超高壓處理對(duì)鮮切馬鈴薯質(zhì)地及細(xì)胞壁多糖含量的影響

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)

馬鈴薯富含多種有益人體健康的元素,目前市場(chǎng)上其產(chǎn)品多以薯片、薯?xiàng)l、精制淀粉等形式存在,鮮切產(chǎn)品相對(duì)缺乏。隨著人們生活節(jié)奏的加快和健康消費(fèi)意識(shí)的提高,鮮切果蔬的需求量日益增加。因此鮮切馬鈴薯的加工已成為馬鈴薯產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢(shì),有助于拓寬產(chǎn)品市場(chǎng)。然而鮮切果蔬更易產(chǎn)生組織變色、質(zhì)地軟化、風(fēng)味下降、微生物侵染等問(wèn)題,從而導(dǎo)致貨架期縮短,品質(zhì)評(píng)價(jià)降低,限制了鮮切果蔬加工業(yè)的發(fā)展[1]。針對(duì)這一問(wèn)題,最常用的保鮮方法是熱處理,依靠高溫作為確保食品的微生物安全性,保持其色澤品質(zhì)同時(shí)延長(zhǎng)保質(zhì)期的方法。然而,這一過(guò)程受到傳熱的限制,食品外部到內(nèi)部的溫度梯度大,過(guò)度加工導(dǎo)致對(duì)感官及營(yíng)養(yǎng)嚴(yán)重?fù)p害。因此新興的非熱保鮮技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,其中超高壓處理(HPP)應(yīng)用廣泛,初具商業(yè)規(guī)模,保鮮效果良好。

作為一種非熱處理手段,HPP屬于物理方式,介質(zhì)環(huán)境的溫度穩(wěn)定,不會(huì)破壞食品中的共價(jià)鍵,對(duì)食品組分影響小,能很好地保持其色、香、味及營(yíng)養(yǎng)和功能成分,提高食用價(jià)值[2]。HPP也因此被認(rèn)為是最小化加工的一種方式,符合人們對(duì)自然、新鮮、無(wú)添加的健康飲食的追求。汪薇等[3]研究發(fā)現(xiàn)使用HPP處理鮮切蓮藕,當(dāng)壓力增加到400 MPa 以上時(shí),滅菌率可達(dá)到 99%以上,起到了良好的殺菌效果,同時(shí)可以最大程度地保持蓮藕的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。HPP技術(shù)在鮮切產(chǎn)品加工中具有較好的應(yīng)用性,但HPP處理后大部分鮮切果蔬硬度存在明顯下降的現(xiàn)象。植物細(xì)胞壁由三種主要的多糖組成:纖維素、半纖維素和果膠,纖維素與半纖維素一起形成壁的骨架,其嵌入在果膠網(wǎng)絡(luò)中。研究表明,這種果膠網(wǎng)絡(luò)主要影響組織的堅(jiān)固性,并且是食品加工過(guò)程中質(zhì)地變化的原因[4]。Sun等[5]探究高壓加工下萵筍質(zhì)地改變與果膠的相關(guān)聯(lián)系,發(fā)現(xiàn)萵筍在300 MPa下質(zhì)地軟化與其螯合性果膠的損失密切相關(guān)。HPP處理中可促使果蔬組織結(jié)構(gòu)重排及化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生,進(jìn)而影響細(xì)胞壁多糖的變化,這可能是HPP處理后食品質(zhì)地改變的原因。

本研究考慮地域性及市場(chǎng)需要等因素,以鮮切馬鈴薯為研究對(duì)象,考察高壓處理對(duì)其質(zhì)地、細(xì)胞壁多糖含量及相關(guān)酶活性的影響,同時(shí)為了評(píng)估超高壓處理是否優(yōu)于傳統(tǒng)的熱加工方法,設(shè)置熱處理進(jìn)行比較。以便進(jìn)一步明確HPP處理后,鮮切馬鈴薯質(zhì)地下降的原因,為采取相應(yīng)的質(zhì)地保持措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯(品種:冀張) 內(nèi)蒙古呼和浩特市武川縣;D-半乳糖醛酸 Solarbio科技有限公司;多聚半乳糖醛酸 源葉生物有限公司;果膠、環(huán)己二胺四乙酸、咔唑、水楊苷 羅恩化學(xué)試劑;羧甲基纖維素鈉、微晶纖維素 國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司;其它試劑 均為分析純。

