光量子辐照对番茄采后品质及微观结构的影响

李贞景， 刘 丹， 罗 茂， 李忠彬， 张琨霖， 黄朝波， 郭庆彬，王昌禄，*， 张志军

(1.天津科技大学 食品科学与工程学院/省部共建食品营养与安全国家重点实验室，天津 300457；2.国家农产品保鲜工程技术研究中心(天津)/农业农村部农产品贮藏保鲜重点实验室/天津市农产品采后生理与贮藏保鲜重点实验室，天津 300384)

我国果蔬产量一直居于世界首位，但由于采后保鲜技术落后等原因造成的果蔬腐烂损失也一直居高不下。据统计，我国每年的果蔬损失约为总产量的20%～30%，损耗量达上亿吨，损失价值近800亿元，而联合国粮农组织(FAO)对果蔬采后损失率的要求值仅为5%，美国等发达国家的果蔬采后损失率仅为1.7%～5.0%[1]。经济有效的果蔬保鲜技术对挽回因果蔬腐败变质造成的经济损失具有重要的意义。番茄(Tomato，LycopersicumesculentumMill.)，作为一种具有独特口感和丰富营养价值的果蔬，产量高、需求量大，但番茄皮薄多汁且成熟后会迅速软化，在采摘和运输过程中容易受到机械损伤而加速其腐烂和品质损失，因此，预收期和采后的保鲜处理对番茄品质的保持具有重要意义。目前，已经应用的番茄保鲜方法主要有低温贮藏、气调保鲜、防腐保鲜和涂膜保鲜等[2]。李健等[3]的研究表明，臭氧水处理对草莓采后品质、抗氧化物质含量和相关酶活性有一定的影响，可以较好地延长草莓果实的保鲜期，保持草莓的采后品质。此外，壳聚糖、海藻酸钠、魔芋葡甘聚糖等3种常用多糖保鲜材料对草莓贮藏期内的多个生理生化指标具有明显的改善作用，能有效延长草莓货架期[4]，其中，魔芋葡甘聚糖与乳清蛋白复合涂膜可以延缓琯溪蜜柚果实失重，保护其细胞膜，降低呼吸强度，抑制蜜柚的生理代谢，减少营养物质的损失，延缓粒化发生，可达到 PE 膜包装的贮藏效果[5]。然而，已有的保鲜技术多因易发生冷害、工艺复杂、成本高或存在安全隐患等问题而限制了其应用，因此，探索简易、安全的新型番茄保鲜技术显得尤为重要。

光量子，是一种传递电磁相互作用的基本粒子[6]。光量子技术作为一种新型应用科学技术，在通信、医学、生物等领域均得到了广泛应用。近年来，随着光量子技术在农业和食品工业领域应用的不断深入，光量子保鲜技术已经引起人们的广泛关注。研究表明，光量子具有一定的杀菌、调节蛋白质高级结构及生物酶活性的作用。在草莓贮存过程中，光量子不仅可以显著降低草莓的失重率和腐烂指数，而且可以保持草莓结构的完整性[7]。此外，光量子可以延缓馒头水分含量的散失，维持其较高的弹性和回复性，并可通过影响蛋白质的二级结构和淀粉颗粒的晶体结构延缓淀粉的回生，从而延长馒头的保存期[8]。光量子辐照在番茄保鲜方面的研究尚未见文献报道，为探究光量子辐照对番茄采后的保鲜作用及可能的作用机制，本研究以新鲜采摘的番茄为原料，利用光量子装置，通过研究光量子辐照对番茄主要品质指标、生理代谢指标和内部微观结构的影响，以期为光量子辐照技术在番茄等果蔬保鲜中的应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

樱桃番茄：采摘自天津东丽区华科水果采摘园。尽可能挑选大小均一、色泽相似，成熟度为七分至八分熟，表面无机械损伤、无病虫害，带果柄的果实，采摘后立即运回实验室进行处理。

