鄭萬(wàn)財(cái),白羽嘉,馮作山1,,阿衣古麗·阿力木,丁澤人,胡衛(wèi)成
1(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園藝學(xué)院,新疆 烏魯木齊,830052)2(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052)3(新疆果品采后科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊,830052)
新疆天山北麓地區(qū)具有典型的大陸性氣候的特點(diǎn),光熱資源豐富,氣候條件、土壤、水資源完全滿足生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)葡萄原料的條件,是我國(guó)面積最大的釀酒葡萄產(chǎn)區(qū)[1-2]。但葡萄采收季節(jié)干旱少雨、光照強(qiáng)度高、晝夜溫差大,葡萄采后易失水從而造成葡萄中酚類物質(zhì)的損失,使釀造的葡萄酒糖高、酸低、色澤不穩(wěn)定[3]。葡萄中的酚類物質(zhì)主要來(lái)源于葡萄皮下組織,是葡萄酒中最主要的有效成分[4-5]。葡萄中酚類物質(zhì)成分復(fù)雜,與葡萄酒的口感、色澤、香氣密切相關(guān)[6]。葡萄酒中酚類物質(zhì)變化不僅受到葡萄生長(zhǎng)過(guò)程的積累,還受葡萄采后運(yùn)輸、加工、貯藏等多方面的影響[7-8]。
葡萄采后酚類物質(zhì)的降解主要是與氧接觸后發(fā)生酶促褐變,完整的葡萄果實(shí)中,酚類物質(zhì)主要存在于液泡中,酶促褐變底物多酚氧化酶則存在于細(xì)胞質(zhì)中,兩者并未發(fā)生接觸[9-10]。葡萄采后失水會(huì)使葡萄表皮蠟質(zhì)層及細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,溫度和水分脅迫加速了中果皮細(xì)胞的萎縮和調(diào)亡,在不同溫度水分脅迫下,葡萄采后失水使酚類物質(zhì)與氧及多酚氧化酶發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致酚類物質(zhì)的降解[11]。據(jù)報(bào)道[12],在7 ℃和35%相對(duì)濕度條件下葡萄質(zhì)量損失達(dá)30%和40%時(shí),葡萄失水增加了其糖酸含量及抗氧化活性,影響了葡萄中酚類物質(zhì)的含量,葡萄采后失水使葡萄品質(zhì)特性發(fā)生變化。在真空條件下,不同溫度(50、60、70、80和90 ℃)對(duì)葡萄果實(shí)處理發(fā)現(xiàn)干燥溫度對(duì)酚類化合物有顯著影響,真空干燥后各溫度抗氧化活性均降低,結(jié)果表明葡萄采后酚類物質(zhì)變化與失水率、失水溫度密切相關(guān)[13]。目前葡萄酚類物質(zhì)的研究主要集中在葡萄成熟、釀造過(guò)程中其種類和含量的變化、葡萄酒中酚類物質(zhì)組成及其與抗氧化活性的關(guān)系[14],對(duì)于釀酒葡萄采后失水對(duì)酚類物質(zhì)與細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響研究相對(duì)較少。
釀酒葡萄采后失水可應(yīng)用于釀造甜型、半甜型葡萄酒[15-16],進(jìn)一步研究葡萄采后失水機(jī)理,優(yōu)化采后失水條件有利于釀造特種加強(qiáng)型葡萄酒。新疆干燥的氣候條件易使葡萄發(fā)生失水反應(yīng),為釀造甜型、半甜型葡萄酒創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢(shì),目前葡萄采后失水過(guò)程中生理變化機(jī)制尚不明確,明確葡萄采后失水過(guò)程中生理生化機(jī)制,為開發(fā)新的釀酒工藝及其設(shè)備提供必要的數(shù)據(jù)參考,為促進(jìn)新疆葡萄酒產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展奠定理論依據(jù)。
挑選完全成熟“赤霞珠”葡萄(新疆農(nóng)業(yè)科技園)可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%~21%,濕基含水率為77.10%,果實(shí)色澤深紫、大小均勻(直徑為1.25 mm)、單果平均果質(zhì)量1.02 g,無(wú)病害、無(wú)損傷的果實(shí)為試驗(yàn)材料。蘆丁、沒食子酸、單寧酸標(biāo)準(zhǔn)品,美國(guó) Sigma 北京分公司;NaOH、H3PO4、HCl、甲醇、Na2HPO3、無(wú)水醋酸鈉、NaH2CO4、鎢酸鈉、磷鉬酸、NaNO2、Al(NO3)3、乙醇(分析純),天津光復(fù)科技有限公司;福林肖卡試劑(優(yōu)級(jí)純),北京索萊寶科技有限公司;Na2HPO4、Na2PO4、丙酮、環(huán)氧樹脂、戊二醛(分析純),生工生物(上海)股份有限公司。
