采前壳聚糖处理通过多代谢网络协同调控抑制油桃冷储褐变的生理机制

《Scientia Horticulturae》：Regulation of nectarine flesh browning through pre-harvest application of chitosan coatings

本研究针对油桃采后冷藏易发生果肉褐变的关键产业问题，系统探讨了采前喷施壳聚糖对果实能量代谢、矿质元素平衡、细胞壁结构、糖代谢及活性氧(ROS)代谢的协同调控作用。结果表明，1.5 g/L壳聚糖处理可显著延缓果肉褐变，维持较高的ATP含量、能量电荷(EC)及线粒体关键酶(SDH、CCO、H+-ATPase、Ca2+-ATPase)活性，调控矿质元素(K、Ca、B)积累，抑制细胞壁降解酶(PG、PME、Cx、β-Gal)活性，维持蔗糖-己糖平衡，并增强抗氧化酶(SOD、CAT、POD、APX)活性以减轻氧化损伤。该研究为采前壳聚糖处理延缓油桃冷储褐变提供了多维度理论依据，对延长果实货架期具有重要应用价值。

　　

油桃，作为桃的一个变种，以其光滑的表皮、脆嫩多汁的口感和丰富的营养价值而备受消费者青睐。然而，油桃属于典型的呼吸跃变型果实，采后生理代谢旺盛，加之果皮薄、组织含水量高，在常温下极易软化腐烂。低温冷藏虽能延缓这些生理变化，但果实长期在0~4°C环境下贮藏易发生冷害，其中果肉褐变尤为突出。褐变不仅导致果实外观暗淡、质地粗糙，还会造成营养物质流失，显著缩短货架期并降低商品价值，严重制约油桃产业的可持续发展。因此，探索有效调控油桃冷藏期间果肉褐变的技术及其机理，对提升产业效益具有重要意义。

油桃果肉褐变是能量代谢紊乱、矿质元素失衡、细胞壁降解、糖代谢异常以及活性氧代谢失衡等多条代谢途径协同作用的结果。能量是生命活动的基础，细胞能量供应是果实采后成熟衰老过程中的关键因素。腺苷三磷酸（ATP）是最重要的能量代谢池，能量代谢为细胞生理活动提供动力。低温胁迫下，ATP含量和能量电荷（EC）的下降会影响物质运输和代谢调控，加速果实衰老。矿质元素如钙（Ca）和钾（K）对维持细胞结构和功能至关重要。细胞壁代谢失衡，如果胶甲酯酶（PME）和多聚半乳糖醛酸酶（PG）等细胞壁降解酶活性异常升高，会导致细胞结构破坏。糖代谢失衡，特别是蔗糖异常降解和己糖（葡萄糖、果糖）积累，会影响风味并加剧能量代谢紊乱。此外，活性氧（ROS）代谢失衡，导致超氧阴离子（O₂^•-）和过氧化氢（H₂O₂）过量积累，引发膜脂过氧化，破坏细胞膜完整性，最终使得多酚氧化酶（PPO）与酚类底物接触，催化褐变发生。

为缓解油桃采后冷藏褐变，研究人员尝试了低温调控、气调贮藏、化学保鲜等多种技术。壳聚糖作为一种来源广泛、成本低廉的碱性多糖，具有良好的成膜性、渗透性、抗菌性和生物可降解性，已被广泛应用于果蔬采后保鲜。然而，现有关于壳聚糖的研究多集中于采后处理，即使涉及采前处理，也大多局限于单一代谢维度（如仅分析ROS代谢或糖组分），缺乏从多代谢网络协同效应的角度系统探讨采前壳聚糖处理对油桃冷藏期间果肉褐变调控作用的研究。

为此，本研究以‘中油4号’油桃为实验材料，在果实第二次快速膨大期进行采前壳聚糖（1.5 g/L）叶面喷施（每7天一次，共4次），采收后于（0 ± 0.5）°C、相对湿度85-90%条件下贮藏，系统分析了该处理对油桃果实外观（褐变程度）和内在（可溶性固形物、硬度）品质的影响，并从能量代谢维持、矿质元素平衡、细胞壁结构保护、糖代谢平衡以及ROS清除能力增强五个维度，揭示了采前壳聚糖调控油桃冷藏期间果肉褐变的生理机制。