试剂：多酚氧化酶测试盒，过氧化物酶测试盒，丙二醛测试盒，超氧化物歧化酶测试盒，南京建成生物工程研究所；氢氧化钠、酚酞、冰乙酸、无水乙醇、抗坏血酸标准品、三氯乙酸、磷酸、BP、三氯化铁等均为分析纯，均为国产市售试剂。

1.2 仪器与设备

光量子装置，由天津科技大学自制，该装置主要由光子场外部控制器和冰箱内能量放射装置两部分组成，能量放射装置中量子发生层尺寸为50 mm×50 mm×4 mm，可发出波长为4～14 μm的远红外电磁波辐射；LRH- 250CA型低温培养箱，上海一恒科技有限公司；GY- 4型果实硬度计，浙江托普仪器有限公司；LS28T型手持式糖度计，深圳市同奥科技有限公司；Agilent 8453 型紫外可见分光光度计，安捷伦科技有限公司；MS- H280- pro型加热型磁力搅拌器，赛默飞世尔科技公司；AW220型十万分之一电子天平，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；TDZ5- WS型离心机，湘仪离心机仪器有限公司；XL3型扫描式电子显微镜，日本日立有限公司；TDL- 5- A型离心机，上海安亨科学仪器厂；LS- B50L型立式压力蒸汽灭菌锅，上海华线医用核子仪器有限公司；KCL2000型恒温恒湿培养箱，日本EYELA东京理化公司。

1.3 实验方法

1.3.1番茄处理方法

将采摘后的番茄清洗、擦干表面水分，分为光量子辐照组和对照组，每组180只番茄，平均放置于18个保鲜盒中。光量子辐照组置于光量子装置中进行辐照处理，对照组不作光量子辐照处理，两组处理温度均为4 ℃，且其他条件保持一致，保藏期为10 d。每隔2 d测定硬度、失重率、多酚氧化酶和过氧化物酶活性等指标，各指标重复测定3次。在第4天和第10天通过扫描电镜观察番茄的内部组织结构。

1.3.2硬度的测定

硬度测定参考文献[9]，取合适的樱桃番茄，用消毒后的刀片在番茄赤道位置划切2 cm×2 cm的十字形伤口，用硬度计进行测量，每个番茄果实测量3个位置，得到3个硬度值后求其平均值，硬度单位以N表示。

1.3.3失重率的测定

番茄果实失重率采用称重法计算，计算方法见式(1)。

(1)

式(1)中，m0，番茄初始质量，g；m1，辐照后番茄质量，g。

1.3.4腐烂指数的测定

实验过程中，每隔1 d观察番茄表面是否有肉眼可见的腐烂斑点或坏死组织，统计其个数并将其取出，除以番茄总数即为腐烂指数，以%表示，计算方法见式(2)。

(2)

1.3.5维生素C质量比的测定

使用抗坏血酸(维生素C/ASA)测定试剂盒检测维生素C质量比，按试剂盒操作说明进行操作，其中，样品中蛋白质浓度的测定采用考马斯亮蓝法测定[10]，计算方法见式(3)。

(3)

式(3)中：维生素C质量比，mg/100 g；ρ(标准品)，6 μg/mL；ρ(待测匀浆蛋白)，g/L。

1.3.6酶活性的测定

番茄果实中多酚氧化酶(PPO)活性的测定采用分光光度法，具体参照文献[11]；过氧化物酶(POD)活性的测定采用愈创木酚法，具体参照文献[11]；超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定采用黄嘌呤氧化酶法，具体参照文献[12]。

1.3.7丙二醛含量的测定

番茄果实中丙二醛(MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸法，具体参照文献[12]。

1.3.8番茄内部组织结构观察

分别从实验组和对照组中快速取出若干番茄，在无菌培养皿中切片，分别横切和纵切，取尖端、中部、底部三个部位的番茄组织，保证每个部位的取样厚度、大小一致。将样品转移至培养板中，平板顶部用保鲜膜包裹并扎满小孔，放入-80 ℃的真空冷冻干燥机中。待冻干完全后将样品断面放置在测样台上，通过扫描电镜观察番茄果实的内部微观结构。

