马铃薯块茎采后绿变研究进展

王瑞华,马玉荣+,王庆国

(山东农业大学食品科学与工程学院,山东泰安 271018)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)是世界上第四大粮食作物,其地位仅次于大米、小麦和玉米。截至2017年,马铃薯的全球年产量已超过3.77亿吨,种植面积超过1925万公顷,其中,中国是世界上马铃薯总产量最大的国家[1],其出口量呈稳定增长趋势[2]。随着国家新型粮食战略和农业供给侧结构性改革的实施以及马铃薯主粮化战略的持续推进,人们对于马铃薯块茎需求量将会继续增加[3]。

马铃薯可谓是“十全十美”的食材,含有膳食纤维、维生素、优质蛋白质等营养成分,同时还含有禾谷类粮食所没有的胡萝卜素、抗坏血酸等[4]。马铃薯既可鲜食,也可加工成各式各样的产品,如马铃薯淀粉、油炸薯片、马铃薯、酒精等,但鲜食仍是马铃薯主要的食用形式[2]。但是,马铃薯在采收、运输、贮藏、销售等过程中,极易受光照、温度等因素的影响而发生绿变[5]。绿变的马铃薯表皮变绿、口感变苦,感官品质和商品价值严重降低,造成了巨大的经济损失。马铃薯块茎变绿,主要是由于叶绿素大量合成积累引起的,而苦味则与龙葵素的合成有关[6]。龙葵素是一种含氮的甾体糖苷,一次性食用超过200 mg/kg会使人畜出现呕吐、腹痛、眩晕、心率加快等中毒症状,严重者甚至死亡[7]。虽然马铃薯块茎绿变的发生与龙葵素的合成没有直接联系[8],但在光照条件下两者通常同时发生,因此,人们通常把马铃薯绿变作为有毒物质生成的标志[6]。为避免误食引发中毒事件,大量绿变马铃薯被丢弃,造成不可估量的经济损失。

本文综述了马铃薯绿变可能的发生机制及其影响因素,并从物理、化学等方面概述了生产实践中常用的马铃薯绿变控制措施,对于加深研究人员及相关从业人员对马铃薯绿变的了解及寻求更为简单有效的控制措施具有重要的意义。

1 马铃薯绿变发生机制

马铃薯在运输、贮藏、销售等过程中,表皮及皮下部分发青变绿的现象称为马铃薯的绿变[5]。马铃薯绿变的发生是由于表皮及皮下部分组织细胞内叶绿素累积引起的[9]。研究发现,肉眼观察到的马铃薯绿变程度与叶绿素含量呈线性相关[10]。马铃薯的绿变过程主要涉及叶绿体的形成和叶绿素的合成。

图1 叶绿素合成途径Fig.1 The pathway of chlorophyll synthesis注:图中数字代表参与叶绿素合成的酶,分别代表:(1)谷氨酰-tRNA合成酶;(2)谷氨酰-tRNA还原酶;(3)谷氨酸酯-1-半醛2,1氨基变位酶;(4)5-氨基酮戊酸脱水酶;(5)胆色素原脱氨酶;(6)尿卟啉原Ⅲ合成酶;(7)尿卟啉原Ⅲ脱羧酶;(8)粪卟啉原Ⅲ氧化酶;(9)原卟啉原氧化酶;(10)Mg-螯合酶;(11)Mg-原卟啉Ⅸ甲基转移酶;(12)Mg-原卟啉Ⅸ单甲基酯环化酶;(13)3,8-联乙烯叶绿素酸酯a,8-乙烯基还原酶;(14)原叶绿素酸酯氧化还原酶;(15)叶绿素合酶;(16)叶绿素酸酯a加氧酶;(17)叶绿素b还原酶;(18)7-羟甲基叶绿素还原酶。

