王會松，王子昊，龐廣昌*

（天津商業(yè)大學生物技術(shù)與食品科學學院，天津市食品生物技術(shù)重點實驗室，天津 300134）

熱處理對哈密瓜蔗糖和乳酸通量的影響

王會松，王子昊，龐廣昌*

（天津商業(yè)大學生物技術(shù)與食品科學學院，天津市食品生物技術(shù)重點實驗室，天津 300134）

對哈密瓜進行熱處理會更好地提高其貯藏品質(zhì)，從蔗糖積累和呼吸代謝的角度研究熱處理更能揭示其作用的本質(zhì)。以哈密瓜為材料，研究熱處理對哈密瓜代謝網(wǎng)絡通量的影響。將哈密瓜分別經(jīng)過45、50、55 ℃熱處理3 h之后立即置于最適貯藏溫度5 ℃條件下貯藏21 h，以單一5 ℃處理24 h為對照，得到在不同溫度條件下哈密瓜不同空間位置糖酵解途徑、三羧酸循環(huán)、蔗糖合成途徑、戊糖磷酸途徑的代謝通量。結(jié)果顯示：45 ℃和50 ℃處理組都有較高的蔗糖和乳酸通量，但以45 ℃處理組通量最高，作為熱處理溫度最為合適；而55 ℃處理組與空白對照無較大差別。本實驗從代謝的角度深入研究果實的熱處理貯藏，以期為提高果實的貯藏品質(zhì)提供參考。

哈密瓜；熱處理；蔗糖；乳酸；代謝通量

熱處理是將采后果蔬置于較高的溫度處理一段時間，是為了殺死或抑制某些微生物，以及降低某些和生理代謝相關的酶活性，從而達到延長貯藏保鮮時間的目的［1］。熱處理方式有熱空氣、熱蒸汽、熱水浸泡、遠紅外線及微波處理等［2］。熱處理的優(yōu)勢很明顯，它屬于一種純物理手段，是一種無毒、無農(nóng)藥殘留的處理方法［3］，并且相對來說比較經(jīng)濟且操作簡單。目前鮮有從代謝的角度說明果實采后熱處理對果實品質(zhì)影響的報道；而從代謝這一最基本的生理活動方面來研究，會幫助人們更好地了解和應用熱處理。熱處理在許多果蔬的保鮮方面都有研究與實際應用，如芒果、草莓、葡萄等等。將蘋果在38 ℃條件下處理4 d，之后置于0 ℃冷庫中貯藏一段時間后，其硬度要高于對照［4］；而熱處理對哈密瓜貯藏效果的研究也很多，已有研究［5-6］報道了用熱水處理哈密瓜后，對哈密瓜果實的硬度和呼吸強度等指標進行了測定，結(jié)果表明熱處理有利于哈密瓜的保藏；也有研究［7］報道了哈密瓜經(jīng)過曬處理后再置于最佳貯藏溫度5 ℃條件下貯藏，可明顯提高貯藏品質(zhì)。

研究發(fā)現(xiàn)當哈密瓜處于較高溫度環(huán)境下時有蔗糖合成通量增強的趨勢［8］，而糖分構(gòu)成是影響果實品質(zhì)的一個重要因子［9］，尤其是蔗糖。乳酸在代謝中作為信號調(diào)節(jié)分子，在果蔬的貯藏保鮮中也發(fā)揮了重要的作用［10］。哈密瓜最佳保藏溫度普遍認為是5 ℃，并且從代謝的角度講也是符合的［8］；并且研究表明大于40 ℃的高溫處理之后哈密瓜的蔗糖通量有明顯上升趨勢，這對于果實的品質(zhì)有很大促進作用。熱空氣已經(jīng)應用在了熱處理對果蔬的生理變化的研究當中［11-12］，所以本實驗應用熱空氣對哈密瓜進行處理，研究哈密瓜熱處理之后在蔗糖和乳酸代謝通量方面的變化情況，以探究熱處理對哈密瓜代謝方面的影響。

