白靜怡,雷婷婷,錢靜,2*
1(江南大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 無錫,214122)2(江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室,江蘇 無錫,214122)
新鮮水果和蔬菜的采后階段旨在延長其貨架期,保持食品的感官和營養(yǎng)品質(zhì)。多個因素都會影響果蔬采后品質(zhì),其中,呼吸作用和蒸騰作用等生化過程起到主要作用[1]。
目前微孔氣調(diào)包裝應(yīng)用廣泛,其通過控制包裝薄膜上微孔的直徑和數(shù)量調(diào)節(jié)透氣性[2],但在調(diào)節(jié)O2和CO2含量的同時很難兼顧對包裝內(nèi)濕度的調(diào)節(jié),因為這種包裝袋一般透濕性較低[3],易造成包裝內(nèi)水蒸氣飽和,在貯藏環(huán)境溫度發(fā)生波動時,水蒸氣就會冷凝成水滴,從而導(dǎo)致有害微生物的滋生,加速果蔬的腐爛[4]。
為了實現(xiàn)對包裝內(nèi)濕度的調(diào)節(jié),避免果蔬過度失重同時出現(xiàn)凝水,可以采用對塑料包裝薄膜打孔的方法,如SOUSA-GALLAGHER 等[5]和陳守江等[6]根據(jù)fick擴散模型得出薄膜開孔面積與袋內(nèi)相對濕度的關(guān)系,利用計算結(jié)果將開孔面積控制到一定的范圍,使包裝內(nèi)形成適于果蔬保鮮的相對濕度條件,降低了草莓和雙孢菇的腐敗率。但其包裝因開孔面積較大,無法對包裝內(nèi)氣氛進(jìn)行調(diào)控。同時有研究通過使用透濕率較高的生物降解薄膜減少冷凝水產(chǎn)生,如BELAY等[7]研究得出natureflex貼窗bopp薄膜較好地保持了石榴皮的質(zhì)量,減少細(xì)菌地產(chǎn)生,在10 ℃環(huán)境中石榴果實貨架期達(dá)到9 d;MISTRIOTIS等[8]研究得出使用聚乳酸(polylactic acid,PLA)薄膜可降低圣女果在貯存期的腐敗率。但選用薄膜種類和面積都是經(jīng)驗性的,缺乏理論指導(dǎo)。
因此,開發(fā)一種應(yīng)用于微孔膜的濕度調(diào)節(jié)模型具有重要意義。本課題旨在根據(jù)菲克擴散定律對微孔膜內(nèi)水分和氣氛變化進(jìn)行模型建立,確定平衡氣氛與微孔直徑的關(guān)系及薄膜面積與包裝內(nèi)相對濕度的關(guān)系,利用模型確定微孔直徑和數(shù)量與薄膜面積,使包裝內(nèi)形成適于果蔬保鮮的氣氛及相對濕度條件,從而更好地保持果蔬的品質(zhì)。
水果呼吸會導(dǎo)致包裝內(nèi)O2減少、CO2升高,果蔬呼吸速率可由米氏方程得出[9],計算如公式(1)和公式(2)所示:
(1)
(2)
式中:RO2、RCO2,O2的消耗速率和CO2的生成速率,m3/(kg·h);[O2]i,包裝內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù),%;[CO2]i,包裝內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù),%;Vm1、Vm2,果蔬O2、CO2最大呼吸速率,m3/(kg·h);Km1、Km2,O2、CO2的米氏常數(shù);Ki1、Ki2,O2、CO2非競爭抑制系數(shù)。
基于Fick擴散定律的數(shù)學(xué)模型,結(jié)合薄膜滲透率、包裝薄膜微孔滲透率和果蔬呼吸速率,O2和CO2瞬時濃度變化計算如公式(3)和公式(4)所示[10]:
(3)
(4)
