不同溫度和不同初始?xì)怏w濃度對(duì)楊桃呼吸初值的影響

麥馨允，胡長(zhǎng)鷹，，*，王志偉

（1.暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東廣州 510632；2.廣東省普通高校產(chǎn)品包裝與物流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海 519070）

不同溫度和不同初始?xì)怏w濃度對(duì)楊桃呼吸初值的影響

麥馨允1，胡長(zhǎng)鷹1，2，*，王志偉2

（1.暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東廣州 510632；2.廣東省普通高校產(chǎn)品包裝與物流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海 519070）

以楊桃為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究不同貯藏溫度（5、15、25℃）和不同初始?xì)怏w比例（O2：5%、13%、21%，CO2：0%、5%、13%、20%） 條件下密閉包裝內(nèi)楊桃呼吸初值的變化。結(jié)果表明：溫度對(duì)呼吸初值的影響顯著 （p＜0.05），且遵循Arrhenius公式。O2和CO2的初始比例對(duì)呼吸初值的影響十分顯著（p＜0.05），初始?xì)怏w中O2比例升高，楊桃呼吸初值增大；CO2比例升高，楊桃的呼吸初值減小。在高溫條件下，O2和CO2初始比例對(duì)呼吸初值的影響比在低溫條件下的影響大。將Arrhenius公式與無競(jìng)爭(zhēng)型Michaelis-Menten模型結(jié)合，通過回歸分析，建立了呼吸初值與貯藏溫度、初始?xì)怏w比例的關(guān)系模型。在12℃下，對(duì)所得模型進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值的Pearson相關(guān)系數(shù)＞0.963，證明該模型可靠。

初始呼吸速率，初始?xì)怏w比例，溫度，模型，楊桃

楊桃果實(shí)采后還進(jìn)行著強(qiáng)烈的呼吸，其貨架期非常短，因此控制采后楊桃的呼吸速率對(duì)于采后保鮮非常重要。而呼吸初值是呼吸速率的一種重要參數(shù)，呼吸初值是指鮮果在采用氣調(diào)保鮮時(shí)刻起，在適當(dāng)?shù)馁A藏時(shí)間內(nèi)（1~7h）表現(xiàn)出來的呼吸速率數(shù)值。研究呼吸初值的意義在于：a.根據(jù)果蔬呼吸初值大小差異來對(duì)果蔬呼吸強(qiáng)度進(jìn)行等級(jí)劃分，果蔬的呼吸初值與其耐貯性之間存在著負(fù)相關(guān)關(guān)系，呼吸初值越小，其保質(zhì)期通常越長(zhǎng)；b.呼吸初值與溫度的關(guān)系體現(xiàn)了鮮果呼吸對(duì)溫度變化的敏感性，在貯藏過程中，要控制好對(duì)溫度比較敏感的果蔬的貯藏溫度，避免因溫度漂移和波動(dòng)而造成的果蔬代謝紊亂和質(zhì)量受損[1]。

再者，呼吸速率是溫度、O2和CO2濃度的函數(shù)，一般來說，低溫、低O2和高CO2含量可減少O2的吸收和CO2的釋放，達(dá)到果蔬保鮮的效果。氣調(diào)包裝（Modified atmosphere packaging，MAP）主要應(yīng)用于采后新鮮農(nóng)產(chǎn)品的保鮮，MAP替換包裝內(nèi)的氣體組分，使果蔬貯藏的包裝內(nèi)達(dá)到合適的貯藏氣體氛圍，從而降低采后果蔬的呼吸速率，延緩果蔬的衰老。MAP保鮮技術(shù)需要一個(gè)合適的MAP設(shè)計(jì)，要求建立一個(gè)呼吸速率和溫度、氣體濃度之間的數(shù)學(xué)模型[2-3]。

