基于電子鼻分析1-MCP對‘香紅’梨后熟進程的影響

閆子茹,岳盈肖,趙江麗,趙國群,劉金龍,*,關(guān)軍鋒,*

(1.河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050081; 2.河北省農(nóng)林科學(xué)院遺傳生理研究所,河北石家莊 050051； 3.河北工程大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院,河北邯鄲 056000)

‘香紅’梨是近年來選育出的梨新品種,果實成熟時果皮為紅色,果肉呈白色,口感酸甜適中,并且隨著果實的成熟,香氣越發(fā)濃郁,但常溫貨架期較短[1]。目前,關(guān)于香紅梨的研究主要在品種選育和栽培管理技術(shù)方面,未見有關(guān)其采后生理、保鮮技術(shù)等方面的研究報道。

1-MCP是一種乙烯抑制劑,它通過與乙烯受體優(yōu)先發(fā)生不可逆結(jié)合,阻礙乙烯發(fā)揮反饋調(diào)節(jié)作用,達到延緩果實后熟衰老,提高貯藏品質(zhì)的目的[2-3]。1-MCP對多種水果的貯藏保鮮都具有良好效果[4]。呼吸強度和乙烯釋放速率是果實采后貯藏評價常用的生理指標,果實香氣是果實的品質(zhì)指標之一,果實氣味能刺激消費者的嗅覺、增進食欲,從而引起消費者的購買欲望。以往由于認識水平和分析手段的限制,人們對果實香氣品質(zhì)的關(guān)注較少,近年來隨著分析技術(shù)的發(fā)展,果實的香氣品質(zhì)成為了關(guān)注的熱點。研究報道1-MCP處理會影響梨[5-6]、蘋果[7]、獼猴桃[8]、藍莓[9]等果實香氣生成。

果實的品質(zhì)指標多樣且變化規(guī)律復(fù)雜,依賴傳統(tǒng)的檢測方法無法快速、準確的反映貯藏過程中果實的新鮮度及品質(zhì)狀態(tài)。電子鼻是一種針對揮發(fā)性物質(zhì)的快速、無損檢測技術(shù)[10],利用電子鼻檢能夠更加快速、便捷、實時的掌握貯藏過程中果實品質(zhì)的狀況。同時借助主成分分析(principal components analysis,PCA)、線性判別分析(linear discriminant analysis,LDA)及載荷分析(Loading)等方法,將不同傳感器輸出的數(shù)據(jù)進行降維處理,體現(xiàn)不同樣品的共性和特性,實現(xiàn)對不同產(chǎn)地、品種、成熟度及保鮮處理的水果進行區(qū)分[11-15],已有研究利用電子鼻技術(shù)分析梨果實在采后貯藏過程中的香氣和品質(zhì)變化情況[15-20]?！慵t’梨屬于西洋梨系統(tǒng),在后熟軟化過程中會產(chǎn)生濃郁的香氣,但對該品種后熟過程中揮發(fā)性氣體變化規(guī)律的研究還未見相關(guān)報道。

本文利用電子鼻檢測技術(shù)對‘香紅’梨后熟過程中的揮發(fā)性成分進行分析,考察了1-MCP保鮮處理對‘香紅’梨貯藏期間揮發(fā)性氣體組分和相對含量的影響,同時探究了果實揮發(fā)性氣體變化與呼吸、乙烯的關(guān)系,以期為‘香紅’梨采后貯藏保鮮技術(shù)及其風(fēng)味品質(zhì)評價提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

‘香紅’梨 于商業(yè)采收期(2019年8月21日,盛花后145 d)采自主產(chǎn)區(qū)河北省秦皇島市昌黎縣,采收后立即運回河北省農(nóng)林科學(xué)院遺傳生理研究所實驗室,果實在室內(nèi)釋放田間熱后,次日進行處理,挑選大小均一、無機械損傷、無病蟲害的果實為試驗用果。1-MCP 美國Smart Fresh公司。

HWF-1A CO2紅外分析儀 江蘇金壇市科析儀器有限公司生產(chǎn);GC9790ⅡB氣相色譜儀 浙江福立色譜儀器有限公司生產(chǎn);PEN3型便攜式電子鼻 德國Airsense公司生產(chǎn)。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗處理 將所有處理的梨果隨機分為1-MCP組和對照組(CK),兩組梨果分別置于PE膜密封帳中,室溫(25 ℃)下密閉處理24 h,其中1-MCP組按照1.0 μL·L-1劑量處理,對照組用空氣密封。處理結(jié)束后取出梨果,將各處理果實分為三組,每組7個果實,將果實放于容積為7.536 L的密封罐中,置于20 ℃室溫下進行后熟。于第0、2、4、6、8、10 d將密封罐封口,密封0.5 h后測定呼吸強度、密封2 h后利用電子鼻測定果實揮發(fā)性氣體、密封5 h后測定乙烯釋放速率。測定期間不打開密封罐,測定完畢后打開密封罐。

