新鮮水果貨架期預(yù)測模型的研究進(jìn)展

牛瑞雪, 李雪茹, 路方慧, 疏如心, 張東京

（宿州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院, 安徽宿州 234000）

食品的貨架期是當(dāng)食品處于適宜的貯藏條件下, 能夠保持理想的感官、理化和微生物特性, 且保留的營養(yǎng)價(jià)值與標(biāo)簽上聲明的營養(yǎng)價(jià)值完全匹配的一段時(shí)間[1]。新鮮的水果富含營養(yǎng)物質(zhì), 在人體營養(yǎng)需求和調(diào)節(jié)生理功能等方面扮演重要的角色[2]。但由于微生物、物理化學(xué)反應(yīng)及外界環(huán)境的變化, 水果易腐爛變質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計(jì), 我國超出80%的水果都以普通物流為主要運(yùn)輸方式, 采后果蔬生產(chǎn)總量的20%～30%均被損失[3]。因此, 新鮮水果貨架期的預(yù)測可以用于監(jiān)控水果的品質(zhì)。

從影響水果貨架期的主要原因開始分析, 了解導(dǎo)致新鮮水果品質(zhì)改變的因素及引起的品質(zhì)變化, 其次探討了水果貨架期的監(jiān)測指標(biāo), 包括理化指標(biāo)、微生物指標(biāo)和感官指標(biāo)；由于不同水果變質(zhì)的特征品質(zhì)指標(biāo)是不同的, 所以最后對(duì)影響水果貨架期的不同因素分別進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型的預(yù)測。

1 影響水果貨架期的主要因素及品質(zhì)變化

1.1 影響水果貨架期的主要因素

水果極易腐爛變質(zhì), 貨架期相對(duì)于其他食品較短。影響水果貨架期的因素也有很多, 通常將其分為內(nèi)因和外因[4], 內(nèi)因主要是水果本身的特性, 如pH值、水分活度、微生物含量和酶的活性等；外因是指水果賴以生存的外界環(huán)境的各種因素, 如溫度、濕度、氣體等。準(zhǔn)確分析導(dǎo)致水果品質(zhì)變化的因素是預(yù)測新鮮水果貨架期模型的基礎(chǔ)。

1.1.1 微生物的影響

引起水果腐敗變質(zhì)的微生物主要有細(xì)菌、酵母菌和霉菌。果實(shí)貯藏過程中, 表面的角質(zhì)層、蠟質(zhì)漸漸發(fā)生變化, 有氣孔或裂紋出現(xiàn), 自身調(diào)控能力喪失, 而水果表面微生物在生長和繁殖過程中會(huì)產(chǎn)生各種的酶類物質(zhì)就會(huì)通過開孔自然地進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部, 使水果中的營養(yǎng)物質(zhì)分解, 水果品質(zhì)降低進(jìn)而發(fā)生質(zhì)變和腐爛[5]。此外, 水果在加工、流通過程中, 還有可能會(huì)受到環(huán)境中微生物的二次污染。

1.1.2 物理?xiàng)l件的影響

在影響保質(zhì)期的物理作用中, 水分遷移是一個(gè)比較關(guān)鍵的物理因素[6]。導(dǎo)致水分遷移的因素也有很多, 如微生物的呼吸活動(dòng)會(huì)有大量的熱量產(chǎn)生, 即促使水果內(nèi)部水分的蒸發(fā), 導(dǎo)致水果的水分不斷減少[7]。在包裝的果制品中, 隨著貯藏時(shí)間的延長, 由于滲透作用外界環(huán)境的水分和氣體也會(huì)滲入到水果中, 從而改變包裝水果的內(nèi)部氣體和水分環(huán)境, 導(dǎo)致水果品質(zhì)改變。另外, 某些水果的包裝材料中含有的化學(xué)成分也會(huì)影響水果的品質(zhì)。

