青椒在不同溫度下水分損失預(yù)測模型

鞏孟悅，李 健，雷曉娟，曹建康，姜微波

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083)

青椒在不同溫度下水分損失預(yù)測模型

鞏孟悅，李 健，雷曉娟，曹建康*，姜微波

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083)

為了明確青椒失水率在不同溫度條件下的變化情況，更好地通過控制或改進環(huán)境條件維持其品質(zhì)，建立了青椒水分變化的數(shù)學(xué)模型。實驗?zāi)M15、25、30℃，相對濕度55%的3個不同貯藏條件，通過測定其48h的失水率變化，以化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和阿倫方程(Arrhenius)為基礎(chǔ)，得到了青椒失水率和溫度之間關(guān)系的預(yù)測模型(R2＞0.99)。通過20℃下的實驗值和預(yù)測值對模型進行驗證，結(jié)果表明，模型預(yù)測值和實驗實測值擬合度較高，基本能夠預(yù)測青椒在貯售期間水分損失的變化。

青椒，水分，阿倫方程，模型

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試青椒 京甜3號，選購無病蟲害、無機械傷、果柄萼片完整、大小勻稱、成熟度一致的綠熟果，貯存于BY-2006B型低溫交變濕熱實驗箱(溫度控制精度:±0.5℃;濕度控制精度:±2.5%)。

1.2 實驗方法

結(jié)合實際貨架期條件，將青椒分別置于溫度15、25、30℃(相對濕度55%)的3個不同環(huán)境中貯藏48h。驗證實驗將青椒置于20℃下貯藏48h。

實驗每6h取樣稱重一次，每次測試10個果實。青椒失水率以每次稱得的果實重量與初始重量之差占初始重量的百分比表示。

失水率(%)=［貯藏后果實質(zhì)量(g)-果實初始質(zhì)量(g)］/果實初始質(zhì)量(g)×100%

1.3 水分損失的基本動力學(xué)模型

水分是表征果蔬產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素之一。采后只有水分的蒸騰散失而無補充，因此會失水萎蔫。一般情況下，失水大于5%就會引起失鮮。另外，果實失水過多，還會破壞正常代謝過程，降低其耐貯性和抗病性［4］。一般認(rèn)為，果蔬的品質(zhì)損失和溫度之間呈Arrhenius關(guān)系，即品質(zhì)損失可以表示為與溫度相關(guān)的一個指數(shù)函數(shù)［11-12］。對所有辣椒品種來說，水分散失是限制采后壽命的主要因素，其他因素僅在低失水率(貯藏在8℃和包裝下)才成為限制因素。果實水分的散失是呼吸作用和角質(zhì)層水分?jǐn)U散的結(jié)果。而青椒不是呼吸躍變型果實，所以在水分損失中，呼吸可能起次要的作用［3］。擴散的水分損失受到果實內(nèi)外水勢梯度和擴散阻力的控制。這個水勢梯度可能是溫度和相對濕度的函數(shù)，而擴散的阻力和果皮的角質(zhì)層有關(guān)［13］。對于同一品種的青椒，當(dāng)我們只考慮溫度的影響時，在恒定濕度條件下，其水分含量就可以表示為貯藏時間和溫度的函數(shù)［9］:

式中:M(t)-果實在某一時刻的含水量;M0-果實的初始含水量;k-與溫度相關(guān)的失水系數(shù); t-時間。

青椒的水分損失的速率系數(shù)k是溫度的函數(shù)，利用Arrhenius方程求得:

式中:K0-Arrhenius方程的指數(shù)因子，m2·s-1; Ea-活化能，kJ·mol-1;R-普適氣體常數(shù)，8.31kJ· mol-1·K-1;T-絕對溫度，K。

1.4 數(shù)據(jù)處理和模型擬合度分析

所有數(shù)據(jù)使用Excel2003進行分析處理。應(yīng)用建立的青椒水分損失動力學(xué)模型可得不同溫度貯藏條件下的預(yù)測值，與在相應(yīng)貯藏實驗中實際測定的青椒失水率進行比較，通過分析預(yù)測值和實驗值的擬合度對模型進行驗證。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫、濕度條件下水分含量的變化