1.1 马铃薯内叶绿体形成机制

正常未绿变的马铃薯块茎组织细胞内无叶绿体,一般不含叶绿素,不进行光合作用,但含有丰富的造粉体,且淀粉以淀粉粒的形式储存于造粉体内[11]。当马铃薯块茎暴露在光下时,受光刺激光敏色素叶绿素开始在淀粉粒周围缓慢合成。此时,造粉体内膜许多部位出现内折现象,并逐步深入基质，在内膜与淀粉粒间形成新的小泡,并逐步组装成新的类囊体。随着光照时间的延长,类囊体数量不断增加,堆积形成基粒,最终导致造粉体转化成叶绿体[12]。同时,细胞质基质中的其他细胞器特别是线粒体、核糖体的数量也明显增加[11]。随着马铃薯块茎光合系统组装的完成、电子链传递系统等的完善,块茎光合作用增强,叶绿素含量剧增,出现表面发青变绿现象[13-14]。马铃薯块茎内叶绿素的合成一般发生于表皮及皮下薯肉内(厚度<3 mm)[15]。

1.2 马铃薯内叶绿素合成机制

马铃薯绿变是叶绿素不断合成积累的结果。绿变的马铃薯块茎内叶绿素主要包括叶绿素a和叶绿素b两种,它们在一定条件下可以相互转换[16]。叶绿素的生物合成包括从谷氨酸到原卟啉Ⅸ的生物合成、叶绿素a的合成以及叶绿素a和叶绿素b的相互转化(叶绿素循环)三个主要过程[17]。如图1[16-17]所示:首先,谷氨酸经过一系列催化反应生成5-氨基乙酰丙酸(ALA),然后进一步脱水生成胆色素原,其后经过脱氨、脱羧、氧化等反应后,生成原卟啉Ⅸ。在此过程中,谷氨酰-tRNA还原酶是主要的限速酶,其编码基因为HEMA1和HEMA2。其次,原卟啉Ⅸ结合镁离子生成Mg-原卟啉Ⅸ,经过甲基化、环化、还原反应后生成原叶绿素酸酯。其中,Mg-螯合酶是这一步的关键酶,促进镁离子插入原卟啉Ⅸ中,进入叶绿素分支,其有H、I、D三个亚基,分别对应的编码基因为CHLH、CHL11和CHL12、CHLD。然后,原叶绿素酸酯在原叶绿素酸酯氧化还原酶作用下被还原为叶绿素酸酯,这一步需要光,原叶绿素酸酯氧化还原酶起到重要的调控作用,其编码基因为PORA、PORB和PORC。叶绿素酸酯在叶绿素合酶作用下,生成叶绿素a,叶绿素合酶的编码基因为CHLG。最后叶绿素a进入叶绿素循环过程[16],在叶绿素酸酯a加氧酶作用下生成叶绿素b,叶绿素酸酯a加氧酶的编码基因为CAO[18]。

2 马铃薯绿变影响因素

马铃薯采后绿变的发生受自身条件(品种、成熟度等)、环境因素(光照、贮藏温度等)以及栽培条件等多种因素的影响。其中,前两者为主要影响因素。自身条件因素主要包括品种[19]、成熟度[20]以及比重[21]等,而环境因素主要包括光照强度及光照类型[22]、贮藏温度[23]等。

2.1 自身因素

2.1.1 品种 马铃薯绿变具有品种差异性。不同品种的马铃薯块茎因表皮厚度、颜色、色素组成等存在差异(如中薯3号马铃薯皮中叶绿素含量较低,荷兰7号品种对光较为敏感等[24]),其对光的敏感性、叶绿素合成的速度等有所不同,因此,绿变时的变色程度、发生速度等也有所不同。一般来说皮薄、光滑的马铃薯更易绿变[15]。以144个不同品种(其中16个赤褐色品种、29个红色品种和99个白色品种)的马铃薯块茎为原料进行研究,发现红皮品种不易绿变,而白皮品种较易绿变[19]。但在该项研究中,研究人员仅以肉眼观察进行绿变程度的判断,由于白皮更易观测到颜色的变化,因此研究结果可能会存在一定的误差。另外,研究人员也发现,品种不同但表皮颜色相同的马铃薯块茎绿变程度也有所不同[19]。在相同的评级标准下,同为红色表皮的Red Pontiac品种比Dazoc品种更易发生绿变[19]。不同品种马铃薯采后见光绿变程度的差异,可能是由于马铃薯块茎中叶绿素合成速度不同引起的。Percival[6]研究证实,尽管Desiree马铃薯块茎内初始叶绿素含量明显高于King Edward马铃薯,但King Edward中叶绿素的积累速度大约是Desiree的2倍。

