充氮包裝對鮮參品質(zhì)的影響及貨架期預(yù)測

徐艷陽，劉 輝，霍冰洋，張鐵華,*，張 言，孫宏賓，顏偉強，張 維

人參為五加科人參屬植物（Panax ginseng C. A.Meyer），味甘、微苦、性溫，素有“百草藥”之美稱，是我國傳統(tǒng)的滋補養(yǎng)生名貴藥材。現(xiàn)代研究結(jié)果證實人參含有多種生物活性物質(zhì)，如人參皂苷、人參多糖、多肽類等。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對人參提取物及有效成分進行了藥理研究、臨床觀察和流行病學(xué)調(diào)查，結(jié)果均證實人參皂苷具有提高機體免疫力[1]、抑制血小板聚集[2]、抗癌[3]、抗氧化[4]、抗疲勞[5]、降血糖[6]等多種生物活性功能。目前市場常見的人參產(chǎn)品多數(shù)是干參，尤以生曬參和紅參為主。鮮參由于水分含量高，采后貯藏不當(dāng)極易導(dǎo)致表面皮色變深、斷面變灰、香氣物質(zhì)減少。而且鮮參在貯藏過程中常產(chǎn)生蛀蟲、霉變等現(xiàn)象。尤其在收獲后一周內(nèi)，未經(jīng)任何處理保存在0～5 ℃的環(huán)境下，極易發(fā)生腐敗變質(zhì)，同時也會導(dǎo)致活性成分人參總皂苷的損失。

目前貯藏人參的常用方法有干燥法、埋藏法、醇悶法、冷藏法，還有用化學(xué)防腐劑（苯甲酸、山梨酸）防腐、酒精浸泡防腐、輻射處理、高溫處理、限氣或充氮處理等措施。為了滿足市場對鮮參質(zhì)量的需求，Jeon等[7]研究了氣調(diào)環(huán)境下（不同CO2體積分?jǐn)?shù)），通過對包裝中的氣體成分、人參總皂苷及游離糖含量進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在CO2體積分?jǐn)?shù)為5%的貯藏環(huán)境中歷時3 個月后外觀和理化性質(zhì)均無明顯變化；Chun等[8]使用二氧化氯處理人參以延長保質(zhì)期；Lee等[9]利用高靜壓技術(shù)不僅殺滅了人參表面的微生物，而且提高了人參的酚類化合物含量，表現(xiàn)出更高的生理營養(yǎng)特性；Jin等[10]使用電子束輻照韓國人參和紅參，延長了其貨架期。

近年來，一些國內(nèi)外學(xué)者利用化學(xué)動力學(xué)模型對雞肉早餐腸[11]、燕麥片[12]、板栗蓉[13]、扇貝[14]、鮮切蘑菇[15]等貨架期進行研究。例如，任斯忱等[16]通過研究花生仁與核桃仁的真空與露空的貯藏方式，建立起以過氧化值為關(guān)鍵指標(biāo)的貨架期預(yù)測模型；包海蓉等[17]通過研究真空包裝的新鮮金槍魚片和三文魚片，以菌落總數(shù)、乳酸菌數(shù)和總揮發(fā)性鹽基氮含量為關(guān)鍵指標(biāo)建立貨架期預(yù)測模型。根據(jù)模型預(yù)測充氮包裝鮮參的品質(zhì)變化及貨架期對鮮參的開發(fā)、工藝參數(shù)的優(yōu)化以及安全性的評價具有一定的實際意義。而目前通過應(yīng)用動力學(xué)模型預(yù)測氮氣包裝鮮人參的貨架期鮮有報道。因此，本實驗采用純度為99.99%氮氣包裝鮮參，通過降低包裝內(nèi)的氧氣濃度，抑制微生物的生長和降低鮮參的呼吸作用。并通過對充氮包裝鮮人參在37、45 ℃的高溫條件下進行加速實驗[18]，研究人參的水分含量、總皂苷含量、菌落總數(shù)的變化規(guī)律，建立動力學(xué)模型來預(yù)測鮮參貯藏的貨架期，為研究鮮參的保藏方法提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮參（5 年生）由吉林通化帝富醫(yī)藥有限公司提供。透明聚乙烯真空包裝袋（20 cm×15 cm×0.07 mm）為市售。

