李貞景, 劉 丹, 羅 茂, 李忠彬, 張琨霖, 黃朝波, 郭慶彬,王昌祿,*, 張志軍
(1.天津科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院/省部共建食品營養(yǎng)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300457;2.國家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心(天津)/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/天津市農(nóng)產(chǎn)品采后生理與貯藏保鮮重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384)
我國果蔬產(chǎn)量一直居于世界首位,但由于采后保鮮技術(shù)落后等原因造成的果蔬腐爛損失也一直居高不下。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國每年的果蔬損失約為總產(chǎn)量的20%~30%,損耗量達(dá)上億噸,損失價(jià)值近800億元,而聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)對(duì)果蔬采后損失率的要求值僅為5%,美國等發(fā)達(dá)國家的果蔬采后損失率僅為1.7%~5.0%[1]。經(jīng)濟(jì)有效的果蔬保鮮技術(shù)對(duì)挽回因果蔬腐敗變質(zhì)造成的經(jīng)濟(jì)損失具有重要的意義。番茄(Tomato,LycopersicumesculentumMill.),作為一種具有獨(dú)特口感和豐富營養(yǎng)價(jià)值的果蔬,產(chǎn)量高、需求量大,但番茄皮薄多汁且成熟后會(huì)迅速軟化,在采摘和運(yùn)輸過程中容易受到機(jī)械損傷而加速其腐爛和品質(zhì)損失,因此,預(yù)收期和采后的保鮮處理對(duì)番茄品質(zhì)的保持具有重要意義。目前,已經(jīng)應(yīng)用的番茄保鮮方法主要有低溫貯藏、氣調(diào)保鮮、防腐保鮮和涂膜保鮮等[2]。李健等[3]的研究表明,臭氧水處理對(duì)草莓采后品質(zhì)、抗氧化物質(zhì)含量和相關(guān)酶活性有一定的影響,可以較好地延長草莓果實(shí)的保鮮期,保持草莓的采后品質(zhì)。此外,殼聚糖、海藻酸鈉、魔芋葡甘聚糖等3種常用多糖保鮮材料對(duì)草莓貯藏期內(nèi)的多個(gè)生理生化指標(biāo)具有明顯的改善作用,能有效延長草莓貨架期[4],其中,魔芋葡甘聚糖與乳清蛋白復(fù)合涂膜可以延緩琯溪蜜柚果實(shí)失重,保護(hù)其細(xì)胞膜,降低呼吸強(qiáng)度,抑制蜜柚的生理代謝,減少營養(yǎng)物質(zhì)的損失,延緩粒化發(fā)生,可達(dá)到 PE 膜包裝的貯藏效果[5]。然而,已有的保鮮技術(shù)多因易發(fā)生冷害、工藝復(fù)雜、成本高或存在安全隱患等問題而限制了其應(yīng)用,因此,探索簡易、安全的新型番茄保鮮技術(shù)顯得尤為重要。
光量子,是一種傳遞電磁相互作用的基本粒子[6]。光量子技術(shù)作為一種新型應(yīng)用科學(xué)技術(shù),在通信、醫(yī)學(xué)、生物等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。近年來,隨著光量子技術(shù)在農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入,光量子保鮮技術(shù)已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。研究表明,光量子具有一定的殺菌、調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)及生物酶活性的作用。在草莓貯存過程中,光量子不僅可以顯著降低草莓的失重率和腐爛指數(shù),而且可以保持草莓結(jié)構(gòu)的完整性[7]。此外,光量子可以延緩饅頭水分含量的散失,維持其較高的彈性和回復(fù)性,并可通過影響蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)和淀粉顆粒的晶體結(jié)構(gòu)延緩淀粉的回生,從而延長饅頭的保存期[8]。光量子輻照在番茄保鮮方面的研究尚未見文獻(xiàn)報(bào)道,為探究光量子輻照對(duì)番茄采后的保鮮作用及可能的作用機(jī)制,本研究以新鮮采摘的番茄為原料,利用光量子裝置,通過研究光量子輻照對(duì)番茄主要品質(zhì)指標(biāo)、生理代謝指標(biāo)和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響,以期為光量子輻照技術(shù)在番茄等果蔬保鮮中的應(yīng)用提供理論參考。
