高溫短時熱空氣處理促進(jìn)甘薯愈傷的工藝優(yōu)化

劉幫迪，呂曉龍，王彩霞，孫 潔，姜微波

高溫短時熱空氣處理促進(jìn)甘薯愈傷的工藝優(yōu)化

劉幫迪1,3，呂曉龍1,2,3，王彩霞2,3，孫 潔1,3※，姜微波4

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100125；2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，雅安 625014；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后處理重點實驗室，北京 100121；4. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083）

為確定一種新型的“高溫短時”熱空氣處理促進(jìn)采后甘薯愈傷組織形成的最優(yōu)條件，該研究以愈傷后貯藏15 d甘薯愈傷組織木質(zhì)素含量、可溶性固形物含量、失重率和腐爛率為考核指標(biāo)，采用單因素和響應(yīng)面法優(yōu)化熱空氣處理對采后甘薯愈傷組織形成的工藝條件，并對比分析該條件下甘薯塊根的貯藏特性。結(jié)果表明，采后熱空氣處理促進(jìn)甘薯愈傷組織形成的最優(yōu)工藝條件為處理溫度49 ℃、處理時間137 min，該條件可有效促進(jìn)甘薯愈傷組織的木質(zhì)素合成、失重率下降和腐爛率下降。與對照組相比，熱空氣處理可顯著提高甘薯貯藏后76.30%的淀粉含量、36.08%的可溶性糖含量和81.19%的抗壞血酸含量，減少22.14%的失重率和79.95%的腐爛率。研究結(jié)果為甘薯生產(chǎn)提供了一種優(yōu)化的產(chǎn)后愈傷工藝方法。

品質(zhì)控制；優(yōu)化；貯藏；甘薯；熱空氣；愈傷

0 引 言

甘薯（L.）是旋花科甘薯屬的一類重要的菜糧兼用作物，廣泛種植于亞洲、非洲和南美洲。甘薯在中國的種植面積達(dá)到6.7×106hm2，總產(chǎn)量達(dá)到1.2×109t[1-2]，均居世界首位。甘薯塊根皮薄、含水量高，在采收和儲運過程中易受刮擦、刺割和碰壓等機械損傷。機械損傷破壞了塊根周皮的保護(hù)結(jié)構(gòu)，不僅加大了細(xì)菌、霉菌等外源微生物的感染幾率，還會破壞甘薯塊根組織結(jié)構(gòu)，使其生理代謝紊亂，降低貯藏品質(zhì)。受技術(shù)設(shè)施條件限制，中國產(chǎn)區(qū)甘薯的貯藏期損失率高達(dá)15%，其中一半以上是機械損傷處理不當(dāng)導(dǎo)致的病損腐爛[3-4]。因此，對采后的甘薯塊根進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠鷤幚恚墙档透适懋a(chǎn)后損失、保證甘薯儲期品質(zhì)的重要手段。

Sollapura等[5]和Lulai等[6]的研究發(fā)現(xiàn)，甘薯受機械損傷后，塊根可通過活性氧代謝、苯丙烷代謝、脂肪酸代謝等途徑啟動自我修復(fù)功能，在損傷部位形成栓化的愈傷組織。但受傷后的甘薯自然愈合時間長、薄壁細(xì)胞分化速率慢，需要通過人工干預(yù)來加速愈傷的過程，目前主流的果蔬愈傷方式主要有化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)和熱處理2種方式。鄧紅軍等[7]、Amoah等[8]和Tanaka等[9]在對脫落酸、苯丙噻重氮和水楊酸等外源化學(xué)物質(zhì)刺激甘薯愈傷的研究中發(fā)現(xiàn)，上述化學(xué)物質(zhì)可誘導(dǎo)甘薯受損部位細(xì)胞壁的氧化修飾，通過激活苯丙烷代謝等方式加速次生代謝產(chǎn)物積累，并有甘薯效促進(jìn)傷口愈傷木栓組織形成。但是，李雪等[10]的研究指出這些激素類農(nóng)藥和含硫化合物等會造成藥品殘留、降低食用安全及環(huán)境污染等問題?？紤]技術(shù)條件、操作便利及成本因素，實際生產(chǎn)中通常采用熱激處理的方式進(jìn)行甘薯愈傷。

張麗華等[11]、朱賽賽等[12]和Steward[13]的研究指出，熱激處理是以適宜溫度對采后果蔬進(jìn)行處理，通過改變果蔬內(nèi)部酶活性以及表面特性，激發(fā)抗逆性，促進(jìn)果蔬傷口愈合，從而降低病原菌感染、提高果蔬耐儲性的一種物理保鮮方法。果蔬常用的熱激處理溫度范圍為30～65 ℃，處理時間幾秒到幾小時不等[14]。常見的熱激處理方法主要為熱空氣加熱、熱水浸泡和熱蒸汽加熱3種，與熱水和熱蒸汽處理相比，熱空氣處理在具有成本低、操作簡單、裝備易獲得等優(yōu)點[14-15]。作為一種綠色安全的物理保鮮方法，熱空氣處理已在香蕉[16]、木瓜[17]、桃子[18]、石榴[19]、枇杷[20]、櫻桃[21]、葡萄[22]、草莓[23]等水果貯藏應(yīng)用中取得良好效果。特別是在熱空氣處理對枇杷保鮮的研究中，李磊等[20]指出熱處理能夠促進(jìn)“解放鐘”枇杷果實愈傷組織的形成，并降低枇杷冷藏期的木質(zhì)化冷害現(xiàn)象。目前，甘薯的熱激愈傷主要采用低溫長時（Low Temperature Long Time, LTLT）工藝，即直接將甘薯堆放在貯藏設(shè)施內(nèi)，升溫至30～37 ℃，處理2～7 d后再降溫儲藏。這種傳統(tǒng)工藝處理周期長、能耗高、愈傷條件難以控制、效果參差不齊且人力物力投入大，無法滿足當(dāng)下生產(chǎn)需要。

