王濟(jì)瀚 李富軍 張新華 李曉安 張馨月 孫雯雯
摘要:果肉褐變是蘋果采后冷藏期間一種常見的生理性病害,特征各異,成因復(fù)雜,且不易檢測,嚴(yán)重影響了蘋果的貯藏和銷售。目前,細(xì)胞膜區(qū)室化的破壞被認(rèn)為是果肉褐變的主要原因,許多研究就不同因素導(dǎo)致區(qū)室化的破壞提出了多種假設(shè)。通過參考近年來的研究成果,對蘋果果肉褐變的類型、成因和機(jī)制進(jìn)行了總結(jié);同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),提出了減少蘋果冷藏期間果肉褐變的有效技術(shù)措施,展望了果肉褐變今后研究重點(diǎn)與方向,以期為蘋果冷藏期間果肉褐變的基礎(chǔ)理論研究和防控技術(shù)開發(fā)提供參考。
關(guān)鍵詞:蘋果;貯藏;褐變;機(jī)制;細(xì)胞膜區(qū)室化
中圖分類號:S661.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1009-9980(2023)03-0566-11
蘋果是世界上生產(chǎn)和消費(fèi)最多的水果之一。中國蘋果產(chǎn)業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)表明,我國2020 年蘋果產(chǎn)量超過4400 萬t,居世界第一位。為保持蘋果新鮮品質(zhì)并做到全時(shí)空供應(yīng),1/5~1/4 的蘋果會進(jìn)入冷藏環(huán)節(jié)[1]。然而,蘋果冷藏過程中會發(fā)生一些生理病害,導(dǎo)致果實(shí)品質(zhì)下降。其中,果肉褐變是蘋果貯藏期間常見病害之一。
蘋果冷藏期間的果肉褐變通常發(fā)生在果肉部分,有時(shí)也會波及果心或果皮,是單一或多種因素綜合作用的結(jié)果[1-2]。發(fā)生果肉褐變的蘋果不但風(fēng)味和營養(yǎng)價(jià)值降低,而且會因?yàn)榕c健康果實(shí)在外觀上無明顯區(qū)別導(dǎo)致病害發(fā)生情況難以監(jiān)控,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此,對蘋果貯藏期間果肉褐變的成因、機(jī)制和控制技術(shù)進(jìn)行研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。
筆者在本文中綜述了近年來在蘋果冷藏期間常見的果肉褐變的分型、成因、發(fā)生機(jī)制和控制技術(shù)等方面的研究進(jìn)展,以期為蘋果冷藏期間果肉褐變的理論和防控研究提供參考。
1 果肉褐變的分型
蘋果果肉褐變在冷藏期間或脫離原冷藏環(huán)境后都有發(fā)生,褐變部位的特征各有不同。質(zhì)地或硬或軟,或濕潤或干燥,味道或苦或甜,有時(shí)還會形成空腔[3-5]。特征不同,成因也不同。區(qū)分不同的褐變特征,可以快速找到褐變的成因。常見蘋果冷藏期間的果肉褐變可以分為輻射型、彌漫型、空洞型和崩潰型4類(圖1)。
1.1 輻射型褐變
輻射型褐變主要表現(xiàn)為果實(shí)的維管束發(fā)生明顯褐變,而果皮相對不受影響(圖1-A)[6,8-9]。一般果柄端果肉褐變的嚴(yán)重程度略重于花萼端,褐變組織質(zhì)地較軟,細(xì)胞壁受損嚴(yán)重[8]。此類褐變被認(rèn)為是由衰老導(dǎo)致的維管束損傷引起,會隨著貯藏時(shí)間的增加而加劇,也會因?yàn)橥聿?、貯藏環(huán)境中高CO2和/或低O2濃度持續(xù)時(shí)間長以及貯藏溫度過低而增強(qiáng)其易感性[6,8-9]。
1.2 彌漫型褐變
彌漫型褐變的果實(shí)維管組織往往不受影響或褐變較輕,而果皮組織褐變明顯(圖1-B)[8]。彌漫型褐變被認(rèn)為是一種冷害,常見于低溫生長的地區(qū)[7,9]。
