肖徐,何曉梅,張鍶苑,賈嘉懿,尹杰文,張敏*
1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(西南大學, 食品貯藏與物流研究中心,重慶,400715) 3(農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風險評估實驗室(重慶),重慶,400715)
黃瓜(CucumissativusL.)皮薄肉脆,清香甘甜,營養(yǎng)價值高,是我國大量種植的夏季蔬菜之一,廣受人們的喜愛。但黃瓜是典型的亞熱帶冷敏果實,容易遭受7~10 ℃以下的冷害,很難實現(xiàn)遠距離分銷,采后損失嚴重。泡沫箱作為一種經(jīng)濟環(huán)保且成本低的高性價比包裝方式,已有研究表明其對于黃瓜冷害的抑制具有良好的效果,但作用機理尚不清晰[1]。因此,研究泡沫箱抑制黃瓜冷害的機理對推廣泡沫箱抑制冷害技術(shù)有重要的意義。
一方面,溫度是引起冷害的首要因素。逐步降溫已在蘇丹娜葡萄[2]、哈密瓜[3]等多種果蔬中抑制冷害中得到廣泛的應用。逐步降溫可通過抑制營養(yǎng)物質(zhì)消耗、降低細胞膜透性增大速度、提升過氧化氫酶(catalase,CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化物酶(peroxidase,POD)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)等抗氧化酶活性、增強多胺、游離脯氨酸等抗氧化物質(zhì)含量等途徑抑制果實冷害的產(chǎn)生[4]。另一方面,采后的果蔬仍進行呼吸作用與蒸騰作用,體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)繼續(xù)損耗,并最終導致果蔬腐爛變質(zhì),喪失商品價值。研究表明,氣調(diào)貯藏能夠保持采后果蔬的生理結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性,抑制它的成熟和衰老;調(diào)控貯藏環(huán)境的氣體比例來抑制果蔬的生理代謝過程,從而延遲呼吸躍變的到來[5]。泡沫包裝箱因為具有密度小、易加工、質(zhì)輕、成本低、抗沖擊性強、隔熱性能好的特點,常用于蔬菜水果及其他農(nóng)產(chǎn)品的運輸。發(fā)泡聚苯乙烯(expanded polystyrene,EPS)泡沫箱內(nèi)部是由約98%的空氣和2%的聚苯乙烯相融而成的完全封閉的多面體形蜂窩結(jié)構(gòu),無數(shù)的小體積空氣被封閉在聚苯乙烯材料內(nèi),泡沫箱外部溫度必須經(jīng)過很多小的空氣蜂窩才能傳導到內(nèi)部,所以溫度傳導很慢,其導熱系數(shù)僅為0.03~0.037 W/(m·k),可以起到逐步降溫的效果,泡沫箱內(nèi)的溫度只會逐漸降低而非快速下降。此外,也有報道稱泡沫箱內(nèi)的氣體環(huán)境調(diào)控能形成較為適宜的氧氣與二氧化碳比例的氣體環(huán)境,能更好地保持黃瓜[6]、番茄[7]的品質(zhì)。本實驗室的前期研究表明,泡沫箱包裝有利于減少黃瓜冷害的發(fā)生[1],但機理并不清楚,現(xiàn)有文獻也缺乏相關(guān)研究。本實驗使用恒溫恒濕箱模擬泡沫箱內(nèi)的溫濕度變化,設置無包裝4 ℃貯藏組(對照組)、無包裝模擬泡沫箱溫濕度貯藏組(模擬組)、泡沫箱包裝后4 ℃貯藏組(泡沫箱組)3個分組,研究泡沫箱抑制冷害的機理,為高性價比泡沫箱包裝黃瓜并抑制其冷害提供理論依據(jù)。
黃瓜,同一批次購于重慶市北碚區(qū)天生農(nóng)貿(mào)市場,選擇大小均勻、機械傷少、無病蟲害的長條黃瓜,在采購商從種植農(nóng)戶手中收購后立即送到實驗室。原生態(tài)3號EPS包裝箱泡沫箱(外尺寸:41.5 cm×31 cm×20 cm,內(nèi)尺寸:36.5 cm×26 cm×15.5 cm,壁厚:2.4 cm),成都泡沫箱工廠店。所有試劑等級為分析純。