為適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效、節(jié)能的生產(chǎn)需求，本研究對促進(jìn)甘薯愈傷組織形成的溫度和時間等關(guān)鍵因素進(jìn)行研究，采用響應(yīng)面法篩選了一種新型高溫短時（High Temperature Short Time, HTST）熱空氣處理方式，對比分析了各種處理條件下甘薯塊根的貯藏特性，為甘薯產(chǎn)后預(yù)處理提供了新的工藝方法和理論依據(jù)。該工藝可有效地為實際生產(chǎn)減少一半以上的能源消耗，保障愈傷效果的均勻性，大幅度提升貯藏后甘薯的貯存品質(zhì)，為實際生產(chǎn)提供了更優(yōu)化的技術(shù)選擇。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試“大葉紅”甘薯是市面常見的鮮食型甘薯（采后新鮮甘薯淀粉含量為（7.86±0.34）%，可溶性糖含量為（3.67±0.19）%，由福建漳州憫農(nóng)閩味生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司提供，挑選外觀規(guī)整、大小均勻（250±30）g、無損傷且無病蟲害的新鮮甘薯，單果套袋后裝箱，每箱20個，第2天運抵實驗室后，清洗晾干待處理。

1.2 試劑與儀器

試驗用主要化學(xué)試劑：分析純乙酰溴，由上海賢鼎生物科技有限公司生產(chǎn)；分析純-巰基乙醇，由美國Sigma公司生產(chǎn)；分析純乙酸和分析純正己烷，由北京化工廠生產(chǎn)；分析純?nèi)纫宜?、分析純四硼酸鈉、分析純鹽酸羥胺，由上海阿拉丁生化科技股份有限公司生產(chǎn)；分析純無水甲醇、分析純聚乙烯吡咯烷酮K30、分析純焦亞硫酸鈉和分析純溴化乙酰，由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

試驗用主要測定儀器：化學(xué)試劑的稱量使用AX224ZH電子天平進(jìn)行，由奧豪斯儀器（常州）有限公司生產(chǎn)；可溶性糖含量、木質(zhì)素含量的測定使用UV-1800PC型紫外可見分光光度計進(jìn)行，由上海美譜達(dá)儀器有限公司生產(chǎn)；甘薯愈傷使用HHWS-Ⅱ-200人工氣候箱進(jìn)行，由上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)；可溶性糖含量、木質(zhì)素含量的提取由TGL-16gR高速冷凍離心機進(jìn)行，由上海安亭科學(xué)儀器廠生產(chǎn)；配置溶解化學(xué)試劑由SK8200LH超聲波清洗器進(jìn)行，由上海科導(dǎo)超聲儀器有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗方法

1.3.1 單因素試驗

通過陶曉亞等[24]、虢露葭等[25]、張娜[26]和呂曉龍等[27]在多種果蔬采后損傷的研究中發(fā)現(xiàn)，果蔬在采后處理過程中會受到不同程度的機械損傷，引起果蔬水分蒸發(fā)和呼吸增強，并且傷口在未完全愈合情況下易受病菌侵染而腐爛，而愈傷組織的形成可在傷口處形成一層保護(hù)屏障，木質(zhì)素是構(gòu)成愈傷組織的重要物質(zhì)，在傷口愈傷中具有重要作用，可溶性固形物是甘薯中主要的營養(yǎng)成分，為損傷愈合提供能量，而失重率和腐爛率是評價甘薯塊根愈傷效果的關(guān)鍵指標(biāo)。因此，以木質(zhì)素含量、可溶性固形物含量、失重率和腐爛率為指標(biāo)，以40、45、50、55、60、65 ℃處理溫度和30、60、90、120、150、180 min處理時間2個因素對甘薯塊根的愈傷效果分別進(jìn)行測定。

1.3.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗

為得出適合甘薯傷口愈合的最佳熱處理工藝，最大限度降低試驗工作量，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以木質(zhì)素含量（OD280/g）、可溶性固形物含量（%）、失重率（%）和腐爛率（%）為響應(yīng)值，采用Design-Expert 8.0軟件對甘薯熱空氣處理進(jìn)行處理溫度（℃）和處理時間（min）2個因素，及自變量的高、中、低3個水平的中心組合設(shè)計。以處理溫度（1, ℃）和處理時間（2, min）為自變量，并將自變量的高、中、低3個水平以1、0、-1表示，根據(jù)數(shù)學(xué)表達(dá)式（1）對自變量進(jìn)行編碼，得出13組熱空氣處理試驗因素及編碼水平表（表1），其中組1～4表示軸點試驗，組5～8表示因子試驗，組9～13表示中心點試驗。

式中X表示自變量編碼值；x表示自變量實測值（1為處理溫度，℃；2為處理時間，min）；0表示自變量X在中心點的實測值，℃或min；Δx表示自變量變化步長。

表1 熱空氣處理試驗因素編碼水平表

注：1為處理溫度編碼值；2為處理時間編碼值；1為處理溫度實測值，℃；2為處理時間實測值，min。

Note:1is the coding value of the treatment temperature;2is the coding value of the treatment time;1is the measured value of the treatment temperature, ℃;2is the measured value of the treatment time, min.

