韓馨儀,趙松松,劉 斌,關(guān)文強(qiáng),馬勝濤,閆浩歐
(1.天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/工程熱物理基礎(chǔ)和工程國(guó)際聯(lián)合研究中心,天津 300400;2.天津商業(yè)大學(xué) 生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院,天津 300400;3.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 石家莊 050030)
近年來(lái)越來(lái)越多的學(xué)者提出冰溫冷藏和超冰溫保鮮技術(shù)以延長(zhǎng)新鮮食物的保質(zhì)期[1]。通過(guò)降低溫度減緩生物體新陳代謝,抑制有害化學(xué)反應(yīng)、微生物及其他病原體的生長(zhǎng)來(lái)延長(zhǎng)食物保存期。溫度越低,化學(xué)反應(yīng)速度越慢,保存效果越好。但當(dāng)貯藏溫度過(guò)低,超過(guò)果蔬自身抗寒冷極限溫度點(diǎn)時(shí),會(huì)引起果蔬凍害,反而不利于保鮮。果蔬受凍害后組織呈水漬狀,繼而變成透明或半透明狀,結(jié)冰的組織液體積膨脹,果蔬部分細(xì)胞被冰晶脹破后致使細(xì)胞膜通透性迅速升高,引發(fā)細(xì)胞凋亡,待果蔬溫度升高后,大量組織液滲出,嚴(yán)重降低果蔬品質(zhì)[2]。相關(guān)研究表明:細(xì)胞內(nèi)部與外部結(jié)晶都可以引起果蔬升溫后的組織軟化[3],因此降低低溫環(huán)境下果蔬組織液結(jié)晶速率、減小晶體尺寸可以有效降低果蔬凍害損傷。
目前常見的抑制果蔬凍害方法是通過(guò)化學(xué)試劑增加植物中可溶性碳水化合物、改良細(xì)胞壁和膜脂成分、改變基因表達(dá)和蛋白質(zhì)合成以及增強(qiáng)酚類化合物和植物抗氧化能力等可有效避免或減緩冰晶的形成,并最終提高抗寒性[4]。Hulya Turk等[5]探究肉堿對(duì)適宜低溫條件下玉米幼苗生長(zhǎng)的生理生化和分子基礎(chǔ)。研究表明,肉堿通過(guò)改變膜中飽和與不飽和脂肪酸的比例及改善幼苗抗氧化系統(tǒng),以保護(hù)細(xì)胞膜免受冷壓力造成的損傷,提高植物的耐寒性。Mohammadmehdi Norozi等[6]進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在樹木上噴灑不同濃度的硫酸鉀和硫酸鋅溶液,并將樹枝暴露在3種不同的低溫環(huán)境下(0、-2和-4 ℃),研究鉀、鋅對(duì)開心果樹木春季凍害的影響。結(jié)果表明,施用硫酸鉀和硫酸鋅可以降低低溫試驗(yàn)后花卉過(guò)氧化氫(H2O2)和丙二醛(MDA)的含量,提高花卉的抗寒性。其中1%K2SO4+1%ZnSO4處理效果最明顯。然而利用化學(xué)處理存在試劑殘留的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)人類身體健康存在副作用。此外,有研究發(fā)現(xiàn)利用電磁處理能夠縮短冷凍時(shí)間,并在整個(gè)冷凍產(chǎn)品中產(chǎn)生微小的冰晶,能有效降低結(jié)晶對(duì)細(xì)胞組織的傷害,減輕凍害損傷。Choi等[7]進(jìn)行磁場(chǎng)對(duì)于牛肉冷凍過(guò)程中冰晶形成大小以及解凍后品質(zhì)影響的實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)處理的牛肉在冷凍時(shí)冰晶形成的速率低于風(fēng)冷處理,并且解凍后牛肉的損失更小。Dalvi Isfahan等[8]研究發(fā)現(xiàn)電磁處理有利于冰晶的二次成核,減小冰晶尺寸,降低凍結(jié)速率,對(duì)于抑制凍害效果明顯?;诖艌?chǎng)生物效應(yīng),磁場(chǎng)處理對(duì)于生物體新陳代謝、降低細(xì)胞膜通透性及提高相關(guān)酶活性等方面也具有積極影響[9]。磁場(chǎng)還可以降低微生物生長(zhǎng)速率和抑制腐敗菌的生長(zhǎng)繁殖[10]。綜上,磁場(chǎng)處理作為1種安全有效無(wú)污染的輔助加工技術(shù),不僅對(duì)果蔬保鮮方面影響顯著,對(duì)于抑制果蔬凍害方面也具有深遠(yuǎn)的研究前景。
