陳熙,蘇宇萌,郭家如,趙迎麗,楊志國,杜培兵,白小東,王亮*

1(山西農(nóng)業(yè)大學 食品科學與工程學院,山西 太原,030031)

2(山西農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院,山西 太谷,030801)

3(山西農(nóng)業(yè)大學高寒區(qū)作物研究所,山西 大同,037008)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.),別名洋山芋、洋芋頭、土豆等,屬茄科,一年生草本植物,馬鈴薯具有較高的產(chǎn)量和營養(yǎng)價值,已成為繼水稻、小麥、玉米后的全球第四大糧食作物。我國社會目前正處于營養(yǎng)健康轉(zhuǎn)變的發(fā)展階段,馬鈴薯主糧化是改善居民膳食營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵舉措[1]。2015年,我國提出馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略,標志著我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)已進入跨越式發(fā)展的新階段。2021年,我國馬鈴薯種植面積為545.61萬 hm2,馬鈴薯產(chǎn)量為12 200萬 t,種植面積和產(chǎn)量已達世界第一[2]。

馬鈴薯在采后貯藏過程中會出現(xiàn)失重、腐爛、發(fā)芽及生理病害等各種問題,這嚴重影響了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)鏈的延伸和產(chǎn)品附加值的提升,所以高品質(zhì)貯藏馬鈴薯一直是采后處理技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。馬鈴薯與其他作物產(chǎn)品相比貯藏難度更大,因其有水分含量大、代謝旺盛的特點,貯藏溫度過高極易出現(xiàn)失水、腐爛、發(fā)芽、營養(yǎng)物質(zhì)消耗過快、品質(zhì)劣變迅速等現(xiàn)象[3];而溫度過低則會引起馬鈴薯塊莖淀粉向可溶性糖轉(zhuǎn)化,發(fā)生“低溫糖化”現(xiàn)象,也容易引起塊莖生理代謝失調(diào)和腐爛發(fā)生,因此適宜的貯藏溫度是維持馬鈴薯采后貯藏品質(zhì)的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn),果蔬采后貯藏品質(zhì)與能量代謝也密切相關(guān),能量代謝是維持植物生理活動的重要代謝途徑,王靜等[4]認為能量虧缺會導致果蔬采后組織衰老,表現(xiàn)為呼吸代謝異常、活性氧代謝失調(diào)、細胞膜系統(tǒng)傷害等。目前我國對馬鈴薯的研究仍以采后生理、品質(zhì)變化為主[5],對貯藏期間馬鈴薯能量代謝與貯藏品質(zhì)的相關(guān)性研究較少。本文研究比較了不同貯藏溫度下馬鈴薯生理、品質(zhì)變化與能量代謝相關(guān)酶及產(chǎn)物的內(nèi)在聯(lián)系,以期從能量代謝的角度出發(fā)揭示馬鈴薯品質(zhì)劣變規(guī)律,為馬鈴薯采后貯藏技術(shù)的提升提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗用“青薯9號”馬鈴薯采自山西農(nóng)業(yè)大學(山西省農(nóng)科院)高寒區(qū)作物研究所毛皂試驗基地,于13～18 ℃避光通風條件下愈傷10 d,隨后選擇成熟度一致、大小形狀基本均一、無病蟲害、無機械傷、無裂皮、不發(fā)青的塊莖。

三羥甲基氨基甲烷[Tris(hydroxymethyl)aminomethane,Tris]、聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone,PVP)、無機磷試劑盒、琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase,SDH)試劑盒、考馬斯亮藍、牛血清蛋白、細胞色素C氧化酶(cytochrome C oxidase,CCO),北京索萊寶公司;硫酸鎂(Mg2SO4)、氯化鉀(KCl)、硝酸鈉(NaNO3)、硝酸鉀(KNO3),天津市凱通化學試劑有限公司;D-甘露醇、釩酸鈉(Na3VO4)、對苯二胺、磷酸氫二鉀(K2HPO4)、磷酸二氫鉀(KH2PO4),麥克林公司;鉬酸銨、乙二胺四乙酸(EDTA),天津市風船化學試劑科技有限公司;蔗糖、三氯乙酸,購于天津市光復科技發(fā)展有限公司;ATP、ADP、AMP標準品、甲醇,Sigma公司。

