基于溫濕度影響的香菇呼吸速率測定與模型表征

聶恒威,盧立新,2,*,潘 嘹,2,盧莉璟,2,王 清,左進(jìn)華,高麗樸

(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇無錫 214122;2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室,江蘇無錫 214122;3.北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心,北京 100097)

香菇,又名花菇,是世界第二大食用菌,具有豐富的營養(yǎng)價值和藥用價值。但由于香菇呼吸強(qiáng)度較大,含水量高,采后易發(fā)生失水、褐變等現(xiàn)象,導(dǎo)致其品質(zhì)降低。儲運(yùn)條件控制不當(dāng)是造成香菇損耗的重要原因之一。

氣調(diào)保鮮通過調(diào)節(jié)果蔬儲藏環(huán)境中的氣體成分,抑制果蔬采后呼吸速率等主要生理活動,以延長產(chǎn)品貨架期。因此,建立不同儲藏條件下果蔬呼吸速率模型是設(shè)計氣調(diào)包裝系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外已有較多關(guān)于呼吸速率模型的研究。1991年,Lee等[1]首先提出可以用Michaelies-Menten式(米式)方程表征產(chǎn)品呼吸速率并進(jìn)行了驗證。Peppelenbos等[2]在此基礎(chǔ)上,通過對綠豆芽、西紅柿、蘆薈等果蔬呼吸速率的研究,發(fā)現(xiàn)不同的果蔬O2和CO2競爭抑制關(guān)系不同,進(jìn)一步完善了米氏方程。此后一些學(xué)者[3]對上述模型進(jìn)行了試驗和驗證[4]。

溫度和相對濕度是影響氣調(diào)包裝保鮮效果的主要因素。其中,溫度對呼吸速率的影響研究較為廣泛。謝晶等[5]基于米氏方程和Arrhenius方程,研究了溫度對香菇最大呼吸速率的影響。麥馨允等[6]研究了溫度和初始?xì)怏w濃度對楊桃呼吸初值的影響。夏晶晶等[7]以荔枝為試驗對象,采用非線性估計法,建立了氣體組分濃度與溫度和時間的關(guān)系,為動態(tài)氣調(diào)參數(shù)設(shè)置提供了理論依據(jù)。大量研究發(fā)現(xiàn),相對濕度是影響氣調(diào)包裝的重要因素,然而很少有研究考慮了相對濕度這一因素[8]。焦巖等[9]研究了不同的果蔬在不同溫濕度貯藏條件下的品質(zhì)變化,發(fā)現(xiàn)對于溫度不敏感的產(chǎn)品應(yīng)以控制濕度變化為主。Guevara等[10]以仙人掌枝條為研究對象,建立了呼吸速率與溫度和相對濕度之間的線性模型,但模型擬合度較低。胡位歆[11]設(shè)計雙因素交叉試驗,以Arrhenius方程為基礎(chǔ)建立了基于溫濕度影響的翠冠梨貨架期預(yù)測模型。盧立新等[12]基于包裝內(nèi)質(zhì)量與能量平衡關(guān)系,建立了包裝內(nèi)相對濕度變化的預(yù)測模型并用香菇進(jìn)行了驗證,然而并未考慮到溫濕度變化對產(chǎn)品呼吸速率的影響。因此,溫濕度變化對果蔬呼吸速率的影響有待研究[13]。

本文以香菇為試驗對象,采用密閉空間法,測算其在不同溫度、相對濕度條件下呼吸速率的變化趨勢,基于米氏方程,分別用Arrhenius方程和線性方程表征了溫度、相對濕度單因素與呼吸速率的關(guān)系。并設(shè)計雙因素交叉試驗,通過表征相對濕度對Arrhenius方程中參數(shù)的關(guān)系,建立了基于溫度和相對濕度雙因素影響的香菇最大呼吸速率模型,為香菇采后儲存和品質(zhì)保鮮提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