當(dāng)果實(shí)發(fā)育受到低溫脅迫時(shí),果實(shí)的正常生理代謝活動會被破壞,導(dǎo)致果實(shí)發(fā)育滯后,以至于采后果實(shí)無法適應(yīng)正常的低溫貯藏,進(jìn)而導(dǎo)致彌漫性褐變的發(fā)生[7]。此類褐變一般在果實(shí)兩端較嚴(yán)重,中間部分較輕[6]。病害初期,僅在果皮組織附近形成小塊褐變,褐變區(qū)域有明顯界限(圖1-B左);隨著病害的加重,褐變向內(nèi)發(fā)展,褐變面積變大,整個(gè)果皮組織附近全部褐變(圖1-B 右)。
1.3 空洞型褐變
空洞型褐變的特征是果肉褐變組織成點(diǎn)或片狀分布,在果肉組織之間形成褐變?nèi)Γ㈦S著癥狀的加重,褐變組織發(fā)展出透鏡狀的凹坑和空洞(圖1-C)[2,9]??斩葱秃肿儼l(fā)生初期,果皮色澤變暗,有些品種會出現(xiàn)淺褐色斑點(diǎn),果實(shí)內(nèi)部產(chǎn)生塊狀褐變,果肩和果心線組織發(fā)病率較高,褐變組織的質(zhì)地堅(jiān)實(shí)、濕潤[2,10-11];隨后病癥迅速發(fā)展,褐變組織失水,質(zhì)地變得松散、干燥,果實(shí)風(fēng)味變淡,食之初甜后苦;最終,褐變組織產(chǎn)生凹坑和空洞,果皮出現(xiàn)褐斑和褶皺[3,5]。
1.4 崩潰型褐變
崩潰型褐變表現(xiàn)為果肉組織松散狀褐變(圖1-D)[12-13],可以細(xì)分為低溫崩潰、衰老崩潰和水心崩潰等[12]。低溫崩潰由果肉內(nèi)層開始逐步向外側(cè)發(fā)展,初期褐變組織質(zhì)地堅(jiān)硬、濕潤,褐變顏色較淺,維管束無明顯褐變,后期發(fā)展為以果核為核心的圓球形大面積褐變,多發(fā)于元帥等品種[13],近幾年在富士、維納斯黃金等品種上也常見到。衰老崩潰多發(fā)于蘋果貯藏后期[14],常見有果肉粉棉病和橡皮病。果肉粉棉病發(fā)病初期,果肉發(fā)綿變軟,隨后變干形成易碎的粉質(zhì)狀,后期果肉發(fā)生褐變,嚴(yán)重時(shí)果皮變暗、變褐或出現(xiàn)果皮破裂、果肉綻裂等癥狀[2];橡皮病常發(fā)于維管束和靠近果皮的組織,質(zhì)地綿軟,病害前期果肉輕微褐變,隨后果皮變暗明顯,病害部位有輕微輪廓,手指按壓時(shí)容易陷下去,多發(fā)于紅玉蘋果,因此也常稱為紅玉橡皮病[13-14]。水心崩潰常見于采收時(shí)過熟的蘋果,表現(xiàn)為果肉的一部分成水浸狀,一般在果心處或圍繞維管束開始發(fā)展,具體發(fā)病部位及程度因品種而異,也會受到低溫、采收時(shí)間等因素的影響[12,15]。
盡管果肉褐變的類型不盡一致,但在實(shí)踐生產(chǎn)中往往發(fā)現(xiàn)2 種以上的褐變類型疊加發(fā)生,比如輻射型褐變后期往往也會發(fā)現(xiàn)空洞型褐變,而水心崩潰后期也往往伴隨著衰老崩潰。這種不同的導(dǎo)致果肉褐變的因素疊加,有時(shí)會造成區(qū)分困難,同時(shí)也增加了蘋果冷藏期間果肉褐變的風(fēng)險(xiǎn)和防控的難度。
2 影響因素
品種、采前氣候條件、栽培技術(shù)以及采后貯藏條件等,都會影響蘋果冷藏期間果肉褐變的發(fā)生。
2.1 品種
不同蘋果品種對果肉褐變的敏感性不同。一些品種由于果肉細(xì)胞排列緊密,果肉中的氣體交換較為困難,導(dǎo)致組織內(nèi)部CO2濃度較高,易發(fā)生CO2傷害,進(jìn)而造成果肉褐變,如富士、布瑞本(Breaburn)等[15]。Serra 等[16]對14 種蘋果采后褐變情況研究發(fā)現(xiàn),青蘋和紅粉佳人品種不易發(fā)生果肉褐變,而嘉年華(Fiesta)和米切嘎拉(Mondial Gala)等品種易發(fā)生嚴(yán)重的果肉褐變。國內(nèi)的主栽培品種中,富士、長富2 號和王林等品種對水心崩潰有較高的易感性,而金冠、國光和元帥等品種則不敏感[17-18]。
2.2 采前因素
氣候條件、土肥水管理、結(jié)果部位、作物負(fù)荷和采收期等栽培技術(shù)措施都可能影響到果實(shí)貯藏期間果肉褐變的發(fā)生。
