鮮切紫甘藍加壓氬氣 保鮮處理條件的響應(yīng)面優(yōu)化

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(1.重慶第二師范學(xué)院,重慶市功能性食品協(xié)同創(chuàng)新中心,重慶 400067; 2.重慶第二師范學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院,重慶 400067; 3.西華大學(xué)食品與生物工程學(xué)院糧油與食品安全省級重點實驗室,四川成都 610039; 4.四川省綠茵農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司阿壩州分公司,四川馬爾康 624000; 5.國家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心(天津),農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品采后生理 與貯藏保鮮重點開放實驗室,天津市農(nóng)產(chǎn)品采后生理與貯藏保鮮重點實驗室,天津 300384)

鮮切果蔬是指對新鮮果蔬進行修整、切分(去皮)、包裝及冷藏等加工制得的果蔬制品,具有新鮮、安全和營養(yǎng),滿足消費者對烹飪的即時訴求等特點[1]。紫甘藍色澤鮮艷,富含膳食纖維以及多種維生素和礦物質(zhì),具有較佳的藥食兩用價值[2]。高原特色蔬菜紫甘藍的膳食纖維、維生素種類及礦物質(zhì)含量均高于其他地區(qū)紫甘藍;花色苷類物質(zhì)多于其他地區(qū)紫甘藍數(shù)倍,更有效增強機體的抗氧化能力[3]。然而,鮮切加工往往會造成貯藏期間鮮切果蔬營養(yǎng)成分的損失及水分的散失,采取措施減少鮮切果蔬抗氧化物質(zhì)的損失、提高抗氧化能力以及減少其褐變的產(chǎn)生正受到越來越多的關(guān)注[4]。加壓惰性氣體保鮮技術(shù)是指惰性氣體在一定溫度和壓力下溶于鮮切果蔬細胞間或細胞內(nèi)水中,此時的水分被“結(jié)構(gòu)化”,形成籠形水合物,減少了水分的流動性,減緩了鮮切果蔬生理代謝速率[5]。Wu等[6]在4 ℃下對鮮切菠蘿進行1.6～2.2 MPa加壓氬氣處理43～65 min,結(jié)果表明該處理可有效地維持其營養(yǎng)成分和感官品質(zhì),鎖住細胞內(nèi)水分,較好的維持其細胞表面微觀結(jié)構(gòu)。Mattsson等[7]研究發(fā)現(xiàn),鮮切胡蘿卜經(jīng)過超高壓處理后,其細胞膜透性減弱,細胞壁堿溶性果膠增加,可保持鮮切胡蘿卜的貨架期硬度。目前,尚未有關(guān)于加壓氬氣處理對鮮切紫甘藍貯藏品質(zhì)影響的研究。

本文研究不同加壓氬氣處理條件加壓氬氣處理壓強、保壓時間、加壓時間和撤壓時間對鮮切紫甘藍貯藏品質(zhì)的影響,通過單因素實驗和Box-Behnken響應(yīng)面試驗對加壓氬氣處理條件進行優(yōu)化,以期控制鮮切紫甘藍的水分散失,減輕褐變,改善鮮切紫甘藍的品質(zhì),延長其貨架期。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫甘藍 四川省綠茵農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司阿壩州分公司;氬氣 四川僑源氣體股份有限公司;聚乙烯/尼龍(PE/PA)復(fù)合包裝材料(15 cm×25 cm,δ0.06 mm) 上海錦蕊新材料科技有限公司;次氯酸鈉 成都市科龍試劑有限公司;95%乙醇 成都市科龍試劑有限公司;以上化學(xué)試劑均為分析純。

