熱處理條件篩選及其提高鮮切芋頭貯藏品質的生理機制

王 斌,方美珊,肖艷輝,謝 景,何金明

(韶關學院英東農業科學與工程學院,廣東韶關 512005)

芋頭別稱芋、香芋、芋艿、毛芋、芋鬼、蹲鴟等[1]。“張溪香芋”原產于廣東省韶關市樂昌市張溪村,是國家地理標志產品[2]。“張溪香芋”營養豐富,品質極佳,單球莖重量至少2.5 kg[3]。過大的體積給消費者的食用帶來了諸多不便,因此,芋頭特別適合鮮切銷售。但是,芋頭因富含酚類化合物,鮮切后很快褐變,嚴重影響鮮切芋頭的感官品質[4]。因此,切面褐變是影響鮮切芋頭保鮮期的最主要問題之一。為了延緩鮮切芋頭褐變,許多學者使用化學保鮮劑處理鮮切芋頭[5-7],盡管在一定程度上延緩了褐變,但化學保鮮劑控制褐變的效果依賴于濃度,高濃度處理容易殘留,存在食品安全的風險。

熱處理是一種能有效保持采后果蔬品質的物理保藏方法,比化學保鮮劑更經濟、更安全。一些研究表明,熱處理可以延緩許多鮮切果蔬的褐變[8-10],但少有熱處理控制鮮切芋頭褐變的研究報道,且已有報道的結論截然不同。張甫生等[11]認為,100 ℃的沸水熱燙30～40 s可抑制去皮芋頭褐變;Chang等[12]的研究顯示,55 ℃熱處理40 s也能抑制鮮切芋頭褐變;但梁東妮等[13]實驗結果表明95 ℃熱處理4 min并不能抑制鮮切芋頭褐變,并得出熱處理不利于鮮切芋頭貯藏的結論。也有研究指出,熱處理可以抑制酚類物質含量低的果蔬的褐變,但對于酚類物質含量高的果蔬如土豆和蘋果,保鮮效果則較差[14]。因此,尚需更多研究進一步明確熱處理對鮮切芋頭褐變的控制效果,并明確控制褐變的適宜熱處理條件。

本研究以張溪香芋為試材,研究了不同熱處理溫度和處理時長對鮮切芋頭貯藏品質的影響,篩選出了最佳熱處理溫度和時長,并探討熱處理控制鮮切芋頭褐變的生理機制,以期為鮮切芋頭的貯藏保鮮以及產業發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

張溪香芋 廣東省韶關樂昌市張溪村;甲醇、碳酸鈉 天津市百世化工有限公司;硼酸 西隴科學股份有限公司;鄰苯二酚、愈創木酚、沒食子酸 天津市大茂化學試劑廠;福林酚、L-苯丙氨酸 上海如吉生物科技發展有限公司;鹽酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉 臺山市科學精細化工廠。

FHT-05硬度計 廣州蘭泰儀器有限公司;UV-1800紫外分光光度計 上海美普達儀器有限公司;PCDX-WJ-10全自動超純水儀 成都品成科技有限公司;6380R高速冷凍離心機 德國Eppendorf股份公司;DDS-307電導率儀 上海雷磁儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 處理溫度的確定 芋頭采收后,挑選大小均一、無機械傷、無病蟲害的芋頭,將表面泥沙用自來水沖洗干凈,然后用不銹鋼削皮刀去皮,將去皮后的芋頭對半橫切成1 cm左右厚度。將鮮切后的芋頭隨機分為四組,每組三個重復,每組共60片。對照組(CK)用超純水浸泡1 min,處理組分別在38、60、100 ℃先處理30 s。處理完后瀝干芋頭表面水分,同一時間貯藏于4 ℃恒溫箱。在4 ℃共貯藏12 d,期間每隔3 d取樣一次。

1.2.2 處理時間的確定 芋頭前處理與1.2.1相同,芋頭鮮切后隨機分為四組,每組三個重復,每組共60片。對照組(CK)用超純水浸泡1 min,處理組分別在60 ℃熱水中先處理0.5、1.0、3.0 min。之后瀝干水分,貯藏于4 ℃恒溫箱。貯藏期和取樣時間與1.2.1相同。

