充氮包裝對(duì)鮮參品質(zhì)的影響及貨架期預(yù)測

徐艷陽，劉 輝，霍冰洋，張鐵華,*，張 言，孫宏賓，顏偉強(qiáng)，張 維

人參為五加科人參屬植物（Panax ginseng C. A.Meyer），味甘、微苦、性溫，素有“百草藥”之美稱，是我國傳統(tǒng)的滋補(bǔ)養(yǎng)生名貴藥材?，F(xiàn)代研究結(jié)果證實(shí)人參含有多種生物活性物質(zhì)，如人參皂苷、人參多糖、多肽類等。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)人參提取物及有效成分進(jìn)行了藥理研究、臨床觀察和流行病學(xué)調(diào)查，結(jié)果均證實(shí)人參皂苷具有提高機(jī)體免疫力[1]、抑制血小板聚集[2]、抗癌[3]、抗氧化[4]、抗疲勞[5]、降血糖[6]等多種生物活性功能。目前市場常見的人參產(chǎn)品多數(shù)是干參，尤以生曬參和紅參為主。鮮參由于水分含量高，采后貯藏不當(dāng)極易導(dǎo)致表面皮色變深、斷面變灰、香氣物質(zhì)減少。而且鮮參在貯藏過程中常產(chǎn)生蛀蟲、霉變等現(xiàn)象。尤其在收獲后一周內(nèi)，未經(jīng)任何處理保存在0～5 ℃的環(huán)境下，極易發(fā)生腐敗變質(zhì)，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致活性成分人參總皂苷的損失。

目前貯藏人參的常用方法有干燥法、埋藏法、醇悶法、冷藏法，還有用化學(xué)防腐劑（苯甲酸、山梨酸）防腐、酒精浸泡防腐、輻射處理、高溫處理、限氣或充氮處理等措施。為了滿足市場對(duì)鮮參質(zhì)量的需求，Jeon等[7]研究了氣調(diào)環(huán)境下（不同CO2體積分?jǐn)?shù)），通過對(duì)包裝中的氣體成分、人參總皂苷及游離糖含量進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在CO2體積分?jǐn)?shù)為5%的貯藏環(huán)境中歷時(shí)3 個(gè)月后外觀和理化性質(zhì)均無明顯變化；Chun等[8]使用二氧化氯處理人參以延長保質(zhì)期；Lee等[9]利用高靜壓技術(shù)不僅殺滅了人參表面的微生物，而且提高了人參的酚類化合物含量，表現(xiàn)出更高的生理營養(yǎng)特性；Jin等[10]使用電子束輻照韓國人參和紅參，延長了其貨架期。

近年來，一些國內(nèi)外學(xué)者利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)雞肉早餐腸[11]、燕麥片[12]、板栗蓉[13]、扇貝[14]、鮮切蘑菇[15]等貨架期進(jìn)行研究。例如，任斯忱等[16]通過研究花生仁與核桃仁的真空與露空的貯藏方式，建立起以過氧化值為關(guān)鍵指標(biāo)的貨架期預(yù)測模型；包海蓉等[17]通過研究真空包裝的新鮮金槍魚片和三文魚片，以菌落總數(shù)、乳酸菌數(shù)和總揮發(fā)性鹽基氮含量為關(guān)鍵指標(biāo)建立貨架期預(yù)測模型。根據(jù)模型預(yù)測充氮包裝鮮參的品質(zhì)變化及貨架期對(duì)鮮參的開發(fā)、工藝參數(shù)的優(yōu)化以及安全性的評(píng)價(jià)具有一定的實(shí)際意義。而目前通過應(yīng)用動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測氮?dú)獍b鮮人參的貨架期鮮有報(bào)道。因此，本實(shí)驗(yàn)采用純度為99.99%氮?dú)獍b鮮參，通過降低包裝內(nèi)的氧氣濃度，抑制微生物的生長和降低鮮參的呼吸作用。并通過對(duì)充氮包裝鮮人參在37、45 ℃的高溫條件下進(jìn)行加速實(shí)驗(yàn)[18]，研究人參的水分含量、總皂苷含量、菌落總數(shù)的變化規(guī)律，建立動(dòng)力學(xué)模型來預(yù)測鮮參貯藏的貨架期，為研究鮮參的保藏方法提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮參（5 年生）由吉林通化帝富醫(yī)藥有限公司提供。透明聚乙烯真空包裝袋（20 cm×15 cm×0.07 mm）為市售。

