細(xì)胞壁對(duì)果實(shí)質(zhì)地影響機(jī)制的研究進(jìn)展

黃 歡,王紹帆,韓育梅

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

果實(shí)成熟過程中伴隨著許多生理生化變化,主要有乙烯合成、呼吸作用增強(qiáng)、質(zhì)地軟化和色素及風(fēng)味物質(zhì)的生成等。其中果實(shí)的質(zhì)地作為評(píng)價(jià)其商品價(jià)值的重要指標(biāo)之一,是影響消費(fèi)者喜好的關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)。食品的質(zhì)地被定義為,人們通過視覺、聽覺、觸覺等所檢測(cè)到的食品的結(jié)構(gòu),機(jī)械及表面特性的感官和功能表現(xiàn)[1]。比如脆或粉,硬或軟,粘度是否較大,是否有彈性等。目前,評(píng)價(jià)食品的質(zhì)地的方法有感官評(píng)定法和儀器分析法兩種,常用的是儀器分析方法,它可以通過儀器量化測(cè)定出食品的硬度、粘度、凝聚性、阻嚼性和彈性等參數(shù)。Dintwa等[2]指出果實(shí)質(zhì)構(gòu)的變化基本是由質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定的宏觀結(jié)果來表示的,但這并不能從本質(zhì)上反映果實(shí)質(zhì)構(gòu)的變化機(jī)制。果實(shí)組織的基本結(jié)構(gòu)是細(xì)胞,細(xì)胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、空間排列和完整性直接影響果實(shí)的機(jī)械特性,決定果實(shí)制品的質(zhì)構(gòu)[3]。植物細(xì)胞壁是由各種細(xì)胞壁聚合物構(gòu)成,而這些聚合物中主要成分包括果膠,半纖維素,纖維素等[4]。很多研究發(fā)現(xiàn),在果實(shí)的成熟軟化過程中,質(zhì)地發(fā)生變化的主要原因是細(xì)胞壁的降解,主要是果膠的降解,也與纖維素和半纖維素結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)系。

大部分研究表明,果實(shí)結(jié)構(gòu)的軟化與果肉細(xì)胞壁多糖的結(jié)構(gòu)、組成、降解和溶解有著密切的聯(lián)系[5]。各種細(xì)胞壁多糖之間相互交聯(lián)以此來支撐細(xì)胞壁骨架復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),而交聯(lián)降解方式不同,果實(shí)的質(zhì)地特性也就會(huì)有差異。果實(shí)的成熟軟化伴隨著一系列的生理生化反應(yīng),在這個(gè)過程中,細(xì)胞壁修飾酶發(fā)揮著重要的作用,細(xì)胞壁修飾酶的活性變化常導(dǎo)致細(xì)胞壁多糖結(jié)構(gòu)或組成發(fā)生變化,由此對(duì)果實(shí)質(zhì)地造成影響[6]。

質(zhì)地對(duì)果實(shí)采后處理,微生物安全性,保質(zhì)期,消費(fèi)者可接受性和進(jìn)一步加工的適應(yīng)性都有一定的影響。同時(shí)有研究表明保持果實(shí)良好的質(zhì)地可一定程度提高儲(chǔ)運(yùn)過程中的抗病性及抗逆性[7]。目前,對(duì)果實(shí)加工的研究方向以及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)不再僅限于追求更長(zhǎng)的貨架期,而是越來越傾向于接受在適度的貯藏時(shí)間內(nèi)保持果實(shí)較好的質(zhì)地特性[8]。因此,從本質(zhì)上探究果實(shí)貯藏期質(zhì)地變化的機(jī)制,最大程度延緩果實(shí)軟化,為一系列保鮮技術(shù)對(duì)果蔬質(zhì)地的影響提供理論支持,對(duì)提升果實(shí)貯藏品質(zhì)具有一定的意義。本文從微觀角度對(duì)果實(shí)質(zhì)地變化機(jī)制進(jìn)行了綜述,主要在細(xì)胞壁多糖降解以及細(xì)胞壁多糖降解相關(guān)酶對(duì)果實(shí)質(zhì)地變化的影響上進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與展望。

