呼吸代谢调控桃果实采后抗氧化活性研究进展

梁敏华, 杨震峰， 陈 伟， 苏新国

1.上海海洋大学食品学院， 上海 201306；2.浙江万里学院生物与环境学院， 浙江省果蔬保鲜与加工技术研究重点实验室， 浙江 宁波 315100；3.广东食品药品职业学院， 广州 510520

新鲜果实中富含许多天然抗氧化物质，如多酚、黄酮和类胡萝卜素等，可以有效清除人体内的自由基，防止和减少心血管、肿瘤和过敏等疾病的发生[1～3]，因此，果实中抗氧化物质的形成规律及其抗氧化活性已成为植物次生代谢研究的一个热点，果实的抗氧化活性已成为衡量果实品质的一个重要指标[4]。大量的流行病学资料表明，水果摄入量与心脑血管疾病以及一些肿瘤的发病率和死亡率呈明显负相关[5～7]；而水果防治老年性疾病可能也源于其抗氧化特性[8]。随着人们生活水平的不断提高和人类健康需求，加强果实功能性营养品质的形成与调控研究将成为当前所面临的重要课题[9]，也是提高水果综合质量、提升水果产业综合竞争力的重要途径。

桃(PrunuspersicaL.)原产于我国，是栽培历史悠久的果树种类之一。我国有800个品种，用于生产栽培的有30个左右。根据成熟果实果肉色泽，可将桃果实分成白肉、黄肉和红肉桃3类，白肉和黄肉桃以其外观美丽、风味甜香而占有较大的市场，红肉桃近年来因其富含花色苷而日益受到人们的重视。本文综述了桃果实中的抗氧化营养成分、采后品质保障及代谢调控等方面的研究进展，为桃果实进一步开发利用提供理论依据。

1 桃果实采后抗氧化特性

1.1 桃果实中的抗氧化物质

成熟的桃果实中(包括果皮和果肉)富含一系列复杂的植物次生代谢类物质, 包括酚酸类、黄酮醇类、黄烷-3-醇类、花色苷类和类胡萝卜素[10～12]。不同品种的桃果实不但色泽差别大，而且果实中抗氧化物质的种类和含量差异明显，抗氧化物质组成的变化显著影响果实的抗氧化活性[13,14]。

1.2 桃果实抗氧化特性影响因素

研究发现，不但果实采前因素如品种、栽培条件、发育阶段和生长环境因子(土壤、雨水、光照和逆境等)会影响桃果实抗氧化物质的组成和含量[11]，而且桃果实采后处理和贮藏过程也会影响抗氧化物质的变化[15]。目前对桃果实采后次生代谢物质变化的规律和机制尚缺乏明确的认识。其他跃变型果实如‘Kditt’芒果果实在绿熟到完熟期间总胡萝卜素从12.3 μg/g增加到38.0 μg/g，β-胡萝卜素含量从1.7 μg/g增加到6.7 μg/g，而紫黄质则在果实完熟时已检测不到[16]；‘Maradol’木瓜果实后熟过程中，番茄红素和β-胡萝卜素含量分别从1.5 μg/g、3.1 μg/g增加到12 μg/g、8 μg/g, 而阿魏酸、咖啡酸和芦丁等酚类物质含量明显下降[17]。可见，跃变型果实在采后成熟期间抗氧化物质不但含量增加，果实抗氧化能力还会进一步提高。到目前为止，只是对不同品种的桃果实的抗氧化物质的结构和抗氧化能力进行了初步研究，而对于果实采后成熟过程中，尤其是呼吸跃变前后抗氧化物质代谢和抗氧化能力的变化规律缺乏深入了解。

2 桃果实采后呼吸代谢

桃果实为典型的跃变型果实，需要经历呼吸跃变才能成熟可食。跃变型果实采后成熟是一个高度协调的生命活动，经历一系列复杂的代谢反应，包括物质转化和利用，以及色泽、质地、风味和香气成分等的变化，其中生理生化和分子生物学基础对果实后熟品质形成与调控起着关键的作用[18,19]。揭示果实采后营养品质形成的规律及其生理生化与分子调控途径是当前园艺产品采后生物学研究领域中倍受关注的科学和技术问题。目前，国内外对果实的品质形成与调控做了大量的研究工作，已基本明确水果采后品质的形成与调控的方式，取得了重要研究成果；但大多数研究工作集中于感官品质(如色、香、味、质地等)和基本营养品质(如糖和酸等基本营养物质)，而对于水果采后功能性物质形成与调控的关键理论缺乏系统或深层次的认识，这与果实营养品质本身的复杂性(如检测要求仪器设备较高、代谢调控网络复杂等)有关[20,21]。因此，研究果实在采后成熟过程中抗氧化活性物质形成的变化规律及其生理生化与分子调控途径是提高果实采后营养品质的基础和前提。

