趙松松 韓馨儀 劉斌 關文強 戴泉玉 李靜紅 張蕊

摘要： 低溫貯藏技術是一種有效且應用廣泛的食品保鮮方法，但貯藏溫度降低會引發(fā)冷敏型水果細胞組織不可逆的損傷，發(fā)生冷害并導致水果變質(zhì)，造成大量經(jīng)濟損失。為此，提出一種健康安全的磁場抑制冷害的物理處理方法具有重要意義。通過COMSOL建立三維電磁線圈模型，模擬的磁感應強度值（I=3 A，B=0.010 35 T）與實測結(jié)果吻合，誤差僅為10.7%。聯(lián)合冷藏技術和電磁生物效應，構(gòu)建一種低溫電磁保鮮系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)開展交變磁場抑制香蕉冷害試驗研究及機理分析。結(jié)果表明，在香蕉低溫（溫度6 ℃，相對濕度85%）貯藏中，相比對照組，交變磁場連續(xù)處理組（AMCT）與間歇處理組（AMIT）的呼吸強度、多酚氧化酶（PPO）活性和冷害程度明顯降低，其中AMCT處理組色差、丙二醛（MDA）含量指標優(yōu)勢明顯，抑制冷害效果最佳。

關鍵詞： 交變磁場;仿真;冷害;電磁效應;香蕉

中圖分類號： TS255.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-4440（2021）03-0739-07

Mechanism analysis on the action of alternating magnetic field in inhibiting chilling injury of bananas

ZHAO Song-song1， HAN Xin-yi1， LIU Bin1， GUAN Wen-qiang1， DAI Quan-yu2， LI Jing-hong2， ZHANG Rui3

（1. Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology/International Center in Fundamental and Engineering Thermophysic/Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China;2.China Rural Technology Development Center， Beijing 100045， China;3.Hua Shang International Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100069， China）

Abstract： Cryopreservation technology is an effective and widely used method for food preservation， but the decrease of storage temperature of cold-sensitive fruits will cause irreversible damage to fruit cells and tissues， which will cause chilling injury and deterioration of fruits， and result in much economic loss. Therefore， it is of great significance to propose a healthy and safe physical treatment method for chilling injury suppression by magnetic field. A three dimensional electromagnetic coil model was established by COMSOL， and the simulated magnetic induction intensity values （I=3 A， B=0.010 35 T） were consistent with the measured results， with an error of only 10.7%. Combined with refrigeration technology and electromagnetic biological effect， an electromagnetic fresh-keeping system with low temperature was constructed， study on inhibition effect of alternating magnetic field on chilling injury of bananas and mechanism analysis were carried out based on the system. The results showed that， during cryopreservation of bananas （the temperature was 6 ℃， the relative humidity was 85%）， the respiration intensity， polyphenol oxidase （PPO） activity and chilling injury degree under alternating magnetic field continuous treatment group （AMCT） and intermittent treatment group （AMIT） were obviously reduced compared with the control group. Compared with CK， the advantages of color difference and malonaldehyde （MDA） content of bananas under AMCT treatment were obvious， which showed the best inhibition effect on chilling injury.

Key words： alternating magnetic field;simulation;chilling injury;electromagnetic effect;banana

低溫貯藏是保持果蔬口感和營養(yǎng)品質(zhì)、延長采后水果和蔬菜保質(zhì)期最有效的方法之一[1-2]。但一些水果在采摘及采后加工過程中容易受低溫影響，造成果蔬冷害效應（Chilling injury， CI），香蕉、芒果、菠蘿等冷敏型熱帶水果受冷害影響更為明顯[3]。冷害效應會導致果蔬新陳代謝機制失調(diào)及細胞膜破損，使果蔬表皮與內(nèi)部出現(xiàn)凹陷、水漬斑塊、果肉干縮、褐變等冷害癥狀，甚至還會造成果蔬無法正常成熟、局部組織霉變、有異味等嚴重后果[4-5]。隨著低溫貯藏時間的延長，果蔬冷害效應逐漸出現(xiàn)，且當溫度升高時果蔬冷害癥狀表現(xiàn)得更加明顯，在一定程度上限制了低溫貯藏技術在果蔬保鮮的應用[6]。

