时间的延长,不同处理组蓝莓果实α-Af 活性在货架0 ～9 d 呈不断上升趋势,这与苹果[16]和砂梨[17]中伴随着果实的软化α-Af 活性呈现上升趋势相同,且各处理组均在货架9 d 达到酶活峰值,CK、mMAP、1-MCP、mMAP+1-MCP处理组的α-Af 活性分别为14.58、15.19、14.98、14.23 U/g,之后酶活开始逐渐降低。货架12 d 时,mMAP+1-MCP 处理组蓝莓α-Af 活性保持在相对较低的水平。可见,mMAP +1-MCP 处理可以降低蓝莓α-Af 活性的峰值,使其在货架后期保持较低水平。

由图3(d)可知,CK、mMAP、1-MCP 处理组果实β-Gal 活性整体上均呈先升后降的趋势,而mMAP+1-MCP 组呈现先下降后上升的趋势。在货架6 d时,CK、mMAP 处理组果实β-Gal 活性达到峰值,分别为20.79、19.92 U/g,两者差异不显著(P＞0.05)。在货架9 d 时,1-MCP 处理组果实β-Gal 活性达到峰值(19.92 U/g),而在货架12 d 时,mMAP+1-MCP 处理组果实β-Gal 活性达到峰值(20.88 U/g),表明1-MCP 和mMAP +1-MCP 处理均能够延迟β-Gal 活性峰值的出现时间。在货架3 ～9 d,mMAP+1-MCP 处理的β-Gal 活性保持在较低的水平,有效抑制了β-Gal 活性的升高。

图3 不同处理对冰温贮藏30 d 蓝莓货架期细胞壁降解酶的影响Fig.3 Effects of different treatments on cell wall degrading enzyme of blueberry during shelf life after controlled freezing-point storage of 30 d

由图3(e)可知,货架0 ～3 d 时,mMAP+1-MCP处理组果实PG 活性处于平稳状态,而其他处理组呈现不同程度的上升趋势,其中CK 组和1-MCP 组上升速率更快；货架3 ～6 d 时,各处理组果实PG 活性相对稳定,且mMAP 组和mMAP +1-MCP 处理组可显著降低PG 活性；CK 组PG 活性在货架6 ～9 d呈上升趋势,之后维持在39.55 mg/(g·h)-1左右；mMAP 组和1-MCP 处理组PG 活性则在货架9 d 后开始上升,在货架结束时,3 个处理组较CK 组均维持了更低的PG 活性,且mMAP 和mMAP +1-MCP处理作用更有效,mMAP 和mMAP +1-MCP 处理延缓PG 活性的升高,可能与调控PG 的基因受到了抑制,进而改善细胞壁中胶层的完整性,提高了抗逆性有关[18]。

2.4 蓝莓硬度与细胞壁多糖含量及降解酶活性的聚类分析

不同处理组蓝莓硬度、细胞壁多糖和细胞壁降解酶间的聚类分析见图4。由图4 可知,不同处理组的蓝莓硬度、细胞壁多糖及细胞壁降解酶聚为两大类(即Ⅰ簇和Ⅱ簇),说明不同处理对蓝莓硬度、细胞壁多糖及细胞壁降解酶变化的影响不同。 Ⅰ簇包括硬度和细胞壁多糖(纤维素、半纤维素、原果胶),Ⅱ簇包括细胞壁多糖(可溶性果胶)及细胞壁降解酶(PG、PME、β-Gal、Cx 和α-Af)；Ⅱ簇又分为Ⅱ1 簇(PG、可溶性果胶、PME)和Ⅱ2 簇(β-Gal、Cx、α-Af)。 Ⅰ簇对应的硬度和细胞壁多糖(纤维素、半纤维素、原果胶)含量随着货架期的延长而减少,Ⅱ簇对应的可溶性果胶含量及细胞壁降解酶(PG、PME、β-Gal、Cx 和α-Af)活性随着货架期的延长而增加,即Ⅰ簇和Ⅱ簇随着货架期的延长呈负相关。不同处理组被分为A 组和B 组,A 组包括CK-6 d、CK-9 d、1-MCP -9 d、CK-12 d、1-MCP -12 d、mMAP-12 d 和mMAP + 1-MCP -12 d,B 组包括CK-0 d、1-MCP - 0 d、 mMAP - 0 d、 mMAP +1-MCP-0 d、CK-3 d、1-MCP -3 d、mMAP -3 d、mMAP + 1-MCP -3 d、1-MCP -6 d、mMAP -6 d、mMAP+1-MCP-6 d、mMAP-9 d、mMAP +1-MCP-9 d。对于Ⅰ簇,A 组处理对应的硬度和细胞壁多糖(纤维素、半纤维素、原果胶)含量低于B 组处理；对于Ⅱ簇,A 组处理对应的可溶性果胶含量及细胞壁降解酶(PG、PME、β-Gal、Cx、α-Af)活性高于B组处理,这与图1 ～图3 显示的各指标的变化趋势一致。