包裝頂空部分的總水分變化率(dMH2O/dt),是通過果蔬蒸騰速率(dMtr/dt)和包裝薄膜的水蒸氣滲透率(dMf/dt)得出,計算如公式(5)所示[11]:
(5)
基于fick擴散定律的數(shù)學(xué)模型,通過包裝薄膜向周圍滲透的水分速率計算如公式(6)所示[12]:
(6)
式中:DH2O,薄膜水蒸氣滲透率,g/(m·s·Pa);Pin,包裝內(nèi)水蒸氣壓,Pa;Pout,包裝外水蒸氣壓,Pa。
由于蒸騰作用和呼吸作用,新鮮農(nóng)產(chǎn)品在收獲后繼續(xù)失去水分,散發(fā)的呼吸熱計算如公式(7)所示[13]:
(7)
式中:Qs,果蔬呼吸熱速率,kJ/(h·kg);α,傳質(zhì)因子,0.95。
忽略包裝材料和外界的熱量傳遞,包裝內(nèi)熱平衡關(guān)系可表達(dá)為呼吸熱用于蒸發(fā)水離開組織和提高果蔬表面溫度,其計算如公式(8)所示[12]:
(8)
式中:λ,水的蒸發(fā)潛熱,kJ/kg;Ts,果蔬表面溫度,℃;Cs,果蔬比熱容,J/(kg·℃)。
應(yīng)用上述的模型用于調(diào)節(jié)氣氛和濕度包裝設(shè)計計算,需先作如下假設(shè):果蔬在其最適的冷藏條件下貯藏,貯藏溫度恒定、環(huán)境濕度恒定、包裝外由均勻分布的氣體組成[14]。
普通薄膜材料如聚丙烯(polypropylene,PP)和聚乙烯(polyethylene,PE)等,透濕率過小,若要達(dá)到理想相對濕度,所用薄膜面積會過大,所以應(yīng)該選用透濕率較大的薄膜材料如PLA、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)等[15]。
對于絕大多數(shù)的新鮮果蔬來說,水分活性(water activity,Aw)大多在65%~99%。當(dāng)薄膜面積過大時,包裝內(nèi)相對濕度會小于果蔬水分活性,從而加快果蔬蒸騰速率,因此,設(shè)置當(dāng)包裝內(nèi)相對濕度與水分活性相同時對應(yīng)的薄膜面積,為最小薄膜面積[16]。當(dāng)薄膜面積過小時,容易出現(xiàn)凝水,因此,設(shè)置當(dāng)包裝內(nèi)濕度為100%時對應(yīng)的薄膜面積,為最大薄膜面積[17]。
當(dāng)O2和CO2變化率為0時,現(xiàn)以O(shè)2為例,如公式(9)所示:
(9)
可得到在目標(biāo)O2濃度(X)下,O2變化率為0時的微孔直徑(dO2),同理可得到dCO2,最后d為dO2和dCO2的平均值。
當(dāng)包裝內(nèi)氣氛和相對濕度穩(wěn)定時,包裝頂空部分的總水分變化率為0,如公式(10)所示:
(10)
可得到此時包裝薄膜的面積,如公式(11)所示:
(11)
因此最大薄膜面積(Amax)、最小薄膜面積(Amin)的計算如公式(12)、公式(13)所示:
(12)
(13)
3.1.1 試驗材料
選用雙孢菇作為包裝內(nèi)容物進(jìn)行驗證實驗,雙孢菇購自無錫市周新市場,成熟度80%~90%。將其污泥根部去除,在(5±1) ℃預(yù)冷2 h,挑選大小均勻且菇體完整、外觀潔白、未開傘、無畸形的雙孢蘑菇為試驗材料[18]。試驗中使用的包裝材料性質(zhì)如表1所示。
表1 研究中使用的包裝材料的性質(zhì)Table 1 Properties of the packaging materials used in the study
3.1.2 儀器與設(shè)備
