基于擴散型時間溫度指示器表征鮮銀耳貯藏過程品質變化

康峻菡,胥 義,楊恒宇(上海理工大學醫療器械與食品學院,上海楊浦 200093)

時間-溫度指示器(TTI)是一種簡易的質量記錄標簽,隨著時間和溫度的變化,TTI可以對流通過程中的產品進行記錄和監控,并表現出容易觀察且不可逆的顏色變化[1-2]。顯色物質產生機理的不同,TTI可以分為擴散型、聚合型、酶促反應型、微生物型等類型[3-4]。目前,國外對TTI已有較多的研究,廣泛應用于食品冷鏈管理領域,如魚、蔬菜、水果、冷藏肉類等[5-10]。國內還沒有出現商業型TTI,科研機構對于TTI的研究相比國外較少[1]。

鮮銀耳含水率高、組織脆嫩,菌體外表不受保護;在后熟過程中感官表現為失水皺縮萎焉、自溶腐爛[11];采收后仍在進行強烈的新陳代謝和呼吸作用。有時食用菌雖未變質但其商品價值卻已降低或失去,所以鮮銀耳的貯藏過程中品質變化的監測尤為重要。

由于擴散型TTI變化過程和銀耳的品質變化過程是兩個獨立的隨溫度變化而變化的過程,因此,為了能讓擴散型TTI準確地監測銀耳的品質,需要分別建立兩者的反應動力學模型并進行耦合,判斷兩者的耦合性以及TTI的適用性[12]。傅澤田等[13]利用化學型時間溫度指示器對鮮食葡萄采后品質變化進行監測,發現TTI對鮮食葡萄的品質變化的檢測效果良好;楊加敏等[14]利用擴散型時間溫度指示器對奇異果品質進行預測,TTI顏色變化與奇異果品質變化的活化能差值在±25 kJ/mol以內,因此該指示器可以預測奇異果的品質變化;喬磊等[15]利用酶型時間溫度指示器監測冷鮮豬肉貯藏貨架期,發現其顯色變化具有良好的穩定性并與冷鮮豬肉品質變化有高低匹配性。

鑒于此,本文對擴散型TTI顏色變化,鮮銀耳貯藏過程中的失重率、可溶性糖含量及丙二醛含量變化進行研究,通過化學品質動力學模型及Arrhenius方程計算各指標的反應活化能Ea,并將兩者進行耦合,確定擴散型TTI與鮮銀耳貯藏過程中的品質變化的匹配性,以使其成為監測鮮銀耳品質監控的智能化手段。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

銀耳 福建省益禾農業發展有限公司;擴散型TTI 庫碼標簽,蘇州華實熱敏科技有限公司;無水葡萄糖、鹽酸、硫酸、硫代巴比妥酸 以上均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司;蒽酮 AR,上海源葉生物科技有限公司;三氯乙酸 AR,上海麥克林生化科技有限公司。

HWS-150B恒溫恒濕箱 北京市恒諾利興科技有限公司;UV-6100型紫外可見分光光度計 上海元析儀器有限公司;FA224 電子分析天平 上海力辰邦西儀器科技有限公司;三星數碼相機 三星集團。

1.2 試驗方法

選取的銀耳每朵100～130 g,一盒銀耳為一朵,將標簽貼在外包裝盒,共10盒。將其放入恒溫恒濕箱中來模擬貯藏實驗,分別在5、13、17和23 ℃[14,16,33]下恒溫貯藏,濕度環境85%～95%,每2 d測定相應的指標(失重率、可溶性糖含量、丙二醛含量),以分析鮮銀耳品質變化并確定動力學參數。做3組平行試驗,每組重復3次。

測定時,5盒銀耳只用于測定其失重率,其余5盒用來測定可溶性糖含量及丙二醛含量,每次分別從貯藏的5盒鮮銀耳中隨機剪下一部分、用料理機粉碎后進行試驗,其余部分繼續貯藏在相應溫度的恒溫恒濕箱中進行后續試驗。