HPP-600-5L型超高壓設(shè)備(工作壓力:0～600 MPa,有效容積:5 L,工作溫度:室溫,工作介質(zhì):水) 包頭科發(fā)高壓科技有限責(zé)任公司;TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀 英國(guó) Stable Micro System 公司;UV5紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 瑞士梅特勒-托利多儀器(中國(guó))有限公司;TGL-16M型冷凍離心機(jī) 上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司;DDSJ-318雷磁電導(dǎo)率儀 上海儀電科學(xué)儀器有限公司;CR-20色差儀 日本柯尼卡美能達(dá)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品處理 取新鮮馬鈴薯洗凈,去皮,切片(厚度0.5 cm)。用干凈紗布吸干表面細(xì)胞液,隨機(jī)取7片裝入PE袋,進(jìn)行真空包裝。超高壓處理:將上述處理后樣品浸泡于超高壓容器的傳壓介質(zhì)水中,密閉,于室溫下在100、300、500、600 MPa壓力下處理,保壓時(shí)間10 min(參考實(shí)驗(yàn)前期研究),卸壓時(shí)間3 s。熱處理:以鈍化過(guò)氧化物酶為標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)選擇的熱燙條件為 100 ℃ 處理80 s。將真空包裝后的馬鈴薯片置于沸水浴中處理80 s,迅速取出冷卻至室溫。以未經(jīng)處理的真空包裝后的馬鈴薯片為空白。

1.2.2 色差值的確定 利用手持式色差儀測(cè)定鮮切馬鈴薯片的L*、a*、b*值,以初次測(cè)定色差值的馬鈴薯片部位為固定觀察點(diǎn),放置于空氣中每60 min記錄一次L*、a*、b*值,共記錄3次,進(jìn)行色差ΔE的計(jì)算,以判斷鮮切馬鈴薯顏色變化。其中L*代表亮度值,a*表示紅綠色值,b*值表示黃藍(lán)色值。

式(1)

1.2.3 質(zhì)構(gòu)指標(biāo)測(cè)定 在馬鈴薯片的內(nèi)髓部取一個(gè)點(diǎn),外髓及維管束環(huán)處均勻取三個(gè)點(diǎn),進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測(cè)定。四個(gè)位置上測(cè)得的數(shù)值取平均后為該片馬鈴薯的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)數(shù)值,包括硬度、咀嚼度。每個(gè)處理下測(cè)定7片。測(cè)試參數(shù):測(cè)試模式:全質(zhì)構(gòu)模式(TPA);探頭:P5;測(cè)前速度2.00 mm/s,測(cè)試速度2.00 mm/s,測(cè)后速度2.00 mm/s,應(yīng)變50%,兩次間隔時(shí)間5 s。

1.2.4 細(xì)胞壁多糖降解酶活性的測(cè)定 纖維素酶是降解纖維素的多組分酶系,主要包括外切葡聚糖酶(Exoglucanase,C1)、內(nèi)切葡聚糖酶(Endoglucanase,Cx)和β-葡萄糖苷酶三種,以上三種酶活性測(cè)定采用 DNS 比色法,具體方法參照辜青青等[6]。果膠甲酯酶(PME)活性測(cè)定參照徐曉波[7]的方法,酶活性以每分鐘釋放 1 μmol 的甲酯所需要的酶量為一個(gè)酶活力單位,結(jié)果以 U/g 表示;多聚半乳糖醛酸酶(PG)活性測(cè)定參照曹建康[8]的方法。

1.2.5 細(xì)胞壁物質(zhì)的提取及多糖的分離 細(xì)胞壁物質(zhì)(AIR)的提取及分離參考 Nguema-Ona[9]和 Moore等[10]的方法并略有改變。

圖1 超高壓處理對(duì)鮮切馬鈴薯色澤的影響Fig.1 Effects of ultra high pressure treatment on colours of fresh-cut potato 注:A:L*;B:a*;C:b*;D:ΔE。不同小寫(xiě)字母表示各組數(shù)據(jù)間差異顯著(P<0.05)。

1.2.6 細(xì)胞壁多糖物質(zhì)成分含量測(cè)定 果膠(水溶性果膠、螯合性果膠、堿溶性果膠)含量測(cè)定采用咔唑比色法[8]:1 mL提取液,加入濃硫酸6 mL,然后沸水浴20 min,取出冷卻至室溫,加入0.2 mL 0.2%的咔唑溶液,暗處放置30 min,測(cè)定反應(yīng)液在530 nm處的吸光度值,標(biāo)準(zhǔn)曲線采用0～100 μg/mL D-半乳糖醛酸繪制:y=0.0068x-0.0194,R2=0.9902。結(jié)果以每克細(xì)胞壁干物質(zhì)中果膠的質(zhì)量表示。半纖維素含量測(cè)定采用苯酚硫酸法,標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為:y=0.0091x+0.0149,R2=0.9939;纖維素含量測(cè)定采用凍干稱(chēng)重法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)均重復(fù)三次,采用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析(比較均值),相關(guān)性分析(Pearson相關(guān)系數(shù))。利用Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)的曲線及圖形繪制,主要以柱狀圖的形式呈現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 超高壓對(duì)鮮切馬鈴薯色澤的影響