香蕉是一種具有豐富營養(yǎng)且對人類健康具有藥用價值的水果，可在13 ℃溫度下貯藏21 d左右，但當溫度低于6 ℃時，香蕉就會發(fā)生冷害。冷害效應導致香蕉果皮出現(xiàn)延遲發(fā)育、褐變或出現(xiàn)黑色斑點，甚至導致果實成熟軟化失敗的現(xiàn)象，造成香蕉品質(zhì)下降[7]。引發(fā)冷害的主要原因是，在冷脅迫下細胞膜膜酯由流體液晶相過渡到剛性凝膠固相，從而引起果實初級和次級代謝發(fā)生重大變化[8]。從生理學角度看，不適當?shù)睦鋮s會引起細胞膜代謝紊亂，導致活性氧（ROS）過度積累，最終導致細胞損傷[9]。細胞膜不僅具有感知功能和屏障功能，還具有支持體內(nèi)生理代謝的作用。當遇到寒冷等極端環(huán)境時，植物必須調(diào)整膜成分以維持細胞器的功能。最近的研究結(jié)果表明，當溫度降低時，細胞膜的液體變少。為了保持膜的正常流動性，細胞膜膜脂的不飽和程度增加[10-11]。此外，冷卻可誘導細胞氧化，導致過量ROS產(chǎn)生，引起氧化應激[12]。因此，細胞膜的主要成分被破壞，最終導致氧化損傷，造成果蔬冷害[13]。由此，研究人員廣泛嘗試了多種方法以緩解冷害效應，如利用多胺類化合物[14]、水楊酸[15]與茉莉酸[16]等植物生長調(diào)節(jié)劑、褪黑素[17]及外源性孕激素[18]等生化方法以及利用熱水處理[19]、超聲波技術[20]及磁場加工處理[21]等物理方法。其中利用物理方法進行果蔬處理更加安全健康，更有研究結(jié)果表明，磁場處理不僅能維持細胞膜膜酯穩(wěn)定，還能利用磁場線圈的微熱效應減緩環(huán)境冷脅迫，有效緩解果蔬受冷害的影響。

食品磁場加工技術利用外部磁場環(huán)境改變生物體自身電磁性質(zhì)，進而對整個生命體造成生理特性上的影響。由于其物理特性及對食品品質(zhì)的保鮮作用，近年來磁場加工技術在食品領域發(fā)展迅速，應用廣泛。研究結(jié)果表明，低強度磁場處理有助于穩(wěn)定細胞膜結(jié)構(gòu)，降低膜通透性和水分損失，持續(xù)處理可以有效保持果蔬硬度，延緩果蔬色澤改變等，對生物體組織電解質(zhì)、分子組成結(jié)構(gòu)以及細胞膜膜脂、蛋白質(zhì)等微觀結(jié)構(gòu)電磁性質(zhì)造成影響，增強抑制氧化酶活性，減少氧化產(chǎn)物積累從而高效維持果蔬新鮮品質(zhì)[22-24]。此外，磁場處理還具有抑制腐敗菌繁殖、延緩果蔬后熟的功效，進一步提高果蔬的保鮮品質(zhì)，同時兼具運行能耗小、實驗裝置易于實現(xiàn)等優(yōu)點，應用前景廣泛[25]。但以往磁場處理研究多集中在果蔬品質(zhì)保鮮方向，探究磁場抑制貯藏期間果蔬冷害機理的報道較少。為此利用磁場作用抑制果蔬冷害以提高果蔬保鮮品質(zhì)，并對抑制作用機理進行研究分析具有重要意義。本研究依據(jù)電磁生物學效應，選用具有明顯電磁生物效應、殺菌抑菌作用顯著且具有微弱電磁熱效應的低頻交變磁場開展試驗，利用不同的處理方式，對比磁場連續(xù)處理與間歇處理對貯藏期間香蕉保鮮效果的差異性，并對磁場抑制冷害作用機理進行探究分析。