1.1.3 化學(xué)條件的影響

水果中復(fù)雜的成分會(huì)發(fā)生許多化學(xué)反應(yīng), 包括水解反應(yīng)、氧化反應(yīng)、呼吸作用及乙烯的釋放?；瘜W(xué)反應(yīng)生成的酮、醛類物質(zhì)會(huì)改變水果的口感和色澤, 影響水果的品質(zhì)；呼吸作用會(huì)大大消耗營養(yǎng)物質(zhì), 果實(shí)容易變軟甚至腐爛。而作為植物的一種激素, 乙烯廣泛存在于水果組織細(xì)胞中, 尤其是成熟的水果中含量較高。呼吸躍變型的水果在采摘后的成熟過程中乙烯釋放速率顯著上升[8], 促進(jìn)水果的成熟, 加速水果的腐敗變質(zhì)。

1.1.4溫度的影響

溫度是影響新鮮水果貨架期的外因中最主要的因素。溫度升高, 加速水分蒸發(fā), 細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)加快, 導(dǎo)致貨架期縮短；溫度過高會(huì)使水果中營養(yǎng)物質(zhì)破壞分解, 降低果實(shí)品質(zhì), 從而使貨架期時(shí)間相對(duì)減少；溫度過低又會(huì)使水果出現(xiàn)“凍害”現(xiàn)象, 間接影響水果的貨架期。合適的溫度能夠抑制微生物的生長和繁殖, 有效延長水果的貨架期, 提高水果品質(zhì)。曾麗萍等人[9]研究發(fā)現(xiàn), 新鮮菠蘿蜜采摘后在8～12℃下貯藏能夠顯著抑制其硬度下降現(xiàn)象及水分、可溶性糖的降解損失。周穎君等人[10]提出4～10℃是獼猴桃的最適貯藏溫度, 該溫度下能減少維C的損失, 延長水果貨架期。溫度對(duì)水果貨架期的影響是多方面的, 不適宜的溫度就會(huì)加速微生物、物理?xiàng)l件和化學(xué)條件對(duì)水果產(chǎn)生的影響, 對(duì)水果品質(zhì)造成威脅。

1.2 水果的品質(zhì)變化

1.2.1 化學(xué)變化

水果采摘后, 在貯藏、運(yùn)輸和銷售的過程中發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng), 水果的品質(zhì)會(huì)逐漸降低。還原糖及維C會(huì)作為反應(yīng)物參與非酶褐變轉(zhuǎn)化成各種中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物, ATP逐漸分解；氨基酸或蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成各種亞胺類物質(zhì)[11]；酶類會(huì)和營養(yǎng)物質(zhì)或者碳水化合物反應(yīng)產(chǎn)生一些低級(jí)的有害物質(zhì)；脂肪酸敗和糖熱降解產(chǎn)生醛、酮類物質(zhì)等。這些化學(xué)物質(zhì)的變化都會(huì)導(dǎo)致水果的貨架期縮短。

1.2.2 物理和感官變化

水果的品質(zhì)特性包括色澤、硬度、果肉的彈性、回復(fù)性、凝聚性等[12]。由于水分不斷流失細(xì)胞內(nèi)部組織逐漸軟化, 導(dǎo)致質(zhì)構(gòu)特性即硬度、彈性逐漸下降, 持水力逐漸減小, 水果萎蔫、失鮮、失重。果實(shí)軟化是水果衰老變質(zhì)的重要特征, 因此新鮮水果的品質(zhì)變化研究已經(jīng)成為國內(nèi)外果品采后研究領(lǐng)域中的重要方向[13-14]。除此之外, 水果的色澤和氣味也在不斷發(fā)生改變, 美拉德反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)均會(huì)生成黑褐色的物質(zhì)附著在水果表面, 碳水化合物在微生物或者酶的作用下發(fā)酵變酸, 使水果產(chǎn)生酸臭味。

2 貨架期的監(jiān)測指標(biāo)

選擇合適的監(jiān)測指標(biāo)是構(gòu)建水果貨架期模型的關(guān)鍵, 包括微生物指標(biāo)、理化指標(biāo)和感官指標(biāo)。通過監(jiān)測指標(biāo)判斷水果品質(zhì)變化, 確定合理的動(dòng)力學(xué)模型。

2.1 微生物指標(biāo)

