張 靜，王蓉蓉，單 楊,4,*，潘 浪，付復華，丁勝華,4,*

（1.湖南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，湖南 長沙 410125；2. 湖南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；3.湖南農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院，湖南 長沙 410128；4.果蔬貯藏加工與質量安全湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410125）

陸生植物地上部分器官（如植物的花、葉、果實等）表面圍繞著一層脂質層，具有阻止水果的非皮孔性水分損失、機械損傷和微生物及昆蟲的入侵，并提供機械支撐等重要生理功能[1-2]。雖然植物表皮角質層的化學成分具有很大的差異[3]，但它們都是由角質和蠟質兩個主要部分組成。角質是由羥基脂肪酸和環(huán)氧脂肪酸組成的聚酯化合物，是角質層的骨架結構。蠟質層主要由特長鏈（C20～C34）飽和脂肪酸及其衍生物（烴、醛、醇、酯等）、萜類物質和其他微量次級代謝物（固醇及類黃酮類等）組成。植物蠟質層又可分為兩層，填充于角質內的叫內蠟，覆蓋在角質表面的叫外蠟。另外，外蠟在植物發(fā)育過程中可進行自組裝形成各種晶體結構，如血小板狀、板狀、緞狀、線狀等[4]。

果實表皮角質層在果實發(fā)育過程中形成，并在果實采后貯藏品質變化中起著重要調控作用[1]。如李宏鍵等[5]發(fā)現(xiàn)，具有厚且均勻致密角質層的蘋果品種，其采后硬度和質量損失率變化較小。郜海燕等[6]研究發(fā)現(xiàn)，藍莓的外表皮蠟質受損后更容易發(fā)生軟化、衰老現(xiàn)象。Dong Xiaoqing等[7]發(fā)現(xiàn)‘紅富士’蘋果在0 ℃貯藏過程中，總蠟含量逐漸減少，而經(jīng)1-甲基環(huán)丙烯（1-methylcyclopropene，1-MCP）處理則能顯著抑制總蠟含量降低。雖然關于柑橘果實表皮角質層的研究早有報道，但主要集中在‘紐荷爾’臍橙及其突變體和果實在生長過程中的蠟質變化[8-10]。如Liu Dechun等[8]對野生型和突變型‘紐荷爾’臍橙生長過程中蠟質成分、含量變化和相關基因的表達量進行了分析，發(fā)現(xiàn)蠟質合成和運輸基因的表達下調伴隨著脂肪族物質含量的減少和外蠟晶體的損失，從而導致了突變體‘紐荷爾’臍橙的光滑表型。Wang Jinqiu 等[9]對‘紐荷爾’臍橙生長和成熟中角質層的形成進行了轉錄組和代謝組分析，結果表明角質的積累與果實的生長同步，而蠟質的合成與果實的成熟過程同步。然而，關于柑橘果實在貯藏過程中角質層成分變化的研究卻很少。

果實角質層作為病原菌侵染的最外層屏障[11]，一方面，對病原菌的生長和分生孢子的萌發(fā)具有一定的抑制作用。如Li Yongcai等[12]發(fā)現(xiàn)不同發(fā)育階段的蘋果梨表面提取的蠟質能夠抑制鏈格孢菌（Alternaria alternata）孢子的萌發(fā)和菌絲的生長；Martin等[13]報道蠟質能夠抑制部分蘋果品種病原菌如白澀病菌（Podosphaera leucotricha）分生孢子的萌發(fā)。另外，蠟質中包含有抑菌化合物并且病原菌侵染的過程受蠟質形態(tài)和厚度的影響也有報道[14]。另一方面，一些研究者報道，提取的蠟質對一些病原菌孢子的萌發(fā)和分化具有促進作用。如Podila等[15]觀察到鱷梨果實的表面能夠作為化學信號引發(fā)炭疽桿菌（Colletotrichum gloeosporiorides）孢子的萌發(fā)和附著胞的形成。