GSH-10高壓反應(yīng)釜 威海環(huán)宇化工機械有限公司;TDL-40B離心機 湖南星科科學(xué)儀器有限公司;722s分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司;TP-602電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;DZ-580A真空充氣包裝機 諸城市舜康包裝機械有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 鮮切紫甘藍加壓氬氣的保鮮處理 將新鮮紫甘藍用100 mg·L-1的次氯酸鈉溶液浸泡5 min,然后用去離子無菌水沖洗,室溫下放置瀝干。將新鮮紫甘藍修整后去除根蒂部位,接著將可食部分切分成(40×10) mm大小,然后用100 mg·L-1的次氯酸鈉溶液浸2 min,再用無菌水清洗。隨后將鮮切紫甘藍在110×g 4 ℃條件下離心1 min[8]。將離心過后的鮮切紫甘藍放入高壓容器中,密封,抽真空后,通入氬氣,進行加壓處理。然后采用PE/PA復(fù)合包裝材料進行氮氣氣調(diào)包裝[9-10],最后擺放于4 ℃的冷庫展示架上貯藏。每個因素對應(yīng)的每個水平或者響應(yīng)面試驗中對應(yīng)的每組試驗為一個處理,每個處理6袋,50 g/袋,在20 d的貯藏周期內(nèi),每4 d取樣測定一次。

1.2.2 單因素實驗 采用單因素實驗[11-12]研究加壓氬氣處理壓強(0.0、0.5、1.0、1.5和2.0 MPa)、保壓時間(20、40、60、80和100 min)、加壓時間(80、90、100、110和120 s)和撤壓時間(90、120、150、180和210 s)4個因素對鮮切紫甘藍失重率和褐變度的影響。加壓氬氣處理壓強、保壓時間、加壓時間和撤壓時間4個因子的固定水平分別為1.0 MPa、60 min、100 s和150 s,在對各因素進行單因素實驗探究時,其他因素均取固定水平。

1.2.3 Box-Behnken試驗設(shè)計 在單因素實驗基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken響應(yīng)面法[13-14]設(shè)計4因素3水平實驗,以20 d后失重率(%)為響應(yīng)值,確定鮮切紫甘藍貯藏期間加壓氬氣最佳處理條件條件,試驗因素及水平編碼如表1所示。

表1 Box-Behnken試驗因素及水平編碼Table 1 Levels of the variables tested in the Box-Behnken

1.2.4 失重率的測定 采用謝國芳等[15]的方法,運用稱重法測定,具體可用以下公式表示:

式(1)

其中:M0:樣品的初始重量,g;Mt:貯藏一定時間后樣品的重量,g。

1.2.5 褐變度的測定 采用楊志娟等[16]的方法,取樣5 g,倒入95%乙醇15 mL,研磨均勻,2000 r/min離心15 min,取上清液于420 nm處測定吸光度A,即為樣品褐變度?？瞻捉M樣液制備時即為將樣品替換為同等質(zhì)量的蒸餾水。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,各項指標(biāo)結(jié)果以“平均數(shù)±標(biāo)準偏差”表示,n=3,采用S-N-K法進行差異顯著性分析(p<0.05),圖表中標(biāo)注不同字母的數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)間具有顯著性差異(p<0.05);采用Origin 8.6作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果分析

2.1.1 不同加壓氬氣處理壓強對鮮切紫甘藍失重率和褐變度的影響 如圖1、圖2所示,隨著貯藏時間延長,各處理組鮮切紫甘藍失重率和褐變度上升趨勢為先明顯后平穩(wěn)。貯藏20 d后,2 MPa加壓氬氣處理的鮮切紫甘藍具有最大的失重率,為6.53%,無加壓氬氣處理的鮮切紫甘藍具有最大的褐變度,為0.997。由圖2可明顯看出,隨著處理氬氣壓強的增加,鮮切紫甘藍褐變度呈現(xiàn)先明顯減少后增加的趨勢。當(dāng)加壓氬氣處理壓強為1.0 MPa時,鮮切紫甘藍具有最小的失重率和褐變度,第20 d時分別為3.83%和0.628,可有效保持其貯藏期間水分,維持其正常色澤。加壓氬氣處理可實現(xiàn)細胞間水分的結(jié)構(gòu)化,減緩呼吸代謝和酶促褐變的發(fā)生[17]。因此,適宜的加壓氬氣處理壓強為1.0 MPa。

圖1 不同加壓氬氣處理壓強 對鮮切紫甘藍貯藏期間失重率的影響Fig.1 Effects of different argon treatment pressure on weight loss rate of fresh-cut red cabbage during storage

