基于溫濕度影響的香菇呼吸速率測定與模型表征

聶恒威,盧立新,2,*,潘 嘹,2,盧莉璟,2,王 清,左進華,高麗樸

(1.江南大學機械工程學院,江蘇無錫 214122;2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室,江蘇無錫 214122;3.北京市農林科學院蔬菜研究中心,北京 100097)

香菇,又名花菇,是世界第二大食用菌,具有豐富的營養價值和藥用價值。但由于香菇呼吸強度較大,含水量高,采后易發生失水、褐變等現象,導致其品質降低。儲運條件控制不當是造成香菇損耗的重要原因之一。

氣調保鮮通過調節果蔬儲藏環境中的氣體成分,抑制果蔬采后呼吸速率等主要生理活動,以延長產品貨架期。因此,建立不同儲藏條件下果蔬呼吸速率模型是設計氣調包裝系統的關鍵。目前國內外已有較多關于呼吸速率模型的研究。1991年,Lee等[1]首先提出可以用Michaelies-Menten式(米式)方程表征產品呼吸速率并進行了驗證。Peppelenbos等[2]在此基礎上,通過對綠豆芽、西紅柿、蘆薈等果蔬呼吸速率的研究,發現不同的果蔬O2和CO2競爭抑制關系不同,進一步完善了米氏方程。此后一些學者[3]對上述模型進行了試驗和驗證[4]。

溫度和相對濕度是影響氣調包裝保鮮效果的主要因素。其中,溫度對呼吸速率的影響研究較為廣泛。謝晶等[5]基于米氏方程和Arrhenius方程,研究了溫度對香菇最大呼吸速率的影響。麥馨允等[6]研究了溫度和初始氣體濃度對楊桃呼吸初值的影響。夏晶晶等[7]以荔枝為試驗對象,采用非線性估計法,建立了氣體組分濃度與溫度和時間的關系,為動態氣調參數設置提供了理論依據。大量研究發現,相對濕度是影響氣調包裝的重要因素,然而很少有研究考慮了相對濕度這一因素[8]。焦巖等[9]研究了不同的果蔬在不同溫濕度貯藏條件下的品質變化,發現對于溫度不敏感的產品應以控制濕度變化為主。Guevara等[10]以仙人掌枝條為研究對象,建立了呼吸速率與溫度和相對濕度之間的線性模型,但模型擬合度較低。胡位歆[11]設計雙因素交叉試驗,以Arrhenius方程為基礎建立了基于溫濕度影響的翠冠梨貨架期預測模型。盧立新等[12]基于包裝內質量與能量平衡關系,建立了包裝內相對濕度變化的預測模型并用香菇進行了驗證,然而并未考慮到溫濕度變化對產品呼吸速率的影響。因此,溫濕度變化對果蔬呼吸速率的影響有待研究[13]。

本文以香菇為試驗對象,采用密閉空間法,測算其在不同溫度、相對濕度條件下呼吸速率的變化趨勢,基于米氏方程,分別用Arrhenius方程和線性方程表征了溫度、相對濕度單因素與呼吸速率的關系。并設計雙因素交叉試驗,通過表征相對濕度對Arrhenius方程中參數的關系,建立了基于溫度和相對濕度雙因素影響的香菇最大呼吸速率模型,為香菇采后儲存和品質保鮮提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

鮮香菇 購于無錫市濱湖區一香菇種植基地,成熟度8～9成,選取菇型完整,菇柄正中,菇蓋未開傘,無機械損傷,大小一致的香菇進行試驗;氯化鎂、硝酸鎂、氯化鈉、氯化鉀、硝酸鉀 均為分析純,國藥化學試劑公司;自制密封罐 體積1.9 L,悶蓋處打孔,并使用硅膠密封墊密封,用于檢測罐內氣體成分。

ED1-302型電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;6600型O2/CO2頂部空間分析儀 美國Illinois公司;THS-AOC-100AS型恒溫恒濕試驗機 慶生電子科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 呼吸速率的測定 本試驗采用密閉系統法[14]測定香菇的呼吸速率。將當日購得的香菇放置于設定好試驗溫度和相對濕度的恒溫恒濕箱中預處理4 h,稱重后轉入密封罐,罐內初始氣體濃度為O221%、CO20%。為保持容器內的相對濕度,分別在罐中配置相應的過飽和鹽溶液,并將密閉罐放入恒溫恒濕箱貯藏,每隔2～4 h,將氣體分析儀取樣針插入硅膠墊中,測定此時罐內O2、CO2濃度百分比,每組設置3個平行樣,取平均值。

單因素溫度試驗中,將密封罐分別置于溫度為5、10、15、20、25 ℃的恒溫恒濕箱中儲藏,相對濕度為95%;

