新鮮水果貨架期預測模型的研究進展

牛瑞雪, 李雪茹, 路方慧, 疏如心, 張東京

（宿州學院生物與食品工程學院, 安徽宿州 234000）

食品的貨架期是當食品處于適宜的貯藏條件下, 能夠保持理想的感官、理化和微生物特性, 且保留的營養價值與標簽上聲明的營養價值完全匹配的一段時間[1]。新鮮的水果富含營養物質, 在人體營養需求和調節生理功能等方面扮演重要的角色[2]。但由于微生物、物理化學反應及外界環境的變化, 水果易腐爛變質。據統計, 我國超出80%的水果都以普通物流為主要運輸方式, 采后果蔬生產總量的20%～30%均被損失[3]。因此, 新鮮水果貨架期的預測可以用于監控水果的品質。

從影響水果貨架期的主要原因開始分析, 了解導致新鮮水果品質改變的因素及引起的品質變化, 其次探討了水果貨架期的監測指標, 包括理化指標、微生物指標和感官指標；由于不同水果變質的特征品質指標是不同的, 所以最后對影響水果貨架期的不同因素分別進行動力學模型的預測。

1 影響水果貨架期的主要因素及品質變化

1.1 影響水果貨架期的主要因素

水果極易腐爛變質, 貨架期相對于其他食品較短。影響水果貨架期的因素也有很多, 通常將其分為內因和外因[4], 內因主要是水果本身的特性, 如pH值、水分活度、微生物含量和酶的活性等；外因是指水果賴以生存的外界環境的各種因素, 如溫度、濕度、氣體等。準確分析導致水果品質變化的因素是預測新鮮水果貨架期模型的基礎。

1.1.1 微生物的影響

引起水果腐敗變質的微生物主要有細菌、酵母菌和霉菌。果實貯藏過程中, 表面的角質層、蠟質漸漸發生變化, 有氣孔或裂紋出現, 自身調控能力喪失, 而水果表面微生物在生長和繁殖過程中會產生各種的酶類物質就會通過開孔自然地進入細胞內部, 使水果中的營養物質分解, 水果品質降低進而發生質變和腐爛[5]。此外, 水果在加工、流通過程中, 還有可能會受到環境中微生物的二次污染。

1.1.2 物理條件的影響

在影響保質期的物理作用中, 水分遷移是一個比較關鍵的物理因素[6]。導致水分遷移的因素也有很多, 如微生物的呼吸活動會有大量的熱量產生, 即促使水果內部水分的蒸發, 導致水果的水分不斷減少[7]。在包裝的果制品中, 隨著貯藏時間的延長, 由于滲透作用外界環境的水分和氣體也會滲入到水果中, 從而改變包裝水果的內部氣體和水分環境, 導致水果品質改變。另外, 某些水果的包裝材料中含有的化學成分也會影響水果的品質。

1.1.3 化學條件的影響

水果中復雜的成分會發生許多化學反應, 包括水解反應、氧化反應、呼吸作用及乙烯的釋放。化學反應生成的酮、醛類物質會改變水果的口感和色澤, 影響水果的品質；呼吸作用會大大消耗營養物質, 果實容易變軟甚至腐爛。而作為植物的一種激素, 乙烯廣泛存在于水果組織細胞中, 尤其是成熟的水果中含量較高。呼吸躍變型的水果在采摘后的成熟過程中乙烯釋放速率顯著上升[8], 促進水果的成熟, 加速水果的腐敗變質。

1.1.4溫度的影響

溫度是影響新鮮水果貨架期的外因中最主要的因素。溫度升高, 加速水分蒸發, 細胞內化學反應加快, 導致貨架期縮短；溫度過高會使水果中營養物質破壞分解, 降低果實品質, 從而使貨架期時間相對減少；溫度過低又會使水果出現“凍害”現象, 間接影響水果的貨架期。合適的溫度能夠抑制微生物的生長和繁殖, 有效延長水果的貨架期, 提高水果品質。曾麗萍等人[9]研究發現, 新鮮菠蘿蜜采摘后在8～12℃下貯藏能夠顯著抑制其硬度下降現象及水分、可溶性糖的降解損失。周穎君等人[10]提出4～10℃是獼猴桃的最適貯藏溫度, 該溫度下能減少維C的損失, 延長水果貨架期。溫度對水果貨架期的影響是多方面的, 不適宜的溫度就會加速微生物、物理條件和化學條件對水果產生的影響, 對水果品質造成威脅。

