密閉系統(tǒng)下鮮切獼猴桃呼吸代謝特性研究

　　摘要：目的 探究鮮切獼猴桃的呼吸代謝特性，為氣調(diào)包裝的設(shè)計及鮮切獼猴桃貨架期的預(yù)測提供參考。方法 以“海沃德”獼猴桃為試材，采用密閉系統(tǒng)法，對鮮切獼猴桃貯藏過程中密閉系統(tǒng)中的氣體體積、乙醇含量及相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測定。結(jié)果 隨著貯藏時間的增加，密封系統(tǒng)內(nèi)逐漸進(jìn)入低氧狀態(tài);對鮮切獼猴桃的呼吸速率進(jìn)行擬合，其擬合度較高;基于 Michaelis-Menten 方程建立了鮮切獼猴桃的酶動力學(xué)呼吸模型，該方程的決定系數(shù)(R 2)在 0.9 以上，最大呼吸速率為 6.36 mL O2/(kg • h)和 6.53 mL CO2/(kg • h);果實的乙醇含量在 144 h 后驟然上升，這可能是鮮切水果密閉包裝條件下的發(fā)酵閾值點。結(jié)論 鮮切獼猴桃的呼吸代謝過程符合一級動力學(xué)特性，米氏模型的擬合度較高。本研究中鮮切獼猴桃于 144h 后進(jìn)入無氧呼吸狀態(tài)，可為 MAP 的設(shè)計及鮮切獼猴桃貨架期的預(yù)測提供參考。

　　本文源自王云香; 李文生; 孟燕華; 周家華; 常虹; 王寶剛， 包裝工程 發(fā)表時間：2021-06-23

　　關(guān)鍵詞：獼猴桃;呼吸速率;發(fā)酵閾值;品質(zhì);密閉系統(tǒng)

　　鮮切水果又被稱為輕加工水果，是在保持水果產(chǎn)品生鮮狀態(tài)、保留產(chǎn)品原有的風(fēng)味和營養(yǎng)成分的基礎(chǔ)上，最少加工的水果產(chǎn)品。鮮切水果具有快捷、方便、衛(wèi)生等特點，國內(nèi)的需求量也是越來越大，存在著具大的商業(yè)潛力[1-3]。獼猴桃是公認(rèn)的“Vc 之王”，果實中的 Vc 含量很高，且其果實鮮香多汁，酸甜適口，受到消費者的廣泛喜愛。鮮切獼猴桃也成為鮮切水果中不可或缺的產(chǎn)品。但由于獼猴桃鮮切加工后呼吸作用強烈，易失水、軟化或腐爛，導(dǎo)致產(chǎn)品的貨架期短，保鮮難度大[4]。

　　國內(nèi)外針對鮮切水果的保鮮技術(shù)已開展了較多研究，例如氣調(diào)保鮮[5]、臭氧處理[6]、涂膜保鮮[7,8]、冷等離子[9]處理等。其中，氣調(diào)包裝(modified atmosphere packaging,簡稱 MAP)技術(shù)在果蔬保鮮方面取得較好效果。在氣調(diào)包裝系統(tǒng)中，包裝薄膜的透氣性與果蔬的呼吸作用會形成平衡，使包裝的內(nèi)環(huán)境中氧氣體積分?jǐn)?shù)低而二氧化碳體積分?jǐn)?shù)高，從而抑制了果蔬的呼吸和生理代謝作用，從而延長果蔬貯藏時間的一種包裝技術(shù)[10]。氣調(diào)包裝的設(shè)計與包裝產(chǎn)品自身的呼吸速率、貯藏環(huán)境的溫度和相對濕度等因素有關(guān)。對于恒定溫濕度條件下，果實呼吸速率模型的建立對于氣調(diào)包裝的設(shè)計非常重要[11-12]。因此，本研究擬通過研究鮮切獼猴桃在密閉系統(tǒng)中的呼吸速率變化規(guī)律，建立呼吸代謝的模型，預(yù)測其發(fā)酵閾值，為鮮切獼猴桃的貨架期預(yù)測提供理論依據(jù)。