1 低溫電磁保鮮系統(tǒng)

低溫電磁保鮮系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)、冷藏庫、電磁處理系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成（圖1）。其中電磁處理系統(tǒng)由赫姆霍茲線圈、穩(wěn)壓交流電源以及特斯拉計等設備構(gòu)成。依據(jù)Biot-Savart定律，赫姆霍茲線圈電磁場沿y軸方向的磁性參數(shù)計算如公式 1所示：

B=Iφ0nr22r2+y+r223/2+Iφ0nr22r2+r2-y23/2

ω=B22φ

（1）

式中：φ0是真空磁導率（4π×10-7N/A2）;n是線圈匝數(shù)（600）;I是導線電流（A）;r是線圈有效半徑（m）;ω是磁能密度（J/m3）;B是磁感應強度（T）;φ是生物組織磁導率（H/m）。

為構(gòu)建適宜強度的磁場設計參數(shù)，使用COMSOL 5.0 軟件繪制三維赫姆霍茲線圈磁場發(fā)生器的物理模型（線圈內(nèi)徑：300 mm;線圈外徑：420 mm;線圈間距：130 mm;線圈厚度：50 mm），建立網(wǎng)格劃分后，添加磁場，計算穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，模擬結(jié)果顯示：當磁場發(fā)生器輸入電流為3 A時，仿真中心區(qū)域（0，0，0）磁感應強度達1.035×10-2 T，磁能密度為41.2 J/m3，線圈磁場發(fā)生器中心位置能夠產(chǎn)生均勻磁場，能夠保證電磁生物學效應與磁感應強度參數(shù)之間量化研究結(jié)果精確。試驗測試數(shù)據(jù)顯示：通入3 A電流時，磁場中心（0，0，0）位置的磁感應強度為9.24×10-3 T，相比模擬數(shù)據(jù)（1.035×10-2 T）吻合度較高，其誤差為10.7%。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

新鮮青蕉（品種：齊尾）在南方某果園人工采摘，香蕉成熟度為80%，未用乙烯或乙烯利處理，冷藏運送至實驗室。選擇尺寸大小一致（果指長約150 mm，直徑約40 mm）、形狀均勻、無外部破損、無蟲害的香蕉，隨機分為3組，每組6根。3組香蕉分別設置無處理（對照組CK），交變磁場強度2.0×10-3 T+頻率60 Hz處理（交變磁場連續(xù)處理組AMCT）和上述相同強度及頻率下作用12 h+無磁場作用12 h的間歇處理（交變磁場間歇處理組AMIT）。然后將處理后的香蕉放置在冷藏溫度為（6.0±0.2） ℃、相對濕度為85.0%±3.0%的環(huán)境下貯藏，每間隔3 d取樣進行理化指標測量。試驗數(shù)據(jù)利用IBM SPSS Statistics 20.0 軟件進行分析。

2.2 測試指標

2.2.1 失質(zhì)量率

用質(zhì)量變化表征失質(zhì)量率，使用上海精科JA500N電子天平（最大承質(zhì)量0.5 kg，精度值0.001 g）稱質(zhì)量，每組選取6根香蕉稱質(zhì)量，并根據(jù)公式（2）計算失質(zhì)量率，每組質(zhì)量測量3次取平均值。

△m=m0-mnm0×100%（2）

式中：△m是失質(zhì)量率;m0是香蕉初始質(zhì)量;mn是香蕉第n d的質(zhì)量。

2.2.2 呼吸強度 利用紅外二氧化碳氣體分析儀（型號：JFQ-3150L）根據(jù)循環(huán)氣流法測量呼吸速率，每次選取2根香蕉放置在試驗測量容器中，測試30 min，記錄測試前后密閉容器中的二氧化碳濃度，試驗數(shù)據(jù)選取3次試驗的平均值。其計算方法見公式（3）：