圖2 不同加壓氬氣處理壓強 對鮮切紫甘藍貯藏期間褐變度的影響Fig.2 Effects of different argon treatment pressure on browning degree of fresh-cut red cabbage during storage

2.1.2 不同保壓時間對鮮切紫甘藍失重率和褐變度的影響 隨著貯藏時間的延長,鮮切紫甘藍失重率(圖3)和褐變度(圖4)均呈明顯上升趨勢。從圖4可明顯看出,鮮切紫甘藍的褐變度隨著保壓時間的增加先明顯減少后增加。貯藏20 d時,當(dāng)保壓時間為60 min時,鮮切紫甘藍具有最小的失重率和褐變度,其值分別為3.83%和0.631,此時對鮮切紫甘藍保鮮效果最佳;當(dāng)保壓時間為80 min時,鮮切紫甘藍失重率和褐變度較小,分別為4.44%和0.741,保鮮效果次之。張秋婷等[18]在400 MPa壓強處理下,保壓5 min,可明顯抑制鮮切蘋果水分散失,抑制感官色澤劣變,減輕果蔬組織褐變程度。因此,考慮實際情況,確定適宜的保壓時間為60 min。

圖3 不同保壓時間對鮮切紫甘藍貯藏失重率的影響Fig.3 Effects of different holding time on weight loss rate of fresh-cut red cabbage during storage

圖4 不同保壓時間對鮮切紫甘藍貯藏期間褐變度的影響Fig.4 Effects of different holding time on browning degree of fresh-cut red cabbage during storage

2.1.3 不同加壓時間對鮮切紫甘藍失重率和褐變度的影響 隨著貯藏時間的延長,鮮切紫甘藍失重率(圖5)和褐變度(圖6)均呈現(xiàn)出上升趨勢,且16～20 d時,上升趨勢變得較為平緩。隨著加壓時間不斷減小,樣品褐變度先明顯減小后增加。貯藏20 d,當(dāng)加壓時間為100 s時,鮮切紫甘藍失重率和褐變度均最小,分別為3.83%和0.642,保鮮效果最佳。當(dāng)加壓時間過長或者較短時,易破壞組織細胞結(jié)構(gòu),營養(yǎng)物質(zhì)流失,組織細胞內(nèi)過氧化物酶與殘留在細胞內(nèi)的氧氣接觸,造成褐變的發(fā)生[19]。因此,結(jié)合實際生產(chǎn),確定適宜的加壓時間為100 s。

圖5 不同加壓時間對鮮切紫甘藍貯藏期間失重率的影響Fig.5 Effects of different pressure time on weight loss rate of fresh-cut red cabbage during storage

圖6 不同加壓時間對鮮切紫甘藍貯藏期間褐變度的影響Fig.6 Effects of different pressure time on browning degree of fresh-cut red cabbage during storage

2.1.4 不同撤壓時間對鮮切紫甘藍失重率和褐變度的影響 由圖7～圖8可知,隨著撤壓時間不斷減小,鮮切紫甘藍失重率、褐變度基本呈現(xiàn)出先減少后明顯增加的趨勢。在貯藏結(jié)束后,當(dāng)撤壓時間為150 s時,鮮切紫甘藍具有最小的失重率和褐變度,其值分別為3.85%和0.632;當(dāng)撤壓時間為210 s時,對鮮切紫甘藍的保鮮效果最差,其失重率和褐變度均最大,其值分別為6.49%和0.993。汪薇等[20]研究可知,當(dāng)撤壓時間處于120～170 s范圍內(nèi)時,鮮切蓮藕的細胞模結(jié)構(gòu)較為完整,可有效減少水分散失;另外氬氣在高壓狀態(tài)下進入鮮切蓮藕組織的微氣孔,將微氣孔中的氧氣趕出,殘留的氬氣分子能在貯藏期間有效抑制組織細胞發(fā)生酶促褐變,減輕褐變度。因此,確定適宜的撤壓時間為150 s。

圖7 不同撤壓時間對鮮切紫甘藍貯藏期間失重率的影響Fig.7 Effects of different pressure removal time on weight loss rate of fresh-cut red cabbage during storage