本文主要研究貯藏溫度和初始?xì)怏w濃度對(duì)楊桃呼吸初值的影響，嘗試建立不同溫度和不同初始?xì)怏w濃度下楊桃呼吸初值的預(yù)測(cè)模型，以期為楊桃MAP保鮮提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

楊桃 采自珠海市某果園，品種為香蜜甜楊桃（潮州），果實(shí)質(zhì)量和體型相似，表面潔凈無破損，水果外觀色澤符合Index 2的要求[4]，即：果皮綠色，達(dá)到采收成熟，所有的水果采收后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室；氣體（N2、O2、CO2） 珠海市偉名發(fā)展有限公司，技術(shù)指標(biāo)≥99.5%。

MAP-QT200扎口氣調(diào)包裝機(jī) 溫州奔騰機(jī)械制造有限公司；森瑞真空包裝機(jī) 溫州奔騰機(jī)械制造有限公司；SPX-250BS-Ⅱ生化培養(yǎng)箱 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；Pac325 CO2/O2濃度分析儀 美國(guó)Mocon（膜康）公司；硅膠密封墊 美國(guó)Mocon（膜康）公司；5mL一次性注射器 天津市雙盛化工廠；JJ2000電子稱 常熟雙杰測(cè)試儀器廠；900mL塑料密封罐 珠海某大型超市。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)分組 將采收后的水果分4組，用清水清洗，其中3組水果隨機(jī)分別放到5、15、25℃的生化培養(yǎng)箱（濕度：90%）內(nèi)進(jìn)行預(yù)冷處理（24h），第4組作為模型的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 對(duì)影響楊桃呼吸速率的溫度因素設(shè)置了3個(gè)水平（5、15、25℃），對(duì)初始?xì)怏w濃度中O2濃 度 設(shè) 立 了3 個(gè) 水 平（5% 、13%和 21%v/v O2），CO2濃度設(shè)立了4個(gè)水平（0%、5%、13%和20%v/v CO2），以N2作為填充氣體。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的溫度和氣體濃度基本上覆蓋了采后楊桃果實(shí)氣調(diào)包裝和貯藏過程中所遇到的環(huán)境溫度和氣體比例。表1為每個(gè)溫度下具體的初始?xì)怏w濃度的設(shè)置。本實(shí)驗(yàn)一共48個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及水平表table 1 Factors and levels of experiment design

1.2.3 呼吸速率測(cè)定方法 采用密閉系統(tǒng)法測(cè)定測(cè)定楊桃果實(shí)的呼吸速率。將楊桃果實(shí)放入900mL的塑料密封罐內(nèi)，然后利用氣調(diào)包裝機(jī)向包裝內(nèi)充入目標(biāo)氣體，密封后存放到各自生化培養(yǎng)箱中儲(chǔ)藏，生化培養(yǎng)箱的溫度事先設(shè)置好，分別為5、15、25℃。貯藏4h時(shí)，用CO2/O2頂空分析儀測(cè)定包裝內(nèi)O2和CO2的體積分?jǐn)?shù)，并根據(jù)1.2.4所列的公式來計(jì)算呼吸初值。如果楊桃的呼吸商＞1.3，即發(fā)生無氧呼吸[5]。

1.2.4 呼吸速率的計(jì)算 呼吸速率（RO2和RCO2）的計(jì)算方法按照式（1）和式（2）所示[6]。

式 中 ：RO2、RCO2表 示 的 呼 吸 速 率（mL/（kg·h））；在時(shí)間間隔為△t時(shí)，容器內(nèi)O2、CO2的體積分?jǐn)?shù)之差（%）；△t表示兩側(cè)測(cè)量的時(shí)間間隔（h）；Vf表示容器內(nèi)自由體積（mL）；M表示測(cè)量水果重量（kg）。

