热处理对哈密瓜蔗糖和乳酸通量的影响

王会松，王子昊，庞广昌*

（天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津市食品生物技术重点实验室，天津 300134）

热处理对哈密瓜蔗糖和乳酸通量的影响

王会松，王子昊，庞广昌*

（天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津市食品生物技术重点实验室，天津 300134）

对哈密瓜进行热处理会更好地提高其贮藏品质，从蔗糖积累和呼吸代谢的角度研究热处理更能揭示其作用的本质。以哈密瓜为材料，研究热处理对哈密瓜代谢网络通量的影响。将哈密瓜分别经过45、50、55 ℃热处理3 h之后立即置于最适贮藏温度5 ℃条件下贮藏21 h，以单一5 ℃处理24 h为对照，得到在不同温度条件下哈密瓜不同空间位置糖酵解途径、三羧酸循环、蔗糖合成途径、戊糖磷酸途径的代谢通量。结果显示：45 ℃和50 ℃处理组都有较高的蔗糖和乳酸通量，但以45 ℃处理组通量最高，作为热处理温度最为合适；而55 ℃处理组与空白对照无较大差别。本实验从代谢的角度深入研究果实的热处理贮藏，以期为提高果实的贮藏品质提供参考。

哈密瓜；热处理；蔗糖；乳酸；代谢通量

热处理是将采后果蔬置于较高的温度处理一段时间，是为了杀死或抑制某些微生物，以及降低某些和生理代谢相关的酶活性，从而达到延长贮藏保鲜时间的目的［1］。热处理方式有热空气、热蒸汽、热水浸泡、远红外线及微波处理等［2］。热处理的优势很明显，它属于一种纯物理手段，是一种无毒、无农药残留的处理方法［3］，并且相对来说比较经济且操作简单。目前鲜有从代谢的角度说明果实采后热处理对果实品质影响的报道；而从代谢这一最基本的生理活动方面来研究，会帮助人们更好地了解和应用热处理。热处理在许多果蔬的保鲜方面都有研究与实际应用，如芒果、草莓、葡萄等等。将苹果在38 ℃条件下处理4 d，之后置于0 ℃冷库中贮藏一段时间后，其硬度要高于对照［4］；而热处理对哈密瓜贮藏效果的研究也很多，已有研究［5-6］报道了用热水处理哈密瓜后，对哈密瓜果实的硬度和呼吸强度等指标进行了测定，结果表明热处理有利于哈密瓜的保藏；也有研究［7］报道了哈密瓜经过晒处理后再置于最佳贮藏温度5 ℃条件下贮藏，可明显提高贮藏品质。

研究发现当哈密瓜处于较高温度环境下时有蔗糖合成通量增强的趋势［8］，而糖分构成是影响果实品质的一个重要因子［9］，尤其是蔗糖。乳酸在代谢中作为信号调节分子，在果蔬的贮藏保鲜中也发挥了重要的作用［10］。哈密瓜最佳保藏温度普遍认为是5 ℃，并且从代谢的角度讲也是符合的［8］；并且研究表明大于40 ℃的高温处理之后哈密瓜的蔗糖通量有明显上升趋势，这对于果实的品质有很大促进作用。热空气已经应用在了热处理对果蔬的生理变化的研究当中［11-12］，所以本实验应用热空气对哈密瓜进行处理，研究哈密瓜热处理之后在蔗糖和乳酸代谢通量方面的变化情况，以探究热处理对哈密瓜代谢方面的影响。

1　材料与方法

1.1材料

哈密瓜从新疆哈密瓜原产地采摘，选取无机械损伤、无病虫害、大小均匀、成熟度一致的优质的瓜。

1.2仪器与设备

3K15高速冷冻离心机 美国Sigma公司；J2-21高速冷冻离心机 美国Beckman公司；HVE-50哈雅玛高压灭菌器 日本Hirayama Manufacturing公司；SBA-40C生物传感器分析仪 山东省科学院生物研究所；Fluoroskan Ascent FL荧光-化学发光检测仪 美国Thermo公司。

