溫度對鮮切馬鈴薯品質影響及貨架期預測模型的建立

王 杰， 索慧敏， 韓育梅

(內蒙古農業大學食品科學與工程學院，呼和浩特 010018)

鮮切馬鈴薯是新鮮馬鈴薯經清洗、去皮、切分和包裝等工藝制成的產品[1,2]，它保留了馬鈴薯原有營養成分，方便快捷、安全衛生，具有廣闊的市場前景。鮮切馬鈴薯由于加工過程中不可避免的機械切割，導致生理生化反應加劇，微生物大量生長繁殖，嚴重限制了產品的貨架期[3，4]。因此，為延緩鮮切馬鈴薯品質發生劣變的時間，對鮮切馬鈴薯進行保鮮處理并對貯運過程中鮮切馬鈴薯品質的變化進行實時監測并準確預測鮮切馬鈴薯貨架期是尤為重要的，這不僅有利于提高馬鈴薯流通過程中的安全性，還可降低流通成本，減少損失，對鮮切馬鈴薯的加工利用極具現實意義。

溫度是影響果蔬貨架期的主要因素，對于果蔬在某一恒定溫度下引起的品質變化，可利用化學反應動力學的原理建立貨架期的預測模型，目前，研究溫度對食品品質變化速率影響的貨架期動力學預測模型主要有：Arrhenius方程[5]、Belehradek方程、Q10模型、Z值模型等[6]，Arrhenius方程應用最為廣泛，Arrhenius方程主要是用來描述溫度與產品腐敗變質速率之間的關系[7]，劉曉燕等[8]研究了不同溫度對鮮切蓮藕品質的影響，通過Arrhenius方程，分別以硬度、褐變度、可溶性固形物為特征指標建立了3種貨架期預測模型。利用Arrhenius方程預測貨架期模型時，同一果蔬的幾個特征指標品質變化不同，化學反應動力學模型的級數也有差異，一般零級反應和一級反應使用最廣泛。Jaiswal等[9]對漂燙處理的鮮切甘藍品質進行動力學研究，結果表明，甘藍色澤和質構的變化遵循零級反應動力學模型，一級動力學模型可很好的描述總酚含量和抗氧化能力的變化。但目前對于鮮切馬鈴薯貨架期預測模型的研究還鮮有報道。

本實驗通過測定不同儲藏溫度下鮮切馬鈴薯感官評分、失重率、褐變度、菌落總數和硬度5個品質指標，進而確定鮮切馬鈴薯適宜的儲藏溫度，通過Arrhenius方程建立4～10 ℃范圍內貨架期的預測模型，以期為鮮切馬鈴薯的保鮮加工及流通提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

馬鈴薯(品種:冀張12)產自內蒙古呼和浩特市武川縣。

1.1.2 試劑

二氧化氯；檸檬酸、氯化鈣；D-異抗壞血酸鈉；19絲紋路真空袋；PCA瓊脂培養基、磷酸緩沖液均為分析純。

1.2 儀器與設備

PL303電子天平，TGZ-98C振蕩培養箱，TGL-16M高速冷凍離心機，UV5紫外分光光度計，TA-XT Plus質構儀，DZ-400-2D真空包裝機。

1.3 實驗方法

將馬鈴薯用干凈的刀具切為5 mm的薄片，于濃度為0.8%檸檬酸、0.5%D-異抗壞血酸鈉、1.0%氯化鈣、50 mg/L ClO2處理條件下浸泡10 min，紗布吸干表面水分，真空包裝(9.625 9 kPa，20 s)，每袋200 g，分裝90袋，分別置于4 ℃、7 ℃、10 ℃條件下儲藏。每隔2 d取各儲藏溫度下鮮切馬鈴薯各3袋，對感官評分、褐變度、失重率、菌落總數、硬度進行測定，直至各儲藏溫度下的鮮切馬鈴薯達到貨架期終點為止。各實驗測定3次，結果取平均值。

1.3.1 感官評分的測定

感官評分表參照張敏歡[10]方法修改使用，由經過培訓的男女比例為1∶1的10名食品專業研究生,對鮮切馬鈴薯的外觀色澤、質地、氣味及商業價值進行打分，見表1。

表1 鮮切馬鈴薯感官品質評價標準

1.3.2 褐變度的測定

將2 g馬鈴薯組織樣品在pH為6.8的磷酸緩沖溶液中冰浴研磨成勻漿， 4 ℃、6 000 g條件下離心30 min提取上清液，于波長410 nm處測定吸光度值，褐變度(BD)以A410 nm表示[11]。

1.3.3 失重率的測定

采用稱重法。失重率=(貯前質量-貯后質量)/貯前質量×100%[12]。

1.3.4 菌落總數的測定

采用平板計數法，參照GB 4789.2—2016《食品微生物菌落總數測定》。每袋取25 g馬鈴薯加入到225 ml的生理鹽水中，振蕩均勻后進行稀釋，將所需梯度的稀釋液取1 ml注入平皿中，每個稀釋梯度2個重復，每個溫度取3袋作為平行樣。將稀釋液與瓊脂培養基搖勻，待凝固后在37 ℃培養箱中倒置培養48 h，培養結束后觀察菌落生長情況并進行計數和計算。