2.2.1 氣候條件 (1)溫度:蘋果生長期溫度過低或過高都會造成果肉褐變的產(chǎn)生。有研究發(fā)現(xiàn),在寒冷地區(qū)生長的布瑞本蘋果比在溫暖地區(qū)生長的更容易發(fā)生褐變,并推測其可能原因?yàn)楹涞纳L條件改變了細(xì)胞代謝過程,通過降低表皮和組織的擴(kuò)散性/增強(qiáng)對高CO2和低O2的敏感性,增加了果肉褐變的風(fēng)險(xiǎn)[19]。McCormick 等[20]還發(fā)現(xiàn),采前4 周環(huán)境溫度>10 ℃可以顯著降低果肉褐變的發(fā)病率,但具體機(jī)制不清楚。
(2)干旱:干旱對營養(yǎng)生長和果實(shí)發(fā)育具有重要影響。干旱環(huán)境下,根部對鈣等微量元素的吸收、利用和運(yùn)轉(zhuǎn)受限[21],增強(qiáng)了對果肉褐變的易感性[22-23]。
此外,干旱導(dǎo)致的果實(shí)坐果率下降,也有可能通過降低果園負(fù)荷引起一系列包括果肉褐變易感性在內(nèi)的果實(shí)品質(zhì)差異[20]。
2.2.2 采收期 采收成熟度與果肉褐變聯(lián)系十分密切,過早或過晚采收均會增加果肉褐變的風(fēng)險(xiǎn)。其中,早采的蘋果易發(fā)生果心褐變[24],晚采的蘋果的CO2 傷害(空洞型褐變)、水心崩潰的發(fā)病率更高[24-25]。
2.2.3 礦質(zhì)元素 土壤中營養(yǎng)元素和施肥的種類、數(shù)量、方式也直接影響果實(shí)采后貯藏質(zhì)量。
(1)Ca:Ca2+能通過結(jié)合細(xì)胞膜上的磷脂和蛋白質(zhì)來維持細(xì)胞膜的功能和穩(wěn)定性[26],而果肉褐變與細(xì)胞膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性顯著相關(guān)。Ca2+含量過低會增大膜的通透性,甚至使細(xì)胞膜區(qū)室化被破壞,引起果肉褐變[23,27];但也有報(bào)道[28]指出,Ca2+含量過高會破壞細(xì)胞中Ca2+穩(wěn)態(tài)機(jī)制,過多的Ca2+從細(xì)胞器或細(xì)胞膜外釋放到細(xì)胞質(zhì)中,對細(xì)胞產(chǎn)生毒害。因此,Ca2+含量過低或過高都有可能引起果肉褐變的發(fā)生。
(2)N:N含量過高間接影響果肉褐變的發(fā)生。
采前大量施氮能促進(jìn)果實(shí)的生長發(fā)育,氮鈣比增大,引起果實(shí)缺鈣[14,21]。此外,采前氮肥施入量過多,會使果實(shí)呼吸強(qiáng)度增大,加快果實(shí)衰老,引起衰老崩潰。
(3)Mg和K:Ca2+和Mg2+之間具有離子相似性,而K+又是Ca2+和Mg2+的拮抗劑,這導(dǎo)致Mg2+和K+與Ca2 +之間的互相競爭引發(fā)細(xì)胞膜功能的紊亂[29]。
Corrêa 等[30]發(fā)現(xiàn),發(fā)生果肉褐變的果實(shí)具有更高的Mg/Ca、K/Ca和(K+Mg)/Ca。
2.2.4 結(jié)果部位 結(jié)果部位對果肉褐變易感性的影響主要通過光照、溫度等因素實(shí)現(xiàn)。內(nèi)膛果由于光照不足,在貯藏期間衰老更快,更易發(fā)生果肉粉綿??;而外層果常因光照過強(qiáng),易發(fā)生水心崩潰[31]。此外,結(jié)果部位對果肉褐變的影響,還與其對鈣含量分布的影響有關(guān),如分枝根部的蘋果往往比頂端的蘋果Ca2+含量更高,長穗蘋果的Ca2+含量比短穗蘋果的Ca2+含量高[21],而Ca2+含量較低的果實(shí)通常具有更高的果肉褐變風(fēng)險(xiǎn)[32]。
2.2.5 樹體負(fù)荷 相比于溫度、礦質(zhì)元素等采前因素,作物負(fù)荷對果實(shí)質(zhì)量具有更大的影響。比如枝條生長旺盛、果實(shí)過度稀疏等低負(fù)荷的果樹,發(fā)生蘋果水心病和果肉褐變的風(fēng)險(xiǎn)就大[33]。這可能與低負(fù)荷增大了果實(shí)單果質(zhì)量,從而降低了果實(shí)內(nèi)包括Ca2+在內(nèi)的微量元素濃度有關(guān)[20,34]。此外,低負(fù)荷導(dǎo)致的果個(gè)增大減緩了果實(shí)內(nèi)氣體交換,增加了果肉內(nèi)部CO2的積累,增大了空洞型褐變的風(fēng)險(xiǎn)[31]。而高負(fù)荷量,則表現(xiàn)出與果心褐變的正相關(guān)性[20]。