本文基于果蔬低溫貯藏及結(jié)晶理論開展磁場(chǎng)對(duì)于抑制凍害的機(jī)理及試驗(yàn)研究。葡萄作為1種耐冷水果,貯藏溫度在-1 ℃至0 ℃。但由于溫度控制波動(dòng)等因素易造成葡萄凍害損傷[11-12],導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重,為此進(jìn)行低溫電磁抑制葡萄凍害的試驗(yàn)研究及機(jī)理分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
低溫電磁保鮮系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)、冷藏庫(kù)、電磁處理系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等其他配件構(gòu)成。電磁處理系統(tǒng)由亥姆霍茲線圈、穩(wěn)壓交流電源及特斯拉計(jì)等部件構(gòu)成?;诋厞W-薩伐爾定律,亥姆霍茲線圈電磁場(chǎng)的沿y軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁能密度滿足公式(1):
式中:μ0為真空磁導(dǎo)率(4π×10-7N/A2);N為線圈匝數(shù)(600);I為導(dǎo)線電流,A;R為線圈有效半徑,m;wm為磁能密度,J/m3;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,T(104Gs);μ為生物組織的磁導(dǎo)率,H/m。
為建立適宜強(qiáng)度電磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),利用COMSOL建立三維亥姆霍茲磁場(chǎng)發(fā)生器物理模型(Ψi線圈內(nèi)經(jīng)=300 mm;Ψe線圈外徑=420 mm;L線圈間距=130 mm;δ線圈厚度=50 mm),自由剖分四面體網(wǎng)格后,選用電磁物理場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算,仿真結(jié)果顯示:當(dāng)線圈電流為3 A時(shí),可在模型的中心點(diǎn)處(0,0,0)產(chǎn)生103.5 Gs的電磁感應(yīng)強(qiáng)度,磁能密度為41.2 J/m3,如圖1所示,磁場(chǎng)發(fā)生裝置中心區(qū)域的磁場(chǎng)均勻性較好,可有效提高生物電磁效應(yīng)與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系研究的精確性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示:當(dāng)電流為3 A時(shí),磁場(chǎng)中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度為92.4 Gs,與仿真結(jié)果(103.5 Gs)的吻合度較高,其誤差僅為10.7%。
圖1 磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻性仿真Fig.1 Simulation of magnetic induction intensity uniformity
