草莓脯貯藏期間酚類物質(zhì)降解的動(dòng)力學(xué)模型

胡麗麗，牛麗影，李大婧，張鐘元，肖麗霞，魯茂林*

（1.揚(yáng)州大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225000）

（2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，江蘇南京 210014）

草莓富含沒(méi)食子酸、原兒茶酸、對(duì)羥基苯甲酸、咖啡酸、香豆酸等酚類物質(zhì)[1]，且具有抗氧化、清除自由基等生理活性功能[2]，同時(shí)又是重要的呈色成分。然而食品在加工和貯藏過(guò)程中，酚類物質(zhì)的性質(zhì)極不穩(wěn)定，容易受到光、熱、pH 和空氣等條件的影響，發(fā)生自身氧化反應(yīng)，產(chǎn)生非酶促褐變反應(yīng)[3]，同時(shí)其含量和抗氧化活性也會(huì)降低[4]。另外，不同包裝材料因自身分子結(jié)構(gòu)、加工工藝及所用助劑不同，其透氧率、透光性、阻濕性等表現(xiàn)出較大差異[5]，繼而影響草莓脯貯藏期間酚類物質(zhì)的降解速率。

草莓脯是近年來(lái)深受消費(fèi)者喜愛(ài)的新型果干，它以新鮮或冷凍的草莓為原料，經(jīng)過(guò)硫處理、糖漬、烘干等工藝制成。在果脯加工中，有機(jī)酸、黃酮、膳食纖維、維生素等都會(huì)降低[6]。目前，在食品成分變化規(guī)律的研究中，動(dòng)力學(xué)方程是一種重要的方法[7]，通過(guò)建立食品品質(zhì)指標(biāo)變化模型，可用于預(yù)測(cè)貨架壽命[8]、研究色澤[9]、營(yíng)養(yǎng)風(fēng)味成分[10,11]的變化機(jī)制等。但對(duì)于草莓脯在不同包裝和貯藏條件下酚類物質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)研究還較少。隨著草莓脯的需求量越來(lái)越大，現(xiàn)階段為改進(jìn)草莓脯貯藏工藝并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其貨架期，需從理論角度建立草莓脯在不同貯藏工藝下的酚類物質(zhì)降解的動(dòng)力學(xué)模型。

本文以草莓脯為研究對(duì)象，選取4、25 和37 ℃為試驗(yàn)溫度，作為低溫、常溫和高溫貯藏環(huán)境[12,13]，測(cè)定草莓脯酚類物質(zhì)在真空避光、真空透光、非真空避光和非真空透光四種包裝方式下隨貯藏時(shí)間延長(zhǎng)的含量變化，擬合各溫度和包裝方式下草莓脯酚類物質(zhì)降解的動(dòng)力學(xué)，計(jì)算半衰期與反應(yīng)活化能，從而確定溫度和包裝對(duì)降解速率等動(dòng)力學(xué)常數(shù)的影響，建立草莓脯貯藏期酚類物質(zhì)變化的預(yù)測(cè)模型。結(jié)果將為提高草莓脯的品質(zhì)和延長(zhǎng)貨架期提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

草莓購(gòu)買于云南曲靖；挑選成熟度一致，無(wú)機(jī)械損傷和病蟲害的草莓果，清洗去蒂后，置于-20 ℃的低溫冰箱中凍藏，備用。

沒(méi)食子酸、乙醇、Folin 酚、碳酸鈉均為分析純，購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

1.2 儀器與設(shè)備

UV-6300 型分光光度計(jì)，上海坤權(quán)生物科技有限公司；KH-500DE 型數(shù)控超聲波清洗器，昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司；H3-16KR 臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)，湖南可成儀器設(shè)備有限公司；新飛冷柜。

1.3 草莓脯加工及貯藏條件

以冷凍草莓為原料，制作方法參照文獻(xiàn)[14-16]。將制作好的草莓脯分別進(jìn)行真空避光、真空透光、非真空避光和非真空透光包裝，然后置于4、25 和37 ℃下進(jìn)行貯藏。

1.4 草莓脯中酚類物質(zhì)的測(cè)定

樣品處理：稱取冷凍干燥后的草莓脯1 g，置于研缽中搗碎，收集搗碎的草莓脯加入5 mL 70%的乙醇，30 ℃超聲30 min，9000 r/min 離心5 min，收集上清液，重復(fù)兩次，合并上清液。

樣品測(cè)定：吸取1 mL 測(cè)定液，參考Kalt[17]的方法，測(cè)定吸光度，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。

