阶跃升温热处理对西葫芦贮藏品质及活性氧代谢的影响

郑凯，张敏,2,3*，方佳琪，凌玉，李奇勋，贾淼

1(上海海洋大学 食品学院，上海，201306)2(食品科学与工程国家级实验教学示范中心(上海海洋大学)，上海，201306) 3(上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，上海，201306)

西葫芦(CucurbitapepoL.)原产于北美洲，因其易于种植管理、口感甜脆[1]，故自引进至我国种植后备受种植户和消费者的青睐。然而采后果蔬仍是独立的生命体，依旧进行着呼吸作用，不断地消耗果蔬体内的有机物质[2]，西葫芦也不例外。为抑制呼吸作用、防止腐败变质，采后果蔬常常贮藏于低温环境中[3-4]。但对低温敏感的西葫芦而言，长时间的低温胁迫极易发生冷害，会造成严重的经济损失。恒温热处理作为一种无毒无害、可以高效保障果蔬贮藏品质的绿色物理保鲜方法，受到国内外学者的广泛关注。有研究发现，恒温热处理可以诱导活性氧信号分子最终减轻哈密瓜[5]果实的冷害伤害，提高黄瓜[6-7]、软枣猕猴桃[8]的抗氧化酶活性，保障中华寿桃[9]、蜜橘[10]等果实的贮藏品质。西葫芦作为营养价值高、在低温环境中易遭受冷害伤害的蔬菜，同样备受学者关注[11-12]。

随着研究广度的拓宽，阶跃升温热处理在采后果蔬贮藏保鲜方面也有了相应研究。尹海蛟等[13]研究发现，阶跃式升温可以影响番茄生物节律，保障较好的贮藏保鲜效果；SHADMANI等[14]研究发现，番木瓜经42 ℃热水浸泡30 min后于49 ℃热水浸泡20 min能有效地减轻番木瓜冷害伤害；王会松等[15-16]研究发现，阶跃式升温能够保持哈密瓜和甜瓜体内较高的蔗糖和乳酸通量，进而保证良好的贮藏品质。但是关于阶跃升温热处理过程中，西葫芦果实内部温度场变化的研究报道较少，而阶跃升温热处理技术与恒温热处理技术对采后果蔬低温贮藏期间贮藏品质及活性氧代谢影响的对比研究报道也不多。因此，本文以西葫芦为试验材料，测定阶跃升温热处理对低温贮藏期间西葫芦品质指标和生理指标的影响，并同步监测2种热处理方式下西葫芦组织温度分布变化，探索组织在阶跃升温热处理过程中温度变化与其贮藏品质及活性氧代谢的关系。

1 材料与方法

1.1 材料及其热处理

本试验以完全成熟的“绿丰”西葫芦为试验材料，2019年12月采摘于上海市浦东新区临港当地农场，采摘后用泡沫网包裹装于泡沫箱并在3 h内送到实验室。挑选长度为(20±1) cm，直径(6±1) cm，无机械损伤，无病虫害，色泽鲜亮的西葫芦129根。

前期的研究结果表明，西葫芦的机体初始温度对热处理效果有着显著的影响[12]，为消除西葫芦个体间不同机体温度对试验的影响，将所有试验西葫芦平铺在温度(20±1) ℃，相对湿度80%的恒温恒湿箱中复温。依据二次回归正交旋转组合设计得出的结果[17]，将所有试验西葫芦随机分成A组(阶跃升温热处理)，即先浸没在装有32 ℃热水的电热恒温水浴箱中，14 min后迅速将西葫芦转至另一个44 ℃恒温水浴箱中浸泡14 min；B组(恒温热处理)，将西葫芦浸没在温度恒为44 ℃的热水中28 min；CK组，在20 ℃的清水中浸没28 min。所有西葫芦表面水分沥干后，送入温度(4±0.5) ℃，相对湿度(80±5)%的冷库中贮藏15 d，每隔5 d进行相应指标测定和冷害评定。

1.2 试剂与仪器设备

1.2.1 试剂

总超氧化物歧化酶(total superoxide dismutase, SOD，T-SOD)测试盒(货号A001-1)、过氧化氢酶(catalase，CAT)测试盒(货号A007-1-1)、谷胱甘肽(reduced glutathione，GSH)测试盒(货号A006-1-1)、丙二醛(malondialdehyde，MDA)测试盒(货号A003-1)、抗超氧阴离子自由基及产生超氧阴离子自由基测试盒(货号A052)，南京建成生物工程研究所；植物过氧化物酶(peroxidase，POD)检测试剂盒(货号R30312)，上海兰拓生物科技有限公司。

