壳聚糖-纳米ZnO-褪黑素复合涂膜对黄瓜冷害的影响及其机制研究

黄瓜含水量高，代谢旺盛，且外皮极薄，在贮藏过程中极易失水萎蔫。低温在一定程度上可降低黄瓜的生理代谢，但黄瓜是冷敏性果实，低于7～10 ℃极易发生冷害[1]。我国北方冬天室外温度长期低于7 ℃，黄瓜采收后，贮运过程中长时间处于较低温度，容易诱发冷害[2]。冷害导致黄瓜抗病性和耐贮性下降，造成腐烂与品质劣变，严重制约黄瓜产业的发展。因此，寻求抑制冷害技术是黄瓜贮运物流的关键。

可食性涂膜保鲜技术是将可食性高分子涂布于果蔬表面，形成一层选择性透过薄膜，一方面可调节果蔬与外界气体交换，抑制呼吸和蒸腾作用，减少水分散失，延缓果实衰老；另一方面可保护果皮，减少机械损伤、阻止外界病原菌的侵染，防止果实腐烂[3]。壳聚糖又称聚氨基葡萄糖、脱乙酰甲壳素，是一种天然碱性阳离子多糖，因其具有无毒、抗菌性、抗氧化活性、生物相容性和生物降解性等优点，而广泛应用于砂糖橘[4]、长山药[5]、杏[6]等果蔬抑制冷害涂膜保鲜中。但单一壳聚糖涂膜在保湿性、机械强度、韧性等方面存在不足。添加纳米ZnO可改善壳聚糖薄膜阻隔性、力学性能及抗菌性能，目前在甜樱桃[7]、番石榴[8]涂膜保鲜方面均取得良好效果。褪黑素(N-acetyl-5-methoxytryptamine)是广泛存在于动植物体内的一类重要的色氨酸吲哚类化合物[9]。近年来，外源性褪黑素作为一种通用生物胺类激素和信号生物分子，在桃[10]、青椒[11]、番茄[12]果蔬保鲜中发挥抗冷害、抑制腐烂、保持感官和营养品质等作用。目前仅见壳聚糖[13]、褪黑素[14]对黄瓜单独抗冷害研究，而有关壳聚糖-纳米ZnO-褪黑素复合涂膜尚未见报道。因此，本试验研究壳聚糖-纳米ZnO、褪黑素及壳聚糖-纳米ZnO-褪黑素复合涂膜处理对黄瓜冷害、品质和抗氧化酶活性的影响，探讨其抗冷机理，以期为黄瓜贮运提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

“津研四号”黄瓜采自山西省运城市盐湖区蔬菜示范基地，采摘结束后1 h运回运城学院果蔬贮藏保鲜实验室。

褪黑素、NaH2PO4、Na2HPO4、硫代巴比妥酸、三氯乙酸、MgCl2、乙二胺四乙酸二钠、H2O2、氧化性谷胱甘肽、三氯乙酸、NaOH、氮蓝四唑等，上海源叶科技有限公司；食品级壳聚糖(脱乙酰度≥95%)，济南海德贝生物技术有限公司；食品级纳米ZnO(粒径50 nm)，青岛纳卡森锌业科技有限公司。

1.2 仪器与设备

TAI604型电子天平、UV-1800型紫外-可见分光光度计、TEL-7001型红外线CO2分析仪，上海精密仪器有限公司；GY-4数显式水果硬度计，浙江乐清艾德堡；DDS-307A电导率仪，上海雷磁；Sigma 315高速冷冻离心机，德国Sigma公司。

1.3 实验方法

选用瓜条饱满、顺直、粗细均匀(长为15～30 cm，直径为2.5～3.0 cm)、无机械伤和病虫害的留有1 cm果柄黄瓜为材料。将所选黄瓜随机分成4组(每组3个重复，每个重复150个果)，分别浸泡在蒸馏水(对照)、质量分数0.5%壳聚糖-0.05% ZnO(前期预试验基础上筛选)、100 μmol/L褪黑素(前期预试验基础上筛选)及复合涂膜溶液(0.5%壳聚糖-0.05% ZnO-100 μmol/L褪黑素)中3 min后取出，于10 ℃下风干，将黄瓜装于0.01 mm PE保鲜袋(含3%透气孔率，国家农产品保鲜工程中心)，每袋4个果实，平铺于塑料筐内，贮藏于(4±0.5) ℃，相对湿度90%～95%冷库中。

