甜菜堿結合熱處理降低采后香蕉果實冷害的研究

鹿常勝，潘永貴，何 其，張智毅

（海南大學食品學院，海南海口570228）

甜菜堿結合熱處理降低采后香蕉果實冷害的研究

鹿常勝，潘永貴*，何 其，張智毅

（海南大學食品學院，海南海口570228）

以海南產巴西種香蕉果實為試材，通過甜菜堿與熱水結合處理，使用響應面法優化處理條件，測定處理后香蕉果實的冷害發生率與冷害指數，確定出能顯著降低香蕉果實冷害的最優處理條件。最優處理條件為：甜菜堿濃度13mmol/L，熱水溫度51℃，浸泡時間4min。經過（4±1）℃貯藏6d后，混合處理組果實的冷害發生率為10.56%，比對照組降低了65%，并且感官品質優于其他處理組。

香蕉，冷害，甜菜堿，熱處理

香蕉是典型的呼吸躍變型果實，也是易發生冷害的水果之一。最佳貯運溫度為12～14℃，溫度低于11℃時，隨著時間的延長，香蕉果實上便會產生不同程度的低溫冷害癥狀[1]。降低采后果蔬，尤其是熱帶果蔬的冷害損失是果蔬采后貯運的一個重要研究內容。采后熱處理是一種頗受關注的果蔬采后保鮮方法，并且在許多果蔬上已被證明是一種很好的減輕冷害發生的技術措施[2]，但是熱處理也存在一些問題，例如熱處理的時間和溫度因不同果蔬而不同[3]，熱處理不當，易造成果蔬失水、變色、損傷[4-6]。此外，近年來，甜菜堿在植物上以及一些采后果蔬上也發現具有一定的延緩冷害發生的作用。甜菜堿屬于含羧基的季銨化合物，其化學名稱為N-甲基代氨基酸，是高等植物中最常見也是最重要的滲透調節物質之一[7]。高等植物中的甜菜堿主要有12種，目前研究得最多的一種是甘氨酸甜菜堿（Glycine betaine），簡稱甜菜堿（Betaine），結構最為簡單[8]。在香蕉果實上，研究發現10mmol/L濃度的甜菜堿溶液浸泡處理可顯著減輕果實冷害癥狀[9]；在黃瓜果實上，同樣發現施用甜菜堿能減輕黃瓜果實貯藏期間的冷害，提高其抗冷性[10]。將熱處理結合甜菜堿來處理果蔬，以降低冷害，提高果蔬抗冷性的研究目前尚未見報道，因此，本論文將研究熱處理和甜菜堿結合降低香蕉果實冷害的可能性，并探尋其最適處理條件，以期為提高采后香蕉果實的抗冷性，減少果實貯運過程中的損失提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試香蕉品種巴西（Musa sp.，AAA group，CV. Brazil） 購自海口市南北水果批發市場，成熟度7～8成，14℃預冷過夜。

MIR-253型恒溫培養箱 日本Sanyo公司；TW-450型保鮮膜封接機 臺灣依利達公司；CT3型質構儀 美國Brookfield公司；CR-400型色澤色差計KONICA MINOLTA公司。

1.2 處理方法

香蕉果實分成單個蕉指后，選擇成熟度一致、無病蟲害及機械傷的香蕉果實作為處理對象，將甜菜堿溶于蒸餾水中，加熱至一定溫度，然后將香蕉果實浸沒到甜菜堿的熱溶液中一段時間，取出晾干后用聚乙烯薄膜保鮮袋包裝，置于恒溫培養箱中，（4±1）℃保存。每組處理香蕉果實數量為15根，貯藏一定時間后測定相關指標，重復三次，以平均數為最終測定結果。

1.2.1 單因素實驗設計 分別以甜菜堿濃度、熱處理溫度、處理時間為單因素進行實驗，參考有關文獻[2-3，10]，設計單因素甜菜堿溶液濃度：0、5、10、15mmol/L，熱處理溫度50℃，處理時間3min；設計單因素熱處理溫度：常溫、45、50、55℃，甜菜堿溶液濃度10mmol/L，處理時間3min；設計單因素處理時間：1、3、5、7min，甜菜堿溶液濃度10mmol/L，熱處理溫度50℃。香蕉果實晾干后，置于4℃下保存。貯藏期間，調查香蕉的冷害發生率和冷害指數，確定出最適宜熱處理溫度。