1.2.2 呼吸強度的測定 采用紅外分析儀法測定CO2呼吸強度[21]。果實密封0.5 h后,用注射器吸取罐中氣體10 mL,注入HWF-1A CO2紅外分析儀進行測定,單位為 mg·CO2·(kg·FW·h)-1。

1.2.3 乙烯釋放速率的測定 采用氣相色譜儀法測定乙烯釋放速率[3]。果實密封5 h后,用注射器吸取罐中氣體1 mL,注入GC9790ⅡB氣相色譜儀進行測定,單位為μL·kg-1·h-1。色譜柱:SUPPORT GDX-502 2 mm×2 m,3 mm。乙烯分析條件:柱箱溫度90 ℃,氣化室溫度140 ℃,氫火焰離子檢測器(FID)溫度200 ℃。載氣為氦氣(He),燃氣為氫氣(H2),助燃氣為混合空氣(Mixed air),氣體流量分別為40 mL·min-1(0.04 MPa),40 mL·min-1(0.04 MPa),30 mL·min-1(0.04 MPa)。

1.2.4 電子鼻分析 果實密封2 h后,用PEN3型電子鼻進行測定。電子鼻檢測條件:清洗時間100 s,校零時間5 s,測試時間150 s,室流量400 mL·min-1,進樣流量400 mL·min-1,取穩(wěn)定狀態(tài)145～147 s的數(shù)據(jù)進行分析[12-15]。PEN3型電子鼻的10個傳感器敏感物質(zhì)說明見表1[22],各傳感器信號響應(yīng)情況見圖1。

表1 PEN3型電子鼻各傳感器的響應(yīng)特性Table 1 Response characteristics of sensors in electronic nose PEN3

圖1 電子鼻響應(yīng)值信號圖Fig.1 Responsive signal of each sensors for ‘Xianghong’pears

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件進行數(shù)值統(tǒng)計和計算,使用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件,采用Duncan法進行顯著性檢驗(P<0.05為差異顯著);利用SigmaPlot 14.0進行繪圖,PCA分析用minitab 19軟件進行數(shù)據(jù)處理和繪圖,LDA分析用SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和繪圖,Loading分析用電子鼻Winmuster 軟件進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 1-MCP對‘香紅’梨呼吸強度與乙烯釋放速率影響

果實采后呼吸強度和乙烯釋放的變化情況影響著果實的貯藏壽命、品質(zhì)變化和抗病能力。降低果實呼吸強度和乙烯釋放量并延遲高峰出現(xiàn)時間,有利于保持果實品質(zhì)、延長貯藏時間、提高果實的商品價值。由圖2可知,貯藏期內(nèi)1-MCP處理組果實的呼吸強度均顯著低于CK組(P<0.05),CK組果實的呼吸強度在貯藏期8 d時出現(xiàn)峰值。貯藏期間1-MCP處理組果實的乙烯釋放速率均顯著低于CK組(P<0.05);CK組果實的乙烯釋放速率在貯藏6 d時出現(xiàn)明顯的躍變高峰,1-MCP處理組果實的乙烯釋放速率在貯藏8 d內(nèi)沒顯著性變化,在10 d出現(xiàn)顯著上升。呼吸作用是果實進行代謝活動的關(guān)鍵生理活動,呼吸旺盛會使其營養(yǎng)物質(zhì)迅速消耗,加速果實衰老。乙烯是一種加速果實成熟與衰老的植物內(nèi)源激素,1-MCP阻礙乙烯與其受體蛋白發(fā)生不可逆結(jié)合,影響乙烯發(fā)揮反饋調(diào)節(jié)作用,進而減少乙烯大量生成,延緩果實后熟衰老[2-3]。本研究結(jié)果表明,1-MCP處理能降低‘香紅’梨采后貯藏過程中的呼吸強度和乙烯釋放速率,延緩果實的成熟與衰老。這與前人在大果水晶梨[2]、雪花梨[3]和京白梨[23]等其他梨品種中的研究結(jié)果一致。