所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

AR1140型電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；C-MAG HS10型磁力攪拌儀 德國IKA公司；UV-2550型紫外-可見分光光度計 日本島津公司；MLS-3750高壓蒸汽滅菌鍋 三洋電機株式會社；PhS-3C雷磁pH計 上海精科有限公司：spx-250B-Z型生化培養(yǎng)箱、HPX-9272 MBE數(shù)顯電熱培養(yǎng)箱 上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；05J02-C生物安全柜蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；RE-522A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上海亞榮生化儀器廠；VS-450T真空包裝機青島敏航包裝機械有限公司；HH-6B數(shù)顯恒溫水浴鍋金壇市富華儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 充氮包裝鮮參

選擇新采收且蘆頭、主體、須毛完好的人參（無機械損傷、無傷疤、沒有發(fā)生霉變和蟲咬），不沖洗泥土。采后在冷庫進行快速預(yù)冷，以迅速除去人參自身帶有的田間熱，降低呼吸熱；預(yù)冷溫度為4 ℃，預(yù)冷時間3 h。

鮮參從冷庫中取出，進行真空充氮包裝。使用前將包裝袋放入紫外光下照射20～25 min，戴無菌手套對人參進行袋裝，對袋裝好的人參進行充氣封口前將熱封合處使用無水乙醇消毒。熱封合溫度180 ℃，熱封合時間4 s。同時用便攜式氣體檢測儀檢測，氮氣體積分?jǐn)?shù)均大于99%。密封后分別置于4、37 ℃和45 ℃下進行貯藏，其中4 ℃貯藏組共貯藏120 d，每30 d測定一次指標(biāo)（此貯藏組未測定菌落指數(shù)）；37 ℃貯藏組共貯藏60 d，每15 d測定一次指標(biāo)；45 ℃貯藏組共貯藏60 d，每10 d測定一次指標(biāo)。

1.3.2 鮮參水分含量的測定

采用常壓干燥法，參考GB/T 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》[19]測定水分含量，其中以鮮參質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)進行計算。

1.3.3 鮮參總皂苷含量的測定

人參總皂苷標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制參考文獻[20]。精密稱取干燥至恒質(zhì)量的人參皂苷Re（四環(huán)三萜類衍生物）對照品10 mg，用甲醇定容到l0 mL，制成1 mg/mL的溶液。準(zhǔn)確吸取對照品溶液40、80、120、160、200、240、280 μL分別置于具塞試管中，60 ℃揮發(fā)干甲醇，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%香草醛冰醋酸溶液0.5 mL，再加0.8 mL體積分?jǐn)?shù)為70%的高氯酸，60 ℃恒溫水浴15 min，立即用自來水水浴5 min，加入5 mL冰醋酸，混勻，利用紫外-可見分光光度計在544 nm波長處測定吸光度，以吸光度為縱坐標(biāo)、人參皂苷Re質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

鮮參總皂苷含量的測定參考文獻[21]。將鮮參于50 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥48 h去除水分，取鮮參供試品1 g，準(zhǔn)確稱其質(zhì)量，用中性濾紙包好，置于索式提取器中，加入乙醚至提取瓶容積的1/2，微沸回流提取2 h，棄去乙醚，然后置于另一索氏提取器中加入甲醇浸泡過夜，次日加入適量甲醇開始微沸回流提取，合并甲醇提取液，回收甲醇，少量甲醇提取液置于蒸發(fā)皿中，水浴蒸干。用蒸餾水溶解提取物，加水30～40 mL置于分液漏斗中用水飽和正丁醇30 mL進行萃取，共4 次。取上層液蒸干，加甲醇溶解后，轉(zhuǎn)移至10 mL容量瓶中，用甲醇稀釋至刻度，搖勻，即得鮮參供試溶液。按人參總皂苷標(biāo)準(zhǔn)曲線制作方法（將標(biāo)準(zhǔn)溶液換成供試溶液）再次測定544 nm波長處的吸光度，根據(jù)繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出總皂苷含量（結(jié)果以鮮參質(zhì)量計）。

