石榴果粒呼吸速率模型及低溫氣調(diào)誘導(dǎo)休眠方法的建立

程祖鑫，吳圓月，朱 良，肖凱軍，徐榮雄

（華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 廣州 510641）

果蔬是生產(chǎn)、生活中不可缺少的物質(zhì)，其在食品以及食品加工行業(yè)中有著極大的供需量[1]。一般來說，采后果蔬仍有生命活動(dòng)[2]，其含有的營養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)各種酶系統(tǒng)和氧氣的參與下，經(jīng)由一系列生物氧化還原反應(yīng)，逐步分解并產(chǎn)生能量、二氧化碳和水等物質(zhì)[3]，以維持一段時(shí)間的呼吸作用。同時(shí)，這種呼吸代謝過程也會(huì)在果蔬體內(nèi)留下一些有毒物質(zhì)，久而久之，果蔬表皮變得褶皺，果肉變軟，色澤也變得黯淡，最終衰敗腐爛[4]。

氣調(diào)誘導(dǎo)休眠保鮮，是一種通過控制貯藏環(huán)境中各氣體組分含量來誘導(dǎo)果蔬長期處于休眠期的保鮮方法，與其它保鮮方法[5-6]，如化學(xué)保鮮、冷凍保鮮等相比，該法不僅綠色環(huán)保，還能在大幅度減少微生物腐敗[7-8]的同時(shí)，縮短誘導(dǎo)期，推遲衰亡期，使果蔬長期處于休眠期，維持最低的生理活動(dòng)消耗水平。針對(duì)不同果蔬的呼吸代謝特點(diǎn)，建立相應(yīng)的呼吸速率模型，可在一定程度上預(yù)測其呼吸速率。如：Rocculi 等[9]基于酶動(dòng)力學(xué)模型[10]，建立了鮮切蘋果呼吸速率模型，試驗(yàn)表明該模型對(duì)鮮切蘋果呼吸速率的預(yù)測較為準(zhǔn)確，然而，隨著貯藏環(huán)境溫度的升高，預(yù)測精度有一定下降；Fonseca 等[11]以非競爭性米氏方程，結(jié)合羽衣甘藍(lán)的呼吸特點(diǎn)建立了呼吸速率模型，試驗(yàn)表明該模型有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.96，但該模型的適用性不高，難以廣泛應(yīng)用。

石榴在我國的產(chǎn)量很大，然而由于裂果和采后貯藏不當(dāng)?shù)仍?，造成的損失也很大。隨著人們生活質(zhì)量的提高，鮮食食品越來越受青睞。若將裂果后的石榴以及采后的一部分石榴加工成鮮食食品，對(duì)于減少石榴損失，增加果農(nóng)收入具有積極意義。目前對(duì)于石榴果粒的保鮮報(bào)道較少，建立石榴果粒的氣調(diào)保鮮體系為石榴果粒的保鮮提供理論依據(jù)顯得尤為重要。

本文以石榴果粒為研究對(duì)象，結(jié)合自發(fā)氣調(diào)誘導(dǎo)休眠技術(shù)，基于果蔬氣調(diào)休眠保鮮理論，建立多種呼吸速率模型，預(yù)測石榴果粒在休眠期內(nèi)O2和CO2含量變化，并對(duì)所建模型進(jìn)行表征和驗(yàn)證，以期應(yīng)用于石榴果粒的氣調(diào)保藏。

1 材料與方法

1.1 原料

石榴，200～250 g/個(gè)，購自會(huì)理縣果園；PP 包裝盒（20 cm×10 cm×3 cm），東莞市邁向達(dá)膠盒包裝有限公司；致密氧化鋁復(fù)合膜（100 μm），深圳市宏美嘉包裝材料有限公司；密封墊圈（1 cm×1 cm×0.2 cm），上海眾林機(jī)電有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

FA124 電子分析天平，上海梅穎浦儀器制造公司；MAP-2000 半自動(dòng)氣調(diào)保鮮包裝，上海炬鋼機(jī)械制造有限公司；OXYBABY M+手持氣體分析儀，上海眾林機(jī)電設(shè)備有限公司；XDHJ-5 次氯酸鈉消毒機(jī)，廣州澳蘭斯水處理設(shè)備有限公司；2100×950×1800 石榴果粒分離機(jī)，廣州達(dá)橋食品設(shè)備有限公司。