2.3 采后因素
蘋果采后貯藏環(huán)境的溫度、氣體成分和外源物質(zhì)處理等都會影響到果肉褐變的發(fā)生。
2.3.1 溫度 貯藏溫度不適宜會導(dǎo)致果肉褐變的發(fā)生。溫度過低容易引起低溫誘導(dǎo)的、由外而內(nèi)的果肉彌散型褐變,或者由內(nèi)到外的低溫崩潰。如Saba等[5]發(fā)現(xiàn),與3 ℃貯藏的蘋果相比,0.5 ℃貯藏誘導(dǎo)了恩派(Empire)蘋果果肉褐變的發(fā)生;王志華等[4]的研究表明,-2 ℃貯藏的蘋果褐變指數(shù)高于0 ℃貯藏的蘋果褐變指數(shù)。
2.3.2 氣體成分 空洞型果肉褐變是典型的由高CO2傷害引起的褐變癥狀。氣調(diào)貯藏的蘋果在CO2濃度過高,以及普通冷藏的蘋果在因包裝不合適及庫內(nèi)通風(fēng)不良造成環(huán)境中CO2濃度過高等情況下,都可能引起空洞型果肉褐變的發(fā)生。低O2環(huán)境會加劇此類褐變的形成和發(fā)展[2,8],主要表現(xiàn)為果實(shí)硬度下降和果皮下陷的加速以及褐變組織擴(kuò)大和空洞形成的加劇,且常伴隨輕微發(fā)酵味和腐爛現(xiàn)象的發(fā)生[14]。此外,貯藏溫度過高也會使呼吸強(qiáng)度提高從而引起CO2積累,導(dǎo)致空洞型果肉褐變的出現(xiàn)[3],或者因加快果實(shí)成熟引起貯藏后期的衰老崩潰。
Castroa 等[35]研究發(fā)現(xiàn),紅粉佳人在5 kPa CO2+1.5 kPa O2條件下冷藏2 個(gè)月后,果肉褐變發(fā)病率顯著高于1 或3 kPa CO2+1.5 kPa O2中冷藏的蘋果,而在0.5 kPa CO2+1.5 kPa O2環(huán)境中沒有觀察到果肉褐變;同時(shí)發(fā)現(xiàn),在1.5 kPa CO2條件下,將O2由1 kPa提升到19 kPa 時(shí),果肉褐變發(fā)病率可由5%降低至1%。Argenta等[24,36]研究發(fā)現(xiàn),在0.5 kPa CO2+1.5 kPaO2貯藏條件下,富士表現(xiàn)出彌漫型褐變的特征;在2.5 kPa CO2+1.5 kPa O2貯藏條件下,3 種不同品系的富士蘋果均會發(fā)生果肉褐變,且能同時(shí)觀察到空洞型褐變和彌漫型褐變2 種果肉褐變類型。
值得注意的是,貯藏環(huán)境中的高CO2含量一般不被認(rèn)為是導(dǎo)致蘋果彌漫型和輻射型果肉褐變的主要因素,而是褐變發(fā)生中的一個(gè)疊加因素[7]。
2.3.3 外源物質(zhì)處理 研究表明,1-甲基環(huán)丙烯(1-methylcyclopropene, 1-MCP)、鈣和二苯胺(diphenylamine,DPA)處理都可能影響到蘋果貯藏期間的果肉褐變。
(1)1-MCP:多篇文獻(xiàn)均報(bào)道了1-MCP 可以顯著延緩蘋果等多種水果采后衰老進(jìn)程,降低了果肉褐變、水心褐變等的發(fā)生[37-39],但也有1-MCP使用不當(dāng)增加果肉褐變的報(bào)道。如Koushesh 等[5]研究發(fā)現(xiàn),1-MCP處理后0.5 ℃貯藏的恩派蘋果,果肉褐變的發(fā)病率和褐變嚴(yán)重程度均顯著高于3 ℃貯藏的,并提出這與低溫冷害關(guān)系密切;DeEll 等[40]也發(fā)現(xiàn),1-MCP 處理的恩派蘋果在2.5 kPa O2+2 kPa CO2或1.5 kPa O2+1.2 kPa CO2條件下,果肉褐變的發(fā)病率顯著增加,并認(rèn)為這可能與1-MCP處理增強(qiáng)了果實(shí)對CO2的敏感性有關(guān)。此外,1-MCP處理也被發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)了晚采的恩派貨架期間果肉的褐變[41]。由此推測,1-MCP處理后對果肉褐變影響效果的差異,可能與蘋果品種、冷藏溫度和氣體成分的控制等的差異有關(guān)。