柑橘（Citrus reticulata Blanco.）是世界第一大類水果，我國作為柑橘第一生產(chǎn)大國，2016年柑橘年產(chǎn)量為3 764.87萬 t[16]。由指狀青霉（Penicillium digitatum）引起的綠霉病是柑橘采后重要病害之一。目前，柑橘青綠霉病的防治主要采用化學防治和生物防治措施[17]，但由于人們對這種病害侵染過程了解不夠深入，柑橘采后商品化處理過程中仍存在較大染綠霉病的風險。本實驗室前期雖然對采收時溫州蜜柑果實表面的角質層組分和微觀結構進行了分析[18]，但果實在貯藏過程中角質層組分變化特征以及這種變化是否會影響指狀青霉對果實的侵染還不清楚。因此，本實驗以溫州蜜柑（Citrus unshiu）為材料，利用氣相色譜-質譜聯(lián)用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）技術對其貯藏過程中角質層組分及含量變化進行了分析，并采用體外實驗探究了角質層在對指狀青霉孢子萌發(fā)和菌絲生長的影響，旨在為溫州蜜柑的采后病害調控提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

以溫州蜜柑為實驗材料，2016年10月10日購買于湖南省石門縣。

阿拉伯膠 上海阿拉丁試劑有限公司；吐溫-80、三氯甲烷、丙酮、甲醇、二氯甲烷、吡啶（均為分析純）、正構二十四烷（色譜純） 國藥集團化學試劑有限公司；體積分數(shù)14%三氟化硼甲醇溶液 德國C N W公司；N,O-雙（三甲基硅烷）三氟乙酰胺（N,O-bistrimethylsilyl trifluoroacetamid，BSTFA）Sigma-Aldrich上海貿易有限公司；纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶 上海瑞海生物科技有限公司；PDA培養(yǎng)基廣東環(huán)凱微生物科技有限公司；指狀青霉（Penicillium digitatum，GIM3.490） 廣東省微生物菌種保藏中心。

1.2 儀器與設備

Organomation氮吹儀 銘奧國際有限公司；7890A-5975C GC-MS儀 安捷倫科技有限公司；RE-52AA旋轉蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；XSP-30光學顯微鏡 江西鳳凰光學科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料處理及孢子懸浮液制備

以果面光潔、無機械損傷、大小均一、新鮮成熟的溫州蜜柑為實驗材料。將200 個果實分為20 組，每組10 個果實，于4 ℃、相對濕度85%的環(huán)境中貯藏40 d。每隔10 d進行一次取樣，每次3 組果實用于角質層分析。

取培養(yǎng)了7 d的指狀青霉培養(yǎng)基，加入含體積分數(shù)0.05%吐溫-80的適量無菌水，用涂布棒輕輕刮涂平板上的病原菌孢子，然后經(jīng)3 層紗布過濾到三角瓶中，為了使孢子分散均勻，先在振蕩器上振蕩，然后鏡檢，由血小板計數(shù)器計數(shù)并調整孢子懸浮液濃度至1×106個/mL。

1.3.2 指標測定

1.3.2.1 果實角質層成分提取與測定

蠟質層提?。簠⒖糒iu Dechun等[8]的方法提取外蠟和內蠟，并略作修改。提取外蠟時，將2 次獲得的阿拉伯膠用蒸餾水溶解，并在室溫下用3 倍體積的三氯甲烷抽提。最后分別加入200 μL 1 μg/μL的正構二十四烷為內標，在氮氣下吹干，貯存于－20 ℃，待測。