由圖1可知,空白組鮮切馬鈴薯在放置前L*為57.4、a*為0.8、b*為27.2,即新鮮馬鈴薯去皮切片后,其色澤鮮亮、色調(diào)偏黃。隨著在空氣中放置時(shí)間的延長(zhǎng),空白組a*值顯著(P<0.05)增大,b*值顯著(P<0.05)降低,放置120 min后L*值顯著下降(P<0.05),這說(shuō)明在放置過(guò)程中,鮮切馬鈴薯發(fā)生褐變,表現(xiàn)在色澤上為紅色值增大,亮度及黃色值降低。經(jīng)超高壓及熱處理后的鮮切馬鈴薯L*均在一定程度上高于空白,這一方面是由于熱處理及超高壓處理可以通過(guò)抑制酶活降低產(chǎn)品褐變度[11];另一方面,熱處理及一定條件的超高壓處理可使馬鈴薯部分淀粉發(fā)生糊化[12],細(xì)胞透性提高,導(dǎo)致馬鈴薯片亮度增大。其中熱處理及超高壓100、500、600 MPa處理后的馬鈴薯在放置過(guò)程中L*保持較好,在空白組水平以上;300 MPa下L*隨放置時(shí)間延長(zhǎng)顯著(P<0.05)下降,且均低于空白,最低為32.4。熱處理0 min鮮切馬鈴薯a*值相對(duì)空白顯著(P<0.05)增大,但在后續(xù)放置中與初始無(wú)顯著差異(P>0.05)。超高壓處理后a*值隨放置時(shí)間基本呈上升趨勢(shì),其中100、500、600 MPa下a*值顯著(P<0.05)低于空白,300 MPa下a*值相對(duì)空白顯著(P<0.05)增大(0 min除外)。熱處理后的鮮切馬鈴薯在放置過(guò)程中,b*值變化不顯著,保持良好。相比熱處理,超高壓處理后b*值相對(duì)較低,但在放置期間均高于空白。一般來(lái)講,總色差更能表現(xiàn)樣品處理前后顏色的變化。超高壓及熱處理后鮮切馬鈴薯與空白存在一定的色差,但在后期放置120 min,熱處理、超高壓100、500、600 MPa處理下馬鈴薯色差值均低于空白水平,其中600 MPa處理效果最好;300 MPa處理下(120 min)色差值顯著(P<0.05)增大且高于空白組,說(shuō)明該處理下馬鈴薯褐變最嚴(yán)重。這可能由于壓力為300 MPa時(shí),一方面對(duì)多酚氧化酶活性鈍化不完全;另一方面該壓力下對(duì)馬鈴薯細(xì)胞損傷嚴(yán)重,增大了酶和底物的接觸面積,更利于酶促褐變的進(jìn)行。韓文娥[11]研究表明,在壓力為400 MPa時(shí),鮮切馬鈴薯褐變度超過(guò)未處理樣品值;當(dāng)壓力為≥500 MPa時(shí),褐變度出現(xiàn)顯著(P<0.05)下降的趨勢(shì)(P<0.05)且隨著貯藏時(shí)間上升的幅度很小,與本研究結(jié)果相似。

2.2 超高壓對(duì)鮮切馬鈴薯質(zhì)地的影響

超高壓對(duì)鮮切馬鈴薯硬度的影響如圖2A所示。相較空白,熱處理后的馬鈴薯硬度下降最大。可能是高溫導(dǎo)致細(xì)胞出現(xiàn)膨脹,存在壓縮損失,胞間層分離,同時(shí)細(xì)胞壁中的果膠物質(zhì)在高溫下發(fā)生β-消除反應(yīng)而降解所導(dǎo)致的[13]。相比熱處理,超高壓處理能夠更好的保持馬鈴薯硬度。然而相較空白,超高壓處理后馬鈴薯硬度均有一定程度的下降,

圖2 超高壓處理對(duì)鮮切馬鈴薯質(zhì)構(gòu)的影響Fig.2 Effect of ultra-high pressure treatment on the texture of fresh-cut potatoes注:不同字母則表示存在顯著差異(P<0.05),圖3～圖6同。

