甜菜堿結(jié)合熱處理降低采后香蕉果實(shí)冷害的研究

鹿常勝，潘永貴，何 其，張智毅

（海南大學(xué)食品學(xué)院，海南?？?70228）

甜菜堿結(jié)合熱處理降低采后香蕉果實(shí)冷害的研究

鹿常勝，潘永貴*，何 其，張智毅

（海南大學(xué)食品學(xué)院，海南?？?70228）

以海南產(chǎn)巴西種香蕉果實(shí)為試材，通過甜菜堿與熱水結(jié)合處理，使用響應(yīng)面法優(yōu)化處理?xiàng)l件，測(cè)定處理后香蕉果實(shí)的冷害發(fā)生率與冷害指數(shù)，確定出能顯著降低香蕉果實(shí)冷害的最優(yōu)處理?xiàng)l件。最優(yōu)處理?xiàng)l件為：甜菜堿濃度13mmol/L，熱水溫度51℃，浸泡時(shí)間4min。經(jīng)過（4±1）℃貯藏6d后，混合處理組果實(shí)的冷害發(fā)生率為10.56%，比對(duì)照組降低了65%，并且感官品質(zhì)優(yōu)于其他處理組。

香蕉，冷害，甜菜堿，熱處理

香蕉是典型的呼吸躍變型果實(shí)，也是易發(fā)生冷害的水果之一。最佳貯運(yùn)溫度為12～14℃，溫度低于11℃時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，香蕉果實(shí)上便會(huì)產(chǎn)生不同程度的低溫冷害癥狀[1]。降低采后果蔬，尤其是熱帶果蔬的冷害損失是果蔬采后貯運(yùn)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。采后熱處理是一種頗受關(guān)注的果蔬采后保鮮方法，并且在許多果蔬上已被證明是一種很好的減輕冷害發(fā)生的技術(shù)措施[2]，但是熱處理也存在一些問題，例如熱處理的時(shí)間和溫度因不同果蔬而不同[3]，熱處理不當(dāng)，易造成果蔬失水、變色、損傷[4-6]。此外，近年來，甜菜堿在植物上以及一些采后果蔬上也發(fā)現(xiàn)具有一定的延緩冷害發(fā)生的作用。甜菜堿屬于含羧基的季銨化合物，其化學(xué)名稱為N-甲基代氨基酸，是高等植物中最常見也是最重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一[7]。高等植物中的甜菜堿主要有12種，目前研究得最多的一種是甘氨酸甜菜堿（Glycine betaine），簡(jiǎn)稱甜菜堿（Betaine），結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單[8]。在香蕉果實(shí)上，研究發(fā)現(xiàn)10mmol/L濃度的甜菜堿溶液浸泡處理可顯著減輕果實(shí)冷害癥狀[9]；在黃瓜果實(shí)上，同樣發(fā)現(xiàn)施用甜菜堿能減輕黃瓜果實(shí)貯藏期間的冷害，提高其抗冷性[10]。將熱處理結(jié)合甜菜堿來處理果蔬，以降低冷害，提高果蔬抗冷性的研究目前尚未見報(bào)道，因此，本論文將研究熱處理和甜菜堿結(jié)合降低香蕉果實(shí)冷害的可能性，并探尋其最適處理?xiàng)l件，以期為提高采后香蕉果實(shí)的抗冷性，減少果實(shí)貯運(yùn)過程中的損失提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試香蕉品種巴西（Musa sp.，AAA group，CV. Brazil） 購(gòu)自?？谑心媳彼l(fā)市場(chǎng)，成熟度7～8成，14℃預(yù)冷過夜。

MIR-253型恒溫培養(yǎng)箱 日本Sanyo公司；TW-450型保鮮膜封接機(jī) 臺(tái)灣依利達(dá)公司；CT3型質(zhì)構(gòu)儀 美國(guó)Brookfield公司；CR-400型色澤色差計(jì)KONICA MINOLTA公司。

1.2 處理方法

香蕉果實(shí)分成單個(gè)蕉指后，選擇成熟度一致、無病蟲害及機(jī)械傷的香蕉果實(shí)作為處理對(duì)象，將甜菜堿溶于蒸餾水中，加熱至一定溫度，然后將香蕉果實(shí)浸沒到甜菜堿的熱溶液中一段時(shí)間，取出晾干后用聚乙烯薄膜保鮮袋包裝，置于恒溫培養(yǎng)箱中，（4±1）℃保存。每組處理香蕉果實(shí)數(shù)量為15根，貯藏一定時(shí)間后測(cè)定相關(guān)指標(biāo)，重復(fù)三次，以平均數(shù)為最終測(cè)定結(jié)果。