櫻桃番茄:采摘自天津東麗區(qū)華科水果采摘園。盡可能挑選大小均一、色澤相似,成熟度為七分至八分熟,表面無機(jī)械損傷、無病蟲害,帶果柄的果實(shí),采摘后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。
試劑:多酚氧化酶測(cè)試盒,過氧化物酶測(cè)試盒,丙二醛測(cè)試盒,超氧化物歧化酶測(cè)試盒,南京建成生物工程研究所;氫氧化鈉、酚酞、冰乙酸、無水乙醇、抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)品、三氯乙酸、磷酸、BP、三氯化鐵等均為分析純,均為國產(chǎn)市售試劑。
光量子裝置,由天津科技大學(xué)自制,該裝置主要由光子場(chǎng)外部控制器和冰箱內(nèi)能量放射裝置兩部分組成,能量放射裝置中量子發(fā)生層尺寸為50 mm×50 mm×4 mm,可發(fā)出波長為4~14 μm的遠(yuǎn)紅外電磁波輻射;LRH- 250CA型低溫培養(yǎng)箱,上海一恒科技有限公司;GY- 4型果實(shí)硬度計(jì),浙江托普儀器有限公司;LS28T型手持式糖度計(jì),深圳市同奧科技有限公司;Agilent 8453 型紫外可見分光光度計(jì),安捷倫科技有限公司;MS- H280- pro型加熱型磁力攪拌器,賽默飛世爾科技公司;AW220型十萬分之一電子天平,賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;TDZ5- WS型離心機(jī),湘儀離心機(jī)儀器有限公司;XL3型掃描式電子顯微鏡,日本日立有限公司;TDL- 5- A型離心機(jī),上海安亨科學(xué)儀器廠;LS- B50L型立式壓力蒸汽滅菌鍋,上海華線醫(yī)用核子儀器有限公司;KCL2000型恒溫恒濕培養(yǎng)箱,日本EYELA東京理化公司。
1.3.1番茄處理方法
將采摘后的番茄清洗、擦干表面水分,分為光量子輻照組和對(duì)照組,每組180只番茄,平均放置于18個(gè)保鮮盒中。光量子輻照組置于光量子裝置中進(jìn)行輻照處理,對(duì)照組不作光量子輻照處理,兩組處理溫度均為4 ℃,且其他條件保持一致,保藏期為10 d。每隔2 d測(cè)定硬度、失重率、多酚氧化酶和過氧化物酶活性等指標(biāo),各指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次。在第4天和第10天通過掃描電鏡觀察番茄的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。
1.3.2硬度的測(cè)定
硬度測(cè)定參考文獻(xiàn)[9],取合適的櫻桃番茄,用消毒后的刀片在番茄赤道位置劃切2 cm×2 cm的十字形傷口,用硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)量,每個(gè)番茄果實(shí)測(cè)量3個(gè)位置,得到3個(gè)硬度值后求其平均值,硬度單位以N表示。
1.3.3失重率的測(cè)定
番茄果實(shí)失重率采用稱重法計(jì)算,計(jì)算方法見式(1)。
(1)
式(1)中,m0,番茄初始質(zhì)量,g;m1,輻照后番茄質(zhì)量,g。
1.3.4腐爛指數(shù)的測(cè)定
實(shí)驗(yàn)過程中,每隔1 d觀察番茄表面是否有肉眼可見的腐爛斑點(diǎn)或壞死組織,統(tǒng)計(jì)其個(gè)數(shù)并將其取出,除以番茄總數(shù)即為腐爛指數(shù),以%表示,計(jì)算方法見式(2)。
(2)
1.3.5維生素C質(zhì)量比的測(cè)定
使用抗壞血酸(維生素C/ASA)測(cè)定試劑盒檢測(cè)維生素C質(zhì)量比,按試劑盒操作說明進(jìn)行操作,其中,樣品中蛋白質(zhì)濃度的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定[10],計(jì)算方法見式(3)。
(3)
式(3)中:維生素C質(zhì)量比,mg/100 g;ρ(標(biāo)準(zhǔn)品),6 μg/mL;ρ(待測(cè)勻漿蛋白),g/L。
1.3.6酶活性的測(cè)定
番茄果實(shí)中多酚氧化酶(PPO)活性的測(cè)定采用分光光度法,具體參照文獻(xiàn)[11];過氧化物酶(POD)活性的測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法,具體參照文獻(xiàn)[11];超氧化物歧化酶(SOD)活性的測(cè)定采用黃嘌呤氧化酶法,具體參照文獻(xiàn)[12]。
1.3.7丙二醛含量的測(cè)定
番茄果實(shí)中丙二醛(MDA)含量的測(cè)定采用硫代巴比妥酸法,具體參照文獻(xiàn)[12]。
1.3.8番茄內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)觀察