跃变型果实采后营养品质的形成与调控是由内在因素和外部环境条件所诱导而引发的生理过程, 主要表现为呼吸底物、途径的变化，中间产物转化，次生物质形成与调控，进而影响果实的营养品质特性[22,23]。随着果实的成熟、衰老，呼吸作用不断发生变化，表现为果实在成熟之前，呼吸强度变化不大，然后急剧升高，达到呼吸高峰，随后呼吸强度又下降。呼吸作用既为生命活动提供可利用的能量, 又为生物体内多种重要有机物的形成提供重要的原料及中间产物[24]。果实采后呼吸作用具有多样性，表现在中间产物形成与转化、电子传递系统与末端氧化酶的变化:①既可通过糖酵解-三羧酸(EMP-TCA)循环途径, 也可通过磷酸戊糖(PPP)途径, 还可通过乙醛酸循环途径及其他途径；②呼吸链除了细胞色素系统主路，还存在交替氧化酶等途径。在呼吸代谢中，乙酰辅酶A、α-酮戊二酸、延胡索酸、草酰乙酸、戊糖、己糖和磷酸果糖等可影响抗氧化活性物质的形成[25～27]。可溶性糖的多少可直接影响到各呼吸途径的呼吸强度与中间产物的形成与转化，从而影响到果实的其他生理代谢[28]。低氧、低温处理果实能保持较高的可溶性固形物含量和抗氧化物质，这与果实呼吸强度降低导致可溶性糖消耗减少有关[29]。此外，跃变型果实在采后后熟期间呼吸代谢途径的改变，尤其是PPP途径增强促进了莽草酸途径生物合成，增加了类黄酮、类胡萝卜素等多种次生代谢物质的积累，进而提高了果实的抗氧化营养品质[30～32]。可见，跃变型果实在采后后熟过程中是以呼吸代谢为中心，代谢中间产物形成与转化对果实类黄酮、类胡萝卜素等抗氧化物质形成与调控起关键作用。

3 桃果实采后花色苷合成

果实中花色苷和酚类物质的合成主要是通过莽草酸途径将初生物质转化成次生物质，涉及许多酶的催化反应，其中苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia lyase，PAL)、查尔酮合成酶(chalcone synthase，CHS)、二氢黄酮醇还原酶(dihydroflavonol 4-reductase，DFR)、花色苷合成酶(anthocyanidin synthase，ANS)和类黄酮糖基转移酶(UDP-glucose flavonoid glucosyl transferase，UFGT)分别是桃果实中酚酸、类黄酮和花色苷合成的关键酶[33]。PAL催化苯丙氨酸脱氨生成反式肉桂酸和氨，引导碳素流向酚类物质，是果实大部分酚类物质形成的第一个关键限速酶，为其他酚类代谢反应提供代谢底物；CHS是黄酮类物质合成的第一个关键酶，催化二分子的丙二酰CoA与一分子的香豆酰CoA生成4，5，7-三羟基黄烷酮，进一步异构和羟基化后生成二氢黄酮醇(二氢槲皮素和二氢杨梅素)；二氢黄酮醇在DFR、ANS 和UFGT的进一步催化下合成稳定的花色苷[34]。上述合成代谢相关酶位于细胞质中，在内质网上形成酶复合体共同对花色苷和酚类物质的合成起催化作用[35]。Tsuda等[33]在研究红色和白色桃花色苷生物合成基因的表达时发现, 在果实成熟期CHS和DFR酶是红色品种桃果皮花色苷生物合成的关键酶, 随着果实的成熟，CHS和DFR酶活性提高，使合成途径向无色花青素的方向进行。周君等[12]研究发现，伴随桃果实成熟, 酚酸类和黄烷-3-醇类物质的含量逐渐下降，而桃果皮中的花色苷类物质代谢在果实发育早期向花色苷以外的各分支代谢方向进行, 果实着色初期同时积累黄酮醇和花色苷, 到成熟后期主要为花色苷的合成，这表明黄酮醇和花色苷的生物合成存在竞争关系。因此在桃果实的次生物质代谢过程中，酚酸、黄酮醇和黄烷-3-醇由于与花色苷具有相同的合成底物和不同的调控关键酶, 直接或间接地影响着花色苷的生成，但其调控机制并不明晰。最新的研究结果发现，PPP代谢途径中以糖作为代谢底物，促进了葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PDH)活性增加，G6PDH代谢产物增加又促进PAL活性提高和类黄酮、花色苷等次生物质的积累，进而又为他们协同促进次生物质产生开通了道路[32]。PAL作为果实中花色苷和酚类物质的合成途径的起始酶，它与酚酸、黄酮醇、黄烷-3-醇和花色苷的伴随性可以得到证实。但是呼吸代谢的重要中间产物与莽草酸途径的其他关键酶之间是否也存在相互调节机制尚不明确，需要进一步的实验和探讨。

