低氧氣調包裝對新鮮香菇品質的影響

應麗莎，周曉慶，趙東方，張 敏*

(西南大學食品科學學院，重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶 400715)

近十年全球范圍內新鮮菇類的產量及消費量迅速增加，但是菇類的高呼吸速率及采后品質的迅速劣變給新鮮產品的分發和銷售帶來困難，新鮮菇類在室溫中貯藏1d就會出現開傘、變色、質地變軟等現象，降低了商品價值[1]。氣調包裝與低溫貯藏聯合使用是延長易腐產品貨架期的一種有效手段，氣調包裝通過使包裝袋內的產品處于一個適宜的氣體環境從而維持產品品質[2]。氣調中高濃度CO2和低濃度O2能減少香菇的呼吸速率、腐爛及生理變化[3]。低濃度O2使多酚氧化酶及抗壞血酸氧化酶等氧化酶活性降低，從而減慢了呼吸速率[4]，而高濃度CO2對呼吸的抑制作用則可能是通過反饋抑制作用或控制線粒體活性等方式實現[5]。包裝袋內過多CO2積累還會造成產品生理損傷，使香菇品質下降[6-7]。關于氣體比例及含量對產品品質的影響已被廣泛報道，而包裝袋內頂隙空間比率對香菇品質影響的研究較少，雷橋等[8]報道頂隙空間影響蘑菇的呼吸強度及呼吸峰出現時間。這可能是由于包裝袋的頂隙空間影響果蔬氣調包裝中氣體成分的變化速率。若頂隙空間過小，新鮮香菇旺盛的呼吸作用會促使包裝袋內氣體成分發生劇烈變化，尤其是CO2濃度的迅速增加極易造成低氧氣調包裝袋內的無氧環境。頂隙空間過大則會增加氣調包裝的體積，造成空間浪費，加大儲運成本。

有研究指出，氣調包裝系統若設計不合理，不僅會失去保護作用，還有可能縮短產品的貯藏期[9]。目前，低氧氣調包裝對新鮮食用菌采后品質的保護作用已被廣泛報道[10-11]，而低氧氣調包裝中O2、CO2、頂隙空間3者之間的交互作用對香菇品質的影響鮮有報道。響應面法(response surface methodology，RSM)以建模方式分析響應值(因變量)與處理因子(自變量)之間關系的技術手段，同時強調尋找使響應值最大或最小的特殊自變量組合[12]。本研究以新鮮香菇為原料，與消費者接受度有關的指標為研究對象進行氣體比例的單因素試驗，篩選出能滿足消費者接受度的單因素水平，然后分別選取3個水平梯度，利用響應面法分析各因素及其因素之間的交互作用對新鮮香菇酶活及營養品質的影響，進一步優化新鮮香菇低氧氣調包裝系統的參數。同時本研究也是為了探索響應面法在果蔬保鮮研究中的應用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮香菇 市購；鄰苯二酚、氫氧化鈉 重慶川東化工集團有限公司；聚乙烯吡咯烷酮、過氧化氫 成都科龍化工試劑廠；PEG6000、TritonX-100、葡萄糖 重慶北碚化學試劑廠；所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

MAP-500D氣調包裝機 上海炬鋼機械制造有限公司；UV-2450紫外-可見分光光度計 日本島津公司；GL-20G-Ⅱ高速冷凍離心機 上海安亭科學儀器廠；KjelFlex K-360全自動凱氏測氮儀 瑞士Buchi公司；UltraScan? PRO測色儀 美國HunterLab公司；TA.XT2i物性測定儀 英國 Stable Micro System 公司；HWS低溫恒溫恒濕箱 寧波東南儀器有限公司。

1.3 單因素試驗

1.3.1 氣調貯藏試驗設計

香菇當日運往實驗室預冷20h，隨機取樣并分裝于30μm厚的未拉伸聚丙烯(CPP)塑料袋中，每袋100g。袋內充入一定量混合氣體，保證頂隙空間占整個包裝容積的1/2。先進行O2單因素試驗，設置O2體積分數1%、5%、10%、15%、20%，其余氣體用N2填充。然后固定O2最佳體積分數，進行CO2單因素試驗，設置CO2體積分數為0%、10%、20%、30%，其余氣體用N2填充。包裝結束放入恒溫恒濕箱(4℃±1℃，相對濕度90%)貯藏并定期測定香菇貯藏期間呼吸強度及感官指標。