1.2 儀器及設(shè)備

1260高效液相色譜儀(配有四元泵、二極管陣列檢測器),美國安捷倫公司;Allegra X-30R冷凍高速離心機,貝克曼庫爾特有限公司;Ultrospec 2000紫外分光光度計,美國Pharmacia Biotech公司;PHS-25 pH計,上海雷磁有限公司;Ming-Ch24uv超純水機,默克密理博公司;HHS電熱恒溫水浴鍋,上海博訊實業(yè)有限公司;Texture Analyser XTplus,英國Stable Micro Systems公司;F-900 Portable Ethylene Analyzer,美國Felix公司。

1.3 實驗方法

分別于0 ℃、4 ℃和20 ℃(相對濕度85%～90%)條件下進行貯藏試驗,每個處理3次重復。在第0、7、14、28、56、84、112、140、168天時進行相關(guān)指標的測定。

1.4 分析方法

1.4.1 馬鈴薯莖肉硬度及呼吸強度測定

使用質(zhì)構(gòu)儀在馬鈴薯赤道兩面平坦處進行莖肉硬度測定。參數(shù)設(shè)置為:測試前速度2 mm/s,測試中速度為1 mm/s,測試后速度為10 mm/s,穿刺深度為10 mm,觸發(fā)力為5 g。

將1 kg馬鈴薯置于5.5 L改良樂扣箱中于試驗溫度下密封1 h后使用F-900 Portable Ethylene Analyzer 測定馬鈴薯呼吸強度,設(shè)定連續(xù)模式,流速180 mL/min。

1.4.2 馬鈴薯發(fā)芽率及發(fā)芽級數(shù)測定

選擇54個馬鈴薯,芽長超過2 mm時即為發(fā)芽,發(fā)芽率計算如公式(1)[6]所示:

(1)

選擇固定的54個馬鈴薯進行發(fā)芽級數(shù)測定,計算如公式(2)[7]所示,判別標準見表1。

表1 個體發(fā)芽級數(shù)

(2)

1.4.3 馬鈴薯中可溶性糖含量測定

馬鈴薯中可溶性糖利用高效液相色譜法測定,參照楊志國等[8]的方法。

色譜條件:流動相為乙腈與超純水(體積比為75∶25),流速0.6 mL/min;柱溫35 ℃,示差檢測器。

樣品處理:稱取2 g馬鈴薯樣品置于50 mL離心管中,加入10 mL超純水后超聲提取30 min,然后在10 000 r/min的條件下離心20 min,取上清液后在殘渣中繼續(xù)加入10 mL超純水重復上述超聲、離心步驟,最后合并上清液定容于25 mL容量瓶中,經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后待測。

1.4.4 ATP、ADP、AMP含量及能荷測定

馬鈴薯中ATP、ADP、AMP的提取和測定參考張曉寒[9]和劉晶[10]的方法略作修改。精確稱取2 g經(jīng)液氮冷凍研磨的馬鈴薯樣品置于50 mL離心管中,加入6 mL 0.6 moL/L高氯酸提取液靜置20 min,然后用0.1 moL/L氫氧化鉀(KOH)溶液調(diào)節(jié)pH值至6.5～6.8,靜置20 min。取上清液,在4 ℃、10 000 r/min的條件下離心15 min,經(jīng)0.45 μm水系濾膜過濾后待測。

色譜條件:ZORBAX SB-C18色譜柱(4.6 mm×250 mm,5 μm),流動相A(0.06 mol/L磷酸氫二鉀與0.04 mol/L磷酸二氫鉀),pH 7.0,流動相B為甲醇,柱溫35 ℃,檢測波長254 nm,進樣量20 μL,流速0.9 mL/min,梯度洗脫,洗脫比例見表2。根據(jù)標準品的出峰時間對樣品中ATP、ADP、AMP定性,通過外標法對這3種物質(zhì)進行定量分析,能荷計算如公式(3)[11]所示:

(3)

表2 能量測定梯度洗脫比例

1.4.5 馬鈴薯線粒體提取

馬鈴薯樣品中線粒體提取參照張群[12]的方法。準確稱取經(jīng)液氮冷凍后研磨成粉末的馬鈴薯樣品10 g于50 mL離心管中,加入25 mL提前在4 ℃冰箱中預冷好的50 mmol/L的Tris-HCL提取液(pH 7.5,內(nèi)含0.25 mol/L蔗糖,0.3 moL/L甘露醇,1 mmol/L EDTA,0.5% PVP),后將其放在4 ℃冰箱中靜置15 min,然后用5層紗布過濾并轉(zhuǎn)移到50 mL離心管中,在4 ℃、10 000 r/min的條件下離心20 min,棄去上清液,向沉淀中加入5 mL洗滌液(10 mmol/L Tris-HCL,pH 7.2,內(nèi)含0.25 mol/L蔗糖,0.3 mol/L甘露醇,1 mmol/L EDTA),在上述離心條件下再次離心后棄去上清液,向最終的沉淀中加入2 mL洗滌液(10 mmol/L Tris-HCL)即得到線粒體粗提液。