1.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 分別以甜菜堿濃度、熱處理溫度、處理時(shí)間為單因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，參考有關(guān)文獻(xiàn)[2-3，10]，設(shè)計(jì)單因素甜菜堿溶液濃度：0、5、10、15mmol/L，熱處理溫度50℃，處理時(shí)間3min；設(shè)計(jì)單因素?zé)崽幚頊囟龋撼亍?5、50、55℃，甜菜堿溶液濃度10mmol/L，處理時(shí)間3min；設(shè)計(jì)單因素處理時(shí)間：1、3、5、7min，甜菜堿溶液濃度10mmol/L，熱處理溫度50℃。香蕉果實(shí)晾干后，置于4℃下保存。貯藏期間，調(diào)查香蕉的冷害發(fā)生率和冷害指數(shù)，確定出最適宜熱處理溫度。

1.2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)Box－Behnken的中心組合設(shè)計(jì)原理，以冷害發(fā)生率與冷害指數(shù)為響應(yīng)值，通過響應(yīng)面分析對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素及水平Table.1 Coded level of the independent variables

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 冷害發(fā)生率測(cè)定 香蕉果實(shí)冷害發(fā)生率參照逯明輝等方法[11]。冷害觀察是將香蕉果實(shí)放在室溫下24h后進(jìn)行，依冷害面積占香蕉表面積之比將香蕉的冷害分為：0級(jí)，果面光潔，無冷害癥狀；1級(jí)，0～25%；2級(jí)，25%～50%；3級(jí)，50%～75%；4級(jí)，75%～100%。計(jì)算公式如式（1）、式（2）所示：

冷害發(fā)生率（%）=（發(fā)生該級(jí)別冷害果數(shù)/總果數(shù)）×100 式（1）

冷害指數(shù)=Σ（冷害級(jí)別×該級(jí)別果數(shù)）/（4×檢查果數(shù)） 式（2）1.3.2 質(zhì)構(gòu)測(cè)定 采用CT3質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定，探頭直徑為4mm，質(zhì)構(gòu)條件為測(cè)試樣品深度2mm，測(cè)試速度1.5mm/s，返回速度1.5mm/s，循環(huán)2次。每組樣品取三個(gè)，重復(fù)測(cè)定三次，以平均數(shù)為最終測(cè)定結(jié)果[12]。

1.3.3 色澤指標(biāo)測(cè)定 使用色澤色差計(jì)分別對(duì)不同處理的香蕉果實(shí)樣品的外部顏色進(jìn)行客觀的綜合評(píng)價(jià)，每組樣品取三個(gè)，重復(fù)測(cè)定三次，以平均數(shù)為最終測(cè)定結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 甜菜堿濃度對(duì)香蕉果實(shí)抗冷性的影響 由圖1、圖2可以看出，使用甜菜堿處理香蕉可以有效的降低香蕉果實(shí)的冷害發(fā)生率，未經(jīng)處理的樣品第2d開始出現(xiàn)輕微冷害現(xiàn)象；而使用甜菜堿處理的香蕉，冷害現(xiàn)象有所延遲，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，冷害發(fā)生率不斷增長(zhǎng)，甜菜堿處理的果實(shí)，冷害發(fā)生率明顯低于對(duì)照，其中以10mmol/L濃度處理效果最好，且標(biāo)志冷害程度的冷害指數(shù)也是以10mmol/L濃度處理最低；未經(jīng)處理的香蕉果實(shí)在第8d的時(shí)發(fā)生4級(jí)冷害。這表明外源甜菜堿處理可有效推遲香蕉冷害的發(fā)生，并能減輕冷害發(fā)生率與冷害程度。

圖1 甜菜堿濃度對(duì)香蕉果實(shí)冷害發(fā)生率影響Fig.1 Effect of the concentration of Betaine on chilling injury rate in banana fruits

圖2 甜菜堿濃度對(duì)香蕉果實(shí)冷害發(fā)生指數(shù)的影響Fig.2 Effect of the concentration of Betaine on chilling injury index in banana fruits

圖3 熱水溫度對(duì)香蕉果實(shí)冷害發(fā)生率影響Fig.2 Effect of the hot water temperature on chilling injury rate in banana fruits

