減壓預(yù)處理對檳榔氣調(diào)貯藏品質(zhì)的影響及模型表征

姚小玲，潘 嘹，盧立新，2*

(1江南大學(xué)，無錫214122；2江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，無錫 214122)

檳榔是海南的主要經(jīng)濟(jì)作物之一，也是廣受人們喜歡的水果。鮮檳榔銷售具有明顯的季節(jié)性，采摘后感官品質(zhì)變化快，易腐敗變質(zhì)，難以長期貯藏?，F(xiàn)有檳榔保鮮技術(shù)可分為化學(xué)保鮮、生物保鮮以及物理保鮮3種。李雯等[1]研究發(fā)現(xiàn)，3%檸檬酸+2%CaCl2+0.1%施保功溶液涂膜結(jié)合10℃貯藏，可抑制檳榔呼吸作用，延緩褐變發(fā)生。張姣姣等[2]將果蠟涂覆與SO2氣體熏蒸聯(lián)合應(yīng)用于檳榔保鮮，可有效降低腐爛率，其中果蠟可防止SO2直接接觸檳榔，避免對細(xì)胞造成傷害?；瘜W(xué)保鮮劑雖然成本低，但應(yīng)用不當(dāng)易對人體健康造成危害，生物保鮮劑主要來源于生物體自身或其代謝產(chǎn)物，具有無毒安全的特點(diǎn)，但現(xiàn)有研究顯示，單獨(dú)使用生物保鮮劑對檳榔的保鮮效果較差。張?zhí)K敏等[3]采用血桐提取液、殼聚糖溶液分別對檳榔進(jìn)行浸泡處理，室溫放置25 d后，好果率僅為23%和38%。

低溫是果蔬常用的物理保鮮方式，與其他保鮮技術(shù)相結(jié)合可顯著延長檳榔保鮮期。李洪立[4]、張彪等[5]研究表明，13℃是檳榔長期貯藏的適宜溫度。何艾等[6]研究發(fā)現(xiàn),7℃低溫貯藏結(jié)合貝殼粉涂覆處理保鮮效果最好，貝殼粉涂覆可增強(qiáng)檳榔的抗冷害能力。氣調(diào)保鮮也是有效的物理保鮮方式，夏兵等[7]、黃永生等[8]、李瑤瑤等[9]研究得出O2體積濃度降至2%—5%，同時(shí)提高CO2體積濃度，可降低檳榔病害，減緩果皮黃化發(fā)生，保持較高的硬度和外觀。減壓保鮮又稱為低壓保鮮，通過改變果蔬貯藏容器內(nèi)的壓強(qiáng)[10-11]，使各氣體含量成比例降低，可顯著抑制果蔬呼吸作用和細(xì)菌生長[12]。同時(shí)，減壓腔內(nèi)可提供一定的真空度，能使產(chǎn)品孔隙中的有害氣體如乙烯、乙醇等膨脹后逸出[13-14]，防止其對果蔬貯藏品質(zhì)造成影響，從而達(dá)到延長保鮮期的作用。減壓保鮮已應(yīng)用于水蜜桃[15]、松茸[16]、草莓[17]等果蔬的貯藏上，并獲得了較好的保鮮效果，但在檳榔保鮮貯藏上尚未見相關(guān)報(bào)道。

前期檳榔氣調(diào)貯藏的試驗(yàn)已獲得優(yōu)化的氣調(diào)貯藏比例(4%O2，4%CO2，92%N2)，在此基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)進(jìn)一步研究減壓預(yù)處理與氣調(diào)貯藏技術(shù)對檳榔保鮮的作用，探討減壓預(yù)處理對檳榔氣調(diào)貯藏品質(zhì)的影響，以期為延長檳榔貯藏期提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