圖2 貯藏期內(nèi)香紅梨的呼吸強度與乙烯釋放速率的變化Fig.2 Changes in respiration intensity and ethylene release rate of ‘Xianghong’ pears during storage注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 電子鼻檢測‘香紅’梨揮發(fā)性氣體變化的PCA分析

將貯藏期CK組與1-MCP處理組果實揮發(fā)性氣體變化進行PCA分析,其目的是將電子鼻輸出數(shù)據(jù)降維成兩個不存在信息交叉的新指標,使得原本復(fù)雜并可能存在相互影響的數(shù)據(jù)變得簡單明了,性質(zhì)相似的樣品在距離上會很接近。CK組PCA分析的主成分1(PC1)和主成分2(PC2)的貢獻率分別為87.41%和10.19%,總貢獻率為97.60%,說明PC1和PC2包含了主要的樣品信息。此時,在PC1上可以分為兩個區(qū)域,0、2、4、10 d的分布區(qū)域接近,其PC1特征值比較小,而6、8 d的分布區(qū)域接近,其PC1特征值比較大,說明在貯藏前期果實的揮發(fā)性氣體接近,隨著果實的成熟,其揮發(fā)性氣體會越發(fā)復(fù)雜和濃郁,揮發(fā)性氣體出現(xiàn)了較大變化。10 d的分布區(qū)域未沿著PC1正向繼續(xù)變化,而是接近0、2、4 d的區(qū)域。這可能是由于在貯藏后期隨著果實逐漸衰老,其揮發(fā)性氣體減少,導(dǎo)致貯藏后期與前期的果實揮發(fā)性氣體較相似。

1-MCP處理組PCA分析的PC1和PC2的貢獻率分別為68.18%、20.41%,總貢獻率為96.85%,說明分析結(jié)果包含了主要的樣品信息。0、2、6、8 d時1-MCP處理組在PC1上的交叉程度比CK組大,說明此階段1-MCP處理組的果實揮發(fā)性氣體相似,這可能是與1-MCP處理能減少貯藏期間‘香紅’梨的揮發(fā)性氣體生成有關(guān)系。但是,4、10 d果實揮發(fā)性氣體的分布區(qū)域偏離其他時間點,這可能由于4 d時果實的呼吸強度和乙烯釋放速率均較低,揮發(fā)性氣體開始釋放較少,而10 d時1-MCP處理果實的乙烯釋放速率增加導(dǎo)致果實揮發(fā)性氣體開始釋放引起。

圖3 香紅梨揮發(fā)性氣體變化的PCA分析Fig.3 PCA analysis of volatile gas in ‘Xianghong’ pears

圖4 香紅梨揮發(fā)性氣體變化的LDA分析Fig.4 LDA analysis of volatile gas in ‘Xianghong’ pears

2.3 電子鼻檢測‘香紅’梨揮發(fā)性氣體變化的LDA分析

如圖4 所示,CK組LDA分析的第一線性判別因子(LD1)和第二線性判別因子(LD2)的貢獻率分別為64.20%和20.80%,總貢獻率為85.00%。貯藏期內(nèi)只有6、8 d的揮發(fā)性氣體分布區(qū)域發(fā)生重疊,說明‘香紅’梨在貯藏6、8 d時的揮發(fā)性氣體相似,而0、2、10 d的果實揮發(fā)性氣體的分布區(qū)域接近,這與PCA分析結(jié)果一致。

1-MCP處理組LDA分析的LD1和LD2的貢獻率分別為67.50%、23.80%,總貢獻率為91.30%。貯藏期間0、2、6、8 d的果實揮發(fā)性氣體的分布區(qū)域發(fā)生重疊或者是距離接近,說明1-MCP處理組在貯藏前期和中期時,揮發(fā)性氣體相似。4、10 d時果實揮發(fā)性氣體的分布區(qū)域未與其他時期發(fā)生交叉或重疊,并且在坐標軸上4、10 d的分布區(qū)域的距離變化較大。

貯藏期4 d時不同處理‘香紅’梨的果實揮發(fā)性氣體的分布區(qū)域均出現(xiàn)了較大變化。CK組果實揮發(fā)性氣體的分布區(qū)域較貯藏前期的變化主要表現(xiàn)在向LD2負向偏移,而1-MCP處理組果實揮發(fā)性氣體的分布區(qū)域較貯藏前期的變化主要表現(xiàn)在向LD1負向偏移。