1.3方法

1.3.1样品制备

图1　哈密瓜部位分割图Fig.1 The segmentation map of Hami melon

将哈密瓜放于气调箱（25 cm×43 cm×19.5 cm）中，气调比例［13］为5% O2+2% CO2。采用微型实验冷库控制温度，将温度设置为45、50、55 ℃，气调贮藏3 h后（高温处理采用阶跃式升温方式，此方法在许多其他的果蔬热处理中都有应用；对热处理效果更为有效且减少了对果蔬的损伤）立即转入5 ℃贮藏21 h，并且以5 ℃贮藏24 h作为空白对照。处理24 h目的是使其达到在该温度条件下的一个稳态。每个温度设3 个平行。由于不同部位的代谢不同，有研究［14］表明，甜瓜的营养和品质在很大程度上受不同组织间物质代谢的影响，并且蔗糖和葡萄糖等代谢物质在不同部位的分布也有差异，所以取出后按哈密瓜中间部位2 cm厚沿赤道平面切开，从瓜皮向瓜心取样，将哈密瓜分为外果皮、内果皮、外果肉、中果肉、内果肉5 个部分，分别对应图1［9］的1、2、3、4、5，用液氮迅速冷冻，在冰浴条件下研磨，匀浆后将匀浆液全部转移入离心管，以10 000×g、4 ℃离心10 min，收集上清液，并于-80 ℃条件贮藏。

1.3.2哈密瓜乳酸和蔗糖代谢网络图的构建

根据代谢网络（一个含有多种酶反应的系统，这些反应产生和消耗代谢物，并通过共同的前体物、产物或效应物相互影响［15］）的研究方法及代谢网络的构建原则［15］，本实验以哈密瓜为研究对象，选择糖酵解、蔗糖合成途径、戊糖磷酸途径和三羧酸（tricarboxylicacid，TCA）循环为主要代谢途径来构建代谢网络，将没有分支的直线反应合并为一个反应，忽略不在研究范围内的代谢途径，减少代谢网络的反应数目，得到以下代谢网络图。

图2　蔗糖乳酸代谢网络图Fig.2 Sucrose and lactate metabolic network

1.3.3葡萄糖、蔗糖、乳酸和NADH浓度的测定

根据所建立的甜瓜代谢通量模型，测定的代谢速率有12 个（表1），而由胞内中间代谢产物可以确定的质量平衡方程有8 个（表2）。假设胞内中间途径代谢物处于拟稳态，即这8 个途径代谢物没有积累，它们的质量平衡方程均为0，这样就可以得到8 个约束向量。此时该系统的自由度F=4。而代谢产物系统中的NADH可通过实验测得，那么总约束向量变为9。通过实验测定葡萄糖的变化速率r1、蔗糖变化速率r7、乳酸的变化速率r10，已知速率为4 个，此方程可以得到唯一解，将数据代入公式中进行计算，进而通过计算方程得到蔗糖和乳酸的通量（稳态速率［15］）。

表1　代谢反应方程Table 1 Metabolic reactions

表2　哈密瓜的质量平衡方程式Table 2 Metabolic fl ux model equations

运用生物传感器分析仪测定出不同温度贮藏的哈密瓜不同部位中葡萄糖、蔗糖和乳酸的含量。之后分别对其进行时间微分，以测定出变化速率，用于通量的计算。NADH的测定采用荧光-化学发光检测仪，用酶法进行测定，参考Schaefer等［16-18］的研究，并进行了改进，其反应体系为0.25 mmol/L HEPES-EDTA缓冲液、100 mmol/L KCl、10 mmol/L MgSO4、3 mmol/L 1，3-BPG、0.5 mmol/L DHAP、0.4 U/mL GAPDH溶液。

1.4数据分析

使用Matlab 7.0软件以及SPSS 17.0 for Windows软件计算。

2　结果与分析

2.1代谢通量图

通过对测定的葡萄糖、蔗糖、乳酸和NADH数据进行通量分析，得到了5 ℃单一处理24 h作为空白对照，以及分别经过45、50、55 ℃处理3 h后再放置在5 ℃处理21 h这4 组状态的代谢通量图（每个代谢途径中的数值按先后在通量图中对应的顺序为：5 ℃单一处理组/45 ℃热处理组/50 ℃热处理组/55 ℃热处理组）。