微生物是食品新鮮程度的一個(gè)重要指標(biāo)。通過對(duì)微生物數(shù)量變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水果品質(zhì)的監(jiān)測。常用的微生物檢測方法有平板菌落計(jì)數(shù)法、TTC培養(yǎng)基法和菌落總數(shù)測定法。不同種類的微生物的腐敗機(jī)理不同, 如微球菌屬和梭狀芽孢桿菌可以分解水果中的蛋白質(zhì), 造成水果腐??；乳桿菌屬和鏈球菌屬將碳水化合物或脂肪分解造導(dǎo)致水果酸敗；金黃色葡萄球菌和肉毒桿菌在細(xì)胞組織中發(fā)生反應(yīng)生成對(duì)人體有害的化學(xué)物質(zhì)。

2.2 理化指標(biāo)

在水果采摘后的流通過程中, 水果的物理變化主要是由不潔的環(huán)境和不合理的操作引起的。化學(xué)變化雖然很少在食品的腐敗變質(zhì)中作為監(jiān)測指標(biāo), 但也會(huì)引起水果組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, 對(duì)水果貨架期存在威脅, 而這些化學(xué)變化主要來自于脂肪氧化、美拉德反應(yīng)、焦糖化作用、氧化作用及酶反應(yīng)[15]。食品的穩(wěn)定性與強(qiáng)化的不飽和脂肪酸的含量有密切的關(guān)系, 且含量越高食品穩(wěn)定性越差[16]。

2.3 感官指標(biāo)

感官評(píng)定法是監(jiān)測食品品質(zhì)中常用的方法。所謂感官評(píng)定就是利用人的感官對(duì)食品的色澤和氣味進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。感官指標(biāo)中包含的因素有水分、硬度、色澤等, 在評(píng)定過程中, 品評(píng)員在經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)下, 通過嗅覺、味覺、觸覺、聽覺、視覺根據(jù)感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水果的新鮮程度打分, 通過對(duì)分值的處理來預(yù)測水果的品質(zhì)和貨架期。感官評(píng)定的方法多種多樣, 局限性也有所不同, 由于食品種類的不同而評(píng)定方法也有所差異。微生物指標(biāo)和理化指標(biāo)的監(jiān)測過程通常操作復(fù)雜, 所以感官指標(biāo)在監(jiān)測水果貨架期中有重要地位。李麗娜等人[17]從外觀、質(zhì)地、風(fēng)味等方面對(duì)蘋果進(jìn)行了感官評(píng)定, 并與質(zhì)地結(jié)合分析建立了各項(xiàng)感官指標(biāo)的預(yù)測模型。但感官評(píng)定也存在一定的缺陷, 當(dāng)樣品大量存在時(shí)很容易產(chǎn)生疲勞, 此外品評(píng)員喜好的不同、感官靈敏度的差異都會(huì)使評(píng)定結(jié)果發(fā)生偏差, 結(jié)果可能不具備客觀公正性。

3 新鮮水果貨架期模型的預(yù)測

利用動(dòng)力學(xué)模型來預(yù)測食品的貨架期是目前關(guān)于食品品質(zhì)的熱點(diǎn)研究方向?；诓煌钠焚|(zhì)影響因素可以建立不同的動(dòng)力學(xué)模型, 是將水果中的微生物在貯藏和流通過程中的特征數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī), 通過動(dòng)力學(xué)公式處理, 判斷微生物的數(shù)量和狀態(tài), 從而對(duì)水果的貨架期進(jìn)行快速預(yù)測[18]。要準(zhǔn)確預(yù)測貨架期就要選擇合適的動(dòng)力學(xué)模型, 胡位歆等人[19]采用Arrhenius方程建立了15, 30℃下新鮮草莓采摘后營養(yǎng)素的保存率方程, 準(zhǔn)確預(yù)測了草莓的貨架期。劉曉慧等人[20]采用Gompertz模型建立了菠菜中的金黃色葡萄球菌在不同溫度條件下的生長速率方程, 為菠菜貨架期的預(yù)測提供理論依據(jù)。為了能更完整地分類常用一級(jí)模型、二級(jí)模型和三級(jí)模型來劃分[21]。有研究表明, 一級(jí)模型是表征微生物在一定條件下微生物數(shù)量與時(shí)間的關(guān)系；二級(jí)模型是考慮了環(huán)境因素, 體現(xiàn)環(huán)境變化對(duì)一級(jí)模型中參數(shù)的影響；三級(jí)模型是一種的計(jì)算機(jī)化軟程序, 是將一個(gè)或者多個(gè)一級(jí)模型和二級(jí)模型整合在一起的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)模型[22]。

