基于能量代謝探究不同溫度下馬鈴薯貯藏品質(zhì)變化規(guī)律

陳熙,蘇宇萌,郭家如,趙迎麗,楊志國(guó),杜培兵,白小東,王亮*

1(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原,030031)

2(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,山西 太谷,030801)

3(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高寒區(qū)作物研究所,山西 大同,037008)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.),別名洋山芋、洋芋頭、土豆等,屬茄科,一年生草本植物,馬鈴薯具有較高的產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,已成為繼水稻、小麥、玉米后的全球第四大糧食作物。我國(guó)社會(huì)目前正處于營(yíng)養(yǎng)健康轉(zhuǎn)變的發(fā)展階段,馬鈴薯主糧化是改善居民膳食營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵舉措[1]。2015年,我國(guó)提出馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略,標(biāo)志著我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入跨越式發(fā)展的新階段。2021年,我國(guó)馬鈴薯種植面積為545.61萬(wàn) hm2,馬鈴薯產(chǎn)量為12 200萬(wàn) t,種植面積和產(chǎn)量已達(dá)世界第一[2]。

馬鈴薯在采后貯藏過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)失重、腐爛、發(fā)芽及生理病害等各種問(wèn)題,這嚴(yán)重影響了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)鏈的延伸和產(chǎn)品附加值的提升,所以高品質(zhì)貯藏馬鈴薯一直是采后處理技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。馬鈴薯與其他作物產(chǎn)品相比貯藏難度更大,因其有水分含量大、代謝旺盛的特點(diǎn),貯藏溫度過(guò)高極易出現(xiàn)失水、腐爛、發(fā)芽、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗過(guò)快、品質(zhì)劣變迅速等現(xiàn)象[3];而溫度過(guò)低則會(huì)引起馬鈴薯塊莖淀粉向可溶性糖轉(zhuǎn)化,發(fā)生“低溫糖化”現(xiàn)象,也容易引起塊莖生理代謝失調(diào)和腐爛發(fā)生,因此適宜的貯藏溫度是維持馬鈴薯采后貯藏品質(zhì)的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn),果蔬采后貯藏品質(zhì)與能量代謝也密切相關(guān),能量代謝是維持植物生理活動(dòng)的重要代謝途徑,王靜等[4]認(rèn)為能量虧缺會(huì)導(dǎo)致果蔬采后組織衰老,表現(xiàn)為呼吸代謝異常、活性氧代謝失調(diào)、細(xì)胞膜系統(tǒng)傷害等。目前我國(guó)對(duì)馬鈴薯的研究仍以采后生理、品質(zhì)變化為主[5],對(duì)貯藏期間馬鈴薯能量代謝與貯藏品質(zhì)的相關(guān)性研究較少。本文研究比較了不同貯藏溫度下馬鈴薯生理、品質(zhì)變化與能量代謝相關(guān)酶及產(chǎn)物的內(nèi)在聯(lián)系,以期從能量代謝的角度出發(fā)揭示馬鈴薯品質(zhì)劣變規(guī)律,為馬鈴薯采后貯藏技術(shù)的提升提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗(yàn)用“青薯9號(hào)”馬鈴薯采自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)(山西省農(nóng)科院)高寒區(qū)作物研究所毛皂試驗(yàn)基地,于13～18 ℃避光通風(fēng)條件下愈傷10 d,隨后選擇成熟度一致、大小形狀基本均一、無(wú)病蟲(chóng)害、無(wú)機(jī)械傷、無(wú)裂皮、不發(fā)青的塊莖。

三羥甲基氨基甲烷[Tris(hydroxymethyl)aminomethane,Tris]、聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone,PVP)、無(wú)機(jī)磷試劑盒、琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase,SDH)試劑盒、考馬斯亮藍(lán)、牛血清蛋白、細(xì)胞色素C氧化酶(cytochrome C oxidase,CCO),北京索萊寶公司;硫酸鎂(Mg2SO4)、氯化鉀(KCl)、硝酸鈉(NaNO3)、硝酸鉀(KNO3),天津市凱通化學(xué)試劑有限公司;D-甘露醇、釩酸鈉(Na3VO4)、對(duì)苯二胺、磷酸氫二鉀(K2HPO4)、磷酸二氫鉀(KH2PO4),麥克林公司;鉬酸銨、乙二胺四乙酸(EDTA),天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;蔗糖、三氯乙酸,購(gòu)于天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司;ATP、ADP、AMP標(biāo)準(zhǔn)品、甲醇,Sigma公司。