鮮香菇 購于無錫市濱湖區(qū)一香菇種植基地,成熟度8～9成,選取菇型完整,菇柄正中,菇蓋未開傘,無機(jī)械損傷,大小一致的香菇進(jìn)行試驗;氯化鎂、硝酸鎂、氯化鈉、氯化鉀、硝酸鉀 均為分析純,國藥化學(xué)試劑公司;自制密封罐 體積1.9 L,悶蓋處打孔,并使用硅膠密封墊密封,用于檢測罐內(nèi)氣體成分。

ED1-302型電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;6600型O2/CO2頂部空間分析儀 美國Illinois公司;THS-AOC-100AS型恒溫恒濕試驗機(jī) 慶生電子科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 呼吸速率的測定 本試驗采用密閉系統(tǒng)法[14]測定香菇的呼吸速率。將當(dāng)日購得的香菇放置于設(shè)定好試驗溫度和相對濕度的恒溫恒濕箱中預(yù)處理4 h,稱重后轉(zhuǎn)入密封罐,罐內(nèi)初始?xì)怏w濃度為O221%、CO20%。為保持容器內(nèi)的相對濕度,分別在罐中配置相應(yīng)的過飽和鹽溶液,并將密閉罐放入恒溫恒濕箱貯藏,每隔2～4 h,將氣體分析儀取樣針插入硅膠墊中,測定此時罐內(nèi)O2、CO2濃度百分比,每組設(shè)置3個平行樣,取平均值。

單因素溫度試驗中,將密封罐分別置于溫度為5、10、15、20、25 ℃的恒溫恒濕箱中儲藏,相對濕度為95%;

單因素相對濕度試驗中,將香菇分別置于相對濕度為RH33%、RH55%、RH75%、RH82%、RH95%的密封罐中,然后放入20 ℃的恒溫恒濕箱貯藏。

雙因素試驗條件為雙因素五水平交叉試驗,為上述溫度與濕度的全組合條件,共25組試驗條件。

1.2.2 呼吸速率的計算 測定不同時間密封罐內(nèi)O2、CO2的體積分?jǐn)?shù),根據(jù)2種氣體體積分?jǐn)?shù)的變化值來計算其呼吸速率[15]。文中的呼吸速率分別以O(shè)2的消耗速率和CO2的生成速率表示,表達(dá)式見式(1)、式(2)。

式(1)

式(2)

1.2.3 呼吸速率的模型表征 當(dāng)香菇進(jìn)行有氧呼吸時,可采用酶動力學(xué)模型進(jìn)行擬合,本試驗同時測定了O2消耗速率和CO2生成速率,由于CO2是化學(xué)反應(yīng)的非競爭性抑制劑,故采用非競爭性的米氏方程[1](3)、(4)進(jìn)行擬合。

式(3)

式(4)

式中:Vm為果蔬最大呼吸速率,mL/(kg h);Km為米氏常數(shù),%;Ki為非競爭抑制常數(shù),%;[O2]、[CO2]為氧氣、二氧化碳濃度,%。

為確定米氏方程的參數(shù),可將式(3)、(4)進(jìn)行線性變化如下:

式(5)

式(6)

將試驗測得各個時間的O2體積分?jǐn)?shù)及根據(jù)式(1)計算得到的O2消耗速率RO2、帶入式(5),將測得各個時間的CO2體積分?jǐn)?shù)及根據(jù)式(2)得到CO2生成速率RCO2帶入方程式(6),求解參數(shù)Vm、Km、Ki。

1.3 數(shù)據(jù)處理

氣體濃度的測定重復(fù)三次,取其平均值,使用Microsoft Excel 2010處理測量的氣體濃度數(shù)值,使用Origin 9.1軟件進(jìn)行作圖,使用Matlab R2016a軟件進(jìn)行多元線性回歸分析求解Vm、Km、Ki參數(shù)。其中,多元線性回歸分析中回歸系數(shù)的是通過最小二乘法計算所得,即基于迭代法使得因變量殘差平方和達(dá)到最小。其基本原理是:利用觀察或收集到的因變量和自變量的一組數(shù)據(jù)建立一個線性函數(shù)模型,使得這個模型的理論值與觀察值之間的殘差平方和最小。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度與相對濕度對香菇呼吸速率的影響