1.2.2 響應面實驗設計 在單因素實驗基礎上，根據Box－Behnken的中心組合設計原理，以冷害發生率與冷害指數為響應值，通過響應面分析對結果進行優化，實驗因素與水平設計如表1所示。

表1 響應面實驗因素及水平Table.1 Coded level of the independent variables

1.3 測定方法

1.3.1 冷害發生率測定 香蕉果實冷害發生率參照逯明輝等方法[11]。冷害觀察是將香蕉果實放在室溫下24h后進行，依冷害面積占香蕉表面積之比將香蕉的冷害分為：0級，果面光潔，無冷害癥狀；1級，0～25%；2級，25%～50%；3級，50%～75%；4級，75%～100%。計算公式如式（1）、式（2）所示：

冷害發生率（%）=（發生該級別冷害果數/總果數）×100 式（1）

冷害指數=Σ（冷害級別×該級別果數）/（4×檢查果數） 式（2）1.3.2 質構測定 采用CT3質構儀測定，探頭直徑為4mm，質構條件為測試樣品深度2mm，測試速度1.5mm/s，返回速度1.5mm/s，循環2次。每組樣品取三個，重復測定三次，以平均數為最終測定結果[12]。

1.3.3 色澤指標測定 使用色澤色差計分別對不同處理的香蕉果實樣品的外部顏色進行客觀的綜合評價，每組樣品取三個，重復測定三次，以平均數為最終測定結果。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果與分析

2.1.1 甜菜堿濃度對香蕉果實抗冷性的影響 由圖1、圖2可以看出，使用甜菜堿處理香蕉可以有效的降低香蕉果實的冷害發生率，未經處理的樣品第2d開始出現輕微冷害現象；而使用甜菜堿處理的香蕉，冷害現象有所延遲，隨著時間的延長，冷害發生率不斷增長，甜菜堿處理的果實，冷害發生率明顯低于對照，其中以10mmol/L濃度處理效果最好，且標志冷害程度的冷害指數也是以10mmol/L濃度處理最低；未經處理的香蕉果實在第8d的時發生4級冷害。這表明外源甜菜堿處理可有效推遲香蕉冷害的發生，并能減輕冷害發生率與冷害程度。

圖1 甜菜堿濃度對香蕉果實冷害發生率影響Fig.1 Effect of the concentration of Betaine on chilling injury rate in banana fruits

圖2 甜菜堿濃度對香蕉果實冷害發生指數的影響Fig.2 Effect of the concentration of Betaine on chilling injury index in banana fruits

圖3 熱水溫度對香蕉果實冷害發生率影響Fig.2 Effect of the hot water temperature on chilling injury rate in banana fruits

2.1.2 熱處理溫度對香蕉果實抗冷性的影響 由圖3、圖4可知，使用熱水處理后，實驗組與對照組差異明顯，熱水處理可以明顯降低香蕉果實的冷害發生率，其中以50℃處理效果最為明顯，冷害發生率最低；對照組在第8d時達到4級冷害。而經過55℃熱水浸泡處理的果實冷害發生率與冷害指數相對比較高，可能是由于溫度過高，對細胞組織以及酶活性產生不利影響，影響了果實抗冷性。

圖4 熱水溫度對香蕉果實冷害發生指數的影響Fig.4 Effect of the hot water temperature on chilling injury index in banana fruits

2.1.3 處理時間對香蕉果實抗冷性影響 由圖5、圖6可知，隨時間的增長，果實的冷害發生率不斷升高，隨貯藏時間的延長，實驗組之間開始出現差異，以第6d最為明顯，浸泡3min的處理，香蕉果實冷害發生率與發生指數明顯比較低，這可能是長時間的熱處理破壞了細胞組織以及相關酶活性，因此最適合的浸泡時間為3min。

圖5 浸泡時間對香蕉果實冷害發生率的影響Fig.5 Effect of the immersed time on chilling injury rate in banana fruits

圖6 浸泡時間對香蕉果實冷害發生指數的影響Fig.6 Effect of the immersed time on chilling injury index in banana fruits