這是由于超高壓處理導(dǎo)致馬鈴薯組織細(xì)胞體積壓縮,生物高分子立體結(jié)構(gòu)受到破壞,引起氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價(jià)鍵變化以及蛋白質(zhì)、淀粉等大分子變性,對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成損傷,影響其硬度[14]。其中300 MPa 時(shí)硬度下降程度最大,相較空白下降了33.93%;壓力增大到500 MPa時(shí),其硬度出現(xiàn)逐漸回升的現(xiàn)象,繼續(xù)升高壓力,馬鈴薯硬度無(wú)顯著變化(P>0.05)。這一現(xiàn)象符合Basak等[15]的研究,HPP處理中,果蔬質(zhì)地的初始損失歸因于壓力的快速效應(yīng),也稱(chēng)為瞬時(shí)壓力軟化(IPS);隨后出現(xiàn)具有保持性的逐漸質(zhì)地恢復(fù)。參考Ans等[16]及國(guó)內(nèi)外大部分研究這一現(xiàn)象的產(chǎn)生主要由于HPP處理過(guò)程中果蔬細(xì)胞壁成分的變化,尤其是果膠和二價(jià)陽(yáng)離子。HPP處理下馬鈴薯細(xì)胞遭到破壞,導(dǎo)致其硬度下降,同時(shí)由于馬鈴薯作為高淀粉含量食品,超高壓及熱處理都在一定程度上使淀粉顆粒發(fā)生糊化,從而降低鮮切馬鈴薯硬度;但同時(shí)HPP促使細(xì)胞膜通透性增加,細(xì)胞壁相關(guān)酶、底物和陽(yáng)離子從細(xì)胞中的不同區(qū)室釋放出來(lái)并在HPP處理期間彼此相互作用。有研究表明果蔬的結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞后,果膠甲酯酶(PME)從細(xì)胞中釋放并與底物充分接觸,使高甲酯化果膠去甲基形成低甲酯化果膠,進(jìn)而通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合金屬離子,導(dǎo)致果蔬硬度增大[17]。同時(shí)根據(jù)Martin等[18]的研究,分析馬鈴薯細(xì)胞組織中的空氣在較高壓力作用下被全部排出,細(xì)胞間經(jīng)壓縮呈現(xiàn)緊密的排列,使硬度存在上升的趨勢(shì)。

咀嚼度表示將食物咀嚼到可吞咽狀態(tài)所做的功,可以從口感上對(duì)食品質(zhì)地進(jìn)行描述、區(qū)分,數(shù)值上用膠著性與彈性的乘積表示[19]。不同處理下鮮切馬鈴薯咀嚼度變化如圖1B所示,其中空白組咀嚼度為508.55 g,熱處理后鮮切馬鈴薯咀嚼度下降了51.88%。相對(duì)熱處理,超高壓處理后鮮切馬鈴薯咀嚼度具有一定的保持性。其中與空白相比,100 MPa下鮮切馬鈴薯咀嚼度顯著提高;300 MPa下咀嚼度下降為414.39 g;500 MPa處理后表現(xiàn)出回升的趨勢(shì);600 MPa處理后鮮切馬鈴薯咀嚼度與空白相比無(wú)顯著差異(P>0.05)。

2.3 超高壓處理對(duì)鮮切馬鈴薯細(xì)胞壁相關(guān)酶活性的影響

2.3.1 超高壓處理對(duì)鮮切馬鈴薯果膠酶活性的影響 多聚半乳糖醛酸酶(PG)和果膠甲酯酶(PME)是果膠物質(zhì)的關(guān)鍵代謝酶,PME使果膠去甲酯化,利于PG水解果膠,從而增加了AIR網(wǎng)絡(luò)的水合性質(zhì),影響細(xì)胞壁的完整性和堅(jiān)實(shí)度,促進(jìn)質(zhì)地軟化,PME促使多聚半乳糖醛酸(HGA)積累負(fù)電荷,HGA分子中帶負(fù)電荷的半乳糖醛酸殘基結(jié)構(gòu)域通過(guò)離子鍵與金屬離子締合,形成交聯(lián),增加了細(xì)胞壁強(qiáng)度并為大部分細(xì)胞提供了結(jié)合力;此外,低甲酯果膠不易發(fā)生β-消除反應(yīng),減小了果膠物質(zhì)的非酶降解,利于質(zhì)地保持[20]。