1.3 指標測定

1.3.1 貯藏溫度對擴散型TTI標簽顏色變化的影響 用數碼相機識別擴散型TTI顏色,提取并記錄其RGB值(R、G、B分別代表紅、綠、蘭,取值范圍0～255),每2 d測定一次,每個標簽RGB提取3次,并計算標簽反應的活化能Ea,重復5次。

由于TTI在反應過程中出現了從白色到藍色的明顯顏色變化過程,所以實驗中采用總體顏色變化作為動力學參數,來分析TTI顏色變化的動力學過程。總體顏色變化可以表示為如下形式:

RGB=R+256×G+65536×B

式(1)

式中:R-紅色,取值范圍0～255;G-綠色,取值范圍0～255;B-藍色,取值范圍0～255。

1.3.2 失重率測定 采用稱量法,通過電子天平進行稱量銀耳的質量,精確到0.0001 g,按照式(2)計算失重率:

式(2)

式中:G0-第0 d鮮銀耳的質量,g;Gi-第i天鮮銀耳的質量,g。

1.3.3 可溶性糖含量測定 采用蒽酮-硫酸比色法[31],采用葡萄糖溶液制作標準曲線。稱取粉碎的鮮銀耳0.3 g,共3份,分別放入3支試管中,加入10 mL蒸餾水,用塑料薄膜封口,于沸水中提取30 min(提取2次),提取液過濾后,加蒸餾水定容至25 mL。吸取2.0 mL樣品提取液,再加入6 mL蒽酮試劑,振蕩均勻后,立即在沸水中煮沸15 min,后冰水浴15 min。在625 nm處測定其吸光度,每組重復3次。記錄數據,并通過標準曲線算出其葡萄糖含量。計算公式見式(3):

式(3)

式中:m-從標準曲線上查得葡萄糖質量,μg;V-樣品提取液總體積,mL;N-稀釋倍數;V1-測定時提取液體積,mL;M-樣品質量,g。

1.3.4 丙二醛含量測定 采用硫代巴比妥酸(TBA)法[32]。稱取粉碎的鮮銀耳2.0 g,共3份,加入5 mL 10% TCA,研磨成均漿后,于4000 r/min離心20 min,取2.0 mL上清液(對照空白管中加入2.0 mL TCA),加入2 mL 0.67% TBA,混合均勻后在沸水浴中煮沸20 min,取出冷卻后,在450、532、600 nm處測定其上清液的吸光度。重復3次。計算公式見式(4)下:

式(4)

式中:C=6.45×(OD532-OD600)-0.56×OD450;C:反應混合液中丙二醛濃度,μmol/L;V:樣品提取液總體積,mL;Vs:測定時提取體積,mL;m:樣品質量,g。

1.4 數據處理

所有數據采用SPSS 17.0對數據進行方法分析(ANOVA),采用Duncan對各處理平均數間進行多重比較,差異極顯著水平為α=0.01,顯著水平為α=0.05。并用Origin 8.0進行作圖。

2 結果與分析

2.1 貯藏溫度對擴散型TTI顏色變化的影響

為了更準確地表征銀耳品質變化,首先對擴散型TTI進行了與銀耳貯藏環境溫度相同的顏色變化的詳細研究。表1所示為不同貯藏溫度對擴散型TTI顏色變化的影響。在不同貯藏溫度下,擴散型TTI的顏色都由初始的白色變為藍色,隨著貯藏溫度的升高,擴散型TTI的顏色由白色變為藍色的速度也就越快。從表1中可以看出,5 ℃下擴散型TTI顏色變化最慢,標簽在第8 d時才有些許變化;13 ℃次之,在第4 d時擴散型TTI顏色有些許變化,在第8 d是才有明顯變化;17 ℃下變化較快,在第4 d時擴散型TTI就有明顯的變化;23 ℃下變化最快,在第2 d時顏色就開始變深。

