泡沫箱包装抑制低温贮藏黄瓜冷害机理研究

肖徐，何晓梅，张锶苑，贾嘉懿，尹杰文，张敏*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(西南大学, 食品贮藏与物流研究中心，重庆，400715) 3(农业部农产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(重庆)，重庆，400715)

黄瓜(CucumissativusL.)皮薄肉脆，清香甘甜，营养价值高，是我国大量种植的夏季蔬菜之一，广受人们的喜爱。但黄瓜是典型的亚热带冷敏果实，容易遭受7～10 ℃以下的冷害，很难实现远距离分销，采后损失严重。泡沫箱作为一种经济环保且成本低的高性价比包装方式，已有研究表明其对于黄瓜冷害的抑制具有良好的效果，但作用机理尚不清晰[1]。因此，研究泡沫箱抑制黄瓜冷害的机理对推广泡沫箱抑制冷害技术有重要的意义。

一方面，温度是引起冷害的首要因素。逐步降温已在苏丹娜葡萄[2]、哈密瓜[3]等多种果蔬中抑制冷害中得到广泛的应用。逐步降温可通过抑制营养物质消耗、降低细胞膜透性增大速度、提升过氧化氢酶(catalase，CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化物酶(peroxidase，POD)、抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)等抗氧化酶活性、增强多胺、游离脯氨酸等抗氧化物质含量等途径抑制果实冷害的产生[4]。另一方面，采后的果蔬仍进行呼吸作用与蒸腾作用，体内营养物质继续损耗，并最终导致果蔬腐烂变质，丧失商品价值。研究表明，气调贮藏能够保持采后果蔬的生理结构和稳定性，抑制它的成熟和衰老；调控贮藏环境的气体比例来抑制果蔬的生理代谢过程，从而延迟呼吸跃变的到来[5]。泡沫包装箱因为具有密度小、易加工、质轻、成本低、抗冲击性强、隔热性能好的特点，常用于蔬菜水果及其他农产品的运输。发泡聚苯乙烯(expanded polystyrene，EPS)泡沫箱内部是由约98%的空气和2%的聚苯乙烯相融而成的完全封闭的多面体形蜂窝结构，无数的小体积空气被封闭在聚苯乙烯材料内，泡沫箱外部温度必须经过很多小的空气蜂窝才能传导到内部，所以温度传导很慢，其导热系数仅为0.03～0.037 W/(m·k)，可以起到逐步降温的效果，泡沫箱内的温度只会逐渐降低而非快速下降。此外，也有报道称泡沫箱内的气体环境调控能形成较为适宜的氧气与二氧化碳比例的气体环境，能更好地保持黄瓜[6]、番茄[7]的品质。本实验室的前期研究表明，泡沫箱包装有利于减少黄瓜冷害的发生[1]，但机理并不清楚，现有文献也缺乏相关研究。本实验使用恒温恒湿箱模拟泡沫箱内的温湿度变化，设置无包装4 ℃贮藏组(对照组)、无包装模拟泡沫箱温湿度贮藏组(模拟组)、泡沫箱包装后4 ℃贮藏组(泡沫箱组)3个分组，研究泡沫箱抑制冷害的机理，为高性价比泡沫箱包装黄瓜并抑制其冷害提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黄瓜，同一批次购于重庆市北碚区天生农贸市场，选择大小均匀、机械伤少、无病虫害的长条黄瓜，在采购商从种植农户手中收购后立即送到实验室。原生态3号EPS包装箱泡沫箱(外尺寸：41.5 cm×31 cm×20 cm，内尺寸：36.5 cm×26 cm×15.5 cm，壁厚：2.4 cm)，成都泡沫箱工厂店。所有试剂等级为分析纯。

1.2 仪器与设备

HHWS-III-300恒温恒湿箱，上海跃进医疗器械公司；H1650R高速冷冻离心机，湖南湘仪公司；UV-2450PC紫外可见分光光度计，日本岛津公司；DDS-307A电导率仪，上海雷磁公司；GY-4数显式果实硬度计，浙江乐清艾德堡公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品处理