1.4 数据分析

处理组和对照组均进行3次平行测定，测得数据使用SPASS软件进行计算，并用Origin绘制图表。

2 结果与讨论

2.1 光量子辐照对番茄硬度的影响

硬度可反映番茄果实的成熟状况和贮藏品质，也直接影响到其风味与口感，是番茄品质检测的重要指标之一，光量子辐照对番茄硬度的影响，实验结果如图1。

图1 光量子辐照对番茄采后硬度的影响Fig.1 Effect of photon quantum irradiation on postharvest hardness of tomato

由图1可知，随着贮藏时间的延长，光量子组和对照组番茄的硬度均呈逐渐下降趋势。在贮藏期前6 d，光量子组和对照组番茄的硬度差异不明显；第6天后两组番茄的硬度差异逐渐增大，且光量子组番茄的硬度始终高于对照组。此外，与第0天相比，第10天时，对照组果实硬度下降约33.9%，而光量子组仅下降约23.3%。上述结果表明，光量子辐照在一定程度上能够延缓番茄硬度的下降，且从第6天开始其对硬度的影响更为明显。产生这种情况的原因可能是在贮藏前期，低温冷藏是保鲜的主导因素，而光量子辐照效果具有累积效应，能在后期贮藏中逐渐起主导作用。番茄中原果胶、果胶及果胶酸的含量是影响其硬度的关键因子[13]，因此，光量子辐照对番茄硬度的改善，可能是由于光量子场延缓了番茄中果胶降解为果胶酸的速度。

2.2 光量子辐照对番茄失重率的影响

失重率的大小可以反映番茄果实水分的散失状况[14]。新鲜的樱桃番茄果实含水量达85%～90%。果实采后在贮藏期或者货架期时，自身的呼吸代谢和蒸腾作用会导致其失水，当水分损失到原质量的5%时，果实表面会呈现明显的皱缩萎蔫状，从而影响番茄的外观品质及新鲜程度。光量子辐照对番茄失重率的影响，实验结果如图2。

图2 光量子辐照对番茄失重率的影响Fig.2 Effect of photon quantum irradiation on weight loss rate of tomato

由图2可知，在10 d的贮藏期内，随着贮藏时间的延长，光量子组和对照组的失重率都呈增加趋势，但光量子组的失重率均低于对照组。上述结果表明，光量子辐照可延缓番茄失重率的增大。失重率与水的过冷点密切相关，因此，光量子辐照对番茄失重率的改善，可能是由于光量子场保鲜高含水量食品时可以降低其过冷点，减缓番茄的失水速率。

2.3 光量子辐照对番茄腐烂指数的影响

番茄采摘后极易受乙烯及交链孢菌引起的软腐病的影响而腐烂变质，失去食用价值[9]，而腐烂指数是一种直观的判断果蔬保鲜效果的重要指标。光量子辐照对番茄腐烂指数的影响，实验结果如图3。

图3 光量子辐照对番茄腐烂指数的影响Fig.3 Effect of photon quantum irradiation on tomato rot index

由图3并结合日常实验观察可知，在贮藏前期，番茄质地较为坚硬，果肉饱满，且在第0～8天，光量子组和对照组番茄均未发生腐烂变质；对照组和光量子组的番茄分别在第10天和第12天开始出现腐烂变质的情况，且随着贮藏时间的延长，腐烂指数呈上升趋势，到第22天时，光量子组和对照组的腐烂指数分别为33.33%和46.67%。结果表明，与对照组相比，光量子辐照处理可明显降低番茄腐烂变质的速率。已有研究表明，光量子辐照可有效抑制微生物的生长，而番茄的腐烂与微生物的污染密切相关，这可能是光量子辐照降低番茄腐烂指数的原因。

