第四章 果蔬成熟衰老生理

第四章果蔬成熟衰老生理 第一节成熟与衰老的概念 一 成熟与衰老的几个概念成熟和衰老是有机体生命活动过程中的两个阶段 成熟在词典中的解释是指达到完成生物某系统的代表性阶段的状态 如植物的果实或谷物生长到可收获的程度 在英文中 maturation ripening都可翻译为成熟 但二者在程度上有实质性的差异 Maturation m t u re n 是指果实最后达到充分大小可以采摘 但不一定是食用品质最佳 的过程 也可以称为初熟或可采成熟度 Ripening熟成 完熟 则指果实经过一系列质变 达到完全可以食用的阶段 一般将其称为 完熟 或 鲜食成熟度 Ripeningisaprocessinfruitsthatcausesthemtobecomemoreedible Ingeneral afruitbecomessweeter lessgreen andsofterasitripens Watada等把成熟定义为 果实达到生理学和园艺学成熟度的一个发育阶段 完熟则定义为 生长发育末期即衰老早期所发生的 导致果实美学特性或食用品质变化的一系列事件 Thesetrendsrepresentthegeneralisedbehaviouroffruitmaturationwithrelativeaccuracy 成熟与完熟是两个不同质的生育过程 在成熟后期 果实一面继续成熟 一面深化而开始完熟进程 这里的成熟过程是指果实停止生长之后进行的一系列生物化学变化 即从maturation向ripening阶段转化的过程 maturation ripening INTRODUCTIONtoFruitdevelopment Fruitandvegetabledevelopmentstartswithformationofanediblepart fruitsetting seedlingemergence tuberdevelopment orstalkdevelopment andendswithlossofediblecharacterthroughphysiologicaldeterioration developmentoffibrouscharacter orspoilagethroughmicrobiologicalintervention 座果 出苗 Maturationisthestageofdevelopmentleadingtotheattainmentofphysiologicalorhorticulturalmaturity Physiologicalmaturityisthestageofdevelopmentwhenaplantorplantpartwillcontinueontogenyevenifdetached Horticulturalmaturityisthestageofdevelopmentwhenaplantorplantpartpossessestheprerequisitesforutilisationbyconsumersforaparticularpurpose 分离 生理成熟度 园艺成熟度 个体发育 Maturationatharvestisthemostimportantfactorthatdeterminesstorage lifeandfinalfruitquality Ripeningisthecompositeoftheprocessesthatoccurfromthelatterstagesofgrowthanddevelopmentthroughtheearlystagesofsenescenceandthatresultsincharacteristicaesthetic美学的and orfoodquality asevidencedbychangesincomposition colour texture orothersensoryattributes i s et k 综合 Fruitscanbedividedintotwogroups 1 fruitsthatarenotcapableofcontinuingtheirripeningprocessonceremovedfromtheplant and2 fruitsthatcanbeharvestedmatureandripenedofftheplant Followingareexamplesfromeachgroup Group1 berries suchasblackberry raspberry strawberry cherry citrus grapefruit lemon lime orange mandarin andtangerine grape lychee pineapple pomegranate tamarillo Group2 apple pear quince persimmon apricot nectarine peach plum kiwifruit avocado banana mango papaya cherimoya sapodilla