所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

AR1140型電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；C-MAG HS10型磁力攪拌儀 德國IKA公司；UV-2550型紫外-可見分光光度計(jì) 日本島津公司；MLS-3750高壓蒸汽滅菌鍋 三洋電機(jī)株式會(huì)社；PhS-3C雷磁pH計(jì) 上海精科有限公司：spx-250B-Z型生化培養(yǎng)箱、HPX-9272 MBE數(shù)顯電熱培養(yǎng)箱 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；05J02-C生物安全柜蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；RE-522A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上海亞榮生化儀器廠；VS-450T真空包裝機(jī)青島敏航包裝機(jī)械有限公司；HH-6B數(shù)顯恒溫水浴鍋金壇市富華儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 充氮包裝鮮參

選擇新采收且蘆頭、主體、須毛完好的人參（無機(jī)械損傷、無傷疤、沒有發(fā)生霉變和蟲咬），不沖洗泥土。采后在冷庫進(jìn)行快速預(yù)冷，以迅速除去人參自身帶有的田間熱，降低呼吸熱；預(yù)冷溫度為4 ℃，預(yù)冷時(shí)間3 h。

鮮參從冷庫中取出，進(jìn)行真空充氮包裝。使用前將包裝袋放入紫外光下照射20～25 min，戴無菌手套對(duì)人參進(jìn)行袋裝，對(duì)袋裝好的人參進(jìn)行充氣封口前將熱封合處使用無水乙醇消毒。熱封合溫度180 ℃，熱封合時(shí)間4 s。同時(shí)用便攜式氣體檢測儀檢測，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)均大于99%。密封后分別置于4、37 ℃和45 ℃下進(jìn)行貯藏，其中4 ℃貯藏組共貯藏120 d，每30 d測定一次指標(biāo)（此貯藏組未測定菌落指數(shù)）；37 ℃貯藏組共貯藏60 d，每15 d測定一次指標(biāo)；45 ℃貯藏組共貯藏60 d，每10 d測定一次指標(biāo)。

1.3.2 鮮參水分含量的測定

采用常壓干燥法，參考GB/T 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》[19]測定水分含量，其中以鮮參質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

1.3.3 鮮參總皂苷含量的測定

人參總皂苷標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制參考文獻(xiàn)[20]。精密稱取干燥至恒質(zhì)量的人參皂苷Re（四環(huán)三萜類衍生物）對(duì)照品10 mg，用甲醇定容到l0 mL，制成1 mg/mL的溶液。準(zhǔn)確吸取對(duì)照品溶液40、80、120、160、200、240、280 μL分別置于具塞試管中，60 ℃揮發(fā)干甲醇，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%香草醛冰醋酸溶液0.5 mL，再加0.8 mL體積分?jǐn)?shù)為70%的高氯酸，60 ℃恒溫水浴15 min，立即用自來水水浴5 min，加入5 mL冰醋酸，混勻，利用紫外-可見分光光度計(jì)在544 nm波長處測定吸光度，以吸光度為縱坐標(biāo)、人參皂苷Re質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

鮮參總皂苷含量的測定參考文獻(xiàn)[21]。將鮮參于50 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥48 h去除水分，取鮮參供試品1 g，準(zhǔn)確稱其質(zhì)量，用中性濾紙包好，置于索式提取器中，加入乙醚至提取瓶容積的1/2，微沸回流提取2 h，棄去乙醚，然后置于另一索氏提取器中加入甲醇浸泡過夜，次日加入適量甲醇開始微沸回流提取，合并甲醇提取液，回收甲醇，少量甲醇提取液置于蒸發(fā)皿中，水浴蒸干。用蒸餾水溶解提取物，加水30～40 mL置于分液漏斗中用水飽和正丁醇30 mL進(jìn)行萃取，共4 次。取上層液蒸干，加甲醇溶解后，轉(zhuǎn)移至10 mL容量瓶中，用甲醇稀釋至刻度，搖勻，即得鮮參供試溶液。按人參總皂苷標(biāo)準(zhǔn)曲線制作方法（將標(biāo)準(zhǔn)溶液換成供試溶液）再次測定544 nm波長處的吸光度，根據(jù)繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出總皂苷含量（結(jié)果以鮮參質(zhì)量計(jì)）。