恒溫恒濕機,慶聲電子科技有限公司;頂空氣體分析儀,埃登威自動化系統(tǒng)設(shè)備;電子天平,梅特勒-托利多儀器;CR-400色彩色差儀,柯尼卡美能達(dá);溫濕度記錄儀,福蕓電子科技有限公司;阿貝折射儀,上海光學(xué)五廠;UV-1800紫外分光光度計,日本島津國際貿(mào)易公司;LC-LX-HR165A高速冷凍離心機,上海一恒科學(xué)儀器有限公司。
3.1.3 試驗方法
3.1.3.1 雙孢菇呼吸速率測試方法
雙孢菇采用密閉系統(tǒng)法測呼吸速率,分別稱取(100±1) g的雙孢菇,各自分別重復(fù)3個樣品,貯藏溫度為5 ℃、相對濕度為65%,將樣品放入1 500 mL的密封罐內(nèi),將開有一5 mm直徑的孔的蓋子密封蓋好,在5 mm的孔處貼上密封硅膠片,間隔一定時間,使用頂空氣體分析儀的針頭穿過硅膠片抽取0.5 mL的氣體樣品進(jìn)行分析,測密封罐內(nèi)的O2和CO2的濃度。根據(jù)公式(14)、公式(15)計算雙孢菇呼吸速率,試驗重復(fù)3次取其平均值[19]。
(14)
(15)
3.1.3.2 包裝內(nèi)氣體組分測定
每隔2 d測量包裝內(nèi)O2和CO2濃度,試驗重復(fù)3次取其平均值[19]。
3.1.3.3 失重率
以雙孢菇貯藏前質(zhì)量(m0)、與貯藏后質(zhì)量(m1)變化與貯藏前質(zhì)量的比值作為失重率。每組樣品每次測量取3個雙孢蘑菇,重復(fù)3次[20]。其計算如公式(16)所示:
(16)
3.1.3.4 亮度
采用色差計測量雙孢菇蘑菇子實體表面的亮度值,用L*表示。L*值越大,表示顏色越白,褐變越輕。每個處理隨意取3個雙孢蘑菇,每個雙孢蘑菇測3次,然后取其平均值[21]。
3.1.3.5 多酚氧化酶(polyphenol oxidase, PPO)活性
將蘑菇組織進(jìn)行冰浴研磨,取1 g蘑菇勻漿于5 mL磷酸緩沖液中(0.1 mol/L,pH 7.0),在12 000 r/min、4 ℃離心15 min后,收集上清液作為酶液。100 μL上清液與3.9 mL磷酸緩沖液和1 mL 0.7 mol/L鄰苯二酚混合?;旌虾罅⒓从米贤饪梢姺止夤舛扔嬙?20 nm處測定吸光度,每30 s記錄1次,共記錄5 min,以初始直線段的斜率計算酶活力。以反應(yīng)體系每克樣品每分鐘吸光度變化0.01為1個酶活力單位(U),結(jié)果以U/g表示[22]。
3.1.3.6 可溶性固形物
取20 g雙孢菇,冰浴研磨,紗布過濾,取濾液用折光儀測定。
3.2.1 雙孢菇呼吸速率表征
本文選用米氏方程表征雙孢菇的呼吸速率,得到公式(17)、公式(18)所示雙孢菇呼吸速率表達(dá)式(R2分別為0.972、0.95),由圖1結(jié)果表明,模型值與試驗值吻合度較高,即米氏方程可表征雙孢菇的呼吸速率。
(17)
(18)
圖1 雙孢菇O2消耗速率和CO2生成速率Fig.1 O2 consuming and CO2 producing rat of Agarious bisporus
3.2.2 微孔膜調(diào)節(jié)濕度包裝制備
根據(jù)現(xiàn)有研究表明,雙孢菇在5 ℃、相對濕度65%條件下的最佳貯藏氣體組分為2% O2、20% CO2[23],最佳貯存相對濕度在93%~100%。結(jié)合使用PLA薄膜參數(shù)、雙孢菇呼吸速率,由公式(9)、公式(12)、公式(13)得到n=4時、d=50 μm可以達(dá)到目標(biāo)氣氛,薄膜面積在442~553 cm2可達(dá)到目標(biāo)相對濕度。
依據(jù)上述微孔直徑和數(shù)量,采取機械打孔法,將直徑為50 μm的針在包裝袋表面均勻打孔。按照表2中所述方法制備包裝。
表2 試驗分組情況Table 2 Experiment groups
3.2.3 不同調(diào)濕包裝對雙孢菇貯藏期間袋內(nèi)氣體的影響
