李金洋,龔 殊,楊丹寧,廖心茹,趙 鑫
(宜賓學(xué)院農(nóng)林與食品工程學(xué)部,四川 宜賓 644000)
馬鈴薯(Solanum tuberosumL.)為茄科蔬菜作物,屬鮮活農(nóng)產(chǎn)品,產(chǎn)量高且營(yíng)養(yǎng)豐富,有廣泛加工用途,在保障中國(guó)糧食安全、平衡膳食營(yíng)養(yǎng)、促進(jìn)農(nóng)民增收等方面有重要戰(zhàn)略意義[1,2]。馬鈴薯在貯藏期間發(fā)芽會(huì)導(dǎo)致其質(zhì)量損失,品質(zhì)劣變、產(chǎn)生毒性物質(zhì)(如龍葵素),造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和食用安全隱患,其損耗占總產(chǎn)量的20%~25%,通過(guò)人為調(diào)控手段解決貯藏期馬鈴薯發(fā)芽問(wèn)題成為長(zhǎng)久以來(lái)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)[3-5]。
馬鈴薯抑芽技術(shù),主要分為物理方法、化學(xué)藥劑和植物藥劑3方面。低溫貯藏期間易發(fā)生低溫糖化,降低馬鈴薯加工品質(zhì)[6];輻射、軟電子技術(shù)存在建設(shè)投資大、能耗高等涉及成本控制的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,且輻射劑量過(guò)大可能會(huì)加速食品衰老,過(guò)小又起不到滅菌防腐的效果[7]。馬鈴薯抑芽劑CIPC(Isoprophyl chloro-carbanilate)具有使用方便、抑芽效果強(qiáng)、毒性低的優(yōu)點(diǎn),但存在藥劑殘留的安全隱患。CIPC為代表的化學(xué)抑芽劑會(huì)造成許多環(huán)境問(wèn)題,并影響到其他生物[8]。研究表明,具有抗氧化活性和抑菌防腐特性的薄荷、葛縷子、蒔蘿、留蘭香、茉莉、百里香、肉桂等植物精油[9-12]在抑芽方面表現(xiàn)出顯著效果,如薄荷精油能有效抑制馬鈴薯萌芽、降低薯塊失重率,其主要成分薄荷醇已被研制為有效的馬鈴薯抑芽劑[13];迷迭香精油可以保留薯肉中的抗壞血酸和總多酚,維持馬鈴薯抗氧化活性,從而達(dá)到抑芽效果[14]。另有研究發(fā)現(xiàn),在馬鈴薯休眠時(shí)薯肉會(huì)產(chǎn)生β-抑制劑維持馬鈴薯休眠狀態(tài)、抑制發(fā)芽,樟腦揮發(fā)物中有與β-抑制劑結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì),樟腦處理后4個(gè)品種馬鈴薯均產(chǎn)生明顯抑芽作用,表現(xiàn)為馬鈴薯薯塊芽點(diǎn)少、芽長(zhǎng)短,部分芽頂端出現(xiàn)變黑,壞死現(xiàn)象[15]。油樟(Cinnamomum longepaniculatum)為樟科樟屬的珍貴樹(shù)種,是中國(guó)特有、盛產(chǎn)天然芳香油的經(jīng)濟(jì)樹(shù)種,主產(chǎn)地為四川省宜賓市。油樟根、莖和葉含芳香油,可應(yīng)用于香料、食品添加劑、醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域,具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值[16]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)油樟精油的研究主要集中于抗氧化[17]、抑菌和殺菌[18]、對(duì)作物的化感作用[19]方面,在馬鈴薯抑芽領(lǐng)域的應(yīng)用還有待開(kāi)發(fā)。