1.4.6 線粒體中H+-ATPase與Ca2+-ATPase酶測定

線粒體中H+-ATPase與Ca2+-ATPase酶活力測定參照張群[13]和趙穎穎等[14]的方法。吸取0.1 mL線粒體制備液向其中加入0.7 mL緩沖液(30 mmol/L pH 7.2的Tris-HCL溶液,內(nèi)含3 mmol/L硫酸鎂,50 mmol/L硝酸鈉,0.1 mmol/L釩酸鈉,0.1 mmol/L鉬酸銨,50 mmol/L氯化鉀),混勻后再向其中加入0.1 mL 反應(yīng)啟動溶液(pH為8.0的30 mmol/L ATP-Tris溶液),然后將其放入37 ℃的恒溫水浴鍋中20 min,之后迅速向其中加入0.1 mL質(zhì)量分數(shù)為55%的三氯乙酸溶液使其停止反應(yīng)。反應(yīng)釋放的無機磷含量用無機磷試劑盒測定。以無機磷含量表示H+-ATPase活力(μmol/g)。

Ca2+-ATPase酶活力以是否添加3 mmol/L硝酸鈣Ca(NO3)2引起的酶活力之差表示。步驟同H+-ATPase活性測定一致。

1.4.7 SDH活力測定

琥珀酸脫氫酶活力測定參照JIN等[15]的方法,以每克組織在反應(yīng)體系中每分鐘消耗1 nmoL 2,6-二氯酚靛酚定義為一個酶活力單位U,SDH活力以U/g表示。

1.4.8 CCO活力測定

線粒體中CCO活力測定參照陳京京等[16]的方法。吸取0.1 mL線粒體粗提液向其中加入0.5 mL 0.04%細胞色素C水溶液和2 mL蒸餾水,在37 ℃的水浴鍋中放置2 min,再向其中加入0.5 mL 0.4%的對苯二胺溶液混勻后再次放到37 ℃恒溫水浴鍋中反應(yīng)10 min至出現(xiàn)紅色,在510 nm下測定其吸光度值,每克鮮重每分鐘變化0.01為一個酶活力單位U,CCO活力以U/g表示。

1.5 數(shù)據(jù)處理

每個指標測定3次,取其平均值作為實驗數(shù)據(jù)。利用軟件Origin 2019對文章中圖表進行繪制,使用SPSS軟件進行差異性分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 貯藏過程中馬鈴薯莖肉硬度及呼吸強度變化

馬鈴薯莖肉硬度是衡量馬鈴薯貯藏品質(zhì)的一個重要標準。由圖1-a可知,3個貯藏溫度下馬鈴薯莖肉硬度在貯藏過程中均呈下降趨勢,0 ℃和4 ℃處理的馬鈴薯莖肉硬度下降幅度顯著低于20 ℃處理的馬鈴薯,貯藏168 d,20 ℃處理的馬鈴薯莖肉硬度下降最明顯,由初始的4 378.90 g/cm2下降至2 335.47 g/cm2,下降了46.66%,而0 ℃和4 ℃分別下降了18.23%和17.81%;貯藏28 d后,4 ℃處理的馬鈴薯莖肉硬度始終高于0 ℃,說明適宜的低溫(4 ℃)可有效減緩馬鈴薯貯藏過程中莖肉硬度的下降速率,從而較好地維持馬鈴薯的貯藏品質(zhì)。

a-莖肉硬度;b-呼吸強度

呼吸強度也是反映馬鈴薯貯藏效果的重要指標之一,呼吸強度的上升不僅說明馬鈴薯塊莖代謝速率加快,還加速了營養(yǎng)物質(zhì)的消耗,導致馬鈴薯品質(zhì)下降。從圖1-b可知,4 ℃處理的馬鈴薯塊莖始終保持著較低的呼吸強度,且趨勢平穩(wěn),始終低于0 ℃和20 ℃處理,有效抑制塊莖內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的損失。貯藏28 d時,0 ℃處理的馬鈴薯塊莖呼吸強度出現(xiàn)最大值,較初始值上升了25.58%,這可能與馬鈴薯抵御低溫脅迫,增加能量消耗有關(guān);56 d前后20 ℃處理的馬鈴薯塊莖呼吸強度呈先緩慢降低后快速上升趨勢。貯藏至84 d后,不同處理間馬鈴薯塊莖呼吸強度呈極顯著差異,從高到底依次為:20 ℃處理>0 ℃處理>4 ℃處理(P<0.01)。說明4 ℃貯藏條件可有效降低馬鈴薯塊莖的呼吸強度,塊莖代謝速率維持較低水平,有利于塊莖貯藏期的延長。