HHWS-III-300恒溫恒濕箱,上海躍進醫(yī)療器械公司;H1650R高速冷凍離心機,湖南湘儀公司;UV-2450PC紫外可見分光光度計,日本島津公司;DDS-307A電導率儀,上海雷磁公司;GY-4數(shù)顯式果實硬度計,浙江樂清艾德堡公司。
1.3.1 樣品處理
挑選大小一致、無破皮、無病蟲害、兩端完整的黃瓜,將表面附著物及泥土清理干凈后備用。按照以下實驗分組中的“泡沫箱組”的方式,在23 ℃環(huán)境下把黃瓜和溫度記錄儀放入泡沫箱中,再密封泡沫箱后放入4 ℃冷藏環(huán)境,溫度記錄儀每隔1 h記錄1次溫度的變化,記錄結(jié)果見圖1,發(fā)現(xiàn)40 h后溫度穩(wěn)定無變化。然后黃瓜隨機分為3個組,分別進行以下3組處理:(1)對照組:為無包裝4 ℃貯藏組,即將黃瓜裸露(無包裝)直接置于4 ℃,相對濕度(relative humidity,RH) 85%~95%冷藏環(huán)境下;(2)模擬組:為無包裝模擬泡沫箱溫濕度貯藏組,即將恒溫恒濕箱的溫度按照圖1的數(shù)值設置為每隔1 h的動態(tài)變化,再將黃瓜裸露(無包裝)置于恒溫恒濕箱中,恒溫恒濕箱按照圖1的溫度逐步降溫,RH 85%~95%;(3)泡沫箱組:為泡沫箱包裝后4 ℃貯藏組,即黃瓜放于泡沫箱中,把泡沫箱蓋與箱體處用膠帶密封,再置于4 ℃,RH 85%~95%環(huán)境下,泡沫箱內(nèi)的溫度變化與圖1相同。以上恒溫恒濕箱外的操作溫度均為23 ℃。每組每箱2 000 g左右,每個處理設置3個重復。貯藏6 d,每天隨機取樣1次,測定各項指標。
圖1 泡沫箱內(nèi)溫度變化Fig.1 Temperature change in foam box
1.3.2 測定指標
1.3.2.1 呼吸強度參考曹建康等[8]的方法。將1 kg左右的黃瓜果實置于干燥器中,底部放入盛有10 mL 0.4 mol/L NaOH的培養(yǎng)皿,封蓋密閉1 h后取出培養(yǎng)皿,用0.2 mol/L的草酸溶液滴定,根據(jù)滴定結(jié)果計算黃瓜的呼吸強度。
1.3.2.2 冷害指數(shù)
參考艾文婷等[9]的方法進行測定。將黃瓜的冷害程度分為4級:1級:冷害面積≤25%;2級:冷害面積25%~50%;3級:冷害面積50%~75%;4級:冷害面積≥75%。冷害指數(shù)計算如公式(1)所示:
(1)
1.3.2.3 總酚、花青素含量
參考曹建康等[8]的方法并略作修改。
1.3.2.4 硬度
用GY-4硬度計進行黃瓜硬度的測定,探頭直徑為3.5 mm。將黃瓜削去果皮后,在黃瓜的瓜頭、瓜身、瓜尾3個部位各隨機取3個點進行測定[10]。
1.3.2.5 相對電導率
參照曹建康等[8]的方法并略作修改,先用直徑4 mm的打孔器在厚度為5 mm的黃瓜切片橫截面上打取圓塊,稱取3.0 g圓塊置于100 mL的燒杯中并加入40 mL蒸餾水進行浸泡,1 h后用測定浸泡液中的電導率(γ1)。然后在燒杯上覆蓋雙層保鮮膜后沸水浴15 min,取出冷卻至室溫后再次測定其電導率(γ0),根據(jù)煮沸前后的電導率計算得出相對電導率(γe),計算如公式(2)所示:
(2)
1.3.2.6 丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量
采用硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid,TBA)法[11]進行測定。
參照邵婷婷等[12]的方法并略作修改。
1.3.2.8 CAT活性
參照曹建康等[8]的方法并略作修改。
1.3.2.9 POD活性
參考DONG等[11]的方法并略作修改。