1.3.3 熱空氣處理

將新鮮甘薯經(jīng)清洗、模擬損傷（利用擦皮刀對甘薯表皮進(jìn)行仿機械損傷處理，損傷的長、寬、深為40 mm× 10 mm×3 mm，每個甘薯4處傷口）、自然晾干后，將損傷甘薯分別置于相對濕度為（20±5）%的人工氣候箱中進(jìn)行不同溫度-時間處理（人工氣候箱的溫度波動范圍：設(shè)定溫度±0.7 ℃），處理后將甘薯置于（25±5）℃，相對濕度為80%黑暗環(huán)境下模擬貨架貯藏15 d，以傷口處木質(zhì)素含量、可溶性固形物含量、失重率和腐爛率（%）為依據(jù)，評價熱空氣處理對甘薯傷口的愈傷效果。每組處理用甘薯200個，重復(fù)3次。

1.3.4 取樣

愈傷后用不銹鋼刀切取甘薯傷口部位和皮下3 mm厚的愈傷組織用于木質(zhì)素含量測定，薯肉組織用不銹鋼刀切成5 mm3左右，混勻后裝入自封袋中，置于?80 ℃超低溫冰箱中冷凍保存，以備其他指標(biāo)測定。

1.3.5 木質(zhì)素含量的測定

參照J(rèn)iang等[28]對木質(zhì)素含量測定的方法并稍做改進(jìn)。取冷凍愈傷組織1 g，置于研缽中加入4 ml預(yù)冷的95%乙醇，研磨勻漿后轉(zhuǎn)入10 mL離心管中，設(shè)置轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，離心20 min，棄掉上清液后，向離心管中加入2 mL 95%乙醇混勻后，設(shè)置轉(zhuǎn)速10 000 r/min，離心10 min，重復(fù)操作3次，再依次向離心管中加入1 mL乙醇和2 mL正己烷溶液混勻后，設(shè)置轉(zhuǎn)速10 000 r/min，離心10 min，將沉淀物反復(fù)沖洗3次，收集沉淀將其烘干至恒重后，將干燥物移至玻璃試管中，測定前需提前將水浴鍋置于通風(fēng)櫥中溫度調(diào)至70 ℃預(yù)熱，先向試管中加入1 mL 25%溴化乙酰溶液，混勻，立即置于水浴鍋中反應(yīng)30 min后，依次加入1 mL濃度為2 mol/L氫氧化鈉、濃度為7.5 mol/L 0.1 mL鹽酸羥胺和2 mL冰醋酸，置于離心管中設(shè)置轉(zhuǎn)速10 000 r/min離心20 min，吸取上清液0.5 mL，用冰醋酸定容至5 mL，于280 nm處測定其吸光度值，重復(fù)3次。木質(zhì)素含量表示為OD280/g，以甘薯果實鮮重計。

1.3.6 可溶性固形物含量的測定

取3 g甘薯組織，加6 ml蒸餾水研磨勻漿后轉(zhuǎn)入離心管中，設(shè)置轉(zhuǎn)速10 000 r/min，離心10 min，取上清液滴到阿貝折光儀上測定，每個試驗組別測定10個樣品，每個試驗組別的可溶性固形物含量（%）計算方法如式（2）所示。

式中3為稀釋倍數(shù)；為每次對甘薯組織測量的可溶性固形物含量讀數(shù)值，為每個組別測定的樣品數(shù)。

1.3.7 失重率的測定

采用稱量法[29]測定，每個處理選15個甘薯并做標(biāo)記，首先將損傷的甘薯進(jìn)行熱空氣處理后立即稱重，記為甘薯的初始質(zhì)量，然后進(jìn)行模擬貨架貯藏15 d再進(jìn)行第二次稱重，記為甘薯愈傷后的質(zhì)量。失重率（%）的計算方法如式（3）所示。

式中為甘薯的初始質(zhì)量，g；為甘薯愈傷后的質(zhì)量，g。

1.3.8 腐爛率的測定

損傷的甘薯經(jīng)熱空氣處理后模擬貨架貯藏15 d，以甘薯表皮發(fā)軟、斑點狀軟爛或出現(xiàn)霉斑作為腐爛標(biāo)志，對腐爛的甘薯進(jìn)行統(tǒng)計，腐爛率（%）的計算方法如式（4）所示：

式中為模擬貨架腐爛甘薯的個數(shù)，為模擬貨架甘薯的總數(shù)量。

1.3.9 腐爛指數(shù)的測定

參照王雪嬌[30]對腐爛指數(shù)測定的方法并做修改，按照甘薯腐爛面積占總面積的比例分為6個等級，即0級，無腐爛；1級，腐爛面積≤10%；2級，腐爛面積10%～30%；3級，腐爛面積30%～50%；4級，腐爛面積50%～70%；5級，腐爛面積≥70%。每個試驗組別對50個甘薯樣品進(jìn)行腐爛指數(shù)的統(tǒng)計，腐爛指數(shù)的范圍為[0，0.4]，腐爛指數(shù)的計算如式（5）所示。

