減壓預處理對檳榔氣調貯藏品質的影響及模型表征

姚小玲，潘 嘹，盧立新，2*

(1江南大學，無錫214122；2江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，無錫 214122)

檳榔是海南的主要經濟作物之一，也是廣受人們喜歡的水果。鮮檳榔銷售具有明顯的季節性，采摘后感官品質變化快，易腐敗變質，難以長期貯藏。現有檳榔保鮮技術可分為化學保鮮、生物保鮮以及物理保鮮3種。李雯等[1]研究發現，3%檸檬酸+2%CaCl2+0.1%施保功溶液涂膜結合10℃貯藏，可抑制檳榔呼吸作用，延緩褐變發生。張姣姣等[2]將果蠟涂覆與SO2氣體熏蒸聯合應用于檳榔保鮮，可有效降低腐爛率，其中果蠟可防止SO2直接接觸檳榔，避免對細胞造成傷害。化學保鮮劑雖然成本低，但應用不當易對人體健康造成危害，生物保鮮劑主要來源于生物體自身或其代謝產物，具有無毒安全的特點，但現有研究顯示，單獨使用生物保鮮劑對檳榔的保鮮效果較差。張蘇敏等[3]采用血桐提取液、殼聚糖溶液分別對檳榔進行浸泡處理，室溫放置25 d后，好果率僅為23%和38%。

低溫是果蔬常用的物理保鮮方式，與其他保鮮技術相結合可顯著延長檳榔保鮮期。李洪立[4]、張彪等[5]研究表明，13℃是檳榔長期貯藏的適宜溫度。何艾等[6]研究發現,7℃低溫貯藏結合貝殼粉涂覆處理保鮮效果最好，貝殼粉涂覆可增強檳榔的抗冷害能力。氣調保鮮也是有效的物理保鮮方式，夏兵等[7]、黃永生等[8]、李瑤瑤等[9]研究得出O2體積濃度降至2%—5%，同時提高CO2體積濃度，可降低檳榔病害，減緩果皮黃化發生，保持較高的硬度和外觀。減壓保鮮又稱為低壓保鮮，通過改變果蔬貯藏容器內的壓強[10-11]，使各氣體含量成比例降低，可顯著抑制果蔬呼吸作用和細菌生長[12]。同時，減壓腔內可提供一定的真空度，能使產品孔隙中的有害氣體如乙烯、乙醇等膨脹后逸出[13-14]，防止其對果蔬貯藏品質造成影響，從而達到延長保鮮期的作用。減壓保鮮已應用于水蜜桃[15]、松茸[16]、草莓[17]等果蔬的貯藏上，并獲得了較好的保鮮效果，但在檳榔保鮮貯藏上尚未見相關報道。

前期檳榔氣調貯藏的試驗已獲得優化的氣調貯藏比例(4%O2，4%CO2，92%N2)，在此基礎上，本試驗進一步研究減壓預處理與氣調貯藏技術對檳榔保鮮的作用，探討減壓預處理對檳榔氣調貯藏品質的影響，以期為延長檳榔貯藏期提供技術基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

檳榔產自海南萬寧市，選取新鮮、大小基本一致、無病蟲害的檳榔進行研究。

1.2 主要儀器設備

JYS-300型低氣壓多室異壓保鮮貯藏試驗設備(壓強范圍9.6—101 kPa)，上海鮮綠真空保鮮設備有限公司；GQ-160型氣調保鮮箱(O2：0—50%，CO2：0—20%，溫度誤差±0.5℃，濕度波動±5%)，廣州標際包裝設備有限公司；CR-400型色彩色差計(儀表誤差：ΔE*ab 0.6以內)，柯尼卡美能達(中國)投資有限公司；DDS-11C電導率儀(1—3 000μscm)，上海精密儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品處理