1.3.2.10 SOD活性
參照曹建康等[8]的方法并略作修改。
采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理,以SPSS 25采用單因素方差分析和多重比較分析進行顯著性分析,顯著水平為0.05,極顯著水平為0.01。使用Origin 8.6制圖。
已有研究表明,果蔬在不適宜的低溫環(huán)境中貯藏,會導致其呼吸速率的增加,使其生理活動旺盛,進而加速其營養(yǎng)物質(zhì)的流失。有些果蔬的呼吸速率增加之后,貯藏一段時間又開始下降,這說明冷害對果蔬已造成了不可逆的傷害[13]。由于在貯藏第3天各組冷害癥狀尚未出現(xiàn),且如圖2所示,各組呼吸強度隨時間延長均在降低,并且對照組由于溫度下降更快導致呼吸強度低于模擬組和泡沫箱組。由于對照組在貯藏后期發(fā)生冷害,因此第3天后呼吸強度急劇上升,第5天達峰值24.84 mg CO2/(kg·h);模擬組較對照組上升較慢,但是也在第5天到達峰值19.09 mg CO2/(kg·h),與對照組差異顯著(P<0.05),與泡沫箱組差異極顯著(P<0.01);而泡沫箱組在第3天后呼吸強度繼續(xù)降低并在第6天有輕微上升,與對照組差異極顯著(P<0.01)。由此可見,模擬組雖然對于呼吸強度的下降和極速上升有明顯的抑制效果,但并不能使其消除;而泡沫箱組則未出現(xiàn)呼吸強度的大起大落,可能是由于泡沫箱抑制了冷害的產(chǎn)生并形成了相對而言低O2高CO2的氣體環(huán)境[6],使得泡沫箱組黃瓜呼吸受到抑制。因而,模擬組僅能降低呼吸高峰的峰值,而泡沫箱組則能防止呼吸極速上升現(xiàn)象的出現(xiàn)。
圖2 泡沫箱處理及泡沫箱溫濕度模擬對黃瓜低溫貯藏下 呼吸強度的影響Fig.2 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on respiration intensity of cucumber under low temperature storage
黃瓜在低溫貯藏下易發(fā)生冷害,冷害指數(shù)能夠反映黃瓜在低溫貯藏期間冷害發(fā)生的程度[9]。如圖3所示,在低溫貯藏環(huán)境下,對照組在第3天就發(fā)生了輕微的冷害癥狀,并且隨著貯藏時間的延長冷害程度逐漸加深,到貯藏第6天,對照組的冷害指數(shù)達到了0.32;模擬組在貯藏第5天出現(xiàn)冷害癥狀,第6天時冷害指數(shù)僅為0.02,與對照組差異顯著。而泡沫箱組則在整個貯藏期間均未出現(xiàn)冷害癥狀。原因可能是由于模擬組、泡沫箱組溫度降速緩慢以及泡沫箱的保溫作用,在緩慢降溫期間對低溫有了一定的抵抗能力,并且由于泡沫箱組封閉性相對較好,因而形成了相對適合低溫貯藏的氣體環(huán)境,另外箱中呼吸強度相對穩(wěn)定,對泡沫箱組黃瓜品質(zhì)影響小,對冷害癥狀有明顯的抑制效果。因此,模擬組有明顯的抑制冷害的作用,證明泡沫箱能夠抑制冷害癥狀的出現(xiàn)主要是因為溫度緩慢降低,模擬組與泡沫箱組抑制冷害效果差異小而泡沫箱組效果更好的原因是箱內(nèi)所形成的氣體環(huán)境也起到了抑制冷害的作用。
圖3 泡沫箱處理及泡沫箱溫濕度模擬對黃瓜低溫 貯藏下冷害指數(shù)的影響Fig.3 Effects of foam box treatment and temperature and humidity simulation on chilling injury index of cucumber during low temperature storage