式中為腐爛等級∈[0，5]，為該級別腐爛個數(shù)，為甘薯的總數(shù)量。

1.3.10 淀粉含量的測定

參照曹建康等[31]對果蔬淀粉含量測定的酸水解法對甘薯淀粉含量（%）進(jìn)行測定，準(zhǔn)確稱取1 g甘薯樣品置于研缽中，加入5 mL無水乙醇后進(jìn)行研磨勻漿，轉(zhuǎn)入25 mL的刻度試管中，再用無水乙醇沖洗研缽中殘余的樣品一并轉(zhuǎn)入試管中，定容到25 mL。將制備好的樣品放入80 ℃水浴鍋中靜置30 min后取出過濾，棄去濾液濾渣回收至25 mL試管中再加入2 mL濃度為9.2 mol/L的高氯酸溶液，提取15 min，在提取過程中不斷攪拌。冷卻后進(jìn)行過濾，將濾液轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中，定容至刻度供測定。

1.3.11 可溶性糖含量的測定

參照曹建康等[31]對果蔬淀粉含量測定的苯酚硫酸法對甘薯可溶性糖含量（%）進(jìn)行測定，準(zhǔn)確稱取1 g甘薯樣品置于研缽中，加入5 mL蒸餾水勻漿后轉(zhuǎn)入試管中，再向試管中加入10 mL蒸餾水，用塑料薄膜封口，在沸水浴中放置30 min，冷卻后進(jìn)行過濾，收集濾液一并轉(zhuǎn)入容量瓶中定容至刻度供測定。

1.3.12 抗壞血酸含量的測定

參照曹建康等[31]對果蔬抗壞血酸含量測定的分光光度計法對甘薯抗壞血酸含量（mg/g）進(jìn)行測定，準(zhǔn)確稱取10 g甘薯樣品置于研缽中，加入20 mL濃度為50 g/L的三氯乙酸溶液，研磨勻漿后轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中，研缽用三氯乙酸溶液沖洗后定容至刻度，常溫靜置10 min后，過濾收集濾液供測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗重復(fù)3次，使用EXCEL 2010進(jìn)行繪圖和Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計與方差分析，結(jié)合SPSS 18.0軟件進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘薯熱空氣處理愈傷單因素試驗分析

木質(zhì)素是薯類受熱激處理后形成愈傷木栓層的關(guān)鍵性表征指標(biāo)[32]，可溶性固形物是果蔬在貯藏后評判其貯藏品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)[33]。由圖1可知，熱空氣處理溫度為50 ℃時，隨著處理時間的延長，木質(zhì)素和可溶性固形物含量呈典型上升趨勢，處理時間150 min時木質(zhì)素和可溶性固形物含量均達(dá)到最大值，與120 min相比，木質(zhì)素和可溶性固形物含量無顯著差異（＜0.05）；但經(jīng)過180 min處理后，木質(zhì)素和可溶性固形物含量顯著下降（＜0.05）。當(dāng)處理時間在30～90 min時，隨著處理時間的延長，甘薯體內(nèi)應(yīng)激防御系統(tǒng)在熱刺激的作用下快速響應(yīng)，激活苯丙烷代謝途徑中的苯丙氨酸解氨酶、肉桂酸-4-羥基化酶、4-香豆酸輔酶A和過氧化物酶等愈傷防御酶活性的快速升高，促使酚類物質(zhì)的合成與堆積、木質(zhì)素的沉積，從而形成愈傷木栓層[34-35]。由于木質(zhì)素是苯丙烷代謝途徑中的產(chǎn)物，因此本試驗處理條件在120～150 min時，能促使甘薯產(chǎn)生更高的木質(zhì)素含量，表征該條件可以有效激活甘薯的苯丙烷代謝途徑，從而提升甘薯愈傷木栓層的形成。木栓層的形成可以保障甘薯在后續(xù)貯藏過程中能夠抵抗外界侵染，維持最終貯藏品質(zhì)，例如維持甘薯組織內(nèi)更高的可溶性固形物含量。但當(dāng)處理時間到180 min時，甘薯可能因加熱時間過長，受熱傷害脅迫，破壞其組織內(nèi)的動態(tài)生理平衡，抑制了苯丙烷代謝途徑中催化木質(zhì)素合成的肉桂醇脫氫酶活性，導(dǎo)致木質(zhì)素和可溶性固形物含量急劇下降，影響了甘薯的傷口愈合[36]，從而影響可溶性固形物含量和最終貯藏品質(zhì)。其與袁莉等[37]研究發(fā)現(xiàn)采后53 ℃熱處理3 min可顯著提高厚皮甜瓜果實可溶性固形物含量的結(jié)果相似。因此，適宜的熱處理時間對甘薯木質(zhì)素的積累和可溶性固形物含量的維持至關(guān)重要。