2.1.2 成熟度 马铃薯的采收成熟度也会影响其采后见光绿变的敏感性。Griffiths等[21]以20种不同品种的马铃薯块茎为材料进行研究,发现14种马铃薯块茎未成熟时采收比成熟后采收后更易发生绿变。可能是由于未成熟马铃薯的表皮组织细胞未发育完全,体积小,较脆弱,对光照等外在刺激更为敏感,因此更易发生绿变[25]。但是,Buck等[26]以6种品种不同的马铃薯块茎为材料进行研究,发现未成熟时采收的马铃薯块茎不易发生绿变。不同研究结果之间的差异可能是由于品种差异造成的。

2.1.3 其他因素 品种相同但比重不同的马铃薯块茎,绿变敏感性也会有所不同。比重大于或等于1.1的马铃薯块茎绿变敏感性明显低于比重小于1.1的块茎,这可能是因为比重小的马铃薯块茎成熟度相对较低[22]。此外,同一个马铃薯块茎,芽眼处由于细胞生命活动比其他部位旺盛,更易合成叶绿素,发生绿变。而且,由于芽眼多集中于块茎根尖端,故块茎根尖端相较于茎端更易绿变[27]。除此之外,遭受机械伤的马铃薯更易发生绿变,但愈伤过后的马铃薯块茎伤口部位木栓化形成周皮,绿变率明显降低[28]。

2.2 环境因素

影响马铃薯采后绿变的环境因素主要包括光照强度、光照类型、贮藏温度等。光照是马铃薯块茎发生绿变的重要原因。光照条件下,马铃薯细胞内造粉体向叶绿体转化,导致叶绿素的合成和积累,最终引起绿变的发生。相同的贮藏时间和温度下,光照下的马铃薯块茎更易发生绿变,其叶绿素含量明显高于未经光照的马铃薯块茎[29]。此外,马铃薯块茎绿变的速度和程度与光照强度、持续时间、光源类型等光照条件密切相关[23]。

2.2.1 光照强度 光照强度是影响马铃薯块茎绿变程度的重要因素之一。研究发现,马铃薯块茎中叶绿素的含量与光照强度(以Lux为单位)的对数存在一定的比例关系[22]。Yamaguchi等[30]将白玫瑰品种马铃薯块茎在21.1 ℃不同光强下放置96 h,研究光强从12 ft-c(约为129 Lux)增加到133 ft-c(约为1432 Lux)对叶绿素含量的影响,发现低光照强度时,随着光照强度的增加,叶绿素含量持续稳定的增加,但并不成比例关系。但是,当光照强度达到40 ft-c(约为431 Lux)左右时,再继续增大光强,叶绿素含量上升速度变缓。15 ℃条件下将May Queen品种马铃薯块茎放置在不同光照强度(4200、8400、12500和15400 Lux)下贮藏4 d,发现当光强达到12500 Lux时,叶绿素含量略有减小,继续增大光强,叶绿素含量呈现下降趋势[31]。这可能是由于过高过强的光照降低了原叶绿素的生成或者促进了叶绿素的降解,也可能是由于已存在的叶绿素产生了光过滤效应[22]。

2.2.2 光的类型 除光照强度外,光的类型及性质也明显影响了马铃薯块茎绿变的发生。所有光源均会在一定程度上促进马铃薯块茎中叶绿素的积累,尤其是白色荧光灯[6]。Percival[6]对3个品种马铃薯(Desiree、King Edward和Kerrs Pink)连续光照15 d(250 μmol·m2·s-1)后,测定了块茎组织中叶绿素的含量,发现荧光灯下,所有品种的马铃薯中叶绿素含量均高于其他光源,且增长速度较快。Abbasi等[32]用蓝灯、绿灯、红灯、汞灯以及荧光灯作为光源对Lady Rosetta品种马铃薯在室温下(25±2) ℃连续光照27 d,发现无论哪种光源,随着光照时间的延长,叶绿素含量均呈上升趋势,其中在绿灯下叶绿素含量增长最为缓慢,贮藏结束时,仅含1.66 mg/100 g,而此时荧光灯下马铃薯内叶绿素含量为3.64 mg/100 g。这可能是因为不同类型的光源,其所发出光的强度以及光谱的范围存在一定的差异,从而导致了不同光源下马铃薯块茎绿变不同[6,33]。此外,相较于散射光而言,直射光更易促进马铃薯块茎的绿变[34]。无论何种光源,光照强度如何,光照持续时间越长,叶绿素含量越高,绿变越严重[6]。