表2 Box－Behnken實驗設計與結果Table.2 Design and results of Box-Behnken experiment

表3 回歸方程的方差分析Table.3 Variance analysis of regression equation

2.2 響應面實驗結果與分析

在單因素實驗結果的基礎上，進行響應面實驗。實驗結果見表2，方差分析結果見表3。

根據表2，用Design-Expert 8.0軟件進行多元回歸擬合分析，得出回歸模型，并分別獲得了冷害發生率、冷害指數對編碼自變量GB濃度、熱處理溫度及處理時間的二次多項回歸方程式（3）、式（4）回歸方程為：

由表3可知，式（3）的模型回歸值p＜0.001，極顯著，該回歸模型的R-Squared為0.9688，調整系數Adj R-Squared為0.9286，模型與實際實驗失擬項的p值為0.1272，不顯著，說明實驗擬合比較好。一次項X1、X3極顯著，X2顯著，交互項X1X2、X1X3、X2X3不顯著，二次項X12、X22、X32都是極顯著。

式（4）的模型回歸值p＜0.001，極顯著，該回歸模型的R-Squared為0.9569，調整系數Adj R-Squared為0.9014，模型與實際實驗失擬項的p值為0.1701，不顯著，說明實驗擬合比較好。一次項X1、X3極顯著，X2顯著，交互項X1X2、X2X3不顯著，X1X3顯著，二次項X12、都是極顯著。

圖7 實驗因素交互影響果實冷害發生率的曲面圖Fig.7 Dgraph of response surface of chilling injury rates versus values of experimental factors

上述結果表明，兩個模型的顯著性均較高，擬合程度良好，實驗誤差小，可以用此模型來分析和預測復合處理香蕉果實貯藏6d后冷害發生率以及冷害指數的變化。

利用Design-Expert 8.0軟件對實驗結果進行兩個方程聯合求解，得到的解決方案為甜菜堿濃度12.58mmol/L，熱處理溫度51.06℃，處理時間3.88min，預計冷害發生率10.112%，冷害發生指數0.058。

圖8 實驗因素交互影響果實冷害指數的曲面圖Fig.8 Dgraph of response surface of chilling injury indexes versus values of experimental factors

2.3 模型驗證實驗

根據響應面實驗得到的結果，并且為了便于實際應用，選擇甜菜堿濃度為13mmol/L，熱處理溫度為51℃，處理時間4min，進行驗證實驗。驗證實驗中，對照組不做任何處理；GB處理組果實使用13mmol/L甜菜堿溶液常溫浸泡4min；熱處理組果實使用51℃純凈水浸泡4min。處理后取出晾干，用聚乙烯薄膜保鮮袋包裝，置于恒溫培養箱中，（4±1）℃保存。每組處理香蕉果實數量為15根，貯藏6d后測定相關指標，重復三次，以平均數為最終測定結果。

表4 驗證和比較實驗結果Table.4 The result of verification test

結果表明：單獨的熱處理，甜菜堿處理，以及混合處理均可以顯著降低果實冷害發生率與冷害指數，并保持果實較好的品質，但以復合處理組的效果最好（表4）。經過條件優化后，混合處理組在第6d的冷害發生率為10.56%，與預計結果（10.112%）相吻合，證明響應面方程得出的結果可行。與對照組相比，三個處理組的冷害發生率均降低；復合處理組的冷害發生率與冷害指數均為最低，同時果皮亮度也是最高，說明復合處理組果實表皮劣變程度較低；通過對四組香蕉果實進行質構的測定，發現復合處理組的硬度、粘力、粘性、彈性均優于其他處理組；復合處理組的電導率低于其他處理組，也說明其細胞受損程度較輕。

3 結論與討論

果蔬遭受冷害后原初反應是細胞膜在臨界冷害溫度下由液晶相向凝膠相轉變[13]。膜透性增大和膜結合酶活化能增高是兩種主要繼發反應。膜脂的相變引起膜收縮，降低構象的自由度，使膜結合酶的分子有可能受到壓縮而處于低活化狀態，甚至發生構象變化。但非膜結合的酶系統活化能變化不大，引起了兩種酶系統之間平衡破壞，從而造成代謝失調。代謝失調使一些有毒產物如乙醛、乙醇、丙酮等在細胞內累積。超過了細胞的忍耐力，將出現冷害癥狀以至組織死亡。

甜菜堿提高植物抗性的生理機制主要有一下幾個方面：調節細胞內滲透壓[14-15]，保護光合系統[16]，穩定抗氧化系統以及維持生物膜的結構與功能[17-18]。本次實驗證明了適量濃度的甜菜堿能夠提高香蕉果實的抗冷性，降低冷害發生率。