1.3.2 指標測定

呼吸強度測定：采用靜置法，參照肖功年等[13]方法；質量損失率測定：通過稱量貯藏前后包裝內容物的質量，以損失質量占起始質量的百分比表示；硬度測定：通過物性儀對子實體進行穿刺試驗，以其物性曲線的第1個最高峰值表示；白度值測定：通過測色儀以D65光源、10°觀察角測得，用L*值表示。

1.4 響應面試驗

1.4.1 響應面試驗設計

由單因素試驗可得出對香菇感官品質保護較好的O2和CO2體積分數。而果蔬氣調包裝中，頂隙空間越大，包裝袋內氣體成分變化越小[14]，氣調包裝系統越穩定，但是頂隙空間過大會加大包裝及儲運成本。故進一步以O2和CO2體積分數、包裝袋頂隙空間比率為自變量，滿足消費者可接受情況下，利用響應面法進行優化，分析O2、CO2和包裝頂隙空間之間的交互作用對香菇多酚氧化酶活性及營養品質的影響。

響應面法選用二次正交旋轉組合設計，使用Design-Expert 7.1.6軟件設計響應面試驗方案，于第26天進行品質測定，因素水平編碼見表1。

表 1 二次正交旋轉組合試驗因素水平編碼Table 1 Coding of factors and levels in quadratic rotation-orthogonal composite design

1.4.2 指標測定

1.4.2.1 多酚氧化酶(polyphenoloxidase，PPO)活性

參照Wang Chengtao等[15]方法。PPO活性以鄰苯二酚作為底物用分光光度法測定。取2g果蔬加入到5mL緩沖液中勻質，于4℃以12000×g離心30min，收集上清液即為酶提取液。100μL酶提取液與4.0mL 0.1mol/L、pH5.5乙酸-乙酸鈉緩沖液和1.0mL、50mmol/L鄰苯二酚溶液混勻，于420nm處連續測定5min，記錄反應體系在該波長下每分鐘吸光度的變化值。以每克果蔬樣品每分鐘吸光度變化值增加0.01為一個活性單位。

1.4.2.2 粗蛋白質量分數

參照國標GB/T 15673—2009《食用菌中粗蛋白含量的測定》。

1.4.2.3 總糖質量分數

參照國標GB/T 15672—2009《食用菌中總糖含量的測定》。

1.5 數據處理

使用SPSS 13.0軟件對指標進行單因素方差分析及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

不同O2、CO2體積分數對香菇貯藏期間質量損失率、硬度、白度及呼吸強度的影響見表2、3。由表2可知，5% O2處理組的香菇貯藏期間質量損失率最低，且硬度和白度值均大于同期其他處理組。試驗發現5%處理組的香菇在第6天出現呼吸高峰，而O2體積分數為1%、10%、15%、20%處理組的香菇在第4天已出現呼吸高峰，且呼吸峰值均高于5%處理組的最高峰值。

將O2固定為最佳體積分數5%，改變CO2體積分數，試驗發現20% CO2處理組的香菇呼吸高峰延緩到第6天出現，呼吸峰值為261.79CO2mg/(kg·h)，低于5% O2單因素處理(P＜0.05)。且20% CO2處理組香菇的質量損失率在前11d低于0%和30% CO2處理組(P＜0.05)，略高于10% CO2處理組，而硬度和白度值在整個貯藏期間均大于同期其他處理組。

表 2 不同O2體積分數對香菇質量損失率、硬度、白度及呼吸強度的影響Table 2 Effect of various oxygen concentrations on weight loss, hardness, whiteness and respiration rate of shiitake mushroom

表 3 不同CO2體積分數對香菇質量損失率、硬度、白度及呼吸強度的影響Table 3 Effects of various carbon dioxide concentrations on weight loss, hardness, whiteness and respiration rate of shiitake mushroom

