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(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083)

香蕉是廣受歡迎的熱帶水果,我國香蕉產(chǎn)量已居世界第二位[1]。但主要產(chǎn)于中國東南部的香蕉在秋冬季節(jié)北運(yùn)北銷過程中極易因低溫引發(fā)冷害問題,導(dǎo)致香蕉品質(zhì)降低,食用價(jià)值及商品價(jià)值喪失,造成巨大浪費(fèi)及經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此,抑制香蕉冷害是香蕉保鮮的關(guān)鍵性問題。目前已有不少專家學(xué)者對香蕉冷害相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了研究。根據(jù)張建平等[3]的研究,香蕉在6 ℃條件下安全貯藏天數(shù)為6.5 d,超過該安全期限,香蕉將受害。Yang等[4]研究表明,許多果實(shí)有低溫誘導(dǎo)乙烯的現(xiàn)象,即受低溫脅迫后乙烯產(chǎn)量增加。李志剛等[5]研究發(fā)現(xiàn),香蕉果肉的硬度、彈性、粘附性、咀嚼性與冷害程度呈正相關(guān)。目前香蕉避免冷害的措施主要分為物理方法、化學(xué)方法[6]。物理方法有人工提高環(huán)境溫度、采后熱處理。但熱處理存在一些問題[7],熱處理不當(dāng)易造成果蔬失水、變色、損傷[8]；化學(xué)方法主要是利用化學(xué)藥劑噴施或涂抹在果蔬表面的方式,易在果蔬表面殘留有害物質(zhì)。因此,亟需開發(fā)新型的緩解香蕉冷害的新技術(shù)。

低溫等離子體是一種非平衡等離子體,氣體中正、負(fù)電荷總數(shù)相等,它可經(jīng)氣體放電產(chǎn)生。在低溫等離子體的生成過程中會(huì)產(chǎn)生紫外線、帶電粒子以及活性成分(Reactive Species,RS)。研究表明,采用低溫等離子體處理(Cold plasma treatment,CPT)不僅可以有效殺滅果蔬表面細(xì)菌,還可分解殘留的農(nóng)藥、降解果蔬貯藏環(huán)境中的乙烯[9-10]。作為一種成本低廉,原料簡單,環(huán)境友好型非熱加工技術(shù),低溫等離子體正逐漸顯現(xiàn)其優(yōu)勢[11]。近幾年低溫等離子體在果蔬保鮮領(lǐng)域的應(yīng)用已有大量研究,但CPT抑制果蔬冷害方面的研究尚未見報(bào)道。本文研究了在6 ℃貯藏條件下,低溫等離子體處理對采后成熟香蕉冷害的抑制作用,以期能為香蕉的貯運(yùn)保鮮開發(fā)一種新的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

香蕉果實(shí) 產(chǎn)地廣西,挑選大小均勻、無病害和機(jī)械損傷,成熟度為7～8成的果實(shí),去軸落梳,分成單個(gè)蕉指。

CTP-2000K型等離子體電源 南京蘇曼等離子科技有限公司；低溫等離子體處理系統(tǒng) 自制；PRX-350A型恒溫恒濕培養(yǎng)箱 寧波賽福實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；PAL-1型數(shù)顯糖度計(jì) 日本ATAGO公司；GC7900型氣相色譜儀 上海天美(Techcomp)科學(xué)儀器有限公司；TMS-Pro型質(zhì)構(gòu)儀 美國Food Technology Corporation公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品處理與貯藏 參考Liu等[12]的方法略作修改,將香蕉分為三組,分別為等離子體處理組(CPT組)、等離子體處理且加濕組(CPT結(jié)合加濕處理組)以及對照組(CK組)。取每四根香蕉為一組,裝入305 nm×230 nm×85 mm的密閉聚丙烯保鮮盒當(dāng)中,貯藏于溫度6 ℃的恒溫環(huán)境中。

