甜櫻桃呼吸特性及發酵閾值研究

侯玉茹,李文生,王寶剛,周家華,常 虹,石 磊

(北京市農林科學院林業果樹研究所,北京 100093)

甜櫻桃呼吸特性及發酵閾值研究

侯玉茹,李文生,王寶剛*,周家華,常 虹,石 磊

(北京市農林科學院林業果樹研究所,北京 100093)

探明不同溫度下密封盒內甜櫻桃的呼吸特性和發酵閾值。以‘艷陽’櫻桃為試材,采用密閉系統法,研究了不同溫度(0、5和20 ℃)條件下,櫻桃包裝環境內的氣體濃度變化和櫻桃的呼吸速率,擬合呼吸速率方程,研究櫻桃的發酵閾值。結果表明,密封盒內櫻桃的米氏模型參數擬合度較高,各方程決定系數(R2)值均在0.96以上。在0、5和20 ℃環境下,櫻桃果實的最大呼吸速率分別為4.50、7.14和24.39 mL CO2/(kg·h),最長貯藏時間分別為156、108和24 h,0 ℃和5 ℃環境下的發酵閾值比20 ℃環境低。綜上所述,各溫度下密封盒內櫻桃的米氏模型參數擬合度較高,低溫可以有效地抑制果實的呼吸強度,延長貯藏期。

甜櫻桃,呼吸速率,發酵閾值,米氏模型

甜櫻桃(PrunusaviumL.)屬薔薇科李屬櫻桃亞屬植物,果實色澤鮮艷,酸甜適口,營養豐富。但甜櫻桃皮薄、肉軟、多汁,屬于不耐貯運的水果,易出現果實軟化、褐變、腐爛變質等現象。近年來,國內外研究人員在甜櫻桃的采后生理和貯藏保鮮技術方面進行了大量的研究工作[1-4]。目前,氣調包裝對甜櫻桃的貯藏保鮮效果較為明顯[5-8]。水果的氣調包裝是利用產品的呼吸作用與薄膜透氣性之間的平衡,在包裝內形成一種高CO2低O2體積分數的內環境,由此抑制產品的代謝作用,從而達到延長其貯藏期的一種包裝技術[9]。有效的氣調包裝能抑制果實的呼吸速率及新陳代謝,延緩衰老。呼吸強度是設計氣調包裝方案的重要參數,影響呼吸強度的因素有溫度、濕度、二氧化碳濃度、氧氣濃度和時間等[10]。本文以‘艷陽’甜櫻桃為試材,采用密閉系統法,研究了0、5和20 ℃環境條件下,櫻桃包裝環境內的氣體濃度變化和呼吸速率,并根據酶動力學理論,建立各溫度下櫻桃呼吸速率隨O2、CO2濃度變化的數學模型,確定櫻桃的發酵閾值,旨在為甜櫻桃氣調包裝參數的選擇設計提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甜櫻桃 品種為艷陽(PrunusaviumL. cv. Sunburst),采自北京市櫻桃育種中心;保鮮盒 V=6500 mL,購自韓國樂扣樂扣有限公司;自制密封盒 將保鮮盒的蓋子上打兩個直徑為3 mm的孔,裝上硅膠管,用于氣體分析儀取樣和氣體循環。

BPS-50CL恒溫恒濕箱 上海一恒科學儀器有限公司;CheckMate II O2/CO2氣體分析儀 PBI-Dansensor。

1.2 實驗方法

1.2.1 處理方法 挑選成熟度一致的果實,裝入密封盒中,每盒2.00 kg。然后,分別置于0、5和20 ℃環境中,0 ℃和5 ℃環境利用低溫冷庫控制溫度,20 ℃環境利用恒溫恒濕箱控制溫度,相對濕度均為90%～93%,初始氣體條件均為大氣狀態(即21% O2和0% CO2)。當果心溫度達到相應溫度時密封,每間隔一定時間利用O2/CO2氣體分析儀測定果實包裝環境中O2和CO2氣體體積分數,每組實驗做三個平行。

1.2.2 呼吸速率的測定方法 采用密閉系統法測定甜櫻桃的呼吸速率。利用靜態封閉系統,把果實置于密封盒中。隨著果實呼吸的進行,密封盒內氣體體積分數會發生變化。在恒定的溫度下密閉一定時間后,根據密封盒中O2或CO2體積分數的變化量來計算其呼吸速率,即通過以下方程計算果實的呼吸速率[11]:

式(1)

式(2)