2.2 貯藏過程中馬鈴薯發(fā)芽率及發(fā)芽級數(shù)變化

馬鈴薯發(fā)芽后不僅影響感官品質(zhì),還會產(chǎn)生有毒物質(zhì)龍葵素,因此在貯藏過程應(yīng)防止馬鈴薯塊莖發(fā)芽帶來的商品價值降低。由圖2-a可知,0 ℃處理的馬鈴薯塊莖始終未發(fā)芽;貯藏至112 d時,4 ℃處理的馬鈴薯塊莖結(jié)束休眠進入萌發(fā)期,貯藏168 d時塊莖發(fā)芽率高達25.15%,說明4 ℃低溫僅延長了馬鈴薯塊莖的休眠期,并不影響塊莖正常發(fā)芽。20 ℃處理的馬鈴薯貯藏初期就開始發(fā)芽,84 d時所有塊莖全部發(fā)芽,極顯著高于其他兩處理組(P<0.01)?？梢?低溫是抑制馬鈴薯塊莖的萌發(fā)的關(guān)鍵因素。發(fā)芽級數(shù)與發(fā)芽率趨勢變化規(guī)律基本一致(圖2-b),貯藏結(jié)束時,20 ℃處理的馬鈴薯發(fā)芽級數(shù)出現(xiàn)下降,這可能是馬鈴薯側(cè)芽生長受抑制的結(jié)果。

2.3 貯藏過程中馬鈴薯發(fā)芽狀況比較

馬鈴薯塊莖發(fā)芽時會引起塊莖中水分和營養(yǎng)物質(zhì)的消耗,使馬鈴薯塊莖表面皺縮,嚴重影響感官品質(zhì)與商品價值。從圖3中可看出,20 ℃處理中馬鈴薯塊莖較早出現(xiàn)明顯的發(fā)芽現(xiàn)象,在貯藏112 d,馬鈴薯塊莖發(fā)芽、表面皺縮嚴重,完全失去商品價值。與之相對,0 ℃和4 ℃處理可有效抑制馬鈴薯塊莖的發(fā)芽,但在貯藏168 d時,0 ℃處理的馬鈴薯外觀新鮮度明顯低于4 ℃處理,且馬鈴薯表面已出現(xiàn)凹陷褐斑,可能與過低的貯藏溫度引起的代謝失調(diào),發(fā)生冷害有關(guān)?？梢?4 ℃的貯藏溫度是維持馬鈴薯營養(yǎng)和外觀品質(zhì)的適宜條件。

圖3 貯藏過程中馬鈴薯發(fā)芽狀況比較

2.4 貯藏過程中馬鈴薯可溶性糖的變化

從表3中可以看出,馬鈴薯的可溶性糖以果糖、葡萄糖、蔗糖為主。貯藏期間,0 ℃和4 ℃處理的馬鈴薯果糖和葡萄糖含量呈上升趨勢,20 ℃處理呈先降后升趨勢,貯藏140 d時,20 ℃處理的馬鈴薯果糖和葡萄糖含量出現(xiàn)最大值,較初始值分別升高了97.86%和164.45%,且20 ℃處理的馬鈴薯在整個貯藏過程中可溶性糖含量均顯著低于0 ℃和4 ℃處理的馬鈴薯,這可能是由于在較高溫度下馬鈴薯塊莖生理代謝旺盛,加速了可溶性糖的降解。貯藏28 d后,馬鈴薯塊莖中果糖、葡萄糖、蔗糖含量從高到低依次為:0 ℃處理>4 ℃處理>20 ℃處理(P<0.05),總糖含量與之相似。