1.2 儀器及設(shè)備

1260高效液相色譜儀(配有四元泵、二極管陣列檢測(cè)器),美國(guó)安捷倫公司;Allegra X-30R冷凍高速離心機(jī),貝克曼庫(kù)爾特有限公司;Ultrospec 2000紫外分光光度計(jì),美國(guó)Pharmacia Biotech公司;PHS-25 pH計(jì),上海雷磁有限公司;Ming-Ch24uv超純水機(jī),默克密理博公司;HHS電熱恒溫水浴鍋,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司;Texture Analyser XTplus,英國(guó)Stable Micro Systems公司;F-900 Portable Ethylene Analyzer,美國(guó)Felix公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

分別于0 ℃、4 ℃和20 ℃(相對(duì)濕度85%～90%)條件下進(jìn)行貯藏試驗(yàn),每個(gè)處理3次重復(fù)。在第0、7、14、28、56、84、112、140、168天時(shí)進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。

1.4 分析方法

1.4.1 馬鈴薯莖肉硬度及呼吸強(qiáng)度測(cè)定

使用質(zhì)構(gòu)儀在馬鈴薯赤道兩面平坦處進(jìn)行莖肉硬度測(cè)定。參數(shù)設(shè)置為:測(cè)試前速度2 mm/s,測(cè)試中速度為1 mm/s,測(cè)試后速度為10 mm/s,穿刺深度為10 mm,觸發(fā)力為5 g。

將1 kg馬鈴薯置于5.5 L改良樂(lè)扣箱中于試驗(yàn)溫度下密封1 h后使用F-900 Portable Ethylene Analyzer 測(cè)定馬鈴薯呼吸強(qiáng)度,設(shè)定連續(xù)模式,流速180 mL/min。

1.4.2 馬鈴薯發(fā)芽率及發(fā)芽級(jí)數(shù)測(cè)定

選擇54個(gè)馬鈴薯,芽長(zhǎng)超過(guò)2 mm時(shí)即為發(fā)芽,發(fā)芽率計(jì)算如公式(1)[6]所示:

(1)

選擇固定的54個(gè)馬鈴薯進(jìn)行發(fā)芽級(jí)數(shù)測(cè)定,計(jì)算如公式(2)[7]所示,判別標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 個(gè)體發(fā)芽級(jí)數(shù)

(2)

1.4.3 馬鈴薯中可溶性糖含量測(cè)定

馬鈴薯中可溶性糖利用高效液相色譜法測(cè)定,參照楊志國(guó)等[8]的方法。

色譜條件:流動(dòng)相為乙腈與超純水(體積比為75∶25),流速0.6 mL/min;柱溫35 ℃,示差檢測(cè)器。

樣品處理:稱(chēng)取2 g馬鈴薯樣品置于50 mL離心管中,加入10 mL超純水后超聲提取30 min,然后在10 000 r/min的條件下離心20 min,取上清液后在殘?jiān)欣^續(xù)加入10 mL超純水重復(fù)上述超聲、離心步驟,最后合并上清液定容于25 mL容量瓶中,經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后待測(cè)。

1.4.4 ATP、ADP、AMP含量及能荷測(cè)定

馬鈴薯中ATP、ADP、AMP的提取和測(cè)定參考張曉寒[9]和劉晶[10]的方法略作修改。精確稱(chēng)取2 g經(jīng)液氮冷凍研磨的馬鈴薯樣品置于50 mL離心管中,加入6 mL 0.6 moL/L高氯酸提取液靜置20 min,然后用0.1 moL/L氫氧化鉀(KOH)溶液調(diào)節(jié)pH值至6.5～6.8,靜置20 min。取上清液,在4 ℃、10 000 r/min的條件下離心15 min,經(jīng)0.45 μm水系濾膜過(guò)濾后待測(cè)。

色譜條件:ZORBAX SB-C18色譜柱(4.6 mm×250 mm,5 μm),流動(dòng)相A(0.06 mol/L磷酸氫二鉀與0.04 mol/L磷酸二氫鉀),pH 7.0,流動(dòng)相B為甲醇,柱溫35 ℃,檢測(cè)波長(zhǎng)254 nm,進(jìn)樣量20 μL,流速0.9 mL/min,梯度洗脫,洗脫比例見(jiàn)表2。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)品的出峰時(shí)間對(duì)樣品中ATP、ADP、AMP定性,通過(guò)外標(biāo)法對(duì)這3種物質(zhì)進(jìn)行定量分析,能荷計(jì)算如公式(3)[11]所示:

(3)

表2 能量測(cè)定梯度洗脫比例

1.4.5 馬鈴薯線(xiàn)粒體提取

馬鈴薯樣品中線(xiàn)粒體提取參照張群[12]的方法。準(zhǔn)確稱(chēng)取經(jīng)液氮冷凍后研磨成粉末的馬鈴薯樣品10 g于50 mL離心管中,加入25 mL提前在4 ℃冰箱中預(yù)冷好的50 mmol/L的Tris-HCL提取液(pH 7.5,內(nèi)含0.25 mol/L蔗糖,0.3 moL/L甘露醇,1 mmol/L EDTA,0.5% PVP),后將其放在4 ℃冰箱中靜置15 min,然后用5層紗布過(guò)濾并轉(zhuǎn)移到50 mL離心管中,在4 ℃、10 000 r/min的條件下離心20 min,棄去上清液,向沉淀中加入5 mL洗滌液(10 mmol/L Tris-HCL,pH 7.2,內(nèi)含0.25 mol/L蔗糖,0.3 mol/L甘露醇,1 mmol/L EDTA),在上述離心條件下再次離心后棄去上清液,向最終的沉淀中加入2 mL洗滌液(10 mmol/L Tris-HCL)即得到線(xiàn)粒體粗提液。