2.2.3 贮藏温度 贮藏温度也是影响马铃薯绿变的重要因素之一。Kozukuei等[24]通过设置多个温度梯度(1、5、10和15 ℃)研究高光照强度(5200～5800 Lux)下温度对马铃薯绿变的影响,发现低温(<5 ℃)下叶绿素几乎不积累,但随着温度的升高,叶绿素积累速度增加,并且随着光照时间的延长,叶绿素含量持续增长。将King Edward品种马铃薯块茎放置在光强为12 μmol·m2·s-1的不同温度(5、10、20和25 ℃)下贮藏8 d,发现叶绿素合成有一个适宜的温度,当达到这个温度(20 ℃)时,叶绿素增长最快、含量最高,低于这个温度叶绿素合成较慢[35]。这可能与低温影响类囊体的形成、降低叶绿素的积累有关,而当温度过低(5 ℃)时出现叶绿素含量降低的情况,则可能是由于发生了叶绿素的分解。将白玫瑰品种马铃薯放置在光强13 ft-c(约为140 Lux)的不同温度环境中进行光照,发现高温处理时叶绿素含量增长到一定水平后便保持稳定[36]。

3 马铃薯绿变控制措施

3.1 包装

光照是造成马铃薯绿变发生的重要因素。但是,在马铃薯贮藏销售过程中很难做到完全无光。因此,可以通过采取合理有效的避光方式,预防采后马铃薯绿变的发生。包装可以减少光照强度,过滤光线,是避免马铃薯采后绿变发生最为常用且有效的方法之一。用于控制马铃薯采后绿变的包装形式主要有聚乙烯(PE)包装袋包装、纸箱包装、网袋或麻袋包装等。

3.1.1 PE包装袋包装和玻璃纸包装 采用深颜色的聚乙烯(PE)包装袋包装可以有效预防马铃薯绿变的发生。研究发现,黑色包装袋对于绿变的抑制作用最好,绿色次之,而透明包装则最差[23]。这可能是由于叶绿体中叶绿素可以吸收利用的光主要位于蓝紫光和红光光谱区域[37]。相同的光照条件下,黑色包装袋几乎不透光,绿色包装袋透过的光几乎不在叶绿素吸收光谱范围内,不可被叶绿素有效吸收利用,故其控制绿变的效果较好[23]。类似地,采用有颜色的玻璃纸包装也可有效抑制马铃薯绿变的发生。Yamaguchi等[30]发现使用蓝色、绿色、黄色或者琥珀色的玻璃纸包装的马铃薯块茎,其内的叶绿素含量明显低于用不包装或者红色玻璃纸包装的马铃薯块茎。

3.1.2 纸质包装和麻袋包装 在运输过程中,可以通过大容量的纸箱包装达到在长途运输中隔绝光照的作用。而在日常销售过程中,可以采用纸袋包装以隔绝光照,防止绿变的发生。Martin等[38]研究发现使用牛皮纸袋包装可有效抑制马铃薯绿变。光照强度11.2 μmol·m2·s-1、温度23 ℃条件下贮藏15 d,纸袋包装的马铃薯中叶绿素含量仅为透明塑料袋包装的一半,说明纸袋包装有效抑制了马铃薯绿变的发生[39]。此外,麻袋包装也是马铃薯运输过程中常用的包装方式。光照93 h后麻袋包装的马铃薯块茎内叶绿素含量比不包装的马铃薯块茎内叶绿素含量低一半以上,但明显高于黑暗贮藏的马铃薯[27]。