表3 貯藏過程中馬鈴薯可溶性糖含量變化 單位:g/kg

此外,研究發(fā)現(xiàn)麥芽糖只在貯藏112 d后的4 ℃和20 ℃處理中出現(xiàn),這可能與塊莖進入萌發(fā)期有關(guān)。在貯藏28 d后,0 ℃處理的馬鈴薯可溶性糖含量顯著高于其他兩組,明顯出現(xiàn)“低溫糖化”現(xiàn)象,這可能是一種馬鈴薯塊莖自我保護機制,為抵御外界低溫脅迫塊莖內(nèi)淀粉轉(zhuǎn)化為可溶性糖,從而增加組織內(nèi)可溶性糖含量,避免冷害和凍害的發(fā)生。因此,在4 ℃條件下更有利于馬鈴薯塊莖的貯藏,該溫度既不會導致可溶性糖消耗過快,也不會發(fā)生明顯的低溫糖化效應(yīng)。

2.5 ATP、ADP、AMP標準品與馬鈴薯樣品高效液相色譜圖分析

將ATP、AMP、ADP的混合標準溶液及1.3.4節(jié)中制備好的馬鈴薯樣品溶液注入高效液相色譜儀中進行分析,得到標準品及馬鈴薯樣品高效液相色譜圖(圖4、圖5)。

圖4 ATP、ADP、AMP標準品高效液相色譜圖

圖5 馬鈴薯樣品高效液相色譜圖

從圖4和圖5中可以看出,在該色譜條件下ATP、ADP、AMP均得到良好的分離,標準品中ATP、ADP、AMP的出峰時間為3.784、4.109和4.588 min,而馬鈴薯樣品中ATP、ADP、AMP的出峰時間為3.801、4.216和4.590 min,樣品出峰時間較標品略晚,但基本保持一致,說明利用該條件對樣品中ATP、ADP、AMP含量進行測定的方法可行。

2.6 貯藏過程中馬鈴薯ATP、ADP、AMP含量及能荷變化

ATP主要分布在線粒體、葉綠體和細胞質(zhì)基質(zhì)中,是代謝調(diào)節(jié)的主要能量來源。同時ATP在能量代謝中也起著核心作用,生物體合成代謝和分解代謝都需要ATP的參與。從圖6-a中可以看出,馬鈴薯塊莖中ATP含量呈先上升后下降趨勢。貯藏0～56 d,20 ℃處理條件下馬鈴薯塊莖中ATP含量顯著高于0 ℃和4 ℃處理(P<0.05);貯藏168 d時,ATP含量從高到低依次為:4 ℃處理>0 ℃處理>20 ℃處理。20 ℃處理的馬鈴薯在貯藏28 d后便出現(xiàn)ATP含量急劇下降的現(xiàn)象,這說明馬鈴薯塊莖在貯藏28 d后細胞開始出現(xiàn)衰老情況,細胞衰老時線粒體功能會出現(xiàn)失調(diào)現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為氧化磷酸化反應(yīng)減少,ATP生成總量減少。而4 ℃貯藏溫度可保持馬鈴薯細胞在整個貯藏過程中保持較高水平的ATP含量,較高水平的ATP含量可保持植物細胞膜的完整性,延緩馬鈴薯衰老進程。

a-ATP含量;b-ADP含量;c-AMP含量;d-能荷

由圖6-b可知,馬鈴薯塊莖中ADP含量呈先上升后下降趨勢,貯藏56～168 d,20 ℃處理的馬鈴薯塊莖中ADP含量顯著低于其他兩處理組(P<0.05)。馬鈴薯塊莖中的AMP含量大體呈上升趨勢(圖6-c),貯藏84 d前,4 ℃處理AMP含量顯著低于0 ℃和20 ℃處理(P<0.05),在整個貯藏過程中AMP含量上升順序依次為:20 ℃處理>0 ℃處理>4 ℃處理,說明4 ℃貯藏溫度可有效抑制馬鈴薯塊莖AMP含量的上升及ADP含量的下降。

保持較高能荷水平對維持果蔬細胞膜完整性、減緩組織衰老并增強其抗病性具有積極作用。從圖6-d中可以看出,在整個貯藏過程中馬鈴薯塊莖中的能荷呈先上升后下降的趨勢,20 ℃處理的馬鈴薯塊莖在貯藏56 d后能荷值快速下降,說明馬鈴薯塊莖中能量出現(xiàn)虧損現(xiàn)象,馬鈴薯開始衰老,從圖6可以看出能荷下降速率依次為:20 ℃處理>0 ℃處理>4 ℃處理,說明4 ℃貯藏溫度可維持較高的能荷水平和能荷穩(wěn)定性。