分別從實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組中快速取出若干番茄,在無菌培養(yǎng)皿中切片,分別橫切和縱切,取尖端、中部、底部三個(gè)部位的番茄組織,保證每個(gè)部位的取樣厚度、大小一致。將樣品轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)板中,平板頂部用保鮮膜包裹并扎滿小孔,放入-80 ℃的真空冷凍干燥機(jī)中。待凍干完全后將樣品斷面放置在測(cè)樣臺(tái)上,通過掃描電鏡觀察番茄果實(shí)的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。
處理組和對(duì)照組均進(jìn)行3次平行測(cè)定,測(cè)得數(shù)據(jù)使用SPASS軟件進(jìn)行計(jì)算,并用Origin繪制圖表。
硬度可反映番茄果實(shí)的成熟狀況和貯藏品質(zhì),也直接影響到其風(fēng)味與口感,是番茄品質(zhì)檢測(cè)的重要指標(biāo)之一,光量子輻照對(duì)番茄硬度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1。
圖1 光量子輻照對(duì)番茄采后硬度的影響Fig.1 Effect of photon quantum irradiation on postharvest hardness of tomato
由圖1可知,隨著貯藏時(shí)間的延長,光量子組和對(duì)照組番茄的硬度均呈逐漸下降趨勢(shì)。在貯藏期前6 d,光量子組和對(duì)照組番茄的硬度差異不明顯;第6天后兩組番茄的硬度差異逐漸增大,且光量子組番茄的硬度始終高于對(duì)照組。此外,與第0天相比,第10天時(shí),對(duì)照組果實(shí)硬度下降約33.9%,而光量子組僅下降約23.3%。上述結(jié)果表明,光量子輻照在一定程度上能夠延緩番茄硬度的下降,且從第6天開始其對(duì)硬度的影響更為明顯。產(chǎn)生這種情況的原因可能是在貯藏前期,低溫冷藏是保鮮的主導(dǎo)因素,而光量子輻照效果具有累積效應(yīng),能在后期貯藏中逐漸起主導(dǎo)作用。番茄中原果膠、果膠及果膠酸的含量是影響其硬度的關(guān)鍵因子[13],因此,光量子輻照對(duì)番茄硬度的改善,可能是由于光量子場(chǎng)延緩了番茄中果膠降解為果膠酸的速度。
失重率的大小可以反映番茄果實(shí)水分的散失狀況[14]。新鮮的櫻桃番茄果實(shí)含水量達(dá)85%~90%。果實(shí)采后在貯藏期或者貨架期時(shí),自身的呼吸代謝和蒸騰作用會(huì)導(dǎo)致其失水,當(dāng)水分損失到原質(zhì)量的5%時(shí),果實(shí)表面會(huì)呈現(xiàn)明顯的皺縮萎蔫狀,從而影響番茄的外觀品質(zhì)及新鮮程度。光量子輻照對(duì)番茄失重率的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2。
圖2 光量子輻照對(duì)番茄失重率的影響Fig.2 Effect of photon quantum irradiation on weight loss rate of tomato
由圖2可知,在10 d的貯藏期內(nèi),隨著貯藏時(shí)間的延長,光量子組和對(duì)照組的失重率都呈增加趨勢(shì),但光量子組的失重率均低于對(duì)照組。上述結(jié)果表明,光量子輻照可延緩番茄失重率的增大。失重率與水的過冷點(diǎn)密切相關(guān),因此,光量子輻照對(duì)番茄失重率的改善,可能是由于光量子場(chǎng)保鮮高含水量食品時(shí)可以降低其過冷點(diǎn),減緩番茄的失水速率。
番茄采摘后極易受乙烯及交鏈孢菌引起的軟腐病的影響而腐爛變質(zhì),失去食用價(jià)值[9],而腐爛指數(shù)是一種直觀的判斷果蔬保鮮效果的重要指標(biāo)。光量子輻照對(duì)番茄腐爛指數(shù)的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3。
圖3 光量子輻照對(duì)番茄腐爛指數(shù)的影響Fig.3 Effect of photon quantum irradiation on tomato rot index
由圖3并結(jié)合日常實(shí)驗(yàn)觀察可知,在貯藏前期,番茄質(zhì)地較為堅(jiān)硬,果肉飽滿,且在第0~8天,光量子組和對(duì)照組番茄均未發(fā)生腐爛變質(zhì);對(duì)照組和光量子組的番茄分別在第10天和第12天開始出現(xiàn)腐爛變質(zhì)的情況,且隨著貯藏時(shí)間的延長,腐爛指數(shù)呈上升趨勢(shì),到第22天時(shí),光量子組和對(duì)照組的腐爛指數(shù)分別為33.33%和46.67%。結(jié)果表明,與對(duì)照組相比,光量子輻照處理可明顯降低番茄腐爛變質(zhì)的速率。已有研究表明,光量子輻照可有效抑制微生物的生長,而番茄的腐爛與微生物的污染密切相關(guān),這可能是光量子輻照降低番茄腐爛指數(shù)的原因。