1.4.6 線(xiàn)粒體中H+-ATPase與Ca2+-ATPase酶測(cè)定

線(xiàn)粒體中H+-ATPase與Ca2+-ATPase酶活力測(cè)定參照張群[13]和趙穎穎等[14]的方法。吸取0.1 mL線(xiàn)粒體制備液向其中加入0.7 mL緩沖液(30 mmol/L pH 7.2的Tris-HCL溶液,內(nèi)含3 mmol/L硫酸鎂,50 mmol/L硝酸鈉,0.1 mmol/L釩酸鈉,0.1 mmol/L鉬酸銨,50 mmol/L氯化鉀),混勻后再向其中加入0.1 mL 反應(yīng)啟動(dòng)溶液(pH為8.0的30 mmol/L ATP-Tris溶液),然后將其放入37 ℃的恒溫水浴鍋中20 min,之后迅速向其中加入0.1 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的三氯乙酸溶液使其停止反應(yīng)。反應(yīng)釋放的無(wú)機(jī)磷含量用無(wú)機(jī)磷試劑盒測(cè)定。以無(wú)機(jī)磷含量表示H+-ATPase活力(μmol/g)。

Ca2+-ATPase酶活力以是否添加3 mmol/L硝酸鈣Ca(NO3)2引起的酶活力之差表示。步驟同H+-ATPase活性測(cè)定一致。

1.4.7 SDH活力測(cè)定

琥珀酸脫氫酶活力測(cè)定參照J(rèn)IN等[15]的方法,以每克組織在反應(yīng)體系中每分鐘消耗1 nmoL 2,6-二氯酚靛酚定義為一個(gè)酶活力單位U,SDH活力以U/g表示。

1.4.8 CCO活力測(cè)定

線(xiàn)粒體中CCO活力測(cè)定參照陳京京等[16]的方法。吸取0.1 mL線(xiàn)粒體粗提液向其中加入0.5 mL 0.04%細(xì)胞色素C水溶液和2 mL蒸餾水,在37 ℃的水浴鍋中放置2 min,再向其中加入0.5 mL 0.4%的對(duì)苯二胺溶液混勻后再次放到37 ℃恒溫水浴鍋中反應(yīng)10 min至出現(xiàn)紅色,在510 nm下測(cè)定其吸光度值,每克鮮重每分鐘變化0.01為一個(gè)酶活力單位U,CCO活力以U/g表示。

1.5 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)指標(biāo)測(cè)定3次,取其平均值作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用軟件Origin 2019對(duì)文章中圖表進(jìn)行繪制,使用SPSS軟件進(jìn)行差異性分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 貯藏過(guò)程中馬鈴薯莖肉硬度及呼吸強(qiáng)度變化

馬鈴薯莖肉硬度是衡量馬鈴薯貯藏品質(zhì)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。由圖1-a可知,3個(gè)貯藏溫度下馬鈴薯莖肉硬度在貯藏過(guò)程中均呈下降趨勢(shì),0 ℃和4 ℃處理的馬鈴薯莖肉硬度下降幅度顯著低于20 ℃處理的馬鈴薯,貯藏168 d,20 ℃處理的馬鈴薯莖肉硬度下降最明顯,由初始的4 378.90 g/cm2下降至2 335.47 g/cm2,下降了46.66%,而0 ℃和4 ℃分別下降了18.23%和17.81%;貯藏28 d后,4 ℃處理的馬鈴薯莖肉硬度始終高于0 ℃,說(shuō)明適宜的低溫(4 ℃)可有效減緩馬鈴薯貯藏過(guò)程中莖肉硬度的下降速率,從而較好地維持馬鈴薯的貯藏品質(zhì)。