將檳榔剪枝清洗后隨機分組分裝，放入真空減壓室進行20 h減壓處理，結束后放入氣調箱內進行貯藏保鮮。其中，減壓室內絕對壓強設置10 kPa、20 kPa、30 kPa、101 kPa(對照組)4個處理，溫度14 ℃，相對濕度85%±5%(用過飽和硝酸鉀溶液調節)；氣調保鮮箱內環境條件設置為：4%O2，4%CO2，92%N2；溫度13℃，相對濕度 90%。

1.3.2 色差

采用色差計對檳榔表皮進行測試。每個處理組隨機取5個檳榔，于檳榔直徑最大處取3個點測定a值(紅綠度)并記錄，取平均值對比色差并作圖分析。

1.3.3 相對電導率

切取長寬厚為20 mm×5 mm×0.5 mm的檳榔表皮(約2 g)，清洗2次并吸干多余水分后放入試管中，加50 mL去離子水振蕩30 min，測定溶液電導率，沸水浴10 min，自然冷卻至室溫后再次測定其電導率。以前、后兩次電導率的比值來表示檳榔的相對電導率。每組樣品重復3次。

1.3.4 腐爛率

采用腐爛指數[18]表征腐爛程度。

其中0級為不發病，1級為發霉腐爛面積占0—20%，2級為發霉腐爛面積占20%—40%；3級為發霉腐爛面積占40%—60%，4級為發霉腐爛面積占60%以上。

1.3.5 可溶性固形物(SSC)

1.4 數據處理

使用MATLAB軟件進行數據分析和處理。

2 結果與分析

2.1 減壓預處理對檳榔表皮色差的影響

果蔬外觀是影響消費者購買欲的重要因素，檳榔在貯藏過程中葉綠素會逐漸降解并引起果皮變黃，保持檳榔顏色鮮綠是檳榔保鮮研究的目的之一。如圖1所示，檳榔表皮色差值Δa逐漸變大，說明樣品褪綠程度逐漸加重。貯藏前21 d，各試驗組Δa差異較小，均在1.0以下。貯藏35 d時，10 kPa、20 kPa、30 kPa、101 kPa處理組的Δa值分別為3.49、1.36、1.65、2.42，20 kPa預處理20 h保鮮效果最好。10 kPa處理20 h后Δa最大，可能是預處理壓強過小，導致檳榔內外壓差過大，品質惡化，從而導致色差變化顯著。

2.2 減壓預處理對檳榔相對電導率的影響

檳榔在貯藏過程中，細胞中電解質向外滲透速度加快，相對電導率呈現逐漸增長的趨勢。如圖2所示，檳榔貯藏初始相對電導率為8.050%，至35d時，20 kPa和30 kPa處理組相對電導率分別為12.059%和13.989%，與常壓對照組(16.947%)差異顯著(P<0.05)，由此可見，適宜的減壓預處理對保持細胞完整性有顯著效果。減壓預處理通過降低貯藏環境中的氧分壓，可抑制病原菌侵染，維護細胞膜的完整性[17]。10 kPa處理組相對電導率變化最大，35d時，相對電導率為18.829%，為貯藏初期的2倍以上。檳榔細胞內外壓差過大易造成細胞壁破壞，電解質滲透速度加快。