雙孢菇微孔膜包裝內(nèi)氣體濃度變化的實驗值與模型預(yù)測結(jié)果如圖2所示。對照組和mahp0組因為沒有微孔在貯藏初期快速達(dá)到無氧狀態(tài),同時CO2含量逐漸積累,最高達(dá)到30.2%。mahp組在4 d后O2保持在(5±2)%,CO2保持在(17±4)%,總體上模擬值與實驗值吻合度較高。
a-O2體積分?jǐn)?shù)變化;b-CO2體積分?jǐn)?shù)變化
3.2.4 不同調(diào)濕包裝對雙孢菇貯藏期間袋內(nèi)相對濕度的影響
在果蔬貯存期間,相對濕度對果蔬品質(zhì)變化影響較大。濕度過高會加速雙孢菇病理褐變,在低濕條件下雙孢菇失水較多、褐變嚴(yán)重。經(jīng)試驗檢測得雙孢菇含水率在93%左右[24],貯藏雙孢菇最適相對濕度為93%~100%。不同的包裝對袋內(nèi)相對濕度變化情況如圖3所示,由于貯藏初期包裝袋從室溫置入冰箱,袋內(nèi)濕度很快上升,特別是對照組和薄膜面積小的在置入冰箱后即接近于飽和,同時由于薄膜的擴散速率小,在隨后的貯藏期間袋內(nèi)濕度始終接近于飽和狀態(tài);mahp1組也因為薄膜面積較小,相對濕度在貯藏期間都處于飽和狀態(tài)。mahp2組因為設(shè)置合理的薄膜面積,包裝袋內(nèi)相對濕度在0~7 d保持在(98±2)%,在第7~第10天由于雙孢菇呼吸速率降低,相對濕度降至(95±1)%。mahp3組因為薄膜面積過大,在10 d貯藏期內(nèi)相對濕度在86%~95%。在貯藏期間,mahp0組與mahp2組相對濕度差異不顯著(P>0.05),mhap1組~mhap3組之間相對濕度差異顯著(P<0.05),表明包裝薄膜面積與相對濕度顯著相關(guān)。
圖3 貯藏過程中不同包裝相對濕度的變化Fig.3 Relative humidity change in packages
3.2.5 不同調(diào)濕包裝對雙孢菇貯藏期間失重率的影響
水分含量是衡量雙孢菇新鮮程度的重要指標(biāo)之一。當(dāng)失水率超過5%時雙胞菇會萎蔫變軟[6],新鮮程度下降。如圖4所示,對照組因為薄膜的低透濕率,在第10天失重率僅為0.95%,但包裝內(nèi)有較多的冷凝水,使雙孢菇表面發(fā)黏。PLA薄膜的高透濕率加快了雙孢菇的失重速率,mahp0組因無氧呼吸減少呼吸基質(zhì)消耗,在貯藏期間失重率略低于mahp2組,mahp3組在第10天失重率達(dá)到5.04%。mahp1組和mahp2組在10 d的失重率低于不被消費者接受的失重率閾值5%。mhap1組~mhap3組之間失重率差異顯著(P<0.05),表明包裝薄膜薄膜面積與失重率顯著相關(guān)(P<0.01)。
圖4 貯藏過程中不同包裝中失重率的變化Fig.4 Mass loss rate in different packages
3.2.6 不同調(diào)濕包裝對雙孢菇貯藏期間亮度的影響
色澤是感官評價雙孢菇品質(zhì)變化的重要指標(biāo),有研究得出L*為81.6時,雙孢菇貨架壽命達(dá)到終點[25]。貯藏期間對雙孢菇的褐變情況如圖5所示。亮度值隨貯藏時間均呈下降趨勢。對照組第6天雙孢菇表面發(fā)黏并且嚴(yán)重褐變,亮度值為80.97,到達(dá)貨架期終點。mahp0組因無氧條件導(dǎo)致雙孢菇褐變迅速,mahp1組因薄膜面積過小,包裝內(nèi)相對濕度過大,在第10天達(dá)到貨架期終點。mahp2組和mahp3組包裝內(nèi)相對濕度較低,亮度下降速度較慢,在10 d亮度值分別為83.48和85.59,貯藏時間內(nèi)亮度值都在可接受品質(zhì)。在貯藏期間,由于包裝內(nèi)含有較少的冷凝水,mahp0組與對照組雙孢菇亮度差異顯著(P<0.05),這表明PLA調(diào)濕包裝可顯著提高雙孢菇亮度。
