《Frontiers in Plant Science》：Phenotyping the physiological and biochemical changes of nopal cladodes during early postharvest storage
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本研究评估了四种不同商业类别（Cambray、C、B、A）霸王树（Opuntia ficus-indica）仙人掌茎片在采收后10天内的短期变化，揭示了其形态、色度及关键生化成分（如叶绿素、抗坏血酸、抗氧化能力、总酚和总黄酮）的动态差异，为优化其采后管理、延长货架期及开发高附加值产品提供了重要数据支持。
1 引言
全球人口预计将在2050年突破90亿，这凸显了食物系统多样化和发展可持续、气候韧性作物的迫切需求。在此背景下，霸王树（Opuntia ficus-indica, OFI），俗称仙人掌或霸王果，因其对干旱和半干旱环境的适应性、低需水量和高营养价值而备受关注。在墨西哥，它通常被称为"nopal"，具有重要的文化、经济和营养意义。nopal通常指供作蔬菜食用的幼嫩茎片，而整个植物也以多种名称被认知，如仙人掌果、无刺仙人掌、饲料仙人掌、印度霸王树、绿色黄金和无花果仙人掌。OFI被认为是全球农业中经济价值最高的仙人掌，不仅其果实可食，其茎片也根据成熟阶段被用作人类食物和牲畜饲料。茎片富含纤维、维生素、矿物质、酚类化合物和抗氧化剂，其成分因品种、年龄、环境条件和采后处理而异。多项研究报告了OFI茎片中含有必需氨基酸、高水平的维生素C、酚类、黄酮类物质和抗氧化活性，支持其在食品、营养保健品和药品中的应用。
墨西哥是全球主要的nopal生产国，在2020年至2024年间年平均种植面积约为12,577公顷，年产量约877,525吨。主要生产州包括莫雷洛斯、墨西哥城、墨西哥州、塔毛利帕斯和米却肯，它们合计占全国种植面积的72%。尽管已有许多研究分析了霸王树属植物的营养和化学成分，但较少有研究关注这些参数在采收后短期内的变化。在商业背景下，了解早期采后阶段发生的短期生理变化对于提高产品质量、延长货架期和指导最佳处理实践至关重要。
本研究旨在评估霸王树（Atlixco品种）茎片在四个商业类别（Cambray、C、B、A）中，为期10天（在此期间通常销售95%的采收茎片）的短期采后变化。分析包括形态性状（重量、长度、厚度、质地）、色度参数（色调角和色度）以及生化成分（叶绿素a和b、脱镁叶绿素、酚类和黄酮含量、抗氧化能力）。这是因为这些化合物负责风味和香气，并且在人体中扮演重要角色，如减少自由基，并表现出抗炎、抗菌和抗癌活性，从而有助于降低患慢性疾病的风险。通过检查随时间和类别的变化，本研究为nopal茎片在早期采后贮藏期间的生理行为提供了见解，在质量控制和增值加工方面具有潜在应用。
2 材料与方法
供试材料为霸王树Atlixco品种的茎片，来自四个商业类别：Cambray、C、B和A。每个类别包括30个独立的茎片，总计120个样品。采收于2024年9月24日上午9点至11点之间在墨西哥科阿韦拉州General Cepeda市的Ejido El Pilar种植园进行。采收后，样品单独存放在纸袋中，并在分析前保持在环境温度（23–26°C）。茎片分类遵循墨西哥官方标准NMX-FF-068-SCFI-2006的规定：Cambray（7.0–11.0厘米）、C类（11.1–18.0厘米）、B类（18.1–25.0厘米）和A类（≥25.1厘米），基于茎片长度。评估了以下参数：硬度、重量、外部颜色、厚度（基部、中部、尖端）、叶绿素含量（a、b和总量）、抗坏血酸浓度和可滴定酸度。
实验室测试在三个日期进行：时间1（2024年9月27日）、时间2（9月30日）和时间3（10月3日），测量间隔为三天。所有类别的茎片在同一天采收，并进行了以下评估：形态学、色度学和生化分析。
形态测量包括使用标准尺测量所有三个时间点的茎片长度。使用精度为0.01毫米的数显卡尺测量每个茎片基部、中部和尖端三个点的厚度。使用数字天平测量茎片重量。使用质构分析仪评估硬度。使用CHIN SPEC色度计测量颜色，记录L、a、b*值，并计算色调角和色度。
光合色素含量通过分光光度法评估。抗坏血酸通过容量法测定。可滴定酸度通过标准容量法测定。提取物的制备通过冷冻干燥的茎片粉末进行。总酚含量通过Folin-Ciocalteu法测定。总黄酮含量通过比色法测定。抗氧化能力通过ABTS、DPPH和FRAP三种方法评估。