圖1 減壓預處理對檳榔表皮色差Δa的影響Fig.1 Effect of hypobaric treatments on Δa

圖2 減壓預處理對檳榔相對電導率的影響Fig.2 Effect of hypobaric treatments on relative conductivity

2.3 減壓預處理對檳榔腐爛率的影響

果蔬貯藏期間出現微生物腐爛是降低果蔬商品率的原因之一。檳榔在貯藏后期，腐敗菌和霉菌會造成檳榔果實發霉變軟，使其失去食用價值。本試驗發現，檳榔發霉腐爛一般先從果蒂處開始，并逐漸擴散至其他部位。其中，對照組和10 kPa處理組貯藏7 d后，個別檳榔果蒂處可見菌絲，腐爛指數分別為2.10%和0.80%，貯藏35 d后發霉腐爛指數達到31.25%和59.38%。10 kPa處理組初始發霉腐爛指數較對照組低，檳榔內外壓差大可使微生物細胞破裂，抑制其繁殖，但同時也會破壞植物的細胞組織，增加膜透性，給微生物繁衍提供較多的營養物質，致使后期腐爛率急劇升高至59.38%，顯著高于對照組。20 kPa、30 kPa預處理組在貯藏7 d后無明顯發霉現象，14 d后，腐爛率均為2.50%，與對照組(6.50%)差異顯著(P<0.05)。至第35天，其腐爛率分別為20.00%和22.00%，兩組差異不顯著(P>0.05)(圖3)。

2.4 減壓預處理對檳榔可溶性固形物的影響

可溶性固形物(SSC)含量是反映檳榔口感的重要指標之一。可溶性固形物主要指可溶糖類，其含量高低反應了檳榔口感好壞。隨著時間的推移，SSC含量呈逐漸下降的趨勢。20 kPa、30 kPa預處理在貯藏35 d時仍保持了較高的SSC含量，分別為初始值的86.3%和84.8%，對照組為初始值的80.9%。20 kPa處理組與對照組差異極顯著(P<0.01)，30 kPa處理組與對照組差異顯著(P<0.05)，10 kPa處理組初始SSC含量與其他減壓預處理組無顯著差異，后期因細胞破裂，微生物增多，消耗較多的可溶性固形物，僅為初始值的76.3%(圖4)。

圖3 減壓預處理對檳榔腐爛率的影響Fig.3 Effect of hypobaric treatments on decay rate

圖4 減壓預處理對檳榔可溶性固形物的影響Fig.4 Effect of hypobaric treatments on soluble solids content

3 減壓預處理后檳榔氣調貯藏品質變化的模型表征

檳榔貯藏品質的下降表現在外觀(表皮色差)、相對電導率、腐爛率和營養品質(以可溶性固形物含量為代表)的變化。研究減壓預處理后檳榔的品質變化模型，有利于了解檳榔在貯藏期間的指標變化規律。食品貯藏過程中的品質變化可用化學反應動力學對其進行描述，不同指標的變化規律不盡相同。大多數品質變化是一級動力學反應，即指標的對數值與貯藏時間存在線性關系。模型如下：

C=C0ekt

(1)

式中，t為貯藏天數，C為貯藏t天時指標值，C0為指標的初始值，k為化學反應速率。

3.1 模型建立

為使不同壓強條件下的指標變化規律能采用統一的模型進行表征，將相對電導率和可溶性固形物進行變換，使指標結果統一為過原點并呈逐漸增長趨勢的曲線。即

(2)

式中，P′為相對電導率變化率，Pi為貯藏i天后檳榔的相對電導率，P0為貯藏初期的相對電導率，S′為可溶性固形物變化率，Si為貯藏i天后檳榔的可溶性固形物含量，S0為貯藏初期的可溶性固形物含量。

適當的減壓預處理能有效提高檳榔貯藏品質，隨著貯藏時間的推移，經數學變換后各項品質參數呈指數上升趨勢，簡化一級反應模型并建立檳榔品質參數隨貯藏時間變化的指數模型：

Qn=ekt-1

(3)

式中，Qn為檳榔隨時間變化的指標參數，其中n=1表示Δa，n=2表示相對電導率變化率，n=3表示腐爛率，n=4表示可溶性固形物變化率。

3.2 模型驗證及其參數識別

為驗證式(3)的準確性，將式(3)進一步變換為：

ln(Qn+1)=kt

(4)

同時，結合試驗數據，利用目標函數對式(4)中的模型參數進行識別。

(5)

式中，δ為殘差平方和，當δ?min時，可得出對應模型參數；eTi、eEi分別為檳榔貯藏i天后品質參數的模型值、試驗值。

利用式(5)對式(4)中的模型參數進行表征，可得到不同壓強處理后貯藏品質模型的模型參數(表1)。簡化后的一級反應模型能較好地表示貯藏期內檳榔品質的變化，除20 kPa處理組的相對電導率指標模型外，其余模型相關系數R2均在0.9以上。