本研究以不同濃度的油樟精油處理馬鈴薯,分析其對(duì)馬鈴薯發(fā)芽率、失重率、抗氧化酶活性[超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD),過(guò)氧化物酶(Peroxidase,POD),過(guò)氧化氫酶(Catalase,CAT)]、丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量、總還原糖含量和可溶性蛋白含量的影響,以便篩選出抑制馬鈴薯發(fā)芽的最佳油樟精油濃度。研究結(jié)果可為精油抑制馬鈴薯發(fā)芽,延長(zhǎng)馬鈴薯貯藏期研究提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)也為西南地區(qū)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐。
以馬鈴薯‘V7’作為試驗(yàn)材料,該品種高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng),綜合性狀優(yōu)良,是宜賓市當(dāng)?shù)氐闹髟云贩N之一?!甐7’為中熟品種,2020年9月6日收獲于宜賓菜壩,貯藏于油樟工程技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)室(黑暗、室溫25℃±2℃、相對(duì)濕度45%±5%)70 d,11月15日開(kāi)展試驗(yàn)。選取75個(gè)已過(guò)休眠期、大小均勻、無(wú)病蟲(chóng)害的‘V7’薯肉。
1.2.1 油樟精油濃度梯度設(shè)置
75個(gè)馬鈴薯分為3組(各25個(gè))在薯塊表皮標(biāo)號(hào)(1~25號(hào))后分別放入30 cm×40 cm×50 cm、體積0.06 m3的密封紙箱,室溫25℃、避光條件下采用油樟精油自然揮發(fā)處理馬鈴薯。
油樟精油處理組分別采用三角瓶、培養(yǎng)皿盛裝,自然揮發(fā)。將5 g油樟精油裝入250 mL三角瓶?jī)?nèi),置于1號(hào)紙箱中,28 d揮發(fā)2.24 g;將35 g油樟精油裝入培養(yǎng)皿內(nèi),置于2號(hào)紙箱中,28 d揮發(fā)29.74 g。計(jì)算2個(gè)處理組28 d內(nèi)各揮發(fā)的精油總量,得出日平均揮發(fā)量,除以紙箱體積即為紙箱中油樟精油質(zhì)量濃度。1號(hào)紙箱空氣中油樟精油質(zhì)量濃度:1.33 g/m3·d,為L(zhǎng)組;2號(hào)紙箱空氣中油樟精油質(zhì)量濃度:17.66 g/m3·d,為H組;3號(hào)箱放入馬鈴薯后不做任何處理,為對(duì)照(CK)組。
1.2.2 取樣時(shí)期及測(cè)定指標(biāo)
試驗(yàn)周期28 d,第0,7,14,21和28 d,記錄重量變化、發(fā)芽情況,并按照3組馬鈴薯樣本序號(hào)取樣,每組每次取樣5個(gè)馬鈴薯薯塊,每個(gè)薯塊隨機(jī)選取3處芽眼取樣。在貯藏第0,7,14,21和28 d,用酒精消毒后的不銹鋼刀片,以芽眼為中心取2 g薯肉。第14,21和28 d,馬鈴薯芽萌發(fā)后每組取5個(gè)發(fā)芽的馬鈴薯,隨機(jī)選取3處芽生長(zhǎng)點(diǎn),切取長(zhǎng)于2 mm芽,測(cè)定各項(xiàng)生理指標(biāo)。
計(jì)算發(fā)芽率、失重率,并測(cè)定薯肉和芽超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、丙二醛(MDA)、過(guò)氧化物酶(POD)、可溶性蛋白及薯肉總還原糖6項(xiàng)生理指標(biāo)。
1.3.1 發(fā)芽率與失重率測(cè)定
薯塊中長(zhǎng)于2 mm的芽定義為發(fā)芽,發(fā)芽率(%)=發(fā)芽薯塊數(shù)/總薯×100[20];失重率(%)=(g1-g2)/g1×100,g1為初始薯塊重量,g2為測(cè)定時(shí)薯塊重量[21]。