U=C-C01 000 000×V×1 00022.4×44m×T（3）

式中：U是呼吸速率，mg/（kg·h）;C、C0是樣品和容器的氣體質(zhì)量分數(shù)，mg/kg;V是封閉容器體積，m3;22.4是氣體摩爾體積，L/mol;44.0是CO2摩爾質(zhì)量，g/mol;m是樣本質(zhì)量，kg;T是反應進行時間，h。

2.2.3 色差 選取外皮顏色相似的6根香蕉，每間隔2 d測量1次色差變化，利用色差計WSC-S（穩(wěn)定性：△Y≤0.6）亨特（L，a，b）表色系統(tǒng)根據(jù)公式（4）計算色差值。

△E=（L-Lint）2+（a-aint）2+（b-bint）2（4）

式中：△E是亮度差值;L是亮度值;a是紅綠度值;b是黃藍度值;角標int表示標準色差參照值。

2.2.4 多酚氧化酶（PPO）活性測定 稱取340 mg聚乙二醇6000、4 g聚乙烯吡咯烷酮，取1 ml TritonX-100，用0.1 mol/L、pH值為5.5的乙酸-乙酸鈉緩沖液溶解稀釋到100 ml，獲得提取緩沖液。將5.0 ml提取緩沖液和1.0 g香蕉果肉樣品混合后離心處理10 min，將4.0 ml乙酸-乙酸鈉緩沖液和1.0 ml鄰苯二酚溶液在試管中混合后加入100 μl酶提取液。測量紫外分光光度計在420 nm波長下溶液吸光度。測量6次取平均值，根據(jù)公式（5）計算PPO活性。

△OD420=OD420″-OD420′T″-T′

U=△OD420×VVx×m（5）

式中：△OD420是吸光度變化值;OD420″是反應混合溶液吸光度終止值;OD420′是混合溶液吸光度初始值;T″和T′分別是反應終止時間和初始時間;U是酶活性單位;V和Vx分別是制備及參與反應的樣本提取溶液體積;m是樣本質(zhì)量。

2.2.5 丙二醛（MDA）含量測定 量取1 g香蕉果肉與5 ml三氯乙酸混合，離心處理后取2 ml上清液加入硫代巴比妥酸溶液，混合煮沸后，利用紫外分光光度計（UV759）分別在450 nm、532 nm和600 nm波長處測定溶液吸光度。取6個樣本的平均值作為試驗數(shù)據(jù)進行分析。MDA含量的計算見公式（6）：

C=[6.45（OD532-OD600）-0.56×OD450]×Vb×VcVa×m×1 000（6）

式中：C是反應測試物丙二醛濃度;OD450、OD532、OD600分別是450 nm、532 nm和600 nm波長處的吸光度;Va、Vb、Vc分別是測定時所取的提取液體積、樣品提取液總體積、反應液總體積;m是樣品質(zhì)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同電磁處理方式對香蕉失質(zhì)量率的影響

由圖2可知，未加磁場處理（CK）、磁場持續(xù)處理（AMCT）和磁場間歇處理（AMIT）的香蕉失質(zhì)量率均隨貯藏時間延長升高。與對照組相比，經(jīng)磁場處理過的香蕉果實失質(zhì)量率均有所降低。并且隨著貯藏時間的延長，磁場處理對降低果實失質(zhì)量率的影響更加明顯。貯藏7 d時處理組間的失質(zhì)量率無明顯差異（P>0.05）。貯藏第10 d時，AMIT組香蕉失質(zhì)量率顯著低于CK組、AMCT組（P<0.05）。試驗結(jié)果表明，香蕉在低溫貯藏期間交變磁場處理能夠有效維持果實含水率，抑制失質(zhì)量率升高。且不同磁場處理方式效果差異明顯，交變磁場間歇處理組效果優(yōu)于連續(xù)處理組，原因可能是在磁場作用下組織細胞內(nèi)的極性水分子發(fā)生持續(xù)細小振動，阻礙果蔬細胞水分遷移，對失質(zhì)量率產(chǎn)生抑制作用，與此同時水分子的持續(xù)振動也會造成能量變化發(fā)生微熱效應，緩解香蕉低溫冷害，但長時間的熱效應會促進水分遷移。在熱效應方面，不同電磁處理工藝導致香蕉水分子振動時間存在差異，其中間歇處理組振動時間減少50%，導致熱效應也降低約50%，因此熱效應導致的水分散失作用也相應降低。此外，失質(zhì)量率變化也可能與細胞膜酯排列有關。細胞膜在磁場環(huán)境中，膜中的雙層極性脂質(zhì)有序緊密分布，這減少了細胞內(nèi)水分擴散到細胞外，細胞內(nèi)自由水比例降低導致細胞間隙與環(huán)境之間的擴散力降低，從而減少自由水向環(huán)境中擴散，抑制失質(zhì)量率的升高[26]。