選擇果形完整,大小均一,無(wú)機(jī)械損傷、異味和病蟲害的葡萄(品種:‘巨峰’)作為試驗(yàn)材料,采后的新鮮葡萄立即由天津本地種植園冷藏運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室,保持其90%成熟度。將葡萄平均分為3組,其中CK對(duì)照組不做任何處理,AMCT組為交變磁場(chǎng)連續(xù)處理組,磁感應(yīng)強(qiáng)度為20 Gs,頻率為60 Hz。AMIT為交變磁場(chǎng)間歇處理組,1 d中有12 h進(jìn)行磁場(chǎng)處理,剩余12 h不做任何處理,磁感應(yīng)強(qiáng)度為20 Gs,頻率為60 Hz。葡萄的貯藏條件:冷藏溫度為(-2.5±0.2) ℃,相對(duì)濕度為(90±3.0)%。每間隔2 d測(cè)試相應(yīng)的理化指標(biāo)。采用IBM SPSS Statistics 20.0數(shù)據(jù)分析軟件,進(jìn)行方差分析及數(shù)據(jù)差異顯著性分析(P=0.05)。
2.2.1 冰點(diǎn)測(cè)試 取葡萄顆粒樣本研碎,用雙層紗布過(guò)濾,取50 mL濾液置于100 mL小燒杯中。將小燒杯置于-6 ℃的恒溫水浴中,插入二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)于濾液中,溫度計(jì)的水銀球必須浸在樣本濾液中,并不斷輕輕攪拌濾液,每間隔10 s記錄溫度值1次,直到濾液完全結(jié)冰為止。
2.2.2 過(guò)冷度及相變潛熱 利用差示掃描量熱儀(DSC型號(hào):梅特勒)進(jìn)行葡萄組織液過(guò)冷度及相變潛熱的測(cè)量。取葡萄樣本研磨過(guò)濾獲得組織濾液,取10 mg左右的濾液進(jìn)行測(cè)定,設(shè)定降溫區(qū)間為-24~0 ℃,降溫速率為2 K/min,經(jīng)過(guò)DSC熱分析獲得相應(yīng)的指標(biāo),測(cè)試3次取平均值。
2.2.3 色差 選擇表面顏色一致的葡萄顆粒作為測(cè)試樣本,并在樣本的赤道中心附近標(biāo)記小圓,作為色差評(píng)估區(qū)域,每間隔2 d測(cè)試1次,以各組計(jì)算后色差平均值為分析參考。利用色差計(jì)(型號(hào):WSC-S,穩(wěn)定性:△Y≤0.6)的亨特L.a.b表色系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行色差計(jì)算,其色差計(jì)算方法如式(2)所示:
式中:ΔE為色差;L為亮度值;a為紅綠度值;b為黃藍(lán)度值;角標(biāo)“int”表示均勻色差參考物。
2.2.4 丙二醛(MDA) 稱取1.0 g葡萄果肉樣本,加入5.0 mL TCA溶液,離心后取2 mL上清液加入2 mL的TBA溶液,混合后放入沸水中煮沸,利用紫外分光光度計(jì)(UV759)分別測(cè)試混合液在450、532和600 nm波長(zhǎng)下的吸光度。取6個(gè)樣本的平均值分析。MDA含量的計(jì)算公式如下:
式中:CMDA為反應(yīng)混合物丙二醛濃度,μmol/g;OD450、OD532、OD600分 別 為450、532、600 nm波長(zhǎng)處吸光度值;Vt為樣品提取液總體積,mL;Vr為反應(yīng)液總體積,mL;Vs為測(cè)定時(shí)所取提取液體積,mL;W為樣品質(zhì)量,g。
2.2.5 過(guò)氧化氫酶活性(CAT) 稱取1.0 g葡萄組織樣本,加入5.0 mL的磷酸鈉緩沖液,離心后取1支試管加入2.9 mL 20 mmol/L H2O2和0.1 mL酶提取液,利用紫外分光光度計(jì)測(cè)試樣本在240 nm波長(zhǎng)下的吸光度值。CAT活性計(jì)算如公式(4)所示:
式中:ΔOD240為每分鐘反應(yīng)吸光度變化值;OD240F為反應(yīng)混合物液吸光度終止值;OD240I為反應(yīng)混合物液吸光度初始值;tF為反應(yīng)終止時(shí)間,min;tI為反應(yīng)初始時(shí)間,min;U為活性單位,ΔOD240/min·g;V為樣品提取液體積,mL;Vs為測(cè)定時(shí)所取樣品提取液體積,mL;m為樣品質(zhì)量,g。