挑选大小一致、无破皮、无病虫害、两端完整的黄瓜，将表面附着物及泥土清理干净后备用。按照以下实验分组中的“泡沫箱组”的方式，在23 ℃环境下把黄瓜和温度记录仪放入泡沫箱中，再密封泡沫箱后放入4 ℃冷藏环境，温度记录仪每隔1 h记录1次温度的变化，记录结果见图1，发现40 h后温度稳定无变化。然后黄瓜随机分为3个组，分别进行以下3组处理：(1)对照组：为无包装4 ℃贮藏组，即将黄瓜裸露(无包装)直接置于4 ℃，相对湿度(relative humidity，RH) 85%～95%冷藏环境下；(2)模拟组：为无包装模拟泡沫箱温湿度贮藏组，即将恒温恒湿箱的温度按照图1的数值设置为每隔1 h的动态变化，再将黄瓜裸露(无包装)置于恒温恒湿箱中，恒温恒湿箱按照图1的温度逐步降温，RH 85%～95%；(3)泡沫箱组：为泡沫箱包装后4 ℃贮藏组，即黄瓜放于泡沫箱中，把泡沫箱盖与箱体处用胶带密封，再置于4 ℃，RH 85%～95%环境下，泡沫箱内的温度变化与图1相同。以上恒温恒湿箱外的操作温度均为23 ℃。每组每箱2 000 g左右，每个处理设置3个重复。贮藏6 d，每天随机取样1次，测定各项指标。

图1 泡沫箱内温度变化Fig.1 Temperature change in foam box

1.3.2 测定指标

1.3.2.1 呼吸强度参考曹建康等[8]的方法。将1 kg左右的黄瓜果实置于干燥器中，底部放入盛有10 mL 0.4 mol/L NaOH的培养皿，封盖密闭1 h后取出培养皿，用0.2 mol/L的草酸溶液滴定，根据滴定结果计算黄瓜的呼吸强度。

1.3.2.2 冷害指数

参考艾文婷等[9]的方法进行测定。将黄瓜的冷害程度分为4级：1级：冷害面积≤25%；2级：冷害面积25%～50%；3级：冷害面积50%～75%；4级：冷害面积≥75%。冷害指数计算如公式(1)所示：

(1)

1.3.2.3 总酚、花青素含量

参考曹建康等[8]的方法并略作修改。

1.3.2.4 硬度

用GY-4硬度计进行黄瓜硬度的测定，探头直径为3.5 mm。将黄瓜削去果皮后，在黄瓜的瓜头、瓜身、瓜尾3个部位各随机取3个点进行测定[10]。

1.3.2.5 相对电导率

参照曹建康等[8]的方法并略作修改，先用直径4 mm的打孔器在厚度为5 mm的黄瓜切片横截面上打取圆块，称取3.0 g圆块置于100 mL的烧杯中并加入40 mL蒸馏水进行浸泡，1 h后用测定浸泡液中的电导率(γ1)。然后在烧杯上覆盖双层保鲜膜后沸水浴15 min，取出冷却至室温后再次测定其电导率(γ0)，根据煮沸前后的电导率计算得出相对电导率(γe)，计算如公式(2)所示：

(2)

1.3.2.6 丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量

采用硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid，TBA)法[11]进行测定。

参照邵婷婷等[12]的方法并略作修改。

1.3.2.8 CAT活性

参照曹建康等[8]的方法并略作修改。

1.3.2.9 POD活性

参考DONG等[11]的方法并略作修改。

1.3.2.10 SOD活性

参照曹建康等[8]的方法并略作修改。

1.4 数据分析

采用Excel 2016进行数据整理，以SPSS 25采用单因素方差分析和多重比较分析进行显著性分析，显著水平为0.05，极显著水平为0.01。使用Origin 8.6制图。

2 结果与分析

2.1 呼吸强度

已有研究表明，果蔬在不适宜的低温环境中贮藏，会导致其呼吸速率的增加，使其生理活动旺盛，进而加速其营养物质的流失。有些果蔬的呼吸速率增加之后，贮藏一段时间又开始下降，这说明冷害对果蔬已造成了不可逆的伤害[13]。由于在贮藏第3天各组冷害症状尚未出现，且如图2所示，各组呼吸强度随时间延长均在降低，并且对照组由于温度下降更快导致呼吸强度低于模拟组和泡沫箱组。由于对照组在贮藏后期发生冷害，因此第3天后呼吸强度急剧上升，第5天达峰值24.84 mg CO2/(kg·h)；模拟组较对照组上升较慢，但是也在第5天到达峰值19.09 mg CO2/(kg·h)，与对照组差异显著(P<0.05)，与泡沫箱组差异极显著(P<0.01)；而泡沫箱组在第3天后呼吸强度继续降低并在第6天有轻微上升，与对照组差异极显著(P<0.01)。由此可见，模拟组虽然对于呼吸强度的下降和极速上升有明显的抑制效果，但并不能使其消除；而泡沫箱组则未出现呼吸强度的大起大落，可能是由于泡沫箱抑制了冷害的产生并形成了相对而言低O2高CO2的气体环境[6]，使得泡沫箱组黄瓜呼吸受到抑制。因而，模拟组仅能降低呼吸高峰的峰值，而泡沫箱组则能防止呼吸极速上升现象的出现。