　　1 材料方法

　　1.1 材料與設(shè)備

　　供試原料為“海沃德”獼猴桃，產(chǎn)地陜西，購自北京新發(fā)地農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場。挑選成熟度一致(硬度約為 7.8 kg/cm2)，果形基本一致，果面完好，無機械傷、無病害、潔凈的果實經(jīng)預(yù)冷至 4℃后備用。

　　乙醇標(biāo)品，色譜級，純度為 99.9%，購買自美國 Sigma-Aldrich 公司。 O2/CO2氣體分析儀(CheckMate II 型)，F(xiàn)T-02 型硬度計(探頭直徑 6 mm)，PAL-1 型折光儀，794 型電位滴定儀，Waters 2695 液相色譜儀。

　　1.2 樣品制備

　　將獼猴桃果實浸泡于 200 mg/L 次氯酸鈉溶液中消毒 2 min，取出后清水漂洗 3 次，去皮、切片(厚度 10 mm)，然后裝入密閉系統(tǒng)中，密封，貯藏于冷庫中(4±0.5℃)。每盒樣品約 0.4 kg，初始時密封系統(tǒng)中氣體條件為大氣狀態(tài)(21℅ O2、0.03℅ CO2)。試驗重復(fù)三次。

　　1.3 密閉系統(tǒng)的設(shè)計

　　本研究所使用的密閉系統(tǒng)如圖 1 所示。根據(jù)實驗樣品體積選擇適宜大小、密封性良好的樂扣保鮮盒(聚丙烯，PP 材質(zhì))，然后在盒蓋上打孔，安裝硅膠管用于氣體取樣與循環(huán)。試驗前進(jìn)行了密閉性測試，密封盒密閉性良好。用排水法測得此密閉系統(tǒng)的體積為 1.2 L，產(chǎn)品占用體積約 0.8 L，自由體積約 0.4 L。

　　1.4 測定項目

　　1.4.1 品質(zhì)指標(biāo)

　　果實硬度和可溶性固形物含量分別采用硬度計 (FT-02, Facchini, Italy, 探頭直徑 6 mm) 和糖度計 (PAL-1, Atago, Japan)進(jìn)行測定[13];果實可滴定酸含量的測定用電位滴定儀進(jìn)行 [14];Vc 含量的測定采用高效液相色譜法 [15]。在原料品質(zhì)指標(biāo)測定時，硬度和可溶性固形物取 10 個果進(jìn)行測定，平行 10 次;可滴定酸和 Vc 含量測定將 10 個果混合，重復(fù) 3 次。在鮮切獼猴桃貯藏過程中，可溶性固形物取 10 片果進(jìn)行測定，平行 10 次;可滴定酸和 Vc 含量測定將 10 片果混合，重復(fù) 3 次。單果重采用天平(TE601-L 電子天平，德國賽多利斯公司)進(jìn)行測定;果實橫徑、縱徑及厚度采用游標(biāo)卡尺(Santo，上海賽拓五金工具有限公司)。

　　1.4.2 氣體體積變化及呼吸速率

　　利用密閉系統(tǒng)法對包裝內(nèi)氣體體積及果實呼吸速率的變化進(jìn)行測定。具體操作為將密封盒放置于冷庫恒定的溫度條件下(4℃)密閉一定時間后，抽取密封盒中頂空氣體，測量氧氣和二氧化碳的濃度，并通過下列方程計算果實的呼吸速率[16,17]：?? ? ? ? ?? ? f i i f O M t t O t O t V R ? ?? ?? 100 2 2 2 (1) ?? ? ? ? ?? ? f i f i CO M t t CO t CO t V R ? ?? ?? 100 2 2 2 (2) 式中：RO2 和 RCO2 分別代表氧氣消耗和二氧化碳生成的速率，mL/(kg·h);[O2]ti 和 [O2]tf 分別代表測量的起始和終止時氧氣的體積分?jǐn)?shù)，%;[CO2]ti 和[CO2]tf 分別代表測量的起始和終止時二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)，%;ti和 tf分別代表測量的起始和終止時間，h; V 是密封盒的自由體積，mL;M 是樣品的質(zhì)量，kg。

