恒壓真空預冷對芥藍貯藏品質的影響

陳亞鵬,劉貴珊*,張浩楠,李燕,康寧波

1(寧夏大學 食品與葡萄酒學院,寧夏 銀川,750021)2(寧夏大學 物理與電子電氣工程學院,寧夏 銀川,750021)

芥藍(Brassicaoleraceavar.alboglabra)又名白花芥藍,為十字花科蕓薹屬一年生草本植物,是中國特產蔬菜之一[1],富含維生素、礦物質、芥子油苷[2]、硫代葡萄糖苷等營養物質,其降解產物異硫代氰酸鹽能有效防癌[3],是甘藍類蔬菜中營養價值較高的一種[4]。芥藍葉片表面積大且含水量高,即使在采收后也會呼吸和蒸騰,導致其質量不斷下降[5]。因此,亟需采用預冷技術延長芥藍的貨架期。

預冷作為集成式冷鏈第一步,可最大程度地降低新鮮蔬菜的呼吸代謝,消除其田間熱量[6-7]。真空預冷是通過在真空下蒸發掉蔬菜的一部分水分,從而延長貨架期的最佳方法[8],具有效率高、衛生好、能耗低等優點[9],適用于多孔食品,已應用于萵苣、西蘭花、白菜、菠菜等蔬菜的貯藏保鮮[10]。然而,真空預冷過程中溫度分布不均勻等問題也是制約其應用的關鍵因素[11]。

恒壓真空預冷(multi-stage vacuum pressure reservation,MSVPR)是通過控制真空泵間歇啟動運行,以此來提高預冷效果的一種工藝[12],可以解決蔬菜降溫過程中預冷不均勻的問題,并有效節省能耗[13],但相應地會增加產品質量損失。CHENG[14]發現MSVPR與水冷相結合可以有效降低竹筍的溫度,節省運行成本與能耗。CHENG等[15]發現MSVPR可以有效降低卷心菜表面和內部溫差。同時用冷凝器冷卻外部空氣,可以解決壓強恢復過程中卷心菜溫度升高的問題。PICHAVA等[13]采用不同MSVPR操作方式對有機佛掌瓜苗進行預冷。并通過實驗得出有機佛掌瓜苗從19～23 ℃預冷到(8±1) ℃的最佳壓強為1.1 kPa,保壓時長為5 min。廖彩虎等[16]研究不同預冷技術對鮮切蓮藕貯藏品質的影響。結果表明,真空預冷降溫速率為冷庫預冷的10倍。隨著真空預冷恒壓時間的延遲,其水分損失呈增加趨勢,預冷終溫5 ℃并恒壓4 min的效果最佳。但目前大部分研究僅針對真空預冷前后效果對比,且局限于根莖類蔬菜,而MSVPR對葉菜類蔬菜貯藏期間品質的影響鮮見報道。

本文采用MSVPR技術對芥藍進行預冷處理,研究不同預冷終溫對芥藍貯藏期間失重率、呼吸強度、葉綠素、色澤、抗壞血酸及丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量的影響,以期為葉菜類蔬菜貯藏保鮮提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

芥藍采自寧夏鑫茂祥冷藏運輸有限公司,挑選莖薹飽滿、無病蟲植株。

草酸、三氯乙酸,天津市大茂化學試劑廠；硫代巴比妥酸,上海廣諾化學科技有限公司；抗壞血酸、2,6-二氯酚靛酚鈉鹽,國藥集團化學試劑有限公司,均為分析純試劑。

1.2 儀器與設備

KMS500真空預冷機,東莞科美斯科技實業有限公司；TYS-B葉綠素測定儀、3051H果蔬呼吸測定儀,浙江托普云農科技股份有限公司；CM-2300 d分光測色計,日本柯尼卡美能達公司；JY10002電子天平,上海舜宇恒平科學儀器有限公司；UV-1800紫外分光光度計,日本島津公司；5804R高速冷凍離心機,湘儀離心機儀器有限公司。

1.3 試驗方法

選取大小一致、外形新鮮飽滿、無機械損傷、無病蟲害的新鮮芥藍隨機分為3組,進行恒壓真空預冷實驗。設置預冷終溫為0、4、8 ℃,分別記作V0組、V4組、V8組；以傳統真空預冷(無保壓)作為對照組(CK),對芥藍進行預冷處理。預冷結束后,立即裝入PE保鮮袋,置于(4±1)℃的冰箱內貯藏20 d,每隔2 d測定相關理化指標。

1.4 恒壓真空預冷過程操作

真空預冷系統如圖1所示。真空預冷實驗主要測量數據為不同預冷終溫下的溫度變化、真空室壓強、預冷時間及預冷前后的質量損失。

1-冷卻液入口；2-冷卻液出口；3-冷凝器；4-壓力計；5-壓力傳感器；6-排氣閥；7-壓力指示器和控制器；8-溫度指示器和控制器；9-控制面板；10-電腦；11-排氣閥；12-真空閥；13-真空泵；14-真空閥；15-真空泵；16-數據采集系統；17-真空室；18-產品；19-熱電偶