1　材料與方法

1.1材料

哈密瓜從新疆哈密瓜原產(chǎn)地采摘，選取無機械損傷、無病蟲害、大小均勻、成熟度一致的優(yōu)質(zhì)的瓜。

1.2儀器與設備

3K15高速冷凍離心機 美國Sigma公司；J2-21高速冷凍離心機 美國Beckman公司；HVE-50哈雅瑪高壓滅菌器 日本Hirayama Manufacturing公司；SBA-40C生物傳感器分析儀 山東省科學院生物研究所；Fluoroskan Ascent FL熒光-化學發(fā)光檢測儀 美國Thermo公司。

1.3方法

1.3.1樣品制備

圖1　哈密瓜部位分割圖Fig.1 The segmentation map of Hami melon

將哈密瓜放于氣調(diào)箱（25 cm×43 cm×19.5 cm）中，氣調(diào)比例［13］為5% O2+2% CO2。采用微型實驗冷庫控制溫度，將溫度設置為45、50、55 ℃，氣調(diào)貯藏3 h后（高溫處理采用階躍式升溫方式，此方法在許多其他的果蔬熱處理中都有應用；對熱處理效果更為有效且減少了對果蔬的損傷）立即轉(zhuǎn)入5 ℃貯藏21 h，并且以5 ℃貯藏24 h作為空白對照。處理24 h目的是使其達到在該溫度條件下的一個穩(wěn)態(tài)。每個溫度設3 個平行。由于不同部位的代謝不同，有研究［14］表明，甜瓜的營養(yǎng)和品質(zhì)在很大程度上受不同組織間物質(zhì)代謝的影響，并且蔗糖和葡萄糖等代謝物質(zhì)在不同部位的分布也有差異，所以取出后按哈密瓜中間部位2 cm厚沿赤道平面切開，從瓜皮向瓜心取樣，將哈密瓜分為外果皮、內(nèi)果皮、外果肉、中果肉、內(nèi)果肉5 個部分，分別對應圖1［9］的1、2、3、4、5，用液氮迅速冷凍，在冰浴條件下研磨，勻漿后將勻漿液全部轉(zhuǎn)移入離心管，以10 000×g、4 ℃離心10 min，收集上清液，并于-80 ℃條件貯藏。

1.3.2哈密瓜乳酸和蔗糖代謝網(wǎng)絡圖的構(gòu)建

根據(jù)代謝網(wǎng)絡（一個含有多種酶反應的系統(tǒng)，這些反應產(chǎn)生和消耗代謝物，并通過共同的前體物、產(chǎn)物或效應物相互影響［15］）的研究方法及代謝網(wǎng)絡的構(gòu)建原則［15］，本實驗以哈密瓜為研究對象，選擇糖酵解、蔗糖合成途徑、戊糖磷酸途徑和三羧酸（tricarboxylicacid，TCA）循環(huán)為主要代謝途徑來構(gòu)建代謝網(wǎng)絡，將沒有分支的直線反應合并為一個反應，忽略不在研究范圍內(nèi)的代謝途徑，減少代謝網(wǎng)絡的反應數(shù)目，得到以下代謝網(wǎng)絡圖。

圖2　蔗糖乳酸代謝網(wǎng)絡圖Fig.2 Sucrose and lactate metabolic network

1.3.3葡萄糖、蔗糖、乳酸和NADH濃度的測定

根據(jù)所建立的甜瓜代謝通量模型，測定的代謝速率有12 個（表1），而由胞內(nèi)中間代謝產(chǎn)物可以確定的質(zhì)量平衡方程有8 個（表2）。假設胞內(nèi)中間途徑代謝物處于擬穩(wěn)態(tài)，即這8 個途徑代謝物沒有積累，它們的質(zhì)量平衡方程均為0，這樣就可以得到8 個約束向量。此時該系統(tǒng)的自由度F=4。而代謝產(chǎn)物系統(tǒng)中的NADH可通過實驗測得，那么總約束向量變?yōu)?。通過實驗測定葡萄糖的變化速率r1、蔗糖變化速率r7、乳酸的變化速率r10，已知速率為4 個，此方程可以得到唯一解，將數(shù)據(jù)代入公式中進行計算，進而通過計算方程得到蔗糖和乳酸的通量（穩(wěn)態(tài)速率［15］）。

