库尔勒香梨表皮蜡质组分的 变化与其生理变化的关系

宿胜男赵文启陈国刚王陈强江 英*

(1.石河子大学食品学院,新疆石河子 832003;2.新疆冠农果茸集团集团股份有限公司技术中心,新疆库尔勒 841000)

库尔勒香梨属于新疆梨种。新疆日照充足、高温干燥的气候环境条件赋予了库尔勒香梨清甜可口的品质,其含水量达80%以上,含糖量达10%以上。库尔勒香梨耐贮性较强,普通冷藏可达10个月,气调贮藏可达12个月,可全年供应并出口国外[1]。库尔勒香梨的耐贮性离不开其表皮蜡质的存在。蜡质的主要功能是限制非气孔性水分流失,从而保护植物免受干旱胁迫[2]。此外,植物蜡质也能起到减少灰尘、花粉和孢子粘附的作用,保护组织免受紫外线辐射、介导,防止植物被微生物及昆虫侵害,防止不同植物器官之间的有害融合[3-8]。蜡质是由不溶性聚合物基质和可溶于有机溶剂的蜡质组成的非双层复合膜。聚合物基质主要由羟基脂肪酸聚酯角质组成[9]。而表皮蜡质是复杂的混合物,是由极长链脂肪酸(≥C20)衍生而成的脂肪族化合物[10]。两层间最明显的不同是三萜类化合物,其主要存在于聚合物基质中[11]。

植物表皮蜡质存在不稳定性,在不同的生长发育阶段以及不同的贮藏条件下,其表皮蜡质的结构、含量及化学组分会出现一定差异,且以贮藏期间的变化最为明显[12]。宋百成等[13]研究发现,在整个贮藏期内,红星和嘎啦苹果的蜡质中,酯类含量的趋势为逐渐上升,珊夏和藤牧1号中的醇类含量逐渐增加。此外,蜡质组分的变化与果实的生理变化也有一定关系。Postbeittenmiller等[14]研究发现,植物表皮蜡质中含有少量的甾醇类和环状化合物,其对植物具有抗病和抗菌功能。尹燕[15]在研究苹果梨时发现,当其表皮蜡质中的α-法尼烯及其氧化产物共轭三烯类物质的含量增加时可以加速果实衰老进程和提高虎皮病的诱发机率。

目前,有关库尔勒香梨表皮蜡质成分与果实相关生理指标变化的关系报道较少。本研究通过在常温与冷藏条件下,测定蜡质主要成分的变化,结合香梨相关生理指标的变化进行相关性分析,以揭示香梨采后贮藏中蜡质的变化与果实耐贮性的关系,为香梨贮藏保鲜技术提供理论依据具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

库尔勒香梨 新疆生产建设兵团第二师二十八团;三氯甲烷、二氯甲烷、14%三氟化硼-甲醇、正庚烷 均为色谱纯,天津市光复精细化工研究所;氯化钠、无水硫酸钠、氢氧化钠、氯化钡、草酸、浓硫酸、咔唑等 均为分析纯,上海岩新材料有限公司。

Trace-DSQ气相色谱-质谱联用仪 美国安捷伦公司;DDB-303A型便携式电导率仪 上海雷磁仪器厂;722型分光光度计 上海精密科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品处理 库尔勒香梨采收后立即进行单果包装(用拷白纸包果,外套网袋)、装箱并运至实验室,将果实分为两组,分别进行常温(25 ℃)和冷库贮藏(0±1) ℃。选择表皮完整且无病害的香梨,以常温贮藏的果实作为对照(常温组),每隔15 d对两组香梨进行蜡质化学成分,细胞膜透性,呼吸强度,可溶性果胶含量,纤维素含量,多聚半乳糖醛酸酶和纤维素酶活性的测定,每个指标测定重复三次。

1.2.2 蜡质提取及含量测定 参照李珍慈[16]的方法。提取溶剂为三氯甲烷与二氯甲烷,体积比为2∶1,料液比为1∶2.5 (g/mL),提取温度为25 ℃,提取时间为75 s。蜡质提取量(mg/100 g)=(蜡质及空烧杯质量-空烧杯质量)×103/库尔勒香梨质量。