1.3.4 鮮參菌落總數(shù)的測定

依據(jù)GB/T 4789.2—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測定》[22]稀釋涂布平板計(jì)數(shù)測定菌落總數(shù)。稱取25 g鮮參的粉碎樣品（過60目篩），放入盛有225 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.85%生理鹽水的無菌均質(zhì)杯內(nèi)，8000 r/min均質(zhì)2 min，制成質(zhì)量比1∶10樣品勻液。之后使用移液槍進(jìn)行梯度稀釋，選擇合適的2～3 個(gè)稀釋度，吸取1 mL樣品勻液于無菌培養(yǎng)皿內(nèi)，滴加至45 ℃左右的平板計(jì)數(shù)培養(yǎng)基上，混勻后37 ℃下培養(yǎng)24 h，記錄菌落數(shù)目。菌落計(jì)數(shù)以菌落形成單位（colony-forming units，CFU）表示。

1.3.5 真空充氮包裝鮮參品質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建方法

食品貯藏過程中，大多數(shù)品質(zhì)變化的反應(yīng)都遵循零級(jí)（式（1））或一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（式（2））規(guī)律?？捎檬称返钠焚|(zhì)指標(biāo)A（營養(yǎng)素、特征風(fēng)味等）的損失或不良品質(zhì)指標(biāo)B（有害物質(zhì)、異味等）的形成來衡量。

式中：t為食品的貯藏時(shí)間/d；A0為食品的初始評(píng)價(jià)指標(biāo)（這里指人參水分含量/（g/100 g）和總皂苷的初始含量/（g/100 g））；A為食品貯藏第t天的品質(zhì)指標(biāo)；k為食品品質(zhì)變化的速率常數(shù)。

1.3.6 充氮包裝鮮參的貯藏貨架期預(yù)測模型的建立

動(dòng)力學(xué)模型可以描述食品在貯藏過程中品質(zhì)的變化，反應(yīng)速率常數(shù)k是溫度的函數(shù)，因此運(yùn)用Arrhenius方程（式（3））可以預(yù)測食品在不同貯藏條件下的貨架期[23]。

式中：k0為頻率因子；EA為活化能/（J/mol）；R為氣體常數(shù)，值為8.314 J/（mol·K）；T為反應(yīng)的絕對(duì)溫度/K。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3 次平行實(shí)驗(yàn)的平均值，用方差分析和Duncan多重檢驗(yàn)法來檢驗(yàn)平均值間的差異顯著性，采用Origin 2016軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 充氮包裝鮮參在貯藏過程中的品質(zhì)變化

2.1.1 充氮包裝鮮參在貯藏過程中水分含量的變化

鮮參在貯藏過程中，若環(huán)境條件適宜，空氣中存在的霉菌孢子就會(huì)落到人參表面，萌發(fā)生長成菌絲，使藥材腐敗[24]。鮮參營養(yǎng)豐富，極易發(fā)生霉變，所以人參貯藏過程中水分含量變化是鮮參品質(zhì)變化的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖1 貯藏溫度及時(shí)間對(duì)充氮包裝鮮參水分含量的影響Fig. 1 Effect of storage temperature and time on moisture content of nitrogen-packed fresh ginseng

鮮參含水量豐富（66.59 g/100 g以上），但在高溫狀態(tài)下，伴隨著一系列的生理生化反應(yīng)及營養(yǎng)物質(zhì)的流失，溫度越高，水分蒸騰作用越快，水分流失越快，充氮包裝鮮參發(fā)生一定程度的無氧呼吸。37 ℃時(shí)，后期水分含量出現(xiàn)突增可能是由于鮮參的無氧呼吸作用產(chǎn)生的少量水，但由于高溫下主要還是以水分蒸騰作用為主，所以37 ℃和45 ℃下鮮參的水分含量整體呈下降趨勢，并且溫度越高，人參水分含量降低的速率越快；4 ℃下基本無蒸騰作用，所以水分含量無顯著性變化。

