鄭凱,張敏,2,3*,方佳琪,凌玉,李奇勛,賈淼
1(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院,上海,201306)2(食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(上海海洋大學(xué)),上海,201306) 3(上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái),上海,201306)
西葫蘆(CucurbitapepoL.)原產(chǎn)于北美洲,因其易于種植管理、口感甜脆[1],故自引進(jìn)至我國(guó)種植后備受種植戶和消費(fèi)者的青睞。然而采后果蔬仍是獨(dú)立的生命體,依舊進(jìn)行著呼吸作用,不斷地消耗果蔬體內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)[2],西葫蘆也不例外。為抑制呼吸作用、防止腐敗變質(zhì),采后果蔬常常貯藏于低溫環(huán)境中[3-4]。但對(duì)低溫敏感的西葫蘆而言,長(zhǎng)時(shí)間的低溫脅迫極易發(fā)生冷害,會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。恒溫?zé)崽幚碜鳛橐环N無(wú)毒無(wú)害、可以高效保障果蔬貯藏品質(zhì)的綠色物理保鮮方法,受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。有研究發(fā)現(xiàn),恒溫?zé)崽幚砜梢哉T導(dǎo)活性氧信號(hào)分子最終減輕哈密瓜[5]果實(shí)的冷害傷害,提高黃瓜[6-7]、軟棗獼猴桃[8]的抗氧化酶活性,保障中華壽桃[9]、蜜橘[10]等果實(shí)的貯藏品質(zhì)。西葫蘆作為營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、在低溫環(huán)境中易遭受冷害傷害的蔬菜,同樣備受學(xué)者關(guān)注[11-12]。
隨著研究廣度的拓寬,階躍升溫?zé)崽幚碓诓珊蠊哔A藏保鮮方面也有了相應(yīng)研究。尹海蛟等[13]研究發(fā)現(xiàn),階躍式升溫可以影響番茄生物節(jié)律,保障較好的貯藏保鮮效果;SHADMANI等[14]研究發(fā)現(xiàn),番木瓜經(jīng)42 ℃熱水浸泡30 min后于49 ℃熱水浸泡20 min能有效地減輕番木瓜冷害傷害;王會(huì)松等[15-16]研究發(fā)現(xiàn),階躍式升溫能夠保持哈密瓜和甜瓜體內(nèi)較高的蔗糖和乳酸通量,進(jìn)而保證良好的貯藏品質(zhì)。但是關(guān)于階躍升溫?zé)崽幚磉^(guò)程中,西葫蘆果實(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)變化的研究報(bào)道較少,而階躍升溫?zé)崽幚砑夹g(shù)與恒溫?zé)崽幚砑夹g(shù)對(duì)采后果蔬低溫貯藏期間貯藏品質(zhì)及活性氧代謝影響的對(duì)比研究報(bào)道也不多。因此,本文以西葫蘆為試驗(yàn)材料,測(cè)定階躍升溫?zé)崽幚韺?duì)低溫貯藏期間西葫蘆品質(zhì)指標(biāo)和生理指標(biāo)的影響,并同步監(jiān)測(cè)2種熱處理方式下西葫蘆組織溫度分布變化,探索組織在階躍升溫?zé)崽幚磉^(guò)程中溫度變化與其貯藏品質(zhì)及活性氧代謝的關(guān)系。
本試驗(yàn)以完全成熟的“綠豐”西葫蘆為試驗(yàn)材料,2019年12月采摘于上海市浦東新區(qū)臨港當(dāng)?shù)剞r(nóng)場(chǎng),采摘后用泡沫網(wǎng)包裹裝于泡沫箱并在3 h內(nèi)送到實(shí)驗(yàn)室。挑選長(zhǎng)度為(20±1) cm,直徑(6±1) cm,無(wú)機(jī)械損傷,無(wú)病蟲(chóng)害,色澤鮮亮的西葫蘆129根。