由图3可知，哈密瓜经过不同温度的热处理之后，呈现出了不同的代谢通量分布。各部位在45 ℃和50 ℃处理组相对于空白对照组流向蔗糖和乳酸的通量较多，但是以45 ℃处理组最多。如在内果肉和中果肉2 个部位，45 ℃处理组的蔗糖通量比单一5 ℃处理的对照组都高出了将近30%，甚至在内果肉中45 ℃处理组的蔗糖通量比55 ℃处理组高出了36%；在外果肉和内果皮部位45 ℃处理组的蔗糖通量也较高。而在外果皮部位，50 ℃处理组的蔗糖通量最高。在内果肉中哈密瓜葡萄糖大多数流向蔗糖合成和糖酵解方向，而磷酸戊糖途径的代谢通量是负的；而在其他4 部位，也是以流向蔗糖合成和糖酵解这两个途径为主，磷酸戊糖途径的代谢通量占到1/4左右，糖酵解在碳源代谢上具有重要作用。从丙酮酸节点看，在内果肉、外果肉和内果皮3 个部位中，45 ℃处理组呈现出了较高的乳酸通量；在外果肉中，45 ℃处理组的乳酸通量比对照组多20%，在内果皮部位更高，接近30%。而在外果皮中，乳酸通量受温度的影响比较大，呈现出随温度升高而上升的趋势。在内果皮和外果皮部位流向蔗糖和TCA途径的通量相差不多，而在果肉部位乳酸通量略高于进入TCA的通量，说明无氧呼吸略高于有氧呼吸。蔗糖含量的高低直接影响果实的品质，乳酸的通量反映了呼吸代谢的受限状态和合成代谢的增强情况，所以经过45 ℃热处理之后对哈密瓜的贮藏有较好的帮助。

图3　哈密瓜不同部位蔗糖、乳酸通量图Fig.3 Sucrose and lactate metabolic fl ux networks in Hami melon

2.2蔗糖的代谢通量

图4　哈密瓜5 部分内果肉（A）、中果肉（B）、外果肉（C）、内果皮（D）、外果皮（E）在不同温度条件下处理的蔗糖通量Fig.4 The metabolic fl ux of sucrose in five parts of Hami melon fruit：pulp 3 （A， inner）， pulp 2 （B， middle）， pulp 1 （C， outer）， endocarp （D）， and epicarp （E） at different storage temperatures

哈密瓜可溶性糖中含量最高的是蔗糖，占60%以上［19］。糖分构成是影响果实品质的一个重要因子［19］，尤其是蔗糖。在哈密瓜的贮藏过程中控制蔗糖分解，降低糖类代谢消耗尤为重要，并且已经研究单一的温度处理24 h之后，使得哈密瓜达到该温度条件下的生理状态，得出5 ℃时蔗糖通量最高［8］。而本实验结果（图4）显示，经过45 ℃和50 ℃的热处理之后均有较5 ℃空白处理更好的蔗糖通量，且45 ℃处理组的蔗糖通量相对于对照组有显著的增加。而55 ℃时则出现比较低的蔗糖通量，不适于作为热处理的温度；一般认为热空气处理应用于果蔬保鲜所用的适宜温度范围为30～52 ℃左右［20］，结果与此相一致。并且有研究［20］表明哈密瓜中蔗糖的合成通量从外到内呈先降低后升高的趋势。在45 ℃热处理之后，内部3 层果肉的蔗糖通量最高，外果皮的蔗糖通量最低；增加蔗糖向果肉部位的流通将会更好地保持哈密瓜的贮藏品质。而50 ℃热处理之后蔗糖通量较5 ℃空白处理也有所增加，但是较45 ℃而言趋势不太明显。

2.3乳酸的代谢通量

图5　哈密瓜5 部分内果肉（A）、中果肉（B）、外果肉（C）、内果皮（D）、外果皮（E）在不同温度条件下处理的乳酸通量Fig.5 The metabolic fl ux of lactate in five parts of Hami melon fruit：pulp 3 （A， inner）， pulp 2 （B， middle）， pulp 1 （C， outer）， endocarp （D）， and epicarp （E） at different storage temperatures