檳榔產(chǎn)自海南萬寧市，選取新鮮、大小基本一致、無病蟲害的檳榔進(jìn)行研究。

1.2 主要儀器設(shè)備

JYS-300型低氣壓多室異壓保鮮貯藏試驗(yàn)設(shè)備(壓強(qiáng)范圍9.6—101 kPa)，上海鮮綠真空保鮮設(shè)備有限公司；GQ-160型氣調(diào)保鮮箱(O2：0—50%，CO2：0—20%，溫度誤差±0.5℃，濕度波動±5%)，廣州標(biāo)際包裝設(shè)備有限公司；CR-400型色彩色差計(jì)(儀表誤差：ΔE*ab 0.6以內(nèi))，柯尼卡美能達(dá)(中國)投資有限公司；DDS-11C電導(dǎo)率儀(1—3 000μscm)，上海精密儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品處理

將檳榔剪枝清洗后隨機(jī)分組分裝，放入真空減壓室進(jìn)行20 h減壓處理，結(jié)束后放入氣調(diào)箱內(nèi)進(jìn)行貯藏保鮮。其中，減壓室內(nèi)絕對壓強(qiáng)設(shè)置10 kPa、20 kPa、30 kPa、101 kPa(對照組)4個(gè)處理，溫度14 ℃，相對濕度85%±5%(用過飽和硝酸鉀溶液調(diào)節(jié))；氣調(diào)保鮮箱內(nèi)環(huán)境條件設(shè)置為：4%O2，4%CO2，92%N2；溫度13℃，相對濕度 90%。

1.3.2 色差

采用色差計(jì)對檳榔表皮進(jìn)行測試。每個(gè)處理組隨機(jī)取5個(gè)檳榔，于檳榔直徑最大處取3個(gè)點(diǎn)測定a值(紅綠度)并記錄，取平均值對比色差并作圖分析。

1.3.3 相對電導(dǎo)率

切取長寬厚為20 mm×5 mm×0.5 mm的檳榔表皮(約2 g)，清洗2次并吸干多余水分后放入試管中，加50 mL去離子水振蕩30 min，測定溶液電導(dǎo)率，沸水浴10 min，自然冷卻至室溫后再次測定其電導(dǎo)率。以前、后兩次電導(dǎo)率的比值來表示檳榔的相對電導(dǎo)率。每組樣品重復(fù)3次。

1.3.4 腐爛率

采用腐爛指數(shù)[18]表征腐爛程度。

其中0級為不發(fā)病，1級為發(fā)霉腐爛面積占0—20%，2級為發(fā)霉腐爛面積占20%—40%；3級為發(fā)霉腐爛面積占40%—60%，4級為發(fā)霉腐爛面積占60%以上。

1.3.5 可溶性固形物(SSC)

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 減壓預(yù)處理對檳榔表皮色差的影響

果蔬外觀是影響消費(fèi)者購買欲的重要因素，檳榔在貯藏過程中葉綠素會逐漸降解并引起果皮變黃，保持檳榔顏色鮮綠是檳榔保鮮研究的目的之一。如圖1所示，檳榔表皮色差值Δa逐漸變大，說明樣品褪綠程度逐漸加重。貯藏前21 d，各試驗(yàn)組Δa差異較小，均在1.0以下。貯藏35 d時(shí)，10 kPa、20 kPa、30 kPa、101 kPa處理組的Δa值分別為3.49、1.36、1.65、2.42，20 kPa預(yù)處理20 h保鮮效果最好。10 kPa處理20 h后Δa最大，可能是預(yù)處理壓強(qiáng)過小，導(dǎo)致檳榔內(nèi)外壓差過大，品質(zhì)惡化，從而導(dǎo)致色差變化顯著。

2.2 減壓預(yù)處理對檳榔相對電導(dǎo)率的影響

檳榔在貯藏過程中，細(xì)胞中電解質(zhì)向外滲透速度加快，相對電導(dǎo)率呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢。如圖2所示，檳榔貯藏初始相對電導(dǎo)率為8.050%，至35d時(shí)，20 kPa和30 kPa處理組相對電導(dǎo)率分別為12.059%和13.989%，與常壓對照組(16.947%)差異顯著(P<0.05)，由此可見，適宜的減壓預(yù)處理對保持細(xì)胞完整性有顯著效果。減壓預(yù)處理通過降低貯藏環(huán)境中的氧分壓，可抑制病原菌侵染，維護(hù)細(xì)胞膜的完整性[17]。10 kPa處理組相對電導(dǎo)率變化最大，35d時(shí)，相對電導(dǎo)率為18.829%，為貯藏初期的2倍以上。檳榔細(xì)胞內(nèi)外壓差過大易造成細(xì)胞壁破壞，電解質(zhì)滲透速度加快。