本研究主要采用了以下关键技术方法：以‘中油4号’油桃为实验材料，进行采前壳聚糖喷施处理并结合低温贮藏；定期测定果肉褐变指数、果实品质指标（失重率、硬度、呼吸速率、Vc含量、可溶性固形物含量、可滴定酸含量）、矿质元素（N、P、K、Ca、Mg、B）含量、能量代谢指标（ATP、ADP、AMP含量及EC，线粒体SDH、CCO、H⁺-ATPase、Ca²⁺-ATPase活性）、细胞壁代谢指标（原果胶、可溶性果胶、纤维素含量及PG、PME、Cx、XET、β-Gal活性）、糖代谢指标（葡萄糖、果糖、蔗糖、G-6-P、F-6-P含量及SPS、SS、AI、NI、HK、FRK、PGI活性）以及ROS代谢指标（相对电导率、MDA含量、O₂^•-产生速率、H₂O₂含量及SOD、CAT、POD、APX、PPO、PAL活性）；并通过石蜡切片和透射电镜（TEM）观察细胞微观结构变化。

3.1. 采前壳聚糖处理对油桃果实果肉褐变的影响

结果表明，采前壳聚糖处理可显著抑制油桃果肉褐变。对照组果实在贮藏第2周开始出现轻微褐变，第5周发生严重褐变；而壳聚糖处理组直至第3周才出现褐变，且整个贮藏期间其褐变指数均显著低于对照组。

3.2. 采前壳聚糖处理对油桃果实品质的影响

壳聚糖处理有效降低了果实的失重率，延缓了硬度的下降，抑制了呼吸速率（使呼吸高峰推迟至第4周），并维持了较高的Vc含量、可溶性固形物含量和可滴定酸含量，显著改善了果实的贮藏品质。

3.3. 采前壳聚糖处理对油桃果实能量代谢的影响

壳聚糖处理维持了果实较高的ATP、ADP含量和能量电荷（EC）水平，抑制了AMP的积累。同时，处理组线粒体琥珀酸脱氢酶（SDH）、细胞色素c氧化酶（CCO）、H⁺-ATPase和Ca²⁺-ATPase的活性均显著高于对照组，表明壳聚糖通过保护线粒体结构和功能，保证了果实的能量供应。

3.4. 采前壳聚糖处理对油桃果实矿质元素的影响

壳聚糖处理选择性调控了果实矿质元素含量，使钾（K）、钙（Ca）、硼（B）含量显著高于对照组，而氮（N）、磷（P）、镁（Mg）含量显著低于对照组，这有助于稳定细胞结构。

3.5. 采前壳聚糖处理对油桃果实细胞壁代谢的影响

显微结构观察显示，壳聚糖处理延迟了细胞壁结构的降解和破坏。生化指标表明，处理组原果胶和纤维素含量较高，可溶性果胶含量较低，且多聚半乳糖醛酸酶（PG）、果胶甲酯酶（PME）、纤维素酶（Cx）、木葡聚糖内转糖基酶（XET）和β-半乳糖苷酶（β-Gal）的活性均受到显著抑制，减缓了细胞壁的降解。

3.6. 采前壳聚糖处理对油桃果实糖代谢的影响

壳聚糖处理通过提高蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性和蔗糖合成方向蔗糖合成酶（SS）活性，抑制蔗糖分解方向SS、酸性转化酶（AI）和中性转化酶（NI）活性，维持了较高的蔗糖含量和较低的葡萄糖、果糖含量。同时，处理组提高了己糖激酶（HK）和果糖激酶（FRK）活性，抑制了葡萄糖磷酸异构酶（PGI）活性，调控了己糖代谢流向。

3.7. 采前壳聚糖处理对油桃果实ROS代谢的影响

壳聚糖处理显著降低了果实的相对电导率、丙二醛（MDA）含量、超氧阴离子（O₂^•-）产生速率和过氧化氢（H₂O₂）含量，同时提高了超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性，增强了细胞的抗氧化能力。此外，处理还抑制了多酚氧化酶（PPO）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性，延缓了褐变相关反应的发生。

本研究结论表明，采前壳聚糖处理可通过多代谢途径协同作用，有效抑制油桃冷藏期间的果肉褐变。其机制包括：维持能量代谢平衡，保护线粒体功能；调控矿质元素，稳定细胞结构；抑制细胞壁降解酶活性，延缓细胞壁降解；调节糖代谢酶活性，维持蔗糖-己糖平衡；增强ROS清除能力，减轻氧化损伤并抑制褐变相关酶活性。该研究为采前壳聚糖处理应用于油桃采后冷藏保鲜提供了新的技术思路和坚实的理论依据，对延长油桃货架期、提升产业效益具有重要意义。未来研究可进一步优化不同油桃品种的壳聚糖应用方案，并深入探索其调控代谢途径的分子机制，以推动该技术的产业化应用。该研究成果发表于《Scientia Horticulturae》期刊。