4 桃果实采后类胡萝素合成

类胡萝卜素物质的合成与积累是黄肉桃果实呈色的重要原因。白肉桃果实中β-胡萝卜素含量极低(0～1 μg/g)，红肉桃果实中β-胡萝卜素含量在0.1～19 μg/g之间，而黄肉桃果实除果皮部位积累少量花色苷外，果实中β-胡萝卜素含量高达37 μg/g[13]。不同成熟阶段的黄肉桃果实不但色泽差异大，而且果实中类胡萝卜素物质的种类和含量差异明显。类胡萝卜素是人类必不可少的一类营养物质，在防止和抵抗严重的人类健康问题如癌症、心脏疾病和白内障等方面有着重要的作用[36]。高等植物类胡萝卜素的生物合成在质体中进行，遵循类异戊二烯途径，类胡萝卜素合成酶类均由细胞核基因编码，翻译成蛋白质后转运至质体中，参与类胡萝卜素的生物合成。戊烯焦磷酸(isopentenyl diphosphate，IPP)是异戊二烯途径的前体物质，由葡萄糖在质体中转化进行，涉及3-磷酸甘油醛和丙酮酸等中间产物的形成；IPP在IPP异构酶作用下生成二甲基丙烯基二磷酸(dimethylallyl diphosphate，DMADP)，然后在牻牛儿牻牛儿基焦磷酸合成酶(geranylgeranyl pyrophosphate synthase，GGPS)催化下再与3个IPP缩合，生成牻牛儿基牻牛儿焦磷酸(geranylgeranyl pyrophosphate，GGPP)。GGPS是萜类物质合成的一个重要分支点酶，是形成植物类胡萝卜素最直接前体八氢番茄红素的限速酶；2个GGPP分子在八氢番茄红素合成酶(phytoene synthase，PSY)作用下形成第一个无色的类胡萝卜素八氢番茄红素；进而在八氢番茄红素脱氢酶(phytoene desaturase，PDS)和ζ-胡萝卜素脱氢酶(ζ-carotene desaturase，ZDS)催化下，经过一系列的脱氢反应后产生具有发色团功能的的共扼双键，从而使得无色的八氢番茄红素转变成番茄红素；随后在番茄红素β环化酶(lycopene β-cyclase，β-LCY)和番茄红素ε环化酶(lycopene ε-cyclase，ε-LCY)的催化下，分别向β-胡萝卜素和α-胡萝卜素转化；β-羟基酶(β-hydroxylase，β-HY)以β-胡萝卜素为底物，合成β-隐黄素和玉米黄质。目前，许多植物中类胡萝卜素生物合成关键酶(GGPS、PSY、PDS、ZDS、β-LCY、ε-LCY和β-HY)基因已经克隆，对这些基因的功能及其表达调控也进行了较为深入的研究，但这些研究大都集中在类胡萝卜素合成与相关植物花或果实颜色形成的关系[37,38]，以及如何提高其类胡萝卜素含量上[39]。已有研究表明，桃果实中类胡萝卜素主要以β-胡萝卜素、β-隐黄素、叶黄素和玉米黄质为主，且类胡萝卜素的分布和含量因果实的品种、生长发育阶段、成熟度和采后贮藏条件不同而产生显著差异[10～12,40]。但到目前为止，有关桃果实成熟和采后呼吸跃变前后类胡萝卜素物质的合成和调控却鲜有报道。呼吸代谢是桃果实成熟过程中必需经历的生理变化过程，其代谢途径中的葡萄糖、丙酮酸和乙酰CoA同样也参与了异戊二烯途径中IPP的形成，因此系统研究此间的内在联系及其相关机制，必然有助于探明桃果实成熟期间类胡萝卜素合成与调控的机理。

5 问题与展望

综上所述，以往的研究大多集中在单独研究不同品种桃果实中抗氧化物质的种类、结构及其抗氧化能力等方面，尚未涉及果实采后成熟期间抗氧化物质代谢机制，也未能涉及采后成熟期间呼吸代谢对桃果实抗氧化物质代谢的影响和机制，这些都限制了桃果实自身所具有的独特营养价值的充分发挥。为此，以桃果实采后呼吸跃变为切入点，通过研究桃果实采后呼吸代谢对果实抗氧化物质的形成规律，揭示呼吸代谢在桃果实采后抗氧化物质合成代谢过程中的作用机制，从信号物质、基因表达、酶活性、物质代谢体系等方面，对基于呼吸代谢途径的桃果实采后营养品质的变化与调控机理将会形成一个较全面和清晰的认识。

参 考 文 献

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