sapote guava passionfruit 树上成熟 树下成熟 Inthediagramaboveontheleftisanunripefruit Itishard green sour hasnosmell ismealy starchpresent andsoon 衰老senescence是指果实生长已经停止 完熟变化基本结束后进入的时期 Watada把衰老定义为 随着生理学或园艺学成熟度增加而导致组织死亡的过程 Senescenceorbiologicalagingisthechangeinthebiologyofanorganismasitagesafteritsmaturity Thereareanumberoftheorieswhysenescenceoccursincludingthosethatitisprogrammedbygeneexpressionchangesandthatitistheaccumulativedamageofbiologicalprocesses 二 果实成熟的特征不同果实的具体成熟过程是不相同的 但它们也有共同的特征 表4 1 1 正如一切生物体终不免进入衰老和死亡一样 果实最后也从成长转入衰老 2 果实成熟是由激素控制的 其中最重要的是乙烯 3 成熟过程是不可逆的 4 果实在成熟过程中 物质的合成和降解过程同时进行 5 果实的成熟是一个需能过程 Thecomplexitiesofmaturitydefinitionhaveresultedinthedevelopmentofanumberofmaturityindicesthatattempttorelateachemicalorphysicalmeasurementtothecommercialmaturityoftheparticularcommodity Theintentionisthattheseindiceswillreflectorpredictthequalityorqualitygradeofthecommodityreceivedbythecustomer MATURITYINDICES成熟指标 Commonlyselectedfactorsreflectinghorticulturalmaturityincludefirmness skincolor fleshcolor sugarcontent solublesolids acidcontent andpigments Daysfromfullbloom Fig 2 andheatunitaccumulation Table4 Peas duringspecificperiodsduringthegrowingseasonarealsoused Inothercasessuchasinbananas aphysicalchangeisused andthefruitisharvestedwhenridgesonthesurfaceoftheskinchangefromangulartoround Inpractice anyanalyticalorphysicalmeasurementthatchangeswithphysiologicaldevelopmentandrelatestocustomeracceptancehaspotentialasamaturityindex andtheuseofsensorypanelstodemonstratethisrelationshipisafairlyrecentdevelopment 成熟度指数 Thematurityindexshouldbeeasilydetermined usesimpleequipment andprovidegoodcorrelationwithefficacyinfinaluse ef k si Maturityindicesincludecolor juicecontent levelofsolublesolid 成熟度指数 Firmnessisawellrecognizedmaturityindex Figs 3Aand3B andiscommonlymeasuredwithapenetrometer aninstrumentthatdeterminestheforcerequiredtopushaprobeofknowndiameterthroughthefleshofthefruitorvegetable 坚实度 针入度仪 压力表 探测器 ColorismeasuredinstrumentallyintermsoftheCommissionInternationaled Eclairage CIE three dimensionalcolorsolidoroneofthederivedcolorsystemssuchastheL a bHuntercolor system 国际照明委员会 Maturationoffruitandvegetablescausesprofoundchangesinthebiochemicalcharacteristicsofthecommodity