1.2.3 失重率和硬度測定 采用稱重法計算失重率,分別測定待測芋頭貯藏時質量(M1,g)與貯藏一段時間后的質量(M2,g),計算失重率。

失重率(%)=[(M1-M2)/M1]×100

使用手持式硬度計測定鮮切芋頭硬度,探頭直徑為2 mm。隨機選取三片芋頭,在每片鮮切芋頭的3個不同部位分別測定一次,平均值為該處理的硬度(N)。

1.2.4 褐變指數和褐變度測定 參考蘇新國等[15]的方法測定褐變指數。按嚴重程度將褐變分5級。1級:切面無褐變;2級:褐變面積小于總切面面積的25%;3級:褐變面積占總切面面積的26%～50%;4級:褐變面積占總切面面積的51%～75%;5級:褐變面積大于總切面面積的75%。

褐變指數=∑(各級褐變片數×該褐變級數)/總調查芋片數

褐變度參考宋康華等[16]的方法測定,稱取新鮮樣品1 g,切碎后加入10 mL預冷的蒸餾水研磨,室溫6000×g離心15 min。以蒸餾水為對照,測定上清液在410 nm波長處的吸光度,計算其褐變度。

褐變度=10×A410

1.2.5 相對電導率測定 將芋頭用不銹鋼削皮刀削成1 mm厚度小片,然后用直徑0.5 cm孔徑的打孔器均勻打20個小圓片。雙蒸水沖洗三遍,轉移至50 mL的離心管中,并加入25 mL的雙蒸水,室溫(25 ℃)浸泡2 h。用電導率儀測定初始值C1。接著放入沸水鍋中煮30 min,自然冷卻至室溫,測定終止值C2,REC 用百分比表示[17]。

REC(%)=100×C1/C2

1.2.6 總酚含量測定 參考Zhang等[18]的方法,準確稱取1 g鮮切芋頭,加入少量預冷的1%鹽酸-甲醇溶液,冰浴研磨成勻漿后,定容至5 mL,于4 ℃下12000×g離心10 min,收集上清液。以甲醇溶液作空白參比調零,取上述上清液于280 nm波長處測定其吸光度。以沒食子酸為標準品制得回歸方程為y=0.0018x+0.0319,R2=0.9992,總酚含量以μg沒食子酸/g FW表示。

1.2.7 苯丙氨酸解氨酶(PAL)、過氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)活性測定

1.2.7.1 PAL活性 參考宋康華等[16]的方法測定PAL活性,稱取1 g鮮切芋頭,并加入少量4 ℃預冷的0.05 mol/L硼酸緩沖液(pH8.8,含1%聚乙烯吡咯烷酮),冰浴研磨成勻漿后,定容至5 mL。12000×g 4 ℃離心15 min,取上清待測。3 mL的反應體系中含2.4 mL的pH8.8硼酸緩沖液、0.5 mL的20 mmol/L L-苯丙氨酸溶液、0.1 mL的酶提取液,混勻在37 ℃保溫反應1 h,后立即加入0.1 mL的6 mol/L鹽酸終止反應,用紫外可見光光度計測定A290。

1.2.7.2 POD活性 參照馮巖巖等[8]的方法測定POD活性,取1 g樣品,加入5 mL預冷的0.05 mol/L磷酸緩沖液(pH7.8),冰浴研磨成勻漿,4 ℃ 10000×g離心15 min,收集上清液待測。反應體系為2.9 mL的反應混合液(含0.05 mol/L愈創木酚和0.75% H2O2)、0.1 mL的酶提取液,記錄反應液在470 nm波長下3 min內的吸光度變化。

1.2.7.3 PPO活性 參考蘇新國等[15]的方法測定PPO活性,取1 g樣品,加入5 mL的0.15 mol/L磷酸緩沖液(pH6.8)冰浴研磨勻漿,然后在12000×g,4 ℃離心15 min,收集上清液用于酶活性測定。3 mL的反應體系中含0.2 mL的酶液,2.8 mL的0.1%鄰苯二酚,測定反應液在398 nm波長下3 min內的吸光度變化。