贮藏过程中，每隔3 d取5个果实用于呼吸速率、硬度、抗坏血酸含量和细胞膜透性测定，并取样保存于-80 ℃的超低温冰箱中，用于·O2-、H2O2、抗氧化酶活性和丙二醛(malondialdehyde，MDA)的测定。另有10个果实置于20 ℃ 3 d条件下用于冷害指数测定。贮藏结束时30个果实用于失重率、腐烂率和冷害率的计算。每个处理重复3次，整个试验重复2次。

1.4 测定指标

1.4.1 冷害指数和冷害率

冷害指数和冷害率均参考文献[15]方法，根据果实水渍状斑点和凹陷斑的面积，将冷害程度分为5级。0级，无冷害；1级(<25%)；2级(26%～50%)；3级(51%～75%)；4级(>75%)。

冷害指数和冷害率分别按公式(1)(2)计算：

冷害指数

(1)

冷害率

(2)

1.4.2 失重率和腐烂率测定

失重率参考文献[16]的方法，腐烂率参考陈镠等[7]的方法，失重率和腐烂率均以%表示，分别按公式(3)(4)计算。

失重率

(3)

腐烂率

(4)

1.4.3 呼吸速率测定

呼吸速率测定参照文献[17]方法测定，以CO2 mg/(kg·h)表示。

1.4.4 硬度和抗坏血酸含量测定

硬度测定参考文献[2]方法，采用GY-4数显式硬度计(探头直径10 mm，测定深度10 mm)测定，选果实中部去皮测果肉硬度，取平均值，以N表示。抗坏血酸含量测定采用文献[18]的方法，单位以mg/g表示。

1.4.5 MDA含量和细胞膜相对透性测定

MDA含量和细胞膜相对透性测定参照文献[19]方法，MDA含量以μmol/g表示，细胞膜相对透性以%表示。

1.4.6 ·O2-产生速率和H2O2含量测定

·O2-产生速率和H2O2含量参照文献[17]方法测定，·O2-产生速率以[NO2·-] μmol/(g FW·min)表示，H2O2含量以μmol/g FW表示。

1.4.7 抗氧化酶活性测定

超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)、过氧化氢酶(catalase，CAT)和谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase，GR)活性测定参照文献[20]的方法。

SOD活性以每小时抑制氮蓝四唑光化还原50%为1个酶活力单位，以U/(g·h)表示。APX活性以每克黄瓜肉290 nm处吸光度值1 min变化0.01为1个酶活力单位，以U/(g·min)表示。CAT活性以每克黄瓜肉240 nm处吸光度值1 min变化0.01为1个酶活力单位，以U/(g·min)表示。GR活性以每克黄瓜肉340 nm处吸光度值1 min变化0.01为1个酶活力单位，以U/(g·min)表示。

1.5 数据统计分析

试验数据统计分析采用SAS 8.0统计软件，结果用平均值±标准误(SE)表示，差异显著性检验采用最小显著极差法，差异显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 涂膜处理对黄瓜冷害指数和冷害率的影响

冷害指数是反映果蔬冷害发生严重程度的指标，而冷害率是反映果蔬冷害发生数量的指标。黄瓜主要冷害症状表现为表皮出现大小不一的凹陷斑，随后会出现水浸状斑点并逐渐增多，进而致病菌侵染冷害斑而出现腐烂，部分果实发出异味。由图1-a可知，黄瓜的冷害指数呈上升趋势，前期上升缓慢，中后期上升迅速。壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理均延缓了黄瓜冷害指数的上升，从冷藏第6天开始至贮藏结束与对照差异达显著水平(P<0.05)，贮藏15 d时冷害指数分别比对照降低8.1%、22.4%、22.9%。由图1-b可知，贮藏15 d时对照黄瓜的冷害率高达73.3%，壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜分别比对照显著降低19.9%、27.3%、33.9%(P<0.05)。其中复合涂膜处理冷害指数和冷害率最低，抑制黄瓜冷害效果最好。

a-冷害指数；b-冷害率
图1 不同涂膜处理对黄瓜冷害指数和冷害率的影响
Fig.1 Effect of different coating treatment on chilling injury of cucumber during storage

2.2 涂膜处理对黄瓜失重率和腐烂率的影响

由图2-a可知，贮藏15 d时对照黄瓜的失重率高达7.33%，壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜分别比对照显著降低36.8%、25.9%、44.3%(P<0.05)。

果蔬发生冷害后，其冷害部位容易遭受微生物侵染而导致腐烂。由图2-b可知，贮藏15 d时对照黄瓜的腐烂率高达51.3%，贮藏15 d时壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理分别比对照显著降低30.4%、29.3%、44.5%(P<0.05)。其中复合涂膜处理失重率和腐烂率最低。

a-失重率；b-腐烂率
图2 不同涂膜处理对黄瓜失重率和腐烂率的影响
Fig.2 Effect of different coating treatment on weight loss rate and decay rate of cucumber during storage