2.7 貯藏過程中馬鈴薯H+-ATPase和Ca2+-ATPase活力的變化

H+-ATPase是植物中的質(zhì)子泵,泵出H+從而在膜內(nèi)外建立起了用于營養(yǎng)轉(zhuǎn)運的電化學梯度,從而催化ATP的生成,維持細胞質(zhì)相對穩(wěn)定的pH。由圖7-a可知,馬鈴薯塊莖的H+-ATPase活力在貯藏28 d后整體呈下降趨勢。且4 ℃處理的馬鈴薯塊莖在貯藏28 d后H+-ATPase活力顯著高于其他兩組處理,說明4 ℃可有效保持H+-ATPase在貯藏過程中的活力。H+-ATPase活力的大小與線粒體功能密切相關(guān),若H+-ATPase活力較低則會影響馬鈴薯塊莖中ATP生成速率,造成細胞內(nèi)能量合成不足從而加速馬鈴薯塊莖的衰老。

a-H+-ATPase活力變化;b-Ca2+-ATPase活力變化

Ca2+-ATPase是細胞器膜上的鈣離子泵,是維持細胞穩(wěn)態(tài)的重要機制之一,其作用是將植物細胞質(zhì)內(nèi)的鈣離子運送到線粒體內(nèi)參與線粒體中的各種調(diào)節(jié)。當Ca2+-ATPase酶活力太低時,細胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+濃度便會升高,而線粒體內(nèi)Ca2+濃度便會降低,從而導致線粒體功能受損,細胞衰老進程加快。從圖7-b中可看出在貯藏28 d后4 ℃處理的馬鈴薯塊莖中Ca2+-ATPase活力高于其他兩組,且20 ℃處理的馬鈴薯塊莖Ca2+-ATPase活力在整個貯藏過程中下降速率最快,與初始值相比下降了58.90%,貯藏結(jié)束時,0 ℃、4 ℃和20 ℃條件下Ca2+-ATPase活力依次為:0.51、0.56和0.30 μmol/g。這表明4 ℃貯藏可提高貯藏過程中(28～168 d)的Ca2+-ATPase活性,減少馬鈴薯塊莖的衰老。

2.8 貯藏過程中馬鈴薯SDH和CCO活力變化

SDH是三羧酸循環(huán)中的關(guān)鍵酶,可催化琥珀酸脫氫轉(zhuǎn)化成延胡素酸,脫下的H+最后會生成ATP,為生命活動提供能量。SDH活力的高低直接影響ATP的生成。由圖8-a可知,0 ℃處理下的馬鈴薯塊莖中SDH活力在14 d時出現(xiàn)最低值,為21.24 U/g;20 ℃和4 ℃處理在7 d和14 d時出現(xiàn)最高值,分別為50.20 U/g和44.67 U/g,說明貯藏初期SDH活力隨貯藏溫度的升高呈上升趨勢。而貯藏56 d后,各處理中SDH活力變化趨于平緩,但處理之間差異顯著(P<0.05),由高到低排列為:4 ℃處理>0 ℃處理>20 ℃處理。可見,適宜的低溫(4 ℃)可有效維持貯藏中后期馬鈴薯塊莖中SDH高活力。

a-SDH活力;b-CCO活力

CCO是線粒體電子傳遞鏈末端氧化酶,其作用是為氧化磷酸化提供能量,它可以將電子傳遞給O2,若CCO活力降低或缺失,將會中斷線粒體呼吸鏈電子的傳遞,從而減少ATP的生成,ATP減少會造成細胞能量的虧損導致細胞死亡。圖8-b中顯示,總體上馬鈴薯塊莖中CCO活力隨著貯藏時間的延長呈緩慢下降趨勢,20 ℃處理的馬鈴薯塊莖CCO活力下降速率最快,下降了56.14%,而4 ℃處理的下降速率最慢,下降了34.96%。貯藏至168 d時,0 ℃、4 ℃和20 ℃處理CCO活力分別為11.85、15.05、10.15 U/g?？梢?4 ℃貯藏條件可更好地維持了貯藏過程中馬鈴薯塊莖內(nèi)CCO高活力,有利于ATP的生成。