a-莖肉硬度;b-呼吸強(qiáng)度

呼吸強(qiáng)度也是反映馬鈴薯貯藏效果的重要指標(biāo)之一,呼吸強(qiáng)度的上升不僅說(shuō)明馬鈴薯塊莖代謝速率加快,還加速了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗,導(dǎo)致馬鈴薯品質(zhì)下降。從圖1-b可知,4 ℃處理的馬鈴薯塊莖始終保持著較低的呼吸強(qiáng)度,且趨勢(shì)平穩(wěn),始終低于0 ℃和20 ℃處理,有效抑制塊莖內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失。貯藏28 d時(shí),0 ℃處理的馬鈴薯塊莖呼吸強(qiáng)度出現(xiàn)最大值,較初始值上升了25.58%,這可能與馬鈴薯抵御低溫脅迫,增加能量消耗有關(guān);56 d前后20 ℃處理的馬鈴薯塊莖呼吸強(qiáng)度呈先緩慢降低后快速上升趨勢(shì)。貯藏至84 d后,不同處理間馬鈴薯塊莖呼吸強(qiáng)度呈極顯著差異,從高到底依次為:20 ℃處理>0 ℃處理>4 ℃處理(P<0.01)。說(shuō)明4 ℃貯藏條件可有效降低馬鈴薯塊莖的呼吸強(qiáng)度,塊莖代謝速率維持較低水平,有利于塊莖貯藏期的延長(zhǎng)。

2.2 貯藏過(guò)程中馬鈴薯發(fā)芽率及發(fā)芽級(jí)數(shù)變化

馬鈴薯發(fā)芽后不僅影響感官品質(zhì),還會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)龍葵素,因此在貯藏過(guò)程應(yīng)防止馬鈴薯塊莖發(fā)芽帶來(lái)的商品價(jià)值降低。由圖2-a可知,0 ℃處理的馬鈴薯塊莖始終未發(fā)芽;貯藏至112 d時(shí),4 ℃處理的馬鈴薯塊莖結(jié)束休眠進(jìn)入萌發(fā)期,貯藏168 d時(shí)塊莖發(fā)芽率高達(dá)25.15%,說(shuō)明4 ℃低溫僅延長(zhǎng)了馬鈴薯塊莖的休眠期,并不影響塊莖正常發(fā)芽。20 ℃處理的馬鈴薯貯藏初期就開(kāi)始發(fā)芽,84 d時(shí)所有塊莖全部發(fā)芽,極顯著高于其他兩處理組(P<0.01)?？梢?jiàn),低溫是抑制馬鈴薯塊莖的萌發(fā)的關(guān)鍵因素。發(fā)芽級(jí)數(shù)與發(fā)芽率趨勢(shì)變化規(guī)律基本一致(圖2-b),貯藏結(jié)束時(shí),20 ℃處理的馬鈴薯發(fā)芽級(jí)數(shù)出現(xiàn)下降,這可能是馬鈴薯側(cè)芽生長(zhǎng)受抑制的結(jié)果。

2.3 貯藏過(guò)程中馬鈴薯發(fā)芽狀況比較

馬鈴薯塊莖發(fā)芽時(shí)會(huì)引起塊莖中水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗,使馬鈴薯塊莖表面皺縮,嚴(yán)重影響感官品質(zhì)與商品價(jià)值。從圖3中可看出,20 ℃處理中馬鈴薯塊莖較早出現(xiàn)明顯的發(fā)芽現(xiàn)象,在貯藏112 d,馬鈴薯塊莖發(fā)芽、表面皺縮嚴(yán)重,完全失去商品價(jià)值。與之相對(duì),0 ℃和4 ℃處理可有效抑制馬鈴薯塊莖的發(fā)芽,但在貯藏168 d時(shí),0 ℃處理的馬鈴薯外觀(guān)新鮮度明顯低于4 ℃處理,且馬鈴薯表面已出現(xiàn)凹陷褐斑,可能與過(guò)低的貯藏溫度引起的代謝失調(diào),發(fā)生冷害有關(guān)?？梢?jiàn),4 ℃的貯藏溫度是維持馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)和外觀(guān)品質(zhì)的適宜條件。

圖3 貯藏過(guò)程中馬鈴薯發(fā)芽狀況比較

2.4 貯藏過(guò)程中馬鈴薯可溶性糖的變化

從表3中可以看出,馬鈴薯的可溶性糖以果糖、葡萄糖、蔗糖為主。貯藏期間,0 ℃和4 ℃處理的馬鈴薯果糖和葡萄糖含量呈上升趨勢(shì),20 ℃處理呈先降后升趨勢(shì),貯藏140 d時(shí),20 ℃處理的馬鈴薯果糖和葡萄糖含量出現(xiàn)最大值,較初始值分別升高了97.86%和164.45%,且20 ℃處理的馬鈴薯在整個(gè)貯藏過(guò)程中可溶性糖含量均顯著低于0 ℃和4 ℃處理的馬鈴薯,這可能是由于在較高溫度下馬鈴薯塊莖生理代謝旺盛,加速了可溶性糖的降解。貯藏28 d后,馬鈴薯塊莖中果糖、葡萄糖、蔗糖含量從高到低依次為:0 ℃處理>4 ℃處理>20 ℃處理(P<0.05),總糖含量與之相似。

