温度波动诱导中国樱桃品质劣变的多尺度机制：色泽转化与细胞壁多糖纳米结构演化

《LWT》：Evaluate the Impact of Temperature Fluctuations During Transportation on the Quality of Chinese Cherry: Color transformation and cell wall polysaccharide evolution

本研究针对冷链运输中温度波动加剧中国樱桃采后品质劣变的关键问题，通过模拟"预冷-波动运输-恒温贮藏"全链条过程，系统解析了温度波动通过诱导MDA积累和ATP水平升高，激活PPO/POD活性及PG/PME/β-Gal等细胞壁降解酶基因表达，驱动花色苷代谢转化和果胶纳米结构解聚的双路径劣变机制。研究创新性整合FTIR/AFM多尺度分析技术，揭示了温度波动对果实色泽和硬度的即时与持续性影响，为精准冷链物流策略提供了理论依据。

　　

在中国樱桃的采后流通过程中，冷链运输是保障果实品质的关键环节。然而，在实际操作中，由于制冷设备性能、开关门频率等因素影响，运输环境难免出现温度波动。这种波动看似微小，却可能对娇嫩的中国樱桃造成不可逆的损伤。消费者在选购时，往往通过果实的颜色和硬度来判断新鲜度——亮丽的红色和适中的硬度是高品质的象征，而暗红色和软塌的质地则意味着品质下降。因此，探究温度波动如何影响中国樱桃的色泽和硬度变化，对于提升冷链物流品质、减少经济损失具有重要意义。

以往的研究多集中于恒温贮藏条件下的果实品质变化，而对实际冷链中更为常见的温度波动情境关注不足。特别是温度波动引发的生理应激反应如何持续影响果实后期贮藏品质，其内在机制尚不明确。为此，河南工业大学食品科学与技术学院的研究团队在《LWT》期刊上发表论文，创新性地模拟了中国樱桃采后冷链的三个关键阶段：预冷（恒温阶段）、波动温度运输（非恒温阶段）及后续恒温贮藏，系统揭示了温度波动对果实品质的即时与持续性影响。

研究人员采用了一套多学科交叉的技术方法开展研究。他们首先通过模拟冷链条件设置了非等温贮藏（NIS）、5°C恒温（IS-5）和10°C恒温（IS-10）三组实验。利用色差仪和质构仪定量评估果实表观品质（色泽参数L*值、总色差ΔE和硬度）的变化。采用生化分析方法测定了丙二醛（MDA）、腺苷三磷酸（ATP）、多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）等关键代谢物含量和酶活性。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和原子力显微镜（AFM）技术对果胶的酯化度和纳米结构进行了表征。同时，利用实时荧光定量PCR（RT-qPCR）技术分析了软化相关基因（如cCPG1-3、cCPME1-5、cCβ-Gal1-3）的表达模式。所有数据均进行了统计学相关性分析，以揭示各指标间的内在联系。

研究结果从多个层面揭示了温度波动的影响：

3.1. 温度波动对中国樱桃色泽和硬度的影响

研究发现，经历温度波动（NIS组）的中国樱桃，其果实表面颜色从鲜红色向暗红色转变的程度显著大于5°C恒温组（IS-5），甚至接近10°C恒温组（IS-10）。在贮藏第4天（即温度波动结束时），NIS组的ΔE值比IS-5组高出135.22%，而硬度降低了9.02%。即使在后期恢复5°C恒温贮藏，NIS组的硬度也持续低于IS-5组。这表明温度波动不仅立即加速了果实色泽变暗和软化，而且这种负面影响在后续恒温条件下仍持续存在。

3.2. 温度波动对中国樱桃MDA和ATP的影响

MDA是细胞膜脂过氧化的终产物，其含量高低反映了膜受损程度。在贮藏期间，NIS组的MDA含量始终显著高于IS-5组，甚至在波动结束后第4天超过了IS-10组，说明温度波动迅速引发了细胞膜氧化损伤。另一方面，ATP作为细胞能量货币，其含量在NIS组经历波动后，于后续恒温贮藏阶段（如第6天）出现升高，并显著高于恒温组。这表明温度波动打乱了果实的正常能量代谢，导致呼吸速率异常升高。

3.3. 温度波动对中国樱桃PPO和POD的影响

PPO和POD是催化酚类物质氧化褐变的关键酶。NIS组的PPO和POD活性在整个贮藏期内均显著高于IS-5组。特别是在贮藏第10天，NIS组的POD活性甚至超过了IS-10组。温度波动在第4天即引起PPO活性的显著飙升。这表明温度波动有效激活了褐变酶系统，为色泽加深提供了生化基础。