熱處理降低了果蔬冷藏過程中細胞膜的通透性，同時果蔬中熱激蛋白大量表達，熱處理可以有效的提高冷敏性果蔬的抗冷性[19]。適當熱處理可以抑制果蔬活性氧的產生和積累，提高抗氧化酶活性，維持細胞的正常代謝，從而提高果實的抗冷性，抑制冷害癥狀的發生[20-22]，但是熱處理的時間和溫度較難控制，熱處理不當，易造成負面的影響，本次實驗得出同樣的結論，如果熱處理時間過長，反而會起到負面的影響，所以關于熱處理的方式應該細致與深入的研究。

本次實驗通過利用Design-Expert軟件，利用響應曲面法建立二次多項式模型，所得模型的擬合程度良好，實驗誤差小，可以用于對香蕉冷害發生率與冷害指數進行分析預測。根據響應面實驗得到的結果，并且為了便于實際應用，選擇甜菜堿濃度為13mmol/L，熱水溫度為51℃，浸泡時間4min。驗證和比較實驗表明，熱處理復合甜菜堿處理能夠有效抑制香蕉果實冷害的發生，并保持果實品質，復合處理的效果顯著好于兩者單一處理。

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圖3 煮料操作界面圖Fig.3 Operation interface diagram of cooking

3.3 調配系統

現場觸摸屏調配界面圖顯示調配罐溫度、攪拌電機狀態、各個相關閥的通斷狀態、以及液體流向、生產品種描述等信息。

當調配完成后，相應線別顯示“請檢”信息。品管員對該生產線采樣并檢驗；料液檢測合格，則按下該生產線的“放行”相應按扭，該生產線自動將調配缸料液打至暫存缸儲存。“請檢”信息自動消除。

3.4 儲料系統

從現場觸摸屏儲料界面圖可獲知儲料罐料液溫度、高低液位、攪拌電機狀態以及控制方式、各個相關閥的通斷狀態、以及液體流向、生產品種描述等信息。

3.5 CIP清洗

現場觸摸屏CIP界面圖包括“換品種清洗”或“CIP清洗”兩種工作狀態，每種工作狀態都有“手動”和“自動”模式，操作員可以在CIP界面圖上隨時切換使用。

4 結論

本控制系統由中央控制計算機、可編程控制器、觸摸屏、通訊網絡等構成，通過對果凍生產主要工序的合理單元劃分，生產過程中液位、溫度、壓力和流量等物理量數據的采集、顯示和查詢，直觀地反應生產過程中參數的變化，科學準確的調控，穩定和提升了產品的質量，降低了勞動強度，由過去不斷地在現場對操作過程進行觀察、控制，轉變為只需要在現場觸摸屏上輕觸或電腦上輕點鼠標即可完成。促進果凍行業生產方式的改變，真正實現了果凍生產操作自動化，過程數據化，管理信息化。目前該系統在多家果凍生產企業整體運行超過3年，系統工作正常，產品質量穩定，一次性合格率達到100%，年最大調配能力達到2萬多噸，調配精度達到0.5%。

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Study on glycine betaine combined with heat treatment reducing chilling injury in postharvest banana fruits

LU Chang-sheng，PAN Yong-gui*，HE Qi，ZHANG Zhi-yi
（College of Food Science and Technology of Hainan University，Haikou 570228，China）

Banana fruits（Musa sp.，AAA group，CV.Brazil）were harvested from Hainan island，and fruits were treated by Glycine Betaine which combined with hot water.Response surface methodology（RSM）was used to optimize experimental conditions.The chilling injury rate and index were measured to determine the best condition for reducing chilling injury in banana fruits.Results were as follows：the concentration of GB was 13mmol/L，the temperature of hot water was 51℃，and immersing time was 4min.After 6 days’storage at（4±1）℃，the rate of chilling injury of compound treatment was 10.56%，reduced 65 percent compared to the control group，and sensory quality of compound treatment group was superior to other groups.

banana fruits；chilling injury；glycine betaine；heat treatment

TS255.3

A

1002-0306（2014）04-0300-06

2013－07－05 *通訊聯系人

鹿常勝（1988-），男，在讀碩士研究生，研究方向：農產品貯藏及加工。