圖5 貯藏過程中不同包裝中亮度的變化Fig.5 Whiteness value in different packages
3.2.7 不同調(diào)濕包裝對雙孢菇貯藏期間PPO含量的影響
PPO是引起雙孢菇褐變的主要原因之一。由圖6可知,貯藏過程中雙孢菇PPO活性主要呈上升趨勢,在10 d時,對照組PPO活性最高,達(dá)到490 U/g,mhap0組最低為377 U/g。在貯藏期間,因為對照組冷凝水較多,使雙孢菇褐變嚴(yán)重,mhap0組與ck組差異顯著(P<0.05),這說明PLA薄膜的調(diào)濕功能可以顯著抑制雙孢菇貯藏期間的PPO活性上升。在貯藏期間,因為mhap0組處于無氧呼吸狀態(tài),mhap2組與mhap0組之間差異顯著(P<0.05),表明微孔也可顯著抑制PPO活性上升。
圖6 貯藏過程中不同包裝中PPO活性的變化Fig.6 PPO activity in different packages
3.2.8 不同調(diào)濕包裝對雙孢菇貯藏期間可溶性固形物含量的影響
果蔬采后貯藏期間可溶性固形物的變化與果蔬失水、呼吸作用和淀粉酶水解等有關(guān)。由圖7可知,在貯藏期間,對照組可溶性固形物含量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,而mhap組呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在2 d時,對照組和mahp2組可溶性固形物含量分別達(dá)到5.25%、8%。這是因為貯藏前期mhap組包裝透濕性較強,導(dǎo)致雙孢菇水分蒸發(fā),使可溶性固形物含量不斷上升。而在4 d后,包裝內(nèi)相對濕度較為穩(wěn)定,呼吸作用占主導(dǎo)地位,使可溶性固形物含量不斷下降,這與CALEB等[16]對石榴籽的研究一致。mhap組之間差異顯著(P<0.05),這說明包裝內(nèi)相對濕度與可溶性固形物的變化顯著相關(guān)。
圖7 貯藏過程中不同包裝中可溶性固形物的變化Fig.7 Soluble solids in different packages
本文根據(jù)fick擴散定律對包裝內(nèi)氣體和相對濕度變化進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)微孔參數(shù)與平衡氣體濃度的關(guān)系,以及薄膜面積與袋內(nèi)相對濕度的關(guān)系??梢栽诒3止甙b內(nèi)氣氛的情況下,優(yōu)化并控制包裝內(nèi)的相對濕度條件。用40 μm厚的PLA袋對100 g雙孢菇進(jìn)行包裝并封口,在5 ℃,65%相對濕度條件下進(jìn)行貯藏,通過貯藏試驗對比多種薄膜面積包裝下包裝內(nèi)氣體組分、失重率、亮度、相對濕度、可溶性固形物和多酚氧化酶活性。模型計算得到適宜開孔參數(shù)(n=4,d=50 μm)和薄膜面積(442~553 cm2)。實驗結(jié)果表明,與其他組相比,使用根據(jù)模型計算得出的薄膜參數(shù)能夠使包裝內(nèi)達(dá)到合適氣氛和相對濕度,且在貯藏10 d內(nèi)失重率小于5%,顯著抑制雙孢菇的PPO活性,保鮮期可達(dá)12 d,實驗數(shù)據(jù)與模型預(yù)測值具有較高的吻合度,該方法對雙孢菇調(diào)節(jié)相對濕度和氣氛的包裝設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。