2.2 響應面試驗

2.2.1 回歸模型建立及方差分析

將表4二次旋轉正交試驗結果數據通過數學模型采用多元回歸方法分別建立以PPO活性(Y1)、粗蛋白質量分數(Y2)、總糖質量分數(Y3)為指標的回歸方程，回歸方程如下：

對上述模型進行方差分析，結果見表5。方程失擬性檢驗不顯著(P＞0.05)，說明模型擬合程度較好。回歸模型F值檢驗達到極顯著水平(P＜0.01)，說明模型的預測值與真實值非常吻合，模型成立。模型(1)、(2)、(3)的調整確定系數R2Adj分別為0.9703、0.9045和0.9771，說明上述模型分別能夠解釋97.03%的PPO活性變化、90.45%粗蛋白質量分數變化及97.71%的總糖質量分數變化。

各因素的F值可以反映出各個因素對試驗指標的重要性，F值越大，表明對試驗指標的影響越大，即重要性越大[16]。由表5可知，影響香菇子實體PPO活性的因素主次順序為X3、X1、X2，其中X3、X1極顯著(P＜0.01)，X2顯著(P＜0.05)；影響香菇子實體粗蛋白質量分數的因素主次順序為X3、X1、X2，其中X1、X3極顯著(P＜0.01)，X2不顯著(P＞0.05)；影響香菇子實體總糖質量分數的因素主次順序為X3、X2、X1，其中X3極顯著(P＜0.01)，X1、X2不顯著(P＞0.05)。

表 4 二次正交旋轉組合設計試驗結果Table 4 Quadratic rotation-orthogonal composite design and corresponding experimental results

2.2.2 響應面交互作用分析

2.2.2.1 三因素對香菇PPO活性的影響

表 5 PPO活性、粗蛋白和總糖質量分數的二次響應面回歸模型方差分析Table 5 Analysis of variance of regression model for PPO activity, crude protein and total sugar content

圖 1 三因素對香菇體內PPO活性的影響的響應面和等高線圖Fig.1 Response surface and contour plots showing interactive effect of three factors on PPO activity in shiitake mushroom

香菇子實體多酚氧化酶活性與菌體褐變緊密相關，PPO催化酚類物質氧化變成無色醌，醌進一步聚合成黑色素類化合物[17-18]，使香菇發生酶促褐變。Kader[4]指出低體積分數氧氣(≥2%)使新鮮果蔬呼吸速率減少主要與子實體多酚氧化酶活性的下降有關。由圖1可知，固定頂隙空間，O2和CO2值的增加使PPO活性先降后升，并達到最低值。PPO活性最優點十分接近于O2體積分數4.5%和CO2體積分數19.5%。固定氣體體積分數，頂隙空間的增加使PPO活性逐漸降低。由表5可知，O2與CO2對香菇PPO活性的交互作用顯著(P＜0.05)。O2與頂隙空間對PPO活性的交互作用也達到顯著水平(P＜0.05)，而CO2與頂隙空間對PPO活性的交互作用不顯著(P＞0.05)。

2.2.2.2 三因素對香菇粗蛋白的影響

由圖2可知，固定頂隙空間，粗蛋白質量分數隨O2、CO2值的升高呈現先升后降的趨勢，在6% O2和20% CO2附近達到最高值。固定氣體體積分數，粗蛋白質量分數隨頂隙空間的增加而增加。由表5可知，O2與頂隙空間對香菇粗蛋白質量分數的交互作用達到極顯著水平(P＜0.01)，而O2與CO2、頂隙空間與CO2對粗蛋白質量分數的交互效應均不顯著(P＞0.05)。

圖 2 三因素對香菇體內粗蛋白質量分數的影響的響應面和等高線圖Fig.2 Response surface and contour plots showing interactive effect of three factors on crude protein content in shiitake mushroom

2.2.2.3 三因素對香菇總糖質量分數的影響

由圖3可知，總糖質量分數隨O2、CO2體積分數的升高出現先升后降的趨勢，在5%O2和19.5%CO2附近達到最高值。固定氣體體積分數，頂隙空間的增加使總糖質量分數逐漸增加。由表5可知，O2與CO2對香菇總糖質量分數的交互作用達到極顯著水平(P＜0.01)，O2與頂隙空間的交互作用也達到極顯著水平(P＜0.01)，而CO2與頂隙空間的交互作用不顯著(P＞0.05)。