圖1 減壓預(yù)處理對檳榔表皮色差Δa的影響Fig.1 Effect of hypobaric treatments on Δa

圖2 減壓預(yù)處理對檳榔相對電導(dǎo)率的影響Fig.2 Effect of hypobaric treatments on relative conductivity

2.3 減壓預(yù)處理對檳榔腐爛率的影響

果蔬貯藏期間出現(xiàn)微生物腐爛是降低果蔬商品率的原因之一。檳榔在貯藏后期，腐敗菌和霉菌會造成檳榔果實(shí)發(fā)霉變軟，使其失去食用價(jià)值。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，檳榔發(fā)霉腐爛一般先從果蒂處開始，并逐漸擴(kuò)散至其他部位。其中，對照組和10 kPa處理組貯藏7 d后，個(gè)別檳榔果蒂處可見菌絲，腐爛指數(shù)分別為2.10%和0.80%，貯藏35 d后發(fā)霉腐爛指數(shù)達(dá)到31.25%和59.38%。10 kPa處理組初始發(fā)霉腐爛指數(shù)較對照組低，檳榔內(nèi)外壓差大可使微生物細(xì)胞破裂，抑制其繁殖，但同時(shí)也會破壞植物的細(xì)胞組織，增加膜透性，給微生物繁衍提供較多的營養(yǎng)物質(zhì)，致使后期腐爛率急劇升高至59.38%，顯著高于對照組。20 kPa、30 kPa預(yù)處理組在貯藏7 d后無明顯發(fā)霉現(xiàn)象，14 d后，腐爛率均為2.50%，與對照組(6.50%)差異顯著(P<0.05)。至第35天，其腐爛率分別為20.00%和22.00%，兩組差異不顯著(P>0.05)(圖3)。

2.4 減壓預(yù)處理對檳榔可溶性固形物的影響

可溶性固形物(SSC)含量是反映檳榔口感的重要指標(biāo)之一?？扇苄怨绦挝镏饕缚扇芴穷?，其含量高低反應(yīng)了檳榔口感好壞。隨著時(shí)間的推移，SSC含量呈逐漸下降的趨勢。20 kPa、30 kPa預(yù)處理在貯藏35 d時(shí)仍保持了較高的SSC含量，分別為初始值的86.3%和84.8%，對照組為初始值的80.9%。20 kPa處理組與對照組差異極顯著(P<0.01)，30 kPa處理組與對照組差異顯著(P<0.05)，10 kPa處理組初始SSC含量與其他減壓預(yù)處理組無顯著差異，后期因細(xì)胞破裂，微生物增多，消耗較多的可溶性固形物，僅為初始值的76.3%(圖4)。

圖3 減壓預(yù)處理對檳榔腐爛率的影響Fig.3 Effect of hypobaric treatments on decay rate

圖4 減壓預(yù)處理對檳榔可溶性固形物的影響Fig.4 Effect of hypobaric treatments on soluble solids content

3 減壓預(yù)處理后檳榔氣調(diào)貯藏品質(zhì)變化的模型表征

檳榔貯藏品質(zhì)的下降表現(xiàn)在外觀(表皮色差)、相對電導(dǎo)率、腐爛率和營養(yǎng)品質(zhì)(以可溶性固形物含量為代表)的變化。研究減壓預(yù)處理后檳榔的品質(zhì)變化模型，有利于了解檳榔在貯藏期間的指標(biāo)變化規(guī)律。食品貯藏過程中的品質(zhì)變化可用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)對其進(jìn)行描述，不同指標(biāo)的變化規(guī)律不盡相同。大多數(shù)品質(zhì)變化是一級動力學(xué)反應(yīng)，即指標(biāo)的對數(shù)值與貯藏時(shí)間存在線性關(guān)系。模型如下：

