專題一-1-MCP在果蔬貯運中的應用

第二篇專題講座專題一

1－MCP在果蔬貯運中的應用研究進展乙烯能促進農作物果實、花、葉片的后熟、衰老和脫落,被人們稱作催熟激素。為了延長園藝產品的貯藏壽命并保持新鮮,盡可能地抑制器官內源乙烯的合成或阻止乙烯發(fā)揮作用就顯得十分重要。傳統(tǒng)的乙烯抑制劑如硫代硫酸銀(STS)等會對環(huán)境造成污染。近年來,發(fā)現一些合成的環(huán)丙烯類有機化合物能夠結合到乙烯受體上,較長時間阻止乙烯的生理作用,成為研究乙烯生理作用及其調控的新工具,如1-MCP(1-甲基環(huán)丙烯,1-methylcyclop

ropene)、3-MCP(3-甲基環(huán)丙烯)、CP(環(huán)丙烯)、DMCP(3,3-二甲基環(huán)丙烯)、亞甲基環(huán)丙烯等。其中1-MCP屬抑制效應較強、時效較強的乙烯作用抑制劑,是國內外的一個研究熱點。一、1-MCP性質與作用機理

1－MCP是一種含雙鍵的環(huán)狀碳氫化合物,分子式為C4H6,在常溫下以氣體狀態(tài)存在,無異味,沸點約為10℃,在液體狀態(tài)下不太穩(wěn)定。它不但能強烈地阻斷內源乙烯的生理效應,而且還能抑制外源乙烯對內源乙烯的誘導作用,是目前應用效果最好的乙烯受體抑制劑。1－MCP與傳統(tǒng)的乙烯抑制劑相比,具有無毒、低量、高效等優(yōu)點,因此,在果實貯藏保鮮過程中具有廣闊的應用前景。作用機理乙烯要發(fā)生作用,需要首先與受體中乙烯的結合位點相結合。1－MCP分子呈平面結構,具有比乙烯更高的雙鍵張力和化合能,可以更好地與乙烯競爭結合位點。通?？刂埔蚁┲饕?個方面的含義:控制內源乙烯的生成和控制乙烯作用。乙烯促進果實成熟的分子機理尚不清楚,但是其發(fā)揮生理作用大致需要經過3個階段:乙烯同受體相結合,誘導相關基因的表達,誘導與成熟相關酶的合成,3個步驟缺一不可。因此,若能人為控制這3個步驟中的任意一步,即可控制乙烯對植物體的作用,從而達到延緩衰老、貯藏保鮮的目的。在上述3個環(huán)節(jié)中,控制乙烯的作用,即調節(jié)乙烯與受體的結合是最可行和最可靠的。無論內源乙烯還是外源乙烯,若要發(fā)揮其生理效應都必須首先和受體相結合。乙烯與植物組織中的乙烯受體結合是引發(fā)乙烯作用的起始步驟。1997年Sisler

和Serek提出1－MCP可能的作用模式(圖1)。在正常情況下,乙烯與體內受體中的金屬原子相結合,引起受體結構的改變,隨后又從受體上脫落下來,乙烯受體激活。1－MCP強烈競爭乙烯受體,并通過金屬原子與受體緊密結合,從而阻礙乙烯的正常結合;又由于這種結合是緊密的,1－MCP不易脫落下來,因此受體保持鈍化狀態(tài),以致與乙烯相關的生理生化反應受抑制。注:M為受體金屬離子;L1、L2、L3為配體;E為乙烯。圖1乙烯和1－MCP與受體的作用模式受體的取代模式過程