2.4 光量子辐照对番茄维生素C含量的影响

维生素C是果蔬中重要的营养物质，对提高免疫力，预防牙龈出血、癌症、动脉硬化和坏血病等都有重要的功效，但维生素C在果蔬贮藏过程中不稳定，易被氧化，而且随着呼吸作用对有机物的消耗，造成了维生素C合成的底物不足[15-16]。维生素C含量是评价果蔬贮藏品质的重要指标，光量子辐照对番茄维生素C含量的影响，实验结果如图4。

图4 光量子辐照对番茄维生素C含量的影响Fig.4 Effect of photon quantum irradiation on vitamin C content in tomato

由图4可知，从整体趋势来看，在0～10 d的贮藏期内，随着贮藏时间的增加，光量子组和对照组番茄的维生素C含量均逐渐下降，但光量子组维生素C含量均高于对照组，表明光量子能减缓番茄中维生素C含量的下降。

2.5 光量子辐照对番茄生理代谢相关酶活性的影响

2.5.1对多酚氧化酶活性的影响

多酚氧化酶(PPO)是一种广泛分布于动植物体内的含铜氧化酶[17]。PPO引起的氧化反应不仅会使果蔬发生褐变，而且会造成果蔬抗氧化能力的下降。因此，在番茄贮藏期间要尽量抑制番茄PPO的活性，光量子辐照对番茄PPO活性的影响，实验结果如图5。

*表示P<0.05。图5 光量子辐照对番茄PPO活性的影响Fig.5 Effect of photon quantum irradiation on activity of tomato PPO

由图5可知，在0～10 d的贮藏期内，光量子组和对照组中的PPO活性均呈现先增加后降低的趋势，其中光量子组的PPO活性在第8天时达到了最高值17.273 U/g，对照组的PPO活性在第6天达到最大值17.610 U/g，表明光量子辐照处理延迟了番茄PPO活性到达高峰的时间；在第8天时，光量子组番茄的PPO活性略高于对照组，但在0～6 d的贮藏期内，光量子组番茄的PPO活性远低于对照组，且在第6天时，光量子组和对照组番茄的PPO活性有显著性差异(P<0.05)。上述结果表明，光量子辐照可以在一定程度上抑制番茄果实的PPO活性，从而抑制番茄的褐变。

2.5.2对过氧化物酶活性的影响

过氧化物酶(POD)是果实体内重要的氧化还原酶，与果蔬的多种生理代谢和生化代谢过程密切相关，当果蔬的生理状态和贮藏环境发生变化时， POD也会相应地发生变化。POD主要催化以过氧化氢为氧化剂的氧化还原反应，在氧化其他物质时还原过氧化氢，以清除植物体内的过氧化氢，是植物重要的一种保护酶[18]。实验中光量子辐照对番茄POD活性的影响，实验结果如图6。

*表示P<0.05，** 表示P<0.01。图6 光量子辐照对番茄POD活性的影响Fig.6 Effect of photon quantum irradiation on activity of tomato POD

从图6可知，在0～10 d的贮藏期内，光量子组和对照组中的POD活性均呈现先增加后降低的趋势，且两者均在第4天达到最高值，且光量子组番茄的POD活性均高于对照组。在第6天时，光量子组番茄的POD活性明显高于对照组(P<0.05)，且第8天时，光量子组番茄的POD活性与对照组番茄的POD活性差异极显著(P<0.01)。上述结果表明，光量子辐照可延缓番茄中POD活性的下降。

2.5.3对超氧化物歧化酶活性的影响

超氧化物歧化酶(SOD)在机体的氧化和抗氧化平衡方面起着至关重要的作用，超氧化物歧化酶活性的高低间接反映了机体清除氧自由基的能力。光量子辐照对番茄SOD活性的影响，实验结果如图7。

* 表示P<0.05，** 表示P<0.01。图7 光量子辐照对番茄SOD活性的影响Fig.7 Effect of photon quantum irradiation on activity of tomato SOD