維生素C是果蔬中重要的營養(yǎng)物質(zhì),對(duì)提高免疫力,預(yù)防牙齦出血、癌癥、動(dòng)脈硬化和壞血病等都有重要的功效,但維生素C在果蔬貯藏過程中不穩(wěn)定,易被氧化,而且隨著呼吸作用對(duì)有機(jī)物的消耗,造成了維生素C合成的底物不足[15-16]。維生素C含量是評(píng)價(jià)果蔬貯藏品質(zhì)的重要指標(biāo),光量子輻照對(duì)番茄維生素C含量的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。
圖4 光量子輻照對(duì)番茄維生素C含量的影響Fig.4 Effect of photon quantum irradiation on vitamin C content in tomato
由圖4可知,從整體趨勢(shì)來看,在0~10 d的貯藏期內(nèi),隨著貯藏時(shí)間的增加,光量子組和對(duì)照組番茄的維生素C含量均逐漸下降,但光量子組維生素C含量均高于對(duì)照組,表明光量子能減緩番茄中維生素C含量的下降。
2.5.1對(duì)多酚氧化酶活性的影響
多酚氧化酶(PPO)是一種廣泛分布于動(dòng)植物體內(nèi)的含銅氧化酶[17]。PPO引起的氧化反應(yīng)不僅會(huì)使果蔬發(fā)生褐變,而且會(huì)造成果蔬抗氧化能力的下降。因此,在番茄貯藏期間要盡量抑制番茄PPO的活性,光量子輻照對(duì)番茄PPO活性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。
*表示P<0.05。圖5 光量子輻照對(duì)番茄PPO活性的影響Fig.5 Effect of photon quantum irradiation on activity of tomato PPO
由圖5可知,在0~10 d的貯藏期內(nèi),光量子組和對(duì)照組中的PPO活性均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),其中光量子組的PPO活性在第8天時(shí)達(dá)到了最高值17.273 U/g,對(duì)照組的PPO活性在第6天達(dá)到最大值17.610 U/g,表明光量子輻照處理延遲了番茄PPO活性到達(dá)高峰的時(shí)間;在第8天時(shí),光量子組番茄的PPO活性略高于對(duì)照組,但在0~6 d的貯藏期內(nèi),光量子組番茄的PPO活性遠(yuǎn)低于對(duì)照組,且在第6天時(shí),光量子組和對(duì)照組番茄的PPO活性有顯著性差異(P<0.05)。上述結(jié)果表明,光量子輻照可以在一定程度上抑制番茄果實(shí)的PPO活性,從而抑制番茄的褐變。
2.5.2對(duì)過氧化物酶活性的影響
過氧化物酶(POD)是果實(shí)體內(nèi)重要的氧化還原酶,與果蔬的多種生理代謝和生化代謝過程密切相關(guān),當(dāng)果蔬的生理狀態(tài)和貯藏環(huán)境發(fā)生變化時(shí), POD也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。POD主要催化以過氧化氫為氧化劑的氧化還原反應(yīng),在氧化其他物質(zhì)時(shí)還原過氧化氫,以清除植物體內(nèi)的過氧化氫,是植物重要的一種保護(hù)酶[18]。實(shí)驗(yàn)中光量子輻照對(duì)番茄POD活性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6。
*表示P<0.05,** 表示P<0.01。圖6 光量子輻照對(duì)番茄POD活性的影響Fig.6 Effect of photon quantum irradiation on activity of tomato POD
從圖6可知,在0~10 d的貯藏期內(nèi),光量子組和對(duì)照組中的POD活性均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),且兩者均在第4天達(dá)到最高值,且光量子組番茄的POD活性均高于對(duì)照組。在第6天時(shí),光量子組番茄的POD活性明顯高于對(duì)照組(P<0.05),且第8天時(shí),光量子組番茄的POD活性與對(duì)照組番茄的POD活性差異極顯著(P<0.01)。上述結(jié)果表明,光量子輻照可延緩番茄中POD活性的下降。
2.5.3對(duì)超氧化物歧化酶活性的影響
超氧化物歧化酶(SOD)在機(jī)體的氧化和抗氧化平衡方面起著至關(guān)重要的作用,超氧化物歧化酶活性的高低間接反映了機(jī)體清除氧自由基的能力。光量子輻照對(duì)番茄SOD活性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7。
* 表示P<0.05,** 表示P<0.01。圖7 光量子輻照對(duì)番茄SOD活性的影響Fig.7 Effect of photon quantum irradiation on activity of tomato SOD