表1 貯藏溫度對擴散型TTI顏色變化的影響Table 1 The influence of storage temperature on color change of diffused TTI

從圖1中可以看出,同一貯藏溫度下,隨著貯藏時間的延長擴散型TTI的RGB值降低;同一貯藏時間下,隨著貯藏溫度的升高擴散型TTI的RGB呈下降的趨勢。貯藏時間及貯藏溫度對擴散型TTI的RGB值有極顯著影響(P<0.01)。在5 ℃貯藏環境下,擴散型TTI RGB值變化最慢,在貯藏初期(第2 d)擴散型TTI RGB值已由1變為0.6899,貯藏8 d后擴散型TTI RGB值變為0.4722;在13 ℃貯藏環境下次之;在17 ℃貯藏環境下較快;在23 ℃貯藏環境下,擴散型TTI RGB值變化最快,在貯藏初期(第2 d)擴散型TTI RGB值由1變為0.4251,隨著貯藏時間的增加,擴散型TTI RGB值在第8 d時變化0.1416。

圖1 貯藏溫度對擴散型TTI RGB值的影響Fig.1 The influence of storage temperature on RGB value of diffused TTI

2.2 貯藏溫度對鮮銀耳品質的影響

2.2.1 貯藏溫度對鮮銀耳失重率的影響 圖2是貯藏溫度對鮮銀耳失重率的影響曲線。從圖2中可以看出,鮮銀耳失重率在5、13、17和23 ℃下均呈上升趨勢。不同貯藏溫度對鮮銀耳失重率的影響存在顯著性差異(P<0.05),不同貯藏時間對鮮銀耳失重率的影響存在極顯著差異(P<0.01)。貯藏溫度為5 ℃時,貯藏期結束(第8 d),鮮銀耳無長霉、變質等現象;貯藏溫度為13、17和23 ℃時,逐漸出現變黃和皺縮,并分別在第6、4、2 d時鮮銀耳出現發霉長菌以及發粘等變質現象。5 ℃下貯藏的銀耳其失重率在不同貯藏時間下均低于13、17和23 ℃條件下貯藏的銀耳。在貯藏結束時(第8 d),5、13、17和23 ℃分別由0上升至4.25%、9.81%、12.74%和17.18%,隨溫度的升高呈上升趨勢。這是因為鮮銀耳在采摘后并沒有停止其生命活動,水分隨著貯藏時間的延長而不斷蒸發,出現變黃、皺縮以及萎焉等影響其商品價值的現象,同時隨著溫度的升高,其呼吸作用也增強。因此,控制貯藏期鮮銀耳水分的散失是十分重要的。而5 ℃時,其失重率較低,說明低溫不僅降低了呼吸強度,還減緩了由于呼吸代謝引起的干物質損耗以及由于蒸發引起的水分散失[16-17]。

圖2 貯藏溫度對鮮銀耳失重率的影響Fig.2 The influence of storage temperature on weight loss rate of fresh tremella

2.2.2 貯藏溫度對鮮銀耳可溶性糖含量的影響 圖3是貯藏溫度對鮮銀耳可溶性糖含量的影響曲線。可溶性糖是鮮銀耳采后的重要檢測指標。可溶性糖不僅是重要的能量底物,還作為信號分子發揮類似激素的作用,與其生長發育及衰老過程密切相關[18]。從圖3中可以看出,鮮銀耳可溶性糖含量在5、13、17和23 ℃下,隨著貯藏時間的增加呈先下降后上升的趨勢。貯藏溫度以及貯藏時間均與鮮銀耳的可溶性糖含量之間存在顯著性差異(P<0.05)。同一貯藏時間下,溫度越低,其可溶性糖含量的變化波動較小。貯藏溫度為13、17和23 ℃時,貯藏前2 d,鮮銀耳的可溶性糖含量下降,之后可溶性糖含量上升。這是因為鮮銀耳在采摘后還是活的子實體,無法從環境中獲得能量,優先使用體內的能量種類為呼吸作用供能[19],這說明可溶性糖可以作為鮮銀耳衰老的早期鑒定指標。而后期,銀耳開始變質時,可溶性糖含量上升可能是貯藏時間過長嚴重衰老,鮮銀耳開始自溶,呼吸作用等生理代謝幾乎停滯,而導致可溶性糖無法被消耗而引起上升[18]。同時,在5 ℃下,貯藏前4 d 均呈下降趨勢,4 d后可溶性糖含量才有上升的趨勢,這可以說明較低的貯藏溫度可以延緩這種現象的發生。