對CPT組,每隔24 h將貯藏環(huán)境中的氣體抽出,經(jīng)過介質(zhì)阻擋放電(DBD)裝置電離后產(chǎn)生低溫等離子體,再通回盒內(nèi),該過程盒子始終保持密閉,氣體經(jīng)插入盒中的兩管循環(huán)1 min,無外界空氣進(jìn)入。等離子電源施加在DBD電極上的電壓為20 kV,頻率為5 kHz。CPT結(jié)合加濕處理組的處理方法和CPT組完全相同,但其密閉貯藏盒底部增加一層浸濕紗布,維持盒內(nèi)相對濕度為90%。對照組只將貯藏環(huán)境中的氣體每24 h循環(huán)1 min,不進(jìn)行其它處理。該放電裝置主要由放電系統(tǒng)及監(jiān)測系統(tǒng)組成(如圖1所示)。放電裝置由外徑0.8 cm,內(nèi)徑0.4 cm,長13.5 cm的石英玻璃管及兩根平行的長7 cm的棒狀不銹鋼電極組成(如圖2所示)。電氣監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)字示波器(Tektronix TDS 2012C)與高壓探頭(TektronixP6015A)組成,高壓探頭接于放電電極一端,實(shí)時(shí)采集電壓及頻率,并反映在示波器上。

圖1 低溫等離子體處理系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cold plasma treatment system注:1:棒狀電極放電裝置；2:氣體助推泵； 3:等離子電源及調(diào)壓器；4:高壓探頭； 5:數(shù)字示波器；6:香蕉密閉貯藏室。

圖2 放電效果實(shí)物圖Fig.2 Image of discharge effect注:1:棒狀電極上產(chǎn)生的紫色電暈。

以貯藏開始測量的香蕉各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果作為初始值,從貯藏第2 d每隔一天測量一次各組香蕉的質(zhì)量。在貯藏第3、6、9、12 d分別進(jìn)行取樣,去掉香蕉果肉兩端部及果心,取其余果肉部分測定三組香蕉果肉的糖度、硬度,去掉果皮兩端部,取剩余果皮部分測量果皮硬度,抽取貯藏環(huán)境中的氣體測定其中乙烯和二氧化碳含量。

1.2.2 指標(biāo)測定

1.2.2.1 冷害指數(shù) 參照邱佳容等[13]的方法,冷害程度通過觀察香蕉表皮癥狀評價(jià),每次評價(jià)均重復(fù)取樣觀察三次,結(jié)果取平均值。冷害級別如表1。香蕉冷害在果皮上的表現(xiàn)為組織褐變,本文均以香蕉果皮褐變程度說明其冷害程度[14]。

表1 香蕉果實(shí)冷害指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grading standards of chilling injury of banana

每72 h統(tǒng)計(jì)一次,按以下公式[15-16]計(jì)算冷害指數(shù):

冷害指數(shù)(%)=∑(分級數(shù)×相應(yīng)級果數(shù))/(最高級數(shù)×總果數(shù))

1.2.2.2 失重率 采用質(zhì)量法[17]測定,貯藏第0 d測定三組香蕉初始質(zhì)量,之后每24 h對各組香蕉進(jìn)行一次質(zhì)量測定,按照下列公式計(jì)算失重率:

失重率(%)=(果實(shí)初始質(zhì)量-果實(shí)貯藏后的質(zhì)量)/果實(shí)初始質(zhì)量×100

1.2.2.3 可溶性固形物含量 采用數(shù)顯糖度計(jì)測定,取香蕉中段果肉,每個(gè)樣品進(jìn)行3次重復(fù)測定。結(jié)果以百分?jǐn)?shù)表示。

1.2.2.4 硬度 采用曹建康[18]的方法略作修改,利用質(zhì)構(gòu)儀測定。采用直徑為6 mm的圓柱形探頭,測試速度及回程速度為60 mm/min,穿刺距離及回程距離為10 mm,測量果皮起始力設(shè)為7 N,測量果肉起始力為2 N,每蕉指均隨機(jī)取三個(gè)不同位置,每個(gè)位置重復(fù)測定兩次,測定結(jié)果取平均值。

1.2.2.5 乙烯含量 參照曹建康[18]的方法,采用氣相色譜儀檢測,使用的乙烯標(biāo)氣濃度為50 μL/L,在每個(gè)密閉聚丙烯保鮮盒中重復(fù)抽取三次氣體進(jìn)行檢測。乙烯含量使用μL/L表示。

1.2.2.6 CO2含量 參照曹建康等[18]的方法,采用氣相色譜儀檢測,使用的二氧化碳標(biāo)氣濃度為1‰,每個(gè)密閉聚丙烯保鮮盒重復(fù)抽取三次氣體檢測。二氧化碳含量使用%表示。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用Excel 2016處理,計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。采用SPSS軟件進(jìn)行顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫等離子體處理對香蕉冷害的影響