(2)鈣:許多報(bào)道表明,采后一定濃度的鈣處理有利于蘋果保持良好品質(zhì)。一方面,鈣可以作為直接或間接的自由基清除劑,維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的正常功能;另一方面,鈣也可以提高果實(shí)的抗壞血酸(ascorbic acid,AsA)含量[42]。AsA 作為一種重要的抗氧化劑,在抑制果肉褐變方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。如Zhao 等[43]研究發(fā)現(xiàn),首紅經(jīng)5%的CaCl2浸泡10 min處理后,顯著維持了AsA等抗氧化物質(zhì)的含量。
(3)DPA:DPA對低溫崩潰和CO2傷害導(dǎo)致的果肉褐變有明顯的抑制作用。有報(bào)道表明,DPA可以降低蘋果對CO2的易感性;在配合低溫處理使用時(shí),DPA也能明顯降低果心褐變率[44]。但由于DPA使用后的廢液對環(huán)境和人體存在潛在的危害,英國、德國等部分國家已禁止DPA的使用。
3 蘋果果肉褐變的機(jī)制
目前,主流理論認(rèn)為,細(xì)胞膜區(qū)室化功能喪失造成的酶促褐變是導(dǎo)致蘋果冷藏期間果肉褐變的主要機(jī)制。正常情況下,多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)位于細(xì)胞質(zhì)中,酚類物質(zhì)位于液泡中,由細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)將兩者分隔開;但當(dāng)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞或通透性發(fā)生改變時(shí),蘋果中的酚類物質(zhì)泄露,并在O2的參與下被PPO催化形成醌類物質(zhì),而后醌類物質(zhì)聚合生成棕色色素,導(dǎo)致果肉褐變的發(fā)生[45-46]。
下文總結(jié)了可能導(dǎo)致蘋果冷藏期間果肉細(xì)胞膜區(qū)室化功能損失的機(jī)制。
3.1 Ca2+濃度改變 Ca2+可以通過與細(xì)胞膜表面的脂質(zhì)和蛋白質(zhì)結(jié)合來維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的功能和穩(wěn)定性。據(jù)報(bào)道,維持膜結(jié)構(gòu)的功能需要超過0.1 mmol·L-1的游離Ca2+,而原生質(zhì)體自身Ca2+維持在一個(gè)極低的水平(0.1~0.2 μmol·L-1),無法發(fā)揮類似的作用[23]。因此,當(dāng)原生質(zhì)體外Ca2+減少或Ca2+與質(zhì)膜的結(jié)合被抑制時(shí),會導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞,使細(xì)胞膜區(qū)室化的功能喪失,隨后酚類物質(zhì)泄露并與多酚氧化酶反應(yīng)生成醌類物質(zhì),最終導(dǎo)致果肉褐變。
一般認(rèn)為,Ca2+減少導(dǎo)致的區(qū)室化功能喪失的可能機(jī)制有2種。一種機(jī)制是K+、Mg2+等與Ca2+競爭結(jié)合質(zhì)膜上Ca2+結(jié)合位點(diǎn),但結(jié)合后的K+、Mg2+等卻不能替代Ca2+發(fā)揮維持細(xì)胞膜功能的作用,促使細(xì)胞膜通透性增加,最終區(qū)室化被破壞(圖2)[23]。Freitas等[23]、Corrêa 等[30]和Shoffe 等[47]的研究均證實(shí)高K+/Ca2+比或Mg2+/Ca2+比增加了果肉褐變的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。