2.9 能量水平與相關(guān)酶活力及主要生理指標之間的相關(guān)性分析

由表4可以看出,ADP含量、能荷及H+-ATPase酶活力與ATP含量均呈極顯著正相關(guān)(r=0.965**,r=0.898**,r=0.811**),Ca2+-ATPase酶活力與ATP含量呈顯著相關(guān)性(r=0.681*);ADP含量與能荷呈極顯著正相關(guān)(r=0.842**),與H+-ATPase及Ca2+-ATPase酶活力顯著相關(guān)(r=0.732*,r=0.692*);AMP含量與CCO酶活力呈極顯著負相關(guān)(r=-0.864**);而能荷與H+-ATPase酶活力呈極顯著正相關(guān)(r=0.967**)。說明馬鈴薯塊莖組織能量水平的高低與相關(guān)酶(H+-ATPase、Ca2+-ATPase及CCO)活力關(guān)系密切,相關(guān)酶活力降低將會使細胞能量供應(yīng)不足,從而引起細胞膜系統(tǒng)的破壞,導致植物細胞衰老。

表4 能量水平與相關(guān)酶活力的相關(guān)性分析

由表5可知,ATP含量與可溶性糖含量呈極顯著負相關(guān)(r=-809**),與呼吸強度呈顯著負相關(guān)(r=-0.667*);ADP含量與可溶性糖之間呈極顯著正相關(guān)(r=0.835**);AMP含量與果實硬度呈極顯著負相關(guān)(r=-0.961**),與呼吸強度呈顯著負相關(guān)(r=-0.790*);果實硬度與呼吸強度之間呈極顯著正相關(guān)(r=0.871**),與可溶性糖之間呈顯著負相關(guān)(r=-0.782*);呼吸強度與可溶性糖之間呈極顯著負相關(guān)(r=-0.872**)。說明馬鈴薯塊莖在貯藏過程中的能量變化與質(zhì)量品質(zhì)之間存在一定的相關(guān)性,馬鈴薯細胞中能量水平的高低會直接影響塊莖品質(zhì)。

表5 能量水平與主要生理指標的相關(guān)性分析

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn),4 ℃貯藏條件可有效抑制貯藏過程馬鈴薯呼吸代謝水平,減緩了馬鈴薯貯藏過程中莖肉硬度的下降速率,較好地維持馬鈴薯的貯藏品質(zhì)。而0 ℃處理雖然抑芽效果明顯,但馬鈴薯塊莖呼吸代謝水平高于4 ℃處理,并出現(xiàn)生理代謝失調(diào),表皮出現(xiàn)明顯凹陷褐斑,有明顯冷害跡象。20 ℃處理的馬鈴薯塊莖呼吸強度在貯藏84 d后明顯升高,加快了馬鈴薯代謝底物的消耗從而導致馬鈴薯衰老[17],導致貯藏結(jié)束時塊莖發(fā)芽、失水皺縮嚴重,完全喪失食用和商品價值。筆者所在研究團隊在前期研究過程中已經(jīng)對不同溫度下馬鈴薯塊莖的相關(guān)生理變化進行研究[3],在4～5 ℃、10～12 ℃和15～18 ℃貯藏溫度下,馬鈴薯塊莖隨貯藏溫度的上升,塊莖的呼吸強度、失重率、腐爛率以及發(fā)芽率也呈上升趨勢,與本試驗中20 ℃溫度條件下的生理及品質(zhì)變化規(guī)律相似。低溫貯藏馬鈴薯塊莖在貯藏前期總糖含量顯著上升,且0 ℃處理總糖含量顯著高于4 ℃處理,這與姚桂枝[18]的研究結(jié)果相似,說明0 ℃低溫條件對馬鈴薯塊莖形成脅迫,加速了淀粉的分解,使大量淀粉轉(zhuǎn)化為蔗糖,進一步分解為果糖和葡萄糖,最終導致“低溫糖化”現(xiàn)象[19],并且隨溫度下降 “低溫糖化”呈加重趨勢,這可能與馬鈴薯塊莖組織通過提高組織內(nèi)液體含糖量對抗低溫脅迫的自我保護機制有關(guān)。此外,本研究還在貯藏112 d后4 ℃和20 ℃處理的馬鈴薯塊莖中檢測出麥芽糖;而0 ℃處理塊莖中始終未檢測出麥芽糖,這可能與貯藏后期4 ℃和20 ℃處理的馬鈴薯進入萌發(fā)期有關(guān),其深層次原因還需進一步研究。能量對于果實貯藏期間細胞各項生理功能的維持具有極其重要的作用[20],能量供應(yīng)不足會導致細胞功能紊亂和代謝失調(diào)、細胞膜被破壞、功能喪失,同時導致防御系統(tǒng)無法清除多余的活性氧,進而加速果蔬衰老[21],并且保持較高的能量水平是植物細胞抵御外源微生物侵染的關(guān)鍵。可見,能量水平的高低也是評價果蔬耐貯性的重要指標之一。由于馬鈴薯塊莖也是其生殖器官,貯藏后期塊莖會進入萌發(fā)期,較之其他果蔬產(chǎn)品,其能量水平與能量代謝相關(guān)酶及貯藏品質(zhì)之間也呈現(xiàn)更加復雜的關(guān)系。本研究相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),能荷與ATP含量和ADP含量均呈極顯著正相關(guān)(r=0.898**,r=0.842**),說明馬鈴薯組織主要靠ATP和ADP供能。ATP含量與H+-ATPase、Ca2+-ATPase酶活力均呈正相關(guān)關(guān)系(r=0.811**,r=0.681*),并且ADP含量與H+-ATPase、Ca2+-ATPase酶活力也均呈正相關(guān)關(guān)系(r=0.732*,r=0.692*)說明,H+-ATPase和Ca2+-ATPase是馬鈴薯塊莖產(chǎn)生ATP和ADP的直接關(guān)鍵酶。AMP含量與CCO酶活力呈極顯著負相關(guān)(r=-0.864**),說明CCO酶活力的上升加速了AMP向ADP的轉(zhuǎn)化,從而降低了AMP的含量。ATP含量與可溶性糖含量呈極顯著負相關(guān)(r=-809**),與呼吸強度呈顯著負相關(guān)(r=-0.667*),說明ATP的產(chǎn)生需要消耗可溶性糖,并且ATP含量上升會抑制呼吸代謝速率;ADP含量與可溶性糖之間呈極顯著正相關(guān)(r=0.835**),可溶性糖含量上升會促進AMP向ADP轉(zhuǎn)化,促進ADP的上升;AMP含量與莖肉硬度與呼吸強度呈顯著負相關(guān)(r=-0.790*),呈極顯著負相關(guān)(r=-0.961**),說明AMP的積累是能量虧缺的表現(xiàn),塊莖的生理代謝受到抑制和貯藏品質(zhì)下降。