2.1.2 熱處理溫度對(duì)香蕉果實(shí)抗冷性的影響 由圖3、圖4可知，使用熱水處理后，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組差異明顯，熱水處理可以明顯降低香蕉果實(shí)的冷害發(fā)生率，其中以50℃處理效果最為明顯，冷害發(fā)生率最低；對(duì)照組在第8d時(shí)達(dá)到4級(jí)冷害。而經(jīng)過55℃熱水浸泡處理的果實(shí)冷害發(fā)生率與冷害指數(shù)相對(duì)比較高，可能是由于溫度過高，對(duì)細(xì)胞組織以及酶活性產(chǎn)生不利影響，影響了果實(shí)抗冷性。

圖4 熱水溫度對(duì)香蕉果實(shí)冷害發(fā)生指數(shù)的影響Fig.4 Effect of the hot water temperature on chilling injury index in banana fruits

2.1.3 處理時(shí)間對(duì)香蕉果實(shí)抗冷性影響 由圖5、圖6可知，隨時(shí)間的增長(zhǎng)，果實(shí)的冷害發(fā)生率不斷升高，隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組之間開始出現(xiàn)差異，以第6d最為明顯，浸泡3min的處理，香蕉果實(shí)冷害發(fā)生率與發(fā)生指數(shù)明顯比較低，這可能是長(zhǎng)時(shí)間的熱處理破壞了細(xì)胞組織以及相關(guān)酶活性，因此最適合的浸泡時(shí)間為3min。

圖5 浸泡時(shí)間對(duì)香蕉果實(shí)冷害發(fā)生率的影響Fig.5 Effect of the immersed time on chilling injury rate in banana fruits

圖6 浸泡時(shí)間對(duì)香蕉果實(shí)冷害發(fā)生指數(shù)的影響Fig.6 Effect of the immersed time on chilling injury index in banana fruits

表2 Box－Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table.2 Design and results of Box-Behnken experiment

表3 回歸方程的方差分析Table.3 Variance analysis of regression equation

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，方差分析結(jié)果見表3。

根據(jù)表2，用Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析，得出回歸模型，并分別獲得了冷害發(fā)生率、冷害指數(shù)對(duì)編碼自變量GB濃度、熱處理溫度及處理時(shí)間的二次多項(xiàng)回歸方程式（3）、式（4）回歸方程為：

由表3可知，式（3）的模型回歸值p＜0.001，極顯著，該回歸模型的R-Squared為0.9688，調(diào)整系數(shù)Adj R-Squared為0.9286，模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)失擬項(xiàng)的p值為0.1272，不顯著，說明實(shí)驗(yàn)擬合比較好。一次項(xiàng)X1、X3極顯著，X2顯著，交互項(xiàng)X1X2、X1X3、X2X3不顯著，二次項(xiàng)X12、X22、X32都是極顯著。

式（4）的模型回歸值p＜0.001，極顯著，該回歸模型的R-Squared為0.9569，調(diào)整系數(shù)Adj R-Squared為0.9014，模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)失擬項(xiàng)的p值為0.1701，不顯著，說明實(shí)驗(yàn)擬合比較好。一次項(xiàng)X1、X3極顯著，X2顯著，交互項(xiàng)X1X2、X2X3不顯著，X1X3顯著，二次項(xiàng)X12、都是極顯著。

圖7 實(shí)驗(yàn)因素交互影響果實(shí)冷害發(fā)生率的曲面圖Fig.7 Dgraph of response surface of chilling injury rates versus values of experimental factors

上述結(jié)果表明，兩個(gè)模型的顯著性均較高，擬合程度良好，實(shí)驗(yàn)誤差小，可以用此模型來分析和預(yù)測(cè)復(fù)合處理香蕉果實(shí)貯藏6d后冷害發(fā)生率以及冷害指數(shù)的變化。

利用Design-Expert 8.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行兩個(gè)方程聯(lián)合求解，得到的解決方案為甜菜堿濃度12.58mmol/L，熱處理溫度51.06℃，處理時(shí)間3.88min，預(yù)計(jì)冷害發(fā)生率10.112%，冷害發(fā)生指數(shù)0.058。

圖8 實(shí)驗(yàn)因素交互影響果實(shí)冷害指數(shù)的曲面圖Fig.8 Dgraph of response surface of chilling injury indexes versus values of experimental factors