另一種機(jī)制是細(xì)胞壁Ca2+結(jié)合位點(diǎn)的增加,使細(xì)胞膜外側(cè)有效Ca2+濃度減少,不足以維持細(xì)胞膜的功能,導(dǎo)致區(qū)室化被破壞。如Freitas等[23]研究發(fā)現(xiàn),在蘋果貯藏過程中,果膠甲酯酶(pectin methylesterases,PMEs)基因表達(dá)上調(diào)和PME活性增加并在細(xì)胞壁上創(chuàng)造了更多的Ca2+結(jié)合位點(diǎn),降低了細(xì)胞膜外側(cè)游離Ca2+的水平,膜透性增大,導(dǎo)致果肉褐變發(fā)病率升高。
此外,鈣含量低會減弱果實(shí)耐CO2能力,加速了由高CO2引起的果肉褐變的發(fā)生[22],也使果實(shí)更易發(fā)生水心病、苦痘病等病害以及貯藏期間的果肉崩潰[48]。劉野等[49]提出,貯藏環(huán)境中的CO2進(jìn)入細(xì)胞后形成的CO32-,可以與細(xì)胞質(zhì)膜上水溶性的Ca2+結(jié)合,使質(zhì)體外有效Ca2+減少,導(dǎo)致細(xì)胞透性增大,并指出這是CO2傷害引起果肉褐變的一個(gè)可能原因。
但也有報(bào)道提出,Ca2+濃度過高也可能造成蘋果冷藏期間的果肉褐變,原因可能在于Ca2+濃度過高導(dǎo)致的鈣穩(wěn)態(tài)機(jī)制受損,使過多的Ca2+從細(xì)胞器或細(xì)胞膜外釋放到細(xì)胞質(zhì)中,從而對細(xì)胞產(chǎn)生了毒害作用[50-51]。
3.2 乙醇和乙醛毒害
在低溫、低O2和高CO2等逆境條件下,果蔬呼吸強(qiáng)度降低,有氧代謝會部分轉(zhuǎn)為無氧代謝。在此過程中,乙醇、乙醛等發(fā)酵代謝產(chǎn)物大量積累并對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生毒害作用,導(dǎo)致細(xì)胞膜區(qū)室化功能喪失,果肉褐變風(fēng)險(xiǎn)增加(圖3)。分子水平上的研究表明,高CO2與低O2條件可通過下調(diào)果實(shí)PcMDHAR和PcAPX 表達(dá),降低氨基酸-谷胱甘肽循環(huán)功能,減少AsA 含量,積累大量乙醇與乙醛,增加細(xì)胞膜透性,最終導(dǎo)致果肉褐變加重[52];Shoffe 等[47]研究也發(fā)現(xiàn),冷害的嚴(yán)重程度與乙醇和乙醛的積累有關(guān);Liu等[53]研究表明,發(fā)生水心褐變的果實(shí)中的乙醇和乙醛的濃度分別增加了710.26%和100.54%。
3.3 自由基及其清除體系失衡
正常環(huán)境下,果蔬組織內(nèi)活性氧(reactive oxygenspecies, ROS)等自由基的產(chǎn)生與清除處于動態(tài)平衡,少量的ROS 不會對組織產(chǎn)生傷害,且充當(dāng)了一種重要的穩(wěn)態(tài)信號傳導(dǎo)實(shí)體[54]。但當(dāng)果蔬處于逆境脅迫時(shí),組織內(nèi)ROS的異常積累超出了系統(tǒng)的清除能力,導(dǎo)致多種蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)與功能受到破壞,膜脂中的不飽和脂肪酸因ROS、脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)等的攻擊發(fā)生過氧化反應(yīng),膜通透性增大,最終導(dǎo)致果肉褐變(圖3)[55]。
此外,許多非酶類物質(zhì),如AsA和谷胱甘肽(reducedglutathione,GSH)等可以參與ROS的清除,因而也在防止果肉褐變方面發(fā)揮著重要作用[45,56- 57]。