1.2.5 模型的選擇 呼吸速率涉及了復(fù)雜的生理生化反應(yīng)，這些反應(yīng)都是在酶的催化作用下發(fā)生的，和微生物的呼吸代謝相類似，因此，F(xiàn)ishman等[7]在米氏方程的基礎(chǔ)上，考慮了CO2對(duì)O2吸收速率的影響，將CO2看做是O2的非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑，建立了無競(jìng)爭(zhēng)型Michaelis-Menten模型（M-M U模型）：

式中：R表示呼吸速率（mL/（kg·h））；[O2]、[CO2]分別表示容器內(nèi)O2和CO2的體積分?jǐn)?shù)（%）；Vm、Km和Ki為M-M U模型參數(shù)：Vm表示果蔬最大的呼吸速率（mL/（kg·h））；Km表示米氏常數(shù) （%O2，v/v）；Ki表示CO2無競(jìng)爭(zhēng)抑制系數(shù)（%CO2，v/v）。

此外，果蔬的呼吸速率隨溫度的變化規(guī)律遵循Arrhenius定理[8]，該定理可以應(yīng)用到模型的擬合中。

式中：Rref表示指前因子（mL/（kg·h））；Ea表示表觀 活 化 能（kJ/mol）；Rgas表 示 理 想 氣 體 常 數(shù)（8.314J/（mol·K））；T表示絕對(duì)溫度（K）。

1.2.6 模型的驗(yàn)證 為了驗(yàn)證所建立的初始呼吸速率模型在5～25℃內(nèi)其他溫度的預(yù)測(cè)性能，本文進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，所用的溫度為12℃。

1.2.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 采用SPSS 13.0進(jìn)行方差分析，差異顯著性分析采用最小顯著差數(shù)法（LSD法），利用1stOpt 1.5對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸得出數(shù)學(xué)模型的參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度對(duì)楊桃呼吸初值的影響

不同溫度和不同初始?xì)怏w濃度下，楊桃初始RO2和RCO2的范圍分別為1.25～26.10mL/（kg·h）和1.41～26.51mL/（kg·h）（圖1、圖2）。溫度對(duì)楊桃的呼吸初值的影響顯著（p＜0.05），所有處理中，RO2和RCO2都隨著溫度的升高而增大，溫度對(duì)呼吸初值的影響在高溫（25℃）下更顯著（p＜0.01）。所有氣調(diào)比例中，貯藏溫度從5℃升高到25℃，初始RO2和RCO2增加了3~7倍。Nei[9]，Torrieri[10]和Iqbal等[11]都發(fā)現(xiàn) ，溫度越 高 ，切 分的 甘 藍(lán)絲、“Annurca”蘋果和胡蘿卜絲的呼吸速率越大。改變溫度可以抑制楊桃一些相關(guān)酶的活性，從而限制果實(shí)的新陳代謝，因此可以通過冷藏顯著降低果蔬的呼吸速率。

圖1 溫度和O2初始?xì)怏w比例對(duì)呼吸初值RO2的影響Fig.1 Influence of temperature and initial O2concentration on initial O2depletion rates（RO2）

楊桃呼吸初值隨溫度的變化規(guī)律遵循Arrhenius定理，不同初始?xì)怏w濃度下的擬合的Rref和Ea值見表2，擬合效果很好（0.912＜r＜0.999）。初始RO2和RCO2的Rref范圍為4.95×106～3.37×109。對(duì)于一般的采后產(chǎn)品來說，Ea值的范圍一般為29.0～92.9kJ/mol[12]，本研究中初始 RO2和RCO2的 Ea值 范 圍 為 31.31 ～49.81kJ/mol，初 始RO2和RCO2的Ea均值分別為39.46kJ/mol和36.49kJ/mol。不 同 的 初 始 氣 體 濃 度 下 ，初 始 RO2和 RCO2的Rref和Ea值在統(tǒng)計(jì)學(xué)上無顯著差異（p＞0.05）。

圖2 溫度和O2初始?xì)怏w比例對(duì)呼吸初值RCO2的影響Fig.2 Influence of temperature and initial O2concentration on initial O2depletion rates（RCO2）