式中,RO2,RCO2分別為O2的消耗速率和CO2的生成速率,mL/(kg·h);ti,tf分別為測量起始、終止時間,h;[O2]ti,[O2]tf分別為測量起始、終止時O2濃度,%;[CO2]ti,[CO2]tf分別為測量起始、終止時CO2濃度,%;V為密封盒的自由體積,mL;M為樣品質量,kg。

1.2.3 果實呼吸速率模型的建立 基于酶動力學原理,當把CO2作為O2的非競爭性抑制劑時,米氏(Michaelis-Menten)呼吸速率方程可表示為[12]:

式(3)

式中,R為果實的呼吸速率,mL/(kg·h);[O2],[CO2]分別為某一時刻包裝內部的氧氣和二氧化碳濃度,%;Vm為果實的最大呼吸速率,mL/kg·h;Km為米氏常數,%;Ki為二氧化碳非競爭抑制系數,%。

將式(3)化為線性形式:

式(4)

根據實驗測得的O2和CO2濃度變化值,以及計算得到對應的O2消耗速率和CO2生成速率,利用SPSS軟件進行多重線性回歸分析,得到果實的呼吸方程參數。

1.2.4 呼吸商和發酵閾值的計算方法 呼吸商表示水果在單位時間內呼出的CO2量與吸收的O2量之比,用RQ表示,即:RQ=RCO2/RO2。一般情況下,水果的有氧呼吸商在0.7～1.3之間波動,呼吸商值大于1.3時即可認為水果發生了厭氧呼吸。因此,把能夠誘發水果發生厭氧呼吸的CO2和O2濃度臨界值稱為發酵閾值[13]。又由于密閉系統下,包裝中的O2和CO2濃度存在一定的相關性,可以擬合成線性方程。因此,根據上述兩個條件可以得到O2閾值和CO2閾值。

1.3 數據分析方法

采用Excel 2007和SPSS 17.0統計學軟件對實驗數據進行分析。

2 結果與討論

2.1 甜櫻桃的呼吸速率變化規律

如圖1所示,隨著貯藏時間的延長,密封盒內O2氣體體積分數逐漸下降,CO2氣體體積分數逐漸升高,并且兩條曲線有相交的變化趨勢,表現出典型的密閉系統法氣體成分變化規律。在0、5和20 ℃環境下,櫻桃果實的O2和CO2氣體體積分數曲線分別在96、60和16 h時相交。由此可見,溫度越高,氣體體積分數變化幅度越大,O2氣體體積分數曲線與CO2氣體體積分數曲線相交越早。

圖1 密封盒內氣體濃度變化Fig.1 Changes of gas concentration in sealed box

如圖2所示,隨著貯藏時間的延長,密封盒內櫻桃的O2消耗速率和CO2生成速率總體呈下降趨勢,且貯藏初期和中期O2消耗速率高于CO2生成速率,而貯藏后期O2消耗速率低于CO2生成速率。溫度對櫻桃的采后呼吸有著顯著的影響。在0 ℃環境貯藏初期,櫻桃果實的O2消耗速率為7.31 mL/(kg·h),CO2生成速率為6.50 mL/(kg·h);180 h時,櫻桃果實的O2消耗速率為0.99 mL/(kg·h),CO2生成速率為1.90 mL/(kg·h)。在5 ℃環境貯藏初期,櫻桃果實的O2消耗速率為8.94 mL/(kg·h),CO2生成速率為8.13 mL/(kg·h);132 h時,櫻桃果實的O2消耗速率為1.36 mL/(kg·h),CO2生成速率為2.71 mL/(kg·h)。在20 ℃環境貯藏初期,櫻桃果實的O2消耗速率為30.88 mL/(kg·h),CO2生成速率為23.56 mL/(kg·h);32 h時,櫻桃果實的O2消耗速率為8.37 mL/(kg·h),CO2生成速率為14.63 mL/(kg·h)。由此可見,溫度越高,櫻桃的呼吸速率值越高,呼吸越旺盛。0 ℃時,櫻桃的呼吸較為平穩緩慢,驗證了低溫能有效抑制果實的呼吸速率,對延長果實的保鮮期有較好的效果,這與萬森對菠菜的研究結果相似[14]。

表1 密封盒內甜櫻桃的米氏模型參數Table 1 Michaelis-Menten model parameters of sweet cherry in sealed box

圖2 密封盒內甜櫻桃呼吸速率變化Fig.2 Changes of respiratory rate of sweet cherry in sealed box

2.2 密封盒內甜櫻桃呼吸速率模型的建立

根據實驗測得的O2和CO2體積分數變化值,以及計算得到的O2消耗速率和CO2生成速率,利用SPSS軟件進行多重線性回歸分析,得到密封盒內甜櫻桃的米氏模型參數,結果見表1。

