研究论文：低温等离子体处理对小白杏细胞壁代谢及软化特性的影响

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研究论文：低温等离子体处理对小白杏细胞壁代谢及软化特性的影响

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网易

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小白杏（Prunus armeniaca L.）主要生长在中国西北地区，是中国最早栽培和食用的水果之一，因其皮薄、味道甜和营养价值丰富而备受喜爱。软化现象是水果和蔬菜收获后销售链中的主要品质问题之一，软化会导致果蔬的耐贮藏性降低、保质期缩短。近年来，非热食品处理技术包括低温等离子体（如介质阻挡低温等离子体（DBD））、脉冲光、紫外线辐射、脉冲电场等，引起了研究者的广泛关注。DBD处理是一种很有前途的非热技术，已被证明可用于实现食品微生物安全和保持果蔬品质。目前，DBD技术已在果蔬保鲜领域被广泛研究。

南京林业大学轻工与食品学院的潘越、李婷婷、吴彩娥采用新疆小白杏为实验材料，研究DBD处理对鲜杏细胞壁代谢、水分代谢和显微结构的影响，分析DBD处理控制杏果软化的调控机制，为DBD技术在杏果贮藏保鲜中的应用和完善提供依据。

1 DBD处理对小白杏硬度的影响

果实硬度在贮藏期间受果实软化的影响，会随着细胞壁的变化而降低。两个处理组的硬度在整个贮藏期内逐渐降低（图1）。刚采摘的小白杏硬度约为6.2 N，随着贮藏时间的延长，果实硬度逐渐降低，但处理组降低幅度显著低于对照组，尤其在贮藏末期，对照组果实发生严重的腐烂和软化，硬度急剧下降，而DBD组果实依然比较坚硬，贮藏42 d时对照组硬度降至1.9 N，比DBD组低29.6%。结果表明，适当条件的DBD处理可以有效抑制杏果软化。

2 DBD处理对小白杏质量损失率及水迁移情况的影响

果实中水分状态的变化可能导致新鲜产品发生巨大而显著的变化，并最终影响果实软化和贮藏质量，质量损失率是反映果实水分状态的指标之一。如图2所示，DBD处理组和对照组的果实在整个贮藏过程中质量损失率逐渐增加，但DBD处理的果实质量损失率低于对照组果实。贮藏14 d后，对照组样品的质量损失急剧增加，到第42天，其质量损失约为DBD处理组的2 倍。

核磁共振和核磁共振成像在测量植物细胞中处于不同结合状态的水的分布和比例方面具有独特的优势。核磁共振（NMR）是一种无损检测，通过记录弛豫时间（T2i）和其相应的水信号面积可以评估杏果内水分分布情况。因此，它已被广泛用于分析植物样品中的水分分布。核磁共振成像（NMRI）可以通过空间收集水的弛豫强度可视化水的分布，并生成2D或3D的图像，通过该图像可以描述整个样品内的水分含量差异。在本研究中，使用 1 H-NMRI鉴定了小白杏果实中果肉组织的形态学特征，使用NMRI获得杏果的横截面质子密度图像（图3）。杏果皮的 1 H-NMRI图像的像素强度值随着果实软化而降低。在贮藏初期，两组杏果肉组织NMRI像素值几乎均在40 000～50 000之间，到贮藏末期，对照组大部分果肉组织像素值降低至20 000左右，而DBD组大部分果肉组织像素值均无明显变化。

1H NMR质子信号可以反映整个杏样品组织中的含水量信息，通过NMR研究了新鲜杏果在贮藏开始（第0天）、贮藏中期（第21天）和贮藏结束（第42天）时的水分迁移状况。T2i弛豫曲线显示贮藏21 d后曲线发生了明显变化，表明随着贮藏时间的延长，杏果水分分布发生了变化（图4）。对照组的峰迁移变化幅度大于DBD处理组，表明贮藏期间对照组杏果水分迁移更明显，DBD处理有效缓解了杏果实中的水分迁移。在贮藏末期，对照组弛豫曲线的宽度显示出更宽的形状分布，这可能是由于贮藏末期对照组杏果的组织发生损伤导致杏果的微观结构更加不均匀，这为水质子群体创造了不均匀的环境。NMR实验显示，DBD处理削弱了杏果细胞间水分的扩散和迁移，从而减少了水分的损失。

3 DBD处理对小白杏细胞通透性、MDA和H2O2含量的影响

与贮藏0 d相比，两组杏果的细胞通透性、MDA和H2O2含量在贮藏过程中均有不同程度的增加（图5）。DBD处理组杏果的细胞通透性在贮藏第7天急剧增加，并高于对照组。然而，在贮藏14 d后，DBD组细胞通透性均低于对照组的水平，DBD处理组杏中的MDA和H2O2含量始终低于对照组，这表明DBD处理抑制了贮藏期间杏果细胞通透性、MDA含量和H2O2含量的增加。

4 DBD处理对小白杏细胞壁多糖含量的影响

两组杏果贮藏过程中细胞壁多糖的含量变化如图6所示。在贮藏过程中，对照组WSP含量总体呈现逐渐增加的趋势，DBD处理组WSP含量在整个贮藏期间均显著低于对照组。两组杏的WSP含量都有不同程度的增加，这可能是因为运输和贮存过程中搬运引起的振动破坏了杏果细胞，导致可溶性果胶含量增多。实验数据表明，DBD处理可以抑制杏中WSP含量的增加。

在贮藏过程中，DBD处理组的CSP、半纤维素和纤维素含量均呈现先增加后不同程度地减少的趋势，而对照组除CSP先增加后减少外，半纤维素和纤维素基本呈现逐渐减少的趋势，且在整个贮藏期间，对照组这3 种物质含量均低于DBD处理组。实验结果表明，DBD处理抑制了杏果中CSP、半纤维素和纤维素含量的下降。

