低溫等離子體處理減輕采后香蕉果實冷害作用的研究

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(1.中國農業大學信息與電氣工程學院,北京 100083； 2.中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083)

香蕉是廣受歡迎的熱帶水果,我國香蕉產量已居世界第二位[1]。但主要產于中國東南部的香蕉在秋冬季節北運北銷過程中極易因低溫引發冷害問題,導致香蕉品質降低,食用價值及商品價值喪失,造成巨大浪費及經濟損失[2]。因此,抑制香蕉冷害是香蕉保鮮的關鍵性問題。目前已有不少專家學者對香蕉冷害相關指標進行了研究。根據張建平等[3]的研究,香蕉在6 ℃條件下安全貯藏天數為6.5 d,超過該安全期限,香蕉將受害。Yang等[4]研究表明,許多果實有低溫誘導乙烯的現象,即受低溫脅迫后乙烯產量增加。李志剛等[5]研究發現,香蕉果肉的硬度、彈性、粘附性、咀嚼性與冷害程度呈正相關。目前香蕉避免冷害的措施主要分為物理方法、化學方法[6]。物理方法有人工提高環境溫度、采后熱處理。但熱處理存在一些問題[7],熱處理不當易造成果蔬失水、變色、損傷[8]；化學方法主要是利用化學藥劑噴施或涂抹在果蔬表面的方式,易在果蔬表面殘留有害物質。因此,亟需開發新型的緩解香蕉冷害的新技術。

低溫等離子體是一種非平衡等離子體,氣體中正、負電荷總數相等,它可經氣體放電產生。在低溫等離子體的生成過程中會產生紫外線、帶電粒子以及活性成分(Reactive Species,RS)。研究表明,采用低溫等離子體處理(Cold plasma treatment,CPT)不僅可以有效殺滅果蔬表面細菌,還可分解殘留的農藥、降解果蔬貯藏環境中的乙烯[9-10]。作為一種成本低廉,原料簡單,環境友好型非熱加工技術,低溫等離子體正逐漸顯現其優勢[11]。近幾年低溫等離子體在果蔬保鮮領域的應用已有大量研究,但CPT抑制果蔬冷害方面的研究尚未見報道。本文研究了在6 ℃貯藏條件下,低溫等離子體處理對采后成熟香蕉冷害的抑制作用,以期能為香蕉的貯運保鮮開發一種新的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

香蕉果實 產地廣西,挑選大小均勻、無病害和機械損傷,成熟度為7～8成的果實,去軸落梳,分成單個蕉指。

CTP-2000K型等離子體電源 南京蘇曼等離子科技有限公司；低溫等離子體處理系統 自制；PRX-350A型恒溫恒濕培養箱 寧波賽福實驗儀器有限公司；PAL-1型數顯糖度計 日本ATAGO公司；GC7900型氣相色譜儀 上海天美(Techcomp)科學儀器有限公司；TMS-Pro型質構儀 美國Food Technology Corporation公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理與貯藏 參考Liu等[12]的方法略作修改,將香蕉分為三組,分別為等離子體處理組(CPT組)、等離子體處理且加濕組(CPT結合加濕處理組)以及對照組(CK組)。取每四根香蕉為一組,裝入305 nm×230 nm×85 mm的密閉聚丙烯保鮮盒當中,貯藏于溫度6 ℃的恒溫環境中。

對CPT組,每隔24 h將貯藏環境中的氣體抽出,經過介質阻擋放電(DBD)裝置電離后產生低溫等離子體,再通回盒內,該過程盒子始終保持密閉,氣體經插入盒中的兩管循環1 min,無外界空氣進入。等離子電源施加在DBD電極上的電壓為20 kV,頻率為5 kHz。CPT結合加濕處理組的處理方法和CPT組完全相同,但其密閉貯藏盒底部增加一層浸濕紗布,維持盒內相對濕度為90%。對照組只將貯藏環境中的氣體每24 h循環1 min,不進行其它處理。該放電裝置主要由放電系統及監測系統組成(如圖1所示)。放電裝置由外徑0.8 cm,內徑0.4 cm,長13.5 cm的石英玻璃管及兩根平行的長7 cm的棒狀不銹鋼電極組成(如圖2所示)。電氣監測系統由數字示波器(Tektronix TDS 2012C)與高壓探頭(TektronixP6015A)組成,高壓探頭接于放電電極一端,實時采集電壓及頻率,并反映在示波器上。

圖1 低溫等離子體處理系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of cold plasma treatment system注:1:棒狀電極放電裝置；2:氣體助推泵； 3:等離子電源及調壓器；4:高壓探頭； 5:數字示波器；6:香蕉密閉貯藏室。