2 動(dòng)力學(xué)方程分析

2.1 酚類物質(zhì)降解的動(dòng)力學(xué)模型

為確定草莓脯貯藏過(guò)程中酚類物質(zhì)降解的規(guī)律，用零級(jí)和一級(jí)模型來(lái)描述草莓脯在貯藏過(guò)程中酚類物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化[18]：

式中：

Ct——在一定溫度下貯藏td 后酚類物質(zhì)的含量；

C0——樣品初始貯藏時(shí)的酚類物質(zhì)含量；

k——在一定溫度下酚類物質(zhì)降解反應(yīng)速率常數(shù)；

t——時(shí)間，h。

2.2 反應(yīng)半衰期

當(dāng)樣品初始品質(zhì)指標(biāo)下降1/2 時(shí)，所需時(shí)間t1/2為反應(yīng)的半衰期[10]。

由（1）式可得，零級(jí)反應(yīng)的半衰期為：

由（2）式可得，一級(jí)反應(yīng)的半衰期為：

2.3 Arrhenius 方程[19,20]

將式（3）兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，可得：

式中：

Ea——活化能，kJ/mol；

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314×10-3kJ/(mol·K)；

T——絕對(duì)溫度，K；

A——指前因子，h-1。

2.4 預(yù)測(cè)模擬方程及驗(yàn)證試驗(yàn)

預(yù)測(cè)草莓脯在不同貯藏條件的酚類物質(zhì)變化的動(dòng)力學(xué)模型，由（2）和（5）式可得：

式中：

Ea——活化能，kJ/mol；

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314×10-3kJ/(mol·K)；

T——絕對(duì)溫度，K；

A——指前因子，h-1。

通過(guò)在4、25、37 ℃貯藏的驗(yàn)證試驗(yàn)，得出Arrhenius 方程動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的平均相對(duì)誤差率和相關(guān)系數(shù)，判斷模型的有效性。

3 結(jié)果與討論

3.1 包裝方式對(duì)草莓脯貯藏過(guò)程中酚類物質(zhì)含量的影響

酚類物質(zhì)是草莓脯中重要的營(yíng)養(yǎng)成分之一，然而在外界環(huán)境的影響下，自身易發(fā)生氧化，使其活性降低[21]。將四種包裝方式的草莓脯置于不同溫度下進(jìn)行貯藏，由圖1 所示，隨著貯藏時(shí)間的增加，酚類物質(zhì)的含量都呈下降趨勢(shì)。貯藏一個(gè)月后不同包裝材料的酚類物質(zhì)含量與貯藏開(kāi)始時(shí)的含量呈顯著差異（p＜0.05）。因酚類物質(zhì)對(duì)熱呈現(xiàn)不穩(wěn)定性，溫度越高，下降的速度越快[22]，同種包裝方式，4 ℃和25 ℃貯藏至第150 d 時(shí)，真空避光包裝的酚類物質(zhì)含量分別為1.34 mg/g、1.18 mg/g，分別下降了1.21、1.37 mg/g，37 ℃貯藏75 d 時(shí)真空避光包裝的酚類物質(zhì)含量為0.93 mg/g，下降了1.61 mg/g；同一溫度不同的包裝方式的酚類物質(zhì)含量的下降速率也各不相同，貯藏150 d后，真空避光包裝的酚類物質(zhì)的含量下降了47.84%、53.73%、63.52%，真空透光包裝酚類物質(zhì)的含量下降了61.57%、65.88%和85.49%；非真空避光包裝在三種溫度下酚類物質(zhì)的含量分別下降了86.67%、91.46%、92.54%；非真空透光包裝酚類物質(zhì)的含量下降了93.33%、95.69%、96.47%。

4 ℃貯藏三個(gè)月后，真空避光包裝的酚類物質(zhì)的損失率為47.45%，而真空透光包裝的酚類物質(zhì)下降了61.57%。這可能與包裝材料的材質(zhì)相關(guān)，避光包裝的材質(zhì)為鋁箔袋，透光包裝的材質(zhì)為PET，相比之下，避光包裝的透光性較透光包裝的弱，也有研究表明在紫外光和自然散射光條件下，酚類物質(zhì)含量和抗氧化性能均呈明顯的減少[23]；非真空避光包裝的的酚類物質(zhì)比真空避光的降解增快了40.47%，這可能是因?yàn)檎婵瞻b可以減少氧氣的進(jìn)入，阻止其發(fā)生自身氧化，可以較好的保持酚類物質(zhì)的含量和抗氧化活性[4]。另外，由圖可知，四種包裝的草莓脯隨著貯藏溫度和貯藏時(shí)間的增加，酚類物質(zhì)的含量都呈下降的趨勢(shì)，可能是由酚類物質(zhì)對(duì)熱不穩(wěn)定性引起的，與陳一等[24]研究的小米中酚類物質(zhì)會(huì)隨貯藏時(shí)間和貯藏溫度的增加而顯著降低的結(jié)果相似。Kalt 等[25]也報(bào)道了蘋果中的酚類物質(zhì)在5 ℃的條件下貯存6 個(gè)月后，其含量下降了27%。

