胡麗麗，牛麗影，李大婧，張鐘元，肖麗霞，魯茂林*

（1.揚州大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚州 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）

草莓富含沒食子酸、原兒茶酸、對羥基苯甲酸、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]，同時又是重要的呈色成分。然而食品在加工和貯藏過程中，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]，同時其含量和抗氧化活性也會降低[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。

草莓脯是近年來深受消費者喜愛的新型果干，它以新鮮或冷凍的草莓為原料，經(jīng)過硫處理、糖漬、烘干等工藝制成。在果脯加工中，有機酸、黃酮、膳食纖維、維生素等都會降低[6]。目前，在食品成分變化規(guī)律的研究中，動力學(xué)方程是一種重要的方法[7]，通過建立食品品質(zhì)指標變化模型，可用于預(yù)測貨架壽命[8]、研究色澤[9]、營養(yǎng)風(fēng)味成分[10,11]的變化機制等。但對于草莓脯在不同包裝和貯藏條件下酚類物質(zhì)降解動力學(xué)研究還較少。隨著草莓脯的需求量越來越大，現(xiàn)階段為改進草莓脯貯藏工藝并準確預(yù)測其貨架期，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)降解的動力學(xué)模型。

本文以草莓脯為研究對象，選取4、25 和37 ℃為試驗溫度，作為低溫、常溫和高溫貯藏環(huán)境[12,13]，測定草莓脯酚類物質(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間延長的含量變化，擬合各溫度和包裝方式下草莓脯酚類物質(zhì)降解的動力學(xué)，計算半衰期與反應(yīng)活化能，從而確定溫度和包裝對降解速率等動力學(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)測模型。結(jié)果將為提高草莓脯的品質(zhì)和延長貨架期提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

草莓購買于云南曲靖；挑選成熟度一致，無機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。

沒食子酸、乙醇、Folin 酚、碳酸鈉均為分析純，購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司

1.2 儀器與設(shè)備

UV-6300 型分光光度計，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 臺式高速冷凍離心機，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[14-16]。將制作好的草莓脯分別進行真空避光、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 ℃下進行貯藏。

1.4 草莓脯中酚類物質(zhì)的測定

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。

樣品測定：吸取1 mL 測定液，參考Kalt[17]的方法，測定吸光度，實驗重復(fù)3 次。

2 動力學(xué)方程分析

2.1 酚類物質(zhì)降解的動力學(xué)模型

為確定草莓脯貯藏過程中酚類物質(zhì)降解的規(guī)律，用零級和一級模型來描述草莓脯在貯藏過程中酚類物質(zhì)的動態(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——時間，h。

2.2 反應(yīng)半衰期

當樣品初始品質(zhì)指標下降1/2 時，所需時間t1/2為反應(yīng)的半衰期[10]。

由（1）式可得，零級反應(yīng)的半衰期為：

由（2）式可得，一級反應(yīng)的半衰期為：

2.3 Arrhenius 方程[19,20]

將式（3）兩邊同時取對數(shù)，可得：

式中：

Ea——活化能，kJ/mol；

R——氣體常數(shù)，8.314×10-3kJ/(mol·K)；

T——絕對溫度，K；

A——指前因子，h-1。

2.4 預(yù)測模擬方程及驗證試驗

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

式中：

Ea——活化能，kJ/mol；

R——氣體常數(shù)，8.314×10-3kJ/(mol·K)；

T——絕對溫度，K；

A——指前因子，h-1。

通過在4、25、37 ℃貯藏的驗證試驗，得出Arrhenius 方程動力學(xué)模型預(yù)測值與真實值之間的平均相對誤差率和相關(guān)系數(shù)，判斷模型的有效性。