1.3.2 生理指標(biāo)測(cè)定
SOD、POD、CAT活性測(cè)定分別采用氮藍(lán)四唑(Nitroblue tetrazolium chloride,NBT)光還原法[22-24]、愈創(chuàng)木酚法[25,26]、紫外分光光度測(cè)定法[25];丙二醛含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸(Thiobarbituric acid,TBA)法[26];可溶性蛋白含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[27];總還原糖含量采用蒽酮硫酸法測(cè)定[28]。
采用Micorosoft Office 2016軟件和SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,使用Origin 2018繪圖。
相較于CK組,油樟精油處理組馬鈴薯芽更小、長(zhǎng)勢(shì)更弱,其中H組芽受抑制程度最大。油樟精油處理第14 d,隨機(jī)選取6個(gè)馬鈴薯觀察,H組馬鈴薯芽小,芽長(zhǎng)最短;L組馬鈴薯芽短粗,一處芽眼有多個(gè)芽萌發(fā);CK組馬鈴薯一個(gè)芽眼有一或多個(gè)芽萌發(fā),芽更長(zhǎng)且粗壯(圖1)。
圖1 不同濃度油樟精油對(duì)貯藏14 d馬鈴薯薯塊芽生長(zhǎng)的影響Figure 1 Effects of different concentrations of C.longepaniculatum essential oil on growth of apical buds of potato tubers stored for 14 days
隨貯藏時(shí)間延長(zhǎng),馬鈴薯發(fā)芽率呈上升趨勢(shì)。處理組發(fā)芽率顯著低于CK組,油樟精油濃度越高,發(fā)芽率越低。貯藏第7 d,CK組發(fā)芽率為73.62%,處理28 d后發(fā)芽率達(dá)到96.18%。在第7 d時(shí),H組發(fā)芽率較CK組低42.28%,L組較CK組低19.10%;在第28 d時(shí),H組發(fā)芽率較CK組低30.88%,L組較CK組低21.72%(圖2A)。結(jié)果表明,油樟精油能抑制馬鈴薯芽萌發(fā),H組抑制效果最佳。
貯藏期間馬鈴薯失重率逐漸升高,油樟精油可以抑制失重率的上升,處理組重量損失一直低于CK組(圖2B)。試驗(yàn)前14 d,處理組與CK無(wú)顯著性差異。第21~28 d,CK組重量損失顯著高于2個(gè)處理組;第28 d,H組失重率為2.70%、L組失重率為2.66%、CK組失重率為3.40%。結(jié)果表明油樟精油處理可以抑制馬鈴薯重量下降,H組和L組無(wú)顯著性差異。
圖2 不同濃度油樟精油對(duì)馬鈴薯發(fā)芽率、失重率的影響Figure 2 Effects of different concentrations of C.longepaniculatum essential oil on germination rate and weigh loss rate of potato
馬鈴薯貯藏過(guò)程中,油樟精油可以維持薯肉較高SOD活性。第7 d時(shí),相較于CK組,油樟精油處理顯著提高薯肉SOD活性,第14 d時(shí)SOD活性有所下降,但仍保持較高水平(圖3A)。第7 d時(shí),處理組與對(duì)照組SOD活性差異最大,L組、H組SOD分別是CK組的1.29和1.22倍。14 d效果逐漸減弱,到28 d與CK無(wú)顯著性差異。
貯藏前14 d,與對(duì)照相比油樟精油減緩馬鈴薯薯肉CAT活性下降,從第14 d開(kāi)始處理組CAT活性下降,至對(duì)照組水平(圖3B)。在第14 d時(shí),處理組的CAT活性顯著高于對(duì)照組,油樟精油H組的CAT活性為CK組的2.2倍,L組是CK組的2.0倍。油樟精油能在一定時(shí)間提高馬鈴薯薯肉CAT活性,隨貯藏時(shí)間延長(zhǎng)效果減弱。