圖1顯示了相對濕度55%時，青椒失水率在不同溫度下的變化情況?？梢钥闯?，在不同的溫度條件下，失水率隨時間的變化均呈明顯的線性相關(guān)，且隨著溫度的升高，水分損失速率增大。

圖1 不同溫度下青椒失水率的變化曲線(相對濕度55%)

2.2 不同溫度下的動力學(xué)模型

將圖1中3個回歸方程的斜率(0.1311、0.1720、 0.2043)的對數(shù)與對應(yīng)的絕對溫度(288、298、303K)的倒數(shù)作圖，可以得到相對濕度為55%時青椒水分損失的Arrhenius曲線，相關(guān)系數(shù)為0.9946。

圖2 青椒水分損失的Arrhenius曲線(相對濕度55%)

由此曲線斜率計算出的活化能(Ea)為21130kJ ·mol-1，K0為888.3804m2·s-1，從而得到青椒水分損失的Arrhenius方程為:

根據(jù)式(1)，青椒在某一時刻失水率的通用方程可以表示為

式中:M-果實在某一時刻的失水率，%;km-失水系數(shù)。

用式(3)替換式(4)中的km即可得到相對濕度55%時青椒失水率的預(yù)測模型:

2.3 青椒失水模型的驗證和評價

為了驗證建立的青椒水分損失動力學(xué)模型的可行性，本文選取了20℃進行了驗證實驗，將青椒失水率的實驗值與預(yù)測值比較，見圖3。由圖3可以看出，青椒失水率的實驗值和預(yù)測值吻合度較好，建立的預(yù)測模型具有較高的可行性。

圖3 青椒水分損失實驗值和預(yù)測值的比較

3 討論

青椒果實的水分散失受到多種內(nèi)部因素(呼吸作用、表面積比、細(xì)胞微結(jié)構(gòu)等)和外部因素(品種、成熟度、機械傷、包裝、環(huán)境條件等)的綜合影響。由于青椒屬于非呼吸躍變型果實，所以在水分散失過程中，呼吸可能只起到了次要的作用。本實驗選取同一品種及成熟度的青椒，將除溫度以外的影響因素降低到最小，得到了其水分損失的變化隨時間呈現(xiàn)良好線性關(guān)系。并進一步推導(dǎo)出濕度為55%時，無包裝青椒失水率與溫度相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。模型表明，青椒失水速率是一個和貯藏溫度相關(guān)的指數(shù)函數(shù)，這和大多數(shù)研究溫度和產(chǎn)品質(zhì)量損失關(guān)系的結(jié)果相似［9-11，14-15］。本實驗建立的模型實驗選取的環(huán)境條件具有較好的實際意義，建立的模型擬合度較高，可以用來預(yù)測青椒在不同貯藏環(huán)境下的水分變化情況，為銷售者和消費者評判青椒品質(zhì)提供理論參考。

［1］Vengaiah PC，Pandev JP.Dehydration kinetics of sweet pepper (Capsicum annum L.)［J］.Journal of Food Engineering，2007，81: 282-286.

［2］Lownds NK，Banaras M，Bosland PW.Postharvest water loss and storage quality of nine pepper(Capsicum)cultivars［J］.Hort Science，1994，29(3):191-193.

［3］Sirichit，John MK.Edible coating effects on postharvest quality of green bell peppers［J］.Journal of Food Science，1996，61(1): 176-179.

［4］盧立新.果蔬及其制品包裝［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005，5.

［5］Sonia MC，Jorge A.Effect of thermal blanching and of high pressure treatments on sweet green and red bell pepper fruits (Capsicum annuum L.)［J］.Food Chemistry，2008，107:1436 -1449.

［6］傅茂潤，杜金華，李苗苗，等.ClO2對青椒采后生理的影響［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2005，31(10):155-157.

［7］王靜，張輝，李學(xué)文，等.熱處理對采后青椒品質(zhì)的影響［J］.保鮮與加工，2008(6):50-53.

