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[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]，以維持一段時間的呼吸作用。同時，這種呼吸代謝過程也會在果蔬體內(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，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消耗水平。針對不同果蔬的呼吸代謝特點，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]基于酶動力學(xué)模型[10]，建立了鮮切蘋果呼吸速率模型，試驗表明該模型對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)的呼吸特點建立了呼吸速率模型，試驗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，對于減少石榴損失，增加果農(nóng)收入具有積極意義。目前對于石榴果粒的保鮮報道較少，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，并對所建模型進(jìn)行表征和驗證，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，購自會理縣果園；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 半自動氣調(diào)保鮮包裝，上海炬鋼機械制造有限公司；OXYBABY M+手持氣體分析儀，上海眾林機電設(shè)備有限公司；XDHJ-5 次氯酸鈉消毒機，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，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 ℃。用包裝機對經(jīng)預(yù)冷處理的石榴果粒進(jìn)行普通包裝，每個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應(yīng)溫度4，8，15，23 ℃的環(huán)境下貯藏，柜內(nèi)相對濕度穩(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 種計算方法：密閉系統(tǒng)法[13-14]、滲透系統(tǒng)法[15-16]以及流動系統(tǒng)法[17-18]。

針對石榴果粒的呼吸特點，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?zāi)Ｐ蚚19]、化學(xué)動力學(xué)模型[20]、Langmuir 吸收理論、酶動力學(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，并對最優(yōu)模型進(jìn)行驗證。

1.5.1.1 經(jīng)驗?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)級數(shù)；β——O2的反應(yīng)級數(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 呼吸模型的驗證 為了確保模型的可用性，在模型建立后需要進(jìn)行試驗驗證。對試驗所得實測值與模型預(yù)測值作對比，比較兩者之間的絕對誤差和相對誤差，并進(jìn)行t 檢驗，通過差異性分析，對所建模型進(jìn)行驗證。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗結(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。從圖中還可以看出，溫度升高會導(dǎo)致石榴果粒呼吸作用增強，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 石榴果粒呼吸強度的變化 對密閉系統(tǒng)法的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各自的呼吸強度變化結(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又不能即時排出，導(dǎo)致整個密封系統(tǒng)形成一個低O2、高CO2的環(huán)境，相關(guān)研究報道果蔬在這樣的密封環(huán)境中呼吸作用會受到一定的抑制[21-22]。隨著貯藏時間的延長，呼吸強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，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，將果蔬呼吸分為3 個過程：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，對兩條曲線作拐點為零時的切線，得到的切點所對應(yīng)的時間點分別為果蔬O2消耗的休眠期起始點Od0以及CO2生成的休眠期起始點Cd0。果蔬休眠期的起始點：取氧氣消耗的休眠期起始點和二氧化碳生成的休眠期起始點的平均值，即：

式中：D0——果蔬進(jìn)入休眠期時的貯藏時間，h。

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

式中：Di——果蔬結(jié)束休眠期時的貯藏時間，h。

果蔬在衰亡初始點細(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，計算得到以O(shè)2和CO2表示的果蔬呼吸速率RO2、RCO2，對數(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?zāi)Ｐ?、化學(xué)動力學(xué)模型、Langmuir 吸收理論模型和酶動力學(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?zāi)Ｐ?，?為石榴果粒呼吸速率的化學(xué)動力學(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?zāi)Ｐ蚑able 1 The empirical models of pomegranate grain respiration

表2 石榴果粒呼吸化學(xué)動力學(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力學(xué)模型。在酶動力學(xué)模型中，競爭型酶動力學(xué)模型在低溫（4 ℃）時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力學(xué)模型，因此以競爭型酶動力學(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，需對模型進(jìn)行驗證以確保模型確實可用。對4 ℃條件下的競爭型酶動力學(xué)模型進(jìn)行驗證，將實測值與預(yù)測值作比較，并進(jìn)行差異分析，驗證結(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，實測值與預(yù)測值之間的絕對誤差在0.03～0.14 mL/（kg·h）之間，相對誤差在1.19%～5.45%之間，對實測值與預(yù)測值進(jìn)行t 檢驗，結(jié)果顯示實測值同預(yù)測值之間無顯著性差異。由圖4可看出實測值與預(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象，通過建立氣調(diào)休眠呼吸模型，對石榴果粒呼吸速率進(jìn)行預(yù)測，并對呼吸模型進(jìn)行表征和驗證。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。針對石榴果粒呼吸特點，提出了果蔬休眠期起始點和終止點的計算方法，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，并對該模型進(jìn)行驗證，實測值與預(yù)測值之間的相對誤差在1.19%～5.45%之間，吻合性較好，t 檢驗結(jié)果顯示實測值同預(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。