乳酸的通量反映了呼吸代谢的受限状态和合成代谢的增强情况。已经有证据表明，乳酸在果蔬的贮藏保鲜中发挥重要作用。如图5所示，经过45 ℃处理之后哈密瓜内果肉和外果肉部位的乳酸通量较高，相对于对照组有显著性的增加，但是在中果肉中高出的不明显，而是4 种情况的乳酸通量很接近。在外果肉中乳酸通量有明显的波动，而且以45 ℃和55 ℃热处理之后的为较高水平。在外果皮部分，乳酸通量随温度有较大的变化，受温度的影响较大，并且随温度的升高，乳酸通量有明显升高的趋势。上述结果显示，45 ℃热处理更有利于降低呼吸代谢，增加蔗糖的合成代谢。

3　结 论

近年来热处理作为提高果蔬贮藏质量的有效方法研究的越来越热。本实验将哈密瓜分别放置在45、50、55 ℃ 3 个温度条件下处理3 h（阶跃式升温方式，既有助于热处理效果，又降低对果实的损害）之后立即放置在最佳贮藏温度5 ℃环境下21 h，以单一5 ℃作为空白对照组处理24 h，以使其达到该状温度条件下的生理状态。结果显示经过45 ℃和50 ℃热处理之后蔗糖合成通量都相对于对照组有增加，而45 ℃最为明显；50 ℃处理的情况较空白也有好的效果，但是不明显。而55 ℃热处理之后蔗糖合成通量相对于对照组没有优势。一般认为30～52 ℃是最佳的热处理温度［20］，此温度范围内蔗糖会有一个较高的合成通量。蔗糖的含量会直接影响哈密瓜的果实品质［19］。蔗糖在果实中具有货币的属性，是最稳定的糖分；当哈密瓜经历热处理时，机体本身会对恶劣的外部环境做出相应的应激反应，根据稀溶液依数性原理，在一定温度范围内经过热处理，会减少果实水分，增加蔗糖含量，这样就可以减少蒸腾作用。乳酸的通量反映了呼吸代谢的受限状态和合成代谢的增强情况，它是重要调节物和信号分子［22］，它在果蔬的贮藏保鲜中发挥重要作用［10］。在内果肉和中果肉两层中乳酸的变化情况不是很明显，趋向于一个稳定情况；但是45 ℃和50 ℃都比空白组略微高；在外果皮中，由于直接接触外部环境，导致其受到环境的影响比较大，有一种随温度升高而升高的趋势。综上结果，45 ℃热处理之后更有利于降低呼吸代谢并用于增强蔗糖的合成通量，从代谢的角度讲，经过45 ℃的热处理对提高哈密瓜的贮藏品质更为有效，以期为提高果蔬贮藏品质提供参考。

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Effects of Heat Treatment on Sugar and Lactic Acid Flux in Hami Melon

WANG Huisong， WANG Zihao， PANG Guangchang*
（Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology， College of Biotechnology and Food Science，Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

This study aimed to determine whether heat treatment can better improve the storage quality of Hami melon. The nature of heat treatment was revealed by studying sucrose accumulation and respiratory metabolism. This study investigated effects of heat treatment on respiratory metabolic network flux of Hami melon. Hami melon was stored at different temperatures （45， 50 and 55 ℃） for three hours and then at 5 ℃ for 21 hours using storage at 5 ℃ for 24 hours as control in order to obtain the metabolic fl ux of embden meyerhof pathway （EMP）， tricarboxylicacid （TCA） cycle， sucrose synthesis pathway （SSP） and pentose phosphate pathway （PPP） of different fruit locations of Hami melon at different temperatures. The results showed higher sugar and lactic acid fl ux in 45 and 50 ℃ groups and the highest values in 45 ℃ treatment group，representing the most appropriate heat treatment. However， only slight difference existed between 55 ℃ treatment and control groups. These fi ndings can provide

for in-depth study on heat treatment from a metabolic perspective and for improving the storage quality of fruits.

Hami melon； heat treatment； sugar； lactate； metabolic fl ux

TS255.1

A

1002-6630（2015）18-0021-06

10.7506/spkx1002-6630-201518004

2015-01-25

国家自然科学基金面上项目（31371773）；天津市科技支撑计划项目（10ZCKFNC01800）

王会松（1990—），男，硕士研究生，研究方向为代谢工程。E-mail：master.whs@hotmail.com

庞广昌（1956—），男，教授，博士，研究方向为食品生物技术。E-mail：pgc@tjcu.edu.cn