复合气调包装对大蒜鳞茎无氧呼吸代谢的影响

周婧琦，许 建，车玉红，马文鹏，陶金华

（1. 漯河食品职业学院，河南 漯河 462000；2. 新疆农业职业技术学院园林科技分院，新疆 昌吉 831100）

气调包装技术包括人工气调、自发气调包装和复合气调包装，是国际上较为先进的贮藏保鲜方式之一。目前大蒜的贮藏保鲜主要集中在辐照保鲜和气调贮藏两种方式，虽然气调贮藏的效果较好，但笔者在前期研究中发现，自发气调以及不适的气调包装均会加速大蒜腐烂，并致使大蒜丧失原有风味，严重影响鳞茎品质。丙酮酸是糖酵解途径的终产物，参与了无氧呼吸（乙醇发酵或乳酸发酵）和三羧酸循环（TCA）途径，在低O2和（或）高CO2环境下，果蔬易产生无氧呼吸，从而加速组织衰老[1-2]。目前气调贮藏中糖酵解途径研究较多的是大枣，研究认为CO2浓度是影响该途径的主要原因[3]。梁小娥等[4]认为梨枣的贮藏环境中CO2浓度不应超过5%，超过此浓度会加速鲜枣的“酒化”。然而针对大蒜的这一方面研究，目前尚未见报道。

本文以新疆白皮蒜为试材，研究复合气调贮藏条件下不同体积分数CO2对大蒜鳞茎丙酮酸代谢及相关酶、乙烯释放速率、呼吸强度的影响，探究复合气调贮藏对大蒜贮藏性状与品质影响的相关机制，以期为大蒜气调贮藏技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

供试材料为新疆白皮蒜，该大蒜品种为春播大蒜，待大蒜完全生理成熟后，于9 月采收，采收后自然阴干，选取无损伤、无病虫害、蒜皮颜色正常，大小均匀的鳞茎。

塑料包装材料购于新疆风彩包装有限公司，包装袋材质为聚乙烯（PE）复合双向拉伸聚丙烯（BOPP），厚度为0.6mm（0.4mm/0.2mm），包装袋尺寸：25cm×18cm。

丙酮酸、三氯乙酸（TCA）、硫代巴比妥酸（TBA）、氢氧化钠、2,4-二硝基苯肼、乙醛、氯化镁等，均为天津市福晨化学试剂厂产品；乙磺酸（MES）、焦磷酸硫胺素、还原性辅酶Ⅰ（NADH），均为Sigma 公司产品。

1.1.2 仪器与设备

TU-1810 紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；GL-20-Ⅱ高速冷冻离心机，上海安亭科学仪器有限公司；AL204-IC 电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；600 型恒温水浴锅，上海一恒科学仪器有限公司；2014 C 型气相色谱仪，日本岛津公司。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验共设计4 个处理，其中O2体积分数固定为3.5%，CO2体积分数分别为5%、8%、11%、14%，其他以N2补充。充气包装时，先使用真空包装机在真空度0.09 MPa 条件下排除空气，并热封，然后手动分别注入设计的体积气体。每个包装中注入气体总体积为200 mL，每个袋子中6 个鳞茎，设置4 次重复。每30 d取样1 次，共取5 次样，4 个处理，共计80 个气调包装袋，480 个鳞茎。

每30 d 取样1 次，袋内气体不进行处理，取样时选取完整、无病害腐烂的大蒜鳞茎，去掉蒜皮后用液氮急速充分速冻处理，然后将冻样存放于-30 ℃冰箱中，用于测定各生理指标。

1.2.2 测定项目与方法

1.2.2.1 丙酮酸含量

参考曹建康等[5]的方法，采用2,4-二硝基苯肼法测定。丙酮酸与2,4-二硝基苯肼反应生成丙酮酸-2,4-二硝基苯腙，该物质碱性条件下呈樱桃红色，在520 nm 波长处有最大吸收峰。

1.2.2.2 丙酮酸脱羧酶（PDC）和乙醇脱氢酶（ADH）活性

PDC 活性测定参照曹建康等[5]的方法。酶提取缓冲液为0.1 mol/L、pH 6.5 乙磺酸（含2 mmol·L-1二硫苏糖醇（DDT）和40 g/L 聚乙烯吡咯烷酮（PVPP）），PDC反应体系由1.5 mL 0.1 mol/L MES、0.2 mL 5 mmol/L 焦磷酸硫胺素、0.2mL50mmol/LMgCl2、100μL 1.6 mmol/L NADH 溶液、0.2 mL 乙醇脱氢酶溶液、0.2 mL 酶提取液、200 μL 50 mmol/L 丙酮酸溶液。加入丙酮酸后立即摇匀，于340 nm 波长处测定吸光度值，每30 s测定1 次，共测定8 次。