1.2.2 仪器设备

BPS-100CA恒温恒湿试验箱，上海一恒科学仪器有限公司；WTC10002电子天平，杭州万特衡器有限公司；GY-4-J数显式水果硬度测试仪，浙江托普仪器有限公司；WAY-2S数显阿贝折射仪、DDSJ-308A电导率仪，上海笛柏实验设备有限公司；HZ-82A恒温振荡箱，江苏省金坛市环宇科学仪器厂；HSWX-600BS电热恒温水温箱，上海圣科仪器设备有限公司；TGL-20bR高速台式冷冻离心机，上海安亭科学仪器厂；UV-7504紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；F2640多点温度采集仪，美国福禄克电子仪器仪表公司。

1.3 试验方法

1.3.1 冷害的评定

冷害的评定按西葫芦表皮出现水浸斑和凹陷的面积大小进行分级，结果以冷害指数来表征，具体评定参照ZHANG等[11]所述的方法。无冷害，0级；轻微冷害，1级，0%<冷害面积≤25%；中度冷害，2级，25%<冷害面积≤50%；严重冷害，3级，50%<冷害面积≤75%；极严重冷害，4级，75%<冷害面积≤100%。按公式(1)计算，冷害指数单位为%。

(1)

1.3.2 果实失重率、硬度、色差和可溶性固形物的测定

果实失重率的测定采用姜雪等[12]的方法。在每实验组随机指定6根西葫芦，测量第0天的初始质量m0，并称量第5、10、15天的质量(mi)予以比较。果实失重率计算如公式(2)所示：

(2)

果实硬度参考ZHANG等[11]的方法，采用数显式水果硬度测试仪进行测定，其结果以kg/cm2表示。

果实的色差用色差仪来测定，每试验组指定3根西葫芦作为色差测定对象，测量西葫芦果皮在第0、5、10、15天时赤道部位的L*、a*和b*值，并按公式(3)的计算结果进行色差值表征，其中i=5、10、15，下标0代表第0天时西葫芦果皮的L*、a*和b*值。

(3)

可溶性固形物的测定依据曹建康等[18]的方法，采用阿贝折光仪测定，其结果以%表示。

1.3.3 SOD活性、CAT活性及POD活性测定

SOD活性和CAT活性均用南京建成生物工程研究所研制的试剂盒进行测定[19]，均以单位U/g表征。POD活性采用上海兰拓生物科技有限公司出品的POD检测试剂盒测定，结果以U表示，代表每1 min吸光度变化0.01所需要酶量。

1.3.5 温度场的测定

测温前进行T型热电偶校准，再沿西葫芦径向将热电偶插入西葫芦中心处、距中心R/3处以及距中心2R/3处，监测西葫芦温度场随热处理时间的变化。

1.4 数据处理

本试验各项指标测定均重复3次，取3次数值的平均值作为指标测定结果。图表由软件Excel 2010和Origin 2018绘制，并使用SPSS 23.0进行单因素方差分析，用Duncan对数据进行多重比较，P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 阶跃升温热处理对冷害指数的影响

整个贮藏期，各试验组西葫芦的冷害指数变化如图1所示。CK组与B组均在第5 天出现不同程度的冷害症状，冷害指数分别为11.11%和5.56%，而此时A组西葫芦并未出现冷害症状。这表明阶跃升温热处理延缓了西葫芦冷害的发生。在后续10 d，3组西葫芦的冷害症状均随时间增长而增加，CK组冷害指数上升速率最大，第15天时高达61.11%，可见低温贮藏对西葫芦果实品质影响之快。此外至贮藏后期(10～15 d)，CK组与A组和B组的冷害指数有显著差异(P<0.05)，尤其第15天时CK组的冷害指数(61.11%)分别是A组(33.33%)和B组(41.67%)的1.83倍和1.47倍。综上，阶跃升温热处理能有效延缓和减轻西葫芦的冷害伤害，相比恒温热处理具有更高的贮藏保鲜价值。

图1 阶跃升温热处理对冷害指数的影响Fig.1 Effect of step heating treatment on chilling injury index注：不同小写字母表示不同处理组间的差异显著(P<0.05)(下同)

2.2 阶跃升温热处理对失重率、硬度、可溶性固形物和色差的影响

西葫芦果实失重率变化如图2-a所示。整个贮藏期间，3个试验组失重率均随时间的增长而增加，其中CK组失重率增加幅度最大，仅5 d时间失重率达到0.91%，而后增加速率趋于稳定；增加速率之所以出现这一变化可能与CK组在前5 d出现较严重的冷害症状有关。而A组在整个贮藏期失重率增加相对稳定，且均低于同时期B组西葫芦失重率。这表明阶跃升温热处理相比恒温热处理更有力地减少了西葫芦失重率增加且冷害对西葫芦失重存在负面影响。这在贮藏中后期(5～15 d)，CK组与A组差异显著(P<0.05)，且在贮藏结束A组失重率分别为同时期CK组和B组失重率的73.38%和90.41%中有所体现。