AsA還是一種高效的酚酶抑制劑,具有很強(qiáng)的抗褐變能力;GSH 可以通過與醌類物質(zhì)相互作用,產(chǎn)生無色物質(zhì),抑制褐變的發(fā)生。但是,這些抗氧化物的活性很可能會在逆境脅迫下遭到破壞(圖3)。
3.4 能量虧缺
生物膜完整性的維持與足夠的細(xì)胞能量狀態(tài)密切相關(guān),充足的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)可以穩(wěn)定細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu);較高的ATP含量也可以保持細(xì)胞內(nèi)較高的ROS清除能力,減輕ROS對膜脂的過氧化作用,從而減少果肉褐變的發(fā)生[4,58]。當(dāng)果蔬處于逆境脅迫下(如低溫、高CO2等),有氧呼吸的三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA)減弱后,電子傳遞鏈偶聯(lián)的ATP減少,無法提供正常能量以維持細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能(圖4)[4,15];同時(shí),乙醇、乙醛和ROS含量增加破壞了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整性(圖3),進(jìn)一步導(dǎo)致了ATP 合成受阻最終造成細(xì)胞膜區(qū)室化快速喪失,褐變加重[27]。王志華等[4]發(fā)現(xiàn),低溫減少了ATP 和二磷酸腺苷(adenosine diphosphate,ADP)含量,導(dǎo)致細(xì)胞供能不足,從而加重了果肉褐變,且溫度越低,能量虧缺越嚴(yán)重,褐變指數(shù)越高。
Hatoum 等[15]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)將CO2 從0.7 kPa 升高到3.7 kPa 時(shí),褐變發(fā)病率隨之升高,并認(rèn)為這是高濃度CO2將呼吸代謝從三羧酸循環(huán)轉(zhuǎn)移到發(fā)酵過程,使ATP生成減少,導(dǎo)致維持細(xì)胞膜的能量不足,最終引起褐變。Wang 等[58]也發(fā)現(xiàn),ATP 合成酶、NADH脫氫酶和無機(jī)焦磷酸化酶基因表達(dá)下調(diào)和磷脂酶D基因表達(dá)上調(diào)所導(dǎo)致的能量虧缺和細(xì)胞膜穩(wěn)定性下降,是果肉褐變增加的一個(gè)重要原因。
綜上所述,能量虧缺和氧自由基傷害導(dǎo)致的膜通透性改變,可能是蘋果貯藏期間果肉褐變的主要原因,Ca2+等因?yàn)閰⑴c了細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,因而也對果實(shí)褐變有一定的影響,而無氧呼吸可以促進(jìn)褐變的進(jìn)程。
4 采后防止果肉褐變的措施
蘋果的品種,采前的氣候條件、采收期、土肥水管理、疏花疏果以及修剪等栽培技術(shù)措施都對蘋果貯藏期間的果肉褐變有著明顯的影響(見2.2 所述)。因此,選擇不易褐變的蘋果品種、適期采收、防止過度干旱以及合理負(fù)荷等都在一定程度上降低了果實(shí)貯藏期間果肉褐變的風(fēng)險(xiǎn)。
4.1 預(yù)冷
研究發(fā)現(xiàn),采后及時(shí)預(yù)冷可以降低多種果蔬在貯藏過程中果肉褐變的發(fā)病率[59]。筆者在實(shí)踐生產(chǎn)中也發(fā)現(xiàn),蘋果采后及時(shí)預(yù)冷,能有效減緩果實(shí)冷藏期間的果肉褐變,推測其機(jī)制可能是預(yù)冷可以快速降低果實(shí)的呼吸作用。這不僅減緩了果實(shí)成熟,推遲或減輕冷害的發(fā)生,還減少了呼吸產(chǎn)生的CO2過度積累帶來傷害的風(fēng)險(xiǎn)。
4.2 貯藏溫度
對蘋果應(yīng)用低溫貯藏或氣調(diào)貯藏時(shí),應(yīng)綜合考慮果實(shí)的成熟度、采收期、品種特性等多種因素,以防止冷害造成的果肉褐變。對于富士等晚熟品種而言,適宜貯藏的溫度為(-1~1)℃(機(jī)械冷藏)或(-0.5~0.5)℃(氣調(diào)貯藏)。