3.1.3 包装存在的问题 包装可以在一定程度上减缓马铃薯绿变的发生,但也有许多不可避免的弊端,局限了其应用。如纸箱纸袋包装不易携带、易破损、承重不大等问题。此外,无论是彩色塑料袋、玻璃纸包装还是牛皮纸等其他包装,都在一定程度上遮挡住了马铃薯块茎的真实外观,不利于售卖者及时发现并去除有发芽、腐烂、机械伤、绿变等情况的马铃薯块茎,也不利于消费者根据表型挑选马铃薯。

3.2 低温贮存

适宜的低温环境可以减缓马铃薯块茎的呼吸速率,降低环境中霉菌等细菌的活性,有效延缓马铃薯的发芽、绿变,是最常用的马铃薯贮藏保鲜方法之一[40]。在5 ℃左右的低温条件下照光(光强5200～5800 Lux)贮藏10 d,马铃薯块茎内几乎没有叶绿素的积累[24]。这可能是因为低温降低了光系统Ⅱ的量子产量,控制了叶绿素的合成积累,进而降低了绿变的速度[35]。然而,低温条件下马铃薯淀粉酶活性易增加,促进淀粉水解为蔗糖,进而导致还原糖、葡萄糖和果糖的不良积累,发生“低温糖化”现象,严重降低马铃薯的食用品质[41-42]。

3.3 气调处理

气调处理控制马铃薯绿变,是指通过调控环境中O2和CO2等气体的浓度以达到控制马铃薯绿变的目的。通过增加贮藏环境中CO2的浓度可以有效抑制马铃薯绿变的发生。当CO2浓度达到15%时,马铃薯仅轻微绿变甚至没有绿变[43]。用99%的CO2处理马铃薯,发现此时马铃薯绿变速度明显降低,贮藏12 d时,对照组叶绿素含量达17.11 mg/kg,而处理组(99%CO2处理24 h)含量仅为3.45 mg/kg[44]。在超低氧条件下(0.3%±0.05% O2,CO2<0.2%)贮藏荷兰15号马铃薯块茎,叶绿素的合成受到明显抑制,可以长时间(12 d)有效抑制马铃薯绿变的发生[45]。但值得注意的是,O2浓度过低时会导致马铃薯块茎内部缺氧从而造成CO2伤害,降低马铃薯块茎的质量[46]。

3.4 辐照处理

伽马辐射可以降低光诱导下叶绿素的合成,进而在一定程度上抑制马铃薯绿变的发生[47]。在一定剂量范围内,伽马射线对马铃薯绿变的抑制效果随着使用剂量的增加而增强,但高剂量(>200 krad)的伽马射线处理在破坏叶绿体光合系统的同时,也会造成马铃薯质量下降[43]。但伽马射线对叶绿素合成的影响可能具有品种局限性。比如,伽马射线处理且贮藏一段时间后,Brodick和Estima马铃薯中叶绿素含量减少了35%～40%,而对于Record马铃薯,5 krad可以明显减少叶绿素的积累,但随着剂量增加伽马射线作用效果反而减弱,而对于Torridon马铃薯而言,伽马射线处理则没有明显的绿变抑制效果[48]。

3.5 涂层处理

在马铃薯表面涂上油、蜡、表面活性剂等特殊涂料可以减轻光照引起的绿变的发生。这可能是因为涂层隔绝了空气,使得马铃薯内部气体情况发生改变,抑制了马铃薯呼吸速率,进而在一定程度上控制了绿变的发生[46]。在马铃薯块茎表面喷洒不同浓度的聚氧乙烯(20)单硬脂酸甘油酯(Aldosperse MS-20)、聚氧乙烯(20)可食用脂肪酸的单甘油酯和双甘油酯(StarJol D)等表面活性剂,发现8%Aldosperse MS-20或者4%StarJol D可以明显抑制马铃薯绿变[49]。在马铃薯块茎表面涂上“Pro-long”(脂肪酸蔗糖酯与羟甲基纤维素形成的水分散体)后进行光照,发现涂层处理是否有效很大程度上取决于马铃薯块茎的生理变化情况,因为涂层可以抑制呼吸速率稳定的成熟马铃薯块茎的绿变,但是对于未成熟的马铃薯块茎抑制效果不明显[46]。