圖3 貯藏溫度對鮮銀耳可溶性糖含量的影響Fig.3 The influence of storage temperature on contents of soluble sugar of fresh tremella

2.2.3 貯藏溫度對鮮銀耳丙二醛含量的影響 圖4是貯藏溫度對鮮銀耳丙二醛含量的影響曲線。丙二醛(MDA)是膜脂過氧化反應的主要產物,是用來衡量脂質氧化程度的指標,其含量說明細胞膜受損程度,MDA含量越高,則細胞受損傷程度就越大,影響鮮銀耳的貯藏品質[20-22]。貯藏溫度與鮮銀耳的丙二醛含量之間存在極顯著性差異(P<0.01),貯藏時間與鮮銀耳的丙二醛含量之間存在顯著性影響(P<0.05)。從圖4中可以看出,隨著貯藏時間的增加,鮮銀耳丙二醛含量總體呈上升趨勢;同一貯藏時間下,溫度越高,丙二醛含量的上升速度越快。當貯藏期結束(第8 d)時,5、13、17 ℃以及23 ℃下的丙二醛含量分別是第0 d的1.19倍、1.29倍、1.32倍和1.53倍,這說明較低溫度可以抑制丙二醛含量的增加,并且隨著貯藏期的延長以及貯藏溫度的升高,膜脂過氧化反應越激烈,細胞膜的受損也就越嚴重。膜脂過氧化產生的有害物質會破壞細胞的膜結構,導致細胞內水解酶被釋放,細胞滲透壓改變,加速了食用菌的自溶現象[21-23]。

圖4 貯藏溫度對鮮銀耳丙二醛含量的影響Fig.4 The influence of storage temperature on contents of malondialdehyde of fresh tremella

2.3 化學品質動力學模型的建立

研究表明,化學反應動力學模型能夠較好的反應食品品質變化,大多數食品品質的變化都遵循零級反應或一級反應動力學規律[24-26]。一般來講,若特征指標與貯藏時間存在線性關系,則符合0級反應模型;若特征指標與貯藏時間存在指數關系則符合1級反應模型[26]。零級和一級動力學反應方程式分別為:

0級反應模型:C=C0-kt

式(5)

1級反應模型:C=C0e-kt

式(6)

其中：k代表與溫度有關的反應速率常數,t代表儲存時間,即指示(貯藏)時間。

而食品品質指標的衰變速率k與貯藏溫度T之間的關系符合Arrhenius方程[27]:

式(7)

對(8)兩邊取對數,即得:

式(8)

其中:lnA為指前因子;Ea為活化能,kJ/mol;R為氣體常數,8.314×10-3kJ/(mol·K):T為貯藏溫度,K。

通過lnK和1/T之間作圖,可以獲得一條直線。從直線的斜率中可以計算出反應的活化能,從截距中可以得出指前因子lnA。

2.3.1 擴散型TTI動力學參數的確定 擴散型TTI在不同溫度下的反應速率常數K及其活化能如表2所示。由于零級反應模型較一級反應模型擬合度更高,故采用零級反應模型進行擬合,根據表2可以看出,隨著貯藏溫度的升高,擴散型TTI反應速率常數K增大,因此反應速率常數與溫度有一定關系。由公式(9)可知,反應速率常數K的對數值與1/T存在一定的線性關系,將1/T作為橫坐標,lnK作為縱坐標作圖,并進行擬合,獲得一條直線,如圖5所示。通過這條直線的斜率即可計算出擴散型TTI的活化能為36.1135 kJ/mol,結果如表2所示。