(l)乙烯接近金屬部位，并吸附電子；(2)受體對面的另一個配基離開金屬部位；(3)又一個配基接近受體金屬中心，同時乙烯離開(形成活化復合體所必須)，活化的乙烯受體復合體形成。由于1-MCP強烈結合乙烯受體，并較長時間保持束縛在受體蛋白的金屬部位上，因而有效地阻礙了乙烯與其受體的正常結合，致使乙烯作用信號的傳導和表達受阻。雖然到目前為止，這個模式還沒有得到證實，而且模式中的L1、L2、L3、L4和L5也還未能確定，但是它在實踐中可以較好地解釋許多與乙烯作用抑制劑有關的實驗結果,而且在設計乙烯受體作用模式時也很有指導意義。二、影響1－MCP處理效果的因素

1.不同成熟度對1-MCP處理效果的影響

一般認為在組織能夠自我催化產生乙烯之前,即乙烯系統(tǒng)Ⅱ起作用以前使用1-MCP才會起到應有的效果,一旦組織能夠自我催化產生乙烯,再使用1-MCP就沒有效果。如香蕉在采后6和12h使用12MCP能較好地抑制呼吸和乙烯高峰的出現,而在采后24h處理則對乙烯和呼吸沒有影響。由此可見,不同成熟度的果實對1-MCP的反應也有明顯差別。

2.溫度對1-MCP處理效果的影響

Macnish等認為,低溫下1-MCP不能與受體完全結合,這可能與低溫下膜上受體蛋白構象的改變有關;此外,低溫可能導致1-MCP氣體滲入植物組織的能力下降或與受體結合能力降低,若增加處理濃度可以彌補低溫處理的不足,也能起到常溫下的效果。

3.濃度和時間對1-MCP處理效果的影響

處理濃度和處理時間影響1-MCP處理效果,在一定范圍內,濃度越高,達到相同效果所需處理時間越短,反之亦然。而且由于1-MCP對乙烯受體的結合具有持久性和不可逆性,果實恢復對乙烯敏感性則被歸因于體內新的乙烯受體的合成,這樣也進一步說明乙烯與受體的結合進而誘導果實的后熟存在著一個濃度閾值。

4.處理材料對1-MCP處理效果的影響

1-MCP只對那些依賴于乙烯的果實和組織才能起到抑制作用。而對荔枝等非躍變型果實的采后生理生化變化及貯藏保鮮效果則無顯著影響。這可能是因為1-MCP發(fā)揮生理作用主要是通過乙烯受體不可逆結合而阻斷乙烯反饋調節(jié)的生物合成,即主要抑制果實系統(tǒng)Ⅱ的乙烯合成,而由于非躍變型果實不存在乙烯合成系統(tǒng)Ⅱ,因此,1-MCP對非躍變型果實的采后生理并無顯著影響。1-MCP雖然能可逆地結合乙烯受體,但是它抑制乙烯的效應可能被果實新生成的受體所抵消。

5.處理后的貯藏條件

不同果蔬處理后的貯藏條件不同,所以1-MCP處理的最適作用濃度受果蔬種類、成熟度、處理時間和溫度等的影響。三、1-MCP使用方法1-MCP氣體被吸收固定在載體中。在使用時,只需根據所處理園藝產品種類和密閉容器的容積,把一定量的1-MCP載體溶解于緩沖液或水中,1-MCP氣體就會立即釋放出來,通常在13～24℃之間至少熏蒸4h方可有效。1-MCP一般可用于園藝產品采前、采后、裝箱運輸前或出售前,在溫室、冷庫、集裝箱和包裝箱中均可處理。1-MCP可以對同一園藝產品重復使用,以延長其效果。某一種新園藝產品在應用前,必須對使用濃度、熏蒸時間、處理時的溫度和園藝產品的成熟度或發(fā)育期等逐項進行調查,經實驗后才能應用。四、1-MCP對果蔬采后生理及其品質的影響