單因素相對濕度試驗中,將香菇分別置于相對濕度為RH33%、RH55%、RH75%、RH82%、RH95%的密封罐中,然后放入20 ℃的恒溫恒濕箱貯藏。

雙因素試驗條件為雙因素五水平交叉試驗,為上述溫度與濕度的全組合條件,共25組試驗條件。

1.2.2 呼吸速率的計算 測定不同時間密封罐內O2、CO2的體積分數,根據2種氣體體積分數的變化值來計算其呼吸速率[15]。文中的呼吸速率分別以O2的消耗速率和CO2的生成速率表示,表達式見式(1)、式(2)。

式(1)

式(2)

1.2.3 呼吸速率的模型表征 當香菇進行有氧呼吸時,可采用酶動力學模型進行擬合,本試驗同時測定了O2消耗速率和CO2生成速率,由于CO2是化學反應的非競爭性抑制劑,故采用非競爭性的米氏方程[1](3)、(4)進行擬合。

式(3)

式(4)

式中:Vm為果蔬最大呼吸速率,mL/(kg h);Km為米氏常數,%;Ki為非競爭抑制常數,%;[O2]、[CO2]為氧氣、二氧化碳濃度,%。

為確定米氏方程的參數,可將式(3)、(4)進行線性變化如下:

式(5)

式(6)

將試驗測得各個時間的O2體積分數及根據式(1)計算得到的O2消耗速率RO2、帶入式(5),將測得各個時間的CO2體積分數及根據式(2)得到CO2生成速率RCO2帶入方程式(6),求解參數Vm、Km、Ki。

1.3 數據處理

氣體濃度的測定重復三次,取其平均值,使用Microsoft Excel 2010處理測量的氣體濃度數值,使用Origin 9.1軟件進行作圖,使用Matlab R2016a軟件進行多元線性回歸分析求解Vm、Km、Ki參數。其中,多元線性回歸分析中回歸系數的是通過最小二乘法計算所得,即基于迭代法使得因變量殘差平方和達到最小。其基本原理是:利用觀察或收集到的因變量和自變量的一組數據建立一個線性函數模型,使得這個模型的理論值與觀察值之間的殘差平方和最小。

2 結果與分析

2.1 溫度與相對濕度對香菇呼吸速率的影響

測得密封罐內O2和CO2濃度變化后,根據公式(1)和(2),可以求出香菇O2消耗速率和CO2生成速率。圖1～圖2為不同溫度、相對濕度條件下香菇的呼吸速率變化曲線。

圖1 不同溫度條件下O2消耗速率、CO2生成速率隨時間變化

圖2 不同相對濕度條件下O2消耗速率、CO2生成速率隨時間變化

由圖1和圖2可以看出,香菇在密封罐中O2的消耗速率與CO2生成速率皆與儲存溫度有關。各時間段內溫度間差異顯著(p<0.05),在0～2 h時,香菇在25 ℃下O2的消耗速率約為在5 ℃下的3倍,CO2的生成速率約為在5 ℃下的4倍,隨著儲存時間的延長,香菇的呼吸速率呈現下降趨勢,且溫度越高,呼吸速率下降越快。相對濕度對香菇呼吸速率的影響與時間有關:在0～2 h時,各個相對濕度之間的呼吸速率差異顯著(p<0.05),相對濕度RH95%時,香菇的O2的消耗速率約為在RH33%時的1.4倍,CO2的生成速率約為在5 ℃下的1.3倍。即相對濕度越大,香菇的呼吸速率越快,這與朱永[16]對蘑菇呼吸速率影響因素的研究結果一致。這是因為呼吸作用是由一系列酶催化的生化過程,而溫度和相對濕度會對香菇的酶活性造成一定的影響。研究表明,溫度升高的增加使得香菇的過氧化物酶(POD)、天然多酚氧化酶(PPO)、蛋白酶等活性增強,香菇的生理活動因此而加快,故香菇的呼吸速率隨之增加[17],相對濕度降低時,失水會導致組織內的水分減少,減緩了生理反應,因此呼吸速率隨之降低[18]。

2.2 基于溫度、相對濕度單因素影響的香菇最大呼吸速率模型表征

根據公式(5)和(6),利用Matlab軟件進行多元線性回歸分析,可以擬合出香菇米氏方程各參數值,結果見表1、表2。

式(5)

式(6)

由表1和表2可知,用米氏方程對不同溫度、相對濕度條件下香菇的呼吸速率進行擬合,決定系數R2均大于0.9。香菇在5 ℃儲藏條件下,O2最大消耗速率為5.34 mL/(kg h),在25 ℃儲藏時,O2最大消耗速率為196.42 mL/(kg h),約為在5 ℃儲藏時的39倍;而在相對濕度RH95%條件下儲藏時,氧氣最大消耗速率約為在RH33%時的2.54倍,由此可以得出,溫度對香菇呼吸速率的影響大于相對濕度的影響。