注：不同小寫字母表示不同處理間木質(zhì)素含量差異顯著（P＜0.05），不同大寫字母表示不同處理間可溶性固形物含量差異顯著（P＜0.05）。下同。

失重主要是由于果實貯藏失水導(dǎo)致的，而傷口處未良好愈傷，由于果肉暴露會加劇失水情況[27]。腐爛率是衡量甘薯貯藏效果的重要指標(biāo)，甘薯皮薄，含水量高，易擦傷，在貯藏過程中由于受冷害、病菌侵染，引起甘薯腐爛[38]。由圖2可知，熱空氣處理溫度為50 ℃時，失重率和腐爛率隨著處理時間的延長亦呈現(xiàn)先下降后急劇上升的趨勢，當(dāng)處理時間為120～150 min時，二者之間無顯著差異，其中在150 min時，失重率達(dá)到最小值且無腐爛。當(dāng)處理溫度一定時，隨著處理時間（30～90 min）的延長，甘薯傷口處以木質(zhì)素為代表的愈傷層組成物質(zhì)大量積累，在傷口處逐漸形成一種具有特殊的以長鏈多酚-長鏈酯和木質(zhì)素為基礎(chǔ)的“木栓層”作為保護(hù)屏障[32,39]，減少了甘薯后續(xù)貯藏過程中的的失重和腐爛現(xiàn)象。但隨著處理時間的繼續(xù)延長（>150 min），長時間熱處理會破壞甘薯表皮褐化、失水，加速了甘薯的腐爛。其與蔣儂輝等[40]結(jié)果相似，即采用相同溫度50 ℃不同處理時間20、40、60、80、120 min對板栗進(jìn)行熱處理研究發(fā)現(xiàn)在溫度相同的條件下，適宜的時間才能有效減少板栗的失重，20 min時間較短影響不大，120 min處理時間較長，增加板栗果實的失重。可見，適宜的熱處理時間能有效減少甘薯的失重和腐爛損失。

注：不同小寫字母表示不同處理間失重率差異顯著（P＜0.05），不同大寫字母表示不同處理間腐爛率差異顯著（P＜0.05）。下同。

溫度是影響甘薯傷口愈合的重要因子。由圖3可知，當(dāng)熱處理時間為120 min時，隨著處理溫度的升高，木質(zhì)素和可溶性固形物含量呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，在50～55 ℃時木質(zhì)素和可溶性固形物含量顯著高于其他各組（<0.05）。當(dāng)溫度較低（<45 ℃）時，酚類和脂肪酸等形成愈傷組織的物質(zhì)產(chǎn)生速率較慢，傷口愈合困難，甚至導(dǎo)致傷口不能完全愈合[41]。溫度過高（>55 ℃）時會造成蛋白質(zhì)變性、部分酶活性被抑制，產(chǎn)生不可逆熱傷害[24]。其與劉風(fēng)娟等[42]研究采后熱處理對枇杷果實冷藏品質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)熱處理能夠延緩枇杷果實可溶性固形物下降的結(jié)果相一致。因此，選擇45～55 ℃處理更有利于甘薯傷口愈合。

當(dāng)對果蔬進(jìn)行熱激處理時，處理溫度間于安全閾值時，果蔬的應(yīng)激系統(tǒng)會正常反饋并表現(xiàn)出較好的愈傷效果，超出安全閾值的熱激處理則會引起熱傷害[36]。由圖4可知，當(dāng)處理溫度為45～55 ℃時，失重率和腐爛率均處于較低水平，其中50～55 ℃之間無顯著差異（＜0.05）。當(dāng)溫度＜45 ℃時失重率和腐爛率有所增加，可能是由于介質(zhì)溫度較低，苯丙烷代謝途徑中關(guān)鍵酶活性沒有充分激活，影響甘薯的愈傷組織的形成。當(dāng)處理溫度超出安全閾值（＞55 ℃）時，會導(dǎo)致甘薯組織中生物活性物質(zhì)合成相關(guān)的酶活性減少，例如多酚氧化酶活性下降，促使細(xì)胞原生質(zhì)膜滲透性的損傷增加，從而不能充分進(jìn)行愈傷，增加了甘薯暴露在外界貯藏環(huán)境中的風(fēng)險，最終使甘薯受外界逆境脅迫，加速衰老和失水腐爛[43]，其與張娜等[36]研究發(fā)現(xiàn)38 ℃連續(xù)熱處理60 min會超出黃瓜的安全閾值，導(dǎo)致熱傷害的發(fā)生，加重黃瓜失重的結(jié)果相似。因此，綜合考慮選擇45～55 ℃作為甘薯的熱處理溫度。

圖3 處理溫度對甘薯愈傷期間木質(zhì)素和可溶性固形物含量的影響

圖4 處理溫度對甘薯愈傷期間失重率和腐爛率的影響

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果分析

2.2.1 回歸方程的建立

甘薯在室溫（25±5）℃，相對濕度為80%黑暗環(huán)境下模擬貨架15 d后，不同溫度-時間的熱空氣處理與對照組的木質(zhì)素含量、可溶性固形物含量、失重率和腐爛率的試驗值與預(yù)測值（表2）。

表2 熱空氣處理的中心組合設(shè)計和預(yù)測結(jié)果表

注：對照組為未經(jīng)熱空氣處理直接進(jìn)行模擬貨架15 d。

Note: Control represents the group that directly shelf-life storage for 15 d without hot air treatment.