不同處理對(duì)鮮切馬鈴薯PME活性的影響如圖3A所示。相較空白,熱處理后馬鈴薯PME活性顯著(P<0.05)降低,說(shuō)明其具有熱不穩(wěn)定性。而100 MPa處理后PME活變化不顯著(P>0.05);300及500 MPa處理后,酶活性顯著提高(P<0.05);600 MPa下PME活性顯著下降(P<0.05),與Sila等[21]的研究結(jié)果相似。由此可知,馬鈴薯PME 酶具有一定的壓力穩(wěn)定性,不易被高壓鈍化。酶保持較高活性的原因一方面可能是超高壓處理(在相對(duì)較低的壓力水平下)降解了細(xì)胞組織,破壞生物膜,促進(jìn)酶和底物的接觸[22];另一方面歸因于超高壓促進(jìn)向體積減小方向進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生,而PME作用下果膠去甲氧基化,促使帶電游離羧基附近的水偶極子緊密排列,導(dǎo)致體積減少[23]。600 MPa下PME活性下降,分析可能600 MPa是鮮切馬鈴薯PME保持壓力穩(wěn)定性的臨界壓力,由于壓力范圍限制,未能對(duì)更高的壓力進(jìn)行討論。

圖3 超高壓處理對(duì)鮮切馬鈴薯果膠酶活性的影響Fig.3 Effect of ultrahigh pressure treatment on pectinase activity of fresh-cut potato

不同處理對(duì)鮮切馬鈴薯PG活性的影響如圖3B所示。熱處理后鮮切馬鈴薯PG活性相對(duì)對(duì)照仍保留72.46%,說(shuō)明馬鈴薯PG具有一定的耐熱性,熱處理下不易失活,Rodrigo等[24]研究也表明通過(guò)熱處理難以將PG酶敲除。超高壓處理相比對(duì)照,100 MPa下,PG活性提高,后隨壓力的增加,PG活性呈下降趨勢(shì);500 MPa下,PG活力下降43.25%,繼續(xù)升高壓力,對(duì)該酶的抑制效果加強(qiáng)。由于酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì),HPP處理迫使水分進(jìn)入蛋白質(zhì)基質(zhì)內(nèi)部導(dǎo)致其構(gòu)象解聚及改變,即疏水和靜電相互作用破壞蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu),由此破壞酶的活性中心。同時(shí)根據(jù)Le Chatelier原則分析,升高的壓力將抑制伴隨基質(zhì)與酶活性位點(diǎn)結(jié)合時(shí)體積增加的反應(yīng)[25]。綜合大部分研究表明隨著壓力的增加,PG活性迅速下降,但PME活性具有壓力穩(wěn)定性,甚至活化性。

2.3.2 超高壓處理對(duì)鮮切馬鈴薯纖維素酶活性的影響 纖維素酶根據(jù)其催化反應(yīng)功能的不同將纖維素酶分成三類(lèi):C1酶、Cx酶和β葡糖苷酶。C1酶是對(duì)纖維素最初起作用的酶,破壞纖維素鏈的結(jié)晶結(jié)構(gòu);Cx酶作用于經(jīng)C1酶活化的纖維素,分解β-1,4-糖苷鍵、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)軟化;β-葡糖苷酶可以將纖維二糖、纖維三糖及其他低分子纖維糊精分解為葡萄糖[26]。

超高壓處理對(duì)纖維素酶系的影響如圖4所示,鮮切馬鈴薯C1酶活性在100、500、600 MPa處理后相比空白顯著(P<0.05)升高,300 MPa下顯著降低(P<0.05)。其中在研究范圍內(nèi)500 MPa下C1酶活性最高,高于對(duì)照28.34%。繼續(xù)升高壓力,C1酶活性顯著(P<0.05)下降。熱處理相對(duì)超高壓(低于600 MPa)對(duì)C1酶抑制性強(qiáng)。

Cx酶活性變化見(jiàn)圖4B,結(jié)果顯示超高壓處理后鮮切馬鈴薯Cx酶活性水平均低于空白。β-葡萄糖苷酶隨壓力的變化趨勢(shì)與C1酶相同。壓力對(duì)纖維素酶具有雙向作用。一方面有研究表明離子濃度升高會(huì)抑制纖維素酶的活性,而超高壓及熱處理一定程度上均對(duì)馬鈴薯細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器產(chǎn)生不同程度的破壞,離子溶出,增加了細(xì)胞液的離子濃度[27]。另一方面在一定的壓力范圍,可促進(jìn)酶分子活性中心的催化基團(tuán)和結(jié)合基團(tuán)相互靠近并定向,有利于其余底物分子迅速形成過(guò)渡態(tài),加速酶促反應(yīng);當(dāng)壓力進(jìn)一步升高時(shí),酶活性中心的空間變小,阻礙了底物進(jìn)入活性中心,酶與底物結(jié)合力降低,導(dǎo)致酶促反應(yīng)降低[28]。本研究表明在一定的壓力范圍內(nèi)HPP處理對(duì)馬鈴薯β-葡萄糖苷酶及C1酶活性具有增強(qiáng)作用,而具體變化趨勢(shì)的確定有待進(jìn)一步探究;對(duì)Cx酶具有抑制作用,以上三種纖維素酶均在300 MPa下表現(xiàn)最低活性。