3.2 不同電磁處理方式對香蕉呼吸強度的影響

呼吸強度是表征采后果蔬營養(yǎng)消耗速率的重要指標。未加磁場處理、交變磁場連續(xù)與交變磁場間歇處理果蔬呼吸強度的變化情況如圖3所示。對照組與處理組呼吸強度大致呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，第4 d時呼吸強度達到峰值。除貯藏第10 d外，處理組與對照組呼吸強度均表現(xiàn)出明顯差異（P<0.05），其中除貯藏第1 d外，AMCT組呼吸強度最低，保鮮效果最好。貯藏第7 d AMCT組呼吸強度顯著低于CK組和AMIT組 （P<0.05），說明磁場連續(xù)處理相對更能減緩呼吸作用，減少果實營養(yǎng)損耗，原因可能是細胞膜在磁場環(huán)境下膜中的極性磷脂雙分子層排列更加整齊緊湊，且細胞膜表面水分子結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，形成一個穩(wěn)定的水化層，降低了靜電吸引力，從而降低細胞膜通透性，直接導致氧氣擴散至細胞的速率降低，影響呼吸作用效率[27]。由于交變磁場的間歇處理導致交變磁場間歇處理組無法持續(xù)保持細胞膜磁化狀態(tài)，隨著時間延長，細胞膜的磁化效果逐漸削弱，導致呼吸作用增強。

3.3 不同電磁處理方式對香蕉色差的影響

果蔬的外觀顏色是消費者是否選擇購買的重要參數(shù)。由圖4可知，隨貯藏時間延長，各組色差逐漸增大，其中AMCT組色差變化最小，CK組色差升高速率最快，處理組色差變化明顯小于對照組。貯藏第7 d開始，AMIT組和AMCT組色差值顯著低于CK組（P<0.05）。在整個貯藏期間，AMCT組始終保持最小的色差值，而CK組色差值最高。AMCT組維持香蕉果皮顏色效果最佳，原因可能是果蔬顏色與內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)的氧化程度密切相關，磁場處理對生物體抗氧化系統(tǒng)具有積極影響。電磁作用能夠促進細胞中葉綠素的合成或降低葉綠素酶活性，抑制香蕉顏色變化[28]。在色澤保持方面，電磁連續(xù)處理組優(yōu)于間歇處理組，原因可能在于，間歇處理組試驗過程中人工介入操作次數(shù)較多，由此導致的溫度波動及多次觸碰樣品更容易造成樣品表皮色澤變化;間歇處理組只有一半的時間進行磁場作用，而貯藏期間未處于磁場環(huán)境時，低溫可能會導致部分細胞葉綠素分解，不利于色澤維持，所以色差變化明顯。

冷害是一種影響果實外觀形態(tài)和果實采后冷藏品質(zhì)的生理紊亂現(xiàn)象。CK組在貯藏第4 d開始出現(xiàn)冷害癥狀，部分香蕉表面發(fā)生褐變，而AMCT組與AMIT組在貯藏第7 d部分樣本開始略微出現(xiàn)冷害癥狀，直至第10 d處理組冷害癥狀才表現(xiàn)明顯。結(jié)果表明，電磁處理能不同程度抑制香蕉冷害，其原因一方面可能是由于低頻交變磁場具有微弱熱效應，從而降低環(huán)境冷脅迫，減緩冷害效應;另一方面，交變磁場處理能夠增強細胞中抗氧化酶活性，提高分解有害產(chǎn)物的能力，減少有害代謝產(chǎn)物積累，有利于維持香蕉品質(zhì)[23]。