表1 不同溫度下的米氏方程各模型擬合參數及其決定系數

表2 不同相對濕度下的米氏方程各擬合參數及其決定系數

在酶動力學模型中,溫度對米氏方程的影響主要在于對最大呼吸速率Vm的影響[19]。Arrhenius模型描述了生物反應對溫度的依賴性,在已有的報道中,大多用該方程來描述溫度與果蔬最大呼吸速率的關系,以開發二級模型[20-22]。而有關相對濕度與呼吸速率的模型少有研究。

為了進一步表征溫度、相對濕度對香菇呼吸速率的影響關系,本文用Arrhenius方程[23]來描述溫度對香菇最大呼吸速率Vm的影響,在求得O2和CO2的最大變化率后,利用Arrhenius方程將1/T和lnVm進行線性回歸[24],其斜率值為-Ea/R。其中Ea(kJ/mol)是活化能,方程為式(7)。在相對濕度影響試驗中,根據所得的最大呼吸速率數據,用線性方程表征二者的關系,見式(8):

式(7)

Vm=a×RH×b

式(8)

式中:R為理想氣體常數,J/(mol·K);T為絕對溫度,K;Vm為T溫度下的最大呼吸速mL/(kg·h);RH為相對濕度,%。

由圖3、表3和圖4、表4可以得出:在不同溫度下,Arrhenius方程中O2、CO2線性擬合的斜率為可以計算出氧氣活化能EaO2為121.0 kJ/mol;二氧化碳活化能EaCO2為97.7 kJ/mol;故溫度和相對濕度對香菇最大呼吸速率擬合度較高,表明香菇最大呼吸速率與溫度呈現指數關系,與相對濕度呈現正相關的線性關系。

圖3 Arrhenius方程線性回歸分析

圖4 相對濕度-最大呼吸速率線性回歸分析

表3 Arrhenius方程各參數擬合值及其決定系數

表4 RH-Vm線性方程各參數擬合值及其決定系數

2.3 基于溫度和相對濕度綜合影響下香菇呼吸速率的測定與模型表征

為了得到溫度、相對濕度條件下香菇的最大呼吸速率,本研究設計了2因素5水平的溫濕度交叉試驗。通過測定同一相對濕度不同溫度下香菇的呼吸速率,基于米氏方程和Arrhenius方程,可得相應的Ea和lnVm0值,再通過表征不同相對濕度與Ea和lnVm0的關系,從而建立溫濕度條件下香菇最大呼吸速率的模型。

對同一相對濕度,不同溫度下香菇最大呼吸速率作lnVm-T-1線性擬合,可以得到斜率為-Ea/R的直線。由直線的斜率和截距可以計算出方程在各個相對濕度下的活化能Ea和lnVm0值。擬合圖見圖5,線性擬合方程參數見表5、表6。

圖5 不同相對濕度條件下O2、CO2的Arrhenius方程線性回歸分析

表5 不同溫度、相對濕度的香菇O2最大呼吸速率VmO2擬合值

表6 不同溫度、相對濕度的香菇CO2最大呼吸速率VmCO2擬合值

由表7可知,Ea和lnVm0隨著相對濕度的增加呈現下降趨勢,且相對濕度RH33%～55%時,相對濕度變化對兩個參數的影響大于相對濕度RH75%～95%時的影響。相對濕度對O2的活化能Ea和截距lnVm0的影響大于對CO2參數的影響。用指數關系建立Ea、lnVm0與相對濕度RH(0～1)的方程。O2、CO2的Ea、lnVm0擬合曲線見圖6。

表7 不同相對濕度條件下的Ea、lnVm0值及其決定系數

圖6 交叉試驗Ea、lnVm0和與相對濕度條件擬合曲線

由擬合方程可得:

EaO2=104.526+231.072×(0.95926)RH(R2=0.941)

式(9)

lnVm0O2=47.462+74.764×(0.96331)RH(R2=0.948)

式(10)

EaCO2=118.276+69.647×(0.98373)RH(R2=0.972)

式(11)

lnVm0CO2=52.804+25.261×(0.98595)RH(R2=0.957)

式(12)

將上式帶入Arrhenius方程,即可求出溫度在5～25 ℃,相對濕度在33%～95%條件下香菇的最大呼吸速率模型:

式(13)

式(14)

3 結論

本文通過測定不同溫濕度條件下香菇的呼吸速率變化,基于米氏方程,分別擬合了溫濕度單因素影響下香菇呼吸速率變化。并建立溫濕度雙因素對香菇最大呼吸速率的影響方程。其中,溫度因子對香菇最大呼吸速率的影響是通過影響Arrhenius方程的活化能Ea和初始值lnVm0,相對濕度的影響通過表征相對濕度對活化能Ea和初始值lnVm0體現,擬合方程相關系數均超過0.9。該方程充分考慮了溫濕度儲存條件對香菇呼吸速率的影響,完善了呼吸速率模型可以為果蔬儲運環境的設計提供理論依據。