5 DBD处理对小白杏细胞壁降解酶活性的影响

由图7可知，在对照组中，PG和CEL活性在贮藏后期持续增加，而在DBD处理组中，在贮藏第7天后它们的活性均显著低于对照组。两组杏果在贮藏过程中的PME和-Gal的活性变化相似，在贮藏第7天后，DBD处理组的酶活性均显著低于对照组。这表明在杏果贮藏过程中细胞壁降解酶的活性水平有很大变化，DBD处理减少了贮藏期间杏果的损伤，从而抑制了PG、CEL、PME和-Gal的活性。

6 DBD处理对小白杏细胞结构的影响

用透射电子显微镜观察杏果的细胞壁结构和细胞内物质。如图8所示，杏果肉的细胞壁只有初级壁，没有次级壁，两个相邻细胞的细胞壁由细胞间层连接。对照组杏果的细胞壁弯曲变形，部分细胞壁图像模糊，细胞间层已分解，明暗分区不明显，细胞呈现胶质液化，细胞壁之间形成中空空间，细胞之间的黏附丧失，大量细胞质和内含物消失，出现细胞质裂解及明显的质壁分离现象，细胞内液泡明显损坏。DBD处理组的杏果肉细胞壁结构仍然均匀完整。

实验结果表明，DBD处理可以减缓杏果硬度下降、降低采后杏膜脂质过氧化，缓解采后杏果丙二醛含量和膜透性的增加，保持杏果细胞膜的稳定性。这些结果表明，DBD处理延迟了采后杏果实的软化并调节细胞代谢。可能是DBD处理后产生的多种活性基团和粒子（如自由基、臭氧、自由电子、活性氧（active oxygen，ROS）等）会导致冲击能量的增加，从而增强了细胞壁对杏果运输和贮藏期间所受损伤的耐受性。这种高度穿透性的处理可能使得杏果实表皮成分发生变化，进而激活果实的内在保护机制，从而促进果实对运输损伤产生更高的抵抗力。

水分损失是影响杏品质劣化的主要内在因素。果实软化现象的出现与细胞壁活性有关，植物衰老的特点之一是细胞壁组成成分降解导致水分损失，并通过胞浆分离等现象损害表皮细胞、增加细胞内容物泄漏，导致杏果水分流失加速。在小白杏运输和贮藏期间，自由水的损失导致果实表面发生收缩，因而NMR实验观察到不均匀的水信号。对照组的水果发生水分损失，严重影响了它们的品质特性，而处理组杏果到贮藏末期依然保持饱满的水分状态，说明DBD处理可以维持杏果水分，减缓水分丧失。

在果实贮藏过程中，外界不良环境如高温、机械损伤和微生物侵染等逆境会对其造成胁迫作用，破坏果实细胞内的ROS代谢动态平衡，导致ROS积累过多，产生有毒有害的MDA，使细胞膜发生膜脂过氧化现象，加速细胞的衰老，加快果实的腐败变质。ROS对细胞引起的干扰可通过ROS清除酶系统清除，ROS清除酶系统主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD），其可直接清除细胞内产生的或外界进入细胞中的多余ROS，在先前的研究中已证实DBD处理可以有效激活小白杏SOD、CAT和POD活性，提高其抗氧化代谢能力。本实验显示，DBD处理可以减缓H2O2和MDA的积累，有效缓解采后小白杏细胞膜相对电导率的上升，维持正常的细胞膜通透性。可能是因为DBD处理时产生的活性物质诱导了SOD、CAT和POD的活力，调节杏果细胞内ROS浓度，从而激发了杏果组织中的抗氧化机制，抑制了杏果细胞膜的氧化损伤、延缓了采后杏果衰老和软化。

细胞壁多糖（果胶、纤维素和半纤维素）在果实软化方面发挥着重要作用。它们的聚合和溶解将导致细胞组织结构发生变化。果胶溶解后，在体外细胞壁材料吸胀实验中可以观察到明显的吸胀现象。许多研究分析了果实成熟和软化的过程，它与WSP含量的增加以及CSP含量的减少高度相关。果实软化过程中细胞壁成分降解的另一个原因是纤维素、半纤维素结构的松动。这些研究与本实验结果一致（图6），随着WSP含量的增加，杏果实软化，而CSP、纤维素和半纤维素含量逐渐降低。另一方面，果胶的降解增加了细胞壁交联网络的孔径，导致细胞壁膨胀，使底物更容易被酶接触。随着果实软化，各种细胞壁酶作用于果胶、纤维素等细胞壁组成物质，进一步改变其结构。参与这一过程的酶包括PG、CEL、PME和-Gal。这些酶可以作用于果胶主链、阿拉伯糖支链、半乳糖醛酸酯化基和半乳聚糖，分解细胞壁的结构，导致果实软化。在本研究中，与对照组相比，DBD处理降低了杏果细胞壁降解酶活性，并伴有更高的细胞壁多糖水平。细胞壁的超微结构变化会导致细胞组织功能减弱甚至丧失，这些变化会引起果实质地的变化，从而进一步加速细胞衰老和解体。杏果实硬度下降的主要原因之一是运输和贮藏中产生的损伤破坏了果实的细胞结构。细胞壁中的果胶、纤维素等多糖在细胞壁降解酶的作用下被大量水解，这导致细胞壁网络的解体，从而促进果实的软化。同时，这些损伤还会破坏细胞膜的结构并增加细胞膜的渗透性。本研究通过果肉细胞的超微结构研究了杏果软化的机理，透射电子显微镜结果表明，DBD处理抑制了细胞壁的松动和解聚，减少了细胞膜的破坏，有助于维持杏的细胞结构，这与果实硬度的变化相一致。