ADH 活性测定参照曹建康等[5]的方法。ADH 反应体系为：2.0 mL 0.1 mol·L-1、pH 6.5 MES 缓冲液、100 μL 1.6 mmol·L-1NADH 溶液、0.2 mL 酶提取液、200 μL 80 mmol·L-1乙醛溶液。加入乙醛后立即摇匀，于340 nm 波长处测定吸光度值，每30 s 测定1 次，共测定8 次。

以每分钟每克鲜品酶促反应吸光度值减小0.01为1 个酶活性单位，PDC 或ADH 的活性单位为：0.01△OD340·min-1·g-1，记为U。

1.2.2.3 乙烯释放速率

参照曹建康等[5]的方法，采用气相色谱仪测定。

气相色谱仪：岛津2014 C 型，色谱条件：Porapak 80-100，2 mm×2 m，不锈钢填充柱，FID 检测器。载气（N2）流速50 mL/min，燃气（H2）流速50 mL/min，助燃气体（空气）流速100 mL/min。进样温度120 ℃，柱温60 ℃，检测温度150 ℃。

采用外标法定量：将150 g 左右大蒜鳞茎置于1 L容器后密闭静置4 h，将注射器内空气彻底排净，由顶部将针头插入密闭容器内，将注射器针杆反复多次推拉后再取气体，抽取气体1 mL，使用气相色谱仪进行测定，每个样品取3 针气样。

1.2.2.4 呼吸强度

参照曹建康等[5]和东惠茹[6]的方法使用气相色谱仪测定。

气相色谱仪：岛津2014 C 型，色谱条件：Porapak 80-100，2 mm×2 m，不锈钢填充柱，FID 检测器。载气（N2）流速20 mL/min，桥电流为90 mA。进样温度120 ℃，柱温60 ℃，检测温度120 ℃。

采用外标法定量：具体操作方法同“1.2.2.3”。

1.2.3 数据处理

采用DPS7.05 软件进行数据统计与分析，方差分析采用LSD 进行最小显著性差异（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 丙酮酸代谢及相关酶活性变化

2.1.1 丙酮酸含量

由图1 可见，在气调贮藏过程中，大蒜鳞芽中丙酮酸含量整体呈持续下降趋势，总体在0～60 d 内为快速下降阶段，60～120 d 为平缓阶段，120～150 d 为二次快速下降阶段。贮藏30 d 时，以5% CO2处理组降幅最大，由67.55 mg/100 g 降至44.05 mg/100 g；以8% CO2处理组降幅最小，降至59.13 mg/100 g。贮藏至60 d 时，丙酮酸含量急速降低，CO2体积分数达到8%时变化量高达34.73 mg/100 g，降幅达到58.73%。贮藏60～120 d 期间，5% CO2处理组丙酮酸含量持续下降，其他各处理均有一定幅度增加，增加幅度分别为35.78%、23.88%、45.13%。贮藏至120 d，大蒜鳞茎中丙酮酸含量快速下降，至150 d 时5% CO2、8% CO2、11% CO2和14% CO2组丙酮酸含量分别为11.70 mg/100 g、15.19 mg/100 g、16.14 mg/100 g和16.52 mg/100 g。

图1 复合气调包装对贮藏期间大蒜鳞茎丙酮酸含量的影响Fig.1 Effects of composite modified atmosphere packaging on pyruvic acid contents of garlic bulbs during storage

2.1.2 丙酮酸脱羧酶活性

低氧和（或）高二氧化碳环境有利于保持果蔬的品质，延长贮藏时间，但不适宜的气体条件则会导致果实伤害，低氧胁迫条件下，丙酮酸代谢途径是重要的环节，其中丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶是该代谢途径中的关键酶[7]。由图2 可见，气调贮藏过程中，随着贮藏时间的延长，PDC 活性呈持续上升趋势，总体来看，相同贮藏时间，CO2体积分数越高，该酶活性越高。贮藏30 d 时，5% CO2和8% CO2处理组的PDC 活性较低，分别为17.13U 和16.67 U，二者间差异不显著；14% CO2处理组的PDC 活性最高，为30.18 U。随着贮藏时间的延长，11% CO2和14% CO2处理组PDC活性均快速升高，至120 d 时分别升至56.25、61.93 U，150 d 时升幅有所下降，分别达到59.39、67.31 U。