由表1可知,實驗得到的密封盒內甜櫻桃的米氏模型參數的擬合度較高,各方程的決定系數(R2)均在0.96以上。在0、5和20 ℃環境下,櫻桃果實的最大呼吸速率分別為4.50、7.14和24.39 mL CO2/(kg·h)。從不同溫度的米氏模型參數來分析,Vm和Ki隨著溫度的升高而增大。

2.3 密封盒內甜櫻桃的呼吸商及發酵閾值

呼吸商的變化能夠反映果實組織利用底物的情況,也能夠反映果實無氧呼吸的發生情況。一般情況下,呼吸商大于1.3時即認為果實發生了厭氧呼吸。由2.1中櫻桃的呼吸速率可知,在0、5、20 ℃環境下,櫻桃果實分別在180、132、32 h時呼吸熵迅速增加到1.3以上,分別為1.9、2.0、1.7,再根據O2、CO2體積分數擬合的線性方程,得到各溫度環境下櫻桃果實的O2和CO2發酵閾值(如表2),并由此推算出各溫度下果實分別在156、108、24 h后進入厭氧呼吸,此時間為果實的最長貯藏時間。由此可見,0 ℃和5 ℃環境下的櫻桃的O2發酵閾值較低,表明低溫時櫻桃能夠容忍較低的氧氣濃度,延緩厭氧呼吸的發生,并且在對荔枝[15]、梨[16]等水果的研究中也得到了類似的結果。

表2 密封盒內甜櫻桃的發酵閾值Table 2 Fermentive threshold of sweet cherry in sealed box

3 結論

采用密閉系統法對‘艷陽’甜櫻桃貯藏過程中包裝容器內的氣體體積分數進行測定,進而得到甜櫻桃的呼吸速率值。結果顯示,甜櫻桃的呼吸速率總體隨著溫度的降低和O2體積分數的降低而降低,隨著CO2體積分數的升高而降低,且O2消耗速率高于CO2生成速率。密封盒內甜櫻桃的米氏模型參數的擬合度較高。在0、5和20 ℃環境下,櫻桃果實的最大呼吸速率分別為4.50、7.14和24.39 mL CO2/(kg·h),且最長貯藏時間分別為156、108和24 h。0、5 ℃環境下的櫻桃的O2發酵閾值比20 ℃環境低。低溫貯藏能有效抑制果實的呼吸速率,延長果實的貯藏期。

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Study on respiration properties and fermentive threshold of sweet cherry during storage

HOU Yu-ru,LI Wen-sheng,WANG Bao-gang*,ZHOU Jia-hua,CHANG Hong,SHI Lei

(Institute of Forestry and Pomology,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Beijing 100093,China)

The objective of the study was to clarify the respiration properties and fermentive threshold of sweet cherry during storage in different temperature. The changes of gas concentration in sealed box and respiration rate ofPrunusaviumL. cv. Sunburst in different temperature of 0,5 ℃ and 20 ℃ by enclosed system method were studied. And respiration rate equation of sweet cherry in sealed box was fitted. At the same time,fermentive threshold was determined. Results indicated that fitting degree of Michaelis-Menten model parameters of sweet cherry in sealed box were higher that coefficient of determination(R2)were more than 0.96. Maximum respiration rate of sweet cherry was 4.50 mL CO2/(kg·h),7.14 mL CO2/(kg·h)and 24.39 mL CO2/(kg·h),and maximum storage time was 156 h,108 h and 24 h respectively in different temperature of 0,5,20 ℃. The fermentive threshold of sweet cherry in 0 ℃ and 5 ℃ were lower than 20 ℃. In conclusion,Michaelis-Menten model parameters of sweet cherry in sealed box had higher fitting degree in different temperature. The lower temperature could inhibit respiration intensity and extend the storage period effectively.

sweet cherry;respiration rate;fermentive threshold;Michaelis-Menten model

2016-08-12

侯玉茹(1985-)，女，碩士，研究方向：果品采后生理與貯藏加工，E-mail：hou_yuru@126.com。

*通訊作者:王寶剛(1979-)，男，博士，副研究員，研究方向：果品物流包裝及貯運保鮮技術，E-mail：wangbg1979@126.com。

北京市農林科學院科技創新能力建設專項資助項目(KJCX20140205，KJCX20140302)；公益性行業(農業)科研專項(201303075)。

TS201.1

A

:1002-0306(2017)04-0323-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.04.052