3 結(jié)果與討論

3.1 包裝方式對草莓脯貯藏過程中酚類物質(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行貯藏，由圖1 所示，隨著貯藏時間的增加，酚類物質(zhì)的含量都呈下降趨勢。貯藏一個月后不同包裝材料的酚類物質(zhì)含量與貯藏開始時的含量呈顯著差異（p＜0.05）。因酚類物質(zhì)對熱呈現(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，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%，這可能是因為真空包裝可以減少氧氣的進入，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間的增加，酚類物質(zhì)的含量都呈下降的趨勢，可能是由酚類物質(zhì)對熱不穩(wěn)定性引起的，與陳一等[24]研究的小米中酚類物質(zhì)會隨貯藏時間和貯藏溫度的增加而顯著降低的結(jié)果相似。Kalt 等[25]也報道了蘋果中的酚類物質(zhì)在5 ℃的條件下貯存6 個月后，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)級數(shù)

分別假設(shè)草莓脯中酚類物質(zhì)的降解符合零級和一級動力學(xué)，計算出不同包裝和溫度下酚類物質(zhì)在相應(yīng)級數(shù)下的降解速率，將數(shù)據(jù)進行線性回歸，并得到回歸系數(shù)，結(jié)果如表1 所示。在一定溫度下，通過比較各級反應(yīng)的降解速率常數(shù)k 值來比較降解反應(yīng)的快慢；通過比較各級反應(yīng)的相關(guān)系數(shù)R2來推斷反應(yīng)級數(shù)，R2較高的說明反應(yīng)符合此級數(shù)。如表1 所示，一級動力學(xué)的回歸系數(shù)均大于零級動力學(xué)，說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)的降解均符合一級動力學(xué)規(guī)律。有研究表明食品使用不同包裝方式貯藏過程中其營養(yǎng)成分的變化大多都符合一階動力模型[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)為隨貯藏時間和溫度的增加，降解速率增加。對于同一種包裝方式，酚類物質(zhì)的降解速率則表現(xiàn)為37 ℃＞25 ℃＞4 ℃，以一級動力學(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)在貯藏過程中隨著溫度和時間的增加，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 ℃貯藏過程中酚類物質(zhì)降解的半衰期。對于同一種包裝材料，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)的動力學(xué)降解時發(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，真空避光的半衰期比其余包裝方式更長，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)降解的一級反應(yīng)線性圖和動力學(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反應(yīng)速率常數(shù)k，根據(jù)阿倫尼烏斯方程，對一級反應(yīng)速率常數(shù)的對數(shù)Lnk 與貯藏溫度的倒數(shù)1/T 進行線性回歸分析，分別求得其Ea 和A。通常認為化學(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，說明真空避光包裝的草莓脯貯藏過程中酚類物質(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描述溫度對動力學(xué)常數(shù)的影響，幫助解釋酚類物質(zhì)降解的機理[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)的降解速率會加快。四種包裝方式中，真空避光包裝的ΔH 最大，說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)測模型及驗證

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)降解的一級動力學(xué)模型；式（9）為真空透光包裝的草莓脯酚類物質(zhì)降解的一級動力學(xué)模型；式（10）為非真空避光包裝的草莓脯酚類物質(zhì)降解的一級動力學(xué)模型；式（11）為非真空透光包裝的草莓脯酚類物質(zhì)降解的一級動力學(xué)模型，通過上述模型可以計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]。為了驗證建立的草莓脯酚類物質(zhì)降解動力學(xué)模型的有效性，試驗分別選取4、25、37 ℃進行了驗證試驗，用3.5 中方程式分別預(yù)測在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。對表中的預(yù)測值和實測值進行相關(guān)性分析，實測值和預(yù)測值的決定系數(shù)分別為0.9125 和

表5 草莓脯貯藏過程中酚類物質(zhì)降解動力學(xué)模型驗證試驗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)降解的一級動力學(xué)模型有效，可以用于預(yù)測特定時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)測草莓脯貯藏期。

4 結(jié)論

通過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，說明了光照和氧氣對酚類物質(zhì)有一定程度的影響。通過進行動力學(xué)分析，四種包裝方式的草莓脯中酚類物質(zhì)的含量均符合一級動力學(xué)模型。本研究結(jié)果可為優(yōu)化草莓脯貯藏工藝、有效控制貯藏過程中酚類物質(zhì)的損失提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。