whicharereflectedinchangesofthreeeasilymeasurablechemicalcomponents Starchinitiallyrises thenfalls Fig 6 andthisdecreaseisaccompaniedbyrisingsolublesolids Fig 6 Acidlevelsdecrease andtheresultisanincreasedperceptionofsweetnessasthesugar acidratioincreases k mp ni Starchlevelsareeasilyassessedbythestarch iodinetest andsolublesolidsarequicklyandsimplymeasuredbyrefractiveindexcalibratedas Brix 白利糖度 a di n Titratableacidity滴定酸度assessesacidlevelsandisusuallyperformedasajuicesampletitratedtothephenolphthalein酚酞endpointbysodiumhydroxide氢氧化钠 Withcoloredsamples titrationtopH8 2 8 3withapHmetercansubstitute Automaticequipmentiswidelyavailabletoallowtitrationoflargenumbersofsamples t tr t b l fi n l f li n hai dr ksaid Forcommoditiesexpressingarespirationclimactericduringmaturation e g apples melons ethylenemeasurementscanbeusedasameasureofmaturity Reid 1992 However thisprocedurerequirestheuseofagaschromatographandtendsnottoberapid simple andeconomical Thisrestrictstheuseofethyleneasamaturityindextolaboratoryuse kr um t gr f e ili n 木质部 韧皮部 转色期 Stagesoftomatofruitmaturation 第二节果蔬成熟衰老过程中的生理生化变化 如前所述 果蔬的成熟过程可以分为3个阶段 1 成熟阶段 是指采收前果实生长的最后阶段 即达到充分长成的时候 在这一时期果实中发生了明显的变化 如含糖量增加 含酸量降低 淀粉减少 苹果 梨 香蕉等 果胶物质变化引起果肉变软 单宁物质变化导致涩味减退 芳香物质和果皮 果肉中的色素生成 叶绿素降解 维生素C增加 类胡罗卜素增加或减少 果实长到一定大小和形状 这些都是果实开始成熟的表现 2 完熟阶段完熟阶段是指果实达到成熟以后的阶段 这时的果实完全表现出该品种最典型的性状 体积已经完全长大 这时果实的风味 质地和芳香气味已经达到适宜食用的程度 果实成熟阶段大都是生长在树上时发生的 而完熟阶段则是成熟的终了时期 可以发生在树上 也可以发生在采摘后 3 衰老阶段衰老阶段是指果实生长已经停止 完熟阶段的变化基本结束 即将进入衰老时期 衰老可能发生在采收之前 但大多数是发生在采收之后 一般认为 果实的呼吸作用骤然升高 也就是果实呼吸跃变的出现代表衰老阶段的开始 衰老阶段是果实个体发育的最后阶段 是分解过程旺盛进行 细胞趋向崩溃 最终导致整个器官死亡的过程 一 果蔬成熟衰老过程中细胞的变化1 细胞壁的变化一般随着果实的软化 细胞壁开始变薄 胞壁中胶层液化 纤维散成条丝状 继而断裂 并且发生质壁分离 2 亚细胞结构 sub cellularstructure 的变化亚细胞结构一般是电子显微镜下才可见的细胞机构如线粒体 中心体 高尔基体 细胞壁上的纹孔等 植物衰老时 叶绿体数目减少同时伴随有色体的出现 淀粉粒消失 类囊体膜系统迅速解体消失而嗜锇球增多变大 二 果蔬成熟衰老过程中的生理变化1 果实成熟衰老过程中呼吸作用的变化在细胞分裂迅速的幼果期 呼吸速率很高 当细胞分裂停止 果实体积增大时 呼吸速率逐渐降低 然后急剧升高 最后又下降 果实在成熟之前发生的这种呼吸突然升高的 现象称为呼吸跃变 respiratoryclimacteric 或呼吸峰 2 果实成熟衰老过程中相关酶的变化脂氧合酶 超氧化物歧化酶 过氧化氢酶 过氧化物酶 三 果蔬成熟衰老过程中的生化变化1 成熟时有机物质的转化 1 甜味增加 未成熟果实贮存许多淀粉 所以早期果实无甜味 到成熟末期 不溶性的淀粉转化为可溶性的葡萄糖 果糖 蔗糖等并积累在细胞液中 使果实变甜 例如 香蕉果实成熟过程中 淀粉由占鲜重的20 25 降低到1 而可溶性糖则由10 以下升至15 20 这一变化很快 约为10天 2 酸味减少 酸味来源于果实中的有机酸 如苹果和桃的果肉细胞的液泡中积累苹果酸 葡萄中含有酒石酸 柑桔 