HR 手持折光儀,上海儀邁儀器科技有限公司;WB20004 電子天平,上海方瑞儀器有限公司;TU-1810紫外-可見分光光度計(jì),北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;TGL-16 gR高速冷凍離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;UC6超薄切片機(jī),德國(guó)徠卡(Leica)儀器有限公司;JEOLM-1230透射電鏡,日本電子株式會(huì)社;DHG-9123A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海一恒科技有限公司;CS101型電熱恒溫恒濕干燥箱,烏魯木齊電器設(shè)備制造廠,經(jīng)本實(shí)驗(yàn)室改造后,可對(duì)樣品質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)和顯示。
1.3.1 樣品的制備
所取樣品隨機(jī)分為15組,每組2 kg,將各組葡萄平鋪于干燥箱中,分別在溫度25 ℃和45 ℃,相對(duì)濕度<20%,風(fēng)速1 m/s條件下進(jìn)行失水處理,分別在12、24、36、48、72 h時(shí)取樣并測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。另根據(jù)失水過(guò)程中的質(zhì)量,分別在質(zhì)量損失20%、40%、60%時(shí)取樣,以備于葡萄皮超微結(jié)構(gòu)的觀察。
1.3.2 葡萄皮中酚類物質(zhì)的提取
采用超聲輔助法進(jìn)行提取,準(zhǔn)確稱取3.00 g葡萄皮,用30 mL酸化甲醇溶液(1 mol/L HCl-甲醇-水,體積比1∶80∶19),在100 W、25 ℃功率條件下超聲輔助提取30 min,然后8 000 r/min, 4 ℃離心15 min,收集上清液,重復(fù)3次,合并提取液。
1.3.3 葡萄皮中酚類物質(zhì)的測(cè)定
采用手持折光儀測(cè)定可溶性固形物含量;總酚含量測(cè)定采用福林-肖卡法[17];總花色苷含量測(cè)定采用pH示差法[18];總黃酮的測(cè)定[19];單寧含量的測(cè)定采用福林-丹尼斯法[17]。
1.3.4 葡萄皮超微結(jié)構(gòu)觀察
用雙面刀片將“赤霞珠”葡萄果皮切成1 mm×1 mm×2 mm大小的塊,用4%戊二醛(0.1 mol/L磷酸緩沖液配制,pH 7.2)在4 ℃下前固定2 h。用pH 7.2的磷酸緩沖液漂洗3次,每次15 min。用1%鋨酸(磷酸緩沖配制)4 ℃后固定2 h,用磷酸緩沖沖洗漂洗3次,每次30 min。用50%、70%、80%、90%、100%丙酮梯度脫水,各級(jí)30 min。環(huán)氧樹脂EPon-812滲透包埋,37 ℃烘箱聚合12 h后,于45 ℃聚合12 h,最后在60 ℃下聚合24 h。用超薄切片機(jī)切成60 nm的薄片,再經(jīng)鉛鈾電子染色后,透射電鏡觀察拍照。
1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 8.5軟件作圖,并采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析,采用鄧肯氏多重比較法進(jìn)行差異分析,P<0.05表示差異顯著。
葡萄在采后失水過(guò)程中重量下降,可溶性固形物含量上升。由圖1可知,采后新鮮葡萄果實(shí)葡萄總重為2 kg,可溶性固形物為28.1 °Brix,25 ℃和45 ℃失水72 h后,總質(zhì)量分別為1.76、1.47 kg,可溶性固形物分別為32.4 °Brix、41.1 °Brix,隨著葡萄采后失水處理時(shí)間的延長(zhǎng),葡萄發(fā)生失水及代謝反應(yīng),導(dǎo)致葡萄質(zhì)量在不斷下降,整個(gè)失水過(guò)程中,45 ℃葡萄失水量。大于25 ℃處理組葡萄失水量葡萄在失水過(guò)程中,可溶性固形物含量整體呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì),0~24 h處理中25 ℃組和45 ℃組處理可溶性固形物含量升趨勢(shì)基本一致,24 h后45 ℃處理組上升速率顯著大于25 ℃處理組。