表3 貯藏過(guò)程中馬鈴薯可溶性糖含量變化 單位:g/kg

此外,研究發(fā)現(xiàn)麥芽糖只在貯藏112 d后的4 ℃和20 ℃處理中出現(xiàn),這可能與塊莖進(jìn)入萌發(fā)期有關(guān)。在貯藏28 d后,0 ℃處理的馬鈴薯可溶性糖含量顯著高于其他兩組,明顯出現(xiàn)“低溫糖化”現(xiàn)象,這可能是一種馬鈴薯塊莖自我保護(hù)機(jī)制,為抵御外界低溫脅迫塊莖內(nèi)淀粉轉(zhuǎn)化為可溶性糖,從而增加組織內(nèi)可溶性糖含量,避免冷害和凍害的發(fā)生。因此,在4 ℃條件下更有利于馬鈴薯塊莖的貯藏,該溫度既不會(huì)導(dǎo)致可溶性糖消耗過(guò)快,也不會(huì)發(fā)生明顯的低溫糖化效應(yīng)。

2.5 ATP、ADP、AMP標(biāo)準(zhǔn)品與馬鈴薯樣品高效液相色譜圖分析

將ATP、AMP、ADP的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液及1.3.4節(jié)中制備好的馬鈴薯樣品溶液注入高效液相色譜儀中進(jìn)行分析,得到標(biāo)準(zhǔn)品及馬鈴薯樣品高效液相色譜圖(圖4、圖5)。

圖4 ATP、ADP、AMP標(biāo)準(zhǔn)品高效液相色譜圖

圖5 馬鈴薯樣品高效液相色譜圖

從圖4和圖5中可以看出,在該色譜條件下ATP、ADP、AMP均得到良好的分離,標(biāo)準(zhǔn)品中ATP、ADP、AMP的出峰時(shí)間為3.784、4.109和4.588 min,而馬鈴薯樣品中ATP、ADP、AMP的出峰時(shí)間為3.801、4.216和4.590 min,樣品出峰時(shí)間較標(biāo)品略晚,但基本保持一致,說(shuō)明利用該條件對(duì)樣品中ATP、ADP、AMP含量進(jìn)行測(cè)定的方法可行。

2.6 貯藏過(guò)程中馬鈴薯ATP、ADP、AMP含量及能荷變化

ATP主要分布在線(xiàn)粒體、葉綠體和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中,是代謝調(diào)節(jié)的主要能量來(lái)源。同時(shí)ATP在能量代謝中也起著核心作用,生物體合成代謝和分解代謝都需要ATP的參與。從圖6-a中可以看出,馬鈴薯塊莖中ATP含量呈先上升后下降趨勢(shì)。貯藏0～56 d,20 ℃處理?xiàng)l件下馬鈴薯塊莖中ATP含量顯著高于0 ℃和4 ℃處理(P<0.05);貯藏168 d時(shí),ATP含量從高到低依次為:4 ℃處理>0 ℃處理>20 ℃處理。20 ℃處理的馬鈴薯在貯藏28 d后便出現(xiàn)ATP含量急劇下降的現(xiàn)象,這說(shuō)明馬鈴薯塊莖在貯藏28 d后細(xì)胞開(kāi)始出現(xiàn)衰老情況,細(xì)胞衰老時(shí)線(xiàn)粒體功能會(huì)出現(xiàn)失調(diào)現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為氧化磷酸化反應(yīng)減少,ATP生成總量減少。而4 ℃貯藏溫度可保持馬鈴薯細(xì)胞在整個(gè)貯藏過(guò)程中保持較高水平的ATP含量,較高水平的ATP含量可保持植物細(xì)胞膜的完整性,延緩馬鈴薯衰老進(jìn)程。

a-ATP含量;b-ADP含量;c-AMP含量;d-能荷

由圖6-b可知,馬鈴薯塊莖中ADP含量呈先上升后下降趨勢(shì),貯藏56～168 d,20 ℃處理的馬鈴薯塊莖中ADP含量顯著低于其他兩處理組(P<0.05)。馬鈴薯塊莖中的AMP含量大體呈上升趨勢(shì)(圖6-c),貯藏84 d前,4 ℃處理AMP含量顯著低于0 ℃和20 ℃處理(P<0.05),在整個(gè)貯藏過(guò)程中AMP含量上升順序依次為:20 ℃處理>0 ℃處理>4 ℃處理,說(shuō)明4 ℃貯藏溫度可有效抑制馬鈴薯塊莖AMP含量的上升及ADP含量的下降。

保持較高能荷水平對(duì)維持果蔬細(xì)胞膜完整性、減緩組織衰老并增強(qiáng)其抗病性具有積極作用。從圖6-d中可以看出,在整個(gè)貯藏過(guò)程中馬鈴薯塊莖中的能荷呈先上升后下降的趨勢(shì),20 ℃處理的馬鈴薯塊莖在貯藏56 d后能荷值快速下降,說(shuō)明馬鈴薯塊莖中能量出現(xiàn)虧損現(xiàn)象,馬鈴薯開(kāi)始衰老,從圖6可以看出能荷下降速率依次為:20 ℃處理>0 ℃處理>4 ℃處理,說(shuō)明4 ℃貯藏溫度可維持較高的能荷水平和能荷穩(wěn)定性。

