基于綠熟番茄果實L*值的番茄紅素含量預(yù)測模型建立

裴嬌艷，楊震峰，許 鳳，鄭永華*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，江蘇 南京 210095；2.浙江萬里學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315100)

基于綠熟番茄果實L*值的番茄紅素含量預(yù)測模型建立

裴嬌艷1,2，楊震峰2，許 鳳1,2，鄭永華1,*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，江蘇 南京 210095；2.浙江萬里學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315100)

為了研究綠熟番茄果實貯藏期間顏色和番茄紅素含量變化的關(guān)系，通過不同溫度下的貯藏實驗研究基于果實明度(L*值)的番茄紅素含量預(yù)測模型。將綠熟番茄果實貯藏在283.15、288.15、298.15K條件下，測定了果實L*值和番茄紅素含量的變化。采用指數(shù)函數(shù)和Gomportz函數(shù)分別對不同貯藏溫度下番茄果實L*值和番茄紅素含量進行曲線擬合，建立了果實L*值和番茄紅素含量與貯藏時間和貯藏溫度之間的動力學(xué)模型。實驗表明，指數(shù)函數(shù)和Gomportz函數(shù)分別對番茄果實L*值和番茄紅素含量的變化具有較高的擬合精度(R2＞0.95)。在Arrhenius動力學(xué)方程基礎(chǔ)上得到綠熟番茄果實貯藏期間L*值和番茄紅素含量變化的活化能(Ea)分別為48.09kJ/mol和67.06kJ/mol，復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.9644和0.9815。建立的基于果實L*值變化的番茄紅素含量的預(yù)測模型所獲得的番茄紅素預(yù)測值與實測值之間的平均相對誤差為8.74%，小于10%。這表明，在283.15～298.15K(10～25℃)的貯藏溫度范圍內(nèi)，可根據(jù)番茄果實采后L*值的變化對番茄紅素的含量進行預(yù)測。

番茄果實；明度；番茄紅素含量；動力學(xué)模型

番茄為躍變型果實，其成熟過程可以分為綠熟期、微熟期、半熟期、堅熟期和軟熟期5個過程[1]。綠熟期到微熟期的番茄果實已充分長成，物質(zhì)積累過程已完成，在貯藏中完成后熟過程，可以獲得接近在植株上成熟的品質(zhì)。所以，用于貯藏或長距離運輸?shù)姆褢?yīng)在這一時期采收。

番茄果實的顏色是評定其等級、衡量其質(zhì)量的重要指標之一[2]。番茄所含的色素有番茄紅素、類胡蘿卜

素、葉黃素及葉綠素等，各品種番茄的色澤，決定于各種色素的相對濃度和分布。一般番茄紅素含量越高，色澤愈紅。但顏色研究中色素成分的分析過程不僅煩瑣，而且不能給出人眼實際感覺到的顏色，很難令人滿意。目前，較多學(xué)者把果實蔬菜表面顏色的物理測試作為研究顏色變化的方法，其變化規(guī)律可利用動力學(xué)理論進行分析和研究[3-8]。汪琳等[9]研究了綠熟番茄采后成熟過程中果皮顏色的變化規(guī)律, 確定了色澤角、色澤比(a*/b*) 和明度(L*)等主要顏色指標變化的動力學(xué)模型，并設(shè)計了一個色澤角-時溫預(yù)測模型，用于預(yù)測和監(jiān)控果實采后貯藏品質(zhì)的變化；Lana等[10]采用圖像分析技術(shù)研究了貯藏溫度和采收成熟度對番茄果實RGB顏色參數(shù)的影響，建立了不同貯藏溫度和采收成熟度條件下番茄果實顏色的預(yù)測模型。但目前大部分的研究都集中在建立番茄果實采后顏色變化的動力學(xué)模型，而對綠熟番茄果實采后顏色變化與呈色物質(zhì)的相關(guān)性及其預(yù)測模型的研究卻少有報道。

本實驗通過研究貯藏在283.15、288.15、298.15K條件下綠熟番茄果實的L*值和番茄紅素含量變化的規(guī)律，應(yīng)用動力學(xué)模型建立基于番茄果實L*值變化的番茄紅素含量預(yù)測模型，旨在為建立番茄果實采后流通過程中品質(zhì)變化的評價系統(tǒng)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