2.2 不同初始?xì)怏w濃度對(duì)楊桃呼吸初值的影響

初始O2和CO2濃度對(duì)楊桃呼吸初值有顯著的影響（p＜0.05）。由圖1、圖2可知，初始?xì)怏w中O2比例高，楊桃的呼吸初值隨之增大；增加初始?xì)怏w中CO2的比例，呼吸初值則下降。

表2 不同初始?xì)怏w濃度的Arrhenius公式的參數(shù)估值Table 2 Pre-exponential factor（Rref）and apparent activation energy（Ea） of Arrhenius type equation for different initial gas concentration

圖1可知，從不同的初始O2濃度來看，初始的O2濃度從21%下降到5%，可以顯著的降低貯藏在5～25℃的楊桃的呼吸初值（p＜0.05）。然而，初始的O2濃度從21%下降到13%，貯藏在5～25℃的楊桃的呼吸初值下低的效果不顯著（p＞0.05）。此外，初始的O2濃度從13%下降到5%，可顯著降低貯藏在15和25℃條件下楊桃的呼吸初值（p＜0.05），而對(duì)貯藏在5℃下的楊桃的呼吸初值的影響不顯著（p＞0.05）。

由以上分析可以得出，O2濃度從21%向13%、5%遞減的時(shí)候，楊桃的初始呼吸作用受到的抑制并不是直線型的變化，在O2濃度下降到一定界限前，呼吸初值變化不大；一旦低于這一界限，呼吸初值顯著下降（p＜0.05）；如果O2繼續(xù)遞減，則對(duì)呼吸作用的抑制效果不顯著（p＞0.05）。由此可知，在較高的貯藏溫度下，降低初始O2的濃度，可以顯著降低楊桃的呼吸初值。

由圖2可知，初始CO2濃度對(duì)楊桃呼吸初值的影響和初始O2濃度對(duì)其的影響類似。從不同的初始CO2濃度來看，初始的CO2濃度從0%升高到5%，0%升高到13%和0%升高到20%，可以顯著的降低貯藏在5～25℃的楊桃的呼吸初值（p＜0.05）。但是，初始的CO2濃度從13%升高到20%，貯藏在5～25℃的楊桃的呼吸初值下降的效果不顯著（p＞0.05），由此可得，為了不必要的浪費(fèi)，無需把初始CO2濃度提高到13%以上。此外，初始的CO2濃度從5%上升到13%，可顯著降低貯藏在15和25℃條件下楊桃的呼吸初值（p＜0.05），而對(duì)貯藏在5℃下的楊桃的呼吸初值的影響不顯著（p＞0.05）。

由以上分析可以得出，初始CO2濃度從21%向13%、5%遞減的時(shí)候，楊桃的呼吸作用受到的抑制并不是直線型的變化，在CO2濃度下降到一定界限前，呼吸初值變化不大；一旦低于這一界限，呼吸初值顯著下降（p＜0.05）；如果CO2繼續(xù)遞減，則對(duì)呼吸作用的抑制效果不明顯（p＜0.05）。由此可知，在較高的貯藏溫度下，升高初始CO2的濃度，可以顯著降低楊桃的呼吸初值。

表3 影響RO2因素的方差分析結(jié)果Table 3 Tests of between-subjects effect on RO2

表4 影響RCO2因素的方差分析結(jié)果Table 4 Tests of between-subjects effect on RCO2

2.3 呼吸初值影響因子的敏感性

因素水平的波動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響可以通過均方的大小來判斷。由表3、表4可知，MS溫度＞MSCO2＞MSO2，因此呼吸初值影響的因素的主次順序?yàn)闇囟龋綜O2＞O2。溫度對(duì)楊桃呼吸初值的影響比初始?xì)怏w濃度的影響要大，同樣的現(xiàn)象也發(fā)生在他人研究上。例如番石榴，溫度對(duì)其呼吸速率模型的影響達(dá)到51.41%[13]。 另 外 ，F(xiàn)onseca等[14]也 曾 發(fā) 現(xiàn) 溫 度 是 對(duì)Galega kale 的 呼 吸 速 率 影 響 最 大 的 因 素 ：把 貯 藏溫度從20℃降低到1℃，RCO2和RO2分別降低了90%和88%。