1.3 石榴果粒貯藏

挑選大小一致、無機(jī)械損傷、無病蟲害、果色均一的石榴，以潔凈水清洗表面去除雜質(zhì)，經(jīng)分離機(jī)分粒后用100 mg/L 的自制次氯酸消毒液浸泡5 min，瀝干后用清水漂洗2 次，晾干，分別預(yù)冷至4，8，15，23 ℃。用包裝機(jī)對(duì)經(jīng)預(yù)冷處理的石榴果粒進(jìn)行普通包裝，每個(gè)PP 包裝盒內(nèi)石榴果粒凈重（100±1）g，并用致密氧化鋁復(fù)合膜封口。包裝好的石榴果粒分別置于對(duì)應(yīng)溫度4，8，15，23 ℃的環(huán)境下貯藏，柜內(nèi)相對(duì)濕度穩(wěn)定在80%～85%。

1.4 石榴果粒呼吸特性研究

1.4.1 石榴果粒呼吸速率的測算 果蔬的呼吸速率可以用氧氣消耗率或二氧化碳生成率來表示[12]，主要有3 種計(jì)算方法：密閉系統(tǒng)法[13-14]、滲透系統(tǒng)法[15-16]以及流動(dòng)系統(tǒng)法[17-18]。

針對(duì)石榴果粒的呼吸特點(diǎn)，采用密閉系統(tǒng)法測量石榴果粒的呼吸速率，用手持氣體分析儀測定不同溫度下包裝內(nèi)頂空O2和CO2含量。按手持氣體分析儀的使用方法，取密封墊圈緊密貼在復(fù)合薄膜上，將采樣針頭透過密封墊圈刺入包裝盒內(nèi)測試，直接讀取數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)測量3 次，每間隔24 h 測定一次氣體含量，每次測試完畢后使用密封墊圈密封取樣針孔。

1.4.2 低溫氣調(diào)誘導(dǎo)休眠方法的建立 通過測算貯藏期內(nèi)石榴果粒呼吸速率的變化，分析其呼吸特性，建立低溫氣調(diào)誘導(dǎo)休眠方法，對(duì)低溫氣調(diào)貯藏果蔬在不同階段的呼吸特征、氣體含量變化進(jìn)行研究分析。

1.5 石榴果粒呼吸模型的擬合與表征

1.5.1 呼吸模型的建立與表征 本研究根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚19]、化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型[20]、Langmuir 吸收理論、酶動(dòng)力學(xué)模型[11]建立了6 種石榴果粒呼吸模型，通過比較模型相關(guān)系數(shù)選擇最優(yōu)模型，并對(duì)最優(yōu)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1.5.1.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

式中，R——果蔬呼吸速率，mL/（kg·h）；[CO2]——CO2體積分?jǐn)?shù)，%；[O2]——O2體積分?jǐn)?shù)，%；ai（i=0，1…5)——公式擬合參數(shù)。

1.5.1.2 基于化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型

式中，κ——速率常數(shù)，與溫度相關(guān)；α——CO2的反應(yīng)級(jí)數(shù)；β——O2的反應(yīng)級(jí)數(shù)。

1.5.1.3 基于Langmuir 吸收理論的模型

式中：a、i——方程系數(shù)；b——果蔬最大呼吸速率，mL/（kg·h）。

1.5.1.4 酶動(dòng)力學(xué)模型

非競爭型模型：

競爭型模型：

反競爭型模型：

式中：Vm——果蔬最大呼吸速率，mL/（kg·h）；Km——米氏常數(shù)；Ki——方程常數(shù)。

1.5.2 呼吸模型的驗(yàn)證 為了確保模型的可用性，在模型建立后需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)試驗(yàn)所得實(shí)測值與模型預(yù)測值作對(duì)比，比較兩者之間的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，并進(jìn)行t 檢驗(yàn)，通過差異性分析，對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”表示，使用Origin 9.1 軟件繪圖，采用Excel 2016 軟件進(jìn)行樣品間的差異及顯著性分析，P<0.05 表示具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與討論