蠟質層成分測定：每個樣品中加入一定體積的吡啶，50 ℃于烘箱中保持30 min，加入等體積的BSTFA，60 ℃衍生40 min。氮氣吹干多余的衍生化試劑后重新溶于5 mL氯仿中，用孔徑0.22 μm的微孔濾膜過濾，用于GC-MS分析。采用HP-5毛細管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）和MS檢測器。GC條件為：進樣口溫度280 ℃，質譜源溫度230 ℃，柱流速2 mL/min，恒定流速；Aux-2溫度280 ℃，載氣為氦氣，無分流注樣，進樣量1 μL。MS條件為：電子轟擊電離方式，能量70 eV，質量掃描范圍50～600 amu，全掃描方式，溶劑延遲8 min。升溫過程為70 ℃保持1 min，以20 ℃/min升溫至200 ℃，保持2 min，再以5 ℃/min升溫至320 ℃，保持20 min。各種蠟質成分經(jīng)GC-MS檢測后得到其離子峰，依據(jù)質譜庫進行檢索判定，并與內標比較進行定量分析，蠟質含量用單位面積果皮所含質量表示。

果皮角質提取與分析：用內徑為1.7 cm的打孔器在去除蠟質成分的每個果實赤道部位均勻取4 個孔，參考Wang Jinqiu[9]、Pacchiano[19]等的方法，并略作修改，將獲得的小圓片進行酶解。在酶解過程中，每隔1～2 d換一次液。為了防止污染，經(jīng)酶解的小圓片立即進行連續(xù)提取。用甲醇浸提6 h后用二氯甲烷浸提17 h，最后用四氫呋喃提取20 h。得到的角質在體積分數(shù)14%三氟化硼甲醇溶液中于70 ℃轉酯解聚16 h，冷卻后過濾，加入3 倍體積的飽和NaHCO3溶液終止反應。最后加入200 μL 1 μg/μL的正構二十四烷為內標，在氮氣下吹干，貯存于－20 ℃，待測。

角質成分分析：每個樣品（約20 mg）加入2.5 mL的吡啶，并加入等體積的BSTFA，90 ℃衍生40 min。升溫過程為50 ℃保持2 min，以10 ℃/min升溫至150 ℃保持1 min，再以3 ℃/min升溫至310 ℃，保持20 min。各種角質成分經(jīng)GC-MS檢測后得其離子峰，依據(jù)質譜庫和文獻進行檢索判定，并與內標比較進行相對定量分析，角質的含量用單位果皮面積所含質量表示。

1.3.2.2 果實表面積測定

根據(jù)參考文獻[20]的方法測定果實表面積。蜜柑表面積按下式計算。

式中：m0為果皮的總質量/g；S、m分別為打孔器獲得的40 個小圓片的總面積/cm2和總質量/g。

1.3.2.3 果實角質層各組分提取物處理指狀青霉的體外實驗

參照Li Yongcai等[12]的方法略作修改。將400 μL角質層各組分均勻涂布于底部含有PDA培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中，以水和氯仿為對照。待溶劑自然風干后，分別接入200 μL 1×106個/mL的指狀青霉孢子懸浮液，在培養(yǎng)箱（28 ℃、24 h黑暗）中培養(yǎng)7 d，測菌落直徑，每組3 個平行，實驗重復3 次。

將用氯仿溶解的果實角質層各組分均勻涂布于蓋玻片上，自然風干。同時，以氯仿和水涂布于蓋玻片上作為對照。然后在上述蓋玻片上接種1 滴（10 μL/滴）1×106個/mL的孢子懸浮液，并置于底層鋪有用無菌水浸濕的培養(yǎng)皿中。然后在28 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)12 h后，用光學顯微鏡觀察孢子萌發(fā)的情況，記錄數(shù)據(jù)并計算孢子萌發(fā)率。實驗每組3 個平行，重復3 次。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Origin 8.0軟件對數(shù)據(jù)進行整理分析和作圖。數(shù)據(jù)結果以平均值±標準差表示；進行單因素方差分析，顯著性分析采用t檢驗。P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 溫州蜜柑冷藏過程中角質層含量變化

表1 溫州蜜柑冷藏過程中角質層含量Table1 Changes in the amounts of cuticle, wax, and cutin of mature Satsuma mandarin fruit during cold storage