1.2.3 蜡质成分检测 参照李珍慈[16]方法。气相色谱条件:采用石英毛细管色谱柱HP-5(30 m×0.25 mm×0.25 μm);载气:He;载气流速1.1 mL/min,线速度40 cm/s;进样量:1.0 μL,不分流;进样口温度:250 ℃;检测室温度:300 ℃程序升温:初始温度80 ℃,以4 ℃/min升温至290 ℃,恒温20 min。

质谱条件:电离方式为电子电离(electronic ionization,EI)源,离子源温度:230 ℃;传输线温度220 ℃;四级杆温度150 ℃;电子轰击能量:70 eV;质量扫描范围35～600 m/z。

1.2.4 细胞渗透性的测定 参照郑炳松[17]的方法使用电导率仪测定。

1.2.5 呼吸强度的测定 参照赵晨震[18]的方法采用静置法测定。

1.2.6 可溶性果胶含量的测定 参照曹建康等[19]的方法,采用咔唑比色法测定。

1.2.7 纤维素含量的测定 参照曹建康等[19]的方法采用称量法测定。

1.2.8 多聚半乳糖醛酸酶(PG酶)活性的测定 参照曹建康等[19]的方法。

1.2.9 纤维素酶(CX酶)活性的测定 参照曹建康等[19]的方法。

1.3 数据处理

所有实验指标每个周期重复测定三次,使用SPSS 19.0对实验数据进行统计和分析,数据以平均值加减标准误差表示,Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 常温和低温贮藏期间香梨表皮蜡质含量及成分的变化

2.1.1 常温和低温贮藏期间香梨表皮蜡质含量的变化 如图1所示,对于常温组而言,在贮藏前期(0～30 d)内,蜡质含量升高,30 d后,蜡质含量逐渐下降;对于冷藏组而言,在贮藏期间(0～105 d)蜡质含量变化不显著。在贮藏前期(0～45 d),常温组蜡质含量显著高于冷藏组(p<0.05),并在30 d时到达峰值2.7865 mg/g,是同时期冷藏组含量的1.51倍,在贮藏结束(105 d)时,常温组和冷藏组蜡质含量分别为0.7903和1.5003 mg/g,冷藏组含量比对照组高89.84%,且常温组末期含量是贮藏前测得的45.72%,而冷藏组末期含量是贮藏前测得的86.79%,二者差异显著(p<0.05),说明低温贮藏可有效的抑制蜡质含量的降低,这与王晓飞等[20]和董晓庆等[21]在苹果上的研究结果相似。

图1 常温贮藏和冷藏期间香梨表皮蜡质含量的变化Fig.1 Changes of epicuticular wax content in Korla fragrant pear during normal temperature and cold storage

2.1.2 常温和低温贮藏期间香梨表皮蜡质成分的变化 植物表皮主要蜡质成分的变化与贮藏期间的成熟过程有关[22]。由图2可知,库尔勒香梨表皮蜡质成分比较复杂,主要为烷烃、脂肪酸、烯烃、醇、醛、酯类化合物。在贮藏期间,烷烃与脂肪酸相对含量较高。两组烷烃相对含量均呈先上升后下降趋势,在45 d时含量达到最高,冷藏条件下烷烃含量始终低于常温组,贮藏结束时,冷藏组烷烃含量保持较好,比对照组高36.25%,二者差异显著(p<0.05);脂肪酸与烯烃的含量逐渐增加,脂肪酸在90 d时对照组含量为37.61%,是同期冷藏组的1.25倍,显著高于冷藏组(p<0.05);在贮藏末期(105 d)冷藏组烯烃含量比对照组低了19.4%,二者差异显著(p<0.05);醇、醛和酯类物质总体均呈下降趋势,冷藏组醛类含量显著高于对照组,两组末期(105 d)含量分别贮藏前的28.14%和51.81%,差异显著(p<0.05);贮藏末期(105 d)两组醇类含量分别降至2.26%和3.35%,是贮藏前(0 d)的11.24%和16.67%;酯类在贮藏中含量逐渐下降,贮藏末期(105 d)两组中仅分别剩3.95%和0.68%,分别为贮藏前(0 d)的23.87%和20.56%,低温贮藏有效抑制了醛类的降低,但对醇类和酯类抑制效果不明显。

图2 常温贮藏和冷藏期间香梨表皮蜡质组分的变化Fig.2 Changes in the main components of the epicuticular wax of Korla fragrant pear during normal temperature and cold storage