前期的研究結(jié)果表明,西葫蘆的機(jī)體初始溫度對(duì)熱處理效果有著顯著的影響[12],為消除西葫蘆個(gè)體間不同機(jī)體溫度對(duì)試驗(yàn)的影響,將所有試驗(yàn)西葫蘆平鋪在溫度(20±1) ℃,相對(duì)濕度80%的恒溫恒濕箱中復(fù)溫。依據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)得出的結(jié)果[17],將所有試驗(yàn)西葫蘆隨機(jī)分成A組(階躍升溫?zé)崽幚?,即先浸沒(méi)在裝有32 ℃熱水的電熱恒溫水浴箱中,14 min后迅速將西葫蘆轉(zhuǎn)至另一個(gè)44 ℃恒溫水浴箱中浸泡14 min;B組(恒溫?zé)崽幚?,將西葫蘆浸沒(méi)在溫度恒為44 ℃的熱水中28 min;CK組,在20 ℃的清水中浸沒(méi)28 min。所有西葫蘆表面水分瀝干后,送入溫度(4±0.5) ℃,相對(duì)濕度(80±5)%的冷庫(kù)中貯藏15 d,每隔5 d進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)測(cè)定和冷害評(píng)定。
1.2.1 試劑
總超氧化物歧化酶(total superoxide dismutase, SOD,T-SOD)測(cè)試盒(貨號(hào)A001-1)、過(guò)氧化氫酶(catalase,CAT)測(cè)試盒(貨號(hào)A007-1-1)、谷胱甘肽(reduced glutathione,GSH)測(cè)試盒(貨號(hào)A006-1-1)、丙二醛(malondialdehyde,MDA)測(cè)試盒(貨號(hào)A003-1)、抗超氧陰離子自由基及產(chǎn)生超氧陰離子自由基測(cè)試盒(貨號(hào)A052),南京建成生物工程研究所;植物過(guò)氧化物酶(peroxidase,POD)檢測(cè)試劑盒(貨號(hào)R30312),上海蘭拓生物科技有限公司。
1.2.2 儀器設(shè)備
BPS-100CA恒溫恒濕試驗(yàn)箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;WTC10002電子天平,杭州萬(wàn)特衡器有限公司;GY-4-J數(shù)顯式水果硬度測(cè)試儀,浙江托普儀器有限公司;WAY-2S數(shù)顯阿貝折射儀、DDSJ-308A電導(dǎo)率儀,上海笛柏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;HZ-82A恒溫振蕩箱,江蘇省金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠;HSWX-600BS電熱恒溫水溫箱,上海圣科儀器設(shè)備有限公司;TGL-20bR高速臺(tái)式冷凍離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;UV-7504紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;F2640多點(diǎn)溫度采集儀,美國(guó)福祿克電子儀器儀表公司。
1.3.1 冷害的評(píng)定
冷害的評(píng)定按西葫蘆表皮出現(xiàn)水浸斑和凹陷的面積大小進(jìn)行分級(jí),結(jié)果以冷害指數(shù)來(lái)表征,具體評(píng)定參照Z(yǔ)HANG等[11]所述的方法。無(wú)冷害,0級(jí);輕微冷害,1級(jí),0%<冷害面積≤25%;中度冷害,2級(jí),25%<冷害面積≤50%;嚴(yán)重冷害,3級(jí),50%<冷害面積≤75%;極嚴(yán)重冷害,4級(jí),75%<冷害面積≤100%。按公式(1)計(jì)算,冷害指數(shù)單位為%。
(1)