图2 复合气调包装对贮藏期间大蒜鳞茎丙酮酸脱羧酶活性的影响Fig.2 Effects of composite modified atmosphere packaging on PDC activities of garlic bulbs during storage

2.1.3 乙醇脱氢酶活性

由图3 可见，ADH 活性变化规律整体上与PDC相似，随着贮藏时间的延长，各处理ADH 活性呈持续上升趋势，CO2体积分数越高，则ADH 活性越高，说明提高贮藏环境中CO2体积分数将诱导该酶活性的升高。整体来看，5% CO2与8% CO2处理组的ADH活性处于较低水平，与同一贮藏时间的11% CO2和14% CO2处理组间呈显著差异（P＜0.05）。贮藏60 d时，5% CO2与8% CO2处理组ADH 活性分别为6.47、5.61 U，11% CO2和14% CO2处理组的酶活分别为10.54、13.68 U。贮藏150 d 时，各处理组间差异加大，5% CO2、8% CO2处理组的ADH 活性分别为12.33、14.90 U，11% CO2、14% CO2处理组的ADH 活性分别为26.11、35.26 U。

图3 复合气调包装对贮藏期间大蒜鳞茎乙醇脱氢酶活性的影响Fig.3 Effects of composite modified atmosphere packaging on ADH activities of garlic bulbs during storage

2.2 乙烯释放速率

由图4 可见，气调贮藏过程中大蒜鳞茎的乙烯释放速率整体呈上升趋势，5% CO2处理组在贮藏期90 d 时出现乙烯释放高峰，其他处理组则表现为持续上升。贮藏60 d 内，各处理组大蒜鳞茎的乙烯释放速率变化较为平缓，介于9.52～29.31 μL·kg-1·h-1，整体变化幅度较小。贮藏90 d 时，8% CO2处理组升高幅度平缓，其他处理组均有显著升高，且以5% CO2处理组变化幅度最大，由22.33 μL·kg-1·h-1增至74.23 μL·kg-1·h-1。5% CO2处理组在90 d 时达到乙烯释放高峰，之后呈快速下降趋势；而其他处理组则呈持续上升趋势，以8% CO2处理组较低。贮藏至150 d 时，14% CO2处理组大蒜鳞茎的乙烯释放速率为88.82 μL·kg-1·h-1，11% CO2处 理组 数 值达 到83.79 μL·kg-1·h-1，处于较高水平，且尚未出现乙烯释放高峰；此时5% CO2处理组最低，为33.56 μL·kg-1·h-1。

图4 复合气调包装对贮藏期间大蒜鳞茎乙烯释放速率的影响Fig.4 Effects of composite modified atmosphere packaging on ethylene release rates of garlic bulbs during storage

2.3 呼吸强度

由图5 可见，整个贮藏期间，大蒜鳞茎的呼吸强度整体呈上升趋势。贮藏60 d 内，大蒜鳞茎的呼吸强度变化较为平缓，鳞芽活动体征较弱；当贮藏时间达到90 d 后，其呼吸强度快速升高，以CO2体积分数为11%和14%时的升高幅度最大。大蒜鳞茎的初始呼吸强度为20.03 mg·kg-1·h-1，贮藏30 d 时各处理呼吸强度略有上升，整体介于21.93～25.16 mg·kg-1·h-1，可见上升幅度很小。贮藏120 d 时，各处理均有大幅上升，以11% CO2处理组和14% CO2处理组变化幅度较大，由90 d 时的30.55、14.55 mg·kg-1·h-1分别上升至80.19、82.23 mg·kg-1·h-1，变化幅度分别为162.49%和465.15%，变化极显著（P＜0.01）。贮藏至150 d 时，5% CO2处理组呼吸强度有所下降，其他处理组均持续上升，以14% CO2处理组呼吸强度最高，为110.56 mg·kg-1·h-1。

图5 复合气调包装对贮藏期间大蒜鳞茎呼吸强度的影响Fig.5 Effects of composite modified atmosphere packaging on respiratory intensity of garlic bulbs during storage