2.1 石榴果粒呼吸特性的研究

2.1.1 氣調(diào)包裝中CO2和O2含量的變化 圖1是石榴果粒在4，8，15，23 ℃條件下包裝環(huán)境內(nèi)CO2和O2的體積變化，隨著貯藏時(shí)間的延長，CO2含量逐漸升高，O2含量逐漸降低，當(dāng)環(huán)境溫度升高后，兩條曲線產(chǎn)生交點(diǎn)。從圖中還可以看出，溫度升高會(huì)導(dǎo)致石榴果粒呼吸作用增強(qiáng)，包裝環(huán)境內(nèi)CO2含量隨溫度升高而升高，O2含量則是隨之降低。因此，溫度能顯著地影響石榴果粒的呼吸作用，在4 ℃環(huán)境條件下貯藏的石榴果粒在休眠期有著最低的呼吸強(qiáng)度。

圖1 不同溫度下包裝盒內(nèi)CO2 和O2 含量的變化Fig.1 Changes of CO2 and O2 contents in the packaging boxes at different temperatures

2.1.2 石榴果粒呼吸強(qiáng)度的變化 對(duì)密閉系統(tǒng)法的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各自的呼吸強(qiáng)度變化結(jié)果，如圖2所示。從圖中可看出，石榴果粒的呼吸強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，這是由于隨著石榴果粒的呼吸作用，密封系統(tǒng)中的O2含量不斷降低，新生成的CO2又不能即時(shí)排出，導(dǎo)致整個(gè)密封系統(tǒng)形成一個(gè)低O2、高CO2的環(huán)境，相關(guān)研究報(bào)道果蔬在這樣的密封環(huán)境中呼吸作用會(huì)受到一定的抑制[21-22]。隨著貯藏時(shí)間的延長，呼吸強(qiáng)度下降速率有所減緩，并最終趨于穩(wěn)定，這與Ravindra 等[23]文獻(xiàn)中報(bào)道的一致。

圖2 不同溫度下石榴果粒呼吸速率的變化Fig.2 Changes of respiration rate of pomegranate grains at different temperatures

在23 ℃時(shí)，由于微生物的腐敗作用，石榴果粒在貯藏期出現(xiàn)了霉變，表明石榴果粒不適合高溫貯藏，故此溫度下的呼吸強(qiáng)度和呼吸模型不做討論。

2.1.3 石榴果粒低溫氣調(diào)誘導(dǎo)休眠方法的建立 結(jié)合圖1中氣體含量的變化，根據(jù)石榴果粒的呼吸特點(diǎn)，將果蔬呼吸分為3 個(gè)過程：誘導(dǎo)期、休眠期、衰亡期，如圖3所示。

圖3 果蔬不同呼吸階段包裝盒內(nèi)的氣體含量變化Fig.3 Changes of gas content in packaging boxes of fruits and vegetables in different breathing stages

圖3a 和3b 分別為O2消耗曲線和CO2生成曲線，對(duì)兩條曲線作拐點(diǎn)為零時(shí)的切線，得到的切點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)分別為果蔬O2消耗的休眠期起始點(diǎn)Od0以及CO2生成的休眠期起始點(diǎn)Cd0。果蔬休眠期的起始點(diǎn)：取氧氣消耗的休眠期起始點(diǎn)和二氧化碳生成的休眠期起始點(diǎn)的平均值，即：

式中：D0——果蔬進(jìn)入休眠期時(shí)的貯藏時(shí)間，h。

同理，果蔬休眠終結(jié)點(diǎn)為氧氣消耗的休眠期終結(jié)點(diǎn)和二氧化碳生成的休眠期終結(jié)點(diǎn)的平均值，即：

式中：Di——果蔬結(jié)束休眠期時(shí)的貯藏時(shí)間，h。

果蔬在衰亡初始點(diǎn)細(xì)胞和組織形態(tài)顯著改變，氣調(diào)誘導(dǎo)休眠保鮮當(dāng)以縮短誘導(dǎo)期、延長休眠期為目的，防止低溫傷害和高溫干耗，盡可能維持果蔬的食用品質(zhì)，延長其保鮮期。

2.2 石榴果粒呼吸模型的表征與驗(yàn)證

2.2.1 石榴果粒呼吸模型表征 為了更好地預(yù)測石榴果粒呼吸速率，采用密閉系統(tǒng)法測得O2和CO2的體積分?jǐn)?shù)變化，計(jì)算得到以O(shè)2和CO2表示的果蔬呼吸速率RO2、RCO2，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并建立了不同溫度下的呼吸速率模型，分別是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型、Langmuir 吸收理論模型和酶動(dòng)力學(xué)模型（3 種），如表1所示。