LDA分析以采集揮發(fā)性成分響應(yīng)值的空間分布狀態(tài)及彼此間的投影距離表現(xiàn)氣味變化的速率[24],它能保證投影后的樣本在空間中有最小的類內(nèi)距離和最大的類間距離,以達到最佳的分離性[25]。從LDA分析圖形上看,同一樣品的測試數(shù)據(jù)比PCA分析更加集中,對于具有揮發(fā)性氣體差異的果實而言,LDA分析有更好的區(qū)分能力。這與薛友林等[24]在藍莓中的研究結(jié)果一致。徐賽等[26]在研究采收時間對不同保鮮環(huán)境荔枝耐貯藏能力的影響時,認為利用LDA分析方法證明,在不同貯藏環(huán)境下B2荔枝儲藏時間的識別效果優(yōu)于B1荔枝。

2.4 ‘香紅’梨揮發(fā)性氣體的Loading分析

對‘香紅’梨的果實揮發(fā)性氣體進行Loading分析表明,Loading分析的第一、第二主成分貢獻率分別達到99.75%、0.13%,總貢獻率為99.88%(圖5),說明分析結(jié)果包含了主要的樣品信息。傳感器W5S、W2W和W2S與原點的距離最遠,其他傳感器不僅與原點的距離較近,并且在位置上存在重疊,說明W5S、W2W和W2S這三個傳感器對區(qū)別CK組和1-MCP組的揮發(fā)性氣體發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

電子鼻分析可以反映果實的后熟進程。貯藏期間不同處理果實揮發(fā)性氣體的W5S、W2W和W2S傳感器信號響應(yīng)值變化情況如圖6所示。CK組果實揮發(fā)性氣體的傳感器信號響應(yīng)值在貯藏期間呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢,而1-MCP組果實的傳感器信號響應(yīng)值變化波動較小。這與乙烯釋放速率的變化規(guī)律(圖2)相似,CK組果實伴隨乙烯釋放速率高峰(6 d)的出現(xiàn),揮發(fā)性氣體響應(yīng)值明顯升高;在貯藏6、8 d時,氮氧化合物(W5S)、有機硫化物和芳香族化合物(W2W)、醇類和部分芳香族化合物(W2S)這三類物質(zhì)明顯增多;之后在10 d時降低。1-MCP組果實乙烯釋放速率始終較低,果實的揮發(fā)性氣體響應(yīng)值也始終保持在較低水平,尤其是對氮氧化合物(W5S)、有機硫化物和芳香族化合物(W2W)、醇類和部分芳香族化合物(W2S)三類物質(zhì)的影響較大。Simona B[27]等在不同桃品種中發(fā)現(xiàn)果實乙烯釋放和揮發(fā)性氣體的變化規(guī)律一致。董萍等[28]發(fā)現(xiàn)南果梨香氣成分的釋放與果實后熟過程有很大關(guān)系,總體上呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,其中1-MCP處理雖延長了果實的貯藏期但使果實香氣成分的種類減少了27.8%。

圖6 貯藏期間香紅梨揮發(fā)性氣體的 傳感器信號響應(yīng)值變化情況Fig.6 Changes of sensors signal response value of volatile gas in ‘Xianghong’ pears during storage

果實中揮發(fā)性氣體能通過脂肪酸、氨基酸、甲羥戊酸、甲基赤蘚糖醇等代謝途徑產(chǎn)生[29]。1-MCP處理‘香紅’梨降低了果實后熟過程中的乙烯釋放速率和呼吸強度,使得果實消耗儲存的能量代謝產(chǎn)物如ATP、NADPH等,而這些正是合成脂肪酸所必須的物質(zhì),脂肪酸合成代謝通路受阻使得果實揮發(fā)性氣體的合成與釋放受到抑制。電子鼻檢測未能具體明確揮發(fā)性成分的種類,所以后續(xù)研究還可利用氣相色譜法-質(zhì)譜法聯(lián)用(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)技術(shù)對果實揮發(fā)性氣體進行定量定性分析,并探究其變化規(guī)律。

3 結(jié)論

1-MCP處理明顯降低‘香紅’梨貯藏期間的呼吸強度和乙烯釋放速率,減少氮氧化合物(W5S)、有機硫化物和芳香族化合物(W2W)、醇類和部分芳香族化合物(W2S)這三類揮發(fā)性物質(zhì)的生成。與PCA分析相比,LDA分析可以更好地對不同后熟階段果實的揮發(fā)性氣體進行區(qū)分。電子鼻分析表明,1-MCP處理延緩了‘香紅’梨果實的后熟進程。