图2 泡沫箱处理及泡沫箱温湿度模拟对黄瓜低温贮藏下 呼吸强度的影响Fig.2 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on respiration intensity of cucumber under low temperature storage

2.2 冷害指数

黄瓜在低温贮藏下易发生冷害，冷害指数能够反映黄瓜在低温贮藏期间冷害发生的程度[9]。如图3所示，在低温贮藏环境下，对照组在第3天就发生了轻微的冷害症状，并且随着贮藏时间的延长冷害程度逐渐加深，到贮藏第6天，对照组的冷害指数达到了0.32；模拟组在贮藏第5天出现冷害症状，第6天时冷害指数仅为0.02，与对照组差异显著。而泡沫箱组则在整个贮藏期间均未出现冷害症状。原因可能是由于模拟组、泡沫箱组温度降速缓慢以及泡沫箱的保温作用，在缓慢降温期间对低温有了一定的抵抗能力，并且由于泡沫箱组封闭性相对较好，因而形成了相对适合低温贮藏的气体环境，另外箱中呼吸强度相对稳定，对泡沫箱组黄瓜品质影响小，对冷害症状有明显的抑制效果。因此，模拟组有明显的抑制冷害的作用，证明泡沫箱能够抑制冷害症状的出现主要是因为温度缓慢降低，模拟组与泡沫箱组抑制冷害效果差异小而泡沫箱组效果更好的原因是箱内所形成的气体环境也起到了抑制冷害的作用。

图3 泡沫箱处理及泡沫箱温湿度模拟对黄瓜低温 贮藏下冷害指数的影响Fig.3 Effects of foam box treatment and temperature and humidity simulation on chilling injury index of cucumber during low temperature storage

2.3 总酚含量

因酚类物质有羟自由基清除能力，其作为抗氧化物质能够为细胞提供保护[14]，与果蔬的成熟、衰老和褐变紧密相关。如图4所示，在低温贮藏环境下，各组黄瓜总酚含量呈现先上升后波动下降的趋势，并且贮藏过程中对照组与泡沫箱组差异显著(P<0.05)。对照组在贮藏前期总酚含量上升最为明显，第2天上升至最大值0.36 OD280/g，在前两天与模拟组、泡沫箱组产生显著差异(P<0.05)，这可能是因为对照组温度极速下降所引起的应激上升；从第3天开始，各组总酚含量呈现波动下降趋势，并且对照组始终低于其他2组，但与模拟组差异不显著(P>0.05)；而泡沫箱组在贮藏过程中总酚含量波动幅度最低，并且后期可以明显抑制黄瓜中总酚含量的降低，在第5天后与对照组、模拟组差异显著(P<0.05)，原因可能是泡沫箱中黄瓜呼吸强度比较低，对于总酚的消耗最小。由此可知，模拟组和泡沫箱组均对黄瓜冷藏后期总酚含量的降低有抑制效果，并且泡沫箱组优于模拟组。

图4 泡沫箱处理及泡沫箱温湿度模拟对黄瓜低温贮藏下 总酚含量的影响Fig.4 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on total phenol content of cucumber under low temperature storage

2.4 花青素含量

花青素作为水溶性类黄酮化合物，具有保护植物免受紫外伤害、清除活性氧组分、抵抗逆境及改变植物色泽等多种生物学功能[15]。如图5所示，在低温贮藏环境下，各组黄瓜花青素含量呈现先上升后下降的趋势，并且贮藏过程中对照组与泡沫箱组差异显著(P<0.05)。对照组在贮藏前期花青素含量上升最为明显，第2天上升至最大值0.002 8 U，在前两天与模拟组、泡沫箱组差异极显著(P<0.01)，这可能是因为对照组温度极速下降所引起的应激上升；从第3天开始，各组花青素含量逐渐下降，至第6天时，对照、模拟、泡沫箱各组花青素含量分别为0.000 6、0.001 11、0.001 28 U。其中对照组始终低于其他2组，并与模拟组差异显著(P<0.05)；而泡沫箱组在贮藏过程中花青素含量波动幅度最低，可以明显抑制黄瓜中花青素含量的降低，原因可能是泡沫箱中黄瓜呼吸强度比较低，花青素的消耗最小。由此可知，模拟组和泡沫箱组均对黄瓜冷藏后期花青素含量的降低有抑制效果，其中泡沫箱组优于模拟组。