以吸光度值每分鐘變化0.01為一個酶活性單位(U),表示為U/(g FW)。

1.3 數據處理

使用Excel 2003軟件整理實驗數據并作圖,使用SPSS 15軟件檢驗不同處理之間的顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 熱處理溫度確定

果蔬在切分時,會使組織受損,加劇貯藏期間的品質劣變。從圖1可以看出,與對照組(CK)相比較,不同溫度的熱處理降低了失重率、延緩了硬度下降、抑制了褐變,表明熱處理能有效提高鮮切芋頭的貯藏品質。

圖1 不同溫度熱處理對鮮切芋頭貯藏品質的影響Fig.1 Effects of heat treatment(HT)with different temperatures on the storage quality of fresh-cut taro注:不同小寫字母表示相同貯藏時間不同熱處理差異顯著,P<0.05;圖2～圖5同。

失重率隨貯藏時間延長而逐漸增加(圖1A)。整個貯藏期,各處理組的失重率顯著(P<0.05)低于對照組(圖1A)。各處理組中,60 ℃熱處理的失重率最低,其次是38 ℃的熱處理,100 ℃熱處理的失重率最高,這可能是因為過高的熱處理溫度對芋頭造成了傷害,加重了水分損失。

硬度在整個貯藏期呈下降趨勢,表明鮮切芋頭在冷藏期間會發生軟化。在整個冷藏(4 ℃)期間,對照和100 ℃處理組的硬度快速下降,而38和60 ℃處理組的硬度下降速率顯著(P<0.05)低于對照(圖1B),表明適宜溫度的熱處理能有效延緩冷藏期間鮮切芋頭的軟化。在4 ℃貯藏了12 d時,38和60 ℃處理組的硬度比對照組分別高10.48%和13.90%。100 ℃處理組的硬度與對照組之間沒有顯著差異,這也進一步映證了前面的推論,即100 ℃的熱處理可能會對芋頭組織造成傷害。

褐變指數和褐變度可反應鮮切果蔬的褐變嚴重程度[16]。如圖1C、圖1D,褐變指數和褐變度的變化趨勢基本一致,各處理組的褐變指數和褐變度均隨貯藏時間延長而逐漸增加。與對照相比,不同溫度處理組的褐變指數和褐變度顯著(P<0.05)低于對照組,且不同溫度處理組的褐變嚴重程度與熱處理溫度呈梯度效應,即熱處理溫度越高,褐變越輕。在冷藏的第3 d,對照組出現了明顯褐變,38 ℃處理組也出現了一定褐變,但60和100 ℃處理組均未觀察到褐變(圖1C)。在冷藏的第12 d,38、60和100 ℃處理組的褐變指數分別比對照低29.17%、52.08%和83.33%,褐變度分別比對照低11.45%、26.02%和29.55%。其中,100 ℃處理組對鮮切芋頭褐變的抑制效果最好,其次分別是60和38 ℃處理組,但100 ℃的熱處理可能會傷害芋頭組織,受傷組織易被致病菌侵染,貯藏后期容易腐爛變質。

上述結果表明,熱處理能提高鮮切芋頭的貯藏品質,熱處理的保鮮效果依賴于處理溫度,但并不是溫度越高、越有利于鮮切芋頭保鮮,因為過高溫度會使鮮切芋頭組織受到熱傷害,加速了組織失水和軟化。因此,綜合考慮后選取60 ℃來探究熱處理時長對鮮切芋頭貯藏品質的影響,以明確能有效提高鮮切芋頭貯藏品質的熱處理時長。

2.2 熱處理時長確定

過長或過短時長的熱處理均不利于鮮切果蔬的保鮮。為了明確提高鮮切芋頭貯藏品質的適宜處理時長,在上述試驗的基礎上,探究了不同時長的熱處理對鮮切芋頭貯藏品質的影響。

從圖2可以看出,所有不同時長的熱處理均降低了失重率、延緩了硬度下降、抑制了褐變。由圖2 A可知,60 ℃分別處理0.5、1.0和3.0 min處理組的失重率均顯著(P<0.05)低于對照組,同溫度0.5和1.0 min處理組的失重率最低,其次是3.0 min的處理組。與0.5和1 min處理組相比,同溫度3.0 min處理組的失重率顯著(P<0.05)高于0.5和1.0 min處理組,意味著較長時間的熱處理不利于鮮切芋頭在低溫貯藏期間的水分保持。