从图7中可以看出，在0～10 d的贮藏期内，光量子组和对照组番茄的SOD活性均呈现先上升后下降趋势，且光量子组番茄的SOD活性均高于对照组。在第6天和第10天时，光量子组的SOD活性明显高于对照组(P<0.01)，第8天时，光量子组和对照组的SOD活性有显著差异(P<0.05)。结果表明，光量子辐照延缓了SOD的降低速率，保护了番茄果实的内部结构，可起到延长番茄贮藏期的作用。

2.6 光量子辐照对番茄中丙二醛含量的影响

丙二醛(MDA)是膜脂过氧化物作用的主要产物之一，可与蛋白质、核酸等大分子物质反应，改变这些大分子的构型，或使之产生交联反应，从而丧失生物学功能。一般可通过测试MDA的量来反映果蔬中脂质过氧化的程度，从而间接地反映细胞损伤的程度[19]。光量子辐照对番茄中MDA含量的影响，实验结果如图8。

* 表示P<0.05。图8 光量子辐照对番茄中MDA含量的影响Fig.8 Effect of photon quantum irradiation on content of MDA in tomato

从图8可以看出，在0～10 d的贮藏期内，光量子组和对照组中MDA含量均呈上升趋势，对照组MDA含量均高于光量子组，且在第10天时，光量子组和对照组的MDA含量差异显著(P<0.05)。这表明光量子辐照减缓了番茄中MDA积聚的速度，使番茄的衰老速度得以延缓。

2.7 光量子辐照对番茄微观结构的影响

实验中对番茄果实不同截面、不同部位进行扫描电镜观察，研究光量子辐照对贮藏过程中番茄内部微观结构的影响，其结果见图9。从图9可以看出：光量子组与对照组的番茄的内部结构存在明显差异。从图9(a1)、(a2)、(a3)可以看出，光量子辐照保鲜下的番茄在贮藏4 d后结构完整，组织间棱角分明，各个组织排列紧密；由图9(c1)、(c2)、(c3)可看出，在光量子辐照保鲜条件下贮藏10 d后的番茄，个体组织结构排列较为疏松，个体组织表面有失水现象。图9(b1)、(b2)、(b3)为普通保鲜条件下的番茄，在保藏4 d后，个体组织之间排列疏松，外观有失水现象；由图9(d1)、(d2)、(d3)可以看出，在4 ℃保鲜条件下贮藏10 d后，番茄组织之间的键能发生断裂，组织结构坍塌，果实表面严重失水，甚至出现了腐烂现象。通过对扫描电镜图的观察与对比可得出结论：在4 ℃时，虽然随着贮藏时间的延长，光量子辐照组和对照组番茄的内部细胞结构均会变得排列疏松，果实中的水分也会严重流失，直至出现腐烂现象，但与普通低温冷藏相比，光量子辐照可延缓番茄内部组织结构的变化，具有更好的保鲜作用。

3 结 论

在4 ℃下，与普通的低温冷藏相比，光量子辐照可明显降低番茄的腐烂指数，延缓番茄硬度、质量及维生素C含量的下降，抑制番茄多酚氧化酶(PPO)的活性，提高番茄过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性，降低番茄中丙二醛(MDA)的含量。扫描电镜结果分析表明，与普通低温冷藏相比，光量子辐照能够在一定程度上延缓番茄内部结构完整性的破坏。综上所述，光量子辐照较普通低温冷藏对番茄具有更好的保鲜作用。

本文研究了光量子辐照对番茄采后的保鲜效果及可能的作用机制，对光量子辐照在番茄等果蔬保鲜中的应用进行了新的尝试，但作为一种新的保鲜技术手段，光量子辐照技术对果蔬保鲜的作用机制等方面还有待深入研究。

图9 光量子辐照对番茄微观结构的影响Fig.9 Effect of photon quantum irradiation on microstructure of tomato