C=C0ekt

(1)

式中，t為貯藏天數(shù)，C為貯藏t天時(shí)指標(biāo)值，C0為指標(biāo)的初始值，k為化學(xué)反應(yīng)速率。

3.1 模型建立

為使不同壓強(qiáng)條件下的指標(biāo)變化規(guī)律能采用統(tǒng)一的模型進(jìn)行表征，將相對電導(dǎo)率和可溶性固形物進(jìn)行變換，使指標(biāo)結(jié)果統(tǒng)一為過原點(diǎn)并呈逐漸增長趨勢的曲線。即

(2)

式中，P′為相對電導(dǎo)率變化率，Pi為貯藏i天后檳榔的相對電導(dǎo)率，P0為貯藏初期的相對電導(dǎo)率，S′為可溶性固形物變化率，Si為貯藏i天后檳榔的可溶性固形物含量，S0為貯藏初期的可溶性固形物含量。

適當(dāng)?shù)臏p壓預(yù)處理能有效提高檳榔貯藏品質(zhì)，隨著貯藏時(shí)間的推移，經(jīng)數(shù)學(xué)變換后各項(xiàng)品質(zhì)參數(shù)呈指數(shù)上升趨勢，簡化一級反應(yīng)模型并建立檳榔品質(zhì)參數(shù)隨貯藏時(shí)間變化的指數(shù)模型：

Qn=ekt-1

(3)

式中，Qn為檳榔隨時(shí)間變化的指標(biāo)參數(shù)，其中n=1表示Δa，n=2表示相對電導(dǎo)率變化率，n=3表示腐爛率，n=4表示可溶性固形物變化率。

3.2 模型驗(yàn)證及其參數(shù)識別

為驗(yàn)證式(3)的準(zhǔn)確性，將式(3)進(jìn)一步變換為：

ln(Qn+1)=kt

(4)

同時(shí)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用目標(biāo)函數(shù)對式(4)中的模型參數(shù)進(jìn)行識別。

(5)

式中，δ為殘差平方和，當(dāng)δ?min時(shí)，可得出對應(yīng)模型參數(shù)；eTi、eEi分別為檳榔貯藏i天后品質(zhì)參數(shù)的模型值、試驗(yàn)值。

利用式(5)對式(4)中的模型參數(shù)進(jìn)行表征，可得到不同壓強(qiáng)處理后貯藏品質(zhì)模型的模型參數(shù)(表1)。簡化后的一級反應(yīng)模型能較好地表示貯藏期內(nèi)檳榔品質(zhì)的變化，除20 kPa處理組的相對電導(dǎo)率指標(biāo)模型外，其余模型相關(guān)系數(shù)R2均在0.9以上。

由圖5—8可知，檳榔在氣調(diào)貯藏過程中，其品質(zhì)變化與預(yù)處理壓強(qiáng)存在相關(guān)性，在20 kPa、30 kPa、101 kPa對照組中，隨著預(yù)處理壓強(qiáng)的增加,k值變大，即指標(biāo)變化越明顯，品質(zhì)下降越快。10 kPa處理組由于壓強(qiáng)過低，超出檳榔壓強(qiáng)可承受范圍，導(dǎo)致檳榔品質(zhì)變化機(jī)理發(fā)生變化。k值最大，貯藏品質(zhì)最低，說明預(yù)處理壓強(qiáng)越低其保鮮影響并非越好，這與王亞萍等[20]用不同壓強(qiáng)對冬棗進(jìn)行處理得出的結(jié)論一致。

表1 不同壓強(qiáng)處理?xiàng)l件下各指標(biāo)的模型參數(shù)

圖5 檳榔表皮色差Δa值的模型驗(yàn)證Fig.5 Model validation of Δa

圖6 檳榔相對電導(dǎo)率變化率的模型驗(yàn)證Fig.6 Model validation of change rate of relative conductivity