1.3.2 果實(shí)失重率、硬度、色差和可溶性固形物的測(cè)定
果實(shí)失重率的測(cè)定采用姜雪等[12]的方法。在每實(shí)驗(yàn)組隨機(jī)指定6根西葫蘆,測(cè)量第0天的初始質(zhì)量m0,并稱量第5、10、15天的質(zhì)量(mi)予以比較。果實(shí)失重率計(jì)算如公式(2)所示:
(2)
果實(shí)硬度參考ZHANG等[11]的方法,采用數(shù)顯式水果硬度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)定,其結(jié)果以kg/cm2表示。
果實(shí)的色差用色差儀來(lái)測(cè)定,每試驗(yàn)組指定3根西葫蘆作為色差測(cè)定對(duì)象,測(cè)量西葫蘆果皮在第0、5、10、15天時(shí)赤道部位的L*、a*和b*值,并按公式(3)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行色差值表征,其中i=5、10、15,下標(biāo)0代表第0天時(shí)西葫蘆果皮的L*、a*和b*值。
(3)
可溶性固形物的測(cè)定依據(jù)曹建康等[18]的方法,采用阿貝折光儀測(cè)定,其結(jié)果以%表示。
1.3.3 SOD活性、CAT活性及POD活性測(cè)定
SOD活性和CAT活性均用南京建成生物工程研究所研制的試劑盒進(jìn)行測(cè)定[19],均以單位U/g表征。POD活性采用上海蘭拓生物科技有限公司出品的POD檢測(cè)試劑盒測(cè)定,結(jié)果以U表示,代表每1 min吸光度變化0.01所需要酶量。
1.3.5 溫度場(chǎng)的測(cè)定
測(cè)溫前進(jìn)行T型熱電偶校準(zhǔn),再沿西葫蘆徑向?qū)犭娕疾迦胛骱J中心處、距中心R/3處以及距中心2R/3處,監(jiān)測(cè)西葫蘆溫度場(chǎng)隨熱處理時(shí)間的變化。
本試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定均重復(fù)3次,取3次數(shù)值的平均值作為指標(biāo)測(cè)定結(jié)果。圖表由軟件Excel 2010和Origin 2018繪制,并使用SPSS 23.0進(jìn)行單因素方差分析,用Duncan對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較,P<0.05表示差異顯著。
整個(gè)貯藏期,各試驗(yàn)組西葫蘆的冷害指數(shù)變化如圖1所示。CK組與B組均在第5 天出現(xiàn)不同程度的冷害癥狀,冷害指數(shù)分別為11.11%和5.56%,而此時(shí)A組西葫蘆并未出現(xiàn)冷害癥狀。這表明階躍升溫?zé)崽幚硌泳徚宋骱J冷害的發(fā)生。在后續(xù)10 d,3組西葫蘆的冷害癥狀均隨時(shí)間增長(zhǎng)而增加,CK組冷害指數(shù)上升速率最大,第15天時(shí)高達(dá)61.11%,可見(jiàn)低溫貯藏對(duì)西葫蘆果實(shí)品質(zhì)影響之快。此外至貯藏后期(10~15 d),CK組與A組和B組的冷害指數(shù)有顯著差異(P<0.05),尤其第15天時(shí)CK組的冷害指數(shù)(61.11%)分別是A組(33.33%)和B組(41.67%)的1.83倍和1.47倍。綜上,階躍升溫?zé)崽幚砟苡行а泳徍蜏p輕西葫蘆的冷害傷害,相比恒溫?zé)崽幚砭哂懈叩馁A藏保鮮價(jià)值。
圖1 階躍升溫?zé)崽幚韺?duì)冷害指數(shù)的影響Fig.1 Effect of step heating treatment on chilling injury index注:不同小寫(xiě)字母表示不同處理組間的差異顯著(P<0.05)(下同)