1.1-MCP對乙烯的影響1-MCP由于具有與乙烯相似的結構，也能與乙烯受體緊密結合但不從乙烯受體上脫落下來，因而強烈地抑制了果蔬植物對乙烯的響應，延緩其后熟和衰老進程。1-MCP能不同程度地抑制蘋果、香蕉、梨、番茄等躍變型果蔬以及非躍變型果實如草莓、甜橙等中乙烯的產生和釋放。1-MCP結合乙烯受體，阻斷乙烯調控的生理生化過程，一方面可能是1-MCP處理如同一些傳統(tǒng)的乙烯作用抑制劑(AVG、AOA等)一樣，阻止乙烯生成過程中正常的反饋調節(jié),導致了1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(ACC)向N-丙二酰ACC(MACC)的轉化，由于此過程是不可逆反應，致使MACC是失活的終產物；另外的原因可能是1-MCP的處理對乙烯生物合成路徑中的關鍵性酶ACC合成酶(ACS)和ACC氧化酶(ACO)的調節(jié)產生影響的結果。

2.1-MCP對呼吸的影響

l-MCP處理不僅明顯降低蘋果、香蕉等的呼吸強度，推遲果實呼吸高峰的出現，而且還降低了呼吸速率的峰值。Golding等對綠熟“Williams”香蕉的研究指出，在呼吸躍變前用450μl/Ll-MCP處理香蕉6h，或者先用500

μl/L的丙烯預處理，分別間隔6、12h后再用1-MCP處理，均可延緩香蕉果實的乙烯高峰、呼吸躍變和總揮發(fā)性物質的產生,然而當用丙烯預處理香蕉后間隔24h(此時乙烯已自我催化)，再用1-MCP處理則不再具有抑制作用。1-MCP之所以抑制呼吸，可能是由于1-MCP處理使得乙烯與其受體的結合受抑，因而阻斷了其所誘導的生理生化反應的結果，其中包括呼吸所必需酶的激活；也可能是與呼吸作用相關的必需酶的基因表達被阻斷等。3.果實的后熟和軟化1-MCP處理可顯著減緩香蕉、番茄、桃、梨和獼猴桃等躍變型果實的后熟和軟化進程，大大地提高貯藏品質。果實經乙烯利處理后，在無1-MCP處理的情況下可溶性糖含量迅速增加，淀粉含量迅速下降，至5d后兩者分別達到最大值17.88%和最小值1.15%，與果皮轉黃、果實軟化相一致；如先經乙烯利處理后貯放1d再用1-MCP處理，果實的后熟進程部分受抑，可能與體內某些受體已完成對乙烯的感受有關；而果實經乙烯利處理后貯放2d或3d后再用1-MCP處理，則后熟進程不受影響，說明果實后熟已進入不可逆階段，同時也表明乙烯在啟動果實后熟過程中起著觸發(fā)性作用，且這種作用是一個依賴于時間達到其作用濃度閥值的逐步累積過程。4.對采后非躍變型果蔬的影響

Porat

等在對薩姆蒂(shamouti)甜橙的研究后發(fā)現，低濃度的1-MCP對果實硬度、可溶性固形物及總酸含量無顯著影響；單獨用10μl/L的乙烯處理增加了橙果的冷害癥狀、果蒂的腐爛以及異味揮發(fā)物的含量，但可降低由霉菌引起的腐爛；(50～100)nl/L的1-MCP處理雖有效地阻止乙烯引起的果皮褪綠，但對抵消貯藏中乙烯的消極作用無益，與未處理前相比，甚至還會加速冷害和腐爛癥狀的發(fā)生。在20℃的下對4種不同草莓的研究結果也表明，雖然低濃度的1-MCP處理(5～15nl/L)能相對延長草莓的采后壽命、提高保鮮效果，但高濃度的1-MCP處理(50nl/L)卻加速了品質的惡化，使草莓的采后壽命縮短30%～60%。因此認為高濃度的1-MCP處理降低了果蔬對病原菌的抵抗，原因可能與較低的酚類物質有關。由此可見，非躍變型果實對1-MCP的反應機理與躍變型果實不同，而且高濃度1-MCP的這種促進衰老的效應可能與非躍變型中的乙烯無關。