2.2.6 酸堿度(pH) 采用酸堿度計(jì)(上海佑科PHB-8)對(duì)葡萄組織液直接進(jìn)行測(cè)量。由于pH值往往受溶液的濃度及溫度影響較大,測(cè)量時(shí)應(yīng)保證果蔬組織液的溫度保持在25 ℃的恒溫狀態(tài)。
2.2.7 多酚氧化酶(PPO) 稱取1.0 g的葡萄果肉組織樣本,加入5.0 mL提取緩沖液,離心后取1支試管加入4.0 mL的乙酸-乙酸鈉緩沖液和1.0 mL鄰苯二酚溶液,最后加入100 μL酶提取液,利用紫外分光光度計(jì)測(cè)試樣液在420 nm波長(zhǎng)下的吸光度值。取6個(gè)樣本的平均值分析。PPO活性計(jì)算如公式(5)所示:
式中:ΔOD420為每分鐘反應(yīng)吸光度變化值;OD420F為反應(yīng)混合物液吸光度終止值;OD420I為反應(yīng)混合物液吸光度初始值;tF為反應(yīng)終止時(shí)間,min;tI為反應(yīng)初始時(shí)間,min;U為活性單位,ΔOD420/min·g;V為樣品提取液體積,mL;Vs為測(cè)定時(shí)所取樣品提取液體積,mL;W為樣品質(zhì)量,g。
根據(jù)冰點(diǎn)測(cè)量方法測(cè)量出葡萄的冰點(diǎn)溫度為-2.2 ℃左右,葡萄樣本組織液在溫度計(jì)的輕輕攪拌下出現(xiàn)了過(guò)冷現(xiàn)象,在-3.2 ℃左右時(shí)出現(xiàn)結(jié)冰隨后溫度迅速升高至冰點(diǎn)溫度,并維持大約3 min左右恒溫后溫度逐漸下降,因此葡萄貯藏溫度不宜低于-3 ℃,否則可能會(huì)造成葡萄組織凍害。如圖2所示。
圖2 磁場(chǎng)對(duì)葡萄結(jié)晶溫度與相變潛熱的影響Fig.2 Effect of magnetic field on the freezing temperature and heat of phase transformation of the grape
當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí),頻率對(duì)葡萄組織液結(jié)晶溫度的影響并非線性的,表現(xiàn)出多極值效應(yīng);隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的提高,結(jié)晶溫度先降低后升高,其中B=40 Gs,f=80 Hz時(shí),葡萄組織液的結(jié)晶溫度最低(-18.8 ℃),相比對(duì)照組(-14.0 ℃),其過(guò)冷度提高了4.8 ℃。組織液電磁處理后過(guò)冷度升高的原因可能是交變磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)力,使組織液內(nèi)部的極性分子處于1種持續(xù)的振動(dòng)狀態(tài),從而抑制了冰晶的形成,使組織液的過(guò)冷度升高。因此葡萄組織液的實(shí)際結(jié)晶溫度降低,可有效避免由于貯藏溫度過(guò)低引發(fā)的組織結(jié)晶現(xiàn)象[13]。針對(duì)相變潛熱的研究表明:電磁處理會(huì)使葡萄組織液的相變潛熱略微降低。這可能是由于磁場(chǎng)作用使組織液內(nèi)部水分子的氫鍵斷裂,從而降低了水分子階躍的活化能,致使相變潛熱降低,結(jié)晶速率升高。組織液的快速凍結(jié)反而有利于降低冰晶尺寸,減小細(xì)胞被冰晶脹破的幾率[14]。
如圖3所示:隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng),各組色差值逐漸增大,貯藏第5天開始,CK組分別與AMCT組和AMIT組之間表現(xiàn)出了明顯的差異性(P<0.05),且AMIT組的色差值明顯小于AMCT組,然而AMIT組色差與AMCT組在貯藏后期并沒有明顯的差異(P>0.05)。貯藏最后1 d的數(shù)據(jù)顯示:AMIT組的色差僅為CK組的83.1%,表明電磁間歇處理組在抑制葡萄表皮顏色變化方面表現(xiàn)突出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:電磁處理可以影響多酚氧化酶(PPO)的活性,從而抑制葡萄色差的變化。