表1　代謝反應方程Table 1 Metabolic reactions

表2　哈密瓜的質(zhì)量平衡方程式Table 2 Metabolic fl ux model equations

運用生物傳感器分析儀測定出不同溫度貯藏的哈密瓜不同部位中葡萄糖、蔗糖和乳酸的含量。之后分別對其進行時間微分，以測定出變化速率，用于通量的計算。NADH的測定采用熒光-化學發(fā)光檢測儀，用酶法進行測定，參考Schaefer等［16-18］的研究，并進行了改進，其反應體系為0.25 mmol/L HEPES-EDTA緩沖液、100 mmol/L KCl、10 mmol/L MgSO4、3 mmol/L 1，3-BPG、0.5 mmol/L DHAP、0.4 U/mL GAPDH溶液。

1.4數(shù)據(jù)分析

使用Matlab 7.0軟件以及SPSS 17.0 for Windows軟件計算。

2　結(jié)果與分析

2.1代謝通量圖

通過對測定的葡萄糖、蔗糖、乳酸和NADH數(shù)據(jù)進行通量分析，得到了5 ℃單一處理24 h作為空白對照，以及分別經(jīng)過45、50、55 ℃處理3 h后再放置在5 ℃處理21 h這4 組狀態(tài)的代謝通量圖（每個代謝途徑中的數(shù)值按先后在通量圖中對應的順序為：5 ℃單一處理組/45 ℃熱處理組/50 ℃熱處理組/55 ℃熱處理組）。

由圖3可知，哈密瓜經(jīng)過不同溫度的熱處理之后，呈現(xiàn)出了不同的代謝通量分布。各部位在45 ℃和50 ℃處理組相對于空白對照組流向蔗糖和乳酸的通量較多，但是以45 ℃處理組最多。如在內(nèi)果肉和中果肉2 個部位，45 ℃處理組的蔗糖通量比單一5 ℃處理的對照組都高出了將近30%，甚至在內(nèi)果肉中45 ℃處理組的蔗糖通量比55 ℃處理組高出了36%；在外果肉和內(nèi)果皮部位45 ℃處理組的蔗糖通量也較高。而在外果皮部位，50 ℃處理組的蔗糖通量最高。在內(nèi)果肉中哈密瓜葡萄糖大多數(shù)流向蔗糖合成和糖酵解方向，而磷酸戊糖途徑的代謝通量是負的；而在其他4 部位，也是以流向蔗糖合成和糖酵解這兩個途徑為主，磷酸戊糖途徑的代謝通量占到1/4左右，糖酵解在碳源代謝上具有重要作用。從丙酮酸節(jié)點看，在內(nèi)果肉、外果肉和內(nèi)果皮3 個部位中，45 ℃處理組呈現(xiàn)出了較高的乳酸通量；在外果肉中，45 ℃處理組的乳酸通量比對照組多20%，在內(nèi)果皮部位更高，接近30%。而在外果皮中，乳酸通量受溫度的影響比較大，呈現(xiàn)出隨溫度升高而上升的趨勢。在內(nèi)果皮和外果皮部位流向蔗糖和TCA途徑的通量相差不多，而在果肉部位乳酸通量略高于進入TCA的通量，說明無氧呼吸略高于有氧呼吸。蔗糖含量的高低直接影響果實的品質(zhì)，乳酸的通量反映了呼吸代謝的受限狀態(tài)和合成代謝的增強情況，所以經(jīng)過45 ℃熱處理之后對哈密瓜的貯藏有較好的幫助。