表2 不同溫度下擴散型TTI反應速率常數K和活化能EaTable 2 Diffused TTI reaction rate constant K and activation energy(Ea)at different temperature

圖5 擴散型TTI反應的Arrhenius圖(lnK與1/T)Fig.5 Arrhenius plot of lnK and 1/T for diffused TTI response

2.3.2 銀耳品質動力學參數的確定 鮮銀耳的失重率、可溶性糖及丙二醛在不同溫度下的反應速率常數K及其活化能如表3所示。由于零級反應模型較一級反應模型擬合度更高,故采用零級反應模型進行擬合,根據表3可以看出,隨著貯藏溫度的升高,鮮銀耳失重率、可溶性糖及丙二醛的反應速率常數K增大,因此反應速率常數與溫度有一定關系。由公式(9)可知,反應速率常數K的對數值與1/T存在一定的線性關系,將1/T作為橫坐標,lnK作為縱坐標作圖,并進行擬合,獲得一條直線,如圖6所示。通過這條直線的斜率即可計算出鮮銀耳的失重率、可溶性糖及丙二醛的活化能分別為53.3144、53.3368、43.9744 kJ/mol,結果如表3所示。

表3 不同溫度下鮮銀耳失重率、可溶性糖及丙二醛的反應速率常數K與活化能EaTable 3 Reaction rate constant K and activation energy(Ea)of fresh tremella at different temperature

圖6 鮮銀耳品質變化的Arrhenius圖(lnK與1/T)Fig.6 Arrhenius plot of lnK and 1/T for fresh tremella response注:a:失重率;b:可溶性糖含量;c:丙二醛含量。

2.3.3 擴散型TTI對鮮銀耳品質的表征 表4所示為鮮銀耳在貯藏過程中品質損失活化能,如果此擴散型TTI能應用于鮮銀耳品質的表征,則擴散型TTI與鮮銀耳的反應活化能差值±25 kJ/mol以內,才是使得預測的鮮銀耳質量誤差(<15%)較小[28-30]。由研究結果發現,擴散型TTI活化能值為36.1135 kJ/mol,與表4結果相比較發現,鮮銀耳的失重率、可溶性糖含量、丙二醛含量的活化能與該擴散型TTI的活化能之差在±25 kJ/mol以內,因此可以用該擴散型TTI對鮮銀耳的失重率、可溶性糖含量、丙二醛含量進行預測和表征。

表4 鮮銀耳品質損失活化能Ea值Table 4 Quality loss activation energy(Ea)value of fresh tremella

3 結論

通過對不同溫度下擴散型TTI顏色變化,鮮銀耳的失重率、可溶性糖及丙二醛含量指標的研究,得出以下幾個結論:

貯藏溫度及貯藏時間對擴散型TTI顏色變化影響極顯著(P<0.01)。隨著貯藏溫度的升高以及貯藏時間的延長,擴散型TTI由初始的白色變為藍色。擴散型TTI的RGB值隨著時間的增加呈遞減趨勢;且貯藏溫度越高,遞減速度越快。

鮮銀耳的失重率、可溶性糖含量及丙二醛含量與貯藏溫度有關,貯藏溫度越高,其失重率、可溶性糖含量及丙二醛含量變化速度越快,品質越差。因此,可以通過降低貯藏溫度延長其品質,避免商品價值的損失。

擴散型TTI與鮮銀耳的失重率、可溶性糖含量及丙二醛含量的活化能之差較小,說明有望利用擴散型TTI監控鮮銀耳在貯藏過程中的品質變化,實現對食品品質的監控,實現食品在貯藏過程中的智能化監控。