2.7 貯藏過(guò)程中馬鈴薯H+-ATPase和Ca2+-ATPase活力的變化

H+-ATPase是植物中的質(zhì)子泵,泵出H+從而在膜內(nèi)外建立起了用于營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)的電化學(xué)梯度,從而催化ATP的生成,維持細(xì)胞質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的pH。由圖7-a可知,馬鈴薯塊莖的H+-ATPase活力在貯藏28 d后整體呈下降趨勢(shì)。且4 ℃處理的馬鈴薯塊莖在貯藏28 d后H+-ATPase活力顯著高于其他兩組處理,說(shuō)明4 ℃可有效保持H+-ATPase在貯藏過(guò)程中的活力。H+-ATPase活力的大小與線(xiàn)粒體功能密切相關(guān),若H+-ATPase活力較低則會(huì)影響馬鈴薯塊莖中ATP生成速率,造成細(xì)胞內(nèi)能量合成不足從而加速馬鈴薯塊莖的衰老。

a-H+-ATPase活力變化;b-Ca2+-ATPase活力變化

Ca2+-ATPase是細(xì)胞器膜上的鈣離子泵,是維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的重要機(jī)制之一,其作用是將植物細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的鈣離子運(yùn)送到線(xiàn)粒體內(nèi)參與線(xiàn)粒體中的各種調(diào)節(jié)。當(dāng)Ca2+-ATPase酶活力太低時(shí),細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+濃度便會(huì)升高,而線(xiàn)粒體內(nèi)Ca2+濃度便會(huì)降低,從而導(dǎo)致線(xiàn)粒體功能受損,細(xì)胞衰老進(jìn)程加快。從圖7-b中可看出在貯藏28 d后4 ℃處理的馬鈴薯塊莖中Ca2+-ATPase活力高于其他兩組,且20 ℃處理的馬鈴薯塊莖Ca2+-ATPase活力在整個(gè)貯藏過(guò)程中下降速率最快,與初始值相比下降了58.90%,貯藏結(jié)束時(shí),0 ℃、4 ℃和20 ℃條件下Ca2+-ATPase活力依次為:0.51、0.56和0.30 μmol/g。這表明4 ℃貯藏可提高貯藏過(guò)程中(28～168 d)的Ca2+-ATPase活性,減少馬鈴薯塊莖的衰老。

2.8 貯藏過(guò)程中馬鈴薯SDH和CCO活力變化

SDH是三羧酸循環(huán)中的關(guān)鍵酶,可催化琥珀酸脫氫轉(zhuǎn)化成延胡素酸,脫下的H+最后會(huì)生成ATP,為生命活動(dòng)提供能量。SDH活力的高低直接影響ATP的生成。由圖8-a可知,0 ℃處理下的馬鈴薯塊莖中SDH活力在14 d時(shí)出現(xiàn)最低值,為21.24 U/g;20 ℃和4 ℃處理在7 d和14 d時(shí)出現(xiàn)最高值,分別為50.20 U/g和44.67 U/g,說(shuō)明貯藏初期SDH活力隨貯藏溫度的升高呈上升趨勢(shì)。而貯藏56 d后,各處理中SDH活力變化趨于平緩,但處理之間差異顯著(P<0.05),由高到低排列為:4 ℃處理>0 ℃處理>20 ℃處理。可見(jiàn),適宜的低溫(4 ℃)可有效維持貯藏中后期馬鈴薯塊莖中SDH高活力。

a-SDH活力;b-CCO活力

CCO是線(xiàn)粒體電子傳遞鏈末端氧化酶,其作用是為氧化磷酸化提供能量,它可以將電子傳遞給O2,若CCO活力降低或缺失,將會(huì)中斷線(xiàn)粒體呼吸鏈電子的傳遞,從而減少ATP的生成,ATP減少會(huì)造成細(xì)胞能量的虧損導(dǎo)致細(xì)胞死亡。圖8-b中顯示,總體上馬鈴薯塊莖中CCO活力隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)呈緩慢下降趨勢(shì),20 ℃處理的馬鈴薯塊莖CCO活力下降速率最快,下降了56.14%,而4 ℃處理的下降速率最慢,下降了34.96%。貯藏至168 d時(shí),0 ℃、4 ℃和20 ℃處理CCO活力分別為11.85、15.05、10.15 U/g?？梢?jiàn),4 ℃貯藏條件可更好地維持了貯藏過(guò)程中馬鈴薯塊莖內(nèi)CCO高活力,有利于A(yíng)TP的生成。