圖8 不同撤壓時間對鮮切紫甘藍貯藏期間褐變度的影響Fig.8 Effects of different pressure removal time on browning degree of fresh-cut red cabbage during storage

2.2 Box-Behnken試驗設(shè)計及結(jié)果

在單因素實驗基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計,以A加壓氬氣處理壓強1.0 MPa、B保壓時間60 min、C加壓時間100 s和D撤壓時間150 s為中心點,以失重率(%)為響應(yīng)值,進行響應(yīng)面優(yōu)化分析實驗。試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Experimental design and results of the Box-Behnken

對29組試驗的響應(yīng)值進行二次回歸分析,回歸方差分析見表3。經(jīng)過回歸擬合分別得到失重率(Y)為目標(biāo)函數(shù)的四元二次回歸方程:

表3 Box-Behnken試驗設(shè)計的回歸分析表Table 3 Regression results from the test of Box-Behnken experiments

Y=3.74-0.58A-0.55B-0.20C+0.32D-0.51AB+0.100AC+0.72AD-0.060BC+0.47BD-0.22CD+1.62A2+1.33B2+0.77C2+1.68D2

由表3數(shù)據(jù)可知,該回歸模型的p值為0.0106,小于0.05,說明該模型顯著,回歸方程可正確反映失重率與四因素之間的關(guān)系。模型的失擬項p值為0.0532,大于0.05,對失重率的影響不顯著,以上證明回歸模型與實際實驗具有較高的擬合度。決定系數(shù)R2為0.9850,表明采用Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計所得回歸模型可靠,可實現(xiàn)對鮮切紫甘藍貯藏期間加壓氬氣處理工藝實驗的理論預(yù)測。

在失重率(Y)模型中,AD、CD對失重率的影響顯著(p<0.05);A2、B2和D2的p值均小于0.01,對失重率的影響極顯著;A、B、C、D、AB、AC和BC、BD、C2的p值均大于0.05,對失重率的影響不顯著;各因素對失重率的影響為:A>B>D>C。

2.2.1 響應(yīng)面分析與優(yōu)化 如圖9所示,各因素兩兩之間交互效應(yīng)的大小可由等高線的形狀體現(xiàn),橢圓形反映因素兩兩之間有著顯著的交互作用,而圓形則反映因素兩兩之間交互作用不顯著。因素A和D以及C和D等高線形狀為橢圓形,則說明以上因素兩兩之間交互作用顯著。

圖9 各因素交互作用對失重率影響的響應(yīng)面圖Fig.9 Surface of mutual-influence for between any two of A,B,C and D on the weight loss rate

通過對方程(Y)求導(dǎo)可得模型預(yù)測的最小失重率為3.47%,此時,加壓氬氣處理壓強為1.07 MPa、保壓時間為61.20 min、加壓時間為99.30 s和撤壓時間為148.40 s。

2.2.2 Box-Behnken模型驗證試驗 結(jié)合實際情況,將預(yù)測條件優(yōu)化為加壓氬氣處理壓強1.0 MPa、保壓時間61 min、加壓時間99 s和撤壓時間148 s。采用優(yōu)化后的加壓氬氣處理工藝對鮮切紫甘藍進行處理,貯藏結(jié)束后,其失重率為3.57%,與失重率理論值3.47%僅1相差0.1%,表示該響應(yīng)面回歸模型具有一定可行性和準確性。另外,與非加壓處理條件下測得的失重率5.98%相比,優(yōu)化后失重率降低了42.0%。

3 結(jié)論

在單因素實驗基礎(chǔ)上,應(yīng)用Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計法對鮮切紫甘藍貯藏環(huán)節(jié)中的加壓氬氣處理工藝進行優(yōu)化。鮮切紫甘藍貯藏環(huán)節(jié)中加壓氬氣處理最佳工藝為:加壓氬氣處理壓強1.0 MPa、保壓時間61 min、加壓時間99 s和撤壓時間148 s。在此優(yōu)化條件下,貯藏20 d后,鮮切紫甘藍失重率為3.57%,與非加壓處理條件下測得的失重率5.98%相比,優(yōu)化后失重率降低了42.0%,保鮮效果明顯提升。