3 讨论

大蒜采后衰老与呼吸作用密切相关，机体作为“活体”所需的能量通过呼吸作用来提供。保持园艺作物采后品质的关键技术之一就是抑制呼吸生理变化，气调贮藏通过调节贮藏环境中的O2和CO2配比来抑制呼吸作用，从而降低生理消耗，达到贮藏保鲜的目的[8-9]。低氧/高二氧化碳环境能够较好地保持贮藏品质，但园艺作物对二氧化碳和低氧的敏感度不同，易于造成胁迫伤害而加快品质劣变，目前针对大蒜鳞茎气调贮藏的气体参数研究相对较少[10-12]。

丙酮酸是糖酵解途径的终产物，且参与了无氧呼吸（乙醇发酵或乳酸发酵）和三羧酸循环（TCA）途径。本研究中的气调贮藏条件下，大蒜鳞茎中的丙酮酸含量呈持续下降趋势，而各贮藏阶段中丙酮酸变化趋势各异。这与孙丽娜等[13]和李红卫[3]研究的冬枣中丙酮酸变化规律不同，认为丙酮酸含量累积趋势是前期升高而后期下降。究其原因，与大蒜的丙酮酸代谢合成路径有关，大蒜中的蒜氨酸在蒜氨酸酶作用下能够合成大蒜辣素，并形成2 分子丙酮酸。由于蒜氨酸与蒜氨酸酶处于细胞的不同位置，在贮藏过程中细胞膜的损伤促进了底物与酶的结合，是丙酮酸合成的一大重要途径。

由丙酮酸代谢可知，丙酮酸代谢受丙酮酸脱羧酶、乳酸脱氢酶（LDH）以及乙醇脱氢酶的影响，前人研究认为在O2体积分数减少的情况下，果蔬仍可维持正常的呼吸作用。O2极端不足时便可诱发无氧呼吸。一般无氧呼吸消失的O2阈值浓度为1%～5%，且与果蔬的品种有关[14-15]。低氧环境中的果蔬能量来源于糖酵解途径，此途径包含丙酮酸代谢，诱导产生参与无氧呼吸的酶[2]，包括PDC、ADH[16]和LDH[17]等，这些酶在防止毒害物质（乙醛、乙醇等）累积方面起到了重要的作用。孙志文等[18]研究了气调包装对西兰花无氧呼吸作用的影响，认为CO2体积分数过高会造成乙醇和乙醛的累积。王亮等[19]研究西兰花气调贮藏条件下丙酮酸脱氢酶（PDH）和琥珀酸脱氢酶（SDH）活性均呈先升高后降低趋势，CO2体积分数升高能够延缓峰值的出现时间。本文研究结果与上述研究结果有所不同，在贮藏150 d 内，大蒜鳞茎的PDC、ADH 活性均呈上升趋势，且CO2体积分数越高，这两个酶的活性越高。

丙酮酸含量的变化是无氧呼吸糖酵解途径和大蒜辣素合成途径相互影响的结果。试验结果表明，在贮藏期60 d 内丙酮酸含量急速下降，说明此阶段主要以丙酮酸降解为主，为无氧呼吸提供能量；贮藏60～120 d 属于平衡阶段，该时期丙酮酸代谢与合成处于相对动态平衡，而随着贮藏时间的延长，无氧呼吸加剧，糖酵解途径占主要作用，丙酮酸被快速降解。

乙烯释放速率与呼吸强度是衡量园艺作物贮藏生理的两个重要指标[20-21]。本试验结果可知，在大蒜贮藏过程中，这两个指标的变化规律相似，由此推测两指标间存在一定的相关性。5% CO2处理组乙烯释放速率在90 d 达到呼吸高峰，呼吸强度在120 d 时最高，其他处理均呈持续上升趋势，且以8% CO2处理组最低。说明在CO2体积分数高于8%时将促进大蒜鳞芽的乙烯释放和呼吸作用，进而加速衰老。

4 结论

上述试验结果表明，大蒜低温（4 ℃）气调贮藏过程中，随着CO2体积分数的升高，PDC、ADH 活性持续升高，丙酮酸含量呈下降趋势；乙烯释放速率与呼吸强度的变化趋势相似，低体积分数CO2贮藏条件下均先出现峰值，高体积分数CO2条件下促进乙烯释放速率与呼吸强度持续增大。综合各指标情况认为，大蒜鳞茎在低温（4 ℃）气调贮藏O2体积分数3.5%时，以CO2体积分数不高于8%为理想配比。该条件能够有效减缓膜脂过氧化程度，降低丙酮酸代谢相关酶活性，减少有害物质累积，同时抑制乙烯释放速率和呼吸强度。