　　1.4.3 呼吸商

　　呼吸商(RQ)也稱作呼吸系數(shù)，呼吸商越大，果實吸入氧氣的量就越小，氧化時釋放出的能量就越少[8]。若果實的呼吸商值發(fā)生了變化，則表明呼吸代謝消耗的底物比例發(fā)生了變化。通常認(rèn)為，當(dāng) RQ 的值大于 1.3 時果蔬則產(chǎn)生了厭氧呼吸。呼吸商的計算公式如下所示[12]： 2 2 / CO O RQ ? R R (3)

　　1.4.4 閾值

　　引發(fā)鮮果厭氧呼吸的 CO2 和 O2 氣體濃度臨界值通常被稱為發(fā)酵閾值[7]。在密閉系統(tǒng)中，CO2 和 O2 的氣體濃度存在一定的相關(guān)性，可以進(jìn)行擬合得到線性方程。根據(jù) RQ 值(大于 1.3)及得到的線性方程，結(jié)合實際測量數(shù)據(jù)代入方程后確認(rèn)閾值[18]。擬合線性方程 y=ax+b (4) 式中：a、b 為方程常數(shù);本研究中 y 指 CO2體積分?jǐn)?shù)，x 指 O2體積分?jǐn)?shù)。

　　1.4.5 酶動力學(xué)模型

　　酶動力學(xué)模型是一種常見的呼吸速率模型，研究證明作為的無競爭型抑制形式與大部分果蔬的呼吸機制類似，并以此公式來建立的模型得到了廣泛的應(yīng)用。其方程如下[16]：? ?? ? ? ?? ? 2 2 2 K 1 CO / K O V O R m i m ? ?? (5) 式中： R 代表著 果 蔬 的 呼吸速率， mL/(kg·h) ; Vm 是果蔬的 最 大 呼 吸 速 率 ， mL/(kg·h);[O2]和[CO2]分別是產(chǎn)品包裝內(nèi)部某一時刻 O2和 CO2的體積分?jǐn)?shù)，%; Km是米氏常數(shù)，%;Ki是 CO2的非競爭抑制系數(shù)，%。式(5)化作線性形式如下：? ?? ? 2 2 1 1 1 1 CO V O K V K R V m i m m m ? ? ? (6) 根據(jù)試驗測定得到的 O2和 CO2體積分?jǐn)?shù)以及計算得到對應(yīng)的 O2消耗和 CO2生成的速率，利用 spssau 線上平臺分析，得到果實的呼吸方程參數(shù)。

　　1.4.6 乙醇含量測定

　　鮮切產(chǎn)品的乙醇含量測定參考侯玉茹等[19]所用方法。稱取樣品 20.0 g，在 10 mL 的超純水中進(jìn)行研磨，隨即轉(zhuǎn)入 100 mL 的容量瓶中進(jìn)行定容，然后提取 10 min，之后先用濾紙過濾后再過 0.45 μm 濾膜，濾液當(dāng)即使用液相色譜進(jìn)樣測定。

　　液相色譜使用的色譜柱為 DB-WAX(60 m×0.25 mm×0.25 μm)毛細(xì)管柱 。色譜柱的溫度使用的是程序升溫的方法，柱溫首先在 40 ℃的條件下保持 11 min，之后以 20 ℃/min 的速率升至 220 ℃，保持 13 min。進(jìn)樣口的溫度設(shè)置為 230 ℃，使用的檢測器為 FID，溫度設(shè)置為 300 ℃。采用氮氣作為載氣，柱流量為 2 mL/min，進(jìn)樣量是 1 μL，分流比是 20:1。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 基礎(chǔ)指標(biāo)

　　在本次試驗中，獼猴桃基礎(chǔ)指標(biāo)如表 1 所示。其單果重量大于 132 g，果實縱徑大于 50 mm，可溶性固形物含量大于 11%，可滴定酸含量小于 0.8%。