因酚類物質(zhì)有羥自由基清除能力,其作為抗氧化物質(zhì)能夠為細胞提供保護[14],與果蔬的成熟、衰老和褐變緊密相關(guān)。如圖4所示,在低溫貯藏環(huán)境下,各組黃瓜總酚含量呈現(xiàn)先上升后波動下降的趨勢,并且貯藏過程中對照組與泡沫箱組差異顯著(P<0.05)。對照組在貯藏前期總酚含量上升最為明顯,第2天上升至最大值0.36 OD280/g,在前兩天與模擬組、泡沫箱組產(chǎn)生顯著差異(P<0.05),這可能是因為對照組溫度極速下降所引起的應激上升;從第3天開始,各組總酚含量呈現(xiàn)波動下降趨勢,并且對照組始終低于其他2組,但與模擬組差異不顯著(P>0.05);而泡沫箱組在貯藏過程中總酚含量波動幅度最低,并且后期可以明顯抑制黃瓜中總酚含量的降低,在第5天后與對照組、模擬組差異顯著(P<0.05),原因可能是泡沫箱中黃瓜呼吸強度比較低,對于總酚的消耗最小。由此可知,模擬組和泡沫箱組均對黃瓜冷藏后期總酚含量的降低有抑制效果,并且泡沫箱組優(yōu)于模擬組。
圖4 泡沫箱處理及泡沫箱溫濕度模擬對黃瓜低溫貯藏下 總酚含量的影響Fig.4 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on total phenol content of cucumber under low temperature storage
花青素作為水溶性類黃酮化合物,具有保護植物免受紫外傷害、清除活性氧組分、抵抗逆境及改變植物色澤等多種生物學功能[15]。如圖5所示,在低溫貯藏環(huán)境下,各組黃瓜花青素含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,并且貯藏過程中對照組與泡沫箱組差異顯著(P<0.05)。對照組在貯藏前期花青素含量上升最為明顯,第2天上升至最大值0.002 8 U,在前兩天與模擬組、泡沫箱組差異極顯著(P<0.01),這可能是因為對照組溫度極速下降所引起的應激上升;從第3天開始,各組花青素含量逐漸下降,至第6天時,對照、模擬、泡沫箱各組花青素含量分別為0.000 6、0.001 11、0.001 28 U。其中對照組始終低于其他2組,并與模擬組差異顯著(P<0.05);而泡沫箱組在貯藏過程中花青素含量波動幅度最低,可以明顯抑制黃瓜中花青素含量的降低,原因可能是泡沫箱中黃瓜呼吸強度比較低,花青素的消耗最小。由此可知,模擬組和泡沫箱組均對黃瓜冷藏后期花青素含量的降低有抑制效果,其中泡沫箱組優(yōu)于模擬組。
圖5 泡沫箱處理及泡沫箱溫濕度模擬對黃瓜低溫貯藏下 花青素含量的影響Fig.5 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on anthocyanin content of cucumber under low temperature storage
隨著貯藏時間延長,果實硬度會由于失水等原因而降低,同時,因受到冷害果實外果皮萎蔫或出現(xiàn)冷害斑也會造成果實硬度降低[16]。如圖6所示,各組隨貯藏時間的延長硬度逐漸降低。從第3天起,對照組與其他組差異顯著(P<0.05),并且在第5天后與泡沫箱組差異極顯著(P<0.01),至貯藏期結(jié)束硬度僅為11.06 N。原因可能是對照組營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化速度加快及后期呼吸速率的急劇上升,使得黃瓜內(nèi)水分及營養(yǎng)物質(zhì)、干物質(zhì)迅速消耗[7],并且冷害產(chǎn)生后細胞壁結(jié)構(gòu)發(fā)生降解,進而硬度下降;模擬組、泡沫箱組硬度降低速度較對照組明顯減弱,貯藏期結(jié)束時硬度分別降為初始值的87%、97%,其中泡沫箱組在第5天后與模擬組差異顯著(P<0.05),原因是模擬組、泡沫箱組對于呼吸速率的抑制作用延緩了黃瓜內(nèi)總酚及花青素等營養(yǎng)物質(zhì)的損耗。綜合而言,模擬組和泡沫箱組通過逐步降溫均能抑制黃瓜硬度的下降,延緩軟化,但泡沫箱組還是在貯藏期最后2 d與模擬組拉開了差距,對于硬度的維持效果最佳。