由表2可知，采用Design-Expertr 8.0軟件對結(jié)果進(jìn)行二次多元回歸擬合，得出了木質(zhì)素含量、可溶性固形物含量、失重率和腐爛率的預(yù)測值對編碼自變量處理溫度和處理時間的二次多項回歸方程，如式（6）～式（9）所示。

1=3.41?0.221?0.0352?0.0761?2?0.4812?0.3622（6）

2=14.63?0.341+0.0602?0.121?2?0.9812?0.8022（7）

3=2.08+0.221?0.0412+0.0251?2+0.3812+0.2122（8）

4=25.00+26.591?6.602+10.501?2+19.2512?3.2522（9）

式中1為木質(zhì)素含量，OD280/g；2為可溶性固形物含量，%；3為失重率，%；4為腐爛率，%；1為處理溫度，℃；2為處理時間，min。

2.2.2 模型檢驗

表3為熱空氣處理后甘薯的木質(zhì)素含量、可溶性固形物含量、失重率和腐爛率的方差分析結(jié)果。甘薯的木質(zhì)素模型高度顯著（=0.000 9），木質(zhì)素回歸模型相關(guān)系數(shù)2=0.924 1，校正系數(shù)2Adj=0.869 9，表明該模型可以很好的解釋試驗測試結(jié)果；同時變異系數(shù)（Coefficient of Variation，CV）值為6.17，表明該模型與試驗組有較高的貼近度，模型可靠性較高；失擬項值的檢驗概率為0.839 6，其數(shù)值＞0.05，說明擬合不足不顯著?；貧w方程的顯著性表明，一次項1（=0.009 6）高度顯著；2（=0.597 0）不顯著；交互項1?2（=0.420 3）不顯著；二次項12（=0.000 2）高度顯著；22（=0.001 0）高度顯著。

甘薯的可溶性固形物模型高度顯著（=0.000 2），可溶性固形物回歸模型相關(guān)系數(shù)2=0.952 2，校正系數(shù)2Adj=0.918 1，表明該模型可以很好的解釋試驗測試結(jié)果；同時變異系數(shù)CV值=2.07，表明該模型與試驗組有較高的貼近度，模型可靠性較高；失擬項值的檢驗概率為0.741 6，其數(shù)值＞0.05，說明擬合不足不顯著?；貧w方程的顯著性表明，一次項1（=0.010 6）顯著；2（=0.564 6）不顯著；交互項1?2（=0.429 8）不顯著；二次項12（＜0.000 1）極顯著；22（=0.000 1）高度顯著。

甘薯的失重率模型高度顯著（=0.006 8），失重率回歸模型相關(guān)系數(shù)2=0.859 7，校正系數(shù)2Adj=0.759 5，表明該模型可以很好的解釋試驗測試結(jié)果；同時變異系數(shù)CV值為7.92，表明該模型與試驗組有較高的貼近度，模型可靠性較高；失擬項值的檢驗概率為0.792 2，其數(shù)值＞0.05，說明擬合不足不顯著?；貧w方程的顯著性表明，一次項1（=0.015 3）顯著；2（=0.572 6）不顯著；交互項1?2（=0.803 7）不顯著；二次項12（<0.001 2）高度顯著；22（=0.024 4）顯著。

甘薯的腐爛率模型顯著（=0.010 8），腐爛率回歸模型相關(guān)系數(shù)2=0.838 4，校正系數(shù)2Adj=0.722 9，表明該模型可以很好的解釋試驗測試結(jié)果；同時變異系數(shù)CV值為45.83，表明該模型與試驗組有較高的貼近度，模型可靠性較高；失擬項值的檢驗概率為0.505 6，其數(shù)值>0.05，說明擬合不足不顯著?；貧w方程的顯著性表明，一次項1（=0.002 2）高度顯著；2（=0.280 6）不顯著；交互項1?2（=0.230 0）不顯著；二次項12（<0.015 5）顯著；22（=0.608 1）不顯著。

由此可知，4個方程的顯著性均較高，擬合度良好，因此可用此模型對“大葉紅”甘薯愈傷后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。

2.2.3 響應(yīng)面分析與優(yōu)化

響應(yīng)面圖可直觀反映試驗因素對響應(yīng)值的影響程度，當(dāng)響應(yīng)面的坡度較平緩，表明響應(yīng)值受該因素的影響不明顯；相反響應(yīng)面的坡度較陡峭，表明響應(yīng)值受該因素影響作用較大[44]。木栓層是果蔬損傷愈合過程中形成的一種由長鏈酚-長鏈脂和木質(zhì)素混合的聚合物，主要位于細(xì)胞壁和質(zhì)膜之間，其成分與蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)類似，可在果蔬損傷創(chuàng)面形成一種特殊的防護(hù)性屏障，防止水分及養(yǎng)分流失，抵抗病菌侵染[39,45-47]。木質(zhì)素是甘薯苯丙烷代謝途徑中產(chǎn)生的最終代謝產(chǎn)物，其產(chǎn)生受苯丙氨酸解氨酶、肉桂酸-4-羥基化酶、4-香豆酸輔酶A和肉桂醇脫氫酶等多種愈傷防御酶的催化，能與酚類單體和甘油交聯(lián)形成高分子聚合物即木栓層[27,39]。如表2所示，在試驗中甘薯經(jīng)熱空氣處理后，在室溫25 ℃條件下愈傷15 d后，不同溫度-時間的熱空氣處理組的木質(zhì)素含量都高于對照組，表明采后熱空氣處理可有效促進(jìn)甘薯愈傷組織形成。由圖5a可知，當(dāng)處理溫度在50 ℃左右時甘薯木質(zhì)素含量較高，當(dāng)處理溫度高于或低于50 ℃時，曲面較陡峭，木質(zhì)素含量有所下降，表明木質(zhì)素含量對處理溫度的變化較敏感，而處理時間對木質(zhì)素含量影響的響應(yīng)曲面坡度較平緩。圖5a可直觀反映出處理溫度和處理時間對甘薯木質(zhì)素含量的交互作用不明顯，此結(jié)果在表3中交互項1?2（=0.420 3）得以證實。因此，有效促進(jìn)甘薯愈傷木栓組織形成的處理溫度在49～51 ℃之間，處理時間在132～138 min之間。

表3 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗

注：***表示<0.000 1，顯著性差異為極顯著；**表示0.000 1<<0.01，顯著性差異為高度顯著；*表示0.01<<0.05，顯著性差異為顯著。

Note: *** Represented<0.000 1, which is extremely significant; ** Represented 0.000 1<<0.01, which is highly significant; * Represented 0.01<<0.05, which is significant.