圖1 葡萄采后失水對(duì)總重和可溶性固形物含量的影響Fig.1 Effect of postharvest dehydration on total weight and soluble solid content of grape注:*表示差異顯著(P<0.05)(下同)
酚類物質(zhì)與葡萄的色澤、品質(zhì)和風(fēng)味等作用密切相關(guān),對(duì)葡萄的貯藏、加工性能、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和醫(yī)療保健作用都具有重要影響。由圖2可知,采后新鮮葡萄果實(shí)皮中總酚含量為21.70 mg/g,隨著葡萄采后失水處理時(shí)間的延長(zhǎng),0~12 h葡萄總酚含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì),12 h后25 ℃和45 ℃處理組均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),且45 ℃處理組總酚含量下降速率顯著大于25 ℃處理組,72 h時(shí)均達(dá)到最小值,分別為27.97 mg/g和14.32 mg/g,CK、25 ℃處理組在72 h時(shí)的總酚含量是45 ℃處理組的1.93和1.95倍。總酚含量隨著失水處理整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。有研究表明,20 ℃葡萄采后失水10%時(shí)白藜蘆醇和兒茶素含量顯著增加;失水20%時(shí)酚酸含量顯著增加;花色苷在10 ℃和20 ℃顯著增加,在30 ℃時(shí)下降;PPO酶活在10 ℃時(shí)活性持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),在20 ℃和30 ℃時(shí)活性持續(xù)下降;苯丙烷代謝相關(guān)酶活基因在10 ℃時(shí)表達(dá)上調(diào),在30 ℃時(shí)表達(dá)下調(diào)。說(shuō)明葡萄中酚類物質(zhì)變化在采后失水中受溫度影響較大[20]。
圖2 葡萄采后失水對(duì)皮中總酚含量的影響Fig.2 Effect of postharvest dehydration on total phenolics content in the skin
花色苷是葡萄酒中的主要呈色物質(zhì),對(duì)葡萄酒色澤至關(guān)重要[21-22]?;ㄉ辗€(wěn)定性受溫度影響非常大,并且花色苷的熱穩(wěn)定性與其結(jié)構(gòu)、pH、氧以及體系中其他化合物的反應(yīng)有關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí),花色苷轉(zhuǎn)化為無(wú)色的查爾酮和甲醇假堿,最后查爾酮迅速降解,生成苯甲酸及2,4,6-三羥基苯甲醛等終產(chǎn)物[23-24]。由圖3可知,采后新鮮葡萄果實(shí)皮中花色苷含量為3.38 mg/g,隨著葡萄采后失水處理時(shí)間的延長(zhǎng),0~12 h葡萄25 ℃處理呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),45 ℃處理在0~24 h時(shí)花色苷含量變化無(wú)顯著性差異,24 h后呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),且45 ℃處理下降速率總體顯著大于25 ℃處理組,其中,25 ℃失水處理在48 h達(dá)到最小值2.61 mg/g。45 ℃失水處理在72 h達(dá)到最小值0.73 mg/g,花色苷含量隨著失水處理整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。但25 ℃處理組在0~12 h有顯著上升的趨勢(shì),隨著失水程度的升高,細(xì)胞破裂,導(dǎo)致花色苷分子的擴(kuò)散和流動(dòng),與細(xì)胞間隙中所含氧氣、空氣中的氧氣接觸,致使其發(fā)生花色苷的氧化反應(yīng)[25]。葡萄酒的色素主要來(lái)源于葡萄皮中的花色苷,葡萄采后失水花色苷含量的變化直接影響葡萄酒的色澤和品質(zhì)。
圖3 葡萄采后失水對(duì)皮中總花色苷含量的影響Fig.3 Effect of postharvest dehydration on total anthocyanin content in the skin
黃酮類化合物是自然界存在的酚類化合物的最大類別之一,黃酮類化合物主要來(lái)自于葡萄皮、葡萄籽及果梗,在紅葡萄酒中占酚類物質(zhì)的80%以上[26]。由圖4可知,采后新鮮葡萄果實(shí)總黃酮含量為19.23 mg/g,隨著采后失水時(shí)間的延長(zhǎng),總黃酮含量隨著葡萄失水處理時(shí)間呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。72 h處理結(jié)束時(shí)25 ℃總黃酮含量為27.58 mg/g,45 ℃失水達(dá)到最小值13.33 mg/g。葡萄皮中總黃酮含量受溫度和時(shí)間影響較大,與25 ℃處理組相比45 ℃處理在36~72 h處理時(shí)黃酮含量急劇下降。