如表1所示，溫州蜜柑冷藏過程中蠟質、角質含量整體呈先上升后下降的趨勢。在冷藏第10天，溫州蜜柑外蠟含量從1.11 μg/cm2（0 d）上升到3.71 μg/cm2，冷藏40 d后下降到0.79 μg/cm2。溫州蜜柑內蠟含量顯著高于外蠟含量，且在冷藏第20天時其含量達到最高值（5.50 μg/cm2）；在冷藏第30天時其含量達到最低值（4.14 μg/cm2）。角質是角質層的主要成分，冷藏過程中，其含量的變化幅度最大，在冷藏第10天，其含量由52.50 μg/cm2（0 d）上升到56.30 μg/cm2，然后在第30天下降到32.00 μg/cm2。品種和貯藏環(huán)境的不同可能會引起角質層產(chǎn)生不同的響應。如Cajuste等[21]將成熟的‘Navelate’柑橘在22 ℃貯藏14 d后，發(fā)現(xiàn)表皮蠟質含量增多，且在乙烯處理的柑橘中更顯著。

2.2 溫州蜜柑冷藏過程中外蠟各組分比例及主要成分變化

圖1 溫州蜜柑果實外蠟中各組分比例Fig.1 Proportion of each component in the epicuticular wax of Satsuma mandarin fruit

如圖1所示，溫州蜜柑外蠟主要由脂肪酸、烷烴及少量萜類等組成。脂肪酸是溫州蜜柑外蠟中含量最豐富的蠟質組分。不同柑橘品種中外蠟主要成分存在差異，如Wang Jinqiu等[22]發(fā)現(xiàn)脂肪酸是溫州蜜柑外蠟中最豐富的組分，占外蠟含量的48%；而Sala[23]發(fā)現(xiàn)烷烴是‘Fortune’柑橘果實中最豐富的外蠟組分。這些研究結果不一致，一方面可能是因為生長環(huán)境以及品種的差異；另一方面可能是因為采樣方法的不同，如Sala[23]報道從面北樹枝上采收的‘Fortune’柑橘果實與從面南樹枝上采收的果實的蠟質含量存在差異。目前已發(fā)現(xiàn)不同果蔬間如蘋果[7,24]、葡萄[25]、柿子[26]、番茄及其突變體[27]角質層組分存在顯著差異，這些差異可能與角質層相關的生理特征如失水率或機械性能等相關。在冷藏過程中，外蠟中的萜類物質比例變化最大，其比例在貯藏前期（0～10 d）顯著下降，在貯藏中期（10～20 d）保持相對穩(wěn)定，而在貯藏后期（30～40 d）則顯著增加。外蠟中的烷烴類組分比例在冷藏過程中不斷增加，這可能與溫州蜜柑抵御冷害、防止外蠟結構破壞有關。Sala[23]也發(fā)現(xiàn)在低溫條件下，‘Fortune’柑橘果實的外蠟更易裂化和損傷，而烷烴含量增加能顯著延緩蠟層的裂化。由表2可見，在0 d時，在溫州蜜柑外蠟中僅檢測出15 種化合物，其中含有脂肪酸類化合物9 種，烷烴類化合物4 種，萜類化合物2 種。在冷藏過程中，外蠟中各類組分的變化與其主要化合物的變化一致。在冷藏前10 d，脂肪酸含量從0.73 μg/cm2增加到3.09 μg/cm2，之后下降至0.64 μg/cm2（40 d）。烷烴是形成結晶蠟所必需的化合物，在冷藏第20天其含量由0.12 μg/cm2（0 d）上升到0.42 μg/cm2，然后在第40天下降到0.13 μg/cm2。萜類物質在外蠟中的含量較低且在貯藏過程中顯著下降。

表2 溫州蜜柑冷藏過程中外蠟主要成分Table2 Changes in major components of epicuticular wax in Satsuma mandarin fruit during cold storage