1 影響果實(shí)質(zhì)地的因素

質(zhì)地包括感官和機(jī)械兩方面。果實(shí)組織的質(zhì)地表達(dá)綜合了許多因素,包括自體遺傳信息的表達(dá),環(huán)境的影響,采后處理貯藏以及產(chǎn)品加工方式的不同等,同時(shí)果實(shí)品種的不同也使其在質(zhì)地變化上存在較大的差異。水果和蔬菜的質(zhì)地主要由水分含量和組織結(jié)構(gòu)特性決定,涉及的結(jié)構(gòu)決定因素包括組織尺度、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞尺度、細(xì)胞間粘附的程度、細(xì)胞壁強(qiáng)度以及膨壓[9]。果實(shí)個(gè)體由軟組織和支撐組織的外表皮構(gòu)成,組織由大量細(xì)胞構(gòu)成,細(xì)胞壁、細(xì)胞膜包被著細(xì)胞內(nèi)容物構(gòu)成了單個(gè)細(xì)胞,細(xì)胞之間通過中膠層粘結(jié)在一起[10]。其中細(xì)胞壁和液泡內(nèi)水分引起的膨壓為軟組織提供力學(xué)支撐。而結(jié)合組織和外表皮的力學(xué)性質(zhì)主要取決于纖維素和果膠物質(zhì)。果肉細(xì)胞壁多糖組分(果膠、半纖維素與纖維素)內(nèi)與組分間的交聯(lián)是維持細(xì)胞骨架形態(tài)的基本單元[11]。

目前普遍研究認(rèn)為果實(shí)質(zhì)地主要取決于細(xì)胞的自身張力、細(xì)胞間的結(jié)合力及細(xì)胞壁構(gòu)成物質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度。Jovyn等[12]研究認(rèn)為由纖維素(cellulose,CEL)和半纖維素(hemicelluloses,HC)交織而成的細(xì)胞壁,其經(jīng)緯結(jié)構(gòu)的變化及胞間層果膠物質(zhì)的降解是造成果實(shí)質(zhì)地變化的主要原因。這一過程涉及多聚半乳糖醛酸酶(PG)、β-半乳糖苷酶(β-Gal)、果膠甲酯酶(PME)等多種酶。近年來發(fā)現(xiàn),細(xì)胞壁中性多糖的解離對(duì)果實(shí)的軟化也起到了一定的促進(jìn)作用,其相關(guān)的糖苷酶在果實(shí)軟化中的作用也倍受關(guān)注,它們對(duì)促進(jìn)果實(shí)軟化的作用在許多果實(shí)中得到證實(shí)。大部分的學(xué)者都認(rèn)為細(xì)胞壁是細(xì)胞的支撐物,細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的改變以及多種細(xì)胞壁水解酶參與細(xì)胞壁的降解而導(dǎo)致果實(shí)軟化。

除了細(xì)胞壁強(qiáng)度和特性之外,果實(shí)質(zhì)地還與其組織或器官的膨脹特性有關(guān),同時(shí)受諸如光合產(chǎn)物積累和細(xì)胞水分狀況等因素影響[13]。

2 細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)及組成

細(xì)胞壁(cell wall)作為植物細(xì)胞區(qū)別于動(dòng)物細(xì)胞的特征性結(jié)構(gòu)之一,是由基質(zhì)聚糖(半纖維素)、果膠網(wǎng)絡(luò)(水溶性、螯合性和堿溶性)、剛性骨架(纖維素微纖維)以及少量結(jié)構(gòu)蛋白和礦物質(zhì)組成。在大多數(shù)物種中,主要的基質(zhì)聚糖是木葡聚糖,其余大部分是取代或未取代的木聚糖和一些葡甘聚糖[14]。