圖4 葡萄采后失水對(duì)皮中總黃酮含量的影響Fig.4 Effect of postharvest dehydration on the total flavonoids content in the skin
單寧是主要的酚類物質(zhì),對(duì)葡萄酒的滋味與口感有顯著影響。由圖5可知,采后新鮮葡萄果實(shí)皮中單寧含量為18.33 mg/g,隨著葡萄采后失水處理時(shí)間延長(zhǎng),0~12 h葡萄單寧含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì),12 h后25 ℃處理和45 ℃處理單寧含量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),且45 ℃處理組單寧含量下速率勢(shì)顯著大于25 ℃處理組,失水處理葡萄皮中單寧72 h均達(dá)到最小值,25 ℃和45 ℃單寧含量分別為18.84 mg/g和11.48 mg/g,25 ℃處理組在72 h時(shí)單寧含量高于采后新鮮葡萄,45 ℃處理組在72 h時(shí)單寧含量明顯低于采后新鮮葡萄果實(shí)。葡萄中單寧含量隨著葡萄失水處理整體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),45 ℃處理組單寧降解顯著大于25 ℃處理組。
圖5 葡萄采后失水對(duì)皮中單寧含量的影響Fig.5 Effect of postharvest dehydration on tannin content in the skin
新鮮葡萄果皮細(xì)胞,細(xì)胞核、葉綠體、細(xì)胞壁清晰可見。如圖6中的A,在透射電鏡下葡萄果皮細(xì)胞呈不規(guī)則狀分布,液泡占細(xì)胞體積較大;細(xì)胞核結(jié)構(gòu)完整,具有清晰的雙層膜結(jié)構(gòu),染色質(zhì)均勻地分散在細(xì)胞質(zhì)中,細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整,細(xì)胞壁和細(xì)胞膜結(jié)合緊密;細(xì)胞壁均勻致密,結(jié)構(gòu)清晰;葉綠體有完整的細(xì)胞膜,葉綠體內(nèi)有較多的淀粉顆粒,可以觀察到數(shù)量較多的線粒體。
隨著葡萄不斷失水,細(xì)胞核、葉綠體發(fā)生降解,細(xì)胞壁發(fā)生變形,不斷出現(xiàn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象,且溫度越高現(xiàn)象越明顯。如圖6中的B,質(zhì)量損失20%時(shí),25 ℃處理組細(xì)胞核結(jié)構(gòu)完整,具有清晰的雙層膜結(jié)構(gòu),染色質(zhì)出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象;細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)整齊,結(jié)構(gòu)清晰。與對(duì)照組相比,細(xì)胞結(jié)構(gòu)無(wú)明顯差異,細(xì)胞質(zhì)壁分離現(xiàn)象不明顯,可以觀察到數(shù)量較多的線粒體。45 ℃處理組細(xì)胞核結(jié)構(gòu)完整,具有清晰的雙層膜結(jié)構(gòu),染色質(zhì)出現(xiàn)大量凝結(jié)現(xiàn)象,細(xì)胞壁和細(xì)胞膜出現(xiàn)質(zhì)壁分離;細(xì)胞壁整齊,但發(fā)生收縮變形;葉綠體數(shù)量減少,嗜鋨顆粒明顯增多,由于液泡膜的破壞,細(xì)胞基質(zhì)中出現(xiàn)囊泡。如圖6中的C,質(zhì)量損失40%時(shí),25 ℃處理組,細(xì)胞核已經(jīng)降解消失,細(xì)胞質(zhì)發(fā)生大量凝聚,出現(xiàn)明顯的質(zhì)壁分離現(xiàn)象;細(xì)胞壁發(fā)生變形、凝聚;細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)大量嗜鋨顆粒明顯增多和囊泡。45 ℃處理組細(xì)胞核已經(jīng)降解消失,細(xì)胞質(zhì)發(fā)生大量凝聚,質(zhì)壁分離現(xiàn)象嚴(yán)重;細(xì)胞壁發(fā)生凝集、降解。葉綠體、線粒體數(shù)量明顯減少,嗜鋨顆粒和囊泡大量出現(xiàn)。