雞毛菜的品質動力學分析及貨架期預測模型

謝 晶，張利平，高志立，余江濤

（上海海洋大學食品學院，上海 2013 06）

雞毛菜的品質動力學分析及貨架期預測模型

謝 晶，張利平，高志立，余江濤

（上海海洋大學食品學院，上海 2013 06）

為探討雞毛菜貯藏過程中的品質變化，測定貯藏在278、283、288 K和293 K 4 個溫度條件下的雞毛菜的葉綠素和還原型抗壞血酸含量，進行動力學分析、貨架期預測和感官評價，并采用Arrhenius 方程對速率常數k和溫度進行非線性擬合，建立包含有貨架期、溫度和品質指標的雞毛菜貨架期預測模型。結果表明，在研究的溫度范圍內，雞毛菜貯藏的溫度越低，葉綠素和還原型抗壞血酸降解速率越慢，零級規律比一級動力學分析更適合描述葉綠素和還原型抗壞血酸的降解，還原型抗壞血酸和葉綠素降解的活化能Ea分別為85.27、93.27 kJ/mol。以葉綠素損失20%為終點得到的貨架期更接近感官評分終點為3.5 分得到的貨架期，此時還原型抗壞血酸損失超出20%。因此應根據實際情況綜合選擇貨架期判定特征指標和終點值，從而獲得較高的貨架期預測精度。

雞毛菜；還原型抗壞血酸；葉綠素；動力學模型；貨架期預測

雞毛菜（Chinese small cabbage，Brassica rapa L. Chinensis Group.）屬于江浙滬一帶的特色蔬菜，是十字花科蕓薹屬的一種，美味鮮嫩，富含維生素和礦物質等營養元素，是深受消費者喜愛的嫩苗菜。國內學者多對其培育方式和生長狀況進行了研究[1-2]，但是對其貯藏過程中的品質變化研究較少[3-4]，尤其是品質指標的動力學變化和貨架期（shelf life，SL）預測，更是鮮有研究。雞毛菜的鮮嫩特質使其容易失水或受機械損傷而加速老化和腐爛，進而變質[5]，常溫貯藏會在1～2 d之內黃化腐爛，失去食用價值。因此，有必要研究其品質的數學變化規律，以便實時控制調整貯藏條件，進行存貨周轉。

另一方面，隨貨架期預測學的發展，越來越多的數學方程和模型應用到食品領域[6]，包括動力學與經典Arrhenius方程的結合得到以溫度為變量的預測方程[7]、以呼吸速率為特征的酶抑制動力學方程[8]、以感官指標為依據的Weibull模型[2]和以微生物指標為特征值的生長模型[3]等。其中，動力學規律結合Arrhenius方程是最常用的一種貨架期預測方法，其溫度依賴性使其優缺點并具[4-5]，但另一方面食物內營養成分降解活化能的專一性，使這一方程更有應用優勢。貨架期預測的研究為冷鏈物流中蔬菜的品質監控提供了一定的理論基礎，但是對于葉菜品質變化動力學的研究還剛剛起步。雞毛菜的葉綠素含量和還原型抗壞血酸含量是葉菜典型的品質指標，因此通過比較這兩個指標降解規律的擬合結果，可驗證預測模型的可靠性。本研究結合Arrhenius方程求得 表觀活化能Ea和指前因子A0，最終得到以剩余營養指標、貨架期和溫度為變量的預測模型，以期為動態監控物流過程中葉菜品質變化提供理論依據。

1 1 材料與方法

1.1 材料及處理

雞毛菜購自上海市臨港新城田間，立即運回實驗室，挑選大小相 近、外觀完好、無折斷、翠綠新鮮的雞毛菜采用托盤保鮮膜包裝，每包質量（100±5）g，包裝后分別貯藏在相應的恒溫恒濕箱內。