5.對果實風味物質形成的影響1-MCP處理能夠影響果實貯藏期間某些主要風味物質的轉化和含量。

Mattheis指出:1-MCP可降低呼吸躍變型果實中酯類化合物的產量,而對醛的產量影響不大。

Golding等在香蕉中發(fā)現,1-MCP處理能極大地改變揮發(fā)性香味的成分,導致醇含量上升和相關酯含量下降。但是,50nL/L1-MCP處理能增加采后梨果的揮發(fā)性物質異丁酸乙酯和丁醇的積累,維持果實的香氣。由此可見,1-MCP對不同類型果實的特征性風味物質影響有異,這可能與其受乙烯影響的程度不同有關。

6.對果實色澤的影響組織或器官色澤轉變是采后園藝作物成熟、衰老的一個標志,主要表現為葉綠素的降解及其他色素的合成或顯現。乙烯參與葉綠素的降解作用,色素的合成可分為乙烯依賴型和非乙烯依賴型兩類。1-MCP阻斷乙烯受體,從而抑制乙烯效應。如先以1-MCP處理再用丙烯處理后的香蕉,第26d開始轉黃,單獨以1-MCP處理后的第34d果實顏色才發(fā)生變化;經丙烯處理后第3d果皮顏色即發(fā)生變化;未經任何處理的則到第21d開始轉黃。在20℃下,1-MCP處理能顯著延緩李果色澤的轉變。l-MCP處理能暫緩“桂味”荔枝果皮花色素苷酶活性的上升,但對荔枝果實的呼吸、乙烯、PPO、POD及營養(yǎng)成分無顯著影響,也不能延緩果皮褐變,表明荔枝果皮褐變是一個對乙烯不敏感的生理過程。

7.對果實貯藏期間生理病害的影響已經證實:1-MCP對防止蘋果、梨果皮病變等效果十分明顯。500nL/L濃度的1-MCP處理能有效地抑制“秦王”桃和水蜜桃“24號”

的果肉褐變。1-MCP可使芒果、番木瓜、番荔枝果實后熟分別延遲1～15、5～6、3～4d,但芒果果實蒂腐病增加了1倍,番木瓜和番荔枝果實表面的污斑和腐爛程度增大。此外,1-MCP處理阻礙了胡蘿卜抗真菌素6-methoxymellin的積累。五、1-MCP在水果貯運保鮮上的應用1.蘋果人們通過對早中晚熟10多個蘋果品種的研究證明,1-MCP對蘋果采后生理及保鮮效果的影響非常明顯。Fan等先后對富士、嘎拉、喬納金及GingerGold果實],Rupasinghe

等對旭和元帥的果實,孫希生等對金冠、新紅星的果實進行了研究,結果表明1-MCP處理顯著抑制了果實的呼吸強度及乙烯合成,延遲果實乙烯與呼吸高峰的出現,明顯減少蘋果硬度和酸含量的損失,抑制淀粉和葉綠素的轉化和分解,基本或完全控制蘋果貯藏過程中的虎皮病等生理病害的發(fā)生,從而顯著延長果實的貯藏期和貨架期。

2.梨孫希生等的研究表明,1-MCP可以明顯延緩碭山酥梨的后熟和衰老,較好地保持果實在貯藏過程中的外觀質量和風味。王文輝等發(fā)現1-MCP處理可顯著抑制豐水梨果實呼吸強度,延緩其硬度下降,但對黃金梨貯藏沒有明顯效果。1-MCP處理還可強烈抑制軟肉梨的后熟和果實的呼吸。顏志梅等的研究結果也顯示1-MCP處理可以明顯抑制翠冠梨常溫下黑皮病的發(fā)生,延長其貨架期。

3.桃段玉權在實驗中發(fā)現,1-MCP處理能夠有效地抑制水蜜桃果肉褐變

。李富軍的研究結果表明,1-MCP處理能降低肥城桃冷藏過程中LOX活性、保持SOD高活性,并減少冷藏過程中冷害的發(fā)生。王俊寧等指出,1-MCP處理可抑制油桃果實乙烯的合成,推遲乙烯峰和呼吸峰的出現,延緩果實硬度的下降,但對EFE活性無明顯影響。Dong等進一步研究發(fā)現,1-MCP可抑制油桃采后ACC合成酶基因的轉錄,表明1-MCP可能在基因水平調節(jié)乙烯的合成。