2.1.2 充氮包裝鮮參在貯藏過程中人參總皂苷含量的變化

人參總皂苷的降解就是其分子上的部分或全部糖基被水解，從而得到含糖基較少的次級(jí)人參皂苷或皂苷元，通常的降解方法有酸降解法、堿降解法和酶降解法等[25-27]。人參貯藏過程中人參總皂苷的降解主要是酶的作用，不同種類的酶可以作用于不同的構(gòu)型和不同類型的糖苷鍵。

圖2 貯藏溫度及時(shí)間對(duì)充氮包裝鮮參總皂苷含量的影響Fig. 2 Effect of storage temperature and time on total saponin content of nitrogen-packed fresh ginseng

由圖2中可知，隨著貯藏時(shí)間延長，鮮參總皂苷含量呈遞減趨勢，在37 ℃下貯藏60 d，鮮參總皂苷含量下降較快，從6.85%下降至5.29%（損失率為22.77%）；在45 ℃下貯藏60 d，總皂苷含量從6.85%下降至5.16%（損失率為24.67%），人參總皂苷含量降低的速率隨著貯藏溫度的升高而逐漸加快；而在4 ℃下，由于酶的活力較低，人參總皂苷只發(fā)生少量的降解，120 d后總皂苷含量損失僅為0.66%。

2.1.3 充氮包裝鮮參在貯藏過程中菌落總數(shù)的變化

菌落總數(shù)是用來判定食品被細(xì)菌污染的程度及衛(wèi)生質(zhì)量的指標(biāo)，它反映食品在生產(chǎn)過程中是否符合衛(wèi)生要求，以便對(duì)被檢樣品做出適當(dāng)?shù)男l(wèi)生學(xué)評(píng)價(jià)。

圖3 貯藏溫度和時(shí)間對(duì)充氮包裝鮮參菌落總數(shù)的影響Fig. 3 Effect of storage temperature and time on total colony count of nitrogen-packed fresh ginseng

從圖3可以看出，貯藏溫度為37 ℃時(shí)人參表面的菌落總數(shù)隨貯藏時(shí)間的延長不斷增長，在15～45 d范圍內(nèi)，菌落總數(shù)均發(fā)生了顯著變化（P＜0.05），在15 d時(shí)菌落總數(shù)為4.91（lg（CFU/g）），超過了GB/T 22534—2008《保鮮人參分等質(zhì)量》[21]規(guī)定的范圍（菌落總數(shù)＜10 000 CFU/g）。45 ℃時(shí)人參表面的菌落總數(shù)隨時(shí)間的延長呈下降趨勢，一方面是因?yàn)檫^高的貯藏溫度條件下，微生物的生長代謝減緩，且在低氧的情況下，需氧型微生物的生長繁殖受到抑制；另一方面可能是因?yàn)轷r參無氧呼吸產(chǎn)生的乙醇具有殺菌作用。但從感官品質(zhì)判斷，硬度下降較快，表面顏色逐漸加深。

2.2 充氮包裝鮮參的貯藏貨架期預(yù)測模型的建立

水分和總皂苷含量的變化是由鮮參體內(nèi)生理代謝引起的。其品質(zhì)變化與貯藏時(shí)間之間的關(guān)系遵循化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，所以產(chǎn)品的貨架期可通過零級(jí)或一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來預(yù)測，進(jìn)行線性回歸得到零級(jí)或一級(jí)動(dòng)力學(xué)，該動(dòng)力學(xué)模型可以描述人參在貯藏過程中品質(zhì)的變化。

2.2.1 充氮包裝鮮參的總皂苷的動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)不同貯藏溫度條件下人參水分含量和總皂苷含量進(jìn)行連續(xù)測定，用零級(jí)或一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)指標(biāo)進(jìn)行線性回歸分析或指數(shù)方程回歸分析，相關(guān)參數(shù)如表1、2所示。

表1 鮮參的水分和總皂苷含量零級(jí)指標(biāo)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)Table 1 Parameters of zero-order kinetic models for moisture content and total saponin content of fresh ginseng

表2 鮮參的水分和總皂苷含量一級(jí)指標(biāo)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)Table 2 Parameters of first-order kinetic models for moisture content and total saponin content of fresh ginseng