1.2 水果的品質變化

1.2.1 化學變化

水果采摘后, 在貯藏、運輸和銷售的過程中發生一系列的化學反應, 水果的品質會逐漸降低。還原糖及維C會作為反應物參與非酶褐變轉化成各種中間產物和終產物, ATP逐漸分解；氨基酸或蛋白質會發生化學反應生成各種亞胺類物質[11]；酶類會和營養物質或者碳水化合物反應產生一些低級的有害物質；脂肪酸敗和糖熱降解產生醛、酮類物質等。這些化學物質的變化都會導致水果的貨架期縮短。

1.2.2 物理和感官變化

水果的品質特性包括色澤、硬度、果肉的彈性、回復性、凝聚性等[12]。由于水分不斷流失細胞內部組織逐漸軟化, 導致質構特性即硬度、彈性逐漸下降, 持水力逐漸減小, 水果萎蔫、失鮮、失重。果實軟化是水果衰老變質的重要特征, 因此新鮮水果的品質變化研究已經成為國內外果品采后研究領域中的重要方向[13-14]。除此之外, 水果的色澤和氣味也在不斷發生改變, 美拉德反應和焦糖化反應均會生成黑褐色的物質附著在水果表面, 碳水化合物在微生物或者酶的作用下發酵變酸, 使水果產生酸臭味。

2 貨架期的監測指標

選擇合適的監測指標是構建水果貨架期模型的關鍵, 包括微生物指標、理化指標和感官指標。通過監測指標判斷水果品質變化, 確定合理的動力學模型。

2.1 微生物指標

微生物是食品新鮮程度的一個重要指標。通過對微生物數量變化可以實現對水果品質的監測。常用的微生物檢測方法有平板菌落計數法、TTC培養基法和菌落總數測定法。不同種類的微生物的腐敗機理不同, 如微球菌屬和梭狀芽孢桿菌可以分解水果中的蛋白質, 造成水果腐敗；乳桿菌屬和鏈球菌屬將碳水化合物或脂肪分解造導致水果酸??；金黃色葡萄球菌和肉毒桿菌在細胞組織中發生反應生成對人體有害的化學物質。

2.2 理化指標

在水果采摘后的流通過程中, 水果的物理變化主要是由不潔的環境和不合理的操作引起的?；瘜W變化雖然很少在食品的腐敗變質中作為監測指標, 但也會引起水果組織內部的結構發生變化, 對水果貨架期存在威脅, 而這些化學變化主要來自于脂肪氧化、美拉德反應、焦糖化作用、氧化作用及酶反應[15]。食品的穩定性與強化的不飽和脂肪酸的含量有密切的關系, 且含量越高食品穩定性越差[16]。

2.3 感官指標

感官評定法是監測食品品質中常用的方法。所謂感官評定就是利用人的感官對食品的色澤和氣味進行評價的方法。感官指標中包含的因素有水分、硬度、色澤等, 在評定過程中, 品評員在經過專業的培訓下, 通過嗅覺、味覺、觸覺、聽覺、視覺根據感官評定標準對水果的新鮮程度打分, 通過對分值的處理來預測水果的品質和貨架期。感官評定的方法多種多樣, 局限性也有所不同, 由于食品種類的不同而評定方法也有所差異。微生物指標和理化指標的監測過程通常操作復雜, 所以感官指標在監測水果貨架期中有重要地位。李麗娜等人[17]從外觀、質地、風味等方面對蘋果進行了感官評定, 并與質地結合分析建立了各項感官指標的預測模型。但感官評定也存在一定的缺陷, 當樣品大量存在時很容易產生疲勞, 此外品評員喜好的不同、感官靈敏度的差異都會使評定結果發生偏差, 結果可能不具備客觀公正性。