硬度和可溶性固形物作为影响消费者对商品接受能力的2个重要指标[20]，直观地反映了商品的贮藏品质。如图2-b所示，硬度值自贮藏开始就下降，在贮藏前期(0～5 d)下降速率最大，其中CK组硬度值下降最为严重，至第5天已降至初始值的88.42%，其次是B组(90.18%)，然而A组(91.73%)表现良好，这可能与3组西葫芦的受冷害程度不同有关，冷害指数越大硬度值下降幅度越大(图1)；到贮藏中后期硬度值下降速率有所减少，这与热处理减缓黄瓜[21]和番茄[13]硬度下降的结论一致。另外在整个贮藏期间，A组与CK组差异显著(P<0.05)并且始终高于同时期的B组。这表明阶跃升温热处理有效减缓了西葫芦果实的软化、保持着较高的硬度值。可溶性固形物含量的变化如图2-c所示。贮藏前期可溶性固形物含量呈下降趋势，这可能与西葫芦果实成熟度相关[16-17]，西葫芦在衰老过程中可溶性固形物被不断消耗、含量有所减少，CK组消耗最多，第5天时与A组差异显著(P<0.05)。在贮藏中后期，A组西葫芦可溶性固形物含量均为同时期各试验组最高。这表明阶跃升温热处理较恒温热处理在维持高可溶性固形物含量方面更具优势。

色差值变化如图2-d所示，3个试验组的色差值随贮藏时间的增加而增大，且CK组的色差值在整个贮藏期间均高于A组和B组，差异显著(P<0.05)。贮藏后期，CK组的色差值增加迅速，由第10天的3.62迅速升高至第15天的4.32，升幅为19.33%，这可能与贮藏后期西葫芦果实冷害严重、果皮叶绿素快速降解有关，而A组和B组减缓了色差值的升高，并且至贮藏结束，A组和B组的色差值分别是CK组的88.8%和91.4%。由此可见，阶跃升温热处理能够显著减缓西葫芦果实色泽变化。

2.3 阶跃升温热处理对MDA含量的影响

MDA是细胞膜脂过氧化的产物[2]，它的含量在整个贮藏期的变化如图3所示。CK组的MDA含量呈近乎直线上升的趋势，而A组在贮藏前中期(0～10 d)上升较平缓、后期增长速率有所增加，B组MDA含量的上升曲线介于两者之间。在贮藏中后期，A组与CK组和B组有显著差异(P<0.05)，第15天时A组与B组西葫芦体内的MDA含量分别是CK组的75%和89%。由此表明，阶跃升温热处理可以高效地抑制西葫芦体内MDA含量的增加。与恒温热处理相比，阶跃升温热处理对西葫芦组织中MDA含量的影响更为敏感有力，存在明显的优势。

a-失重率；b-硬度；c-可溶性固形物；d-色差图2 阶跃升温热处理对失重率、硬度、可溶性固形物和色差的影响Fig.2 Effect of step heating treatment on weight loss rate， hardness， soluble solids content and color difference

图3 阶跃升温热处理对MDA含量的影响Fig.3 Effect of step heating treatment on MDA content

2.4 阶跃升温热处理对SOD、CAT和POD活性的影响

CAT为重要的活性氧清除酶，能够直接将H2O2分解成H2O[21]。CAT活性的变化情况如图4-b所示，自贮藏开始其活性便开始下降，贮藏前中期下降迅速，尤其是CK组，第5天和第10天的CAT活性分别是初始值的63.60%和31.42%，而A组和B组均高于CK组。到贮藏后期3组西葫芦的CAT活性下降速率均减小、CAT活性逐渐趋于稳定。贮藏第15天，A组和B组与CK组之间的差异显著(P<0.05)，分别为初始CAT活性值的25.29%、36.01%和33.71%。这表明阶跃升温热处理组的CAT活性虽然在中后期有所波动，但并没有引起不良的CAT活性变化，整体上能够抑制西葫芦果实中CAT活性的下降、并且在后期可以维持较高的CAT活性。

POD活性变化如图4-c所示，3个试验组随时间变化均呈现上升走势，上升的幅度随贮藏时间的延长而增大。A组的表现尤为突出，其贮藏结束时POD活性为初始POD活性的1.54倍。A组和B组的POD活性始终显著高于CK组(P<0.05)，A组的POD活性均为同时期最高，其中第15天时A组POD活性为CK组的1.15倍。这说明在低温贮藏条件下，阶跃升温热处理保持着西葫芦果实较高的POD活性，且与恒温热处理维持着较高的优势差距。从贮藏第10天～第15天，CK组与A组和B组的POD活性增加迅速，这可能是由于贮藏后期西葫芦组织为抵抗严重的冷害伤害、减轻细胞膜脂过氧化、维持细胞膜完整性所做出的应激作用所导致[5]。

a-SOD；b-CAT；c-POD图4 阶跃升温热处理对SOD、CAT和POD活性的影响Fig.4 Effect of step heating treatment on the activity of SOD， CAT and POD