與對(duì)照相比,處理組薯肉POD活性更高(圖3C)。第14 d時(shí),處理組POD活性均達(dá)到峰值且高于對(duì)照,其中H處理顯著高于CK。第28 d時(shí),H組POD活性是CK組的1.28倍,POD活性始終保持在較高水平。
圖3 不同濃度油樟精油對(duì)薯肉抗氧化酶活性的影響Figure 3 Effects of different concentrations of C.longepaniculatum essential oil on antioxidant enzyme activities in potato tubers
第7 d時(shí),3個(gè)試驗(yàn)組MDA含量均有不同程度的升高,CK組上升幅度最大,處理組MDA含量顯著低于CK組,CK組MDA含量是H組1.82倍、是L組1.33倍(圖4A)。貯藏28 d后,3組MDA含量表現(xiàn)為CK組(2.10 μmol/g·FW)>H組(1.97 μmol/g·FW)>L組(1.53 μmol/g·FW),H組MDA含量與CK組無(wú)顯著性差異。
馬鈴薯貯藏期間薯肉可溶性蛋白含量呈下降趨勢(shì),28 d時(shí),H組、L組和CK組與初始相比分別下降了22.98%、9.73%和38.23%,油樟精油抑制了馬鈴薯薯肉可溶性蛋白含量下降(圖4B)。L組在前14 d保持了較高的可溶性蛋白含量,并達(dá)到峰值,是CK組的1.59倍。H組與CK組趨勢(shì)相同,H組可溶性蛋白含量始終顯著高于CK組。
隨貯藏時(shí)間延長(zhǎng),馬鈴薯薯肉總還原糖含量呈下降趨勢(shì),28 d時(shí),H、L處理和CK與初始相比分別下降35.29%、16.65%、40.95%(圖4C),油樟精油處理減緩馬鈴薯總還原糖含量下降。在前7 d,H組總還原糖含量高于CK,而在油樟精油處理14 d后L處理總還原糖含量顯著高于CK。在第28 d,表現(xiàn)為L(zhǎng)組總還原糖含量為CK組的1.41倍。
圖4 不同濃度油樟精油對(duì)薯肉MDA、可溶性蛋白、總還原糖含量的影響Figure 4 Effects of different concentrations of C.longepaniculatum essential oil on MDA,soluble protein and total reducing sugar contents in potato tubers
芽SOD活性呈先升高后降低變化趨勢(shì)(圖5A)。21~28 d,芽SOD活性差異表現(xiàn)為油樟精油處理組高于CK組。與CK組相比,油樟精油處理組芽SOD活性減緩下降,說(shuō)明油樟精油可以抑制SOD活性降低。
CK與L組芽CAT活性隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì),而H組處理具有較高CAT活性且顯著高于其他處理(圖5B)。L組在第14和21 d時(shí)油樟精油處理組CAT活性高于CK組。結(jié)果表明油樟精油處理可以抑制CAT活性的下降,L組在短期內(nèi)有一定效果,H組效果最佳。
馬鈴薯芽POD活性在油樟精油處理后呈先下降后升高趨勢(shì)。在14和28 d,馬鈴薯芽POD活性都表現(xiàn)為H組>L組>CK組(圖5C),說(shuō)明油樟精油在一定時(shí)間能夠維持芽較高的POD活性。而處理第21 d,POD活性明顯下降且低于14與28 d。
圖5 不同濃度油樟精油對(duì)芽抗氧化酶活性的影響Figure 5 Effects of different concentrations of C.longepaniculatum essential oil on antioxidant enzyme activities in potato buds