4.柑橘

Porat等在實驗中發(fā)現,甜橙的乙烯含量很低,但內源或外源乙烯在調節(jié)果實成熟中可能有重要作用,而1-MCP能有效抑制乙烯對甜橙的不良影響,包括減少冷害癥狀和果梗端腐爛,防止果汁出現異味,抑制果皮褪綠等。

5.草莓Ku對4個品種(Tioga、Seascape、Parker、Selva)草莓在20℃下用5～500nL/L的1-MCP處理2h,然后在含0.1nL/L乙烯的空氣中(20℃或5℃)貯藏。與未處理相比,5nL/L和15nL/L1-MCP使鮮草莓采后壽命分別延長35%和150%。但高濃度的1-MCP會加快漿果品質的損失,500nL/L1-MCP導致草莓采后壽命減少30%～60%。

6.香蕉吳振先研究表明,香蕉的生理狀態(tài)和1-MCP濃度與處理效果緊密相關。Jiang等用1-MCP在20℃下處理Cavendish香蕉24h,在處理范圍(0.01～1.0nL/L)內,1-MCP濃度越大,保鮮時間越長。0.5nL/L或1.0nL/L1-MCP結合0.03mm聚乙烯薄膜包裝,使香蕉保鮮期最長可達58d。Golding等在呼吸躍變前用450nL/L1-MCP處理綠熟的威廉斯香蕉6h,可延緩呼吸躍變、乙烯高峰和果皮褪綠,并抑制總揮發(fā)性物質的產生。因此,1-MCP必須在果實尚未發(fā)生呼吸躍變和產生自動催化乙烯之前使用,才能延長香蕉的保鮮期。六、1-MCP在蔬菜貯運保鮮上的應用1.番茄孫希生等的研究表明,1-MCP可強烈抑制番茄乙烯的產生和呼吸強度,延遲或抑制果實乙烯的產生和呼吸高峰的出現,延緩了果實的成熟和衰老。1-MCP還能減緩果實葉綠素、Vc、可滴定酸的下降,使果實的貨架期和貯藏期明顯延長。Nakat-suka等則指出,1-MCP處理可通過抑制番茄ACC合成酶和ACC氧化酶活性的正常增加,從而抑制乙烯的形成來延緩番茄的成熟軟化,這表明1-MCP可在酶水平抑制果實乙烯的合成。

2.青花菜青花菜采后會迅速衰老,主要表現為小花和葉軟化、黃化,采后呼吸速率高,0℃冷藏可保存2～4周。汪俏梅等的研究表明,20℃下低濃度(2.5nL/L)的1-MCP處理即有較好的延緩衰老的效果,并且可以有效抑制花蕾中各種營養(yǎng)成分的降解,在冷鏈還不普遍的國家和地區(qū)可以替代低溫而保持產品較好品質;1-MCP不僅能抑制青花菜花蕾的呼吸作用、降低乙烯釋放速率,還能推遲呼吸高峰的出現。1-MCP處理使花球在貯藏期間MDA含量下降,SOD和CAT的活性升高,POD的活性下降。因此,在青花菜中1-MCP是通過抑制呼吸作用和內源乙烯的產生以及對抗氧化酶系統(tǒng)的調節(jié)起到延緩衰老作用的。

3.萵苣Fan等報道,銹斑是萵苣的生理病害,126μmol/m3乙烯在6℃下處理Iceberg萵苣葉中脈3d,銹斑發(fā)生率為5%～10%,9d時達30%～35%。而在乙烯處理之前用42μmol/m31-MCP預處理6h,則降低了呼吸速率,抑制了銹斑發(fā)生。