图5 泡沫箱处理及泡沫箱温湿度模拟对黄瓜低温贮藏下 花青素含量的影响Fig.5 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on anthocyanin content of cucumber under low temperature storage

2.5 硬度

随着贮藏时间延长，果实硬度会由于失水等原因而降低，同时，因受到冷害果实外果皮萎蔫或出现冷害斑也会造成果实硬度降低[16]。如图6所示，各组随贮藏时间的延长硬度逐渐降低。从第3天起，对照组与其他组差异显著(P<0.05)，并且在第5天后与泡沫箱组差异极显著(P<0.01)，至贮藏期结束硬度仅为11.06 N。原因可能是对照组营养物质转化速度加快及后期呼吸速率的急剧上升，使得黄瓜内水分及营养物质、干物质迅速消耗[7]，并且冷害产生后细胞壁结构发生降解，进而硬度下降；模拟组、泡沫箱组硬度降低速度较对照组明显减弱，贮藏期结束时硬度分别降为初始值的87%、97%，其中泡沫箱组在第5天后与模拟组差异显著(P<0.05)，原因是模拟组、泡沫箱组对于呼吸速率的抑制作用延缓了黄瓜内总酚及花青素等营养物质的损耗。综合而言，模拟组和泡沫箱组通过逐步降温均能抑制黄瓜硬度的下降，延缓软化，但泡沫箱组还是在贮藏期最后2 d与模拟组拉开了差距，对于硬度的维持效果最佳。

图6 泡沫箱处理及泡沫箱温湿度模拟对黄瓜低温贮藏下 硬度的影响Fig.6 Effect of foam box processing and foam box temperature simulation on hardness of cucumber under low temperature storage

2.6 相对电导率

细胞膜被认为是冷害形成的主要场所。果蔬在遭受冷害时，细胞膜透性会增加，离子外渗，相对电导率增加，因此膜的渗透性可能与提高对冷胁迫的抵抗力有关[17]。如图7所示，各组相对电导率随贮藏时间的延长而增大，其中对照组上升速度最快，至贮藏结束相对电导率达到51.06%，在贮藏期间与模拟组、泡沫箱组产生显著差异(P<0.05)，原因是对照组冷害症状的产生及呼吸速率的急速升高使得黄瓜细胞膜系统遭到了破坏，导致细胞内容物渗出；模拟组较对照组相对电导率上升速度相对较小，贮藏结束达到42.78%，并且从第4天开始与对照组和泡沫箱组差异极显著(P<0.01)；泡沫箱组相对电导率增加幅度最小，在贮藏结束时数值仅为40.21%，原因可能是泡沫箱对于温度的调控防止了低温对黄瓜细胞的破坏，并且箱内适宜的气体微环境抑制了后期呼吸速率的上升，从而维持了细胞膜的完整性[18-19]。综合而言，模拟组和泡沫箱组均对黄瓜相对电导率的增大产生了显著抑制效果，表明温度的缓慢降低是泡沫箱包装处理显著减缓相对电导率上升的大部分原因，但模拟组抑制效果较泡沫箱组弱，是由于箱内所形成的气体微环境也起到了显著的效果。

图7 泡沫箱处理及泡沫箱温湿度模拟对黄瓜低温 贮藏下相对电导率的影响Fig.7 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on the relative conductivity of cucumber under low temperature storage

2.7 MDA含量

MDA是细胞膜脂质氧化的产物，其在果蔬中的含量被用来评价冷胁迫下的冷害发生程度[8]。如图8所示，各组在低温环境下MDA随贮藏时间的延长而增大，并且对照组上升最快，至贮藏期结束MDA含量达到1.74 nmol/g mF，在贮藏期间与其他2组产生显著差异(P<0.05)；模拟组MDA含量上升较对照组低，至贮藏期结束含量达到1.31 nmol/g mF；泡沫箱组则至贮藏期结束MDA含量仅为1.07 nmol/g mF，在第4天后与模拟组差异显著(P<0.05)，对照组差异极显著(P<0.01)。综合而言，模拟组和泡沫箱组对于抑制黄瓜MDA含量的上升有显著效果，其中泡沫箱组优于模拟组。