利用Origin 2016軟件分別對(duì)不同貯藏溫度下人參的水分含量和總皂苷含量進(jìn)行零級(jí)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)曲線擬合，得到擬合的品質(zhì)指標(biāo)A、變化速率常數(shù)k值和回歸系數(shù)R2。由表1、2可知，人參總皂苷含量在不同貯藏溫度下建立的回歸方程回歸系數(shù)R2均大于0.94，表明以該指標(biāo)建立的一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合曲線具有較高的擬合度。

2.2.2 充氮包裝鮮參貯藏期間理化指標(biāo)的動(dòng)力學(xué)模型建立

圖4 充氮包裝鮮參貯藏期間總皂苷含量變化的Arrhenius曲線Fig. 4 Arrhenius curve of change in total saponin content in nitrogen-packed fresh ginseng during storage

由以上人參總皂苷的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型得到在4、37 ℃和45 ℃下的總皂苷含量變化的速率常數(shù)k分別為－9.00×10－4、－4.30×10－3和－4.60×10－3，以ln k對(duì)貯藏溫度的倒數(shù)1/T作圖，如圖4所示，得到線性方程為y＝－2 742.965 3x+3.311 3，R2＝0.988 2。由該方程計(jì)算得到的總皂苷含量的活化能EA為22 805.013 5 J/mol，頻率因子k0為27.420 7。

當(dāng)確定了貯藏溫度、初始總皂苷含量及終點(diǎn)總皂苷含量，根據(jù)得到總皂苷含量的貨架期預(yù)測方程，即可計(jì)算出某一確定的溫度下充氮包裝保鮮參的貯藏時(shí)間，可對(duì)其貨架期進(jìn)行預(yù)測。此外，也可以通過真空充氮包裝鮮參的貯藏溫度、初始總皂苷含量以及貯藏時(shí)間，計(jì)算出一定的貯藏溫度下貯藏一定時(shí)間后的總皂苷含量，可對(duì)其理化指標(biāo)的變化進(jìn)行監(jiān)控。

2.3 充氮包裝鮮參貨架期模型的驗(yàn)證

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22534—2008《保鮮人參分等質(zhì)量》[21]的相關(guān)規(guī)定，確定保鮮參中總皂苷含量不得低于2.5%。將規(guī)定的總皂苷含量的最低限值作為貯藏終點(diǎn)控制值。將4 ℃和25 ℃下真空充氮包裝鮮參的總皂苷含量實(shí)測值與建立的Arrhenius模型的方程計(jì)算的貨架期預(yù)測值進(jìn)行比較，驗(yàn)證上述動(dòng)力學(xué)方程的準(zhǔn)確性。

表3 充氮包裝鮮參在4 ℃和25 ℃貯藏溫度下的貨架期預(yù)測值和實(shí)測值Table 3 Predicted and measured shelf-life values of nitrogen-packed fresh ginseng at 4 or 25 ℃

由表3可以看出，通過所建立的貨架期預(yù)測模型得到的4 ℃和25 ℃貯藏溫度下的真空充氮包裝鮮參的貨架期預(yù)測值與實(shí)際測量值的相對(duì)誤差分別為6.36%和9.00%，均不超過10%，表明本實(shí)驗(yàn)對(duì)真空充氮包裝鮮參建立起來的貨架期模型具有較好的預(yù)測性。

3 結(jié) 論

對(duì)于充氮包裝鮮參的貯藏方式，在不同的貯藏溫度下，隨貯藏時(shí)間的延長，水分含量和總皂苷含量均呈降低趨勢。貯藏溫度越高，人參水分含量和總皂苷含量降低的速率越快。通過對(duì)鮮參品質(zhì)（水分含量、總皂苷含量）的變化進(jìn)行零級(jí)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合發(fā)現(xiàn)，人參總皂苷含量變化遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，回歸系數(shù)R2大于0.94，具有較高的擬合度。以人參總皂苷含量為指標(biāo)的反應(yīng)速率（k）和反應(yīng)溫度（T）的關(guān)系遵循Arrhenius方程，ln k和1/T呈線性關(guān)系，R2為0.988 2（大于0.95）。

貨架期預(yù)測模型得到的37 ℃和45 ℃貯藏溫度下的真空充氮包裝鮮參的貨架期預(yù)測值與實(shí)際測量值的相對(duì)誤差不超過10%，表明該模型可較好地預(yù)測充氮包裝貯藏人參的貨架期，為人參貨架期的預(yù)測和質(zhì)量安全檢測提供了理論依據(jù)。