圖4 超高壓處理對(duì)鮮切馬鈴薯纖維素酶活性的影響Fig.4 Effect of ultra high pressure treatment on cellulase activity of fresh-cut potato

2.4 超高壓處理對(duì)鮮切馬鈴薯細(xì)胞壁物質(zhì)含量的影響

2.4.1 超高壓處理對(duì)鮮切馬鈴薯果膠含量的影響 果膠分子是以半乳糖醛酸(GalA)為主鏈結(jié)合多種單糖組成的雜多糖,其中主要為GalA,因此很多研究以GalA含量作為細(xì)胞壁總果膠含量的指標(biāo)[29]。由圖5A可以看出,熱處理由于高溫,果膠和細(xì)胞壁之間的結(jié)合力降低,導(dǎo)致果膠的提取量顯著增加(P<0.05)。因此,GalA含量的增加可能

圖5 超高壓處理對(duì)鮮切馬鈴薯果膠含量的影響Fig.5 Effect of ultra high pressure treatment on pectin contents of fresh-cut potato

是熱處理后馬鈴薯硬度降低的一個(gè)原因。Xie等[30]研究發(fā)現(xiàn)熱處理后蓮藕硬度與其GalA含量成負(fù)相關(guān)。同時(shí)HPP處理中100 MPa處理后馬鈴薯GalA含量較低,其硬度也得到了較好的保持。

果膠多糖通過(guò)化學(xué)鍵與細(xì)胞壁結(jié)合,根據(jù)結(jié)合方式不同,利用不同的溶劑進(jìn)行分級(jí)溶解,分為水溶性果膠(WSF)、螯合性果膠(CSF)和堿溶性果膠(NSF)。其中WSF通過(guò)非離子鍵或非共價(jià)鍵與細(xì)胞壁交聯(lián),是果膠總量的重要組成部分;CSF是通過(guò)離子鍵與細(xì)胞壁上二價(jià)陽(yáng)離子結(jié)合的果膠;NSP通過(guò)共價(jià)鍵與細(xì)胞壁多糖結(jié)合[31]。本研究分析了高壓處理對(duì)馬鈴薯細(xì)胞壁中的WSF、CSF 和NSF半乳糖醛酸含量的影響。

由圖5B～圖5D可知,空白組鮮切馬鈴薯果膠多糖的組成為WSF(65.34%)、CSF(14.94%)和NSF(19.69%),其中WSF是馬鈴薯果膠中含量最高的組分。在熱處理和HPP處理過(guò)程中,果膠組分含量均發(fā)生了變化。熱處理后,WSF含量顯著(P<0.05)增大,CSF和NSF含量都顯著下降(P<0.05),這一結(jié)果表明熱處理導(dǎo)致了果膠的降解和溶解,這與謝瑋[32]的研究結(jié)果相似。同時(shí)有研究表明熱處理導(dǎo)致大量組織軟化,其特征在于細(xì)胞分離增加,伴隨WSF的增加與CSF和NSF果膠的減少[33]。HPP處理中100 MPa處理后WSF含量顯著(P<0.05)下降,CSF和NSF含量顯著(P<0.05)增大。這種果膠組分的轉(zhuǎn)變可能是該壓力處理下馬鈴薯質(zhì)構(gòu)保持較好的原因之一。因?yàn)镃SF和NSF含量較多時(shí),果膠質(zhì)的穩(wěn)定性更好,不易解離,細(xì)胞間的粘合力較大。300 MPa下WSF含量與空白相比無(wú)顯著變化(P>0.05),CSF含量顯著(P<0.05)下降,而NSF含量顯著增大(P<0.05)。500 MPa下WSF含量與空白相比無(wú)顯著變化(P>0.05),NSF及CSF含量顯著增大(P<0.05)。超高壓處理下CSF的增加,可能是由于PME具有壓力穩(wěn)定性,PME作用下導(dǎo)致果膠分子酯化度下降,游離羧基增多,更易與組織中的金屬離子形成交聯(lián)。600 MPa下WSF、CSF含量顯著(P<0.05)下降,NSF含量顯著增大(P<0.05),同時(shí)600 MPa下馬鈴薯質(zhì)地相對(duì)于其他組較優(yōu),推測(cè)NSF含量對(duì)其質(zhì)地有一定的影響。NSF含量增大的原因可能是高壓作用下使果膠形成了可以與碳酸鹽結(jié)合的特定酯鍵[33]。姚佳[34]對(duì)萵筍三種組分果膠在高壓下變化進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在100、300、500 MPa處理后,NSP含量均顯著增大,認(rèn)為NSP含量是影響萵筍硬度的關(guān)鍵組分。綜上可知,馬鈴薯堅(jiān)硬度的喪失與總水溶性果膠的減少以及原代細(xì)胞壁和中間片層結(jié)構(gòu)的分解有關(guān)。

