高壓靜電場(chǎng)誘導(dǎo)采后葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇積累模型構(gòu)建

梁長(zhǎng)梅，王建偉，溫鵬飛，楊 華

（1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西太谷 030801；2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西太谷 030801）

0 引言

葡萄(Vitis vinifera L.)是世界性五大水果之一，不僅富含蛋白質(zhì)、糖、有機(jī)酸、維生素及礦物質(zhì)等多種元素[1]，而且富含黃酮、黃酮醇、黃烷醇、花色苷等多酚類物質(zhì)[2]，具有抗氧化、抗菌、抗炎、抗癌和心血管保護(hù)作用[3]。特別是黃烷-3-醇及其聚合物原花色素(PAs)，作為葡萄果實(shí)的主要多酚類物質(zhì)[4]，不僅對(duì)葡萄果實(shí)品質(zhì)具有決定性作用，而且對(duì)其加工品的感官品質(zhì)具有決定性作用。因而，對(duì)葡萄果實(shí)中多酚類物質(zhì)，特別是黃烷醇類多酚的調(diào)控不僅可以調(diào)控果實(shí)及其加工品的品質(zhì)，而且可以達(dá)到調(diào)控其抗氧化性能的作用。高壓靜電場(chǎng)(High Votage Electrostatic Field，HVEF)，設(shè)備簡(jiǎn)單、作用時(shí)間短，能夠殺菌、純化生物酶、保護(hù)果蔬感官品質(zhì)，是一種新型果蔬處理和加工技術(shù)[5]；此外，HVEF處理僅涉及物理過(guò)程，且不產(chǎn)生高溫，能夠有效保持果蔬中的營(yíng)養(yǎng)成分，因而在果蔬殺菌中具有廣闊的應(yīng)用前景[6]。前人研究證實(shí)，HVEF能夠調(diào)控采后果實(shí)代謝，提高果蔬硬度、色澤，改善果蔬品質(zhì)，從而延長(zhǎng)貨架期[7-9]。而且，HVEF對(duì)果實(shí)的多酚類物質(zhì)含量和代謝也具有明顯作用[10-11]。溫鵬飛等[5]研究表明，HVEF能夠誘導(dǎo)葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇積累，從而對(duì)采后葡萄果實(shí)品質(zhì)具有明顯的調(diào)控作用。張茜等[11]研究表明，高壓靜電場(chǎng)預(yù)處理導(dǎo)致花生芽中總酚、黃酮、白藜蘆醇等酚類物質(zhì)含量增加。因而，果實(shí)中多酚類物質(zhì)的含量受到HVEF的明顯調(diào)控，且該調(diào)控作用對(duì)HVEF處理具有時(shí)間依賴性[5,10]。但遺憾的是，酚類物質(zhì)積累對(duì)HVEF處理的響應(yīng)，特別是對(duì)處理時(shí)間的響應(yīng)尚未明確。因此，構(gòu)建葡萄果實(shí)酚類物質(zhì)在HVEF作用下隨時(shí)間變化的連續(xù)模型，可以揭示多酚類物質(zhì)積累對(duì)HVEF處理的時(shí)間響應(yīng)，確定最優(yōu)處理時(shí)間，具有較高的實(shí)踐價(jià)值和理論意義。本研究以釀酒葡萄赤霞珠(Vitis viniferaL.cv.Cabernet Sauvignon)為試材，選用-2 kV/cm高壓靜電場(chǎng)，分別于30、60、90、120、150、180、210、240分鐘進(jìn)行取樣，采用最小二乘法(Least Square Method,LSM），構(gòu)建了葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇對(duì)-2 kVcm HVEF響應(yīng)模型，為HVEF定量調(diào)控采后葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇積累提供理論和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)材料

赤霞珠(Vitis iniferaL.Cabernet Sauvignon)葡萄采自山西怡園酒莊，1997年定植，籬架，南北行，株行距1.0 m×2.5 m。葡萄成熟季（2020年10月）分別于植株上、中、下部隨機(jī)采取葡萄果穗，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室備用。HVEF處理裝置由高壓發(fā)生器、處理室、不銹鋼極板和控制裝置組成。高壓發(fā)生器最大輸出電壓為30 kV，輸出電流1 mA，通過(guò)調(diào)整兩個(gè)極板之間的距離，使靜電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為-2 kV/cm[6]。

1.2 試驗(yàn)方法

將葡萄果穗手工分離為果粒（帶果梗），選擇大小、色澤一致、無(wú)明顯機(jī)械損傷和病蟲(chóng)害的果粒進(jìn)行HVEF處理，以室溫放置為對(duì)照(CK)。分別于處理后30、60、90、120、150、180、210、240 min取樣，DMACA法[12]測(cè)定果實(shí)中總黃烷-3-醇含量。

1.3 測(cè)量數(shù)據(jù)

為構(gòu)建模型，采用半小時(shí)等時(shí)間間隔，對(duì)HVEF處理后葡萄果實(shí)中總黃烷-3-醇含量進(jìn)行測(cè)定（表1）。為進(jìn)行模型驗(yàn)證，隨機(jī)選取5個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)對(duì)照和HVEF處理的總黃烷-3-醇積累量取樣，得到表2數(shù)據(jù)。

表1 等時(shí)間間隔HVEF處理下葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇積累量 mg Catechin/g FW

表2 隨機(jī)間隔時(shí)間HVEF處理下葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇積累量 mg Catechin/g FW