番茄果實品種為“秀麗”，采自寧波飛洪生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司的生產(chǎn)基地。果實于綠熟期采收，采后2h內(nèi)運達實驗室。選擇大小均勻，成熟度相對一致，無病蟲害，無機械傷害的果實進行實驗。

1,2-二氯乙烷、碳酸鈉(均為分析純) 國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

754型紫外分光光度計 上海菁華科技儀器有限公司；DSHZ-300型多用途恒溫水浴振蕩器 江蘇太倉市實驗設(shè)備廠；GL-20G-Ⅱ型離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠；WSC-S型全自動測色色差儀 上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 材料處理和取樣方法

將挑選好的果實置于低溫下預(yù)冷24h后，用0.03mm厚的聚乙烯保鮮袋分裝，每4個番茄裝一袋，再用皮筋扎兩圈，切勿將口扎嚴。將分裝好的番茄置于283.15、288.15、298.15K的恒溫恒濕箱中貯藏，相對濕度控制在85%～95%。另設(shè)驗證實驗1組，貯藏在296.15K條件下。每個貯藏溫度均重復(fù)3次，每次重復(fù)80個果實。定期取樣測定果實顏色和番茄紅素含量。

1.2.2 果實顏色的測定

果實顏色采用自動色差計測定，用標準陶瓷板標定X = 76.74，Y = 81.07，Z = 80.89作為工作標準。測定CIE-Lab表色系中的L*值(明度，反映色澤的明度，從0～100變化，0是黑色，100是白色)，a*值(紅度，正值代表紅色，負值代表綠色)，b*值(黃度，正值代表黃色，負值代表藍色)。每次重復(fù)均從80個果實中隨機取4個果實，在果實赤道部位每隔120°取3點測定，結(jié)果取平均值[11]。

1.2.3 番茄紅素含量的測定

果實中番茄紅素含量的測定參照沈蓮清[12]的方法，并加以修改。每次重復(fù)均從80個果實中隨機取8個果實，在8個果實中隨機取200g果肉切成碎塊后勻漿，同時加入1g 碳酸鈉以中和細胞破碎時釋放出的有機酸。稱取15g果實勻漿于小三角瓶中，用3倍體積的1,2-二氯乙烷在55℃水浴振蕩，振蕩頻率為170r/min。提取1h后，12000×g離心10min，將提取后的殘渣用上述方法再提取2次，合并提取液定容至100mL，用紫外可見分光光度計測定485nm波長處的吸光度。每次測定重復(fù)3次。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理和模型擬合度分析

采用Origin7.5軟件進行數(shù)據(jù)處理分析，用Duncan氏多重比較進行不同溫度貯藏組間差異顯著性檢驗。線性擬合和回歸分析采用Matlab7.1軟件進行分析處理。模型的擬合準確度通過平均相對百分比誤差值來確定，其定義為：

式中：Ve、Vp分別為每次試驗的測試值和預(yù)測值；N為試驗次數(shù)。P＜10%，認為該模型的擬合度可以接受[13-14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同貯藏溫度下番茄果實 L*值和番茄紅素含量的變化

綠熟番茄采后果實顏色在貯藏期間發(fā)生了顯著的變化，由最初的綠色向微紅、粉紅、全紅轉(zhuǎn)變。由圖1A可知，隨著果實的后熟進程，綠熟期采收的番茄果實顏色逐漸向紅色轉(zhuǎn)變，果實顏色的明度(L*值)開始下降。貯藏溫度顯著影響綠熟番茄果實采后L*值的變化。在283.15～298.15K的范圍內(nèi)，貯藏溫度越高，果實L*值下降越快。298.15K貯藏20d后，果實L*值由最初的55.9下降到31.4，下降了43.8%，而在288.15K和283.15K條件下貯藏33d和39d的番茄果實L*值分別下降