2.9 能量水平與相關(guān)酶活力及主要生理指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

由表4可以看出,ADP含量、能荷及H+-ATPase酶活力與ATP含量均呈極顯著正相關(guān)(r=0.965**,r=0.898**,r=0.811**),Ca2+-ATPase酶活力與ATP含量呈顯著相關(guān)性(r=0.681*);ADP含量與能荷呈極顯著正相關(guān)(r=0.842**),與H+-ATPase及Ca2+-ATPase酶活力顯著相關(guān)(r=0.732*,r=0.692*);AMP含量與CCO酶活力呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.864**);而能荷與H+-ATPase酶活力呈極顯著正相關(guān)(r=0.967**)。說(shuō)明馬鈴薯塊莖組織能量水平的高低與相關(guān)酶(H+-ATPase、Ca2+-ATPase及CCO)活力關(guān)系密切,相關(guān)酶活力降低將會(huì)使細(xì)胞能量供應(yīng)不足,從而引起細(xì)胞膜系統(tǒng)的破壞,導(dǎo)致植物細(xì)胞衰老。

表4 能量水平與相關(guān)酶活力的相關(guān)性分析

由表5可知,ATP含量與可溶性糖含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-809**),與呼吸強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.667*);ADP含量與可溶性糖之間呈極顯著正相關(guān)(r=0.835**);AMP含量與果實(shí)硬度呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.961**),與呼吸強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.790*);果實(shí)硬度與呼吸強(qiáng)度之間呈極顯著正相關(guān)(r=0.871**),與可溶性糖之間呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.782*);呼吸強(qiáng)度與可溶性糖之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.872**)。說(shuō)明馬鈴薯塊莖在貯藏過(guò)程中的能量變化與質(zhì)量品質(zhì)之間存在一定的相關(guān)性,馬鈴薯細(xì)胞中能量水平的高低會(huì)直接影響塊莖品質(zhì)。

表5 能量水平與主要生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn),4 ℃貯藏條件可有效抑制貯藏過(guò)程馬鈴薯呼吸代謝水平,減緩了馬鈴薯貯藏過(guò)程中莖肉硬度的下降速率,較好地維持馬鈴薯的貯藏品質(zhì)。而0 ℃處理雖然抑芽效果明顯,但馬鈴薯塊莖呼吸代謝水平高于4 ℃處理,并出現(xiàn)生理代謝失調(diào),表皮出現(xiàn)明顯凹陷褐斑,有明顯冷害跡象。20 ℃處理的馬鈴薯塊莖呼吸強(qiáng)度在貯藏84 d后明顯升高,加快了馬鈴薯代謝底物的消耗從而導(dǎo)致馬鈴薯衰老[17],導(dǎo)致貯藏結(jié)束時(shí)塊莖發(fā)芽、失水皺縮嚴(yán)重,完全喪失食用和商品價(jià)值。筆者所在研究團(tuán)隊(duì)在前期研究過(guò)程中已經(jīng)對(duì)不同溫度下馬鈴薯塊莖的相關(guān)生理變化進(jìn)行研究[3],在4～5 ℃、10～12 ℃和15～18 ℃貯藏溫度下,馬鈴薯塊莖隨貯藏溫度的上升,塊莖的呼吸強(qiáng)度、失重率、腐爛率以及發(fā)芽率也呈上升趨勢(shì),與本試驗(yàn)中20 ℃溫度條件下的生理及品質(zhì)變化規(guī)律相似。低溫貯藏馬鈴薯塊莖在貯藏前期總糖含量顯著上升,且0 ℃處理總糖含量顯著高于4 ℃處理,這與姚桂枝[18]的研究結(jié)果相似,說(shuō)明0 ℃低溫條件對(duì)馬鈴薯塊莖形成脅迫,加速了淀粉的分解,使大量淀粉轉(zhuǎn)化為蔗糖,進(jìn)一步分解為果糖和葡萄糖,最終導(dǎo)致“低溫糖化”現(xiàn)象[19],并且隨溫度下降 “低溫糖化”呈加重趨勢(shì),這可能與馬鈴薯塊莖組織通過(guò)提高組織內(nèi)液體含糖量對(duì)抗低溫脅迫的自我保護(hù)機(jī)制有關(guān)。此外,本研究還在貯藏112 d后4 ℃和20 ℃處理的馬鈴薯塊莖中檢測(cè)出麥芽糖;而0 ℃處理塊莖中始終未檢測(cè)出麥芽糖,這可能與貯藏后期4 ℃和20 ℃處理的馬鈴薯進(jìn)入萌發(fā)期有關(guān),其深層次原因還需進(jìn)一步研究。能量對(duì)于果實(shí)貯藏期間細(xì)胞各項(xiàng)生理功能的維持具有極其重要的作用[20],能量供應(yīng)不足會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞功能紊亂和代謝失調(diào)、細(xì)胞膜被破壞、功能喪失,同時(shí)導(dǎo)致防御系統(tǒng)無(wú)法清除多余的活性氧,進(jìn)而加速果蔬衰老[21],并且保持較高的能量水平是植物細(xì)胞抵御外源微生物侵染的關(guān)鍵?？梢?jiàn),能量水平的高低也是評(píng)價(jià)果蔬耐貯性的重要指標(biāo)之一。由于馬鈴薯塊莖也是其生殖器官,貯藏后期塊莖會(huì)進(jìn)入萌發(fā)期,較之其他果蔬產(chǎn)品,其能量水平與能量代謝相關(guān)酶及貯藏品質(zhì)之間也呈現(xiàn)更加復(fù)雜的關(guān)系。本研究相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),能荷與ATP含量和ADP含量均呈極顯著正相關(guān)(r=0.898**,r=0.842**),說(shuō)明馬鈴薯組織主要靠ATP和ADP供能。ATP含量與H+-ATPase、Ca2+-ATPase酶活力均呈正相關(guān)關(guān)系(r=0.811**,r=0.681*),并且ADP含量與H+-ATPase、Ca2+-ATPase酶活力也均呈正相關(guān)關(guān)系(r=0.732*,r=0.692*)說(shuō)明,H+-ATPase和Ca2+-ATPase是馬鈴薯塊莖產(chǎn)生ATP和ADP的直接關(guān)鍵酶。AMP含量與CCO酶活力呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.864**),說(shuō)明CCO酶活力的上升加速了AMP向ADP的轉(zhuǎn)化,從而降低了AMP的含量。ATP含量與可溶性糖含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-809**),與呼吸強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.667*),說(shuō)明ATP的產(chǎn)生需要消耗可溶性糖,并且ATP含量上升會(huì)抑制呼吸代謝速率;ADP含量與可溶性糖之間呈極顯著正相關(guān)(r=0.835**),可溶性糖含量上升會(huì)促進(jìn)AMP向ADP轉(zhuǎn)化,促進(jìn)ADP的上升;AMP含量與莖肉硬度與呼吸強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.790*),呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.961**),說(shuō)明AMP的積累是能量虧缺的表現(xiàn),塊莖的生理代謝受到抑制和貯藏品質(zhì)下降。