3.4 不同電磁處理方式對香蕉PPO活性的影響

PPO是一種氧化還原酶，主要用于催化形成色素物質(zhì)，外觀表現(xiàn)為淡黃至暗褐色，由此推測果蔬發(fā)生褐變可能多與PPO活性有關。如圖5所示，各組PPO活性在第4 d時均有大幅度增強，可能會導致色差明顯變化。隨后各處理的數(shù)據(jù)小幅下降，第10 d時再次升高。貯藏第7 d時，AMIT組PPO活性顯著低于CK組和AMCT組（P<0.05），CK組和AMCT組間差異不顯著（P>0.05）。研究結(jié)果表明，一定強度的交變磁場對PPO具有顯著的滅活作用[29-30]，這可能是由于含銅離子的輔基在交變磁場作用下產(chǎn)生構(gòu)象改變，導致PPO活性有所下降。

3.5 不同電磁處理方式對香蕉MDA含量的影響

MDA含量作為表征脂質(zhì)過氧化性的指標之一，可以用來反映病蟲害、冷害等病害的惡化程度[31-34]。由圖6可知，隨著貯藏時間增加，各組的MDA含量沒有出現(xiàn)持續(xù)增長趨勢。這可能是磁場作用增強抗氧化酶活性，導致MDA被酶類物質(zhì)分解，此外酸性環(huán)境也會導致MDA分解，減緩生物體內(nèi)有害產(chǎn)物的積累。貯藏第10 d時，CK組MDA含量最高，AMCT組MDA含量最低，且各組間差異顯著（P<0.05）。由此可見，2種磁場處理方式均能有效降低MDA含量，減緩有害產(chǎn)物積累，降低香蕉氧化程度。MDA含量還能間接表征磁場對細胞膜通透性及生物體抗氧化酶系統(tǒng)的影響。磁場作用對極性帶電離子（K+，Ca2+）產(chǎn)生影響從而影響膜電壓，當離子進行跨膜運輸進入細胞時，磁場作用導致細胞液電阻變大，電導率降低[35];也有學者指出，電磁作用重新有序排列了細胞膜極性脂質(zhì)雙分子層，使其結(jié)構(gòu)更加密實，從而抑制電解質(zhì)的外滲[36]。綜上，磁場作用對于降低果蔬MDA含量及電導率效果明顯，能夠減輕果蔬細胞結(jié)構(gòu)損傷，利于果蔬保鮮[37]。

4 結(jié)論

本研究基于冷藏技術和電磁生物學效應構(gòu)建低溫電磁保鮮系統(tǒng)，進而開展低溫電磁作用影響香蕉保鮮效果的試驗研究，聯(lián)合交變磁場對果蔬電磁特性的影響，探索了交變電磁連續(xù)與間歇處理對抑制低溫貯藏下香蕉冷害的作用機理。

1）基于COMSOL建立電磁場發(fā)生器仿真模型，構(gòu)建了果蔬電磁處理裝置，試驗測試結(jié)果顯示，當赫姆霍茲線圈電流為3 A時，磁場中心處磁感應強度為9.24×10-3 T，與仿真結(jié)果（1.035×10-2 T）的吻合度較高，其誤差僅為10.7%。

2）采用交變磁場連續(xù)處理（AMCT）與交變磁場間歇處理（AMIT）于6 ℃（冷害溫度）冷藏的香蕉，試驗結(jié)果顯示，AMCT與AMIT均能不同程度地降低PPO的活性，降低呼吸強度，抑制MDA的積累，從而達到降低冷害的效果。其中，AMCT的呼吸強度、色差及MDA含量最低，可能與其連續(xù)的微弱電磁熱效應及磁場強化抗氧化系統(tǒng)有關;相比AMCT，AMIT相對較小的熱效應，使其具有更低的失質(zhì)量率與PPO活性，然而其多變的處理環(huán)境并不利于保鮮品質(zhì)的提高。

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（責任編輯：陳海霞）