2.4 不同溫度和不同初始?xì)怏w濃度下楊桃呼吸初值的模型的建立

表5 不同溫度下楊桃M-M U模型的參數(shù)估值Table 5 Model parameters for M-M U model at different storage temperatures for initial respiration rate of O2and CO2

利用楊桃呼吸的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值對(duì)無競(jìng)爭(zhēng)型M-M方程進(jìn)行了回歸分析，得到不同溫度下M-M U模型的參數(shù)估計(jì)值（表5）及相應(yīng)的Pearson相關(guān)系數(shù)值，r＞0.960，可以看出，M-M U模型有很好的擬合效果。

Vm代表著果蔬的最大呼吸速率[15]。在本文中，不同溫度下，RO2和RCO2的Vm分別是10.39～35.52mL/（kg·h）和9.35～33.75mL/（kg·h）。Vm隨著溫度的升高而升高，溫度對(duì)果蔬的生理和生化反應(yīng)有著很強(qiáng)的影響力，從而影響到果蔬的呼吸速率。

不 同 溫 度 下 ，RO2和 RCO2的 Km值 分 別 是 5.81% ～8.38%和6.64%～6.77%。Km代表了果蔬對(duì)O2濃度的敏感性。Km值偏小，意味著降低O2的濃度更能減少果蔬的呼吸速率[16]。Km隨溫度變化的趨勢(shì)和段華偉等的研究一致[17]，Km隨著溫度的升高而降低，表明了隨著溫度的升高，楊桃果實(shí)對(duì)擴(kuò)散有著較低的阻力[18]，較低的O2濃度可以降低呼吸初值，尤其是在較高的貯藏溫度下更顯著。

不同溫度下，RO2和 RCO2的 Ki值 分 別 是 5.47% ～8.52%和6.49%～9.93%。Ki是抑制常數(shù)，Ki值高，表明了對(duì)CO2有著更高的耐性[16]。小的Ki值意味著對(duì)呼吸速率的抑制作用低，可以忽略[19]。由表5可知，CO2的抑制作用隨著溫度的升高而升高，由此可得出，在較高的貯藏溫度下，CO2對(duì)楊桃果實(shí)呼吸初值的抑制作用較大。

M-MU參數(shù)Vm，Km和Ki都對(duì)溫度敏感，隨著溫度的升高，Vm和Ki值升高，Km值下降。Mangaraj等[20]建立的 山 欖 果的 呼吸 模 型 參 數(shù) 和Gomes等[21]建 立 的 鮮 切“Rocha”梨的呼吸模型參數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)與本文有相似之處。由于M-M U模型參數(shù)對(duì)溫度有很強(qiáng)的 依 賴 性 ，Ravindra 和 Goswami等[22]建 議 用 Arrhenius公式來表示模型參數(shù)，因此將三者的值分別與Arrhenius公式擬合，得出Arrhenius公式的估計(jì)參數(shù)值（表6），擬合效果好（0.954＜r＜0.987）。

表6 Arrhenius公式的參數(shù)估值Table 6 Pre-exponential foctor（Rref）and apparent activation energy（Ea） for Arrhenius-type equation for different model parameters of M-M U model

Vm值為正，而Km和Ki則不一定為正[23]。本研究中，Km（O2）和 Km（CO2）的 Ea分 別 為 -12.16、-0.66kJ/mol，為負(fù)值可能是因?yàn)殡S著溫度的升高，擴(kuò)散的阻力下降。