1.2 儀器與設備

采用2 mm厚的聚丙烯托盤（25 cm×16 cm），包裝膜采用聚乙烯保鮮膜，其氧氣透過率為18 500 cm3/（m2?24 h?105Pa）；二氧化碳透過率：134 500 cm3/（m2?24 h?105Pa）；透濕量：33 g/（m2?24 h）。BJ 610C電子天平 瑞士Precisa公司。

1.3 方法

1.3.1 實驗設計

由于Arrhenius定律適用的溫度區間有限[7]，綜合日常生活貯藏葉菜的溫度區 間，本方案采用的貯藏溫度為278、283、288、293 K。根據芬內瑪[8]對貨架期預測實驗方案的設計，預實驗初定293 K貯藏組每0.5 d測1 次，結合實際操作，得到4 個溫度的測試間隔如表1所示，貯藏后期根據每個溫度條件下的老化腐敗程度適當增加測試頻率。

表2 雞毛菜在4 個溫度條件下的感官評價標準Table2 Scale for sensory evaluation of Chinese small cabbage at four temperatures

1.3.2 感官評價

本研究根據An Jianshen[15]、Li Wenxiang[16]等制定的感官評價標準，結合葉菜的特點制定表2的感官評價標準培訓消費者，采用7 分的消費者接受測驗（1 分：極端不好；2 分：非常不好；3 分：不好；4 分：一般；5 分：好；6 分：非常好；7 分：極端好，消費者要每天吃一次雞毛菜）。選取3.5 分為不被消費者接受的切分點，但是為延續觀察其變化，評價時間長度比該終點延長2～3 d。為節省人力，并且盡量減少測試者有限帶來的評價誤差，本實驗采用交叉設計的感官評價方案[9]，首次測試人數N0，之后每次測試時間增加一個消費者，直到超過半數的消費者不再接受（N 個），如果是取樣個體差異帶來的結果，下次測試增加N＋1個消費者。

1.3.3 還原型抗壞血酸含量測定

根據國標GB 6195—1986《水果、蔬菜維生素C含量測定》法[17]，采用2,6-二氯酚靛酚滴定法測定雞毛菜可食部分的還原型抗 壞血酸含量，每組測試3 次，求平均值。

1.3.4 葉綠素含量測定

采用Mackinney[18]提出的丙酮提取法測定雞毛菜中葉綠素a和葉綠素b，將提取液分別于645 nm和663 nm波長處測定其吸光度，以式（1）～（3）計算葉綠素的質量濃度（mg/L）。

式中：X為雞毛菜總的葉綠素含量/（mg/g）；ρ總為葉綠素的質量濃度/（mg/L）；m為鮮質量/g；V總為提取液的總體積/mL。每組測試3 個平行，對結果求平均值。

2 結果與分析

2.1 葉綠素和還原型抗壞血酸含量的變化

從圖1a可以看出，貯藏期間293 K和288 K兩種貯藏條件下雞毛菜葉綠素總量急劇下降，而278 K貯藏條件下雞毛菜葉綠素含量呈緩慢下降的趨勢。雞毛菜葉綠素主要因為脫鎂反應而降解，研究[19]表明，高溫和低pH值有利于該反應的發生，葉菜在貯藏期間無氧呼吸釋放乳酸導致pH值降低，進而會加速葉綠素脫鎂，低溫貯藏則會抑制該反應。

從圖1b可以看出，278 K條件下貯藏的雞毛菜中還原型抗壞血酸降解最慢，還原型抗壞血酸作為最不穩定的維生素之一，極易受pH值、酶、水分活度、與脫氫抗壞血酸的比例等因素影響而發生降解[20]。分子氧存在時，抗壞血酸分解生成脫氫抗壞血酸、二酮古洛糖酸等產物，失去抗壞血酸活性。

從圖1c可以看出，貯藏期間感官評分均呈降低趨勢，隨溫度升高，降低速率加快。雞毛菜在貯藏期間的品質惡化導致顏色、形態、氣味及質地變化，因此消費者對其評價有所區分。

圖1 貯藏在不同溫度條件下的雞毛菜的葉綠素（a）、還原型抗壞血酸（b）和感官評分（c）的變化Fig.1 Chlorophyll content (a), reduced ascorbic acid content (b) and sensory score (c) of Chinese small cabbage stored at various temperatures