貯藏期間各組香蕉冷害指數(shù)如圖3所示,貯藏第3 d,兩處理組無明顯變化,對照組略有褐變,冷害指數(shù)為14.58%。貯藏第6 d,CPT組出現(xiàn)局部的淺褐色小斑點(diǎn),冷害指數(shù)為35.42%；CPT結(jié)合加濕處理組出現(xiàn)輕微褐變,冷害指數(shù)為10.42%；對照組香蕉出現(xiàn)大范圍褐色斑點(diǎn),冷害指數(shù)為54.17%；貯藏第12 d,CPT結(jié)合加濕處理組褐變略有加深,但大部分果皮仍保持黃色,冷害指數(shù)為35.42%；對照組果皮整體呈現(xiàn)黑色,冷害指數(shù)為93.75%；CPT組褐變程度介于前兩組之間,冷害指數(shù)為66.67%。可見,相比對照組,CPT極顯著減輕了冷害程度(P<0.01),且CPT結(jié)合加濕處理進(jìn)一步推遲了冷害發(fā)生(P<0.01)。推測是由于CPT結(jié)合加濕處理組在低溫等離子體抑制冷害的同時(shí)維持了盒內(nèi)較高濕度,有利于等離子體經(jīng)由水溶液附著和進(jìn)入果實(shí)表皮,從而發(fā)生作用。

圖3 低溫等離子體對香蕉貯藏期間冷害指數(shù)的影響Fig.3 Effect of cold plasma on chilling injury index of banana during storage注:各處理組與對照組相比,*表示差異顯著(P<0.05), **表示差異極顯著(P<0.01), 未標(biāo)注表示無顯著性差異。圖4～圖8同。

2.2 低溫等離子體處理對香蕉失重率的影響

果實(shí)采后失重主要是由于水分散失和自身呼吸消耗所致。如圖4所示,貯藏期間各組香蕉失重率均隨時(shí)間延長而增加,未經(jīng)等離子體處理的香蕉失重率處于較高水平,CPT與CPT結(jié)合加濕處理均減緩了香蕉質(zhì)量損失,其中CPT結(jié)合加濕處理組失重率最低。貯藏12 d時(shí),CPT與CPT結(jié)合加濕處理組失重率分別下降了42.43%(P<0.01)、49.53%(P<0.01),極顯著低于CK組。可能的原因是:一方面,CPT有助于降低貯藏空間的乙烯濃度[19-20],抑制了香蕉的呼吸作用,緩解了香蕉因水分散失、營養(yǎng)物質(zhì)消耗導(dǎo)致的重量下降；另一方面,等離子體可能會(huì)分解一部分水分子,使盒內(nèi)濕度下降[12],而CPT結(jié)合加濕處理組,由于維持了包裝內(nèi)較高的相對濕度,在減緩香蕉呼吸消耗的同時(shí),減少了水分散失,因此其失重率最低。

圖4 低溫等離子體對香蕉貯藏期間失重率的影響Fig.4 Effect of cold plasma on weight loss rate of banana during storage

2.3 低溫等離子體處理對香蕉硬度的影響

硬度反映果品與蔬菜的成熟軟化程度和貯藏品質(zhì)的變化,是果蔬品質(zhì)評價(jià)的重要指標(biāo)。如圖5(A)所示,貯藏期間香蕉果皮硬度呈先上升后下降的趨勢。CK、CPT組香蕉硬度整體而言均有下降,而CPT結(jié)合加濕處理維持了果皮較高硬度。如圖5(B)所示,果肉硬度在貯藏最后一天與初始時(shí)基本相同,但仍經(jīng)歷了先上升后下降的過程。CPT、CPT結(jié)合加濕處理組果肉硬度在貯藏前后變化均不顯著,等離子體處理未對果肉硬度造成明顯影響。

圖5 低溫等離子體對香蕉貯藏期間果皮(A)和果肉(B)硬度的影響Fig.5 Effect of cold plasma on the firmness of peel(A)and pulp(B)of banana during storage