圖2 放電效果實物圖Fig.2 Image of discharge effect注:1:棒狀電極上產生的紫色電暈。

以貯藏開始測量的香蕉各項指標結果作為初始值,從貯藏第2 d每隔一天測量一次各組香蕉的質量。在貯藏第3、6、9、12 d分別進行取樣,去掉香蕉果肉兩端部及果心,取其余果肉部分測定三組香蕉果肉的糖度、硬度,去掉果皮兩端部,取剩余果皮部分測量果皮硬度,抽取貯藏環境中的氣體測定其中乙烯和二氧化碳含量。

1.2.2 指標測定

1.2.2.1 冷害指數 參照邱佳容等[13]的方法,冷害程度通過觀察香蕉表皮癥狀評價,每次評價均重復取樣觀察三次,結果取平均值。冷害級別如表1。香蕉冷害在果皮上的表現為組織褐變,本文均以香蕉果皮褐變程度說明其冷害程度[14]。

表1 香蕉果實冷害指數分級標準Table 1 Grading standards of chilling injury of banana

每72 h統計一次,按以下公式[15-16]計算冷害指數:

冷害指數(%)=∑(分級數×相應級果數)/(最高級數×總果數)

1.2.2.2 失重率 采用質量法[17]測定,貯藏第0 d測定三組香蕉初始質量,之后每24 h對各組香蕉進行一次質量測定,按照下列公式計算失重率:

失重率(%)=(果實初始質量-果實貯藏后的質量)/果實初始質量×100

1.2.2.3 可溶性固形物含量 采用數顯糖度計測定,取香蕉中段果肉,每個樣品進行3次重復測定。結果以百分數表示。

1.2.2.4 硬度 采用曹建康[18]的方法略作修改,利用質構儀測定。采用直徑為6 mm的圓柱形探頭,測試速度及回程速度為60 mm/min,穿刺距離及回程距離為10 mm,測量果皮起始力設為7 N,測量果肉起始力為2 N,每蕉指均隨機取三個不同位置,每個位置重復測定兩次,測定結果取平均值。

1.2.2.5 乙烯含量 參照曹建康[18]的方法,采用氣相色譜儀檢測,使用的乙烯標氣濃度為50 μL/L,在每個密閉聚丙烯保鮮盒中重復抽取三次氣體進行檢測。乙烯含量使用μL/L表示。

1.2.2.6 CO2含量 參照曹建康等[18]的方法,采用氣相色譜儀檢測,使用的二氧化碳標氣濃度為1‰,每個密閉聚丙烯保鮮盒重復抽取三次氣體檢測。二氧化碳含量使用%表示。

1.3 數據處理

數據用Excel 2016處理,計算平均值和標準差。采用SPSS軟件進行顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 低溫等離子體處理對香蕉冷害的影響

貯藏期間各組香蕉冷害指數如圖3所示,貯藏第3 d,兩處理組無明顯變化,對照組略有褐變,冷害指數為14.58%。貯藏第6 d,CPT組出現局部的淺褐色小斑點,冷害指數為35.42%；CPT結合加濕處理組出現輕微褐變,冷害指數為10.42%；對照組香蕉出現大范圍褐色斑點,冷害指數為54.17%；貯藏第12 d,CPT結合加濕處理組褐變略有加深,但大部分果皮仍保持黃色,冷害指數為35.42%；對照組果皮整體呈現黑色,冷害指數為93.75%；CPT組褐變程度介于前兩組之間,冷害指數為66.67%。可見,相比對照組,CPT極顯著減輕了冷害程度(P<0.01),且CPT結合加濕處理進一步推遲了冷害發生(P<0.01)。推測是由于CPT結合加濕處理組在低溫等離子體抑制冷害的同時維持了盒內較高濕度,有利于等離子體經由水溶液附著和進入果實表皮,從而發生作用。

圖3 低溫等離子體對香蕉貯藏期間冷害指數的影響Fig.3 Effect of cold plasma on chilling injury index of banana during storage注:各處理組與對照組相比,*表示差異顯著(P<0.05), **表示差異極顯著(P<0.01), 未標注表示無顯著性差異。圖4～圖8同。

2.2 低溫等離子體處理對香蕉失重率的影響

果實采后失重主要是由于水分散失和自身呼吸消耗所致。如圖4所示,貯藏期間各組香蕉失重率均隨時間延長而增加,未經等離子體處理的香蕉失重率處于較高水平,CPT與CPT結合加濕處理均減緩了香蕉質量損失,其中CPT結合加濕處理組失重率最低。貯藏12 d時,CPT與CPT結合加濕處理組失重率分別下降了42.43%(P<0.01)、49.53%(P<0.01),極顯著低于CK組。可能的原因是:一方面,CPT有助于降低貯藏空間的乙烯濃度[19-20],抑制了香蕉的呼吸作用,緩解了香蕉因水分散失、營養物質消耗導致的重量下降；另一方面,等離子體可能會分解一部分水分子,使盒內濕度下降[12],而CPT結合加濕處理組,由于維持了包裝內較高的相對濕度,在減緩香蕉呼吸消耗的同時,減少了水分散失,因此其失重率最低。