2.5 阶跃升温热处理对活力和GSH含量的影响

活力；b-GSH含量图5 阶跃升温热处理对活力和GSH含量的影响Fig.5 Effect of step heating treatment on the activity of

2.6 阶跃升温热处理对西葫芦组织温度场的影响

由图6-a、图6-b可知，阶跃升温热处理组西葫芦在14 min后沿径向先后出现温度加剧升高的现象，其中距中心2R/3处最先(15 min)出现温度加剧变化，距中心R/3处和中心处的温度则分别于17、18 min 时温度开始加剧变化；然而观察图6-d知，距中心2R/3处、距中心R/3处和中心处的升温速率分别在14、15、17 min时出现极小值，即出现极值的时间均早于各处温度加剧升高的开始时间，这说明升温速率在表征西葫芦温度场变化方面比温度更具灵敏性。如图6-c所示，恒温热处理过程中西葫芦各处的升温速率均呈现先升高后下降的趋势，且随着热处理时间的推移，距中心R/3处和中心处的升温速率先后于8.68和9.98 min时等于距中心2R/3处升温速率，此后均高于距中心2R/3处升温速率。这说明西葫芦在热处理过程中的传热是沿径向依次递进进行，在热处理条件不变的情况下，西葫芦组织每处的升温速率均有一极大值，该极大值出现的时间和极值的大小与所处的位置有关，越是西葫芦内部，极大值出现的时间越晚、对应的极大值越小。然而如图6-d 所示，整个阶跃升温热处理过程中西葫芦各处升温速率均出现2次极大值，这是西葫芦在14 min时热处理条件受到改变的缘故。由表1可知，阶跃升温热处理第一极大值为恒温热处理极大值的一半，并且在第14 min时也有相同结论，这是由于在热处理开始时，阶跃升温热处理西葫芦各处机体温度(20 ℃)与32 ℃热水的温差(12 ℃)为恒温热处理西葫芦各处机体温度(20 ℃)与44 ℃热水的温差(24 ℃)的一半，可见西葫芦组织中各处的升温速率与温差密切相关。阶跃升温热处理各处升温速率的第二极大值大于第一极大值。其原因是，阶跃升温热处理西葫芦在14 min时虽然转至44 ℃热水中浸泡，但是此时的西葫芦各处机体温度并不相同(图6-b)，所以距中心2R/3处、距中心R/3处和中心处与44 ℃热水介质的温差有所差异，分别为16.33、19.51、20.81 ℃，均大于热处理初时西葫芦机体和32 ℃热水介质的温差(12 ℃)。第28 min时，阶跃升温热处理西葫芦各处的升温速率均高于恒温热处理组，但各处组织温度却比恒温热处理的低，可见并不能以单一的组织温度作为评判热处理西葫芦效果好坏的标准，升温速率作为温度变化快慢的表征，可以准确快速反映组织温度场变化，所以组织升温速率极有可能是影响西葫芦低温贮藏品质和活性氧代谢的重要因素。

表1 不同时刻阶跃升温热处理与恒温热处理的温度及升温速率Table 1 The heating rate and temperature of step heating treatment and constant heating treatment at different times

a-恒温热处理组织温度；b-阶跃热处理组织温度；c-恒温热处理升温速率；d-阶跃热处理升温速率图6 恒温热处理与阶跃升温热处理对西葫芦组织温度、升温速率的影响Fig.6 Effect of constant temperature heat treatment and step heating heat treatment on the temperature and heating rate of zucchini

3 结论

综合对比各试验组，阶跃升温热处理能够很好地延缓和减轻西葫芦冷害伤害，其冷害指数在贮藏结束之时为CK组的54.55%；抵御冷害对组织失重的负面影响、减少失重率的增加；延缓果实的软化、保持良好的果皮色泽，在贮藏后期与CK组均保持着显著差异(P<0.05)；维持着较高的可溶性固形物含量。因此，阶跃升温热处理技术有应用到冷敏果实贮藏保鲜的前景。

结合西葫芦组织温度场变化分析，发现热处理过程中的传热是沿径向依次递进进行着，升温速率在表征西葫芦温度场变化方面比温度更具灵敏性。对比恒温热处理西葫芦温度场变化，推测升温速率是影响西葫芦低温贮藏时期生理变化的重要因素，并能达到调节组织活性氧代谢、清除活性氧自由基的效果，最终保障果蔬的低温贮藏品质。