图8 泡沫箱处理及泡沫箱温湿度模拟对黄瓜低温 贮藏下MDA含量的影响Fig.8 Effects of foam box treatment and foam box temperature and humidity simulation on mda content in cucumber under low temperature storage

图9 泡沫箱处理及泡沫箱温湿度模拟对黄瓜 低温贮藏下产生速率的影响Fig.9 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on production rate under low temperature storage of cucumber

2.9 CAT活性

图10 泡沫箱处理及泡沫箱温湿度模拟对黄瓜 低温贮藏下CAT活性的影响Fig.10 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on CAT activity of cucumber under low temperature storage

2.10 POD活性

POD是植物体内的一种重要保护酶，可催化过氧化氢、氧化酚类物质产生醌类化合物，以减轻H2O2对细胞的损伤[22]。如图11所示，各组POD活性随贮藏时间的延长整体呈现先上升后下降的趋势。在第1天时各组的POD活性均上升，其中泡沫箱组到达峰值数值为4.66，而第2天时对照组、模拟组活性继续上升，分别到达峰值数值4.99、4.26；高峰后各组活性开始下降，其中对照组下降速度最快，而自第3天开始，泡沫箱组POD活性始终高于其他2组，这是因为泡沫箱组显著延缓了POD活性的降低，增强了活性氧清除系统的活性，提高了黄瓜对于低温的抵抗力。在整个贮藏过程中3组之间各自差异显著(P<0.05)。表明模拟组和泡沫箱组可以明显延缓贮藏后期POD活性的下降，维持黄瓜内较高的POD活性，与CAT、SOD协同清除黄瓜内自由基，保持黄瓜免受冷害，并且泡沫箱组效果最佳。

图11 泡沫箱处理及泡沫箱温湿度模拟对黄瓜 低温贮藏下POD活性的影响Fig.11 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on POD activity of cucumber under low temperature storage

2.11 SOD活性

SOD对降低细胞膜氧化伤害，维持细胞膜的完整性具有重要的意义。逆境生理研究表明，凡能促进植物在逆境下保持较高等抗氧化酶水平，植株就能减轻伤害[22]。如图12所示，各组SOD活性在第1天均上升，并且对照组的上升幅度最大，与其他2组差异显著(P<0.05)，这可能是黄瓜对低温的一种应激反应[23]。之后随贮藏时间的延长SOD活性呈逐渐下降的趋势，并且对照组下降速度最快，与模拟组差异显著(P<0.05)，与泡沫箱组有极显著差异(P<0.01)，这可能是由于对照组遭受到了低温胁迫，产生了冷害，使得细胞膜系统遭到破坏，导致抗氧化酶系统产生紊乱，活性氧含量迅速上升[24]；而模拟、泡沫箱组则均能抑制SOD活性的降低，其中泡沫箱组自第2天开始始终维持着最高的SOD活性，在第5天时泡沫箱组酶活性是对照组的1.21倍。结果说明模拟组和泡沫箱组可以显著抑制SOD活性的降低，增强了黄瓜清除氧自由基的能力，增强了抗逆性，保护了黄瓜的品质，并且泡沫箱组效果较模拟组更佳。

图12 泡沫箱处理及泡沫箱温湿度模拟对黄瓜 低温贮藏下SOD活性的影响Fig.12 Effect of foam box treatment and foam box temperature simulation on SOD activity of cucumber under low temperature storage

3 结论

综上所述，泡沫箱组能抑制黄瓜冷害症状的产生，维持细胞膜的完整性，增强抗氧化酶活性。其原因主要在于泡沫箱内温度的降速缓慢及延迟达到低温，使得箱内黄瓜对于低温有了一定的适应及抵抗能力。通过逐步降温，使黄瓜逐渐适应低温环境，对其进行冷锻炼以提高其抗冷性，减轻冷害并抑制褐变。同时，泡沫箱内的气体环境发挥了作用，虽然在低温情况下黄瓜的呼吸作用比较弱，但箱内的CO2含量较外界有一定的上升，这进一步抑制了黄瓜的呼吸作用，延缓了黄瓜品质的降低并抑制冷害的发生。目前有关泡沫箱用以抑制冷害的机理研究未见报道，而本实验研究表明泡沫箱抑制冷害并维持黄瓜品质的作用主要在于泡沫箱中温度降速缓慢，同时泡沫箱中维持了较为适宜的气体微环境使得保鲜效果更佳。