如圖6中的D,質(zhì)量損失60%時(shí)25 ℃處理組,細(xì)胞核降解消失,細(xì)胞質(zhì)高度凝結(jié);細(xì)胞壁不再致密,質(zhì)壁分離嚴(yán)重。由于細(xì)胞器的融合降解,細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)大量空洞。45 ℃處理組細(xì)胞核降解消失,細(xì)胞質(zhì)松散凝結(jié);細(xì)胞壁和細(xì)胞膜質(zhì)壁分離;細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)大量嗜鋨顆粒和囊泡,細(xì)胞器降解消失。
嗜鋨顆粒是葉綠體類囊體膜降解以及脂質(zhì)類降解物聚集的結(jié)果,其出現(xiàn)作為細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和色素瓦解的積累產(chǎn)物[27],葉綠體“囊泡化”是植物在逆境脅迫下普遍產(chǎn)生的共同現(xiàn)象[28]。URCAN 等[15]研究認(rèn)為,在較高溫度條件下脫水時(shí),溫度脅迫導(dǎo)致葡萄不斷失水,阻止氧氣的進(jìn)入,脫水使表皮破損有利于酚類化合物轉(zhuǎn)移至果肉中,但低溫失水易與氧氣接觸發(fā)生褐變。ROGIERS等[29]分析發(fā)現(xiàn)果皮表面蠟質(zhì)層在果實(shí)成熟后基本保持穩(wěn)定,葡萄采后蠟質(zhì)層不斷減少,從而使葡萄表皮蒸騰速率加強(qiáng)。BONADA等[30]研究葡萄采后溫度對(duì)細(xì)胞凋亡的影響結(jié)果顯示,升高溫度加速了葡萄采后中果皮細(xì)胞的死亡和萎縮。研究結(jié)果表明,葡萄采后不同溫度失水使葡萄表皮發(fā)生皺縮、破裂、凋亡,葡萄中的酚類物質(zhì)在失水過(guò)程中不斷發(fā)生氧化降解,失水溫度越高越顯著。酚類物質(zhì)的氧化降解與葡萄表皮的皺縮、破裂、凋亡密切相關(guān)。與上述研究結(jié)果基本一致。
A-采后新鮮葡萄果皮;B-質(zhì)量損失20%處理組;C-質(zhì)量損失40%處理組;D-質(zhì)量損失60%處理組Ⅰ、Ⅱ分別為25 ℃和45 ℃失水處理圖6 葡萄采后失水對(duì)皮超微結(jié)構(gòu)的影響Fig.6 Effect of postharvest dehydration on the ultrastructure of the skin
隨著葡萄采后失水時(shí)間的變化,45 ℃失水質(zhì)量下降較25 ℃失水快。失水過(guò)程中葡萄可溶性固形物含量呈上升趨勢(shì),失水后期45 ℃失水固形物含量顯著高于25 ℃處理組??偡印⒖偦ㄉ?、單寧、總黃酮含量隨著葡萄失水均呈現(xiàn)初期上升后下降趨勢(shì),45 ℃處理組降解速率顯著大于25 ℃處理組,失水初期葡萄失水速率較快,葡萄受到失水應(yīng)激反應(yīng),失水初期酚類物質(zhì)呈現(xiàn)一定的上升趨勢(shì),后期隨著細(xì)胞的破裂死亡,與氧氣接觸后發(fā)生氧化降解,酚類物質(zhì)含量不斷下降。通過(guò)細(xì)胞表皮電鏡觀察,采后新鮮葡萄果實(shí)細(xì)胞表皮細(xì)胞呈扁平狀,液泡占細(xì)胞體積較大;細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整,細(xì)胞中葉綠體數(shù)量較多且有一定的淀粉顆粒;細(xì)胞質(zhì)中染色質(zhì)分散均勻。隨著葡萄不斷失水,葡萄表皮細(xì)胞發(fā)生嚴(yán)重的皺縮、變形、死亡。
結(jié)合采后失水過(guò)程中各指標(biāo)含量的檢測(cè)分析與細(xì)胞表皮電鏡觀察,葡萄失水導(dǎo)致其質(zhì)量不斷下降、可溶性固形物含量升高,采后失水使葡萄中的水分散失,糖類物質(zhì)發(fā)生濃縮結(jié)晶,葡萄皮細(xì)胞發(fā)生皺縮、破裂、細(xì)胞器消失、最終細(xì)胞發(fā)生凋亡。較高失水溫度加速了葡萄采后失水速率,由于細(xì)胞中內(nèi)容物溢流至細(xì)胞外,其中多酚氧化酶及酚類物質(zhì)與外界氧氣充分接觸,使葡萄皮中總花色苷、總黃酮、單寧等酚類物質(zhì)發(fā)生氧化降解,故其含量不斷下降。通過(guò)采后失水的方式釀造甜型葡萄酒,需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件以防酚類物質(zhì)的降解。葡萄采后失水機(jī)制還需進(jìn)一步的研究,以確定其采后失水代謝通路與關(guān)鍵代謝產(chǎn)物,以期為后續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。