圖2 不同時長熱處理對鮮切芋頭貯藏品質的影響Fig.2 Effects of heat treatment(HT)with different durations on the storage quality of fresh-cut taro

硬度隨貯藏時間延長而逐漸降低,各處理組之間差異不顯著(圖2B)。與對照組相比,處理組的芋頭硬度顯著(P<0.05)高于對照。

與對照組相比,所有處理組的褐變指數和褐變度均明顯低于對照組。在冷藏的第12 d,0.5、1.0和3.0 min處理組的褐變指數分別比對照組低48.15%、55.56%和50.00%(圖2C),褐變度分別比對照組低16.38%、28.45%和26.18%(圖2D)。各處理組中,1.0 min熱處理的褐變嚴重程度低于同溫度0.5和3.0 min的處理組,表明熱處理對鮮切芋頭褐變的控制效果與處理時長有關,且并不是處理時長越長,效果越好。

2.3 熱處理對鮮切芋頭相對電導率的影響

適宜溫度和時長的熱處理能提高鮮切芋頭貯藏品質,尤其是褐變。相對電導率是反應細胞膜完整性的指標,相對電導率增加意味著細胞膜完整性丟失,細胞間隔被破壞,酶和底物的接觸機會增加,產品品質劣變速率加快。為了探究熱處理控制的褐變是否與細胞膜完整性有關,檢測了效果最好的60 ℃ 1 min處理組和對照組的鮮切芋頭在冷藏期間的相對電導率變化情況。從圖3可以看出,相對電導率在整個貯藏期總體上呈增加趨勢,但對照組增加速率明顯高于處理組,而處理組的相對電導率增加緩慢,且處理組的相對電導率顯著(P<0.05)低于對照組。結果表明,適宜溫度和時長的熱處理有利于保持冷藏鮮切芋頭的細胞膜完整性。

圖3 熱處理對鮮切芋頭相對電導率的影響Fig.3 Effects of heat treatment(HT)on relativeelectrical conductivity of fresh-cut taro

2.4 熱處理對鮮切芋頭總酚含量和PAL活性的影響

酚類物質是酶促褐變的主要底物,其含量的高低與鮮切果蔬的褐變密切相關。由圖4A可知,總酚含量隨貯藏時間的延長而逐漸增加,對照組從開始冷藏后快速增加,處理組的總酚含量在整個貯藏期間隨有所增加,但處理組的增加幅度遠低于對照組,且處理組的總酚含量顯著低于對照組。苯丙氨酸解氨酶(PAL)是調控酚類物質生物合成的關鍵酶[19],當PAL活性高時,酚類物質的合成加快。從圖4B可知,與貯藏前(0 d)相比,鮮切芋頭PAL活性總體呈增加趨勢。與對照組相比,處理組的PAL活性顯著低于對照組,表明60 ℃處理鮮切芋頭1 min能有效抑制鮮切芋頭的PAL活性,從而延緩了酚類物質的生物合成。

圖4 熱處理對鮮切芋頭總酚含量(A)和PAL活性(B)的影響Fig.4 Effects of heat treatment(HT)on total phenolcontents(A)and PAL activities(B)of fresh-cut taro

2.5 熱處理對鮮切芋頭POD和PPO活性的影響

鮮切果蔬的褐變類型是酶促褐變,與POD、PPO等多種促進酚類物質氧化聚合的酶有關,其中起主要作用的是PPO和POD,即PPO和POD在有氧條件下,催化酚類物質氧化生成為醌,醌再聚合生成有色物質[20]。因此,PPO和POD是影響鮮切果蔬褐變的最關鍵的酶。從圖5A可以看出,對照組的POD活性先增加,在冷藏的6 d時達到最高值,之后又逐漸下降,處理組的POD活性雖然在整個貯藏期呈增加趨勢,但變化幅度很小,與貯藏前基本一致。與對照相比,除冷藏的最后一天(12 d),處理組的POD活性顯著低于對照組。從圖5B可知,對照組的PPO活性在冷藏3 d時達到最高值,之后逐漸降低,而處理組的PPO活性在整個貯藏期變化不大。與對照組相比,除冷藏后期的第9和12 d之外,處理組的PPO活性顯著(P<0.05)低于對照。以上結果表明,60 ℃處理1 min對鮮切芋頭PPO和POD活性具有明顯的抑制效果。