圖 3 三因素對香菇體內總糖質量分數的影響的響應面和等高線圖Fig.3 Response surface and contour plots showing interactive effect of three factors on total sugar content in shiitake mushroom

2.2.3 參數優化

香菇子實體PPO活性與其呼吸速率緊密相關[4]。為了保證新鮮香菇貯藏期間的品質，氣調包裝要起到降低PPO活性，減少香菇子實體營養成分消耗的作用。由統計分析可知，PPO活性與粗蛋白質量分數呈顯著負相關(P＜0.05)，而與總糖質量分數的相關性達到極顯著水平(P＜0.01)，粗蛋白質量分數與總糖質量分數之間也呈現極顯著的正相關(P＜0.01)。綜合考慮3個指標的回歸模型，由軟件分析得出新鮮香菇低氧氣調包裝最佳條件為O24.59%、CO220.13%、頂隙空間0.67，在此條件下PPO活性為5.00U，粗蛋白和總糖質量分數分別為0.54%和52.08%。

3 討 論

本實驗證明香菇PPO活性、粗蛋白及總糖質量分數對氣調包裝中單一參數的敏感性不一致。其中頂隙空間是影響氣調包裝性能的主要單因素，其對香菇子實體多酚氧化酶活性、粗蛋白及總糖質量分數的影響均達到極顯著水平(P＜0.01)。O2對香菇PPO活性和粗蛋白質量分數的影響較大，均達到極顯著水平(P＜0.01)。CO2對PPO活性的影響也達到顯著水平(P＜0.05)，但對粗蛋白質量分數的影響并不顯著(P＞0.05)。而O2和CO2對香菇總糖質量分數的影響均不顯著(P＞0.05)，其中總糖質量分數受CO2的影響大于O2。

試驗發現低氧氣體包裝的香菇貯藏期間品質的變化同樣受氣體與包裝袋頂隙空間交互作用的影響。O2與頂隙空間的交互作用對PPO活性(P＜0.05)，粗蛋白質量分數(P＜0.01)和總糖質量分數(P＜0.01)影響較大，均達到顯著水平；CO2與頂隙空間的交互作用對香菇酶活、粗蛋白和總糖質量分數影響均不顯著(P＞0.05)。這可能是由于香菇進行有氧呼吸時，O2的消耗量與CO2的產生量為1：1，包裝袋內CO2與O2體積分數的變化速率取決于材料對兩種氣體的通透性。而傳統合成薄膜對CO2/O2的選擇通透性比率一般為4～6[19]，故頂隙空間的改變對CPP包裝袋內CO2體積分數的影響要小于對O2體積分數的影響。而O2與CO2之間的相互作用對PPO活性(P＜0.05)、總糖質量分數(P＜0.01)影響均達到顯著水平，但對粗蛋白質量分數的影響并不顯著(P＞0.05)。

綜合3個指標的回歸模型，得出低氧氣調對新鮮香菇貯藏保鮮的最佳工藝條件為O24.59%、CO220.13%、頂隙空間0.67。新鮮香菇在此條件下貯藏26d其PPO活性為5.00U，粗蛋白和總糖質量分數分別為0.54%和52.08%。

總之，氣調包裝技術要作為一個整體系統進行設計運用，試驗表明新鮮香菇的貯藏品質不僅受單一因素的影響，同時受氣體及其與頂隙空間之間交互作用的影響。在氣調包裝系統中，包裝的成功很大程度上依賴于包裝產品的生理學和包裝的物理學方面的相互作用，要考慮果蔬的呼吸速率與氣體通過包裝材料進行內外交換這兩個過程，以期能夠延長新鮮果蔬的貨架期，這對于高呼吸速率的新鮮果蔬尤為重要。氣調包裝系統氣體傳輸速率數學模型[20]和采后果蔬貯藏的呼吸速率模型[21]的研究將大大提高氣調包裝的性能。然而，氣調包裝技術只能作為適宜溫濕度貯藏的補充手段，因為貯藏環境的任何變動都會促使所包裝產品的呼吸速率處于危險的水平而導致腐敗[22]。

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