線粒體是生物能量代謝的主要細胞器,其中的H+-ATPase、Ca2+-ATPase、SDH、CCO是線粒體呼吸代謝的關(guān)鍵酶,其活力的高低與線粒體功能密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn),4 ℃處理可提高貯藏過程中馬鈴薯塊莖中H+-ATPase和Ca2+-ATPase活力,并有效維持貯藏過程中SDH和CCO的高活力,這有利于細胞中ATP的產(chǎn)生,避免細胞代謝能量虧缺發(fā)生,從而有效維持線粒體功能和膜完整性,并延緩細胞衰老[15,22-24]。這與王志華等[25]得出的適宜的低溫貯藏可有效提高蘋果中能荷水平的研究結(jié)果相似。與之相對,在0 ℃和20 ℃條件下,馬鈴薯塊莖中這些線粒體呼吸代謝的關(guān)鍵酶活力,出現(xiàn)不同程度的下降,會導致線粒體功能受損,從而使植物細胞能量合成受阻,造成細胞內(nèi)能量的虧缺,進而加速了塊莖細胞膜系統(tǒng)破壞,發(fā)生品質(zhì)劣變。

綜上所述,馬鈴薯塊莖組織能量水平的高低與相關(guān)酶(H+-ATPase、Ca2+-ATPase及CCO)活力關(guān)系密切,相關(guān)酶活力下降引起ATP、ADP含量下降,發(fā)生細胞代謝能量虧缺,從而引起其生理代謝失調(diào),加速了塊莖營養(yǎng)物質(zhì)的消耗和品質(zhì)劣變。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明,馬鈴薯塊莖組織能量水平的高低與相關(guān)酶(H+-ATPase、Ca2+-ATPase及CCO)活力關(guān)系密切,相關(guān)酶活力下降引起ATP、AMP含量下降,發(fā)生細胞代謝能量虧缺,從而引起其生理代謝失調(diào),加速了塊莖營養(yǎng)物質(zhì)的消耗和品質(zhì)劣變。適宜的低溫(4 ℃)條件下馬鈴薯塊莖中能量代謝相關(guān)酶(Ca2+-ATPase、H+-ATPase、CCO和SDH)均表現(xiàn)出較高的活力,保持較高的能荷、ATP含量和ADP含量,并能有效減緩馬鈴薯莖肉硬度的下降,抑制馬鈴薯塊莖萌發(fā),從而較好的維持馬鈴薯品質(zhì)。