统计分析采用方差分析评估每个类别内不同时间点在茎片重量、大小、质地和厚度方面是否存在显著差异，并评估色度和生化参数的变化。当检测到时间有显著影响时，应用Tukey's HSD事后检验来确定哪些时间点存在显著差异。所有统计分析均使用Minitab 20.3进行。
3 结果
3.1 茎片大小
ANOVA结果显示，时间对Cambray类别的茎片大小有显著影响。Tukey's HSD事后检验显示，Cambray茎片在时间3（11.07厘米）的大小显著大于时间1（10.17厘米）和时间2（10.28厘米）。对于C、B和A类别，未观察到时间对茎片大小的显著影响。
3.2 茎片厚度
ANOVA结果显示，时间对Cambray类别茎片的基部、中部和尖端厚度均有显著影响。对于C类别，在任何位置（基部、中部、尖端）均未观察到时间的显著影响。B类别同样在基部、中部和尖端未观察到时间的显著影响。对于A类别，时间对基部厚度有显著影响，对中部厚度无显著影响，对尖端厚度有显著影响，时间3（12.48毫米）的厚度显著大于其他两个时间点。
3.3 茎片重量
ANOVA结果显示，时间对Cambray和A类别的茎片重量有显著影响。对于Cambray，时间3（38.72克）的重量显著高于时间2（27.01克）。对于A类别，时间3（398.4克）的重量显著高于时间2（319.3克）。对于C和B类别，未观察到时间对重量的显著影响。
3.4 茎片硬度
ANOVA结果显示，时间对C、B和A类别的茎片硬度有显著影响。对于C类别，时间3（23.96牛）和时间2（22.18牛）的硬度无显著差异，但两者均高于时间1（16.79牛）。对于B类别，时间1（21.10牛）的硬度显著低于时间2（25.31牛）和时间3（25.45牛）。对于A类别，所有时间点均存在显著差异，硬度分别为时间3（32.56牛）、时间2（27.18牛）和时间1（21.59牛）。对于Cambray类别，未观察到时间对硬度的显著影响。
3.5 茎片颜色
在所有四个nopal类别的三个测量点，未观察到主色调（色调角）的显著时间变化。对于色度，只有Cambray类别在时间上表现出显著的饱和度变化，在时间3有所增加。其他三个类别（C、B、A）在观察期间保持了相对一致的色度水平。nopal茎片的基本颜色在短期内变化不大，但颜色的强度或鲜艳度在Cambray类别中与C、B、A类别相比发生了不同的演变。这些变化可能与色素浓度的变化或影响此发育阶段颜色表达的其他因素有关。
3.6 叶绿素和脱镁叶绿素
ANOVA结果表明，B类别（412毫克/100克干重）的叶绿素a含量最高，其次是A类别（256毫克/100克干重），Cambray（59毫克/100克干重）和C类别（63毫克/100克干重）含量最低且无显著差异。叶绿素b呈现相似趋势，B类别（327毫克/100克干重）含量最高，其次是A类别（168毫克/100克干重），Cambray（98毫克/100克干重）和C类别（100毫克/100克干重）含量最低且无显著差异。对于总叶绿素，B类别（739毫克/100克干重）含量最高，其次是A类别（424毫克/100克干重），然后是C类别（164毫克/100克干重），Cambray（157毫克/100克干重）含量最低。这表明B类别的叶绿素a、b和总叶绿素水平最高。关于脱镁叶绿素，B类别（9229.2毫克/100克干重）含量最高，其次是A类别（5391.6毫克/100克干重），接着是C类别（1983.0毫克/100克干重），Cambray（1798.6毫克/100克干重）最低。
3.7 抗坏血酸和柠檬酸
抗坏血酸（维生素C）含量显示出明显的趋势，A类别表现出最高的浓度（7.81毫克/克），显著高于其他组。这表明A类别较大的茎片可能积累了更多的维生素C，从而可能增强了其营养价值。相比之下，以柠檬酸百分比表示的可滴定酸度在各大小组之间没有显著差异。数值范围很窄，在0.11%到0.18%之间，表明茎片大小对这些样品中的酸度水平没有显著影响。最大尺寸类别中较高的维生素C含量可能与生长或成熟过程中的代谢变化有关，这可能影响抗氧化能力和味觉感知。然而，各尺寸类别间一致的酸度表明，柠檬酸浓度与茎片大小无关，这或许反映了其在基本细胞过程中的作用，而不是依赖于大小的代谢变化。这些结果凸显了茎片大小在评估营养特性方面的重要性，特别是在维生素C含量是关键质量参数的应用中。
3.8 抗氧化能力