圖6 泡沫箱處理及泡沫箱溫濕度模擬對黃瓜低溫貯藏下 硬度的影響Fig.6 Effect of foam box processing and foam box temperature simulation on hardness of cucumber under low temperature storage
細胞膜被認為是冷害形成的主要場所。果蔬在遭受冷害時,細胞膜透性會增加,離子外滲,相對電導率增加,因此膜的滲透性可能與提高對冷脅迫的抵抗力有關(guān)[17]。如圖7所示,各組相對電導率隨貯藏時間的延長而增大,其中對照組上升速度最快,至貯藏結(jié)束相對電導率達到51.06%,在貯藏期間與模擬組、泡沫箱組產(chǎn)生顯著差異(P<0.05),原因是對照組冷害癥狀的產(chǎn)生及呼吸速率的急速升高使得黃瓜細胞膜系統(tǒng)遭到了破壞,導致細胞內(nèi)容物滲出;模擬組較對照組相對電導率上升速度相對較小,貯藏結(jié)束達到42.78%,并且從第4天開始與對照組和泡沫箱組差異極顯著(P<0.01);泡沫箱組相對電導率增加幅度最小,在貯藏結(jié)束時數(shù)值僅為40.21%,原因可能是泡沫箱對于溫度的調(diào)控防止了低溫對黃瓜細胞的破壞,并且箱內(nèi)適宜的氣體微環(huán)境抑制了后期呼吸速率的上升,從而維持了細胞膜的完整性[18-19]。綜合而言,模擬組和泡沫箱組均對黃瓜相對電導率的增大產(chǎn)生了顯著抑制效果,表明溫度的緩慢降低是泡沫箱包裝處理顯著減緩相對電導率上升的大部分原因,但模擬組抑制效果較泡沫箱組弱,是由于箱內(nèi)所形成的氣體微環(huán)境也起到了顯著的效果。
圖7 泡沫箱處理及泡沫箱溫濕度模擬對黃瓜低溫 貯藏下相對電導率的影響Fig.7 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on the relative conductivity of cucumber under low temperature storage
MDA是細胞膜脂質(zhì)氧化的產(chǎn)物,其在果蔬中的含量被用來評價冷脅迫下的冷害發(fā)生程度[8]。如圖8所示,各組在低溫環(huán)境下MDA隨貯藏時間的延長而增大,并且對照組上升最快,至貯藏期結(jié)束MDA含量達到1.74 nmol/g mF,在貯藏期間與其他2組產(chǎn)生顯著差異(P<0.05);模擬組MDA含量上升較對照組低,至貯藏期結(jié)束含量達到1.31 nmol/g mF;泡沫箱組則至貯藏期結(jié)束MDA含量僅為1.07 nmol/g mF,在第4天后與模擬組差異顯著(P<0.05),對照組差異極顯著(P<0.01)。綜合而言,模擬組和泡沫箱組對于抑制黃瓜MDA含量的上升有顯著效果,其中泡沫箱組優(yōu)于模擬組。
圖8 泡沫箱處理及泡沫箱溫濕度模擬對黃瓜低溫 貯藏下MDA含量的影響Fig.8 Effects of foam box treatment and foam box temperature and humidity simulation on mda content in cucumber under low temperature storage
圖9 泡沫箱處理及泡沫箱溫濕度模擬對黃瓜 低溫貯藏下產(chǎn)生速率的影響Fig.9 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on production rate under low temperature storage of cucumber
圖10 泡沫箱處理及泡沫箱溫濕度模擬對黃瓜 低溫貯藏下CAT活性的影響Fig.10 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on CAT activity of cucumber under low temperature storage