2.3 涂膜处理对黄瓜呼吸速率的影响

由图3可知，黄瓜呼吸速率在贮藏前期有个下降过程，可能是贮藏低温抑制呼吸代谢酶所致。在贮藏中期黄瓜呼吸速率迅速上升，后期呼吸速率变化则较为平缓。在贮藏中后期，壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理均抑制了黄瓜呼吸速率上升，从冷藏第6天开始至贮藏结束与对照差异达显著水平(P<0.05)。

图3 不同涂膜处理对黄瓜呼吸速率的影响
Fig.3 Effect of different coating treatment on respiration rate of cucumber during storage

2.4 涂膜处理对黄瓜硬度和抗坏血酸含量的影响

硬度和抗坏血酸含量是反映果蔬品质重要指标之一。由图4-a可知，黄瓜的硬度呈下降趋势，前期下降缓慢，中后期下降迅速。壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理均延缓了黄瓜硬度的下降，从冷藏第6天开始至贮藏结束与对照差异达显著水平(P<0.05)，贮藏15 d时硬度分别比对照提高5.3%、14.9%、22.1%。

a-硬度；b-抗坏血酸含量
图4 不同涂膜处理对黄瓜硬度和抗坏血酸含量的影响
Fig.4 Effect of different coating treatment on firmness and ascorbic acid content of cucumber during storage

由图4-b可知，黄瓜的抗坏血酸含量呈下降趋势，前期下降缓慢，中后期下降迅速。壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理均延缓了黄瓜抗坏血酸含量的下降，从冷藏第9天开始至贮藏结束与对照差异达显著水平(P<0.05)，贮藏15 d时抗坏血酸含量分别比对照提高3.9%、8%、13.5%。

2.5 涂膜处理对黄瓜抗氧化酶活性的影响

SOD是果蔬体内抗氧化系统的第一道防线，能够将·O2-歧化成H2O2，进而APX、CAT和GR将H2O2清除出去，维护活性氧代谢平衡，防止对细胞膜造成伤害。

由图5-a可知，黄瓜果实内的SOD活性初期呈上升趋势，随后呈下降趋势，壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理促进SOD活性上升并抑制其下降，保持较高的活性。第3天至贮藏结束其酶活性显著高于对照组(P<0.05)。

由图5-b可知，黄瓜果实的APX活性在贮藏过程中呈现先上升后下降的趋势。壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理促进APX活性上升并抑制其下降，第6天至贮藏结束其活性显著高于对照(P<0.05)。

由图5-c可知，黄瓜果实随着贮藏时间的延长CAT活性呈现先上升后下降的趋势。壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理保持较高CAT活性，第3天至贮藏结束与对照差异达显著水平(P<0.05)。

由图5-d可知，黄瓜果实在贮藏期间随时间的延长GR活性呈先上升后下降趋势。壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理保持较高的酶活性，第6天至贮藏结束与对照差异达显著水平(P<0.05)。

a-SOD活性；b-APX活性；c-CAT活性；d-GR活性
图5 不同涂膜处理对黄瓜抗氧化酶活性的影响
Fig.5 Effect of different coating treatment on antioxidant enzymes activity of cucumber during storage

2.6 涂膜处理对黄瓜·O2-生成速率和H2O2含量的影响

在正常条件下，果蔬活性氧的产生与清除系统处于动态平衡，不会伤害细胞。但当遭受低温冷害时，这种平衡就会被打破，活性氧浓度超过了伤害“阙值”，从而使细胞的正常代谢不能顺利进行。由图6-a可知，黄瓜果实的·O2-生成速率呈上升趋势，前期上升缓慢，中后期上升迅速。壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理抑制·O2-的上升，第6天至贮藏结束与对照差异达显著水平(P<0.05)。

由图6-b可知，黄瓜果实的H2O2含量呈上升趋势，前期上升缓慢，中后期上升迅速。壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理抑制H2O2含量上升，第6天至贮藏结束与对照差异达显著水平(P<0.05)。

a-·O2-生产速率；b-H2O2含量
图6 不同涂膜处理对黄瓜·O2-和H2O2的影响
Fig.6 Effect of different coating treatment on ·O2- and H2O2 of cucumber during storage

2.7 涂膜处理对黄瓜MDA含量和相对膜透性的影响

MDA是细胞膜脂过氧化主要产物，其水平变化反映果蔬遭受低温冷害膜脂过氧化程度。由图7-a可知，黄瓜果实的MDA含量呈上升趋势，前期上升缓慢，中后期上升迅速。壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理抑制MDA含量上升，第6天至贮藏结束与对照差异达显著水平(P<0.05)。