西葫蘆果實(shí)失重率變化如圖2-a所示。整個(gè)貯藏期間,3個(gè)試驗(yàn)組失重率均隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增加,其中CK組失重率增加幅度最大,僅5 d時(shí)間失重率達(dá)到0.91%,而后增加速率趨于穩(wěn)定;增加速率之所以出現(xiàn)這一變化可能與CK組在前5 d出現(xiàn)較嚴(yán)重的冷害癥狀有關(guān)。而A組在整個(gè)貯藏期失重率增加相對(duì)穩(wěn)定,且均低于同時(shí)期B組西葫蘆失重率。這表明階躍升溫?zé)崽幚硐啾群銣責(zé)崽幚砀辛Φ販p少了西葫蘆失重率增加且冷害對(duì)西葫蘆失重存在負(fù)面影響。這在貯藏中后期(5~15 d),CK組與A組差異顯著(P<0.05),且在貯藏結(jié)束A組失重率分別為同時(shí)期CK組和B組失重率的73.38%和90.41%中有所體現(xiàn)。
硬度和可溶性固形物作為影響消費(fèi)者對(duì)商品接受能力的2個(gè)重要指標(biāo)[20],直觀地反映了商品的貯藏品質(zhì)。如圖2-b所示,硬度值自貯藏開(kāi)始就下降,在貯藏前期(0~5 d)下降速率最大,其中CK組硬度值下降最為嚴(yán)重,至第5天已降至初始值的88.42%,其次是B組(90.18%),然而A組(91.73%)表現(xiàn)良好,這可能與3組西葫蘆的受冷害程度不同有關(guān),冷害指數(shù)越大硬度值下降幅度越大(圖1);到貯藏中后期硬度值下降速率有所減少,這與熱處理減緩黃瓜[21]和番茄[13]硬度下降的結(jié)論一致。另外在整個(gè)貯藏期間,A組與CK組差異顯著(P<0.05)并且始終高于同時(shí)期的B組。這表明階躍升溫?zé)崽幚碛行p緩了西葫蘆果實(shí)的軟化、保持著較高的硬度值??扇苄怨绦挝锖康淖兓鐖D2-c所示。貯藏前期可溶性固形物含量呈下降趨勢(shì),這可能與西葫蘆果實(shí)成熟度相關(guān)[16-17],西葫蘆在衰老過(guò)程中可溶性固形物被不斷消耗、含量有所減少,CK組消耗最多,第5天時(shí)與A組差異顯著(P<0.05)。在貯藏中后期,A組西葫蘆可溶性固形物含量均為同時(shí)期各試驗(yàn)組最高。這表明階躍升溫?zé)崽幚磔^恒溫?zé)崽幚碓诰S持高可溶性固形物含量方面更具優(yōu)勢(shì)。
色差值變化如圖2-d所示,3個(gè)試驗(yàn)組的色差值隨貯藏時(shí)間的增加而增大,且CK組的色差值在整個(gè)貯藏期間均高于A組和B組,差異顯著(P<0.05)。貯藏后期,CK組的色差值增加迅速,由第10天的3.62迅速升高至第15天的4.32,升幅為19.33%,這可能與貯藏后期西葫蘆果實(shí)冷害嚴(yán)重、果皮葉綠素快速降解有關(guān),而A組和B組減緩了色差值的升高,并且至貯藏結(jié)束,A組和B組的色差值分別是CK組的88.8%和91.4%。由此可見(jiàn),階躍升溫?zé)崽幚砟軌蝻@著減緩西葫蘆果實(shí)色澤變化。
MDA是細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的產(chǎn)物[2],它的含量在整個(gè)貯藏期的變化如圖3所示。CK組的MDA含量呈近乎直線上升的趨勢(shì),而A組在貯藏前中期(0~10 d)上升較平緩、后期增長(zhǎng)速率有所增加,B組MDA含量的上升曲線介于兩者之間。在貯藏中后期,A組與CK組和B組有顯著差異(P<0.05),第15天時(shí)A組與B組西葫蘆體內(nèi)的MDA含量分別是CK組的75%和89%。由此表明,階躍升溫?zé)崽幚砜梢愿咝У匾种莆骱J體內(nèi)MDA含量的增加。與恒溫?zé)崽幚硐啾?,階躍升溫?zé)崽幚韺?duì)西葫蘆組織中MDA含量的影響更為敏感有力,存在明顯的優(yōu)勢(shì)。