測量并記錄芥藍的初始質量和溫度,將芥藍放進真空艙內,并將4根熱電偶分別置于不同葉片的上表皮,距離主脈右側附近的點；4根分別插入到芥藍主莖的頭部,中部、尾部及分支莖的中心點(深度0.2 cm),同時,將8根傳感線和1個信號傳輸記錄儀連接到計算機上,葉片及根莖實驗結果分別取平均值±標準差。打開真空預冷機,根據前期實驗基礎,當壓強達到1.20 kPa后關閉真空泵,開啟第1次保壓,保壓350 s后開啟真空泵,在壓強達到1.00 kPa后關閉真空泵開始第2次保壓,保壓400 s后再次開啟真空泵(當目標預冷終溫較高時2次保壓結束后可關閉預冷設備),當壓強達到0.80 kPa時關閉真空泵開啟第3次保壓,保壓300 s后真空冷卻實驗結束。打開真空室艙門,取出芥藍并稱重。

1.5 指標測定

1.5.1 失重率測定

采用稱重法,貯藏前的質量記作m1,貯藏后的質量記作m2,實驗取均值。失重率按公式(1)計算：

(1)

1.5.2 葉綠素含量測定

采用葉綠素測定儀進行測定。

1.5.3 色差測定

采用分光測色計測定新鮮芥藍葉片L*、a*和b*值。

1.5.4 呼吸強度測定

采用果蔬呼吸測定儀進行測定,按公式(2)計算:

(2)

式中：ρ,測定后密閉容器CO2濃度,mg/L；ρ0,測定前密閉容器CO2濃度,mg/L；V,容器總體積,2 L；V0,測定溫度下CO2摩爾體積,22.4 L/mol；M,CO2的摩爾質量,44 g/mol；m,測定用果蔬的質量,kg；t,測定所用時間,h。

1.5.5 抗壞血酸含量測定

采用2,6-二氯靛酚滴定法[17]進行測定。

1.5.6 MDA測定

參考XI等[18]方法測定。

1.6 數據處理

每組樣品包含10株芥藍,平行測定3次,數據采用平均值±標準差,使用SPSS 23軟件進行數據處理,采用LSD法計算不同處理之間的差異顯著性,置信區間95%,圖中標注不同字母表示數據間具有顯著性差異(P<0.05),Origin 2018軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同真空預冷工藝對芥藍預冷效果評價

如圖2-a所示,芥藍初始平均溫度為22.95 ℃。啟動真空泵后,在前188 s壓強處于平衡階段,此時真空室內的壓強為20.20 kPa；葉片溫度為17.13 ℃,下降5.82 ℃；根莖溫度為20.31 ℃,下降2.64 ℃,葉片降溫速率高于根莖,這是因為葉片的面積大且有大量的氣孔用于水分蒸發[19]。之后真空室壓強處于迅速下降階段,在達到芥藍飽和壓力(閃點)前的488 s內,壓強從20.20 kPa下降到2.20 kPa,此時葉片溫度為12.67 ℃,根莖溫度為14.24 ℃,這一階段溫度下降速率緩慢。到達閃點后芥藍葉片溫度開始迅速下降,此時芥藍葉片內的自由水開始吸熱蒸發[20]。預冷結束時葉片的平均溫度為2.26 ℃,根莖溫度為9.50 ℃,溫度相差7.24 ℃,預冷時長711 s。

針對葉片與根莖溫差過大等問題,現采用MSVPR技術進行實驗,如圖2-b、2-c、2-d所示,在真空預冷過程中,前600 s操作與圖2-a相同。600 s后開始第1次保壓,關閉真空泵,真空室內壓強不再降低并開始回升。由圖2-c可知,當保壓238 s后,艙內壓強上升0.2 kPa；此時芥藍葉片溫度從7.17 ℃上升到8.21 ℃,上升1.04 ℃,根莖溫度從9.78 ℃下降到8.81 ℃,下降0.97 ℃,根莖溫度始終處于下降過程,這可能是因為在保壓過程中，壓強處于平穩狀態，芥藍沸點不再下降，而根莖因其內部結構致密，氣孔分布數量少，水分蒸發速率慢[21]，導致根莖部位熱量較葉片高，并且，芥藍此時以根莖為中心點通過熱傳導的方式向葉片內部傳輸熱量,葉片溫度開始緩慢回升。當保壓時長達到350 s后,再次開啟真空泵,當艙內的壓強降至1.0 kPa時,開始第2次保壓,芥藍葉片溫度繼續上升,根莖溫度繼續下降。在保壓過程中,葉片與根莖溫差逐漸縮小。最終,V0、V4、V8組平均溫差分別為0.75、0.58、0.91 ℃,預冷時長分別為1 629、1 978、1 034 s。結果表明,MSVPR可有效解決芥藍在預冷過程中溫差過大,預冷不均勻的問題。