圖3 不同磁場(chǎng)處理方法對(duì)葡萄色差的影響Fig.3 Effect of different electromagnetic treatment methods on color difference of grapes
pH的變化會(huì)影響細(xì)胞膜的流動(dòng)性及其蛋白結(jié)構(gòu)與功能[15],因此維持葡萄組織的pH值穩(wěn)定性有利于其保鮮品質(zhì)。如圖4所示:各組的pH值迅速升高,貯藏第3天后開始有所下降,但下降幅度不明顯,直到貯藏7 d后,各pH值再次升高。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示:相比對(duì)照組,電磁處理能夠明顯地抑制葡萄pH值升高(P<0.05),尤其是在貯藏第3天時(shí),AMIT的pH值比對(duì)照組低0.3左右,比AMCT組低0.1左右,但AMIT組與AMCT組差異性并不顯著。由于葡萄含有果酸,可使其呈現(xiàn)酸性,極性水分子及離子在交變磁場(chǎng)作用下頻繁振動(dòng),因此推斷可能是磁場(chǎng)處理影響了果酸分子中的化學(xué)鍵穩(wěn)定性從而產(chǎn)生更多的酸根離子,從而影響細(xì)胞組織液的pH值[16]。
圖4 不同電磁處理方法對(duì)葡萄酸堿度的影響Fig.4 Effect of different electromagnetic treatment methods on pH value of grapes
如圖5所示:
圖5 不同電磁處理方法對(duì)葡萄MDA含量的影響Fig.5 Effect of different electromagnetic treatment methods on MDA content of grapes
貯藏前5 d,各組的MDA含量持續(xù)升高,隨后略微降低,并再次升高,整個(gè)貯藏期間電磁處理組(AMCT組和AMIT組)的MDA含量與CK組均表現(xiàn)出明顯的差異(P<0.05),而AMCT組與AMIT組之間僅在第3天時(shí)有顯著性差異(P<0.05),其他貯藏期并未出現(xiàn)明顯差異(P>0.05)。貯藏最后1 d的數(shù)據(jù)顯示:AMIT組的MDA含量?jī)H為CK組的88.2%,是AMCT組的96.2%,相比對(duì)比組,交變電磁連續(xù)和間歇處理組的MDA含量均相對(duì)較低,表明交變電磁處理能夠抑制外界逆變環(huán)境對(duì)葡萄造成的過(guò)氧化損害。在貯藏前期電磁連續(xù)處理優(yōu)于間歇處理,而貯藏后期效果相反,這可能是磁場(chǎng)作用時(shí)間的延遲性引起的,即電磁連續(xù)處理更快達(dá)到最佳的電磁處理時(shí)間,從而有效抑制膜脂過(guò)氧化反應(yīng),而電磁間歇處理需要更長(zhǎng)的貯藏時(shí)間才能起到有效的磁化效應(yīng)[17]。
如圖6所示:各組的CAT活性變化趨勢(shì)不盡相同,雖然總體呈上升趨勢(shì),但變化幅度較小,在貯藏第3天時(shí),AMIT的CAT活性明顯高于CK和AMCT組(P<0.05),然而該優(yōu)勢(shì)并沒有保持至貯藏結(jié)束,最后1 d結(jié)果顯示:CK組與AMCT組的MDA含量無(wú)明顯差異(P>0.05),而AMIT組CAT活性卻明顯低于其他兩組,原因可能是CAT酶活性主要受溫度影響的程度較高,低溫環(huán)境下,酶活性被明顯抑制,交變磁場(chǎng)作用效果不明顯,然而交變磁場(chǎng)間歇處理使外界貯藏環(huán)境發(fā)生間歇變化,從而激發(fā)酶活性,出現(xiàn)了短暫的活性升高趨勢(shì),隨后由于電磁間歇處理次數(shù)增加,不利于CAT的穩(wěn)定性,可能引發(fā)了CAT的應(yīng)激分解[18]。