a-失重率;b-硬度;c-可溶性固形物;d-色差圖2 階躍升溫?zé)崽幚韺?duì)失重率、硬度、可溶性固形物和色差的影響Fig.2 Effect of step heating treatment on weight loss rate, hardness, soluble solids content and color difference
圖3 階躍升溫?zé)崽幚韺?duì)MDA含量的影響Fig.3 Effect of step heating treatment on MDA content
CAT為重要的活性氧清除酶,能夠直接將H2O2分解成H2O[21]。CAT活性的變化情況如圖4-b所示,自貯藏開(kāi)始其活性便開(kāi)始下降,貯藏前中期下降迅速,尤其是CK組,第5天和第10天的CAT活性分別是初始值的63.60%和31.42%,而A組和B組均高于CK組。到貯藏后期3組西葫蘆的CAT活性下降速率均減小、CAT活性逐漸趨于穩(wěn)定。貯藏第15天,A組和B組與CK組之間的差異顯著(P<0.05),分別為初始CAT活性值的25.29%、36.01%和33.71%。這表明階躍升溫?zé)崽幚斫M的CAT活性雖然在中后期有所波動(dòng),但并沒(méi)有引起不良的CAT活性變化,整體上能夠抑制西葫蘆果實(shí)中CAT活性的下降、并且在后期可以維持較高的CAT活性。
POD活性變化如圖4-c所示,3個(gè)試驗(yàn)組隨時(shí)間變化均呈現(xiàn)上升走勢(shì),上升的幅度隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。A組的表現(xiàn)尤為突出,其貯藏結(jié)束時(shí)POD活性為初始POD活性的1.54倍。A組和B組的POD活性始終顯著高于CK組(P<0.05),A組的POD活性均為同時(shí)期最高,其中第15天時(shí)A組POD活性為CK組的1.15倍。這說(shuō)明在低溫貯藏條件下,階躍升溫?zé)崽幚肀3种骱J果實(shí)較高的POD活性,且與恒溫?zé)崽幚砭S持著較高的優(yōu)勢(shì)差距。從貯藏第10天~第15天,CK組與A組和B組的POD活性增加迅速,這可能是由于貯藏后期西葫蘆組織為抵抗嚴(yán)重的冷害傷害、減輕細(xì)胞膜脂過(guò)氧化、維持細(xì)胞膜完整性所做出的應(yīng)激作用所導(dǎo)致[5]。
a-SOD;b-CAT;c-POD圖4 階躍升溫?zé)崽幚韺?duì)SOD、CAT和POD活性的影響Fig.4 Effect of step heating treatment on the activity of SOD, CAT and POD
活力;b-GSH含量圖5 階躍升溫?zé)崽幚韺?duì)活力和GSH含量的影響Fig.5 Effect of step heating treatment on the activity of
由圖6-a、圖6-b可知,階躍升溫?zé)崽幚斫M西葫蘆在14 min后沿徑向先后出現(xiàn)溫度加劇升高的現(xiàn)象,其中距中心2R/3處最先(15 min)出現(xiàn)溫度加劇變化,距中心R/3處和中心處的溫度則分別于17、18 min 時(shí)溫度開(kāi)始加劇變化;然而觀察圖6-d知,距中心2R/3處、距中心R/3處和中心處的升溫速率分別在14、15、17 min時(shí)出現(xiàn)極小值,即出現(xiàn)極值的時(shí)間均早于各處溫度加劇升高的開(kāi)始時(shí)間,這說(shuō)明升溫速率在表征西葫蘆溫度場(chǎng)變化方面比溫度更具靈敏性。如圖6-c所示,恒溫?zé)崽幚磉^(guò)程中西葫蘆各處的升溫速率均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì),且隨著熱處理時(shí)間的推移,距中心R/3處和中心處的升溫速率先后于8.68和9.98 min時(shí)等于距中心2R/3處升溫速率,此后均高于距中心2R/3處升溫速率。