其中果膠主要由兩個(gè)共同延伸的同型半乳糖醛酸聚糖和鼠李糖聚半乳糖醛酸組成,其大量分支側(cè)鏈(阿拉伯聚糖,半乳聚糖和阿拉伯糖聚糖)形成果膠的所謂“毛狀區(qū)域”[15]。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通常采用半乳糖醛酸與鼠李糖殘基比例的變化來反映果膠主鏈的修飾,并用半乳糖基與鼠李糖殘基比率以及阿拉伯糖基與鼠李糖殘基之比來反映果膠側(cè)鏈的修飾[16]。果膠物質(zhì)富含半乳糖醛酸(GalA)并且由四種主要果膠組分組成:同聚半乳糖醛酸(HGA,半乳糖醛酸的大型線性未取代聚合物),木糖聚半乳糖醛酸(在HGA中存在單一木糖殘基的少量取代)和兩種類型支鏈?zhǔn)罄钐蔷郯肴樘前?。鼠李糖聚半乳糖醛酸I(RG-I)具有半乳糖醛酸和鼠李糖的交替殘基的骨架,其連接半乳聚糖和阿拉伯聚糖的大側(cè)鏈[17]。鼠李糖聚半乳糖醛酸II(RG-II)具有與HGA相同的骨架,同時(shí)包含由許多不同糖基(包括幾種稀有糖)形成的復(fù)雜側(cè)鏈結(jié)構(gòu)。纖維素由(1-4)-連接的D-葡萄糖鏈組成,通過氫鍵結(jié)合在一起形成長(zhǎng)的結(jié)晶微原纖維,微原纖維包含由較少結(jié)晶區(qū)域圍繞且被無定形形式的纖維素中斷的高度結(jié)晶核心[18]。半纖維素以各種形式存在于細(xì)胞壁中,如木葡聚糖,葡甘露聚糖及葡糖醛酸阿拉伯木聚糖等,其中木葡聚糖是最豐富的。木葡聚糖通過氫鍵將纖維素微原纖維跨越相鄰的微纖維條分布,從而將它們連接在一起。由于木葡聚糖可以聚集形成長(zhǎng)鏈(數(shù)百微米),因此這種聚合物在細(xì)胞壁力學(xué)中起著重要作用[19]。其他半纖維素,在雙子葉植物的原代細(xì)胞壁中較為豐富,也通過氫鍵交聯(lián)微纖維,但較木葡聚糖弱。

細(xì)胞壁可粗略分為2種類型:初生壁和次生壁。前者為正在生長(zhǎng)中細(xì)胞的細(xì)胞壁,通常生長(zhǎng)發(fā)育旺盛部位的細(xì)胞只有初生壁;后者則是在初生壁和細(xì)胞質(zhì)膜之間加厚的細(xì)胞壁,主要存在于植物機(jī)械組織等特定的細(xì)胞中[20]。初生細(xì)胞壁是可延展的,具有一定的彈性,松散度及可生長(zhǎng)性。相比之下,次生細(xì)胞壁是不可延伸的,其嚴(yán)重增厚并且通常是木質(zhì)化的[21]。果實(shí)薄壁細(xì)胞大多具有初代細(xì)胞壁,通常相對(duì)較薄。蔬菜組織通常含有較高比例的具有木質(zhì)化細(xì)胞壁的細(xì)胞,由此(在其未加工狀態(tài)下)比成熟的果實(shí)更硬。

3 細(xì)胞壁與果實(shí)質(zhì)地之間的關(guān)聯(lián)

細(xì)胞壁提供了剛性和強(qiáng)度,并且為細(xì)胞抵抗外界傷害起到保護(hù)作用,參與細(xì)胞識(shí)別,促進(jìn)物質(zhì)的滲透,具有可膨脹性,使果實(shí)具有一定的形狀和彈性,其結(jié)構(gòu)和成分的改變被認(rèn)為是引起果實(shí)質(zhì)地變化的主要原因。

3.1 細(xì)胞壁多糖的變化對(duì)果實(shí)質(zhì)地的影響

Justyna等[22]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞壁的力學(xué)性質(zhì)取決于多糖組成,以及它們的組裝和鏈接。細(xì)胞壁多糖修飾序列的改變,會(huì)導(dǎo)致原代細(xì)胞壁和中間層狀結(jié)構(gòu)的解體。細(xì)胞壁多糖的修飾涉及增加果膠溶解度和非葡萄糖中性糖(主要是半乳糖和阿拉伯糖)的損失。Jin等[23]研究了桃果實(shí)貯藏過程中細(xì)胞壁多糖的變化,發(fā)現(xiàn)了阿拉伯糖基殘基從緊密結(jié)合的聚合物釋放為不太牢固的附著形式是軟化的重要機(jī)制。綜上可知,果實(shí)細(xì)胞壁多糖組分(果膠、半纖維素與纖維素)內(nèi)與組分間的交聯(lián)是維持細(xì)胞強(qiáng)度的直接因素,果實(shí)的軟化與導(dǎo)致細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)改變和組織凝結(jié)力下降的多糖解聚程度和糖分變化有關(guān)。