　　2.2 貯藏期間氣體含量變化

　　由圖 2 可以看出，隨著貯藏時間的增加，鮮切獼猴桃密封系統(tǒng)中 O2所占的體積分?jǐn)?shù)呈降低趨勢，CO2 的體積分?jǐn)?shù)則表現(xiàn)為升高趨勢，O2 體積分?jǐn)?shù)變化曲線與 CO2 體積分?jǐn)?shù)變化曲線會在某點相交，這是典型的密閉系統(tǒng)中 O2和 CO2體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。之前有研究表明，溫度越高，密封盒內(nèi)產(chǎn)品的呼吸代謝強度越高，密切系統(tǒng)中 O2和 CO2的體積分?jǐn)?shù)變化速度越快，兩條變化曲線則越早相交[12]。在本研究中，隨著貯藏時間的增加，O2和 CO2的體積分?jǐn)?shù)變化曲線在 96 h 相交，此時 O2和 CO2的體積分?jǐn)?shù)分別為 8.80%和 9.43%，與初始的氣體成分相比，O2 含量降低了 12.2%，CO2 增加了 9.4%。在貯藏結(jié)束(156 h)時，O2 和 CO2的體積分?jǐn)?shù)分別為 7.20%和 10.79%。

　　2.3 貯藏期間呼吸速率變化

　　由圖 3 可見，鮮切獼猴桃果實的呼吸速率在貯藏初期是最高的。貯藏過程當(dāng)中，多半時間段 Ro2高于 Rco2。在 72 h 首次出現(xiàn)呼吸速率的回升高峰，在 108 h 時和 150 h 出現(xiàn)第二次和第三次，在這三個時間點 Rco2明顯升高。并且，在 72 h 和 150 h RCO2高于 Ro2 。在貯藏過程中，在 120 h 時出現(xiàn)了呼吸速率的最低值，果實的呼吸強度接近于 0。對于貯藏期間呼吸速率降低過程中出現(xiàn)回升，呼吸速率折線圖起伏，與高萌[20]的結(jié)果相一致。對此現(xiàn)象仍未有較為合理的解釋，有待進(jìn)一步深入的研究。但是，從整體看，隨著貯藏時間的不斷增加，密封環(huán)境中果實的呼吸強度整體呈不斷下降趨勢，且多數(shù)時間段 Ro2 高于 Rco2。出現(xiàn)該現(xiàn)象主要是因為密閉系統(tǒng)法的測定在封閉的容器中進(jìn)行，O2 濃度不斷下降，而 CO2 濃度不斷上升，果實呼吸強度會受到低氧環(huán)境的影響而減弱，也可以說果實的呼吸得到抑制。這種情況與前人研究中果實在密閉環(huán)境中的前高后低的呼吸速率變化規(guī)律是一致的[21- 23]。

　　2.4 呼吸商和閾值

　　鮮切獼猴桃呼吸商的變化如圖 5 所示，其值在 0.7~1.3 之間波動。根據(jù)公式(3)計算在貯藏時間是 150 h 的時候 RQ 大于 1.3，此時的氣體含量為 O2 7.6%和 CO2 10.66%。根據(jù) 1.4.4 中發(fā)酵閾值的計算方法，建立了密封盒內(nèi) O2 濃度和 CO2 濃度的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù) R 2 為 0.995，同時擬合得到了兩者的一次線性方程的如圖 4 所示，結(jié)合呼吸商出現(xiàn)時的氣體體積分?jǐn)?shù)，分別將 150 h 與前后兩個時間點的氣體分?jǐn)?shù)代入計算，根據(jù)計算結(jié)果，得到了閾值為 144 h O2 8.11%和 CO2 9.99%。根據(jù)呼吸商與呼吸閾值的結(jié)果，表明鮮切獼猴桃對低溫低氧環(huán)境有一定耐受性，可以延緩厭氧呼吸的發(fā)生，在荔枝[22]、草莓[12]等水果的研究中也得出相似的結(jié)果。

　　2.5 酶動力學(xué)模型

　　米氏模型參數(shù)的計算是采用在線分析軟件 spssau 進(jìn)行的。模型得到的各參數(shù)值如表 2 所示。兩組參數(shù)決定系數(shù)(R 2)均大于 0.9，表明該模型的擬合度較高。其中 Vm 表示果實的最大呼吸速率，最大 RO2是 6.36 mL /(kg • h)，最大 RCO2是 6.53 mL /(kg • h)。Km和 Ki是方程的常數(shù)，將其代入模型的方程中，得到鮮切獼猴桃果實的呼吸模型如下。根據(jù)該模型可以預(yù)測鮮切獼猴桃的呼吸速率。