3.4. 温度波动对中国樱桃细胞壁代谢酶活性的影响

在细胞壁降解酶方面，温度波动后，NIS组的聚半乳糖醛酸酶（PG）、果胶甲酯酶（PME）和β-半乳糖苷酶（β-Gal）活性均出现急剧增加。尽管后期温度恢复恒定，但PG活性在NIS组始终高于IS-5组，PME活性在贮藏中后期甚至显著高于IS-10组。这表明温度波动显著增强了细胞壁的降解活性。

3.5. 温度波动对中国樱桃花色苷、总酚和总黄酮含量的影响

在活性成分方面，温度波动后NIS组的花色苷含量显著增加，并在后期持续高于IS-5组，这直接导致了果实颜色的加深。与之相反，总酚和总黄酮含量在NIS组则呈现快速下降趋势，且在整个贮藏期均低于IS-5组。这种下降被归因于PPO和POD介导的酚类物质氧化消耗。

3.6. 温度波动对WSP、CSP和SSP含量的影响

果胶组分分析显示，温度波动导致NIS组的水溶性果胶（WSP）和螯合溶性果胶（CSP）含量迅速上升，而离子型果胶（SSP）含量急剧下降。例如，SSP含量从1087.51 mg/kg降至740.38 mg/kg。这种变化主要是由于PME活性增强，催化SSP脱去甲酯基，使其亲水性增加，从而转化为WSP和CSP，导致细胞壁结构松散。

3.7. 温度波动对WSP、CSP和SSP纳米结构的影响

AFM纳米结构观察发现，温度波动促使NIS组的WSP、CSP和SSP聚合物发生显著解聚。WSP和SSP的链宽从初始的50-60 nm逐渐减小至贮藏末期的30-40 nm。CSP的链宽也从60-70 nm降至40-50 nm。NIS组的解聚程度甚至比IS-10组更甚，表明温度波动对果胶纳米结构的破坏超过了单纯高温的影响。

3.8. 温度波动对WSP、CSP和SSP酯化度的影响

FTIR光谱分析表明，温度波动导致NIS组中国樱桃中WSP、CSP和SSP的酯化度降低，体现在代表酯基的特征吸收峰强度减弱。这为PME催化的果胶脱酯化过程提供了结构证据。

3.9. 温度波动对基因表达活性的影响

基因表达分析揭示了温度波动对细胞壁降解酶基因的时序性调控。波动处理后，cCPME2和cCPME4等PME相关基因表达立即显著上调。而在后续恒温贮藏阶段，cCPG1-3（PG相关）和cCβ-Gal1-3（β-Gal相关）基因表达逐渐增加，导致相应的PG和β-Gal酶活性在贮藏后期（如第12天）升高。这种基因表达的阶段性特征，解释了细胞壁降解过程的协同与顺序性。

3.10. 品质劣变特异性指标的相关性分析

相关性分析进一步证实了色泽与硬度劣变的协同性。ΔE值与PPO活性、MDA含量、花色苷积累呈显著正相关，而与硬度、总酚、总黄酮、SSP含量呈显著负相关。这表明膜脂过氧化（MDA）促进了酚类氧化褐变（PPO/POD），同时细胞壁果胶解聚（SSP↓, WSP/CSP↑）共同导致了组织软化和色素扩散。

3.11. 温度波动影响樱桃色泽和质地的机制

综合以上结果，研究提出了温度波动影响中国樱桃品质的双路径机制模型。温度波动作为一种应激，首先破坏细胞膜完整性（MDA↑）并扰乱能量代谢（ATP↑）。膜损伤使得PPO/POD酶与底物酚类物质接触，催化其氧化转化为色素（花色苷↑，总酚/总黄酮↓），导致色泽变暗。同时，温度波动上调细胞壁降解酶基因表达（如cCPMEs），增强PME、PG、β-Gal活性，驱动果胶脱酯化和多糖链解聚，引起细胞壁结构破坏，最终表现为果实软化。

本研究通过构建"波动-恢复"模拟冷链模型，系统阐明了温度波动对中国樱桃采后品质的即时与持续性影响机制。研究不仅证实了温度波动通过激活氧化应激和细胞壁降解途径加速果实劣变，还从纳米尺度揭示了果胶结构的变化，并通过基因表达谱分析揭示了酶活性变化的分子基础。该研究将表观品质、生化代谢、纳米结构和基因表达等多尺度信息相关联，建立了更为全面的果实品质劣变分析框架。研究成果为中国樱桃采后冷链物流中的温度精准控制提供了坚实的理论依据，对减少采后损失、提升果实商品价值具有重要意义。未来研究可进一步结合感官评价和多组学技术，构建从分子到市场的全链条品质预测模型。