圖4 低溫等離子體對香蕉貯藏期間失重率的影響Fig.4 Effect of cold plasma on weight loss rate of banana during storage

2.3 低溫等離子體處理對香蕉硬度的影響

硬度反映果品與蔬菜的成熟軟化程度和貯藏品質的變化,是果蔬品質評價的重要指標。如圖5(A)所示,貯藏期間香蕉果皮硬度呈先上升后下降的趨勢。CK、CPT組香蕉硬度整體而言均有下降,而CPT結合加濕處理維持了果皮較高硬度。如圖5(B)所示,果肉硬度在貯藏最后一天與初始時基本相同,但仍經歷了先上升后下降的過程。CPT、CPT結合加濕處理組果肉硬度在貯藏前后變化均不顯著,等離子體處理未對果肉硬度造成明顯影響。

圖5 低溫等離子體對香蕉貯藏期間果皮(A)和果肉(B)硬度的影響Fig.5 Effect of cold plasma on the firmness of peel(A)and pulp(B)of banana during storage

2.4 低溫等離子體處理對香蕉可溶性固形物含量的影響

可溶性固形物含量是影響果實風味的重要因素。如圖6所示,貯藏期間可溶性固形物含量略有上升,整體呈先升后降的變化趨勢,貯藏前后無顯著差異。可見,經等離子體處理過的兩組香蕉可溶性固形物含量整體略低于對照組,且CPT結合加濕處理組可溶性固形物含量變化最平緩。可能是等離子體處理抑制了香蕉的呼吸作用,使貯藏期間淀粉等糖類物質分解比CK組更緩慢 。

圖6 低溫等離子體對香蕉貯藏期間可溶性固形物含量的影響Fig.6 Effect of cold plasma on the variation of soluble solids content of banana during storage

2.5 低溫等離子體處理對貯藏環境氣體的影響

2.5.1 低溫等離子體處理對環境中乙烯含量的影響 密閉貯藏環境中的乙烯由香蕉自身釋放,且香蕉受低溫脅迫后乙烯產量增加[6],當乙烯濃度大時,將增強果蔬的呼吸作用,加速成熟和衰老過程,不利于果蔬貯藏保鮮[19]。如圖7所示,三組貯藏環境中乙烯含量均先增加后下降,CK組乙烯含量在第6 d達到峰值,CPT及CPT結合加濕處理組第6 d時的乙烯含量比對照組下降77.78%和86.67%,且在貯藏期間內這兩組的乙烯含量整體低于CK組。這是由于介質阻擋放電產生的低溫等離子體可以降解香蕉貯藏環境中的乙烯[19-20],減緩香蕉呼吸強度,降低香蕉腐敗變質速度。CPT結合加濕處理組乙烯含量略低于CPT組,推測是CPT結合加濕處理組維持了盒內較高相對濕度,水分子受到高能電子的作用而產生羥基自由基,羥基自由基與C2H2反應,一定程度提高了降解乙烯的效率[21]。

圖7 低溫等離子體對香蕉貯藏期間環境中乙烯含量的影響Fig.7 Effect of cold plasma on the ethylene content in the environment of banana during storage

2.5.2 低溫等離子體處理對環境中二氧化碳含量的影響 貯藏包裝中的二氧化碳含量反映了果實呼吸作用強度。如圖8所示,CK組二氧化碳含量積累程度最高,CPT組和CPT結合加濕處理組含量相對較低,說明CK組香蕉呼吸強度高于處理組,這可能是由于低溫等離子體可誘導果蔬氣孔減小[22],抑制了香蕉的呼吸作用。其中,在11 d之前,CPT結合加濕處理組CO2含量比CPT高。等離子體對CO2有分解的效果,然而CO2的分解隨著相對濕度的增加而降低,因為水分子受到高能電子的作用而產生羥基自由基,與CO2分解的中間產物CO反應生成新的CO2[23]。

圖8 低溫等離子體對香蕉貯藏期間環境中二氧化碳的影響Fig.8 Effect of cold plasma on the CO2 content in the environment of banana during storage

3 結論

本實驗研究了低溫等離子體處理對減輕香蕉果實采后冷害程度的影響,結果表明:低溫貯藏12 d后,CPT與CPT結合加濕處理組失重率分別下降了42.43%(P<0.01)、49.53%(P<0.01),極顯著低于CK組；CPT及CPT結合加濕處理組第6 d時的乙烯含量相比對照組下降77.78%和86.67%。等離子體處理對香蕉果實食用品質無顯著影響,CPT結合加濕處理組的可溶性固形物、果皮硬度的維持效果最好。低溫等離子體可降解貯藏環境中的乙烯、降低二氧化碳含量,抑制香蕉呼吸強度,減緩腐敗速度。總體而言,CPT結合加濕處理組的香蕉,各項指標優于CK組和CPT組。表明低溫等離子體處理未來可能成為減輕香蕉及熱帶果實采后冷害的一種新途徑,該方法的作用機理和最優工藝參數還有待深入研究。