表4 回歸方程的相關(guān)系數(shù)

在果蔬中，可溶性固形物與其含糖量成正比，是衡量果蔬品質(zhì)的重要指標(biāo)。熱空氣處理能維持甘薯塊根可溶性固形物含量的下降，保持甘薯的商品價值（表2）。由圖5b的響應(yīng)曲面圖可知，處理溫度對甘薯的可溶性固形物影響較大，而處理時間的影響較小。溫度在50 ℃左右時能保持較高的可溶性固形物含量，而當(dāng)溫度高于或低于50 ℃時，可溶性固形物含量有所下降。從圖中可直觀反映出處理溫度和處理時間對甘薯可溶性固形物含量的交互作用不明顯（=0.429 8），可溶性固形物對處理溫度和處理時間較敏感。當(dāng)處理溫度在49～51 ℃，處理時間在132～138 min之間時，甘薯的可溶性固形物含量較高。

蒸騰失水是引起果蔬在貯藏過程中重量減少的主要原因。果蔬受到機械損傷或病害侵染時，水分蒸騰速度加快，果蔬質(zhì)量減少，而愈傷組織的形成能有效阻止水分蒸騰，減少重量損失，維持較好的商品性[48]。由圖5c可知，處理溫度對甘薯失重率的影響較大，曲面較陡，表明失重率對處理溫度的敏感性較強，處理溫度和處理時間對甘薯失重率的交互作用不明顯（＞0.05）。處理溫度在49～51 ℃，處理時間在132～138 min之間時，甘薯的失重率最低。

處理溫度在50 ℃時甘薯的腐爛率最低，而當(dāng)處理溫度＞50 ℃時甘薯的腐爛率呈逐漸上升的趨勢，響應(yīng)面曲面較陡，表明處理溫度對甘薯腐爛率的影響較敏感，而處理時間對甘薯腐爛率的影響不明顯。處理溫度和處理時間的交互作用不顯著（＞0.05）。處理溫度在49～51 ℃，處理時間在132 min以上能有效降低甘薯的腐爛損失（圖5d）。

圖5 處理溫度和處理時間的響應(yīng)面圖

2.2.4 熱空氣處理最佳工藝優(yōu)化及驗證試驗

基于以上響應(yīng)面曲面圖分析結(jié)果可知，影響甘薯愈傷組織形成的最主要的因素是熱處理溫度，其次是處理時間。結(jié)合表2的試驗結(jié)果，采用Design-Expert 8.0軟件對式（6）～式（9）方程模擬得到最佳值，其中木質(zhì)素、可溶性固形物按最大目標(biāo)值選擇；失重率、腐爛率按最小目標(biāo)選擇，得到甘薯最佳熱空氣處理條件對應(yīng)的溫度-時間組合是48.41 ℃熱空氣處理136.91 min；同時該工藝下各響應(yīng)值指標(biāo)木質(zhì)素含量為3.420 OD280/g，可溶性固形物含量為15%，失重率為2.05%，腐爛率為0。為便于操作應(yīng)用，將最佳熱空氣處理條件選為49 ℃熱空氣處理137 min。

為檢驗響應(yīng)面分析結(jié)果的可靠性，按上述最優(yōu)熱空氣處理條件進(jìn)行3次驗證試驗，結(jié)果表明，49 ℃熱空氣處理137 min能顯著促進(jìn)甘薯愈傷組織的形成，維持較高的可溶性固形物含量，同時熱空氣處理甘薯的失重率和腐爛率也顯著低于對照組（表5）。另外，將熱空氣處理的甘薯從處理介質(zhì)中取出后立即用探針式溫度計（坦浩YH101）在每個甘薯表層3 mm深和內(nèi)部30 mm深的位置分別測定上中下3個點發(fā)現(xiàn)甘薯表面溫度32 ℃，內(nèi)部溫度37 ℃，明顯高于甘薯樣品在室溫條件下的表面溫度（20±5）℃，內(nèi)部溫度（22±5）℃。

表5 試驗結(jié)果驗證

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著（＜0.05），-表示未經(jīng)熱空氣處理直接進(jìn)行模擬貨架15 d。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments (<0.05),-indicates that simulating the shelf for 15 days without hot air treatment. The same below.