图4 不同处理组蓝莓货架期间硬度、细胞壁多糖和细胞壁降解酶的聚类分析Fig.4 Clustering analysis of firmness, cell wall polysaccharide and cell wall degradation enzyme during shelf life of blueberry under different treatments

2.5 蓝莓硬度与细胞壁多糖含量及降解酶活性的相关性分析

蓝莓硬度与细胞壁多糖和降解酶相关性分析见表1。由表1 可知,货架期间蓝莓硬度与纤维素、半纤维素、原果胶相关系数为0.580、0.663、0.645,呈极显著正相关,与Cx、α-Af 和PG 相关系数为-0.708、 - 0.846、 - 0.628,呈极显著负相关,与PME( -0.484)呈显著负相关,与可溶性果胶和β-Gal 相关性不高。这与张群等[19]发现葡萄中硬度与PG、PME 和Cx 活性呈现极显著正相关,与β-Gal 活性无显著相关性的研究结果相似,显然蓝莓硬度与Cx、α-Af、PG 和PME 有着密切的关系。

表1 蓝莓硬度与细胞壁多糖、细胞壁降解酶的相关性Tab.1 Correlation among firmness, cell wall polysaccharide and cell wall degradation enzyme of blueberry

3 讨论

细胞壁主要由纤维素、半纤维素、果胶构成。纤维素是以β-1,4 糖苷键线性聚合成D-葡萄糖长链,通过氢键作用形成晶体状微纤丝,承载着纤维,而半纤维素是由交联的β-1,4-D-多聚糖组成主链的多糖,束缚着微纤丝,使得细胞壁具有韧性[20]；果胶是以原果胶的形式普遍存在的,果实采收后随着贮藏时间的延长,在原果胶酶的作用下,果实中的原果胶逐渐转化为可溶性果胶,细胞壁结构松散,果实硬度不断降低[21]。陈新艳[22]研究表明,1-MCP 可以延缓果实纤维素、半纤维素以及原果胶的降解,同时抑制果实硬度的下降。张群等[19]研究表明,葡萄硬度与纤维素、半纤维素、原果胶和水溶性果胶含量呈极显著负相关(P＜0.01),也有研究表明李果实硬度与纤维素和原果胶含量呈显著正相关(P＜0.05),MAP 与可溶性果胶含量相关性不显著[15]。本研究蓝莓细胞壁多糖的结果表明,mMAP +1-MCP 组在货架末期果实纤维素质量比是CK 组的1.46 倍,半纤维素质量比是CK 组的1.27 倍,同时保持了较高的原果胶质量摩尔浓度和较低的可溶性果胶质量摩尔浓度,维持了较好的细胞壁完整性,而相关性分析表明,蓝莓硬度与纤维素、半纤维素、原果胶含量呈极显著正相关,与可溶性果胶含量相关性不高,与以往文献结论相似。

在果实的成熟过程中,一些细胞壁降解酶引起了细胞壁物质以及中胶层果胶的水解,造成了细胞间的连接减少、细胞离散,致使果肉发生软化[23]。Cx 是一种重要的细胞壁降解酶,通过水解纤维素和部分难溶性半纤维素来破坏细胞壁的骨架结构[24]；PME 广泛存在于植物体许多组织中,通过去除果胶中的甲酯化基团,破坏多聚糖醛酸间钙的横向连接而导致细胞分离,加速细胞壁的降解,为PG 作用提供必要的条件[25]；α-Af 是一种能够水解非还原呋喃阿拉伯残基的糖苷酶类,通过作用于阿拉伯半乳糖等支链多聚体,导致细胞壁多糖中阿拉伯糖残基降解,促进果胶降解[26]；β-Gal 作用于鼠李半乳聚糖骨架的支链残基,降解果胶聚合体,破坏细胞壁结构[27]；PG 是一类重要的降解酶,通过降解细胞壁中多聚半乳糖醛酸中α,4-1-D-半乳糖苷键,分解果胶分子,从而瓦解细胞壁结构[28]。本研究表明:mMAP+1-MCP 处理降低了蓝莓冰温贮藏30 d 后货架期间Cx 和PME 活性峰值,货架中期延缓了β-Gal 活性的增加,货架后期使得蓝莓α-Af 和PG活性保持较低水平,与60Co γ 辐照处理对蓝莓细胞壁降解酶影响的研究结论相似[29]。蓝莓硬度与细胞壁降解酶相关性分析表明[17],果实硬度与PG 活性呈显著负相关,与Cx 和β-Gal 活性呈极显著负相关。本研究发现蓝莓硬度与Cx、α-Af 和PG 相关系数为-0.708、 -0.846、 -0.628,呈极显著负相关,与PME( -0.484)呈显著负相关,这可能与蓝莓品种、处理方式有关,有待于进一步研究。