圖5 熱處理對鮮切芋頭POD(A)和PPO(B)活性的影響Fig.5 Effects of heat treatment(HT)on POD(A)and PPO(B)activities of fresh-cut taro

3 討論與結論

熱處理是一種安全高效的物理保鮮方式,能提高多種鮮切果蔬的貯藏品質[21]。如,40 ℃的熱水處理鮮切雙孢蘑菇(白色種)5 min,能控制其褐變[22];55 ℃的熱水處理鮮切蓮藕45 s,能提高鮮切蓮藕在冷藏期間的貯藏品質,延長貨架期[23]。本研究的結果表明,短時38、60和100 ℃的熱處理均能有效抑制鮮切芋頭的褐變;同時,38和60 ℃的熱處理能有效抑制鮮切芋頭的質量損失,延緩硬度下降(圖1和圖2)。這些結果證實,熱處理能提高鮮切芋頭在冷藏期間的貯藏品質。盡管熱處理是一項較為傳統的物理保鮮技術,但其對鮮切芋頭的保鮮效果尚需進一步驗證,本研究結果可為熱處理技術在鮮切芋頭工業中的應用提供有力證據。

熱處理條件影響鮮切果蔬的保鮮效果,過高溫度和過長處理時間均不利于鮮切果蔬的保鮮[21]。因為鮮切果蔬仍然是有生命的有機體,在貯藏期間仍在進行著一系列的生命活動,而過高溫度或過長時間的熱處理可能會導致組織細胞死亡,反而更不利于保鮮[24]。本研究也得到了相似的結果,100 ℃的熱燙處理雖然對酶促褐變的控制效果最好,但會加速鮮切芋頭的軟化和失重;60 ℃處理0.5 min的保鮮效果不如同溫度處理1.0和3.0 min,盡管1.0和3.0 min熱處理的保鮮效果差異不顯著,但1.0 min熱處理的保鮮效果總體上要優于3.0 min。以上結果表明,適宜溫度和處理時長的熱處理不僅能控制鮮切芋頭褐變,有利于保持良好的外觀色澤,同時還能提高其他方面的感官品質,如質地和水分保持。本研究得出的適宜熱處理條件為60 ℃處理1 min,是否其他溫度和時長的熱處理更有利于保持鮮切芋頭的貯藏品質,尚需更多研究進一步明確。

鮮切果蔬的褐變類型是酶促褐變,其與酚類物質的生物合成與氧化聚合有關[25]。PAL是調控酚類物質生物合成的關鍵酶,POD和PPO在催化酚類物質氧化過程中發揮重要作用。這三種酶活性通常與褐變程度成正相關的關系[25]。酚類物質含量高的菠蘿在采后貯藏期間更容易發生褐變[18]。熱處理控制鮮切甘蔗褐變與其抑制PAL、PPO和POD活性增加有關[26]。本研究中,熱處理有效抑制了PAL活性、POD和PPO酶活性,降低了總酚含量,表明熱處理通過鈍化與褐變有關酶的活性,減少了酚類物質的生物合成和氧化聚合,從而延緩了鮮切芋頭的酶促褐變。細胞膜完整性的喪失會增加底物與酶反應的機會,相對電導率是反應細胞膜完整性的指標之一[27]。60 ℃處理組的相對電導率顯著(P<0.05)低于對照組,表明熱處理有助于保持鮮切芋頭在冷藏期間的細胞膜完整性,從而減少了底物與酶反應的機會,延緩了鮮切芋頭的品質劣變。

綜上所述,適宜溫度和時長的熱處理能提高鮮切芋頭貯藏品質,延長鮮切芋頭保鮮期;熱處理通過保持細胞膜完整性和抑制PAL、POD和PPO酶活性,降低酚類物質的合成和氧化聚合,從而提高了鮮切芋頭貯藏品質。