3.1 一級(jí)模型

一級(jí)模型是描述一定條件下微生物與時(shí)間之間的數(shù)量關(guān)系, 這種線性關(guān)系可以用曲線表示, 曲線由延滯期、對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期4個(gè)數(shù)值組成。該模型簡單易用, 使用范圍較廣泛, 近年來常用的一級(jí)模型有線型模型、邏輯斯蒂克方程（Logistic function）、Gompertz模型、修正的Gompertz模型和Baranyi &Roberts模型[23]。

3.2 二級(jí)模型

二級(jí)模型適用于多個(gè)因素作用下的食品貨架期的研究, 是以一級(jí)模型為背景, 探討各種環(huán)境因素如溫度、pH值、AW對(duì)微生物的作用[24], 預(yù)測食品的貨架期。包括平方根模型、反應(yīng)表模型、Arrhenius模型、Q10模型、Z值模型等。

3.3 三級(jí)模型

三級(jí)模型是一級(jí)模型和二級(jí)模型結(jié)合的最終形式, 功能強(qiáng)大, 亦被稱做專家模型[25], 是通過計(jì)算機(jī)軟件建立大量的微生物動(dòng)力生長模型, 是一門新興學(xué)科。目前, 全球該種模型的軟件有十幾種。三級(jí)模型作用是：基于不同的環(huán)境因素對(duì)微生物的生長影響進(jìn)行預(yù)測；對(duì)不同環(huán)境因素造成微生物的影響程度進(jìn)行預(yù)測；同一生長環(huán)境下不同微生物的生長狀況進(jìn)行預(yù)測。常用的三級(jí)模型包括FM模型、PMP模型、MRV模型SSSP模型、ComBase模型等。其中, PMP模型操作過程簡單, 使用率較高；SSSP模型主要應(yīng)用于水產(chǎn)品貨架期的預(yù)測；ComeBass模型是幾種軟件的結(jié)合體, 可以更加全面地對(duì)食品貨架進(jìn)行預(yù)測[26]。

4 結(jié)語

腐敗變質(zhì)的水果會(huì)危害人類的身體健康, 一定程度上也帶來了經(jīng)濟(jì)損失, 所以保證水果的品質(zhì)安全和監(jiān)測水果的貨架期具有非常積極的意義。介紹了一級(jí)模型、二級(jí)模型及三級(jí)模型, 為水果的品質(zhì)監(jiān)控提供合理依據(jù), 深入了解動(dòng)力學(xué)模型在水果品質(zhì)安全領(lǐng)域的優(yōu)越性。

食品貨架期一直以來是人們關(guān)注的食品安全的焦點(diǎn), 目前利用動(dòng)力學(xué)模型對(duì)貨架期進(jìn)行預(yù)測的進(jìn)展在水產(chǎn)品方面取得了良好的研究進(jìn)展, 但在水果方面的應(yīng)用尚處于初期階段。此外, 現(xiàn)有的動(dòng)力學(xué)預(yù)測模型事實(shí)上尚未能完整地判斷出食品中微生物的所有增殖情況, 高精確性的模型有待研究。雖然國外有很多關(guān)于動(dòng)力學(xué)模型的研究, 而其中并未能完全體現(xiàn)食品中微生物的多樣性。建立動(dòng)力學(xué)模型本身存在許多挑戰(zhàn), 如微生物的生理反應(yīng)十分復(fù)雜, 各環(huán)境因子之間、食品中微生物及營養(yǎng)成分之間的相互作用尚不得知等。因此, 我國生物學(xué)家將會(huì)面臨新的挑戰(zhàn), 此外微生物生長模型涉及廣泛, 需要各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)家的共同努力。