2.4.2 超高壓對(duì)鮮切馬鈴薯纖維素和半纖維素含量的影響 半纖維素(HC)含量可一定程度表達(dá)細(xì)胞壁組分的溶出和轉(zhuǎn)化,HC解聚和阿拉伯糖損失是細(xì)胞壁解聚的主要因素之一[35]。超高壓處理對(duì)鮮切馬鈴薯HC含量的影響如圖6A所示,HPP處理后馬鈴薯HC含量均低于空白,這為超高壓后鮮切馬鈴薯半乳糖醛酸含量的提高提供了解釋,由于半纖維素具有親水性能,利于細(xì)胞壁的潤(rùn)脹,可促進(jìn)果膠物質(zhì)的溶出;同時(shí)可增強(qiáng)纖維彈性以及纖維間的結(jié)合力,便于質(zhì)地的保持,這也可能是超高壓處理后鮮切馬鈴薯質(zhì)地有所下降的原因。Shi等[36]研究表明細(xì)胞壁代謝對(duì)果實(shí)質(zhì)地的影響主要通過(guò)改變HC含量來(lái)實(shí)現(xiàn)。Zhang等[37]在研究不同品種黑莓果肉硬度變化的原因時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)地較軟品種中具有較低水平的AIR、CSF、NSF和HC以及較高水平的WSF。然而熱處理后馬鈴薯HC含量顯著提高(P<0.05),這可能與熱處理中降低了相關(guān)酶活性,抑制了酶促降解有關(guān)。但熱處理后鮮切馬鈴薯質(zhì)地?fù)p失極其明顯,說(shuō)明質(zhì)地這一指標(biāo)不受單一因素影響。同時(shí)也有部分學(xué)者認(rèn)為HC含量與果蔬質(zhì)地變化之間沒(méi)有直接關(guān)系[38]。這可能與研究對(duì)象以及處理方法的不同有關(guān)。

圖6 超高壓處理對(duì)鮮切馬鈴薯半纖維素(HC) 和纖維素(CEL)含量的影響Fig.6 Effect of ultrahigh pressure treatment on fresh cut potato cellulose(CEL)and hemicellulose(HC)contents

鮮切馬鈴薯纖維素(CEL)含量的改變?nèi)鐖D6B所示。有部分研究表明,CEL含量與果蔬質(zhì)地成正比關(guān)系[35]。超高壓后鮮切馬鈴薯CEL含量相對(duì)空白有所提高,而熱處理后CEL含量顯著下降(P<0.05),

表1 馬鈴薯硬度、咀嚼度與細(xì)胞壁各組分及酶活力的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis between potato hardness,chewing degree and cell wall components and enzyme activity

注:*在0.05水平(雙側(cè))顯著相關(guān);**在0.01水平(雙側(cè))極顯著相關(guān);-代表兩組變量相同。

這可能是超高壓相對(duì)熱處理能夠保持良好質(zhì)地的原因。這與纖維素酶活性結(jié)果不呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。有研究表明纖維素酶活性與其的轉(zhuǎn)錄水平不完全一致,即當(dāng)纖維素酶活性降低時(shí),其表達(dá)未顯示下降,CEL含量得到了保持,這表明纖維素酶活性可能受翻譯后機(jī)制的調(diào)節(jié)[39]。