2.2 動力學分析

大多的研究[11]表明，食品中的營養物質降解一般符合零級或者一級動力學規律，因此本研究只針對零級和一級動力學擬合還原型抗 壞血酸和葉綠素降解的數據，其微 分式見公式（5）。

式中：k為反應速率常數；M為品質因子；n為反應級數；t為食品貯藏時間。對上式進行積分可以得到不同反應級數的食品品質函數：當n=0時，零級反應為M =M0-kt；n=1時，一級動力學品質函數lnM = lnM0-kt，M0為品質參數初始值。

表3 零級和一級動力學回歸速率常數 及決定系數Table3 Reaction rates and coefficients of determination for zero- and first-order regression, respectively

采用Originpro 8.0對雞毛菜的還原型抗壞血酸和葉綠素測量值進行線性和非線性擬合分別得到零級和一級速率常數及其決定系數，結果如表3所示。從∑R2可以看出零級動力學模型回歸的決定系數較大，說明其更有擬合優勢，因此本研究選用零級動力學模型描述雞毛菜貯藏期間的還原型抗壞血酸和葉綠素的降解[21]。

2.3 雞毛菜的貨架期預測

Arrhenius方程是描述化學基元反應的經典模型[15]，已經廣泛被應用于食品貨架期預測[7,22]中，并取得了一定的進展。Arrhenius方程是一種溫度依賴的模型，化學反應速率與 絕對溫度的關系表示如下：

式中：k為速率常數/d-1；A0為指前因子，也叫頻率因子，也相當于活化能為零時的反應速率；Ea為活化能，品質因子M或N變壞或形成所要克服的壁壘/（kJ/mol）；R為氣體常數，8.314 4 J/（mol·K）；T為絕對溫度/K。

根據Fonseca等[23]的研究，數據回歸應當盡量避免線性化擬合，本研究按照方程（6）對表3中的速率常數和對應的貯藏溫度采用非線性擬合處理，結果如圖2所示，得到的活化能和指前因子如表4所示。

圖2 葉綠素和還原型抗壞血酸降解的k-T（速率常數與溫度）非線性擬合圖Fig.2 Nonliner k vs. T (reaction rate vs. tem perature) fitting graph for degradation of chlorophyll and reduced ascorbic acid

表4 葉綠素和還原型抗壞血酸零級降解的活化能Ea和指前因子ATable4 Active energy (Ea) and frequency coefficients (A) for degradation of chlorophyll and reduced ascorbic acid

零級動力學品質函數M= M0-kt與Arrhenius方程（5）結合，得到以貨架期SL（t）、品質因子M和溫度T為參變量的貨架期預測方程。

式中：SL為預測貨架期；M0為品質指標的初始值；M為相應SL時的品質指標值。

圖3 以不同的還原型抗壞血酸損失量為終點確定的雞毛菜SL--T關系圖Fig.3 SL-T relationship of Chinese small cabbage based on reduced ascorbic acid

圖4 以不同的葉綠素損失量為終點確定的雞毛菜SL--T關系圖Fig.4 SL-T relationship of Chinese small cabbage based on chlorophyll

方程中以還原型抗壞血酸和葉綠素各損失10%、15%、20%、25%作為其貨架期終點，得到圖3和圖4的貨架期預測曲線SL-T（貨架期-溫度）關系圖。

2.4 以葉綠素和還原型抗壞血酸為特征值進行的貨架期預測結果的比較

Eskin等[22]的研究表明，蔬菜質量損失5%～10%時會引起明顯的老化腐敗，因此營養指標損失程度與感官評價緊密相關。參考Oliveira等[24]對鮮切蘑菇的預測方法，綜合實驗研究和健康飲食的原則，本研究假定以營養指標損失20%定位為一種貨架期終點來比較2 個特征指標的預測效果，葉綠素和抗壞血酸降解20%與感官評分（3.5 分為終點）確定的278～293 K的SL-T關系如圖5所示，4 個實驗組的預測貨架期見表5。從圖5可以看出，葉綠素為特征指標預測得的貨架期要更接近感官評價，還原型抗壞血酸預測的貨架期低于前兩者。其中重要的原因就是，葉綠素降解導致的葉片黃化是一個重要的感官評價因素，基本決定了消費者是否接受，從圖5還可以看出，消費者不能接受時，還原型抗壞血酸的損失已經超過20%。