圖3　哈密瓜不同部位蔗糖、乳酸通量圖Fig.3 Sucrose and lactate metabolic fl ux networks in Hami melon

2.2蔗糖的代謝通量

圖4　哈密瓜5 部分內(nèi)果肉（A）、中果肉（B）、外果肉（C）、內(nèi)果皮（D）、外果皮（E）在不同溫度條件下處理的蔗糖通量Fig.4 The metabolic fl ux of sucrose in five parts of Hami melon fruit：pulp 3 （A， inner）， pulp 2 （B， middle）， pulp 1 （C， outer）， endocarp （D）， and epicarp （E） at different storage temperatures

哈密瓜可溶性糖中含量最高的是蔗糖，占60%以上［19］。糖分構(gòu)成是影響果實品質(zhì)的一個重要因子［19］，尤其是蔗糖。在哈密瓜的貯藏過程中控制蔗糖分解，降低糖類代謝消耗尤為重要，并且已經(jīng)研究單一的溫度處理24 h之后，使得哈密瓜達到該溫度條件下的生理狀態(tài)，得出5 ℃時蔗糖通量最高［8］。而本實驗結(jié)果（圖4）顯示，經(jīng)過45 ℃和50 ℃的熱處理之后均有較5 ℃空白處理更好的蔗糖通量，且45 ℃處理組的蔗糖通量相對于對照組有顯著的增加。而55 ℃時則出現(xiàn)比較低的蔗糖通量，不適于作為熱處理的溫度；一般認為熱空氣處理應用于果蔬保鮮所用的適宜溫度范圍為30～52 ℃左右［20］，結(jié)果與此相一致。并且有研究［20］表明哈密瓜中蔗糖的合成通量從外到內(nèi)呈先降低后升高的趨勢。在45 ℃熱處理之后，內(nèi)部3 層果肉的蔗糖通量最高，外果皮的蔗糖通量最低；增加蔗糖向果肉部位的流通將會更好地保持哈密瓜的貯藏品質(zhì)。而50 ℃熱處理之后蔗糖通量較5 ℃空白處理也有所增加，但是較45 ℃而言趨勢不太明顯。

2.3乳酸的代謝通量

圖5　哈密瓜5 部分內(nèi)果肉（A）、中果肉（B）、外果肉（C）、內(nèi)果皮（D）、外果皮（E）在不同溫度條件下處理的乳酸通量Fig.5 The metabolic fl ux of lactate in five parts of Hami melon fruit：pulp 3 （A， inner）， pulp 2 （B， middle）， pulp 1 （C， outer）， endocarp （D）， and epicarp （E） at different storage temperatures

乳酸的通量反映了呼吸代謝的受限狀態(tài)和合成代謝的增強情況。已經(jīng)有證據(jù)表明，乳酸在果蔬的貯藏保鮮中發(fā)揮重要作用。如圖5所示，經(jīng)過45 ℃處理之后哈密瓜內(nèi)果肉和外果肉部位的乳酸通量較高，相對于對照組有顯著性的增加，但是在中果肉中高出的不明顯，而是4 種情況的乳酸通量很接近。在外果肉中乳酸通量有明顯的波動，而且以45 ℃和55 ℃熱處理之后的為較高水平。在外果皮部分，乳酸通量隨溫度有較大的變化，受溫度的影響較大，并且隨溫度的升高，乳酸通量有明顯升高的趨勢。上述結(jié)果顯示，45 ℃熱處理更有利于降低呼吸代謝，增加蔗糖的合成代謝。