由圖5—8可知，檳榔在氣調貯藏過程中，其品質變化與預處理壓強存在相關性，在20 kPa、30 kPa、101 kPa對照組中，隨著預處理壓強的增加,k值變大，即指標變化越明顯，品質下降越快。10 kPa處理組由于壓強過低，超出檳榔壓強可承受范圍，導致檳榔品質變化機理發生變化。k值最大，貯藏品質最低，說明預處理壓強越低其保鮮影響并非越好，這與王亞萍等[20]用不同壓強對冬棗進行處理得出的結論一致。

表1 不同壓強處理條件下各指標的模型參數

圖5 檳榔表皮色差Δa值的模型驗證Fig.5 Model validation of Δa

圖6 檳榔相對電導率變化率的模型驗證Fig.6 Model validation of change rate of relative conductivity

圖7 檳榔腐爛率的模型驗證Fig.7 Model validation of decay rate

圖8 檳榔可溶性固形物變化率的模型驗證Fig.8 Model validation of change rate of soluble solids content

3.3 基于預處理壓強影響的指標模型統一表征

為更好地描述檳榔各品質在不同壓強處理下的變化規律，預測減壓處理后檳榔的貯藏品質，進一步對檳榔貯藏品質參數模型進行統一表征。在預處理壓強為20—101 kPa時，參數k隨著壓強的增加而增加(表1)。因此將參數k轉化為關于預處理壓強的函數，并結合式(3)得到不同指標在不同壓強預處理下的統一表征：

Qn=e(KP+C)·t-1

(6)

式中，P為預處理壓強(20—101 kPa)，K、C為模型參數。

應用最小二乘法進行不同壓強預處理下檳榔品質變化速率k與預處理壓強P的擬合，得到模型參數K、C(表2)。圖9—12可知，上述模型能有效反映不同預處理壓強下指標的變化。

表2 基于預處理壓強的指標模型參數

圖9 檳榔表皮色差△a模型參數擬合曲線Fig.9 Model parameter fitting curve of △a

圖10 檳榔相對電導率變化率模型參數擬合曲線Fig.10 Model parameter fitting curve of relative conductivity change rate

圖11 檳榔腐爛率模型參數擬合曲線Fig.11 Model parameter fitting curve of decay rate

圖12 檳榔SSC變化率模型參數擬合曲線Fig.12 Model parameter fitting curve SSC change rate

4 結論

本研究分析不同減壓預處理對檳榔氣調貯藏品質的影響，測定貯藏期內表皮色差、相對電導率、腐爛率和可溶性固形物含量的變化并建立基于預處理壓強的品質變化模型。結果表明：(1)減壓預處理通過快速降低貯藏容器內的壓強和氧氣含量，使檳榔采摘后的生理活性得到有效抑制，從而有效延緩檳榔氣調貯藏品質的下降。在20—101 kPa，預處理壓強越小，檳榔的品質越好，減壓預處理在保持檳榔細胞完整性、可溶性固形物含量和降低腐爛率上效果顯著，對檳榔的護綠效果不顯著，氣調貯藏的低氧環境具有較好的護綠保鮮效果。其中，20 kPa預處理20h保鮮效果最佳。預處理壓強過低(低于10 kPa時)則會引起細胞破壞，加快電解質的滲出，使相對電導率較高，繼而導致腐爛率加大。本研究未對保鮮機理進行深入闡明，今后需要進一步研究減壓預處理對檳榔氣調貯藏品質的保鮮作用機理。(2)建立的品質參數與預處理壓強、貯藏時間關系的數學模型，與試驗值擬合度較高，為研究減壓預處理與氣調貯藏結合處理方式對檳榔的貯藏品質影響提供依據。