可知,与常温贮藏相比低温贮藏能有效抑制蜡质化学成分间的相互转化,可以更好的维持蜡质中烷烃等非极性成分的含量,低温贮藏有效抑制了醛类的降低,但对醇类和酯类抑制效果不明显。Curry[23]研究发现,贮藏期间由于果实的后熟作用,‘Autumn Gold’和‘Royal Gala’苹果蜡质中的烷烃等非极性成分含量会显著下降,这与本研究结果一致。

如图3所示,与常温组相比,不同贮藏期间冷藏组果实表皮蜡质化学组分的相对含量上存在差异。如图3A所示,烷烃中含量较高的是正二十六烷和正二十八烷。在贮藏45 d时,两组中正二十六烷含量达到最高,对照组是同期冷藏组的1.24倍,差异显著(p<0.05),常温组正二十八烷在贮藏60 d时达到最高,为8.08%,而冷藏组含量仅占常温组的61.51%,差异显著(p<0.05)。

如图3B所示,烯烃自贮藏15 d时被检出后,含量持续增加,主要为α-法尼烯。105 d时两组α-法尼烯含量达到最高,冷藏组比常温组低了13.31%,二者差异显著(p<0.05)。

如图3所示,贮藏初期,脂肪酸中主要为棕榈酸,两组中棕榈酸含量不断下降,在贮藏105 d时分别降至贮藏前的11.51%和2.27%。油酸自15 d检出后含量逐渐增加,贮藏105 d时,两组脂肪酸中主要成分为油酸。分别是检出时的6.5倍和8.9倍,二者差异显著(p<0.05)。

如图3D所示,醛类中壬醛二甲缩醛和壬醛含量较高。冷藏组壬醛二甲缩醛是常温组的7.5倍,常温组壬醛在贮藏75 d时未检测到,而冷藏组在贮藏结束时仍存余2.25%。

图3 常温贮藏和冷藏期间香梨表皮蜡质各组分中主要成分的变化Fig.3 Changes in the main components of the epicuticular wax of Korla fragrant pear during normal temperature and cold storage注:A. 烷烃;B. α-法尼烯;C. 脂肪酸;D. 醛类;E. 月桂醇。

如图3E所示,醇类主要成分月桂醇含量也大幅降低。月桂醇含量分别降至贮藏前的1.87%和11.69%,二者差异显著(p<0.05)。

2.2 常温和低温贮藏期间香梨表皮蜡质成分变化与生理变化的关系

2.2.1 常温和低温贮藏期间果实生理指标的变化 如图4所示,贮藏过程中,常温组香梨相对电导率始终高于冷藏组,到贮藏结束时,两组香梨的相对电导率分别为48.06%和44.33%,两组之间差异显著(p<0.05)。说明低温条件减缓了梨果的生理变化进程,使细胞膜透性保持相对较低的水平,延长了梨果的保鲜期。

图4 常温和冷藏期间香梨生理的变化Fig.4 Changes of the fruit physiological of Korla fragrant pear during normal temperature and cold storage

香梨是呼吸跃变型果实,常温组在贮藏30 d时到达呼吸高峰,呼吸强度为36.37 CO2mg/(kg·h),之后呼吸强度逐渐下降,到贮藏结束(105 d)时仅为6.49 CO2mg/(kg·h);而冷藏组在贮藏60 d时到达呼吸高峰,呼吸强度为32.22 CO2mg/(kg·h),贮藏后期(60～105 d)呼吸强度逐渐下降,贮藏105 d时,呼吸强度为19.78 CO2mg/(kg·h),是同期常温组是3.05倍,两组之间差异显著(p<0.05)。

常温组可溶性果胶含量在0～30 d时与冷藏组差异不明显,但在45～105 d时显著高于冷藏组(p<0.05)。贮藏前期(0～75 d),果实代谢比较缓慢,PG酶活性较低,常温组可溶性果胶含量的增加也比较缓慢,而从75 d开始,可溶性果胶含量迅速上升,到贮藏结束(105 d)时,含量为1.638%;而冷藏组在整个贮藏期可溶性果胶含量的变化相对较小,到贮藏结束时(105 d)仅为0.9754%,比同期常温组低了40.45%,两组之间差异显著(p<0.05),说明低温贮藏能有效的抑制香梨中可溶性果胶的生成,延缓果实的软化。