線(xiàn)粒體是生物能量代謝的主要細(xì)胞器,其中的H+-ATPase、Ca2+-ATPase、SDH、CCO是線(xiàn)粒體呼吸代謝的關(guān)鍵酶,其活力的高低與線(xiàn)粒體功能密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn),4 ℃處理可提高貯藏過(guò)程中馬鈴薯塊莖中H+-ATPase和Ca2+-ATPase活力,并有效維持貯藏過(guò)程中SDH和CCO的高活力,這有利于細(xì)胞中ATP的產(chǎn)生,避免細(xì)胞代謝能量虧缺發(fā)生,從而有效維持線(xiàn)粒體功能和膜完整性,并延緩細(xì)胞衰老[15,22-24]。這與王志華等[25]得出的適宜的低溫貯藏可有效提高蘋(píng)果中能荷水平的研究結(jié)果相似。與之相對(duì),在0 ℃和20 ℃條件下,馬鈴薯塊莖中這些線(xiàn)粒體呼吸代謝的關(guān)鍵酶活力,出現(xiàn)不同程度的下降,會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)粒體功能受損,從而使植物細(xì)胞能量合成受阻,造成細(xì)胞內(nèi)能量的虧缺,進(jìn)而加速了塊莖細(xì)胞膜系統(tǒng)破壞,發(fā)生品質(zhì)劣變。

綜上所述,馬鈴薯塊莖組織能量水平的高低與相關(guān)酶(H+-ATPase、Ca2+-ATPase及CCO)活力關(guān)系密切,相關(guān)酶活力下降引起ATP、ADP含量下降,發(fā)生細(xì)胞代謝能量虧缺,從而引起其生理代謝失調(diào),加速了塊莖營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗和品質(zhì)劣變。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明,馬鈴薯塊莖組織能量水平的高低與相關(guān)酶(H+-ATPase、Ca2+-ATPase及CCO)活力關(guān)系密切,相關(guān)酶活力下降引起ATP、AMP含量下降,發(fā)生細(xì)胞代謝能量虧缺,從而引起其生理代謝失調(diào),加速了塊莖營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗和品質(zhì)劣變。適宜的低溫(4 ℃)條件下馬鈴薯塊莖中能量代謝相關(guān)酶(Ca2+-ATPase、H+-ATPase、CCO和SDH)均表現(xiàn)出較高的活力,保持較高的能荷、ATP含量和ADP含量,并能有效減緩馬鈴薯莖肉硬度的下降,抑制馬鈴薯塊莖萌發(fā),從而較好的維持馬鈴薯品質(zhì)。