3.1.1 果膠的組成和結(jié)構(gòu)變化對(duì)果實(shí)質(zhì)地的影響 富含果膠的中間層起著連接相鄰細(xì)胞的膠著作用,因此其是細(xì)胞間粘附的主要決定因素。Dong等[24]研究了不同品種的梨長(zhǎng)期貯藏中,在細(xì)胞壁聚糖醛酸、酶活性的變化與質(zhì)地結(jié)構(gòu)的相關(guān)性方面,較高含量的水溶性果膠(WSP)減小了細(xì)胞粘附,其易使質(zhì)地軟化。Xiao等[25]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞壁WSP和螯合性果膠(CSP)的含量、結(jié)構(gòu)性質(zhì)與蘋果的質(zhì)構(gòu)特性明顯相關(guān),當(dāng)WSP含量較高時(shí),蘋果表現(xiàn)出較低的脆度和較差的微觀結(jié)構(gòu),這可能部分歸因于果膠多糖的解聚和浸出。以上說明果實(shí)細(xì)胞壁多糖的種類占比與其質(zhì)地具有相關(guān)性,在此基礎(chǔ)上對(duì)細(xì)胞壁多糖的分子量分布及單糖組成進(jìn)行深入探究,以構(gòu)建細(xì)胞壁多糖結(jié)構(gòu)特性與果實(shí)質(zhì)地評(píng)價(jià)的關(guān)聯(lián)體系,可以作為目前研究的方向。

果膠聚合物可以通過影響果膠功能性質(zhì)的幾種共價(jià)和非共價(jià)鍵彼此相互作用。果膠通過PME去除其甲基酯基團(tuán),留下羧酸基團(tuán),使細(xì)胞壁中的HGA積累負(fù)電荷。在Ca2+的存在下,不同HGA分子中帶負(fù)電荷的半乳糖醛酸殘基的結(jié)構(gòu)域通過離子鍵與Ca2+締合在一起,形成鈣-果膠凝膠,增加了壁強(qiáng)度并為成熟果實(shí)中的大部分細(xì)胞提供了結(jié)合力。Njoroge等[26]在研究大豆不同浸泡條件下果膠多糖的變化中發(fā)現(xiàn),相比對(duì)照在CaCl2溶液中處理的大豆中高摩爾質(zhì)量聚合物增加,其細(xì)胞壁分離現(xiàn)象減少。數(shù)據(jù)表明Ca2+導(dǎo)致果膠交聯(lián)增加和β-消除解聚減少。該特征與同型聚半乳糖醛酸的甲基化程度(DM)有關(guān)。DM<50%的低甲基化果膠鏈能夠形成稱為“蛋盒模型”的HG-鈣復(fù)合物。根據(jù)該模型可以解釋二價(jià)離子與多糖之間的分子間網(wǎng)絡(luò)的形成。其中果膠鏈的二價(jià)離子膠凝取決于非甲基化的半乳糖醛酸殘基的數(shù)目,至少需6～20個(gè)[27]。同時(shí)Munarin等[28]研究發(fā)現(xiàn),不僅可以使用鈣陽(yáng)離子形成低甲基化的果膠凝膠,其他二價(jià)或三價(jià)陽(yáng)離子也可以表現(xiàn)出這種性質(zhì)。Mierczyńska等[29]利用流變學(xué)方法研究Ca2+,Fe2+和Mg2+在蘋果改性細(xì)胞壁多糖制備的新型食品,對(duì)其基質(zhì)性能的影響中,發(fā)現(xiàn)添加Ca2+和Fe2+的細(xì)胞壁多糖基質(zhì)(MPS)與對(duì)照相比,彈性(儲(chǔ)存)模量大于粘性(損失)模量,彈性模量隨著Ca2+和Fe2+濃度的增加而增加,這表明凝膠結(jié)構(gòu)隨之增強(qiáng),同時(shí)認(rèn)為鐵離子可以以與鈣相似的方式交聯(lián)果膠。與Ca2+和Fe2+相比,添加Mg2+可以減少凝膠化,因此,Mg2+可以作為果膠凝膠的抑制劑。