從圖7中可以看出,在0~10 d的貯藏期內(nèi),光量子組和對(duì)照組番茄的SOD活性均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì),且光量子組番茄的SOD活性均高于對(duì)照組。在第6天和第10天時(shí),光量子組的SOD活性明顯高于對(duì)照組(P<0.01),第8天時(shí),光量子組和對(duì)照組的SOD活性有顯著差異(P<0.05)。結(jié)果表明,光量子輻照延緩了SOD的降低速率,保護(hù)了番茄果實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),可起到延長番茄貯藏期的作用。
丙二醛(MDA)是膜脂過氧化物作用的主要產(chǎn)物之一,可與蛋白質(zhì)、核酸等大分子物質(zhì)反應(yīng),改變這些大分子的構(gòu)型,或使之產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng),從而喪失生物學(xué)功能。一般可通過測(cè)試MDA的量來反映果蔬中脂質(zhì)過氧化的程度,從而間接地反映細(xì)胞損傷的程度[19]。光量子輻照對(duì)番茄中MDA含量的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8。
* 表示P<0.05。圖8 光量子輻照對(duì)番茄中MDA含量的影響Fig.8 Effect of photon quantum irradiation on content of MDA in tomato
從圖8可以看出,在0~10 d的貯藏期內(nèi),光量子組和對(duì)照組中MDA含量均呈上升趨勢(shì),對(duì)照組MDA含量均高于光量子組,且在第10天時(shí),光量子組和對(duì)照組的MDA含量差異顯著(P<0.05)。這表明光量子輻照減緩了番茄中MDA積聚的速度,使番茄的衰老速度得以延緩。
實(shí)驗(yàn)中對(duì)番茄果實(shí)不同截面、不同部位進(jìn)行掃描電鏡觀察,研究光量子輻照對(duì)貯藏過程中番茄內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響,其結(jié)果見圖9。從圖9可以看出:光量子組與對(duì)照組的番茄的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在明顯差異。從圖9(a1)、(a2)、(a3)可以看出,光量子輻照保鮮下的番茄在貯藏4 d后結(jié)構(gòu)完整,組織間棱角分明,各個(gè)組織排列緊密;由圖9(c1)、(c2)、(c3)可看出,在光量子輻照保鮮條件下貯藏10 d后的番茄,個(gè)體組織結(jié)構(gòu)排列較為疏松,個(gè)體組織表面有失水現(xiàn)象。圖9(b1)、(b2)、(b3)為普通保鮮條件下的番茄,在保藏4 d后,個(gè)體組織之間排列疏松,外觀有失水現(xiàn)象;由圖9(d1)、(d2)、(d3)可以看出,在4 ℃保鮮條件下貯藏10 d后,番茄組織之間的鍵能發(fā)生斷裂,組織結(jié)構(gòu)坍塌,果實(shí)表面嚴(yán)重失水,甚至出現(xiàn)了腐爛現(xiàn)象。通過對(duì)掃描電鏡圖的觀察與對(duì)比可得出結(jié)論:在4 ℃時(shí),雖然隨著貯藏時(shí)間的延長,光量子輻照組和對(duì)照組番茄的內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)均會(huì)變得排列疏松,果實(shí)中的水分也會(huì)嚴(yán)重流失,直至出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象,但與普通低溫冷藏相比,光量子輻照可延緩番茄內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化,具有更好的保鮮作用。
在4 ℃下,與普通的低溫冷藏相比,光量子輻照可明顯降低番茄的腐爛指數(shù),延緩番茄硬度、質(zhì)量及維生素C含量的下降,抑制番茄多酚氧化酶(PPO)的活性,提高番茄過氧化物酶(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。掃描電鏡結(jié)果分析表明,與普通低溫冷藏相比,光量子輻照能夠在一定程度上延緩番茄內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性的破壞。綜上所述,光量子輻照較普通低溫冷藏對(duì)番茄具有更好的保鮮作用。
本文研究了光量子輻照對(duì)番茄采后的保鮮效果及可能的作用機(jī)制,對(duì)光量子輻照在番茄等果蔬保鮮中的應(yīng)用進(jìn)行了新的嘗試,但作為一種新的保鮮技術(shù)手段,光量子輻照技術(shù)對(duì)果蔬保鮮的作用機(jī)制等方面還有待深入研究。
圖9 光量子輻照對(duì)番茄微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.9 Effect of photon quantum irradiation on microstructure of tomato