2.4 低溫等離子體處理對香蕉可溶性固形物含量的影響

可溶性固形物含量是影響果實(shí)風(fēng)味的重要因素。如圖6所示,貯藏期間可溶性固形物含量略有上升,整體呈先升后降的變化趨勢,貯藏前后無顯著差異。可見,經(jīng)等離子體處理過的兩組香蕉可溶性固形物含量整體略低于對照組,且CPT結(jié)合加濕處理組可溶性固形物含量變化最平緩。可能是等離子體處理抑制了香蕉的呼吸作用,使貯藏期間淀粉等糖類物質(zhì)分解比CK組更緩慢 。

圖6 低溫等離子體對香蕉貯藏期間可溶性固形物含量的影響Fig.6 Effect of cold plasma on the variation of soluble solids content of banana during storage

2.5 低溫等離子體處理對貯藏環(huán)境氣體的影響

2.5.1 低溫等離子體處理對環(huán)境中乙烯含量的影響 密閉貯藏環(huán)境中的乙烯由香蕉自身釋放,且香蕉受低溫脅迫后乙烯產(chǎn)量增加[6],當(dāng)乙烯濃度大時(shí),將增強(qiáng)果蔬的呼吸作用,加速成熟和衰老過程,不利于果蔬貯藏保鮮[19]。如圖7所示,三組貯藏環(huán)境中乙烯含量均先增加后下降,CK組乙烯含量在第6 d達(dá)到峰值,CPT及CPT結(jié)合加濕處理組第6 d時(shí)的乙烯含量比對照組下降77.78%和86.67%,且在貯藏期間內(nèi)這兩組的乙烯含量整體低于CK組。這是由于介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的低溫等離子體可以降解香蕉貯藏環(huán)境中的乙烯[19-20],減緩香蕉呼吸強(qiáng)度,降低香蕉腐敗變質(zhì)速度。CPT結(jié)合加濕處理組乙烯含量略低于CPT組,推測是CPT結(jié)合加濕處理組維持了盒內(nèi)較高相對濕度,水分子受到高能電子的作用而產(chǎn)生羥基自由基,羥基自由基與C2H2反應(yīng),一定程度提高了降解乙烯的效率[21]。

圖7 低溫等離子體對香蕉貯藏期間環(huán)境中乙烯含量的影響Fig.7 Effect of cold plasma on the ethylene content in the environment of banana during storage

2.5.2 低溫等離子體處理對環(huán)境中二氧化碳含量的影響 貯藏包裝中的二氧化碳含量反映了果實(shí)呼吸作用強(qiáng)度。如圖8所示,CK組二氧化碳含量積累程度最高,CPT組和CPT結(jié)合加濕處理組含量相對較低,說明CK組香蕉呼吸強(qiáng)度高于處理組,這可能是由于低溫等離子體可誘導(dǎo)果蔬氣孔減小[22],抑制了香蕉的呼吸作用。其中,在11 d之前,CPT結(jié)合加濕處理組CO2含量比CPT高。等離子體對CO2有分解的效果,然而CO2的分解隨著相對濕度的增加而降低,因?yàn)樗肿邮艿礁吣茈娮拥淖饔枚a(chǎn)生羥基自由基,與CO2分解的中間產(chǎn)物CO反應(yīng)生成新的CO2[23]。

圖8 低溫等離子體對香蕉貯藏期間環(huán)境中二氧化碳的影響Fig.8 Effect of cold plasma on the CO2 content in the environment of banana during storage

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究了低溫等離子體處理對減輕香蕉果實(shí)采后冷害程度的影響,結(jié)果表明:低溫貯藏12 d后,CPT與CPT結(jié)合加濕處理組失重率分別下降了42.43%(P<0.01)、49.53%(P<0.01),極顯著低于CK組；CPT及CPT結(jié)合加濕處理組第6 d時(shí)的乙烯含量相比對照組下降77.78%和86.67%。等離子體處理對香蕉果實(shí)食用品質(zhì)無顯著影響,CPT結(jié)合加濕處理組的可溶性固形物、果皮硬度的維持效果最好。低溫等離子體可降解貯藏環(huán)境中的乙烯、降低二氧化碳含量,抑制香蕉呼吸強(qiáng)度,減緩腐敗速度。總體而言,CPT結(jié)合加濕處理組的香蕉,各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于CK組和CPT組。表明低溫等離子體處理未來可能成為減輕香蕉及熱帶果實(shí)采后冷害的一種新途徑,該方法的作用機(jī)理和最優(yōu)工藝參數(shù)還有待深入研究。