了43.1%和33.6%。貯藏后期各溫度下番茄果實L*值下降減慢，這可能與轉(zhuǎn)色程度較高后果實紅色增加不明顯有關(guān)。

綠熟番茄果實后熟過程中番茄紅素含量的變化如圖1B所示。在283.15～298.15K的貯藏溫度范圍內(nèi)，果實中番茄紅素含量逐漸增加。貯藏前10d期間，果實中番茄紅素的合成較少，各溫度下番茄紅素含量差別不顯著。但10d后，果實開始轉(zhuǎn)色，果實中番茄紅素大量合成，番茄紅素含量迅速增加，此時貯藏溫度顯著影響果實中番茄紅素的積累。在本實驗溫度范圍內(nèi)，貯藏溫度越高，果實中番茄紅素的合成速度越快，番茄紅素含量的增加越明顯。298.15K貯藏20d后，果實中番茄紅素的含量為41.92 μg/g mf，含量增加了30倍，而在288.15K和283.15K條件下貯藏33d和39d的果實番茄紅素含量則分別增加了24.8倍和9.7倍。貯藏結(jié)束時，綠熟番茄果實全部轉(zhuǎn)紅變軟，但不同貯藏溫度下番茄紅素含量差異顯著，其中298.15K的含量最高為41.92 μg/g mf，288.15K和283.15K的次之，分別為34.63μg/g mf和14.35 μg/g mf。

2.2 L*值和番茄紅素含量變化的動力學(xué)模型

圖1 貯藏溫度對綠熟番茄果實L*值(A)和番茄紅素含量(B)的影響Fig.1 Effect of storage temperature on L value (A) and lycopene content (B) of mature green tomato fruits

根據(jù)不同貯藏溫度下番茄果實L*值和番茄紅素含量的變化規(guī)律，可以建立L*值和番茄紅素含量隨著貯藏時間變化的一級動力學(xué)模型。L*值變化是典型的指數(shù)形式[9]，故將貯藏期間L*值的變化進行指數(shù)函數(shù)曲線擬合，并利用Gomportz函數(shù)對番茄紅素含量的變化進行Gomportz曲線擬合[6,15-16]。擬合得到的不同貯藏溫度下L*值和番茄紅素含量變化的一級動力學(xué)模型的回歸方程、反應(yīng)速率常數(shù)(k)、決定系數(shù)(R2)見表1。

表1 不同貯藏溫度下綠熟番茄果實L*值和番茄紅素含量的動力學(xué)模型及參數(shù)Table1 Kinetics models and parameters for L value and lycopene content of mature green tomato fruits stored at different temperatures

由表1可知，不同貯藏溫度條件下擬合所得的L*值和番茄紅素含量一級動力學(xué)模型回歸方程的決定系數(shù)均大于0.95，這表明所得回歸方程具有很高的擬合精度，即實測值和模型的預(yù)測值具有較高的一致性。同時發(fā)現(xiàn)，生化反應(yīng)速率常數(shù)k隨著貯藏溫度的升高而增加。

圖2 綠熟番茄果實L*值(A)和番茄紅素含量(B)的Arrhenius曲線Fig.2 Arrhenius curves for L value (A) and lycopene content (B) of mature green tomato fruits

生化反應(yīng)速率常數(shù)k是溫度的函數(shù)，因此運用Arrhenius方程可以求得在283.15～298.15K貯藏溫度范圍內(nèi)，果實L*值和番茄紅素含量變化的反應(yīng)速率常數(shù)及反應(yīng)活化能。用L*值和番茄紅素含量的lnk對1/T分別

所做的Arrhenius曲線如圖2所示。復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.9644和0.9815，這表明本實驗選用的指數(shù)函數(shù)和Gomportz函數(shù)在建立果實L*值和番茄紅素含量變化動力學(xué)模型的過程中適用。

由Arrhenius方程計算得到貯藏期間番茄果實L*值和番茄紅素含量變化的活化能(Ea)分別為48.09kJ/mol和67.06kJ/mol。根據(jù)表1中不同貯藏溫度條件下擬合所得的動力學(xué)模型回歸方程和由Arrhenius方程計算得到的反應(yīng)速率常數(shù)可建立番茄果實L*值和番茄紅素含量變化的最終預(yù)測模型方程。

果實L*值變化的最終預(yù)測模型方程：

果實番茄紅素含量變化的最終預(yù)測模型方程：

(1)和(2)式中：L*為果實明度；C為果實番茄紅素含量(μg/g mf)；t為貯藏時間/d；T為貯藏溫度/K。下同。

2.3 L*值和番茄紅素含量變化的關(guān)系

方程(4)為在確定的貯藏溫度下，基于果實L*值變化的番茄紅素含量的預(yù)測方程。在番茄果實L*值和貯藏溫度已知的情況下，可以根據(jù)方程(4)預(yù)測出番茄果實中番茄紅素的含量。

2.4 預(yù)測模型驗證

為了驗證預(yù)測模型的準確性，利用建立的基于果實L*值變化的番茄紅素含量的預(yù)測方程對驗證實驗中貯藏在296.15K條件下的綠熟番茄果實中番茄紅素含量進行預(yù)測，并將預(yù)測值和實測值進行比較(圖3)。