4.3 氣體成分
用于氣調(diào)貯藏的蘋果需注意庫內(nèi)氣體濃度,以防止O2濃度過低或CO2濃度過高導(dǎo)致空洞型褐變、輻射型褐變的發(fā)生。尤其是對于環(huán)境CO2敏感的富士和維納斯黃金,長期貯藏的這2 種蘋果理想氣體指標(biāo)為CO2不超過1%,O2在5%左右。
4.4 外源物質(zhì)
1-MCP 是目前國內(nèi)外在富士等蘋果品種上常用的保鮮處理技術(shù)措施。1-MCP的使用方法和效果取決于蘋果的品種、貯藏時(shí)間及貯藏溫度等因素[60]。對富士蘋果而言,1-MCP的常用體積分?jǐn)?shù)為0.5~1.0 μL · L- 1,一般在常溫(20~25 ℃)或低溫(0~2 ℃)條件下處理12~24 h,就可以有效減輕果肉褐變,同時(shí)提高果實(shí)其他貯藏品質(zhì)[36,61]。
5 展望
目前,果肉褐變機(jī)制的研究仍集中于細(xì)胞膜區(qū)室化功能的喪失。然而,細(xì)胞膜衰老是果蔬采后成熟衰老過程中不可避免的自然事件。因此,啟動細(xì)胞膜衰老的關(guān)鍵因子和關(guān)鍵步驟是什么,貯藏環(huán)境中哪些因素可以導(dǎo)致細(xì)胞膜衰老加速或者有利于保持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,值得研究。特別是對于不同類型的果肉褐變,它們之間細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能變化有什么差異;為什么會出現(xiàn)輻射型、彌散型、空洞型和果肉崩潰型等明顯不同的褐變形式;這些不同褐變類型的發(fā)生,分別對應(yīng)著哪些誘導(dǎo)果肉褐變的因素;它們之間有無共性的問題,存不存在互相影響的情況等,需要深入研究。只有深入研究和了解細(xì)胞膜衰老的機(jī)制、區(qū)分出不同褐變類型的誘導(dǎo)因素,才能更好地、有針對性地采取果肉褐變的防治措施。
對于有特殊需求,比如為追求貯藏期或者風(fēng)味品質(zhì)而特意早采或者晚采的蘋果,以及需要特定貯藏環(huán)境或特定采后處理需求的蘋果等,研究這些特定的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施或采前采后處理措施對果肉褐變發(fā)生規(guī)律的影響,探討其影響機(jī)制,尋找有針對性的防控技術(shù)措施,也具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
針對發(fā)生果肉褐變的蘋果外觀無明顯差異、僅靠肉眼無法準(zhǔn)確判斷是否發(fā)病及發(fā)病程度的情況,開發(fā)更加靈敏的基于聲波、光波等原理的無損檢測技術(shù)及分檢設(shè)備,將有助于在蘋果貯藏和出庫、上市期間發(fā)生褐變果實(shí)的篩選分級,減少病果流入市場帶來的經(jīng)濟(jì)和信譽(yù)損失。
根據(jù)生理狀態(tài)、采收期和貯藏環(huán)境等的差異和果肉褐變發(fā)生的機(jī)制,篩選鑒定果肉褐變相關(guān)的特定生理成分(標(biāo)志物),研究建立基于標(biāo)志物的蘋果果肉褐變發(fā)生的數(shù)學(xué)模型和預(yù)測預(yù)警技術(shù),實(shí)現(xiàn)在蘋果入庫初期即對蘋果貯藏期間果肉褐變發(fā)生情況進(jìn)行預(yù)測,或者根據(jù)生物標(biāo)志物對地區(qū)或果園整體果實(shí)冷藏期間果肉褐變發(fā)生的概率提出預(yù)測預(yù)警,都有助于貯藏企業(yè)提前采取有針對性的預(yù)防或控制措施,減輕因果肉褐變帶來的風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。
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