圖7 檳榔腐爛率的模型驗(yàn)證Fig.7 Model validation of decay rate

圖8 檳榔可溶性固形物變化率的模型驗(yàn)證Fig.8 Model validation of change rate of soluble solids content

3.3 基于預(yù)處理壓強(qiáng)影響的指標(biāo)模型統(tǒng)一表征

為更好地描述檳榔各品質(zhì)在不同壓強(qiáng)處理下的變化規(guī)律，預(yù)測減壓處理后檳榔的貯藏品質(zhì)，進(jìn)一步對檳榔貯藏品質(zhì)參數(shù)模型進(jìn)行統(tǒng)一表征。在預(yù)處理壓強(qiáng)為20—101 kPa時(shí)，參數(shù)k隨著壓強(qiáng)的增加而增加(表1)。因此將參數(shù)k轉(zhuǎn)化為關(guān)于預(yù)處理壓強(qiáng)的函數(shù)，并結(jié)合式(3)得到不同指標(biāo)在不同壓強(qiáng)預(yù)處理下的統(tǒng)一表征：

Qn=e(KP+C)·t-1

(6)

式中，P為預(yù)處理壓強(qiáng)(20—101 kPa)，K、C為模型參數(shù)。

應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行不同壓強(qiáng)預(yù)處理下檳榔品質(zhì)變化速率k與預(yù)處理壓強(qiáng)P的擬合，得到模型參數(shù)K、C(表2)。圖9—12可知，上述模型能有效反映不同預(yù)處理壓強(qiáng)下指標(biāo)的變化。

表2 基于預(yù)處理壓強(qiáng)的指標(biāo)模型參數(shù)

圖9 檳榔表皮色差△a模型參數(shù)擬合曲線Fig.9 Model parameter fitting curve of △a

圖10 檳榔相對電導(dǎo)率變化率模型參數(shù)擬合曲線Fig.10 Model parameter fitting curve of relative conductivity change rate

圖11 檳榔腐爛率模型參數(shù)擬合曲線Fig.11 Model parameter fitting curve of decay rate

圖12 檳榔SSC變化率模型參數(shù)擬合曲線Fig.12 Model parameter fitting curve SSC change rate

4 結(jié)論

本研究分析不同減壓預(yù)處理對檳榔氣調(diào)貯藏品質(zhì)的影響，測定貯藏期內(nèi)表皮色差、相對電導(dǎo)率、腐爛率和可溶性固形物含量的變化并建立基于預(yù)處理壓強(qiáng)的品質(zhì)變化模型。結(jié)果表明：(1)減壓預(yù)處理通過快速降低貯藏容器內(nèi)的壓強(qiáng)和氧氣含量，使檳榔采摘后的生理活性得到有效抑制，從而有效延緩檳榔氣調(diào)貯藏品質(zhì)的下降。在20—101 kPa，預(yù)處理壓強(qiáng)越小，檳榔的品質(zhì)越好，減壓預(yù)處理在保持檳榔細(xì)胞完整性、可溶性固形物含量和降低腐爛率上效果顯著，對檳榔的護(hù)綠效果不顯著，氣調(diào)貯藏的低氧環(huán)境具有較好的護(hù)綠保鮮效果。其中，20 kPa預(yù)處理20h保鮮效果最佳。預(yù)處理壓強(qiáng)過低(低于10 kPa時(shí))則會引起細(xì)胞破壞，加快電解質(zhì)的滲出，使相對電導(dǎo)率較高，繼而導(dǎo)致腐爛率加大。本研究未對保鮮機(jī)理進(jìn)行深入闡明，今后需要進(jìn)一步研究減壓預(yù)處理對檳榔氣調(diào)貯藏品質(zhì)的保鮮作用機(jī)理。(2)建立的品質(zhì)參數(shù)與預(yù)處理壓強(qiáng)、貯藏時(shí)間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，與試驗(yàn)值擬合度較高，為研究減壓預(yù)處理與氣調(diào)貯藏結(jié)合處理方式對檳榔的貯藏品質(zhì)影響提供依據(jù)。