POD是植物體內(nèi)的一種重要保護酶,可催化過氧化氫、氧化酚類物質(zhì)產(chǎn)生醌類化合物,以減輕H2O2對細胞的損傷[22]。如圖11所示,各組POD活性隨貯藏時間的延長整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在第1天時各組的POD活性均上升,其中泡沫箱組到達峰值數(shù)值為4.66,而第2天時對照組、模擬組活性繼續(xù)上升,分別到達峰值數(shù)值4.99、4.26;高峰后各組活性開始下降,其中對照組下降速度最快,而自第3天開始,泡沫箱組POD活性始終高于其他2組,這是因為泡沫箱組顯著延緩了POD活性的降低,增強了活性氧清除系統(tǒng)的活性,提高了黃瓜對于低溫的抵抗力。在整個貯藏過程中3組之間各自差異顯著(P<0.05)。表明模擬組和泡沫箱組可以明顯延緩貯藏后期POD活性的下降,維持黃瓜內(nèi)較高的POD活性,與CAT、SOD協(xié)同清除黃瓜內(nèi)自由基,保持黃瓜免受冷害,并且泡沫箱組效果最佳。
圖11 泡沫箱處理及泡沫箱溫濕度模擬對黃瓜 低溫貯藏下POD活性的影響Fig.11 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on POD activity of cucumber under low temperature storage
SOD對降低細胞膜氧化傷害,維持細胞膜的完整性具有重要的意義。逆境生理研究表明,凡能促進植物在逆境下保持較高等抗氧化酶水平,植株就能減輕傷害[22]。如圖12所示,各組SOD活性在第1天均上升,并且對照組的上升幅度最大,與其他2組差異顯著(P<0.05),這可能是黃瓜對低溫的一種應激反應[23]。之后隨貯藏時間的延長SOD活性呈逐漸下降的趨勢,并且對照組下降速度最快,與模擬組差異顯著(P<0.05),與泡沫箱組有極顯著差異(P<0.01),這可能是由于對照組遭受到了低溫脅迫,產(chǎn)生了冷害,使得細胞膜系統(tǒng)遭到破壞,導致抗氧化酶系統(tǒng)產(chǎn)生紊亂,活性氧含量迅速上升[24];而模擬、泡沫箱組則均能抑制SOD活性的降低,其中泡沫箱組自第2天開始始終維持著最高的SOD活性,在第5天時泡沫箱組酶活性是對照組的1.21倍。結(jié)果說明模擬組和泡沫箱組可以顯著抑制SOD活性的降低,增強了黃瓜清除氧自由基的能力,增強了抗逆性,保護了黃瓜的品質(zhì),并且泡沫箱組效果較模擬組更佳。
圖12 泡沫箱處理及泡沫箱溫濕度模擬對黃瓜 低溫貯藏下SOD活性的影響Fig.12 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on SOD activity of cucumber under low temperature storage
綜上所述,泡沫箱組能抑制黃瓜冷害癥狀的產(chǎn)生,維持細胞膜的完整性,增強抗氧化酶活性。其原因主要在于泡沫箱內(nèi)溫度的降速緩慢及延遲達到低溫,使得箱內(nèi)黃瓜對于低溫有了一定的適應及抵抗能力。通過逐步降溫,使黃瓜逐漸適應低溫環(huán)境,對其進行冷鍛煉以提高其抗冷性,減輕冷害并抑制褐變。同時,泡沫箱內(nèi)的氣體環(huán)境發(fā)揮了作用,雖然在低溫情況下黃瓜的呼吸作用比較弱,但箱內(nèi)的CO2含量較外界有一定的上升,這進一步抑制了黃瓜的呼吸作用,延緩了黃瓜品質(zhì)的降低并抑制冷害的發(fā)生。目前有關(guān)泡沫箱用以抑制冷害的機理研究未見報道,而本實驗研究表明泡沫箱抑制冷害并維持黃瓜品質(zhì)的作用主要在于泡沫箱中溫度降速緩慢,同時泡沫箱中維持了較為適宜的氣體微環(huán)境使得保鮮效果更佳。