关于茎片的抗氧化能力，方差分析结果显示类别之间存在显著差异。C类别的ABTS抗氧化活性最高（3.51毫摩尔TE/100克干重），而最低值出现在Cambray（3.35毫摩尔TE/100克干重）和B类别（3.51毫摩尔TE/100克干重）。对于DPPH，C类别记录到最高值（0.63毫摩尔TE/100克干重），其次是A（0.43毫摩尔TE/100克干重）、B（0.31毫摩尔TE/100克干重）和Cambray（0.25毫摩尔TE/100克干重）。FRAP显示出类似的趋势，C类别（1.70毫摩尔TE/100克干重）显示出最高值，表明其具有最强的还原能力，而Cambray（0.74毫摩尔TE/100克干重）在该测定中表现也最弱。结果表明，不同类别的茎片抗氧化能力存在显著差异。
3.9 总酚含量和黄酮类化合物
总多酚和类黄酮含量的方差分析结果显示，Cambray（103.8毫克GAE/克干重）和C类别（99.2毫克GAE/克干重）的总多酚含量最高，而B（33.4毫克GAE/克干重）和A（10.39毫克GAE/克干重）类别的含量最低，且两者之间无显著差异。相比之下，A类别的类黄酮含量最高（280.5毫克QE/100克干重），其次是C（244.8毫克QE/100克干重）、B（212.8毫克QE/100克干重）和Cambray（191.1毫克QE/100克干重）。
4 讨论
nopal的特点是采后期短。目前，已探索了应用可食用涂层或低温贮藏等策略来延长货架期。先前的研究表明，粘液的理化性质受茎片大小的影响，这表明大小也可能影响采后寿命。采收后，代谢过程仍在继续，蒸腾作用导致细胞膨胀丧失、软化、光泽度下降以及其他质量变化。这些过程证明了本研究考虑的参数的评估是合理的。
颜色是消费者视觉质量的关键指标，鲜绿色与高质量产品相关。然而，这种颜色在贮藏过程中会因光照和温度等因素而改变。在本研究中，室温下的色调角值范围为151°至157°，而先前在冷藏条件下报告的值范围为178°–180°。这种差异凸显了温度的显著影响，温度是影响水果变质率的主要因素。茎片颜色也受到叶绿素等色素存在的影响。B类别表现出最高的叶绿素含量，这与更好的感知质量相关。然而，热处理和酸化可将叶绿素转化为脱镁叶绿素，导致组织呈现橄榄绿色。B类别也具有最高的脱镁叶绿素水平，表明加工条件与色素稳定性之间可能存在相互作用。
先前一项评估霸王树茎片的研究发现，它们可以贮藏长达56天而不降低粗蛋白或中性洗涤纤维含量。然而，水溶性碳水化合物含量随着贮藏时间的延长而下降，这可能会损害营养价值。这可能部分解释了C、A和B类别中观察到的硬度下降，因为硬度损失主要是由贮藏期间细胞干燥导致的膨胀压降低引起的。
可滴定酸度反映了食品中酸的总浓度，影响风味、颜色、保存和其他质量属性，通常用作成熟度的指标。与本研究结果一致，先前的研究报告称不同大小的茎片在可滴定酸度方面没有显著差异。关于柠檬酸含量，本研究中获得的值低于先前对白刺仙人掌的报告，这表明了品种或环境的影响。
除了视觉和理化质量外，营养特性也越来越重要。抗坏血酸对人体正常新陈代谢至关重要，它作为抗氧化剂并调节活性氧。先前研究报告Atlixco茎片的抗坏血酸含量为2.4毫克/100克，而本研究发现数值在4.13至7.81毫克/100克之间，表明了其重要的营养贡献和潜在的代谢意义。
关于多酚，Cambray和C类别的含量最高。这与先前研究结果一致，该研究发现幼嫩的茎片通常比老茎片具有更高的多酚水平。多酚作为次生代谢物，因其对人类健康的有益作用而闻名，这进一步支持了这些nopal类别的功能价值。
5 结论
本研究评估了采收后10天内霸王树（nopal）Cambray、C、B和A类别的茎片。在大小、色度和色调角方面，各类别之间未观察到显著变化。在厚度方面，C和B类别没有显示出显著差异，而Cambray在基部、中部和尖端之间表现出变化，A类别在基部和尖端之间显示出差异。在重量方面，C和B类别保持不变，而Cambray和A类别呈现显著差异。硬度在Cambray和B类别中有变化，但在C和A类别中未检测到差异。
B类别表现出最高的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和脱镁叶绿素水平。A类别显示出最高的抗坏血酸和类黄酮含量，而C类别具有最高的DPPH、FRAP和总多酚水平。
比较各类别并考虑nopal的采后处理，表现最佳的是在大小、硬度、厚度和颜色方面保持稳定，同时表现出最高水平的叶绿素a、b、总叶绿素和脱镁叶绿素的那个类别。
这些发现为nopal茎片的发育动态和生化多样性提供了新的见解，对农业管理和增值工业应用都具有重要意义。即使在很短的评估期内，也观察到了多个参数的差异，使得能够为未来研究确定新的评估标准和时间点。