此外,研究表明果膠多糖還可以交聯(lián)到其它細(xì)胞壁組分,如半纖維素,酚類化合物和蛋白質(zhì),這一定程度增加了細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和功能復(fù)雜性[30]。果膠形成獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò),與交聯(lián)聚糖平行,其作為增塑劑和水結(jié)合劑起作用。果膠和交聯(lián)聚糖的作用是與細(xì)胞壁中的纖維素微原纖維結(jié)合。通過與葡糖醛酸阿拉伯木聚糖和木葡聚糖的相互作用表明果膠與其他細(xì)胞壁多糖結(jié)合[31]。果膠與纖維素相互作用時(shí),與聚糖存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。當(dāng)木葡聚糖濃度高時(shí),果膠在纖維素上的附著較低,因此纖維素-果膠相互作用弱于纖維素和木葡聚糖之間的相互作用,而在低木葡聚糖濃度下,果膠的主要功能是結(jié)合微纖維之間的間隙[32]。Zhao等[33]通過對(duì)細(xì)胞壁多糖結(jié)構(gòu)的研究,發(fā)現(xiàn)其支鏈結(jié)構(gòu)越多越利于果膠多糖形成鈣橋,同時(shí)纖維素小分子化將促進(jìn)其與果膠的結(jié)合,從而提高果實(shí)硬度。

3.1.2 纖維素微原纖維對(duì)果實(shí)質(zhì)地的影響 果膠被認(rèn)為是組織結(jié)構(gòu)性質(zhì)改變的原因,而纖維素微原纖維在果實(shí)組織機(jī)械特性中的作用通常被忽略。纖維素被認(rèn)為是最穩(wěn)定的聚合物,果實(shí)成熟與纖維素和果膠的結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。因此,纖維素形成了一種細(xì)胞壁的機(jī)械基礎(chǔ),微纖維的組織和尺寸預(yù)計(jì)將在細(xì)胞壁和組織的機(jī)械性質(zhì)中起重要作用。Cybulska等[34]使用原子力顯微鏡研究蘋果質(zhì)地與細(xì)胞壁納米結(jié)構(gòu)的關(guān)系,結(jié)果表明微纖維厚度影響細(xì)胞壁的機(jī)械強(qiáng)度,這對(duì)感官及質(zhì)地具有影響,較厚的纖維素微原纖維對(duì)應(yīng)于較硬的組織,結(jié)晶度水平往往與紋理呈負(fù)相關(guān)。

3.2 細(xì)胞壁中結(jié)構(gòu)蛋白對(duì)果實(shí)質(zhì)地的影響

細(xì)胞壁中存在幾種結(jié)構(gòu)蛋白,主要是富含羥脯氨酸的糖蛋白(HRGPs),其也會(huì)對(duì)果實(shí)質(zhì)地產(chǎn)生影響,其中擴(kuò)展蛋白是缺乏水解活性的細(xì)胞壁修飾蛋白,研究者認(rèn)為它可以通過破壞基質(zhì)聚糖和纖維素微原纖維之間的結(jié)合而導(dǎo)致果實(shí)軟化[35]。David等[36]發(fā)現(xiàn)在成熟番茄中過度表達(dá)相關(guān)的擴(kuò)展蛋白會(huì)導(dǎo)致其基質(zhì)聚糖解聚顯著增加,軟化加快,而通過抑制擴(kuò)展蛋白的表達(dá)可減少果膠解聚,維持果實(shí)硬度。同時(shí)膨脹素作為在生物質(zhì)處理中潛在的輔助蛋白質(zhì),以獲得可用于乙醇生產(chǎn)的可發(fā)酵糖,降低了纖維素的結(jié)晶度,從而促進(jìn)了果實(shí)軟化[37]。細(xì)胞間粘附的另一主要影響因素是細(xì)胞間接觸的程度,其由細(xì)胞形狀和包裝,水分損失以及細(xì)胞間空隙的大小決定,這些因素是隨著水果成熟而變化的。而在成熟期或者后續(xù)貯藏期間,細(xì)胞壁成分結(jié)構(gòu)的改變使得可溶性果膠多糖組分含量升高,細(xì)胞壁自身發(fā)生膨脹,減弱了細(xì)胞壁強(qiáng)度。這兩個(gè)因素在一定程度上相關(guān),細(xì)胞壁在成熟過程中發(fā)生膨脹,形成疏松多孔的結(jié)構(gòu),進(jìn)而促進(jìn)了細(xì)胞壁解體和中間層的結(jié)合降低了壁的強(qiáng)度同時(shí)降低了細(xì)胞間粘附。