如圖7所示:
相比對(duì)照組,在貯藏前期電磁處理組具有較高的PPO活性,但并未表現(xiàn)出明顯差異(P>0.05),貯藏5 d后,電磁處理組的PPO活性迅速降低,在貯藏最后1 d時(shí),電磁處理組與對(duì)照組差異性顯著(P<0.05),數(shù)據(jù)顯示:AMIT組PPO活性僅為CK組的88.4%,而AMIT組與AMCT組無(wú)明顯差異(P>0.05)。PPO活性降低可有效減慢果蔬體內(nèi)酚類物質(zhì)的催化效率,延緩葡萄褐變速率,交變磁場(chǎng)對(duì)于PPO的抑制作用可能是含銅離子的輔基在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生構(gòu)像改變,使酶活性有所下降[19]。貯藏初期時(shí)電磁處理使得PPO活性有所升高,原因可能是交變磁場(chǎng)的熱效應(yīng)引起的酶活性升高,伴隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng),電磁生物效應(yīng)逐漸體現(xiàn)出來(lái),從而抑制了PPO活性的升高。
本課題組基于交變磁場(chǎng)的電磁熱效應(yīng)及生物磁效應(yīng),探索了低溫貯藏期間交變電磁連續(xù)處理與交變電磁間歇處理對(duì)葡萄凍害的抑制機(jī)理。
(1)基于亥姆霍茲線圈理論和畢奧-薩伐爾定律,利用COMSOL建立三維勻強(qiáng)磁場(chǎng)仿真模型。通過(guò)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁能密度物理場(chǎng)仿真,優(yōu)化電磁場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù),建立了1種低溫電磁保鮮系統(tǒng),測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度與仿真結(jié)果誤差為10.7%。
(2)測(cè)量不同磁場(chǎng)強(qiáng)度(B=10、20、40、60和80 Gs)及頻率(f=40、80、120和160 Hz)處理下葡萄的結(jié)晶溫度及相變潛熱發(fā)現(xiàn),適宜的交變磁場(chǎng)可有效增加組織液的過(guò)冷度,其中在B=40 Gs,f=80 Hz處理下效果最為明顯,葡萄組織液過(guò)冷度提高4.84 ℃,避免葡萄組織過(guò)早結(jié)晶,降低凍害幾率。
(3)本試驗(yàn)選取對(duì)葡萄組織液相變潛熱影響較小,同時(shí)能夠有效提高組織液過(guò)冷度的磁場(chǎng)處理?xiàng)l件(B=20 Gs,f=60 Hz),在該條件下對(duì)葡萄進(jìn)行交變磁場(chǎng)連續(xù)(AMCT)與間歇(AMIT)處理,并在冷藏溫度為(-2.5±0.2)℃,相對(duì)濕度為(90±3.0)%環(huán)境下貯藏,探究磁場(chǎng)處理對(duì)葡萄貯藏品質(zhì)的影響。結(jié)果表明:交變磁場(chǎng)間歇處理對(duì)于抑制葡萄凍害效果更好,其中AMIT組的色差和PPO活性分別為CK組的83.1%和88.4%,MDA含量是CK組的88.2%,是AMCT組的96.2%。交變磁場(chǎng)連續(xù)與間歇處理對(duì)葡萄貯藏品質(zhì)影響差異并不明顯。
(4)本課題組僅對(duì)有限的磁場(chǎng)處理強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn),隨后的研究可擴(kuò)大不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度及頻率開展試驗(yàn),為探究交變磁場(chǎng)抑制果蔬凍害影響奠定理論及試驗(yàn)基礎(chǔ)。