4.綠蘆筍劉尊英等的研究表明,1-MCP處理可明顯降低綠蘆筍的衰老指數,提高其商品率。1-MCP不但可延緩采后綠蘆筍葉綠素、可溶性糖和蛋白質含量的下降,還可有效抑制其木質素含量的上升,保持綠蘆筍的鮮嫩品質。因此,生產實踐中可通過施用1-MCP控制乙烯作用,提高采后綠蘆筍的品質。

5.辣椒黃雪梅發(fā)現低濃度的1-MCP對延長辣椒常溫貯藏期、提高商品率有顯著的效應,表現在它能延緩辣椒軟化、葉綠素降解與褪綠,使辣椒保持較好的色度和亮度

。七、1-MCP在應用研究中應注意的問題1-MCP在園藝作物上應用研究時應注意影響處理效果的一些重要因子,其最適作用濃度因水果種類、成熟度、處理時間和溫度而異。

1.處理濃度與時間處理濃度為25～1000nL/L。1-MCP抑制乙烯效應所需濃度與處理時間有關,一般情況下,1-MCP處理時間愈長,所需濃度愈低。大多數研究表明,處理時間為12～24h。

2.1-MCP處理溫度處理溫度在20～25℃。有研究報道,處理效果與溫度有關,一般情況下,在一定的溫度范圍內,隨溫度的升高,抑制效果增強。有些研究者認為,在低溫條件下,1-MCP與受體結合減少。還有些研究者則認為,高溫條件下1-MCP可能會更好地接近乙烯結合位點并與其結合。此外,低溫可能導致1-MCP氣體滲入植物組織的能力下降或受體結合能力下降

。

3.1-MCP處理次數蘋果在0℃條件下貯藏時,1-MCP的處理次數對果實軟化影響變化不大。而隨著溫度的升高,1-MCP的處理次數對果實軟化影響變化較大。在5℃條件下1周用1-MCP處理1次,其果實的軟化速度最慢。隨著溫度的提高,增加1-MCP的處理次數可以增加其效應。

4.

1-MCP作用的持久性在植物組織內,1-MCP分子與乙烯受體呈不可逆結合。有些研究者用氚標記1-MCP觀測1-MCP與乙烯結合程度的結果表明,這一化合物與乙烯受體結合具有持久性。果實的不同發(fā)育階段對1-MCP的效應存在差異,但是它抑制乙烯的效應可能被果實新生成的受體所抵消

。八、展望

1－MCP與其他一些有機化學物質,如DACP(重氮環(huán)戊二烯)、5－norbornadiene(降冰片二烯)相比,具有無毒、低量、高效等優(yōu)點,它不僅強烈地抑制內源乙烯的生理效應,而且還能抑制外源乙烯產生的誘導作用,并且作用效果持久,從而延長果蔬貯藏期或貨架壽命,因而在采后果蔬中有極大的應用前景。但還應該看到成熟度、處理濃度、處理時間及處理溫度等均對保鮮效果產生重要的影響,且這些因素之間的相互關系仍需更深入的探討。另外,大部分的研究是針對當地單個或有限的少數品種進行的,品種之間的差異對1－MCP處理的影響程度還沒有進行過系統(tǒng)的研究,有些作用機制等尚待進一步研究。

以下幾方面的工作在今后的研究中應受到重視:

①進一步從生理生化和分子水平上研究其作用機制,尤其是從乙烯合成和乙烯信號傳導途徑等方面以及與之相對應的基因水平方向去考慮;

②系統(tǒng)和全面地研究其使用濃度、處理時間、處理材料的差異性,建立各種果品1－MCP應用模式;

③開展1－MCP對果品貯藏期間抗病和感病的機理研究;

④研究1－MCP與其他保鮮手段連用,利用復合效應更好地開展保鮮工作。1－MCP在常溫下表現穩(wěn)定,結構簡單,是一種新型有效的乙烯作用抑制劑,作用效果持久,從而延長果蔬貯藏期和貨架壽命,在采后果蔬貯運中具有極