無論是M-M U模型的參數(shù)估值還是Arrhenius公式的參數(shù)估值，其相關(guān)系數(shù)均高于0.95，表明M-M U模型結(jié)合Arrhenius公式的呼吸速率綜合模型能夠很好的模擬楊桃的呼吸初值。從上面可以得到不同溫度、不同初始?xì)怏w比例下，楊桃呼吸初值的綜合模型為：

圖3 楊桃在12℃、不同初始?xì)怏w比例下RO2和RCO2實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值的相關(guān)性Fig.3 Relationship between experimental and predict initial respiration rate values of carambola

楊桃在12℃下的呼吸初值可通過式（1）、（2）得出實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值，而楊桃呼吸初值的預(yù)測(cè)值通過模型（5）、（6）計(jì)算得到，圖3為12℃下楊桃RO2和RCO2的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，RO2和RCO2的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.977和0.963（α=0.01）。因此，該模型能很好的預(yù)測(cè)不同溫度、不同初始?xì)怏w比例條件下楊桃的呼吸初值。

3 結(jié)論

3.1 采用密閉系統(tǒng)法測(cè)量楊桃的呼吸速率，影響楊桃的呼吸初值的因素有貯藏溫度和初始?xì)怏w組分的濃度，其中，這3個(gè)因素對(duì)楊桃呼吸初值影響的敏感程度為溫度＞CO2＞O2，貯藏溫度對(duì)楊桃呼吸初值的影響最大。

3.2 降低O2初始濃度或增加CO2初始濃度都會(huì)抑制楊桃的呼吸初值，在高溫條件下降低O2初始濃度或增加CO2初始濃度，其影響更加明顯。

3.3 利用無競(jìng)爭(zhēng)型Michaelis-Menten模型和Arrhenius公式對(duì)楊桃建立了包含溫度、不同O2初始濃度和CO2初始濃度的呼吸初值預(yù)測(cè)模型，經(jīng)驗(yàn)證，該模型可靠。

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The influence of temperature and different initial gas concentrations on the initial respiration rate of carambola

MAI Xin-yun1，HU Chang-ying1，2，*，WANG Zhi-wei2
（1.Department of Food Science and Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，China；2.Key Laboratory of Product Packaging and Logistics of Guangdong Higher Education Institutes，Zhuhai 519070，China）

Initial respiration rate of carambola was measured at storage temperatures of 5℃ ，15℃ and 25℃under different gas composition of O2（5% ，13% ，21% ） and CO2（0% ，5% ，13% ，20% ） in this work.The results showed as below.Carambola initial respiration rate significantly increased with temperature （p＜0.05），and this influence followed an Arrhenius-type relationship.Initial O2and CO2concentration significantly influenced initial respiration rate （p ＜0.05 ）.Initial respiration rate was increased when initial O2concentration was increased ，while initial respiration rate was decreased when initial CO2concentration was increased.Initial respiration rate significantly decreased when the initial O2concentration was reduced or initial CO2concentration was increased at the higher temperatures （15 to 25℃ ） （p＜0.05）.The influence of initial gas composition on initial respiration rate was described by Michaelis-Menten uncompetitive model and the constants of this model followed an Arrhenius-type equation，and the modeling which contained initial respiration rate，temperature and initial gas concentration was established by analysis of regression.The model was confirmed with the experimental data at 12℃ ，and the Pearson correlation exceeded 0.963 that showed the fair agreement between experimental data and predicted data using this model.

initial respiration rate；gas concentration；temperature；respiration model；carambola

TS255.3

A

1002-0306（2014）22-0317-06

10.13386/j.issn1002-0306.2014.22.061

2013－08－28

麥馨允（1987－），女，碩士研究生，研究方向：果蔬貯藏。

* 通訊作者：胡長(zhǎng)鷹（1968-），女，博士，教授，研究方向：食品安全。

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（10151063201000021）；珠海市科技攻關(guān)項(xiàng)目（PC20061044）。