2.3 熱空氣處理最佳工藝對甘薯愈傷后貯藏特性的影響

熱空氣處理的甘薯塊根在常溫下貯藏15 d能有效維持甘薯的品質(zhì)（表6）。與對照組相比，經(jīng)熱空氣處理的甘薯淀粉、可溶性糖和抗壞血酸分別比對照組提高了76.30%、36.08%和81.19%，同時處理后失重率和腐爛指數(shù)分別降低了22.14%和79.95%。熱空氣處理不僅能有效減少甘薯的重量和腐爛損失，還能在常溫條件下較長時間保持甘薯良好的品質(zhì)，提高甘薯的商品價值。

表6 熱空氣處理最佳工藝對甘薯愈傷后貯藏特性的影響

3 結(jié) 論

本試驗優(yōu)化得到了一種有效降低甘薯貯藏?fù)p失的“高溫短時”熱空氣愈傷工藝條件。通過單因素和響應(yīng)面法優(yōu)化得出采后熱空氣處理促進(jìn)甘薯愈傷組織形成的最優(yōu)工藝條件為：處理溫度49 ℃，處理時間137 min。驗證試驗表明，采后熱空氣處理能有效促進(jìn)甘薯愈傷組織的形成，保持較高的可溶性固形物含量，減少甘薯的失重和腐爛損失。此外，該工藝處理還能顯著提高貯藏期間甘薯塊根的淀粉、可溶性糖和抗壞血酸含量，使甘薯的腐爛指數(shù)降低至0.089%。本研究為采后甘薯傷口的快速愈合提供了一種新的科學(xué)方法和理論依據(jù)，并為鮮食型甘薯的實際生產(chǎn)和貯藏，提供了一種節(jié)能、高效和品質(zhì)保障的技術(shù)選擇。

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Process optimization of high temperature and short time hot air treatment to promote the callus formation of sweet potatoes

Liu Bangdi1,3, Lyu Xiaolong1,2,3, Wang Caixia2,3, Sun Jie1,3※, Jiang Weibo4

(1.100125,; 2.625014,;3.100121,;4100083)

Hot air treatment is currently the main pretreatment method to promote postharvest callus healing of sweet potatoes. To improve the existing problem, such as high energy consumption, low efficiency, instability, in sweet potato callus formation technology. The purpose of this study was to find the optimal conditions of High Temperature Short Time (HTST) hot air treatment which could promote postharvest sweet potato callus formation. The lignin content, soluble solid content, weight loss rate, and decay rate of sweet potato were selected as the key indices in this study. The indices of sweet potatoes were measured after 15 d of (25±5) ℃ storage. Single-factor and response surface methods were used to optimize the callus formation conditions of sweet potato within hot air treatment. In the single-factor experiment, the temperature and time of treatment were used as variables. The HTST hot air treatment temperature range was set as 40, 45, 50, 55, 60 and 65 ℃, and the treatment time range was set as 30, 60, 90, 120, 150, and 180 min. By Design-Expert 8.0 software, a central combination of two factors and three levels was used to design the central composite design for sweet potato hot air treatment. The quadratic multivariate regression equations of lignin, soluble solids, weight loss rate, and decay rate were obtained. The results of variance analysis of lignin content, soluble solid content, weight loss rate, and decay rate of sweet potato after hot air treatment showed that the four equations of hot air treatment had high significance, good fitting degree, and small test error. Hence, this model could be used to predict the data of sweet potato after callus formation. The results of the single-factor experiment showed that the soluble solids and starch content of sweet potato after callus formation could be maximized maintained when the treatment time reached 150 min. And the decay rate and weight loss rate after storage could be maximized reduced. At the same time, When the hot air treatment temperature reached 50 ℃, the soluble solid content and starch content of sweet potato after shelf-life storage was significantly higher than that of other treatment temperatures. Meanwhile, the weight loss rate and the decay rate were the lowest in all treatment groups. Within the single-factor experimental results, the two-factor and three-level center combination design of the treatment temperature and treatment time was performed for quadratic multiple regression fitting. The quadratic multinomial regression equations of lignin content, soluble solid content, decay rate, and weight loss rate were obtained. At the same time, the model was tested and the four equations were found to have high significance and a good degree of the fitting. The model was used to predict the four parameters of sweet potato callus formation and analyze the response surface. The results showed that the callus formation effect of sweet potato in shelf-life storage was more influenced by hot air treatment temperature than treatment time. On the other hand, the optimal conditions for promoting the callus formation of sweet potato were 49 ℃ and 137 min, which could effectively promote the lignin synthesis, weight loss rate, and decay rate of sweet potato callus. Compared with the control, the content of starch was higher by 76.30%, soluble solid content was higher by 32.08% and ascorbic acid content was higher by 81.19% in sweet potato after shelf storage, which was all significantly increased by hot air treatment. Moreover, the weight loss rate and decay rate of sweet potato after storage were reduced by 22.14% and 79.95%, respectively. All the five indices provided the 49 ℃ and 137 min was an optimized post-partum callus process for sweet potato production.

quality control; optimization; storage; sweet potato; hot air treatment; callus formation

劉幫迪，呂曉龍，王彩霞，等. 高溫短時熱空氣處理促進(jìn)甘薯愈傷的工藝優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(19)：313-322.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.036 http://www.tcsae.org

Liu Bangdi, Lyu Xiaolong, Wang Caixia, et al. Process optimization of high temperature and short time hot air treatment to promote the callus formation of sweet potatoes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(19): 313-322. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.036 http://www.tcsae.org

2020-04-27

2020-08-18

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0401305）

劉幫迪，博士，工程師，主要從事果蔬采后貯藏保鮮與加工研究。Email：328442307@qq.com

孫潔，高級工程師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后貯藏加工研究。Email：sunjie9797@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.036

S531

A

1002-6819(2020)-19-0313-10