2.3 模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，并且為了便于實(shí)際應(yīng)用，選擇甜菜堿濃度為13mmol/L，熱處理溫度為51℃，處理時(shí)間4min，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，對(duì)照組不做任何處理；GB處理組果實(shí)使用13mmol/L甜菜堿溶液常溫浸泡4min；熱處理組果實(shí)使用51℃純凈水浸泡4min。處理后取出晾干，用聚乙烯薄膜保鮮袋包裝，置于恒溫培養(yǎng)箱中，（4±1）℃保存。每組處理香蕉果實(shí)數(shù)量為15根，貯藏6d后測(cè)定相關(guān)指標(biāo)，重復(fù)三次，以平均數(shù)為最終測(cè)定結(jié)果。

表4 驗(yàn)證和比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table.4 The result of verification test

結(jié)果表明：?jiǎn)为?dú)的熱處理，甜菜堿處理，以及混合處理均可以顯著降低果實(shí)冷害發(fā)生率與冷害指數(shù)，并保持果實(shí)較好的品質(zhì)，但以復(fù)合處理組的效果最好（表4）。經(jīng)過條件優(yōu)化后，混合處理組在第6d的冷害發(fā)生率為10.56%，與預(yù)計(jì)結(jié)果（10.112%）相吻合，證明響應(yīng)面方程得出的結(jié)果可行。與對(duì)照組相比，三個(gè)處理組的冷害發(fā)生率均降低；復(fù)合處理組的冷害發(fā)生率與冷害指數(shù)均為最低，同時(shí)果皮亮度也是最高，說明復(fù)合處理組果實(shí)表皮劣變程度較低；通過對(duì)四組香蕉果實(shí)進(jìn)行質(zhì)構(gòu)的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)復(fù)合處理組的硬度、粘力、粘性、彈性均優(yōu)于其他處理組；復(fù)合處理組的電導(dǎo)率低于其他處理組，也說明其細(xì)胞受損程度較輕。

3 結(jié)論與討論

果蔬遭受冷害后原初反應(yīng)是細(xì)胞膜在臨界冷害溫度下由液晶相向凝膠相轉(zhuǎn)變[13]。膜透性增大和膜結(jié)合酶活化能增高是兩種主要繼發(fā)反應(yīng)。膜脂的相變引起膜收縮，降低構(gòu)象的自由度，使膜結(jié)合酶的分子有可能受到壓縮而處于低活化狀態(tài)，甚至發(fā)生構(gòu)象變化。但非膜結(jié)合的酶系統(tǒng)活化能變化不大，引起了兩種酶系統(tǒng)之間平衡破壞，從而造成代謝失調(diào)。代謝失調(diào)使一些有毒產(chǎn)物如乙醛、乙醇、丙酮等在細(xì)胞內(nèi)累積。超過了細(xì)胞的忍耐力，將出現(xiàn)冷害癥狀以至組織死亡。

甜菜堿提高植物抗性的生理機(jī)制主要有一下幾個(gè)方面：調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)滲透壓[14-15]，保護(hù)光合系統(tǒng)[16]，穩(wěn)定抗氧化系統(tǒng)以及維持生物膜的結(jié)構(gòu)與功能[17-18]。本次實(shí)驗(yàn)證明了適量濃度的甜菜堿能夠提高香蕉果實(shí)的抗冷性，降低冷害發(fā)生率。

熱處理降低了果蔬冷藏過程中細(xì)胞膜的通透性，同時(shí)果蔬中熱激蛋白大量表達(dá)，熱處理可以有效的提高冷敏性果蔬的抗冷性[19]。適當(dāng)熱處理可以抑制果蔬活性氧的產(chǎn)生和積累，提高抗氧化酶活性，維持細(xì)胞的正常代謝，從而提高果實(shí)的抗冷性，抑制冷害癥狀的發(fā)生[20-22]，但是熱處理的時(shí)間和溫度較難控制，熱處理不當(dāng)，易造成負(fù)面的影響，本次實(shí)驗(yàn)得出同樣的結(jié)論，如果熱處理時(shí)間過長(zhǎng)，反而會(huì)起到負(fù)面的影響，所以關(guān)于熱處理的方式應(yīng)該細(xì)致與深入的研究。