3 新鮮水果貨架期模型的預測

利用動力學模型來預測食品的貨架期是目前關于食品品質的熱點研究方向?；诓煌钠焚|影響因素可以建立不同的動力學模型, 是將水果中的微生物在貯藏和流通過程中的特征數據提供給計算機, 通過動力學公式處理, 判斷微生物的數量和狀態, 從而對水果的貨架期進行快速預測[18]。要準確預測貨架期就要選擇合適的動力學模型, 胡位歆等人[19]采用Arrhenius方程建立了15, 30℃下新鮮草莓采摘后營養素的保存率方程, 準確預測了草莓的貨架期。劉曉慧等人[20]采用Gompertz模型建立了菠菜中的金黃色葡萄球菌在不同溫度條件下的生長速率方程, 為菠菜貨架期的預測提供理論依據。為了能更完整地分類常用一級模型、二級模型和三級模型來劃分[21]。有研究表明, 一級模型是表征微生物在一定條件下微生物數量與時間的關系；二級模型是考慮了環境因素, 體現環境變化對一級模型中參數的影響；三級模型是一種的計算機化軟程序, 是將一個或者多個一級模型和二級模型整合在一起的復雜動力學模型[22]。

3.1 一級模型

一級模型是描述一定條件下微生物與時間之間的數量關系, 這種線性關系可以用曲線表示, 曲線由延滯期、對數期、穩定期和衰亡期4個數值組成。該模型簡單易用, 使用范圍較廣泛, 近年來常用的一級模型有線型模型、邏輯斯蒂克方程（Logistic function）、Gompertz模型、修正的Gompertz模型和Baranyi &Roberts模型[23]。

3.2 二級模型

二級模型適用于多個因素作用下的食品貨架期的研究, 是以一級模型為背景, 探討各種環境因素如溫度、pH值、AW對微生物的作用[24], 預測食品的貨架期。包括平方根模型、反應表模型、Arrhenius模型、Q10模型、Z值模型等。

3.3 三級模型

三級模型是一級模型和二級模型結合的最終形式, 功能強大, 亦被稱做專家模型[25], 是通過計算機軟件建立大量的微生物動力生長模型, 是一門新興學科。目前, 全球該種模型的軟件有十幾種。三級模型作用是：基于不同的環境因素對微生物的生長影響進行預測；對不同環境因素造成微生物的影響程度進行預測；同一生長環境下不同微生物的生長狀況進行預測。常用的三級模型包括FM模型、PMP模型、MRV模型SSSP模型、ComBase模型等。其中, PMP模型操作過程簡單, 使用率較高；SSSP模型主要應用于水產品貨架期的預測；ComeBass模型是幾種軟件的結合體, 可以更加全面地對食品貨架進行預測[26]。

4 結語

腐敗變質的水果會危害人類的身體健康, 一定程度上也帶來了經濟損失, 所以保證水果的品質安全和監測水果的貨架期具有非常積極的意義。介紹了一級模型、二級模型及三級模型, 為水果的品質監控提供合理依據, 深入了解動力學模型在水果品質安全領域的優越性。

食品貨架期一直以來是人們關注的食品安全的焦點, 目前利用動力學模型對貨架期進行預測的進展在水產品方面取得了良好的研究進展, 但在水果方面的應用尚處于初期階段。此外, 現有的動力學預測模型事實上尚未能完整地判斷出食品中微生物的所有增殖情況, 高精確性的模型有待研究。雖然國外有很多關于動力學模型的研究, 而其中并未能完全體現食品中微生物的多樣性。建立動力學模型本身存在許多挑戰, 如微生物的生理反應十分復雜, 各環境因子之間、食品中微生物及營養成分之間的相互作用尚不得知等。因此, 我國生物學家將會面臨新的挑戰, 此外微生物生長模型涉及廣泛, 需要各個領域科學家的共同努力。