試驗(yàn)14~28 d,馬鈴薯芽的MDA含量有小幅度的下降(圖6A)。在14~21 d油樟精油處理組MDA含量高于對(duì)照組,表現(xiàn)為H組>L組>CK組,這與馬鈴薯薯肉MDA含量變化的結(jié)果(圖4)不同。結(jié)果表明,油樟精油處理下馬鈴薯薯肉MDA含量相較于CK組差異不大,而芽MDA含量顯著高于對(duì)照組。
隨著貯藏期延長(zhǎng),馬鈴薯芽可溶性蛋白含量呈下降趨勢(shì)。與CK組相比,油樟精油處理下馬鈴薯芽可溶性蛋白含量減緩下降,H組可溶性蛋白含量在第14、28 d顯著高于其他處理。在第14 d時(shí),H組和L組可溶性蛋白含量分別是CK組1.65和1.2倍(圖6B)。
圖6 不同濃度油樟精油對(duì)芽MDA、可溶性蛋白含量的影響Figure 6 Effects of different concentrations of C.longepaniculatum essential oil on MDA and soluble protein contents in potato buds
馬鈴薯發(fā)芽過(guò)程涉及多個(gè)代謝途徑,碳水化合物是主要的能源來(lái)源、蛋白質(zhì)作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶決定一系列抗氧化物質(zhì)代謝,這些物質(zhì)都會(huì)影響馬鈴薯的發(fā)芽進(jìn)程[29]。與正常貯藏的馬鈴薯相比,油樟精油抑制馬鈴薯芽萌發(fā)、芽小且數(shù)量少,其機(jī)理可能是通過(guò)影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化物質(zhì)等物質(zhì)代謝從而抑制芽的生長(zhǎng)發(fā)育,減緩馬鈴薯發(fā)芽進(jìn)程,降低發(fā)芽率。
馬鈴薯作為果蔬生命個(gè)體,貯藏期間只有通過(guò)消耗其體內(nèi)儲(chǔ)存的營(yíng)養(yǎng)成分(糖、蛋白質(zhì)等有機(jī)物)來(lái)維持其采后生命活動(dòng)。馬鈴薯解除休眠后,各種代謝活動(dòng)加強(qiáng),營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分被大量消耗用于芽的萌發(fā),薯肉失水變軟變皺[30]。本試驗(yàn)中油樟精油高濃度處理馬鈴薯失重率為2.70%、低濃度處理馬鈴薯失重率為2.66%、正常處理馬鈴薯失重率為3.40%,表明油樟精油明顯降低馬鈴薯養(yǎng)分消耗,減少馬鈴薯薯肉營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的代謝。
馬鈴薯薯肉休眠解除可受外源性活性氧的誘導(dǎo),而抗氧化酶在維持薯肉活性氧產(chǎn)生和清除平衡中起關(guān)鍵作用[20]。植物體內(nèi)清除活性氧的酶促系統(tǒng)主要包括SOD、CAT和POD[31]。SOD作為抗氧化酶,可以清除植物體內(nèi)有害自由基,有效抑制活性氧積累,其活性越高,活性氧積累越少,越不利于馬鈴薯薯肉休眠解除。本試驗(yàn)中油樟精油處理馬鈴薯SOD活性在短時(shí)間內(nèi)(0~14 d)高于對(duì)照,因此較高SOD在短期內(nèi)能夠有效減緩馬鈴薯發(fā)芽進(jìn)程,抑制芽萌發(fā)。CAT與SOD、POD相互協(xié)調(diào)配合,活化抗氧化系統(tǒng)清除過(guò)剩自由基,消除馬鈴薯薯肉中的ROS,抑制馬鈴薯萌芽[29]。本試驗(yàn)中油樟精油在較短的時(shí)間內(nèi),特別是在第14 d時(shí),馬鈴薯在油樟精油H與L處理下CAT活性分別為對(duì)照的2.2和2.0倍,因此油樟精油能夠短期提高CAT活性,減少薯肉中過(guò)氧化氫積累,從而抑制其發(fā)芽。POD是具有清除過(guò)氧化氫能力的一類氧化還原酶,可抑制過(guò)氧化氫積累,減緩ROS積累,從而抑制馬鈴薯發(fā)芽。