2 模型構(gòu)建

根據(jù)在對(duì)照和HVEF處理組測(cè)量所得的兩組離散數(shù)據(jù)（表1），擬構(gòu)建總黃烷-3-醇積累量隨時(shí)間變化的連續(xù)模型，即通過(guò)離散數(shù)據(jù)擬合一個(gè)能精確表示它們之間關(guān)系的函數(shù)，以期準(zhǔn)確預(yù)測(cè)任意時(shí)間點(diǎn)總黃烷-3-醇積累量。常用的曲線擬合方法主要有多項(xiàng)式曲線擬合、三次樣條法和LSM，其中LSM不要求逼近函數(shù)的曲線一定過(guò)型值點(diǎn)，只是從“誤差盡可能小”這一觀點(diǎn)出發(fā)去尋找逼近曲線，可以在一定程度上避免把測(cè)量數(shù)據(jù)誤差帶到擬合函數(shù)中[13-14]。故而，本研究采用LSM法構(gòu)建模型。

2.1 LSM數(shù)學(xué)原理

給定一組數(shù)據(jù)，在函數(shù)類?=φ0(x),φ1(x)中尋找一個(gè)函數(shù)P(x)，使其滿足公式(1)。

其中，是?的一組線性無(wú)關(guān)的基函數(shù)，P(x)為{ }φi(x)的表見(jiàn)公式(2)。

由式(1)～(2)，可把求誤差平方和Q最小值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求下列多元函數(shù)(3)。

2.2 算法實(shí)現(xiàn)

LSM擬合過(guò)程算法示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 算法示意圖

2.3 模型建立

將處理時(shí)長(zhǎng)作為自變量xi，葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇積累量作為因變量yi，LSM擬合函數(shù)的次數(shù)分別選取3-7次，其對(duì)應(yīng)的最大絕對(duì)誤差(Maximum absolute error,MAE)和均方誤差(Mean Square Error,MSE)表3所示。

從表3可以看出，擬合函數(shù)關(guān)于采樣點(diǎn)的MAE和MSE隨著冪次的增加而減小，為避免Runge現(xiàn)象，選取擬合函數(shù)的冪次為6，分別得到對(duì)照和HVEF調(diào)控下葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇積累量隨時(shí)間變化的模型，其系數(shù)如表4所示。

表3 不同冪次擬合函數(shù)的最大絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差

表4 模型系數(shù)值

3 模型驗(yàn)證及分析

運(yùn)用表2中的數(shù)據(jù)對(duì)所構(gòu)建模型進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)照的MSE和相對(duì)誤差(Relative Average Error,RAE)分別為0.027和0.43%，HVEF處理的MSE和RAE分別為0.0036和0.28%。這表明，所構(gòu)建的模型能夠模擬試驗(yàn)結(jié)果，可以預(yù)測(cè)CK和HVEF處理的葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇積累量，準(zhǔn)確性高且穩(wěn)定性較好。

根據(jù)所構(gòu)建的模型，可得對(duì)照和HVEF處理下葡萄總黃烷-3-醇積累量隨時(shí)間變化的曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，在0～60 min，對(duì)照的總黃烷-3-醇積累量呈下降趨勢(shì)，這可能是由于果實(shí)采收后，與植株之間的聯(lián)系被切斷，果實(shí)因失水，產(chǎn)生自由基，而黃烷-3-醇因參與自由基清除而表現(xiàn)為含量下降；在60 min～240 min果實(shí)中總黃烷-3-醇含量表現(xiàn)為持續(xù)上升而后下降。這可能是由于室溫下葡萄果實(shí)失水導(dǎo)致糖含量上升而誘導(dǎo)多酚類物質(zhì)含量增加所致[15]。

圖2 葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇積累量

相比之下，HVEF處理在0～60 min與對(duì)照不同，表現(xiàn)為單峰曲線，這可能與HVEF能夠參與調(diào)控果實(shí)內(nèi)活性氧代謝[10,16-17]；此后 60 min～125 min，總黃烷-3-醇積累量表現(xiàn)為持續(xù)上升，且于125 min時(shí)達(dá)到最大值，這可能是HVEF處理誘導(dǎo)多酚類物質(zhì)積累所致[10,18-19]；125 min后，HVEF處理的果實(shí)總黃烷-3-醇積累量表現(xiàn)為持續(xù)下降，至230 min時(shí)，與對(duì)照差異不明顯。這可能是由于HVEF能夠誘導(dǎo)活性氧迸發(fā)[10,17,20]，而包括黃烷-3-醇在內(nèi)的酚類物質(zhì)參與活性氧代謝[5]所致。

HVEF處理下葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇相對(duì)積累量隨時(shí)間變化規(guī)律如圖3所示。從圖3中可以看出，HVEF處理下葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇相對(duì)積累量呈單峰曲線，峰值約在處理后90 min出現(xiàn)。這表明，對(duì)葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇而言，90 min是最佳HVEF處理時(shí)間。此外，葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇積累對(duì)HVEF處理具有時(shí)間依賴性（圖3）。

圖3 HVEF處理下葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇相對(duì)積累量

4 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用LSM構(gòu)建了HVEF處理下葡萄果實(shí)總黃烷-3-醇含量隨時(shí)間變化的連續(xù)模型，給出了最優(yōu)調(diào)控時(shí)間。通過(guò)驗(yàn)證，所建模型具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)HVEF處理下葡萄總黃烷-3-醇含量，為HVEF處理提供理論依據(jù)。此外，需要指出的是，采后葡萄果實(shí)仍為活體，對(duì)外界環(huán)境的刺激具有一定的響應(yīng)性，若能結(jié)合其生物學(xué)特性，在采后葡萄果實(shí)中總黃烷-3-醇積累呈增長(zhǎng)趨勢(shì)時(shí)進(jìn)行HVEF處理，能否在較短的時(shí)間達(dá)到相同或更好的調(diào)控效果，將是后續(xù)研究的主要目標(biāo)。