3.3 細(xì)胞壁降解酶與果實(shí)質(zhì)地變化的關(guān)系

果實(shí)質(zhì)地主要受細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)解體和細(xì)胞壁組分解聚的影響,其中涉及多聚半乳糖醛酸酶(PG)、果膠甲酯酶(PME)、果膠酸裂解酶(PL)、內(nèi)切-1,4-β-D-葡聚糖酶(EG)、木葡聚糖-內(nèi)切轉(zhuǎn)糖苷酶(XET)、β-半乳糖苷酶(β-Gal)、α-阿拉伯呋喃糖苷酶(α-AF)等細(xì)胞壁水解酶的協(xié)調(diào)和相互作用。其中PME從HG的甲基酯化中除去甲醇基團(tuán),PME使甲酯化的原果膠去甲酯后,PG裂解未酯化果膠中的α-(1,4)-半乳糖醛酸鍵使其降解,影響細(xì)胞壁的完整性和堅(jiān)實(shí)度,促進(jìn)果實(shí)軟化[38]。EG能夠降解纖維素,導(dǎo)致細(xì)胞壁中“經(jīng)緯結(jié)構(gòu)”松散,促進(jìn)果膠質(zhì)被果膠酶分解,加速果實(shí)的成熟與軟化。PL通過β-消除裂解去酯化果膠[39]。同時(shí)細(xì)胞內(nèi)容物的酶促降解也會(huì)導(dǎo)致果實(shí)的軟化,例如淀粉在淀粉酶的作用下水解轉(zhuǎn)化為可溶性糖,進(jìn)而代謝導(dǎo)致細(xì)胞膨壓下降,影響果實(shí)質(zhì)地[40]。

果實(shí)成熟軟化時(shí)在細(xì)胞壁中發(fā)生的最顯著的變化是果膠物質(zhì)的溶解。果膠是果實(shí)細(xì)胞壁中膠層的重要組成成分,對(duì)細(xì)胞間的黏連起著重要作用,果膠的降解特別是多聚醛酸的降解,能造成細(xì)胞黏度下降,最終導(dǎo)致果實(shí)的軟化。而果膠的降解的主要原因是酶促果膠轉(zhuǎn)化,其中廣泛的內(nèi)源性和外源性酶可協(xié)同修飾和降解果膠光滑和毛狀區(qū)域[41]。光滑的區(qū)域,在空間分布上較有規(guī)律,涉及的酶主要是酯酶或解聚酶,而毛狀區(qū)域是由多個(gè)不同的單糖組成的雜聚體,包括RG-I和RG-II兩個(gè)小區(qū),一般來說毛狀區(qū)相對(duì)不易受到果膠酶的降解[42]。

3.3.1 酯酶—果膠酯酶(PME) 果膠酯酶PME廣泛分布于植物中并通過靜電相互作用與細(xì)胞壁結(jié)合,其作用是去除果膠分子鏈上半乳糖醛酸殘基C-6羧基上的甲醇基,主要是羥甲基或羥乙基,催化果膠酯酸轉(zhuǎn)化為果膠酸,增加果膠的溶解性,利于PG的作用。因此,PME的活動(dòng)是PG活動(dòng)的必要前提。PME催化植物細(xì)胞壁內(nèi)HGA的特異性脫甲基作用,釋放甲醇和質(zhì)子(并產(chǎn)生帶負(fù)電荷的羧基)。脫甲氧基化的HGA可以形成超分子組裝體或與二價(jià)離子(例如Ca2+,Mg2+)交聯(lián)導(dǎo)致凝膠化,此外,果膠脫甲氧基化可能導(dǎo)致果膠β-消除解聚受限[43]。Almeida等[44]研究發(fā)現(xiàn)果膠脫甲基化作用導(dǎo)致了果實(shí)成熟過程中質(zhì)外體中離子條件的變化,改變了離子平衡,降低了pH,因此這可能會(huì)改變酶的活性和帶電蛋白在壁基質(zhì)內(nèi)的擴(kuò)散。較低的PME活性不會(huì)將甲基酯化的聚天冬氨酸轉(zhuǎn)化成脫甲基化的聚天冬氨酸,因此延遲了細(xì)胞壁的降解維持了果實(shí)質(zhì)地。PME作用下的果膠HGA的脫甲基化開始于果實(shí)成熟或早熟期。PME活性在成熟早期達(dá)到峰值,但在整個(gè)果實(shí)發(fā)育過程中都保持相對(duì)較高的水平。李春燕等[45]研究發(fā)現(xiàn)PME、PG一直伴隨甜橙果實(shí)整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育的全過程,不同種類甜橙的PME、PG活性都以成熟期為轉(zhuǎn)折點(diǎn),PG和PME兩種酶活性的增加,果膠物質(zhì)分解,果實(shí)硬度下降。Phan等[46]研究發(fā)現(xiàn),在轉(zhuǎn)基因番茄成熟過程中PME活性降低,且番茄硬度有所降低,這可能是由于影響了鈣-果膠分子之間交叉橋的形成能力。