本次實(shí)驗(yàn)通過利用Design-Expert軟件，利用響應(yīng)曲面法建立二次多項(xiàng)式模型，所得模型的擬合程度良好，實(shí)驗(yàn)誤差小，可以用于對(duì)香蕉冷害發(fā)生率與冷害指數(shù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。根據(jù)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，并且為了便于實(shí)際應(yīng)用，選擇甜菜堿濃度為13mmol/L，熱水溫度為51℃，浸泡時(shí)間4min。驗(yàn)證和比較實(shí)驗(yàn)表明，熱處理復(fù)合甜菜堿處理能夠有效抑制香蕉果實(shí)冷害的發(fā)生，并保持果實(shí)品質(zhì)，復(fù)合處理的效果顯著好于兩者單一處理。

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圖3 煮料操作界面圖Fig.3 Operation interface diagram of cooking

3.3 調(diào)配系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏調(diào)配界面圖顯示調(diào)配罐溫度、攪拌電機(jī)狀態(tài)、各個(gè)相關(guān)閥的通斷狀態(tài)、以及液體流向、生產(chǎn)品種描述等信息。

當(dāng)調(diào)配完成后，相應(yīng)線別顯示“請(qǐng)檢”信息。品管員對(duì)該生產(chǎn)線采樣并檢驗(yàn)；料液檢測(cè)合格，則按下該生產(chǎn)線的“放行”相應(yīng)按扭，該生產(chǎn)線自動(dòng)將調(diào)配缸料液打至?xí)捍娓變?chǔ)存?！罢?qǐng)檢”信息自動(dòng)消除。

3.4 儲(chǔ)料系統(tǒng)

從現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏儲(chǔ)料界面圖可獲知儲(chǔ)料罐料液溫度、高低液位、攪拌電機(jī)狀態(tài)以及控制方式、各個(gè)相關(guān)閥的通斷狀態(tài)、以及液體流向、生產(chǎn)品種描述等信息。

3.5 CIP清洗

現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏CIP界面圖包括“換品種清洗”或“CIP清洗”兩種工作狀態(tài)，每種工作狀態(tài)都有“手動(dòng)”和“自動(dòng)”模式，操作員可以在CIP界面圖上隨時(shí)切換使用。

4 結(jié)論

本控制系統(tǒng)由中央控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器、觸摸屏、通訊網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成，通過對(duì)果凍生產(chǎn)主要工序的合理單元?jiǎng)澐?，生產(chǎn)過程中液位、溫度、壓力和流量等物理量數(shù)據(jù)的采集、顯示和查詢，直觀地反應(yīng)生產(chǎn)過程中參數(shù)的變化，科學(xué)準(zhǔn)確的調(diào)控，穩(wěn)定和提升了產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，由過去不斷地在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)操作過程進(jìn)行觀察、控制，轉(zhuǎn)變?yōu)橹恍枰诂F(xiàn)場(chǎng)觸摸屏上輕觸或電腦上輕點(diǎn)鼠標(biāo)即可完成。促進(jìn)果凍行業(yè)生產(chǎn)方式的改變，真正實(shí)現(xiàn)了果凍生產(chǎn)操作自動(dòng)化，過程數(shù)據(jù)化，管理信息化。目前該系統(tǒng)在多家果凍生產(chǎn)企業(yè)整體運(yùn)行超過3年，系統(tǒng)工作正常，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，一次性合格率達(dá)到100%，年最大調(diào)配能力達(dá)到2萬多噸，調(diào)配精度達(dá)到0.5%。

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Study on glycine betaine combined with heat treatment reducing chilling injury in postharvest banana fruits

LU Chang-sheng，PAN Yong-gui*，HE Qi，ZHANG Zhi-yi
（College of Food Science and Technology of Hainan University，Haikou 570228，China）

Banana fruits（Musa sp.，AAA group，CV.Brazil）were harvested from Hainan island，and fruits were treated by Glycine Betaine which combined with hot water.Response surface methodology（RSM）was used to optimize experimental conditions.The chilling injury rate and index were measured to determine the best condition for reducing chilling injury in banana fruits.Results were as follows：the concentration of GB was 13mmol/L，the temperature of hot water was 51℃，and immersing time was 4min.After 6 days’storage at（4±1）℃，the rate of chilling injury of compound treatment was 10.56%，reduced 65 percent compared to the control group，and sensory quality of compound treatment group was superior to other groups.

banana fruits；chilling injury；glycine betaine；heat treatment

TS255.3

A

1002-0306（2014）04-0300-06

2013－07－05 *通訊聯(lián)系人

鹿常勝（1988-），男，在讀碩士研究生，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品貯藏及加工。