3.6 化学试剂处理

采用除草剂、乙醇、氯化钠等试剂处理马铃薯块茎可以在一定程度上达到抑制绿变的效果。一些除草剂如达草灭、杀虫剂等可以在一定程度上破坏马铃薯块茎细胞的质体结构,促使内囊体结构发生改变,使得叶绿素难以合成,进而达到抑制绿变的目的,但它们极易残留在马铃薯表面且不易去除[50]。陈稳良等[51]以哒草伏为主要原料研制出抑绿变剂,现已应用于马铃薯的种植生产。此外,3%的家用清洁剂也可在一段时间(240 h)内抑制叶绿素的生成,防止绿变的发生,但是处理过程可能会对马铃薯块茎产生一定程度的损伤[52]。Dong等[53]用不同浓度乙醇对马铃薯块茎进行熏蒸处理,发现600 μL/L乙醇熏蒸可以有效延缓光照条件(光强150～200 Lux,12 h/d,温度20 ℃)下马铃薯块茎绿变,将货架期延长4～5 d,继续增大浓度时,绿变抑制效果虽然增强但腐烂率也会增加。乙醇结合氮气处理可在有效抑制绿变的同时降低腐烂率,但操作繁琐,难以推广。此外,采后使用乙二胺四乙酸[30]、N6-苄基腺嘌呤[54]、高浓度丙二酸[14]、乙烯利[51]、氯化磷溶液、1-MCP[19]处理等也可以抑制马铃薯块茎的绿变,但因化学性质不稳定、溶解度低或残留量大等问题,难以应用于工业生产。

3.7 培育抗性品种

马铃薯受光诱导引起的变绿现象具有不完全显性和数量上的遗传性[55],这为解决马铃薯绿变提供了新思路。用5种不同品种以及13个新型育种品种进行实验,发现有4个新型育种品种在较长时间内无绿变或者仅发生轻微绿变[56]。另外,研究人员通过杂交实验从一些野生型二倍体马铃薯品种中选出了具有稳定遗传性的不易绿变品种,但该品种马铃薯中龙葵素含量仍随光照时间的延长而增加[57]。自2005年获得马铃薯叶绿体的全部转录组以来,马铃薯中质体转化技术获得了突飞猛进的发展,这为利用转基因技术培育不易绿变的新品种提供了一定的技术支持,扩宽了马铃薯育种的有效途径[58]。但目前为止尚未有抗绿变马铃薯田间种植的相关报道,因此,见光不绿变、不产生龙葵素的马铃薯新品种仍是现今研究的重点及难点。

4 结语

绿变是马铃薯采后贮藏、运输、销售过程中影响产品质量的重要因素之一。马铃薯绿变是一个复杂的过程,与叶绿体的生成和叶绿素的合成密切相关,并受马铃薯自身的品种、成熟度、大小以及贮藏环境中的光照、温度等多种因素的影响。其中,光照是影响马铃薯采后绿变最为重要的因素之一。因此,生产实践中可以通过隔绝光照、改善贮藏环境以及培养抗性品种等方面控制绿变的发生,此外还可以配合使用改善包装、降低贮温、涂层处理等物理化学方法。

关于绿变的研究多侧重于观察性评估,缺乏对生理和遗传过程的基本分析,特别是关于马铃薯绿变过程中叶绿素生成以及叶绿体形成方面的研究，仅局限于细胞微观结构的观察以及转化过程中化学成分的变化等方面,但对于两者之间的关系以及质体转化过程中的调控因素等缺乏更为系统全面的研究。此外,现有的绿变控制措施也存在着应用性差、安全性不足等弊端,缺乏抑制机理方面更深层次的研究。因此,对于马铃薯绿变的研究任重而道远,应重视分子生物学分析、包装技术、作物育种等方面的研究,为寻找更为有效、简便、安全的绿变抑制技术奠定基础。