3.3.2 解聚酶—多聚半乳糖醛酸酶(PG);果膠裂解酶(PL) 解聚酶包括水解酶(PG)和裂解酶(PL),實(shí)際中廣泛應(yīng)用于增加果汁出汁率和穩(wěn)定性,降低粘度。羥基化酶通過酸/堿輔助催化裂解糖苷鍵,而PL通過β-消除反應(yīng)機(jī)理使果膠解聚。它可以是內(nèi)作用或外作用的,并且活性可以限于短寡糖。在毛狀區(qū)域,RG-I中的α-1,4鍵被鼠李糖半乳糖醛酸酶和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖裂解酶水解,而α-1,2鍵被鼠李糖半乳糖醛酸水解酶或鼠李糖半乳糖醛酸聚糖水解酶切割。毛狀區(qū)域降解酶可以進(jìn)行內(nèi)作用或外作用。RG-I的大側(cè)鏈的降解被認(rèn)為可以增加細(xì)胞壁孔隙率和開放度,由此便于駐留在細(xì)胞壁空間中的降解酶進(jìn)入并作用于多糖底物。在植物細(xì)胞壁中,基質(zhì)組分的每種結(jié)構(gòu)組分/聚集物都被多種修飾酶靶向。一種修飾機(jī)制可能協(xié)同改變另一種修飾機(jī)制的作用或功效,特別是考慮到許多細(xì)胞壁水解酶和裂合酶的結(jié)構(gòu)特異性。PL被認(rèn)為是植物中的外源性來源,然而,Owino等[47]在許多植物基因組中發(fā)現(xiàn)了大量PL樣序列。Zhou等[48]研究發(fā)現(xiàn)草莓中的PL基因主要在草莓成熟階段進(jìn)行特異性表達(dá),PL的表達(dá)與PL的活動(dòng)密切相關(guān),其與草莓硬度的變化呈負(fù)相關(guān)。

PG作用必須先經(jīng)過由PME產(chǎn)生的去酯化作用。通過PME對(duì)聚半乳糖醛酸主鏈進(jìn)行去酯化可促進(jìn)PG對(duì)果膠的解聚。果膠分子的主鏈?zhǔn)且驭?1,4糖苷鍵聚合的不同酯化度的半乳糖醛酸鏈,PG催化水解α-1,4糖苷鍵,作用方式分為隨機(jī)作用和終端作用兩種方式,分別稱為內(nèi)切PG(endo-PG)和外切PG(exo-PG)它可引起果膠裂解,產(chǎn)生低聚半乳糖醛酸或半乳糖醛酸,使細(xì)胞壁解體,從而導(dǎo)致果實(shí)軟化[49]。研究表明,在番茄中,PG的轉(zhuǎn)基因抑制導(dǎo)致改善了細(xì)胞壁中間片層的完整性而改善了其抗逆性,提高了貨架期[50]。