2.3 溫州蜜柑冷藏過程中內蠟各組分比例及主要成分變化

如圖2所示，在冷藏過程中，隨著脂肪酸類所占比例的減少，溫州蜜柑內蠟萜類物質的比例在冷藏過程中逐漸增加。在冷藏的前30 d，烷類物質和醇類物質的比例保持相對穩(wěn)定。烷烴和脂肪酸在外蠟中所占的比例高于在內蠟中所占的比例，而萜類物質主要存在于內蠟中；這是內蠟和外蠟最主要的差異[8,22,28]，且這種差異在果實的成熟階段更明顯。萜類物質主要存在于角質層的內部，說明萜類可能不是涉及蠟晶形成的主要物質[8,22]；這在本實驗中也進一步得到了驗證。不同成分內外蠟質分配存在多種假說。Buschhaus等[29]認為脂肪族物質呈線性一維結構，三萜類物質是環(huán)狀，呈二維結構，凝聚狀態(tài)下二者不能相容；因此，三萜類物質填充于聚酯結構的角質中。內蠟主要成分變化如表3所示，盡管溫州蜜柑冷藏過程中內蠟的主要脂肪酸組分與外蠟相同，但它們的含量與外蠟有顯著區(qū)別。在0 d時，在溫州蜜柑內蠟中共檢測到25 種化合物，其中脂肪酸組分檢測出10 種，烷烴組分檢測出7 種，萜類物質檢測出6 種，醇類檢測出2 種。不管在外蠟還是內蠟中，二十九烷都是溫州蜜柑烷類組分中含量最高的化合物，這在其他水果如亞洲梨[30]、甜櫻桃[31]、蔓越莓[32]中也有類似報道。萜類物質以角鯊烯、羽扇烯酮、β-香樹精和軟木三萜酮為主要化合物，同時在內蠟中還檢測出了微量的菜油甾醇、豆甾醇、羊毛甾醇，內蠟中萜類物質含量在冷藏過程中呈先下降再上升的反復波動狀態(tài)。

圖2 溫州蜜柑果實內蠟中各組分比例Fig.2 Proportion of each component in the intracuticular wax of Satsuma mandarin fruit

表3 溫州蜜柑冷藏過程中內蠟主要成分Table3 Changes in major constituents of intracuticular wax in Satsuma mandarin fruit during cold storage

續(xù)表3

2.4 貯藏過程中溫州蜜柑角質成分變化

表1 溫州蜜柑冷藏過程中角質主要成分Table1 Change in major acid composition of cutin in Satsuma mandarin fruit during cold storage

溫州蜜柑在冷藏過程中角質含量顯著降低（表1）；貯藏過程中，果皮角質的降解可能會導致一系列活性氧簇的釋放，從而提高果實對微生物侵染的抵抗力。Isaacson等[27]發(fā)現(xiàn)番茄果實角質的缺陷會影響其果皮的生物力學特性以及對微生物的抗性，但并不影響水分的散失速率。如表4所示，在0 d時，溫州蜜柑主要角質單體成分為肉桂酸和十六碳二酸，含量分別為25.60 μg/cm2和13.80 μg/cm2。其他角質層單體成分包括十五烷酸、棕櫚酸、十八烷酸、二十四烷酸、二十八烷酸。冷藏時，肉桂酸含量逐漸下降，在第40天時含量最低，為13.90 μg/cm2；十六碳二酸含量先增加到17.90 μg/cm2（10 d），然后下降到6.60 μg/cm2（40 d）。本研究結果表明冷藏時角質含量發(fā)生較大的變化，可能會進一步影響角質層的性質，從而影響果實的耐貯性和品質等。如Marga等[33]曾報道，角質單體C16/C18的比例會影響角質層的機械性能；當角質中含有較多的C16單體時會具有更高的剛性；當角質中的C16單體和C18單體含量相等時會具有較高的彈性。然而，這兩種單體的比例是如何控制角質層機械性能的理化基礎還不清楚。在本實驗中，C16和C18單體的含量和比例在貯藏過程中不斷變化，這是否與貯藏過程中果實硬度相關需要進一步的探究。