3.2 不同貯藏溫度下四種包裝方式的降解速率及反應(yīng)級(jí)數(shù)

分別假設(shè)草莓脯中酚類物質(zhì)的降解符合零級(jí)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)，計(jì)算出不同包裝和溫度下酚類物質(zhì)在相應(yīng)級(jí)數(shù)下的降解速率，將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，并得到回歸系數(shù)，結(jié)果如表1 所示。在一定溫度下，通過(guò)比較各級(jí)反應(yīng)的降解速率常數(shù)k 值來(lái)比較降解反應(yīng)的快慢；通過(guò)比較各級(jí)反應(yīng)的相關(guān)系數(shù)R2來(lái)推斷反應(yīng)級(jí)數(shù)，R2較高的說(shuō)明反應(yīng)符合此級(jí)數(shù)。如表1 所示，一級(jí)動(dòng)力學(xué)的回歸系數(shù)均大于零級(jí)動(dòng)力學(xué)，說(shuō)明了不同溫度和不同包裝方式下的草莓脯中的酚類物質(zhì)的降解均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)規(guī)律。有研究表明食品使用不同包裝方式貯藏過(guò)程中其營(yíng)養(yǎng)成分的變化大多都符合一階動(dòng)力模型[26,27]。由表1 可知，四種包裝方式的草莓脯中的酚類物質(zhì)均表現(xiàn)為隨貯藏時(shí)間和溫度的增加，降解速率增加。對(duì)于同一種包裝方式，酚類物質(zhì)的降解速率則表現(xiàn)為37 ℃＞25 ℃＞4 ℃，以一級(jí)動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)為例，三種溫度相比之下，37 ℃的k 值是25 ℃的1.53～2.21 倍，是4 ℃的3.15～2.45 倍，而25 ℃的k值是4 ℃的k 值的1.15～2.05 倍，顯然由25 ℃與37 ℃變化速率上升幅度大于4 ℃與25 ℃，綦菁華[12]研究發(fā)現(xiàn)蘋果汁中的酚類物質(zhì)在貯藏過(guò)程中隨著溫度和時(shí)間的增加，易發(fā)生化學(xué)氧化，造成含量降低。三種溫度下，四種包裝方式的酚類物質(zhì)降解速率表現(xiàn)為非真空透光包裝＞非真空避光包裝＞真空透光包裝＞真空避光包裝，因此避光和真空包裝可以更好的保持食品的品質(zhì)[4,5]。

表1 不同貯藏溫度下四種包裝方式的降解速率及反應(yīng)級(jí)數(shù)Table 1 Degradation rate and reaction order of the four packaging methods at different storage temperatures

3.3 不同包裝方式在不同溫度下的半衰期

表2 為四種不同包裝方式的草莓脯分別在4 ℃、25 ℃以及37 ℃貯藏過(guò)程中酚類物質(zhì)降解的半衰期。對(duì)于同一種包裝材料，溫度越高，半衰期t1/2越短[26]。Kim等[27]在研究獼猴桃原漿中酚類物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)降解時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，t1/2值降低，降解反應(yīng)加速。在貯藏溫度相同時(shí)，真空避光的半衰期比其余包裝方式更長(zhǎng)，非真空避光包裝最短。相同包裝的草莓脯，貯藏溫度越高，半衰期越短，酚類物質(zhì)下降越快。因此推薦低溫、真空避光的環(huán)境下貯藏草莓脯。

表2 四種包裝方式在不同溫度貯藏的半衰期Table 2 The half-life of the four packaging methods stored at different temperatures

3.4 不同貯藏溫度下四種包裝方式的草莓脯酚類物質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)

3.4.1 不同貯藏溫度下四種包裝方式的草莓脯中酚類物質(zhì)降解的一級(jí)反應(yīng)線性圖和動(dòng)力學(xué)參數(shù)