2.5 超高壓處理下鮮切馬鈴薯果實(shí)質(zhì)構(gòu)、細(xì)胞壁成分含量和酶活性的相關(guān)分析

由表1可知,超高壓處理后鮮切馬鈴薯硬度、咀嚼度與CSF、NSF、CEL含量呈顯著或極顯著(P<0.05或P<0.01)正相關(guān),與WSF含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與HC含量相關(guān)性不顯著。PME活性及纖維素酶活性對(duì)馬鈴薯質(zhì)構(gòu)影響較大,呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.05或P<0.01)。其中纖維素酶與CEL含量在表達(dá)上不一致,與HC含量呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)。CEL和HC交織而成的細(xì)胞壁經(jīng)緯結(jié)構(gòu)的變化及胞間層果膠物質(zhì)的降解是影響果實(shí)質(zhì)地的主要因素,這一過(guò)程受PG、PME等多種酶的影響。超高壓處理后鮮切馬鈴薯硬度與咀嚼度高度正相關(guān),兩者與WSF含量呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān),由于WSF含量升高意味著果膠溶解性增大,胞間結(jié)合力降低,熱處理后WSF含量的顯著(P<0.05)增大,是該處理下質(zhì)地指標(biāo)下降的主要因素;與CSF含量呈正相關(guān),CSF作為離子螯合型果膠,其含量的提高有利于增強(qiáng)果膠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,抑制其降解。

超高壓處理可維持甚至增大PME活性,而PME有利于果膠與金屬離子交聯(lián),可促進(jìn)WSF向CSF的轉(zhuǎn)化,這是超高壓處理相比傳統(tǒng)熱處理能較好地維持鮮切馬鈴薯質(zhì)地的原因之一。同時(shí)相關(guān)性分析表明,PME與硬度、咀嚼度及CSF含量呈顯著正相關(guān),這說(shuō)明PME一定程度上利于鮮切馬鈴薯質(zhì)地的保持。NSF與硬度、脆度均呈顯著或極顯著正相關(guān),且超高壓處理后馬鈴薯NSP含量顯著增大,這說(shuō)明NSF含量可能與馬鈴薯質(zhì)地的硬度和咀嚼度有關(guān),但具體關(guān)系需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)論證說(shuō)明。超高壓處理后鮮切馬鈴薯HC含量下降,但相關(guān)性分析顯示HC與硬度、咀嚼度無(wú)顯著相關(guān)性;高CEL含量有利于馬鈴薯質(zhì)地的保持。超高壓處理對(duì)纖維素酶存在雙向影響,其在果實(shí)質(zhì)地形成中的作用還需要進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

熱處理及一定壓力下的HPP處理對(duì)鮮切馬鈴薯的色澤具有保持作用,其中HPP壓力(≥500 MPa)可以很好地抑制鮮切馬鈴薯的褐變,但300 MPa下處理鮮切馬鈴薯片褐變程度高于空白組。HPP處理導(dǎo)致鮮切馬鈴薯硬度相對(duì)空白顯著下降(P<0.05),在壓力500 MPa時(shí)出現(xiàn)回升趨勢(shì);咀嚼度在100 MPa下相對(duì)空白顯著(P<0.05)提高,后隨升高壓力下降,顯著(P<0.05)低于空白水平,500 MPa下表現(xiàn)出回升的趨勢(shì)繼續(xù)升至600 MPa后與空白無(wú)顯著差異(P>0.05);同時(shí)鮮切馬鈴薯的質(zhì)地指標(biāo),硬度與咀嚼度,具有高度相關(guān)性。相較傳統(tǒng)熱處理,HPP能夠更好的保持馬鈴薯質(zhì)地。HPP改變了馬鈴薯細(xì)胞壁相關(guān)酶活及多糖的組成含量,從而影響了其質(zhì)地。其中馬鈴薯PME活性表現(xiàn)出壓力穩(wěn)定性及熱不穩(wěn)定性;HPP抑制PG活性;在一定的壓力范圍內(nèi)HPP處理對(duì)馬鈴薯β-葡萄糖苷酶及C1酶活性具有增強(qiáng)作用;對(duì)Cx酶具有抑制作用,以上三種纖維素酶均在300 MPa下表現(xiàn)最低活性。HPP處理后鮮切馬鈴薯CEL、CSF、NSF含量提高,WSF、HC含量下降。馬鈴薯質(zhì)地與GalA含量呈負(fù)相關(guān),CSF與NSF含量的提高,能保持馬鈴薯質(zhì)地。WSF、CSF、NSF、CEL 4種細(xì)胞壁物質(zhì)和PME、纖維素酶活力在超高壓處理后的變化,是引起鮮切馬鈴薯質(zhì)地差異的主要因素。接下來(lái)將對(duì)細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀的觀察,同時(shí)進(jìn)一步分析細(xì)胞壁多糖的單糖組成,以完善HPP處理對(duì)鮮切馬鈴薯質(zhì)地影響的機(jī)制。