相对膜透性是反映果蔬细胞膜完整性重要指标。由图7-b可知，在贮藏期间，黄瓜的相对膜透性呈现上升趋势，前后期上升缓慢，中期上升迅速。壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理抑制了相对膜透性的上升，第6天至贮藏结束与对照差异显著(P<0.05)。

a-MDA含量；b-相对细胞膜透性
图7 不同涂膜处理对黄瓜MDA含量和相对膜透性的影响
Fig.7 Effect of different coating treatment on MDA content, and cell membrane relative permeability of cucumber during storage

3 讨论

低温贮运是黄瓜采后有效的保鲜方法之一，但不适宜低温容易诱发冷害。冷害导致黄瓜品质裂变，贮藏中或出库后腐烂严重，造成巨大的经济损失。本试验结果表明壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理显著抑制了黄瓜果实冷害的发生(图1)，降低了腐烂率(图2-b)，并保持较高的硬度和抗坏血酸品质指标(图4)，且复合涂膜处理的效果最为显著。壳聚糖-ZnO-褪黑素复合涂膜可在黄瓜表面形成一层选择性透过膜，一方面防止机械损伤，起到保护作用；另一方面对青霉、灰霉菌等有较强的杀菌作用，减轻果实腐烂；第三方面减轻果实冷害。壳聚糖-ZnO-褪黑素复合涂膜处理操作简单、价格便宜、无毒副作用，因而在黄瓜果实冷链贮运中具有较好的应用前景。

采后果蔬失重主要是由蒸腾失水和呼吸作用对营养物质消耗引起。当果蔬遭受冷害后呼吸强度会大幅增加，营养物质消耗增多，导致果蔬失重率增高。本试验结果表明壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理显著降低了黄瓜失重率(图2-a)，延缓呼吸速度上升(图3)。褪黑素处理降低黄瓜失重率与抑制呼吸作用有关。一方面褪黑素可通过调节呼吸通路比例和电子传递链代谢途径，降低营养物质的呼吸消耗水平；另一方面褪黑素可维持较高的ATP和能荷水平，高水平的ATP和能荷通过对糖酵解酶的变构调节和线粒体电子传递的反馈调节，降低营养物质的呼吸消耗水平。相似的抑制果蔬呼吸作用减少营养物质消耗的褪黑素处理已在青花菜[9]、菜苔[16]等果蔬中得以证实，但在黄瓜上的深层机理尚需进一步研究。而壳聚糖-ZnO和复合涂膜处理降低黄瓜失重率可能与黄瓜表面涂膜形成阻隔膜有关。一方面阻隔膜可抑制果实水分蒸腾，另一方面可延缓果实内外气体交换，形成低氧高二氧化碳的环境，进而抑制果实呼吸作用，减少营养物质消耗。相似的抑制呼吸和蒸腾作用减少果蔬失重的壳聚糖复合涂膜处理已在沙糖桔[3]、番石榴[8]等果实中证实。

正常情况下果蔬体内活性氧产生速率与清除速率基本相等，细胞内活性氧不会对膜产生伤害。当果蔬处于低温逆境，活性氧产生速率大于清除速率，造成活性氧积累，过多的活性氧攻击细胞膜，引起膜脂过氧化作用，进而毒害细胞，导致果蔬发生冷害。大量采后处理如甜菜碱[21]、γ-氨基丁酸[22]、1-MCP[23]等可通过提高抗氧化酶活性减轻果蔬冷害。本试验结果表明壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理均提高SOD、APX、CAT、GR抗氧化酶活性(图5)，有利于清除·O2-和H2O2(图6)，使其保持在较低水平，进而延缓膜脂化进程，使MDA含量和相对膜透性处于较低水平(图7)，最终减轻黄瓜冷害。相似的提高抗氧化酶活性减轻果蔬冷害的壳聚糖复合涂膜处理已在石榴[24]、荔枝[25]等果实中得以证实。

4 结论

壳聚糖-ZnO、褪黑素和复合涂膜处理均可抑制黄瓜果实冷害发生，降低失重率和腐烂率，延缓呼吸速率上升，保持较高的硬度和抗坏血酸含量，并提高SOD、APX、CAT、GR抗氧化酶活性，抑制·O2-生成速率和H2O2含量的上升，延缓MDA积累和相对膜透性上升，最终抑制了黄瓜冷害的发生。其中壳聚糖-ZnO-褪黑素复合涂膜处理效果最为显著，而且无毒副作用、操作简单、价格低廉，因而在黄瓜抑制冷害方面具有广阔的应用前景。