3　結(jié) 論

近年來熱處理作為提高果蔬貯藏質(zhì)量的有效方法研究的越來越熱。本實驗將哈密瓜分別放置在45、50、55 ℃ 3 個溫度條件下處理3 h（階躍式升溫方式，既有助于熱處理效果，又降低對果實的損害）之后立即放置在最佳貯藏溫度5 ℃環(huán)境下21 h，以單一5 ℃作為空白對照組處理24 h，以使其達到該狀溫度條件下的生理狀態(tài)。結(jié)果顯示經(jīng)過45 ℃和50 ℃熱處理之后蔗糖合成通量都相對于對照組有增加，而45 ℃最為明顯；50 ℃處理的情況較空白也有好的效果，但是不明顯。而55 ℃熱處理之后蔗糖合成通量相對于對照組沒有優(yōu)勢。一般認為30～52 ℃是最佳的熱處理溫度［20］，此溫度范圍內(nèi)蔗糖會有一個較高的合成通量。蔗糖的含量會直接影響哈密瓜的果實品質(zhì)［19］。蔗糖在果實中具有貨幣的屬性，是最穩(wěn)定的糖分；當哈密瓜經(jīng)歷熱處理時，機體本身會對惡劣的外部環(huán)境做出相應的應激反應，根據(jù)稀溶液依數(shù)性原理，在一定溫度范圍內(nèi)經(jīng)過熱處理，會減少果實水分，增加蔗糖含量，這樣就可以減少蒸騰作用。乳酸的通量反映了呼吸代謝的受限狀態(tài)和合成代謝的增強情況，它是重要調(diào)節(jié)物和信號分子［22］，它在果蔬的貯藏保鮮中發(fā)揮重要作用［10］。在內(nèi)果肉和中果肉兩層中乳酸的變化情況不是很明顯，趨向于一個穩(wěn)定情況；但是45 ℃和50 ℃都比空白組略微高；在外果皮中，由于直接接觸外部環(huán)境，導致其受到環(huán)境的影響比較大，有一種隨溫度升高而升高的趨勢。綜上結(jié)果，45 ℃熱處理之后更有利于降低呼吸代謝并用于增強蔗糖的合成通量，從代謝的角度講，經(jīng)過45 ℃的熱處理對提高哈密瓜的貯藏品質(zhì)更為有效，以期為提高果蔬貯藏品質(zhì)提供參考。

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Effects of Heat Treatment on Sugar and Lactic Acid Flux in Hami Melon

WANG Huisong， WANG Zihao， PANG Guangchang*
（Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology， College of Biotechnology and Food Science，Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

This study aimed to determine whether heat treatment can better improve the storage quality of Hami melon. The nature of heat treatment was revealed by studying sucrose accumulation and respiratory metabolism. This study investigated effects of heat treatment on respiratory metabolic network flux of Hami melon. Hami melon was stored at different temperatures （45， 50 and 55 ℃） for three hours and then at 5 ℃ for 21 hours using storage at 5 ℃ for 24 hours as control in order to obtain the metabolic fl ux of embden meyerhof pathway （EMP）， tricarboxylicacid （TCA） cycle， sucrose synthesis pathway （SSP） and pentose phosphate pathway （PPP） of different fruit locations of Hami melon at different temperatures. The results showed higher sugar and lactic acid fl ux in 45 and 50 ℃ groups and the highest values in 45 ℃ treatment group，representing the most appropriate heat treatment. However， only slight difference existed between 55 ℃ treatment and control groups. These fi ndings can provide

for in-depth study on heat treatment from a metabolic perspective and for improving the storage quality of fruits.

Hami melon； heat treatment； sugar； lactate； metabolic fl ux

TS255.1

A

1002-6630（2015）18-0021-06

10.7506/spkx1002-6630-201518004

2015-01-25

國家自然科學基金面上項目（31371773）；天津市科技支撐計劃項目（10ZCKFNC01800）

王會松（1990—），男，碩士研究生，研究方向為代謝工程。E-mail：master.whs@hotmail.com

龐廣昌（1956—），男，教授，博士，研究方向為食品生物技術(shù)。E-mail：pgc@tjcu.edu.cn