在贮藏过程中,两组香梨的纤维素含量均不断下降,0～15 d时,常温组的纤维素含量与冷藏组差异不显著,但从30 d起,常温组中的纤维素含量始终较冷藏组低(p<0.05),贮藏结束(105 d)时,对照组的纤维素含量为0.32%,比初始测定值下降了86.61%,冷藏组的纤维素含量为0.59%,比初始测定值下降了75.31%,两组变化之间差异显著(p<0.05),说明低温条件能抑制纤维素的分解。

表1 常温贮藏中香梨表皮蜡质主要成分变化与生理变化的相关性分析Table 1 Correlation analysis between variation of epicuticular wax main components and Physiological indicators of Korla fragrant pear in normal Temperature Storage

在贮藏期间,PG酶活性呈现先缓慢后快速上升的趋势,这与可溶性果胶含量的变化趋势相似。在贮藏结束(105 d)时,两组香梨的PG酶活性分别为651.66和533.52 μg/(g·h),常温组的PG酶活性比冷藏组的PG酶活性高了22.14%,差异显著(p<0.05),说明低温贮藏能抑制PG酶的活性,减缓果实的软化过程。

在贮藏期间,两组香梨的CX酶活性整体呈上升趋势。在贮藏结束时,常温组和冷藏组的CX酶活性分别为307.47和246.03 μg/(g·h),两组之间差异显著(p<0.05),说明低温贮藏可以抑制CX酶活性,进而减缓其对纤维素的分解作用。

表2 冷藏过程中香梨表皮蜡质主要成分变化与生理变化的相关性分析Table 2 Correlation analysis between variation of epicuticular wax main components and Physiological indicators of Korla fragrant pear in refrigeration

2.2.2 香梨表皮蜡质成分变化与生理变化的相关性分析 研究表明蜡质总量和其非极性成分的变化与果实的生理变化有着重要的联系[24]。对常温和冷藏条件下不同贮藏时间的香梨表皮蜡质含量、蜡质主要成分与香梨的生理指标进行相关性分析发现,常温组中烯烃、醇类、醛类、脂肪酸和蜡质含量均与细胞渗透性、可溶性果胶、纤维素、PG酶活性和CX酶活性显著相关(p<0.05),其中烯烃的变化对其影响最为显著,相关系数(n=7)分别为0.993、-0.895、-0.992、0.866和0.967,均达到极显著水平(p<0.01)。烷烃、脂肪酸和蜡质含量对呼吸强度影响显著,相关系数(n=7)分别为0.857、-0.852和0.970,均达到极显著水平(p<0.01)。

冷藏组与常温组的分析结果相近,除烷烃外,蜡质主要成分和蜡质含量均与细胞渗透性、可溶性果胶、纤维素、PG酶活性和CX酶活性显著相关,仍以烯烃物质的变化对以上指标影响最显著,相关系数(n=7)分别为-0.944、0.912、-0.983、0.884和0.943,均达到极显著水平(p<0.01)。不同于常温组,冷藏组中蜡质主要成分和蜡质含量与果实呼吸强度均无相关性,这可能是由于冷藏组贮藏前后蜡质含量变化不显著,且呼吸高峰的到来导致蜡质含量、蜡质主要成分均与呼吸强度变化趋势大不相同,进而相关性分析显示其之间无相关性。

3 结论

研究结果表明,与常温贮藏相比,冷藏条件可以抑制香梨采后表皮蜡质含量的降低。果实采后众多蜡质化学成分间的相互转化是个复杂的过程。两组香梨表皮蜡质中,烷烃相对含量呈下降趋势,烯烃含量逐渐增加,饱和脂肪酸含量不断减少,而不饱和脂肪酸含量逐渐增加,但脂肪酸含量整体呈上升趋势,醇、酯和醛类物质含量不断下降。

果实呼吸强度与蜡质含量的变化有关,蜡质中非极性成分减少,极性成分增加,加速了果实的衰老进程,果实细胞膜逐渐受损,细胞膜透性随之升高,蜡质主要成分的变化影响了果实PG酶和CX酶的活性,进而影响了可溶性果胶和纤维素的含量,说明蜡质成分的变化与果实的生理变化有相关性。

综上所述,冷藏条件可以显著抑制库尔勒香梨果实表皮蜡质含量的减少和影响蜡质主要组分的变化,进而减缓梨果的生理变化,延缓梨果的软化、衰老。