2.5 不同角質層組分對指狀青霉菌落生長和孢子萌發(fā)的影響

圖3 外蠟（A）、內蠟（B）、角質（C）提取物對指狀青霉菌落生長和孢子萌發(fā)的影響Fig.3 Effect of epicuticular wax （A）, intracuticular wax （B） and cutin （C）extracts on mycelial growth and spore germination of Penicillium digitatum

作為病原菌侵染的第一層屏障[11]，果實角質層在病原真菌侵染的過程中具有雙重作用。一方面，角質層覆蓋在植物器官表面形成物理屏障阻止病原真菌的侵入；另一方面，角質層為病原真菌提供化學信號促進其侵入[34]。如圖3所示，與水處理相比，氯仿對指狀青霉菌落的生長和孢子萌發(fā)無顯著影響。冷藏過程中提取的外蠟顯著促進菌落的生長（P＜0.05）（圖3A）。除冷藏第40天，內蠟處理組指狀青霉菌落直徑和孢子萌發(fā)率均顯著低于水處理組（P＜0.05），說明提取的內蠟抑制菌落生長（圖3B）。外、內蠟對指狀青霉作用的差異可能是因為具有抗菌作用萜類物質主要存在內蠟中。如Naziri等[35]報道由野生型酵母菌代謝產(chǎn)生的角鯊烯能夠作為一種安全的化學物質來清除氧自由基，推遲水果的衰亡。Liu Pu等[36]報道法尼醇的積累能夠抑制柑橘病原菌的生長，保護果實抵抗生物脅迫。本實驗中，法尼醇和角鯊烯主要存在于內蠟中。此外，冷藏時，內蠟中脂肪酸含量整體上呈降低趨勢，而烷烴類物質含量先增加后降低。由此推測，脂肪酸能夠促進病原真菌的生長，而烷類物質能夠抑制病原真菌的生長。這一結果與其他研究結果類似，如Li等[37]曾報道，來自蘋果梨表皮中不同碳鏈長度的烷烴具有抗菌性。Yin Yan等[30]也曾通過體外實驗證明了蠟質中的烷烴和三萜類化合物對Alternaria alternata孢子萌發(fā)和菌絲生長上具有抑制作用。角質對指狀青霉菌落的生長無顯著影響，但能顯著抑制指狀青霉孢子的萌發(fā)（圖3C）；有報道指出角質能夠被病原菌產(chǎn)生的酯酶、角質酶和其他的胞外水解酶等解聚為角質單體，能夠刺激病原菌的萌發(fā)[38]，本研究中與其結果的差異是否與角質所處的狀態(tài)有關還需進一步研究。

3 結 論

冷藏過程中，溫州蜜柑中蠟質、角質含量整體呈先上升后下降的趨勢。烷烴和脂肪酸在外蠟中所占的比例高于在內蠟中所占的比例，而萜類物質主要存在于內蠟中；這是溫州蜜柑內蠟和外蠟最主要的差異。在冷藏過程中，烷類組分在外蠟中比例不斷增加，而在內蠟中比例保持相對穩(wěn)定。隨著脂肪酸類組分的比例在內蠟中減少，萜類物質的比例在冷藏過程中逐漸增加。不同角質層組分對指狀青霉菌落生長和孢子萌發(fā)的影響不同，內蠟會顯著抑制指狀青霉菌落的生長和孢子的萌發(fā)；角質對指狀青霉菌落的生長無顯著影響，但能顯著抑制指狀青霉孢子的萌發(fā)；外蠟對指狀青霉的生長具有促進作用。

低溫時水果中的許多代謝都會增強或者重新定向，關于溫州蜜柑冷藏期間果實表皮角質化學組分合成和代謝的調控機理還需進一步研究。同時，角質層中不同成分如何對病原真菌侵入響應對果實采后貯藏有重要影響，因此需要對每個特定化合物在水果中的生物作用進一步研究。