a-傳統真空預冷;b-恒壓真空預冷終溫0 ℃;c-恒壓真空預冷終溫4 ℃;d-恒壓真空預冷終溫8 ℃

MSVPR技術可以解決葉菜類蔬菜在預冷過程中溫度分布不均勻的問題,但是相應的高預冷時長會增加產品的質量損失。如表1所示,V0、V4、V8組在預冷結束時失重率分別為3.74%、4.18%、2.57%,而CK組失重率僅為1.30%,證明預冷時間越長蔬菜的質量損失越大,這是因為在保壓過程中蔬菜一直處于蒸發的過程,而液態水需要通過葉脈進行傳輸,在整個空間域中呈現出一種傳熱傳質相互耦合的現象[11]。因此對于葉菜類蔬菜而言,預冷時長盡量控制在30 min之內。

表1 四組真空預冷實驗主要測量指標

2.2 不同預冷終溫對芥藍貯藏期失重率的影響

失重率是評估新鮮蔬菜品質的關鍵指標之一[22]。因為芥藍屬于葉菜類蔬菜,通常具有較大的表面積與體積,這使其很容易在收獲后迅速失水[23]。如圖3所示,失重率隨貯藏時間的延長而增加。在整個貯藏期內,處理組的失重率始終低于對照組(P<0.05),貯藏20 d后,CK組失重率為12.24%,而V0、V4及V8組失重率分別為7.20%、2.73%、4.05%。結果表明,MSVPR可以有效降低蔬菜的失重率。而不同預冷溫度之間也存在顯著差異(P<0.05),V0組可能是因為預冷終溫過低而導致葉片發生凍害,在貯藏期間細胞分解失水[24],從而導致失重率高于其他2組。

圖3 貯藏期內芥藍失重率變化

2.3 不同預冷終溫對芥藍貯藏期葉綠素含量的影響

葉綠素含量被認為是影響葉片衰老的重要指標,葉綠素降解會導致葉片腐敗黃化[25]。如圖4所示,貯藏前10 d,各組間無顯著差異(P>0.05),第12 天時,葉綠素降解速率加快,葉片開始黃化腐敗。貯藏20 d后,CK組與V4、V8組之間存在顯著差異(P<0.05)。CK組中葉綠素含量僅為47.94 SPAD,損失率高達27.65%,而V4組則保持了較高的葉綠素水平,達54.68 SPAD。結果表明,MSVPR可有效減少芥藍在貯藏過程中葉綠素的降解,這是因為適宜的預冷壓強可降低葉綠體的潰解[23]。此外,預冷終溫4 ℃可以更好的保持葉綠素含量,這可能是因為預冷終溫與貯藏溫度相同,從而使芥藍在貯藏過程中消耗更少的能量,減小因環境壓力所造成的脅迫,抑制相關酶活性[26]。

圖4 貯藏期內葉綠素含量變化

2.4 不同預冷終溫對芥藍貯藏期色澤的影響

顏色是決定食品質量的重要感官屬性之一[27]。亮度L*值表示各種色彩由明到暗的變化程度。如圖5-a所示,L*值隨貯藏時間的增加呈上升趨勢,但增長緩慢。第20 天后,CK組樣品中L*值的增長較處理組明顯(P<0.05),由此可知,MSVPR可以減緩芥藍L*值的增長速度。a*值為紅綠值,值越大表示綠色損失越多。如圖5-b所示,a*值隨著貯藏時間增加而上升,這可能是葉綠素脫鎂形成葉綠酸從而導致黃化[28],綠色度逐漸降低。貯藏第20 天時,V4組相對于其他組a*值上升速度最慢(P<0.05)。表明預冷終溫4 ℃可以有效保持芥藍的a*值。

a-L*值;b-a*值;c-b*值

b*值代表藍黃程度,值越大表示顏色越黃[29]。如圖5-c所示,在貯藏期間,b*值始終呈上升趨勢。第8 天后,CK組與V4組差異顯著(P<0.05),這可能是因為CK組在第8 天時出現了呼吸高峰,消耗體內大量的能量及營養物質,導致葉片衰老黃化。第20 天后,CK組b*值為18.88,處理組分別為17.17、15.76、16.48,CK組b*值明顯高于處理組(P<0.05)。結果表明,MSVPR可有效控制芥藍在貯藏過程中b*值的變化情況,且預冷終溫4 ℃所保持的色彩最佳。