［8］頡敏華，朱建美，頡建明.影響青椒貯藏性的因素［J］.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，39(6):300-305.

［9］鄧云，吳穎，李云飛.葡萄在貯藏和貨架期間品質(zhì)的預(yù)測模型［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2006，37(8):93-97.

［10］Garcia-Gimeno RM，Castillejo-Rodriguez AM，Barco-Alcala E，et al.Determination of packaged green Asparagus shelflife［J］.Food Microbiology，1998，15:191-198.

［11］Techavuthiporn C，Nakano K，Maezawa S.Prediction of ascorbic acid content in broccoli using a model equation of respiration［J］.Postharvest Biology and Technology，2008，47: 373-381.

［12］Singh RRB，Ruhil AP，Jain DK，et al.Prediction of sensory quality of UHT milk-A comparison of kinetic and neural network approaches.Journal of Food Engineering［J］.2009，92:146-151.

［13］呂家龍.辣椒水分損失對貯藏后品質(zhì)的影響［J］.北方園藝，1996(3):48-49.

［14］張麗平，余曉琴，童華榮.動力學(xué)模型預(yù)測板鴨貨架壽命［J］.食品科學(xué)，2007，28(11):584-586.

［15］Singh RRB，Ruhil AP，Jain DK，et al.Prediction of sensory quality of UHT milk-A comparison of kinetic and neural network approaches［J］.Journal of Food Engineering，2009，92:146-151.

Mathematical model of water loss of green pepper at different temperatures

GONG Meng-yue，LI Jian，LEI Xiao-juan，CAO Jian-kang*，JIANG Wei-bo
(College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China)

Chemical kinetics has been widely used as basic for predicting loss of food quality or storage life in many processed foods.Such an approach requires a mathematical model to describe the influence of storage temperature on the rate of quality loss.Model developed from the slopes of mass versus time for 3 temperatures (15，25，30℃)and 55%relative humidity(RH)in the 48h.Subsequently，the feasibility of applying the temperature data to this equation to predict water loss during actual distribution process was investigated.The agreement between predicted and experimental values was found to be satisfactory.

green pepper;water;Arrhenius;model

TS255.1

A

1002-0306(2011)03-0094-03

青椒(Caprigum amuum)是以綠色鮮果上市的菜用甜椒品種，屬熱帶蔬菜，含水量高，適宜的貯藏溫度為7～10℃［1］。自然貯放容易失水，造成表面光澤消退、形態(tài)萎蔫、疲軟、鮮度下降，進而加速果實后熟老化，使其商品價值和食用價值明顯下降，嚴(yán)重影響了青椒的流通和經(jīng)濟價值［2-4］。近年來國內(nèi)外學(xué)者對青椒的研究大多集中在采前或采后處理對其生理生化品質(zhì)的影響以及生物保鮮技術(shù)方面［5-7］，環(huán)境溫度對無包裝青椒貨架品質(zhì)的影響鮮有報道［8］，未見有學(xué)者用數(shù)學(xué)模型描述青椒在貯售過程中的品質(zhì)變化。而以化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型，可以很好地反映果蔬的品質(zhì)變化。例如鄧云等人建立了葡萄在貯藏和貨架期期間硬度和水分衰減率隨溫度和時間變化的指數(shù)模型［9］，Garcia-Gimeno RM等人利用微生物隨溫度變化的規(guī)律建立了包裝綠蘆筍的貨架期預(yù)測模型［10］。實驗主要考察無包裝青椒在自然環(huán)境下貯放的失水變化情況，以青椒在不同溫度下貯藏實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立動力學(xué)模型，選取的溫度范圍覆蓋了青椒采后貯售過程中可能接觸的環(huán)境條件。旨在為優(yōu)化青椒貯運的環(huán)境條件提供理論依據(jù)，為銷售者及消費者判斷蔬菜商品品質(zhì)提供理論參考。

2010-02-04 *通訊聯(lián)系人

鞏孟悅(1985-)，女，在讀碩士研究生，研究方向:果蔬貯運保鮮。

國家863計劃項目基金支持(2008AA100803)。