1.3.4 鮮參菌落總數(shù)的測定

依據(jù)GB/T 4789.2—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗 菌落總數(shù)測定》[22]稀釋涂布平板計數(shù)測定菌落總數(shù)。稱取25 g鮮參的粉碎樣品（過60目篩），放入盛有225 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.85%生理鹽水的無菌均質(zhì)杯內(nèi)，8000 r/min均質(zhì)2 min，制成質(zhì)量比1∶10樣品勻液。之后使用移液槍進行梯度稀釋，選擇合適的2～3 個稀釋度，吸取1 mL樣品勻液于無菌培養(yǎng)皿內(nèi)，滴加至45 ℃左右的平板計數(shù)培養(yǎng)基上，混勻后37 ℃下培養(yǎng)24 h，記錄菌落數(shù)目。菌落計數(shù)以菌落形成單位（colony-forming units，CFU）表示。

1.3.5 真空充氮包裝鮮參品質(zhì)動力學(xué)模型構(gòu)建方法

食品貯藏過程中，大多數(shù)品質(zhì)變化的反應(yīng)都遵循零級（式（1））或一級反應(yīng)動力學(xué)（式（2））規(guī)律?？捎檬称返钠焚|(zhì)指標(biāo)A（營養(yǎng)素、特征風(fēng)味等）的損失或不良品質(zhì)指標(biāo)B（有害物質(zhì)、異味等）的形成來衡量。

式中：t為食品的貯藏時間/d；A0為食品的初始評價指標(biāo)（這里指人參水分含量/（g/100 g）和總皂苷的初始含量/（g/100 g））；A為食品貯藏第t天的品質(zhì)指標(biāo)；k為食品品質(zhì)變化的速率常數(shù)。

1.3.6 充氮包裝鮮參的貯藏貨架期預(yù)測模型的建立

動力學(xué)模型可以描述食品在貯藏過程中品質(zhì)的變化，反應(yīng)速率常數(shù)k是溫度的函數(shù)，因此運用Arrhenius方程（式（3））可以預(yù)測食品在不同貯藏條件下的貨架期[23]。

式中：k0為頻率因子；EA為活化能/（J/mol）；R為氣體常數(shù)，值為8.314 J/（mol·K）；T為反應(yīng)的絕對溫度/K。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)均為3 次平行實驗的平均值，用方差分析和Duncan多重檢驗法來檢驗平均值間的差異顯著性，采用Origin 2016軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 充氮包裝鮮參在貯藏過程中的品質(zhì)變化

2.1.1 充氮包裝鮮參在貯藏過程中水分含量的變化

鮮參在貯藏過程中，若環(huán)境條件適宜，空氣中存在的霉菌孢子就會落到人參表面，萌發(fā)生長成菌絲，使藥材腐敗[24]。鮮參營養(yǎng)豐富，極易發(fā)生霉變，所以人參貯藏過程中水分含量變化是鮮參品質(zhì)變化的一個重要指標(biāo)。

圖1 貯藏溫度及時間對充氮包裝鮮參水分含量的影響Fig. 1 Effect of storage temperature and time on moisture content of nitrogen-packed fresh ginseng

鮮參含水量豐富（66.59 g/100 g以上），但在高溫狀態(tài)下，伴隨著一系列的生理生化反應(yīng)及營養(yǎng)物質(zhì)的流失，溫度越高，水分蒸騰作用越快，水分流失越快，充氮包裝鮮參發(fā)生一定程度的無氧呼吸。37 ℃時，后期水分含量出現(xiàn)突增可能是由于鮮參的無氧呼吸作用產(chǎn)生的少量水，但由于高溫下主要還是以水分蒸騰作用為主，所以37 ℃和45 ℃下鮮參的水分含量整體呈下降趨勢，并且溫度越高，人參水分含量降低的速率越快；4 ℃下基本無蒸騰作用，所以水分含量無顯著性變化。