圖3 296.15K條件下綠熟番果實茄番茄紅素實測值和預(yù)測值Fig.3 Plot of predicted versus measured values of lycopene content of green mature tomato fruits stored at 296.15 K

圖3 中驗證結(jié)果顯示，應(yīng)用本研究建立的基于果實L*值變化的番茄紅素含量的預(yù)測模型所獲得的番茄紅素含量預(yù)測值與實測值之間平均相對誤差P=8.74%，小于10%，預(yù)測值和實測值具有很高的一致性，說明模型的擬合精確度在可接受范圍之內(nèi)。因此，根據(jù)此模型可以快速可靠的預(yù)測283.15～298.15K(10～25℃)貯藏條件下綠熟番茄果實采后番茄紅素含量的變化。

3 結(jié) 論

在不同貯藏溫度下對綠熟番茄果實L*值和番茄紅素含量的變化及其規(guī)律進行研究。實驗結(jié)果表明：不同貯藏溫度下綠熟番茄L*值隨著貯藏時間的延長不斷下降，而果實中番茄紅素的含量則隨著貯藏時間的延長逐漸增加，且隨著貯藏溫度的升高，L*值的下降和番茄紅素的積累加快，符合一級化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型；采用指數(shù)函數(shù)和Gomportz函數(shù)分別對不同貯藏溫度下番茄果實L*值和番茄紅素含量進行曲線擬合，擬合所得的L*值和番茄紅素含量一級動力學(xué)模型回歸方程的決定系數(shù)均大于0.95。并由Arrhenius方程計算得到貯藏期間綠熟番茄果實L*值和番茄紅素含量變化的活化能(Ea)分別為48.09kJ/mol和67.06kJ/mol，復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.9644和0.9815，這表明本實驗選用的指數(shù)函數(shù)和Gomportz函數(shù)在建立果實L*值和番茄紅素含量變化動力學(xué)模型的過程中適用；本實驗建立的基于果實L*值變化的番茄紅素含量的預(yù)測模型所獲得的番茄紅素預(yù)測值與實測值之間的平均相對誤差為8.74%，小于10%。由此，在283.15～298.15K(10～25℃)的貯藏溫度范圍內(nèi)，根據(jù)番茄果實采后L*值的變化對番茄紅素的含量進行預(yù)測，可以判斷和實時監(jiān)控綠熟番茄采后的新鮮程度和品質(zhì)變化，更好地控制產(chǎn)品的商品性。

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Prediction Model, Based on L* Value, of Lycopene Content of Mature Green Tomato

PEI Jiao-yan1,2，YANG Zhen-feng2，XU Feng1,2，ZHENG Yong-hua1,*
(1. College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China；2. College of Biological and Environmental Sciences, Zhejiang Wanli University, Ningbo 315100, China)

A kinetic model was developed to predict the lycopene content as a function of the luminosity (L) of mature green tomatoes stored at different temperatures. The L value and lycopene content of mature green tomatoes stored at 283.15, 288.15, 296.15 K or 298.15 K were determined. The kinetic models of L value and lycopene content with respect to length of storage and storage temperature were developed based on exponential function and Gomportz function, respectively. The high regression coefficients (R2＞ 0.95) indicated the acceptability of the exponential function and Gomportz function for predicting the changes of L value and lycopene content in tomato fruits. Activation energies (Ea) and multiple correlation coefficients for L value and lycopene content were obtained based on the Arrhenius equation: 48.09 kJ/mol and 67.06 kJ/mol, 0.9644 and 0.9815, respectively. The average relative error between the predicted and measured values of lycopene content was 8.74% (within ± 10%). These results suggest that lycopene content in mature green tomato fruits stored at a storage temperature from 283.15 to 298.15 K may be accurately predicted based on L value.

tomato fruit；L value；lycopene content；kinetic models

TS255.3

A

1002-6630(2010)10-0296-05

2009-08-08

“十一五”國家科技支撐計劃重點項目(2006BAD30B03)；浙江省科技廳項目(2009C32086)

裴嬌艷(1984—)，女，碩士研究生，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工。E-mail：peijiaoyan84@163.com

*通信作者：鄭永華(1963—)，男，教授，博士，研究方向為果蔬貯運技術(shù)。E-mail：zhengyh@njau.edu.cn