這說(shuō)明西葫蘆在熱處理過(guò)程中的傳熱是沿徑向依次遞進(jìn)進(jìn)行,在熱處理?xiàng)l件不變的情況下,西葫蘆組織每處的升溫速率均有一極大值,該極大值出現(xiàn)的時(shí)間和極值的大小與所處的位置有關(guān),越是西葫蘆內(nèi)部,極大值出現(xiàn)的時(shí)間越晚、對(duì)應(yīng)的極大值越小。然而如圖6-d 所示,整個(gè)階躍升溫?zé)崽幚磉^(guò)程中西葫蘆各處升溫速率均出現(xiàn)2次極大值,這是西葫蘆在14 min時(shí)熱處理?xiàng)l件受到改變的緣故。由表1可知,階躍升溫?zé)崽幚淼谝粯O大值為恒溫?zé)崽幚順O大值的一半,并且在第14 min時(shí)也有相同結(jié)論,這是由于在熱處理開(kāi)始時(shí),階躍升溫?zé)崽幚砦骱J各處機(jī)體溫度(20 ℃)與32 ℃熱水的溫差(12 ℃)為恒溫?zé)崽幚砦骱J各處機(jī)體溫度(20 ℃)與44 ℃熱水的溫差(24 ℃)的一半,可見(jiàn)西葫蘆組織中各處的升溫速率與溫差密切相關(guān)。階躍升溫?zé)崽幚砀魈幧郎厮俾实牡诙O大值大于第一極大值。其原因是,階躍升溫?zé)崽幚砦骱J在14 min時(shí)雖然轉(zhuǎn)至44 ℃熱水中浸泡,但是此時(shí)的西葫蘆各處機(jī)體溫度并不相同(圖6-b),所以距中心2R/3處、距中心R/3處和中心處與44 ℃熱水介質(zhì)的溫差有所差異,分別為16.33、19.51、20.81 ℃,均大于熱處理初時(shí)西葫蘆機(jī)體和32 ℃熱水介質(zhì)的溫差(12 ℃)。第28 min時(shí),階躍升溫?zé)崽幚砦骱J各處的升溫速率均高于恒溫?zé)崽幚斫M,但各處組織溫度卻比恒溫?zé)崽幚淼牡?,可?jiàn)并不能以單一的組織溫度作為評(píng)判熱處理西葫蘆效果好壞的標(biāo)準(zhǔn),升溫速率作為溫度變化快慢的表征,可以準(zhǔn)確快速反映組織溫度場(chǎng)變化,所以組織升溫速率極有可能是影響西葫蘆低溫貯藏品質(zhì)和活性氧代謝的重要因素。
表1 不同時(shí)刻階躍升溫?zé)崽幚砼c恒溫?zé)崽幚淼臏囟燃吧郎厮俾蔜able 1 The heating rate and temperature of step heating treatment and constant heating treatment at different times
a-恒溫?zé)崽幚斫M織溫度;b-階躍熱處理組織溫度;c-恒溫?zé)崽幚砩郎厮俾?;d-階躍熱處理升溫速率圖6 恒溫?zé)崽幚砼c階躍升溫?zé)崽幚韺?duì)西葫蘆組織溫度、升溫速率的影響Fig.6 Effect of constant temperature heat treatment and step heating heat treatment on the temperature and heating rate of zucchini
綜合對(duì)比各試驗(yàn)組,階躍升溫?zé)崽幚砟軌蚝芎玫匮泳徍蜏p輕西葫蘆冷害傷害,其冷害指數(shù)在貯藏結(jié)束之時(shí)為CK組的54.55%;抵御冷害對(duì)組織失重的負(fù)面影響、減少失重率的增加;延緩果實(shí)的軟化、保持良好的果皮色澤,在貯藏后期與CK組均保持著顯著差異(P<0.05);維持著較高的可溶性固形物含量。因此,階躍升溫?zé)崽幚砑夹g(shù)有應(yīng)用到冷敏果實(shí)貯藏保鮮的前景。
結(jié)合西葫蘆組織溫度場(chǎng)變化分析,發(fā)現(xiàn)熱處理過(guò)程中的傳熱是沿徑向依次遞進(jìn)進(jìn)行著,升溫速率在表征西葫蘆溫度場(chǎng)變化方面比溫度更具靈敏性。對(duì)比恒溫?zé)崽幚砦骱J溫度場(chǎng)變化,推測(cè)升溫速率是影響西葫蘆低溫貯藏時(shí)期生理變化的重要因素,并能達(dá)到調(diào)節(jié)組織活性氧代謝、清除活性氧自由基的效果,最終保障果蔬的低溫貯藏品質(zhì)。