菠萝中含有柠檬酸 随着果实的成熟 一些有机酸转变为糖 有些则由呼吸作用氧化为CO2和H2O 还有些被K Ca2 等离子中和生成盐 因此酸味明显减少 3 涩味消失 未成熟的柿子 香蕉 李子 梨等果实的果肉中的单宁细胞内含有可溶性单宁 所以有涩味 单宁属于多元酚类物质 在果实成熟过程中 单宁被过氧化物酶氧化成过氧化物或凝结成不溶性物质 从而使涩味消失 4 香味产生 果实成熟时产生一些具香味的挥发性物质 如苹果中含乙酸丁酯 乙酸乙酯 香蕉中含有乙酸戊酯 甲酸甲酯 柑桔中含柠檬醛等 5 果实变软 未成熟的果实因其初生细胞壁中沉积不溶于水的原果胶 尤其是苹果 梨中的原果胶含量很高 果实很硬 随着果实的成熟果胶酶和原果胶酶活性增强 把原果胶水解为可溶性果胶 果胶酸和半乳糖醛酸 果肉细胞彼此分离 于是果肉变软 6 色泽变艳 未成熟果实的果皮大多为绿色 是因为果皮中含有大量的叶绿素 随着果实的成熟 果皮中的叶绿素逐渐分解 而类胡萝卜素含量仍较多且稳定 故呈现黄色 或由于形成花色素呈现红色 2 衰老过程中的生化变化 1 蛋白质的合成与降解果蔬在成熟过程中 蛋白质一方面不断分解 另一方面其分解生成的氨基酸又不断合成新的蛋白质 研究发现 新合成的蛋白质多是与成熟相关的酶类 2 核酸的代谢实验表明在果实成熟期间 RNA合成增加 DNA合成很少 而且有证据表明 果实成熟过程中产生了新的mRNA类型 积累新的蛋白质种类 3 磷脂与脂肪酸的代谢衰老初期 生物膜完整性和功能开始丧失 突出表现在膜脂水平下降上 原因一方面是由于脂肪酸酯化成磷脂的水平下降 另一方面是由于植物膜磷脂分解与脱脂作用加强 同时 膜脂过氧化作用也导致其丧失选择透过性与主动吸收特性 产生的自由基进一步攻击膜系统 蛋白质和DNA 导致细胞膜功能的丧失和细胞的降解死亡 第三节果蔬成熟衰老的机理 肉质果实的成熟衰老过程是由一系列分子水平的变化调控的过程 包括乙烯的生物合成和信号转导 细胞壁的解聚作用 光信号的传导和类胡萝卜素的积累 这期间果实品质 硬度 气味及甜度都有很大的改变 关于果蔬完熟机理的研究可追溯到Blackman和Pariza的 组织抗性 假说以及Kidd和West的 大量有效酶 假说 1968年McCord和Fridovich发现了超氧化物歧化酶后 活性氧与衰老的关系开始为更多人接受 一 组织抗性假说该假说认为 果实完熟主要是那些保持细胞区隔化的组织降低了抗性的结果 膜机能丧失导致呼吸跃变和其他完熟过程的开始 因此完熟反映了代谢控制的失调 有许多试验结果可为该假说提供证据 但相反证据也很多 二 大量有效酶假说该假说把完熟的开始归因于大量有效酶即归因于蛋白质和酶的活性及它们在细胞内的重排 酶活性的加强可部分归因于蛋白质合成和其他在基础水平上的代谢重组 新的蛋白质补体的增加意味着一些果实完熟伴随着总氮增加和酶合成的增加 三 活性氧与衰老活性氧 ReactiveOxygenSpecies ROS 是指化学性质活跃的含氧原子或原子团 包括超氧阴离子自由基 O2 过氧化氢 H2O2 单线态氧 1O2 羟自由基 HO 脂过氧化自由基 ROOH 等 一 活性氧与果蔬衰老的关系活性氧的毒性 主要表现在以下几种形式 活性氧能与酶的巯基或色氨酸残基发生反应 导致酶失活 活性氧会破坏核酸结构 攻击核酸碱基 使嘌呤碱和嘧啶碱结构变化 导致变异出现或累积 DNA是蛋白质合成的信息 由于活性氧对DNA复制过程的损伤 妨碍了蛋白质的合成 启动膜脂过氧化作用 使维持细胞区域化的膜系统受损或瓦解 1 活性氧与膜脂过氧化Lipidperoxidation膜脂过氧化即自由基对类脂中不饱和脂肪酸攻击引发的一系列自由基反应 如下图 活性氧化学性质非常活泼 具有很强的氧化能力 能持续进行连锁反应 膜脂中的多不饱和脂肪酸在自由基作用下 首先生成自由基中间产物R R 与O2反应形成ROO 及ROOH 由脂质过氧化作用形成的脂质过氧化物ROOH非常不稳定 其可通过均裂反应产生许多脂性自由基 如烷过氧化基 ROO 与烷氧基 RO 该反应可以自发地进行 也可在铁 铜等金属离子催化下进行 Initiationandpropagationofmembranelipidperoxidation 丙二醛 MDA 是膜脂过氧化作用的最终产物 MDA的积累可对膜和细胞造成进一步伤害 通常用MDA作为膜脂过氧化作用的指标 用以表示膜脂过氧化的程度 MDA具有强交联性质 能与氨基酸或有游离氨基的蛋白质 磷脂酰乙醇胺及核酸结合 形成具有荧光的Schiff碱 称作类脂褐色素 LFP LFP是干扰细胞内正常生命活动代谢的不溶性化合物 所以 也常用LFP作为脂质过氧化的指标 许多研究指出膜脂过氧化是引起果实成熟衰老的一个重要原因 如新红星苹果早期败育果与后熟衰老果实的MDA含量较高 从而使生物膜中酶蛋白发生交联 失活 导致膜产生空隙 透性增加 多种功能受损 加速果实的衰老 2 活性氧与乙烯研究表明植物衰老中活性氧的代谢变化往往与乙烯产生有关 有观点认为超氧阴离子自由基 O2 激发ACC氧化酶 从而促进乙烯形成 而乙烯的释放反过来又促进线粒体中O2 的产生 第二种观点认为羟自由基 HO 直接作用于蛋氨酸而产生乙烯 而其他自由基影响乙烯的生成可能是通过反应生成羟自由基 