2.5 不同預冷終溫對芥藍外觀形態的影響

外觀形態變化可直接反映芥藍品質劣變及衰老程度[30]。如圖6所示,經MSVPR處理后的芥藍其黃化程度均低于對照組。CK組在第12天時開始黃化,第16天時黃化程度加重,已失去了食用價值,黃化程度與圖5-c中所描述的色澤b*值相符。在第20天時V4組芥藍貯藏外觀形態最佳,黃化程度低,V0組因失重率較高,葉片相對萎蔫皺縮,并在分支莖及花蕾處開始黃化。V8組也在分支莖的葉柄處開始黃化,隨后葉片開始脫落。可見,MSVPR較傳統真空預冷可延緩芥藍外觀形態的劣變,將貨架期從16 d延長至20 d,且預冷終溫4 ℃的外觀形態最佳。

圖6 貯藏期內芥藍外觀形態變化

2.6 不同預冷終溫對芥藍貯藏期呼吸強度的影響

控制蔬菜的呼吸強度對于延緩果蔬衰老至關重要[10]。如圖7所示,貯藏期間CK組芥藍的呼吸強度持續加強,并在第8天時出現呼吸高峰,此時呼吸強度為291.57 mg/(kg·h),隨后一直處于較高的水平。而處理組的呼吸強度始終低于對照組(P<0.05),V0、V4、V8組同時在第12天時出現呼吸高峰,與CK組相比明顯推遲了呼吸高峰的到來。結果表明,MSVPR可以有效控制蔬菜的呼吸強度,這可能是因為葉片部分主導了樣品的呼吸[21],而MSVPR在降溫過程中通過熱傳導將根莖能量傳輸到葉片,從而使葉片可以更好地抵御來自外界環境的脅迫。此外,呼吸強度也受含水量的影響[31],這與圖3中CK組失重率變化相符合。

圖7 貯藏期內呼吸強度變化

2.7 不同預冷終溫對芥藍貯藏期抗壞血酸含量的影響

新鮮芥藍富含豐富的抗壞血酸,并被視為重要品質指標[32]。如圖8所示,在貯藏期間,對照組和處理組的抗壞血酸含量均呈現下降趨勢。且處理組的抗壞血酸含量明顯高于對照組(P<0.05)。在第20 d時,CK組中抗壞血酸含量僅為14.50 mg/100 g,降低了76.83%,而在V0,V4和V8組抗壞血酸含量分別降低了67.56%,41.41%和63.07%。結果表明,MSVPR可以有效緩解抗壞血酸含量的下降速率,這可能是因為MSVPR處理后的芥藍熱量分布更均勻,減少了貯藏過程中環境因子造成的危害。同時,處理組之間也存在顯著差異(P<0.05),V4組可以更好地保持抗壞血酸含量,這是因為低溫可以抑制酶的活性[33],而V0組因預冷終溫過低導致芥藍相關組織結構產生不可逆的損傷,其內部代謝紊亂,下降速率高于其他2組。

圖8 貯藏期內抗壞血酸含量變化

2.8 不同預冷終溫對芥藍貯藏期MDA含量的影響

MDA是由衰老過程中活性氧(reactive oxide species,ROS)積累增加所致,是植物氧化脅迫程度的重要指標[34]。如圖9所示,在整個貯藏期間,MDA含量始終呈上升狀態,且處理組MDA含量始終低于對照組(P<0.05)。在第20天時。對照組中MDA含量為3.64 μmol/g(FW),分別為V0、V4、V8組的1.14、1.46、1.22倍。說明MSVPR可以抑制芥藍脂質過氧化的積累,降低形成冷害的風險,這是因為在降溫過程中MSVPR可以更好地控制芥藍的溫度,避免因預冷溫度過低導致膜損害。此外,MDA含量與抗壞血酸含量之間呈負相關,這是因為通過抗壞血酸-谷胱甘肽循環可有效減少ROS的含量[35]。

圖9 貯藏期內MDA含量變化

3 結論

本文采用MSVPR技術對芥藍進行預冷處理,研究不同預冷終溫對芥藍貯藏品質的影響。結果表明,MSVPR可以有效降低葉片和根莖的溫差(平均溫差控制在1 ℃以內),使芥藍整體溫度趨于平衡,但MSVPR預冷時間較長,特別是在保壓過程中會不斷的蒸發蔬菜水分,最終導致產品質量損失偏高,影響經濟價值,因此采用MSVPR進行操作時預冷時間盡量控制在30 min內,以此來減少失重率。在貯藏至20 d時,預冷終溫4 ℃貯藏的品質最佳,此時抗壞血酸損失率為41.41%,失重率為2.73%,葉綠素下降17.28%,并有效降低呼吸強度,抑制MDA含量的增長,與傳統真空預冷貯藏16 d相比,MSVPR處理后的芥藍可延長貨架期至20 d。