2.1.2 充氮包裝鮮參在貯藏過程中人參總皂苷含量的變化

人參總皂苷的降解就是其分子上的部分或全部糖基被水解，從而得到含糖基較少的次級人參皂苷或皂苷元，通常的降解方法有酸降解法、堿降解法和酶降解法等[25-27]。人參貯藏過程中人參總皂苷的降解主要是酶的作用，不同種類的酶可以作用于不同的構(gòu)型和不同類型的糖苷鍵。

圖2 貯藏溫度及時間對充氮包裝鮮參總皂苷含量的影響Fig. 2 Effect of storage temperature and time on total saponin content of nitrogen-packed fresh ginseng

由圖2中可知，隨著貯藏時間延長，鮮參總皂苷含量呈遞減趨勢，在37 ℃下貯藏60 d，鮮參總皂苷含量下降較快，從6.85%下降至5.29%（損失率為22.77%）；在45 ℃下貯藏60 d，總皂苷含量從6.85%下降至5.16%（損失率為24.67%），人參總皂苷含量降低的速率隨著貯藏溫度的升高而逐漸加快；而在4 ℃下，由于酶的活力較低，人參總皂苷只發(fā)生少量的降解，120 d后總皂苷含量損失僅為0.66%。

2.1.3 充氮包裝鮮參在貯藏過程中菌落總數(shù)的變化

菌落總數(shù)是用來判定食品被細(xì)菌污染的程度及衛(wèi)生質(zhì)量的指標(biāo)，它反映食品在生產(chǎn)過程中是否符合衛(wèi)生要求，以便對被檢樣品做出適當(dāng)?shù)男l(wèi)生學(xué)評價。

圖3 貯藏溫度和時間對充氮包裝鮮參菌落總數(shù)的影響Fig. 3 Effect of storage temperature and time on total colony count of nitrogen-packed fresh ginseng

從圖3可以看出，貯藏溫度為37 ℃時人參表面的菌落總數(shù)隨貯藏時間的延長不斷增長，在15～45 d范圍內(nèi)，菌落總數(shù)均發(fā)生了顯著變化（P＜0.05），在15 d時菌落總數(shù)為4.91（lg（CFU/g）），超過了GB/T 22534—2008《保鮮人參分等質(zhì)量》[21]規(guī)定的范圍（菌落總數(shù)＜10 000 CFU/g）。45 ℃時人參表面的菌落總數(shù)隨時間的延長呈下降趨勢，一方面是因為過高的貯藏溫度條件下，微生物的生長代謝減緩，且在低氧的情況下，需氧型微生物的生長繁殖受到抑制；另一方面可能是因為鮮參無氧呼吸產(chǎn)生的乙醇具有殺菌作用。但從感官品質(zhì)判斷，硬度下降較快，表面顏色逐漸加深。

2.2 充氮包裝鮮參的貯藏貨架期預(yù)測模型的建立

水分和總皂苷含量的變化是由鮮參體內(nèi)生理代謝引起的。其品質(zhì)變化與貯藏時間之間的關(guān)系遵循化學(xué)動力學(xué)模型，所以產(chǎn)品的貨架期可通過零級或一級動力學(xué)模型來預(yù)測，進行線性回歸得到零級或一級動力學(xué)，該動力學(xué)模型可以描述人參在貯藏過程中品質(zhì)的變化。

2.2.1 充氮包裝鮮參的總皂苷的動力學(xué)分析

對不同貯藏溫度條件下人參水分含量和總皂苷含量進行連續(xù)測定，用零級或一級動力學(xué)模型對指標(biāo)進行線性回歸分析或指數(shù)方程回歸分析，相關(guān)參數(shù)如表1、2所示。

表1 鮮參的水分和總皂苷含量零級指標(biāo)動力學(xué)模型參數(shù)Table 1 Parameters of zero-order kinetic models for moisture content and total saponin content of fresh ginseng

表2 鮮參的水分和總皂苷含量一級指標(biāo)動力學(xué)模型參數(shù)Table 2 Parameters of first-order kinetic models for moisture content and total saponin content of fresh ginseng