表5 雞毛菜在4 個貯藏溫度條件下的預測貨架期與感官壽命Table5 Predicted shelf life and sensory life of Chinese small cabbage at four storage temperatures

圖5 葉綠素和還原型抗壞血酸降解20%與感官評分（3.5分為切分點）確定的雞毛菜SSLL--T關系圖Fig.5 SL-T relationship of Chinese small cabbage based on chlorophyll (20% loss) and reduced ascorbic acid sensory score (3.5 as cut-off score)

3 結 論

綜上所述，零級動力學能較好地反映葉綠素和還原型抗壞血酸的降解規律。Arrhenius方程對其降解速率k和溫度T的非線性回歸達到了較高的擬合度（R2＞0.95），最終得到以時間、溫度和剩余營養指標為變量的貨架期預測模型。其中，以葉綠素為特征值得到的貨架期（損失20%為終點）更接近以感官評分為3.5 分得到的剩余貨架期；還原型抗壞血酸作為最不穩定的維生素，以其為特征指標預測的貨架期比前兩者得到的時間稍短。另一方面，實驗研究還發現，雞毛菜在較低溫度條件下貯藏時，感官壽命終點對應的還原型抗壞血酸和葉綠素終點值略高于較高溫度貯藏的雞毛菜，因此，若得到能準確反映不同溫度終點的營養指標閾值，形成通用的方程式則能更準確地預測雞毛菜的終點貨架期，以對生產和流通有更重要的指導意義。

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Kinetic Quality Changes and Shelf Life Prediction of Chinese Small Cabbage (Brassica rapa L. Chinensis Group)

XIE Jing, ZHANG Li-ping, GAO Zhi-li, YU Jiang-tao
(College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

In order to study quality changes of Chinese small cabbage (Brassica rapa L.Chinensis Group.) during storage, chlorophyll, reduced ascorbic acid content and sensory evaluation of Chinese small cabbage stored at 278, 283, 288 and 293 K were determined for kinetic analysis and shelf life prediction. A non-linear fi tting of reaction rate k as a function of temperature T based on Arrhenius law was also studied, from which a shelf life prediction model of Chinese small cabbage describing shelf life (SL) as a function of temperature T and quality index M was obtained. The results showed that when Chinese small cabbage was stored at lower temperature, chlorophyll and reduced ascorbic acid were degraded slower. Zeroorder law was more appropriate than fi rst-order reaction kinetics to describe the degradation of chlorophyll and reduced ascorbic acid with active energy Eaof 93.27 and 85.27 kJ/mol, respectively. In addition, the shelf life based on a chlorophyll loss of 20% was more approximate to that at a cut-off score of 3.5 by sensory evaluation, when the loss of reduced ascorbic acid was more than 20%. Therefore the characteristic index and ending point to predict shelf life should be depended on reality and needs in order to obtain an accurate shelf life prediction.

Chinese small cabbage; reduced ascorbic acid; chlorophyll; kinetic model; shelf life prediction

TS255.3

A

1002-6630（2014）10-0268-05

10.7506/spkx1002-6630-201410050

2013-05-01

農業科技成果轉化資金項目（2012GB2C000146）；上海研發公共服務平臺建設專項（11DZ2292800）；上海綠葉蔬菜現代農業產業技術體系建設專項

謝晶（1968—），女，教授，博士，研究方向為食品冷鏈技術。E-mail：jxie@shou.edu.cn