采用表1 中酚類物質(zhì)在不同溫度下降解的一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)k，根據(jù)阿倫尼烏斯方程，對(duì)一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)的對(duì)數(shù)Lnk 與貯藏溫度的倒數(shù)1/T 進(jìn)行線性回歸分析，分別求得其Ea 和A。通常認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)的活化能為40～400 kJ/mol，活化能越小化學(xué)反應(yīng)越容易進(jìn)行[28]。由表3 可知，四種包裝方式的Ea 都較小，且真空避光包裝的Ea 最小，說(shuō)明真空避光包裝的草莓脯貯藏過(guò)程中酚類物質(zhì)含量下降較慢。光照條件下，蘋果中的酚類物的鄰位酚羥基在空氣、光照等條件下容易氧化，造成酚類物質(zhì)含量降低[23]。真空透光和非真空避光的Ea 值分別為17.75 kJ/mol 和18.91 kJ/mol，這可能是光照對(duì)酚類物質(zhì)的影響較氧氣的影響大的原因。

表3 基于阿倫尼烏斯方程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 3 Kinetic parameters based on Arrhenius equation

表4 不同溫度貯存條件下草莓脯中酚類物質(zhì)降解的熱力學(xué)參數(shù)Table 4 Thermodynamic parameters of total phenol degradation in dried strawberries under different temperature storage conditions

3.4.2 不同貯藏溫度下四種包裝方式草莓脯中酚類物質(zhì)降解的熱力學(xué)參數(shù)

阿倫尼烏斯方程通常用來(lái)描述溫度對(duì)動(dòng)力學(xué)常數(shù)的影響，幫助解釋酚類物質(zhì)降解的機(jī)理[29]。吉布斯自由能ΔG 的值代表了反應(yīng)物本身與其活化狀態(tài)之間的差異，通常介于77.09 至86.95 kcal/mol[19]。ΔH 為正值，代表反應(yīng)是吸熱狀態(tài)，隨著溫度升高酚類物質(zhì)的降解速率會(huì)加快。四種包裝方式中，真空避光包裝的ΔH 最大，說(shuō)明真空避光包裝方式的酚類物質(zhì)降解需要能量較多，反應(yīng)較難發(fā)生。ΔS 絕對(duì)值越大，代表體系最終混亂度越大，反應(yīng)越容易發(fā)生[11]，這與非真空透光包裝中酚類物質(zhì)容易降解相符。

3.5 草莓脯貯藏期酚類物質(zhì)變化的預(yù)測(cè)模型及驗(yàn)證

分別將表2 中的活化能、活化因子，氣體常數(shù)代入式（7）中，可得到不同包裝方式的動(dòng)力學(xué)降解模型：

式（8）為真空避光包裝的草莓脯酚類物質(zhì)降解的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型；式（9）為真空透光包裝的草莓脯酚類物質(zhì)降解的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型；式（10）為非真空避光包裝的草莓脯酚類物質(zhì)降解的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型；式（11）為非真空透光包裝的草莓脯酚類物質(zhì)降解的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)上述模型可以計(jì)算出不同包裝方式在不同溫度下貯藏的草莓脯酚類物質(zhì)的保留率和降解速率[25]。為了驗(yàn)證建立的草莓脯酚類物質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)模型的有效性，試驗(yàn)分別選取4、25、37 ℃進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，用3.5 中方程式分別預(yù)測(cè)在4、25、37 ℃貯藏150 d、75 d 后四種包裝方式的酚類物質(zhì)的降解率，結(jié)果如表5 所示。對(duì)表中的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析，實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值的決定系數(shù)分別為0.9125 和

表5 草莓脯貯藏過(guò)程中酚類物質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證試驗(yàn)Table 5 Validation test of kinetic model of total phenol degradation in dried strawberry during storage

0.9980 ；0.9503、0.9991；0.9349、0.9324；0.9857、0.9071。結(jié)果表明所建立的四種包裝方式貯藏下草莓脯酚類物質(zhì)降解的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型有效，可以用于預(yù)測(cè)特定時(shí)間下不同包裝及貯藏溫度的草莓脯中的酚類物質(zhì)的降解，或者根據(jù)酚類物質(zhì)含量預(yù)測(cè)草莓脯貯藏期。

4 結(jié)論

通過(guò)研究四種包裝方式在4、25 和37 ℃下草莓脯酚類物質(zhì)含量的變化，結(jié)果表明貯藏溫度和包裝方式對(duì)草莓脯中酚類物質(zhì)的含量有顯著的影響。酚類物質(zhì)的含量隨貯藏溫度的升高而降低，真空避光包裝的酚類物質(zhì)含量下降最慢，非真空透光包裝的酚類物質(zhì)含量下降最快，說(shuō)明了光照和氧氣對(duì)酚類物質(zhì)有一定程度的影響。通過(guò)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，四種包裝方式的草莓脯中酚類物質(zhì)的含量均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。本研究結(jié)果可為優(yōu)化草莓脯貯藏工藝、有效控制貯藏過(guò)程中酚類物質(zhì)的損失提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。