HO 而实现的 3 活性氧与钙离子钙是植物细胞内部调节的第二信使系统 与信号转导密切相关 低浓度钙可以延缓果蔬组织衰老 而高浓度高反而刺激果实的衰老 当以高浓度钙处理果实时 胞外钙浓度过高刺激了质膜上钙离子通道的打开 细胞内钙离子浓度瞬时增加 当达到阈值时 即与钙调素结合 调节磷脂酶A2活性 促进膜脂脱酯化 破坏膜的完整性 从而导致细胞衰老 二 活性氧防御系统在正常情况下 植物细胞内自由基的产生与清除处于平衡状态 不易导致膜脂过氧化 但随着组织衰老和遭受逆境后 细胞内自由基产生和清除的平衡遭到破坏 从而最终造成细胞膜系统受损 导致细胞死亡 植物体内对膜脂过氧化作用有两类防御系统 一类是酶促防御系统 包括超氧化物歧化酶 SOD 过氧化物酶 POD 过氧化氢酶 CAT 抗坏血酸过氧化物酶 APX 谷胱甘肽过氧化物酶 GSH Px 和谷胱甘肽还原酶 GSH R 等 超氧化物歧化酶 SOD 主要分布在叶绿体 线粒体和细胞浆中 是防御超氧阴离子自由基对细胞产生伤害的抗氧化酶 主要功能是催化超氧阴离子自由基发生歧化反应生成H2O2和O2 过氧化物酶POD能清除H2O2 与SOD协同作用 共同维持植物体内活性氧的平衡 过氧化氢酶CAT能催化H2O2形成H2O 减少活性氧对机体的毒害作用 Themajorendogenousantioxidantsare 1 superoxidedismutase SOD whichremovesO2 2 catalasewhichconvertsH2O2towater H2O andO2 and3 glutathioneperoxidasewhichhelpswithH2O2removalandpreventshydroxylradical OH formation Figure1 内源性抗氧化剂 第二类防御系统为非酶类自由基清除剂 又分为天然和人工合成的两大类 天然的包括抗坏血酸 维生素E 胡萝卜素 谷胱甘肽 半胱氨酸和辅酶Q等 其中维生素C 维生素E可与H2O2或HO 反应 而维生素A 维生素E又可直接与单线态氧1O2反应 人工合成的清除剂有苯甲酸 二苯胺 没食子丙酸 2 6 叔丁基对苯羟基苯甲酸等 Figure1 Illustrationofahydroxylradical OH gettingscavengedorconvertedtowater H20 byvitaminE representedbytheEwithinthediamonds inthemembraneandvitaminC representedbytheCwithinhexagons inthespaceandfluidoutsideofthecell TheorangeorsolidcoloredpartsofthecellmembranerepresentthedeadordyingportionbeforetheyareregeneratedaftertheactionofvitaminEonthefreeradical ThevitaminEradicalisthenregeneratedbyvitaminC ascorbicacid Figure2 Illustrationofhowanantioxidantcanscavengeafreeradicalorrendertheminactivebyreformingtwostablechemicals 图活性氧引发果蔬成熟衰老的可能机制 第四节果蔬成熟衰老的化学调控 一 钙作用由于钙调素的发现 人们对钙的认识有了很大的飞跃 钙不再被认为仅仅是植物生长发育所需的矿物元素之一 而是有着重要生理功能的调节物质 钙调素calmodulin钙调素是一种分子量为16700的单链蛋白质 由148个氨基酸组成 能与钙离子结合 钙离子被称为细胞内的第二信使 其浓度变化可调节细胞的功能 这种调节作用主要是通过钙调素而实现的 在每个钙调素分子内 有4个可与钙离子结合的区域 它们的一级结构极为相似 细胞内钙离子水平通常维持在10 7摩尔浓度左右 当外来的刺激使细胞内钙离子的浓度瞬息间升高至10 6 10 5摩尔浓度时 钙调素即与钙离子结合 构象改变 螺旋度增加 成为活性分子 与酶结合 使之转变成活性态 当钙离子浓度低于10 6摩尔浓度时 钙调素就不再与钙离子结合 钙调素和酶都复原为无活性态 钙可以影响植物衰老 一方面钙对衰老有明显的延缓作用 完熟过程中果实的钙含量与呼吸速率呈负相关 并能影响呼吸速率高峰出现的早晚及大小 钙还能抑制完熟进程中果实内源乙烯的释放 钙能延缓果蔬的成熟衰老 主要原因如下 一是钙能够维持细胞壁的结构 钙与细胞壁中的果胶酸形成果胶酸钙 保护了细胞中的中胶层 原因之二在于钙能维持细胞膜的结构与功能 可能与钙离子在细胞内作为磷脂的磷酸和蛋白质的羟基间连结的桥梁 使膜结构更为牢固有关 原因之三在于钙可作为细胞内外信息传递的第二信使 使信息传递得以保持 以保证果实对外界刺激及时做出反应 二 植物激素的调节作用1 乙烯对跃变型果蔬来说 外源乙烯能够启动大量内源乙烯的合成 诱导果蔬的完熟 对非跃变型果蔬 外源乙烯可以促进其呼吸作用 并参与了叶绿素的降解和