此外,有研究表明POD具有氧化分解吲哚乙酸(Indole-3-acetic acid,IAA)的功能,其活性與IAA含量呈反比[32]。IAA是芽生長(zhǎng)所必需的植物激素,對(duì)休眠解除起促進(jìn)作用,休眠解除過(guò)程中POD含量下降,IAA含量升高。POD可能通過(guò)調(diào)控IAA的濃度來(lái)調(diào)控休眠[33]。油樟精油處理使馬鈴薯薯肉在短期內(nèi)保持較高POD活性,降低薯肉IAA含量,抑制薯肉發(fā)芽。在馬鈴薯[34]、葡萄[35]休眠完成后,POD活性迅速下降,而在本研究中第21 d所有處理POD活性下降,表明油樟精油在短期內(nèi)能夠有效抑制馬鈴薯發(fā)芽,隨著時(shí)間的增加薯肉已經(jīng)開(kāi)始萌芽,芽酶活性開(kāi)始變化,因此在第21 d后POD活性逐漸升高,這與獨(dú)蒜蘭[36]、洋蔥[37]中的研究一致。過(guò)氧化氫酶(CAT)屬于抗氧化酶,具有催化過(guò)氧化氫分解,快速地將其轉(zhuǎn)化為其他無(wú)害或毒性較小的物質(zhì),避免過(guò)氧化氫對(duì)植物體造成損害。
丙二醛(MDA)作為植物組織和膜脂過(guò)氧化反應(yīng)的主要產(chǎn)物,MDA積累會(huì)導(dǎo)致植物細(xì)胞功能喪失、細(xì)胞膜降解,常被用于衡量細(xì)胞膜過(guò)氧化的程度和活性氧清除系統(tǒng)的代謝[29]。MDA產(chǎn)生于植物體受逆境傷害或植物體衰老時(shí),其含量能在一定程度上反映植物體受傷害程度。本試驗(yàn)結(jié)果表明,油樟精油處理組馬鈴薯薯肉MDA含量在前7 d低于對(duì)照組,生理狀態(tài)更佳。第28 d,油樟精油處理(H組)與CK差異不顯著,表明油樟精油處理隨時(shí)間延長(zhǎng)減弱對(duì)MDA積累的抑制效果。芽MDA含量與其生長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)性,MDA含量越高越不利于芽萌發(fā),芽表現(xiàn)為處理組MDA含量(14~21 d)高于對(duì)照組,與薯肉結(jié)果不同。
馬鈴薯解除休眠后,各種代謝活動(dòng)加強(qiáng),薯肉作為能量來(lái)源,其中的大分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降解作為代謝和能源物質(zhì),供給芽生長(zhǎng)發(fā)育??扇苄缘鞍资邱R鈴薯薯肉的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),被消耗用于芽生長(zhǎng)發(fā)育,因此隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)其含量持續(xù)降低[32]??扇苄缘鞍缀扛叩驮谝欢ǔ潭壬戏从呈砣馍顒?dòng)的強(qiáng)弱,其含量低表明薯肉中蛋白質(zhì)被大量消耗用于芽生長(zhǎng)。馬鈴薯貯藏期間薯肉可溶性蛋白含量呈下降趨勢(shì),在28 d時(shí),精油高濃度、低濃度、正常處理與初始相比下降了22.98%、9.73%和38.23%,表明油樟精油能夠抑制馬鈴薯薯肉中可溶性蛋白含量下降,芽的萌發(fā)受抑制程度高??傔€原糖為馬鈴薯生長(zhǎng)的主要供能物質(zhì),油樟精油可能抑制了總還原糖含量下降,降低馬鈴薯代謝強(qiáng)度,從而抑制芽生長(zhǎng)發(fā)育。此外,貯藏期間馬鈴薯薯肉細(xì)胞積累還原糖以提高抗逆性,其含量越高越利于延長(zhǎng)貯藏時(shí)間[38]。馬鈴薯薯肉還原糖的利用程度與芽的萌發(fā)呈正相關(guān)性:芽生長(zhǎng)越旺盛,發(fā)芽指數(shù)越高,馬鈴薯薯肉總還原糖下降越快,含量越低[29]。說(shuō)明油樟精油可以抑制還原糖的利用,進(jìn)而抑制芽生長(zhǎng)發(fā)育,前期H組效果好,后期L組效果更佳。