利用Origin 2016軟件分別對不同貯藏溫度下人參的水分含量和總皂苷含量進行零級和一級動力學(xué)曲線擬合，得到擬合的品質(zhì)指標(biāo)A、變化速率常數(shù)k值和回歸系數(shù)R2。由表1、2可知，人參總皂苷含量在不同貯藏溫度下建立的回歸方程回歸系數(shù)R2均大于0.94，表明以該指標(biāo)建立的一級動力學(xué)擬合曲線具有較高的擬合度。

2.2.2 充氮包裝鮮參貯藏期間理化指標(biāo)的動力學(xué)模型建立

圖4 充氮包裝鮮參貯藏期間總皂苷含量變化的Arrhenius曲線Fig. 4 Arrhenius curve of change in total saponin content in nitrogen-packed fresh ginseng during storage

由以上人參總皂苷的一級動力學(xué)模型得到在4、37 ℃和45 ℃下的總皂苷含量變化的速率常數(shù)k分別為－9.00×10－4、－4.30×10－3和－4.60×10－3，以ln k對貯藏溫度的倒數(shù)1/T作圖，如圖4所示，得到線性方程為y＝－2 742.965 3x+3.311 3，R2＝0.988 2。由該方程計算得到的總皂苷含量的活化能EA為22 805.013 5 J/mol，頻率因子k0為27.420 7。

當(dāng)確定了貯藏溫度、初始總皂苷含量及終點總皂苷含量，根據(jù)得到總皂苷含量的貨架期預(yù)測方程，即可計算出某一確定的溫度下充氮包裝保鮮參的貯藏時間，可對其貨架期進行預(yù)測。此外，也可以通過真空充氮包裝鮮參的貯藏溫度、初始總皂苷含量以及貯藏時間，計算出一定的貯藏溫度下貯藏一定時間后的總皂苷含量，可對其理化指標(biāo)的變化進行監(jiān)控。

2.3 充氮包裝鮮參貨架期模型的驗證

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22534—2008《保鮮人參分等質(zhì)量》[21]的相關(guān)規(guī)定，確定保鮮參中總皂苷含量不得低于2.5%。將規(guī)定的總皂苷含量的最低限值作為貯藏終點控制值。將4 ℃和25 ℃下真空充氮包裝鮮參的總皂苷含量實測值與建立的Arrhenius模型的方程計算的貨架期預(yù)測值進行比較，驗證上述動力學(xué)方程的準(zhǔn)確性。

表3 充氮包裝鮮參在4 ℃和25 ℃貯藏溫度下的貨架期預(yù)測值和實測值Table 3 Predicted and measured shelf-life values of nitrogen-packed fresh ginseng at 4 or 25 ℃

由表3可以看出，通過所建立的貨架期預(yù)測模型得到的4 ℃和25 ℃貯藏溫度下的真空充氮包裝鮮參的貨架期預(yù)測值與實際測量值的相對誤差分別為6.36%和9.00%，均不超過10%，表明本實驗對真空充氮包裝鮮參建立起來的貨架期模型具有較好的預(yù)測性。

3 結(jié) 論

對于充氮包裝鮮參的貯藏方式，在不同的貯藏溫度下，隨貯藏時間的延長，水分含量和總皂苷含量均呈降低趨勢。貯藏溫度越高，人參水分含量和總皂苷含量降低的速率越快。通過對鮮參品質(zhì)（水分含量、總皂苷含量）的變化進行零級和一級動力學(xué)模型擬合發(fā)現(xiàn)，人參總皂苷含量變化遵循一級動力學(xué)模型，回歸系數(shù)R2大于0.94，具有較高的擬合度。以人參總皂苷含量為指標(biāo)的反應(yīng)速率（k）和反應(yīng)溫度（T）的關(guān)系遵循Arrhenius方程，ln k和1/T呈線性關(guān)系，R2為0.988 2（大于0.95）。

貨架期預(yù)測模型得到的37 ℃和45 ℃貯藏溫度下的真空充氮包裝鮮參的貨架期預(yù)測值與實際測量值的相對誤差不超過10%，表明該模型可較好地預(yù)測充氮包裝貯藏人參的貨架期，為人參貨架期的預(yù)測和質(zhì)量安全檢測提供了理論依據(jù)。