表1為石榴果粒呼吸速率的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?為石榴果粒呼吸速率的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，表3為石榴果粒呼吸速率的Langmuir 吸收理論模型。由表可知，此3 個(gè)模型的各模型參數(shù)隨貯藏溫度的升高并未表現(xiàn)出規(guī)律性的變化。

表1 石榴果粒呼吸經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚑able 1 The empirical models of pomegranate grain respiration

表2 石榴果粒呼吸化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型Table 2 The chemical kinetic model of pomegranate grain respiration

表3 石榴果粒呼吸Langmuir 吸收理論模型Table 3 The Langmuir absorption theory model of pomegranate grain respiration

表4～6 為石榴果粒呼吸速率的酶動(dòng)力學(xué)模型。在酶動(dòng)力學(xué)模型中，競爭型酶動(dòng)力學(xué)模型在低溫（4 ℃）時(shí)的模型方程擬合度最高，達(dá)到0.95 以上。各模型中模型參數(shù)Vm隨貯藏溫度的升高而增大，與溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響一致[24]，到達(dá)最大反應(yīng)速率一半時(shí)所需要的底物濃度Km也隨溫度的升高而變大。

表4 石榴果粒呼吸非競爭型酶動(dòng)力學(xué)模型Table 4 The non-competitive enzyme kinetic model of pomegranate grain respiration

2.2.2 石榴果粒呼吸模型驗(yàn)證 根據(jù)石榴果粒在不同溫度下的呼吸特性，采用4 ℃貯藏條件對(duì)石榴果粒進(jìn)行貯藏，該溫度下擬合度最高的模型為競爭型酶動(dòng)力學(xué)模型，因此以競爭型酶動(dòng)力學(xué)模型為石榴果粒最優(yōu)呼吸模型，模型方程如公式（9）、（10）：

表5 石榴果粒呼吸競爭型酶動(dòng)力學(xué)模型Table 5 The competitive enzyme kinetic model of pomegranate grain respiration

表6 石榴果粒呼吸反競爭型酶動(dòng)力學(xué)模型Table 6 The anticompetitive enzyme kinetic model of pomegranate grain respiration

呼吸模型建立后，需對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證以確保模型確實(shí)可用。對(duì)4 ℃條件下的競爭型酶動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，將實(shí)測值與預(yù)測值作比較，并進(jìn)行差異分析，驗(yàn)證結(jié)果如表7所示。

表7 石榴果粒呼吸模型Table 7 Respiration model of fresh-cut pomegranate

由表可知，實(shí)測值與預(yù)測值之間的絕對(duì)誤差在0.03～0.14 mL/（kg·h）之間，相對(duì)誤差在1.19%～5.45%之間，對(duì)實(shí)測值與預(yù)測值進(jìn)行t 檢驗(yàn)，結(jié)果顯示實(shí)測值同預(yù)測值之間無顯著性差異。由圖4可看出實(shí)測值與預(yù)測值之間具有較好的吻合性。即該模型在4 ℃條件下可以用來預(yù)測石榴果粒的呼吸速率。

圖4 石榴果粒呼吸速率實(shí)測值與預(yù)測值Fig.4 The measured and predicted respiration rates of pomegranate grains

3 結(jié)論

本研究結(jié)合自發(fā)氣調(diào)保鮮技術(shù)，以石榴果粒為研究對(duì)象，通過建立氣調(diào)休眠呼吸模型，對(duì)石榴果粒呼吸速率進(jìn)行預(yù)測，并對(duì)呼吸模型進(jìn)行表征和驗(yàn)證。石榴果粒的呼吸速率隨貯藏溫度的升高而增大，隨貯藏時(shí)間的延長而衰減，低O2、高CO2的環(huán)境氛圍能在一定程度上抑制果蔬呼吸。針對(duì)石榴果粒呼吸特點(diǎn)，提出了果蔬休眠期起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的計(jì)算方法，并建立了6 種呼吸速率模型。結(jié)果表明：在4 ℃貯藏條件下競爭型酶動(dòng)力學(xué)模型方程相關(guān)系數(shù)最大，以此為該溫度下的最優(yōu)呼吸模型，并對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)測值與預(yù)測值之間的相對(duì)誤差在1.19%～5.45%之間，吻合性較好，t 檢驗(yàn)結(jié)果顯示實(shí)測值同預(yù)測值之間無顯著性差異，表明該模型在4 ℃條件下可以用來預(yù)測石榴果粒的呼吸速率。