測得密封罐內(nèi)O2和CO2濃度變化后,根據(jù)公式(1)和(2),可以求出香菇O2消耗速率和CO2生成速率。圖1～圖2為不同溫度、相對濕度條件下香菇的呼吸速率變化曲線。

圖1 不同溫度條件下O2消耗速率、CO2生成速率隨時間變化

圖2 不同相對濕度條件下O2消耗速率、CO2生成速率隨時間變化

由圖1和圖2可以看出,香菇在密封罐中O2的消耗速率與CO2生成速率皆與儲存溫度有關(guān)。各時間段內(nèi)溫度間差異顯著(p<0.05),在0～2 h時,香菇在25 ℃下O2的消耗速率約為在5 ℃下的3倍,CO2的生成速率約為在5 ℃下的4倍,隨著儲存時間的延長,香菇的呼吸速率呈現(xiàn)下降趨勢,且溫度越高,呼吸速率下降越快。相對濕度對香菇呼吸速率的影響與時間有關(guān):在0～2 h時,各個相對濕度之間的呼吸速率差異顯著(p<0.05),相對濕度RH95%時,香菇的O2的消耗速率約為在RH33%時的1.4倍,CO2的生成速率約為在5 ℃下的1.3倍。即相對濕度越大,香菇的呼吸速率越快,這與朱永[16]對蘑菇呼吸速率影響因素的研究結(jié)果一致。這是因為呼吸作用是由一系列酶催化的生化過程,而溫度和相對濕度會對香菇的酶活性造成一定的影響。研究表明,溫度升高的增加使得香菇的過氧化物酶(POD)、天然多酚氧化酶(PPO)、蛋白酶等活性增強(qiáng),香菇的生理活動因此而加快,故香菇的呼吸速率隨之增加[17],相對濕度降低時,失水會導(dǎo)致組織內(nèi)的水分減少,減緩了生理反應(yīng),因此呼吸速率隨之降低[18]。

2.2 基于溫度、相對濕度單因素影響的香菇最大呼吸速率模型表征

根據(jù)公式(5)和(6),利用Matlab軟件進(jìn)行多元線性回歸分析,可以擬合出香菇米氏方程各參數(shù)值,結(jié)果見表1、表2。

式(5)

式(6)

由表1和表2可知,用米氏方程對不同溫度、相對濕度條件下香菇的呼吸速率進(jìn)行擬合,決定系數(shù)R2均大于0.9。香菇在5 ℃儲藏條件下,O2最大消耗速率為5.34 mL/(kg h),在25 ℃儲藏時,O2最大消耗速率為196.42 mL/(kg h),約為在5 ℃儲藏時的39倍;而在相對濕度RH95%條件下儲藏時,氧氣最大消耗速率約為在RH33%時的2.54倍,由此可以得出,溫度對香菇呼吸速率的影響大于相對濕度的影響。

表1 不同溫度下的米氏方程各模型擬合參數(shù)及其決定系數(shù)

表2 不同相對濕度下的米氏方程各擬合參數(shù)及其決定系數(shù)

在酶動力學(xué)模型中,溫度對米氏方程的影響主要在于對最大呼吸速率Vm的影響[19]。Arrhenius模型描述了生物反應(yīng)對溫度的依賴性,在已有的報道中,大多用該方程來描述溫度與果蔬最大呼吸速率的關(guān)系,以開發(fā)二級模型[20-22]。而有關(guān)相對濕度與呼吸速率的模型少有研究。

為了進(jìn)一步表征溫度、相對濕度對香菇呼吸速率的影響關(guān)系,本文用Arrhenius方程[23]來描述溫度對香菇最大呼吸速率Vm的影響,在求得O2和CO2的最大變化率后,利用Arrhenius方程將1/T和lnVm進(jìn)行線性回歸[24],其斜率值為-Ea/R。其中Ea(kJ/mol)是活化能,方程為式(7)。在相對濕度影響試驗中,根據(jù)所得的最大呼吸速率數(shù)據(jù),用線性方程表征二者的關(guān)系,見式(8):

式(7)

Vm=a×RH×b

式(8)