　　2.6 貯藏期間乙醇含量的變化

　　果實進(jìn)入無氧呼吸之后，會產(chǎn)生乙醇等無氧代謝產(chǎn)物，因此，果實中乙醇含量可以作為判斷是否產(chǎn)生無氧呼吸的主要依據(jù)[24,25]。我們測定了鮮切獼猴桃貯藏過程中乙醇含量的變化。如圖 6 所示，在貯藏的初始階段，乙醇含量較低，僅有 36.52 mg/kg。且在有氧呼吸階段，乙醇含量處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。在達(dá)到發(fā)酵閾值 144 h，即進(jìn)入無氧呼吸階段時乙醇含量驟然升高。最高時的乙醇含量為 285.08 mg/kg。

　　2.7 品質(zhì)指標(biāo)

　　果實在采收后的貯藏過程中生理代謝仍在進(jìn)行。在此過程中，果實中的一些營養(yǎng)成分會作為“呼吸基質(zhì)”而被消耗。如表 3 所示，在貯藏的起始(0 h)獼猴桃果實中的可滴定酸含量最高，隨著貯藏時間的增加其含量呈現(xiàn)出了降低的趨勢;可溶性固形物含量呈現(xiàn)出緩慢升高的趨勢;而 Vc 含量最高時可達(dá)到 49.4 mg/100g，達(dá)到發(fā)酵閾值 144 h 后，Vc 含量開始下降。根據(jù)各項指標(biāo)數(shù)據(jù)我們計算出，初始狀態(tài)與貯藏結(jié)束相比，可溶性固形物含量升高了 13%，可滴定酸含量降低了 11%，Vc 含量下降了 18%。

　　3 結(jié)語

　　離體的果蔬其細(xì)胞內(nèi)仍進(jìn)行著旺盛的呼吸代謝，在一定程度上呼吸越旺盛其保鮮期越短。果蔬氣調(diào)包裝借助果蔬自認(rèn)呼吸與包裝材料的透氣性的相互作用形成能抑制果蔬呼吸的氣體環(huán)境，從而延長果蔬保鮮期[10]。因此，建立果蔬呼吸速率預(yù)測模型是氣調(diào)包裝設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一[11-12]。酶動力學(xué)呼吸模型是一種常見的呼吸速率預(yù)測模型，以此公式來建立的模型得到了廣泛的應(yīng)用[16]。該方法是將測定得到的 O2 和 CO2 體積分?jǐn)?shù)以及計算得到的對應(yīng) O2消耗和 CO2生成速率代入模型，求得果實的呼吸方程參數(shù)。在本研究中，在密閉系統(tǒng)低溫貯藏條件下，由于貯藏環(huán)境中氧氣含量減少、二氧化碳含量升高，鮮切獼猴桃呼吸速率整體呈逐漸降低趨勢，這與前人研究中果實在密閉環(huán)境中的呼吸速率變化規(guī)律是一致的[21-23]。。將試驗得到的參數(shù)代入模型，發(fā)現(xiàn)鮮切獼猴桃果實呼吸代謝過程符合一級動力學(xué)特性，模型中參數(shù)的 R 2 均大于 0.9，表明模型擬合度較高，能較好預(yù)測其呼吸速率變化規(guī)律。在 4℃密封環(huán)境中鮮切獼猴桃的最大呼吸速率為 6.36 mL O2/(kg • h)和 6.53 mL CO2/(kg • h)。果蔬呼吸分為有氧呼吸和無氧呼吸，無氧呼吸會產(chǎn)生大量乙醇等無氧代謝產(chǎn)物而影響果蔬品質(zhì)[24]。鮮切果蔬氣調(diào)包裝希望果蔬有氧呼吸降至最低安全水平但不會引起無氧呼吸。在本研究中，鮮切獼猴桃于 144h 后進(jìn)入無氧呼吸狀態(tài)，可耐受的氣體濃度為 O28.11%和 CO29.99%。本研究結(jié)果可為鮮切獼猴桃果實的保鮮及包裝材料參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)。