3.3.3 糖苷酶 然而,有研究表明,抑制PG和PME并沒有對(duì)果實(shí)質(zhì)地的維持起到較好的作用?？紤]是由于果實(shí)組織中的壁剛度和細(xì)胞間內(nèi)聚力也部分歸因于含有阿拉伯半乳糖和半乳糖的交聯(lián)。交聯(lián)聚合物的改性可能導(dǎo)致在成熟期間發(fā)生細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和果實(shí)硬度的變化。因此果實(shí)軟化可能至少部分歸因于裂解除半乳糖醛酸以外的交聯(lián)糖間的化學(xué)鍵。David等研究發(fā)現(xiàn)在番茄、芒果等幾種水果中,糖苷酶對(duì)其細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的松動(dòng)以及果實(shí)的發(fā)育和成熟發(fā)揮著重要作用[51]。β-半乳聚糖主要存在于RG-I的側(cè)鏈上。這些鏈與纖維素的葡聚糖鏈纏繞,形成致密的網(wǎng)絡(luò),其有助于細(xì)胞壁的可伸長(zhǎng)性,強(qiáng)度和孔隙率。β-半乳糖苷酶的作用是從細(xì)胞壁去除半纖維素和果膠的末端非還原性β-D-半乳糖殘基使果膠和半纖維素降解,同時(shí)也能降解糖蛋白和糖脂,使細(xì)胞壁中一些組分變得不穩(wěn)定促使細(xì)胞壁膨脹進(jìn)而影響果實(shí)質(zhì)地。Ng等[52]研究認(rèn)為β-Gal可以通過增加細(xì)胞壁的孔隙率和增強(qiáng)其它細(xì)胞壁降解酶的進(jìn)入來加速果實(shí)軟化。β-Gal活性的改變會(huì)導(dǎo)致果膠溶解和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的差異,并導(dǎo)致不同的質(zhì)地類型。在果實(shí)質(zhì)地軟化過程中還可能發(fā)生RG-I阿拉伯糖側(cè)鏈的降解,這由α-阿拉伯糖苷酶的活性決定。α-AF能夠水解非還原呋喃阿拉伯糖殘基,使細(xì)胞壁阿拉伯半乳聚糖、阿拉伯甘露聚糖等中性糖不斷解離,促進(jìn)果膠的增溶和降解。Pea等[53]發(fā)現(xiàn)在果實(shí)成熟和軟化過程中,聚合阿拉伯糖有著明顯損失。在蘋果中,其軟化之前發(fā)生了分支阿拉伯聚糖的降解。與細(xì)胞壁半乳糖的降解一樣,在大多數(shù)果實(shí)的成熟過程中,細(xì)胞壁阿拉伯糖的損失都會(huì)發(fā)生。

不同種類及品種的果實(shí),其影響質(zhì)地變化的主要相關(guān)酶也有所不同。張娟等[54]研究細(xì)胞壁相關(guān)代謝酶對(duì)不同品種的蘋果的質(zhì)地影響大小,發(fā)現(xiàn)PG和PME酶是‘秦冠’果實(shí)質(zhì)地變化的關(guān)鍵酶,而β-Gal在‘富士’質(zhì)地變化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Jo等[55]提出了一種影響果實(shí)質(zhì)地的非酶機(jī)制—抗壞血酸作用會(huì)影響果實(shí)軟化,研究表明抗壞血酸含量在番茄果實(shí)成熟軟化過程中增加。由此認(rèn)為果膠分解酶的高水平表達(dá)和抗壞血酸含量的增加對(duì)果實(shí)細(xì)胞壁中生物聚合物的空間分布具有顯著的影響。

4 結(jié)論與展望

質(zhì)地軟化是果實(shí)成熟的一個(gè)重要標(biāo)志,綜上所述,果實(shí)成熟后質(zhì)地的軟化涉及果實(shí)中初生壁和胞間層組織中一系列相互協(xié)調(diào)的多糖降解過程,從而引起細(xì)胞壁超微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化與果實(shí)成熟軟化關(guān)系較密切已被廣泛證明,但難以確定具體的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的變化引起的生理效應(yīng)。利用不同物性儀進(jìn)行硬度和組織拉伸等質(zhì)地測(cè)試,利用高效液相色譜法、化學(xué)方法、分光光度法和同位素示蹤技術(shù)測(cè)定各種酶活性、多糖組分組成及含量,利用相關(guān)性分析研究宏觀質(zhì)地與微觀降解的關(guān)系,從而進(jìn)一步闡明果實(shí)細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和組分變化以及引起這些變化的原因。目前利用基因工程技術(shù)已出現(xiàn)了果實(shí)軟化過程部分細(xì)胞壁變化涉及的酶的作用和性質(zhì)的相關(guān)研究成果。但是,類似的研究所得的結(jié)果卻并不一致,甚互相矛盾。因此,如果要控制果實(shí)軟化,還需要針對(duì)不同種類的果實(shí)控制不同的酶活性。通過對(duì)不同品種水果的理化指標(biāo)和微觀結(jié)構(gòu)相結(jié)合的研究是一個(gè)較新的研究思路。以上對(duì)于揭示實(shí)踐中使用的保鮮處理等方法保持果實(shí)質(zhì)地的機(jī)理進(jìn)而優(yōu)化貯運(yùn)參數(shù)有理論和技術(shù)指導(dǎo)意義。