式中:R為理想氣體常數(shù),J/(mol·K);T為絕對溫度,K;Vm為T溫度下的最大呼吸速mL/(kg·h);RH為相對濕度,%。

由圖3、表3和圖4、表4可以得出:在不同溫度下,Arrhenius方程中O2、CO2線性擬合的斜率為可以計算出氧氣活化能EaO2為121.0 kJ/mol;二氧化碳活化能EaCO2為97.7 kJ/mol;故溫度和相對濕度對香菇最大呼吸速率擬合度較高,表明香菇最大呼吸速率與溫度呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系,與相對濕度呈現(xiàn)正相關(guān)的線性關(guān)系。

圖3 Arrhenius方程線性回歸分析

圖4 相對濕度-最大呼吸速率線性回歸分析

表3 Arrhenius方程各參數(shù)擬合值及其決定系數(shù)

表4 RH-Vm線性方程各參數(shù)擬合值及其決定系數(shù)

2.3 基于溫度和相對濕度綜合影響下香菇呼吸速率的測定與模型表征

為了得到溫度、相對濕度條件下香菇的最大呼吸速率,本研究設(shè)計了2因素5水平的溫濕度交叉試驗。通過測定同一相對濕度不同溫度下香菇的呼吸速率,基于米氏方程和Arrhenius方程,可得相應(yīng)的Ea和lnVm0值,再通過表征不同相對濕度與Ea和lnVm0的關(guān)系,從而建立溫濕度條件下香菇最大呼吸速率的模型。

對同一相對濕度,不同溫度下香菇最大呼吸速率作lnVm-T-1線性擬合,可以得到斜率為-Ea/R的直線。由直線的斜率和截距可以計算出方程在各個相對濕度下的活化能Ea和lnVm0值。擬合圖見圖5,線性擬合方程參數(shù)見表5、表6。

圖5 不同相對濕度條件下O2、CO2的Arrhenius方程線性回歸分析

表5 不同溫度、相對濕度的香菇O2最大呼吸速率VmO2擬合值

表6 不同溫度、相對濕度的香菇CO2最大呼吸速率VmCO2擬合值

由表7可知,Ea和lnVm0隨著相對濕度的增加呈現(xiàn)下降趨勢,且相對濕度RH33%～55%時,相對濕度變化對兩個參數(shù)的影響大于相對濕度RH75%～95%時的影響。相對濕度對O2的活化能Ea和截距l(xiāng)nVm0的影響大于對CO2參數(shù)的影響。用指數(shù)關(guān)系建立Ea、lnVm0與相對濕度RH(0～1)的方程。O2、CO2的Ea、lnVm0擬合曲線見圖6。

表7 不同相對濕度條件下的Ea、lnVm0值及其決定系數(shù)

圖6 交叉試驗Ea、lnVm0和與相對濕度條件擬合曲線

由擬合方程可得:

EaO2=104.526+231.072×(0.95926)RH(R2=0.941)

式(9)

lnVm0O2=47.462+74.764×(0.96331)RH(R2=0.948)

式(10)

EaCO2=118.276+69.647×(0.98373)RH(R2=0.972)

式(11)

lnVm0CO2=52.804+25.261×(0.98595)RH(R2=0.957)

式(12)

將上式帶入Arrhenius方程,即可求出溫度在5～25 ℃,相對濕度在33%～95%條件下香菇的最大呼吸速率模型:

式(13)

式(14)

3 結(jié)論

本文通過測定不同溫濕度條件下香菇的呼吸速率變化,基于米氏方程,分別擬合了溫濕度單因素影響下香菇呼吸速率變化。并建立溫濕度雙因素對香菇最大呼吸速率的影響方程。其中,溫度因子對香菇最大呼吸速率的影響是通過影響Arrhenius方程的活化能Ea和初始值lnVm0,相對濕度的影響通過表征相對濕度對活化能Ea和初始值lnVm0體現(xiàn),擬合方程相關(guān)系數(shù)均超過0.9。該方程充分考慮了溫濕度儲存條件對香菇呼吸速率的影響,完善了呼吸速率模型可以為果蔬儲運(yùn)環(huán)境的設(shè)計提供理論依據(jù)。