1.3.5 硬度的測定

利用質構儀對鮮切馬鈴薯片中心部位進行測定。測定模式：質地多面分析(Texture profile analysis, TPA)模式；探頭：P36R；測試參數：測前速度1.0 mm/s，測中速度1.0 mm/s，測后速度1.0 mm/s，壓縮力30%，觸發力5 g，兩次間隔時間5 s。平行測定3次取平均值[13]。

1.4 數據處理

實驗均進行3次重復操作，數據以“平均值±標準偏差”的方式表示，利用origin2018軟件繪圖并進行數據擬合,利用正交實驗設計程序Ver3.2進行實驗設計與正交分析，利用SPSS22.0軟件采用最小顯著極差法(LSD法)進行多重比較，顯著水平P<0.05。

1.5 鮮切馬鈴薯貨架期預測模型的建立

1.5.1 動力學模型的建立

鮮切馬鈴薯的儲藏品質通常會隨著時間的增加逐漸變差，與品質相關的某些特征指標(記作C)如失重率、褐變度等表現為升高或降低。不同特征指標C的變化函數級數也是不同的，由果蔬化學反應動力學方程決定。若特征指標C與儲藏時間t具有線性關系，反應為零級，特征指標C的對數與儲藏時間t具有線性關系，反應為一級。零級反應和一級反應模型為：

零級反應模型：C=kt+C0

(1)

一級反應模型：C=C0ekt

(2)

式中：t為儲藏時間/d；C為儲藏t時特征指標值；C0為特征指標初始值；k為化學反應速率。

1.5.2 Arrhenius品質變化及貨架期預測模型的建立

Arrhenius方程是描述儲藏溫度與食品品質變化速率的定量關系式，在鮮切果蔬貨架期預測模型的建立中已被廣泛應用[14]。運用Arrhenius方程結合馬鈴薯品質變化的動力學模型，可以確定其特征指標C的反應速率k與儲藏溫度T之間的關系，Arrhenius方程見式(3)。

(3)

式中：k0為指前因子；Ea為活化能，單位J/mol；R為氣體常數，8.314J/mol·K;T為絕對溫度/K。

將式(3)左右兩邊同時取對數得式(4)。

(4)

由式(4)可以看出，lnk與(1/T)存在線性關系，以lnk為縱坐標，(1/T)為橫坐標可得出斜率為(-Ea/R)、截距為lnk0的直線。利用Origin軟件擬合鮮切馬鈴薯儲藏溫度T與反應速率k之間的關系，可求得活化能Ea和指前因子k0[15]。

將鮮切馬鈴薯特征指標C的品質動力學變化模型與Arrhenius方程相結合，可以得到“儲藏時間-儲藏溫度-鮮切馬鈴薯儲藏品質”三者的關系模型。這類模型在獼猴桃[16]、鮮切蘑菇[17]等多種食品貨架期預測模型中均被廣泛應用。

如果特征指標C的變化屬于零級反應，將式(1)代入式(3)，轉化后可得式(5)。

(5)

式中：R、-Ea和k0是已求得的常數；C為鮮切馬鈴薯達到貨架期終點時的特征指標值；C0為鮮切馬鈴薯儲藏初期特征指標值；t為鮮切馬鈴薯從儲藏開始到貨架期終點所經歷的時間；T為鮮切馬鈴薯的儲藏溫度。零級反應鮮切馬鈴薯的貨架期SL0(Shelf-Life0)見式(6)。

(6)

同樣地，特征指標C擬合的變化屬于一級反應，將式(2)代入式(3)可求得鮮切馬鈴薯基于一級反應模型下的貨架期SL1(Shelf-Life1)，見式(7)。

(7)

2 結果與分析

2.1 不同儲藏溫度馬鈴薯感官品質變化

2.1.1 不同儲藏溫度對鮮切馬鈴薯感官評分的影響

如圖1所示，隨著儲藏時間的延長，鮮切馬鈴薯的感官評分呈現逐漸下降的趨勢，當感官評分下降為6分時，視為貨架期終點。鮮切馬鈴薯感官評分高低的順序為4、7、10 ℃。4 ℃條件下，感官評分下降速度較為緩慢，4 ℃和7 ℃儲藏下的鮮切馬鈴薯在前6 d，感官評分并無顯著性差異(P>0.05)，儲藏第8天時，4 ℃和7 ℃具有顯著性差異(P<0.05)，4 ℃感官評分為6.88分，品質較好，而7 ℃儲藏為6.13分。在10 ℃儲藏溫度下，感官評分下降速度最快，在整個儲藏期間與4 ℃和7 ℃均有顯著性的差異(P<0.05)，當儲藏6 d時，感官評分已下降到6.27分。10 ℃下鮮切馬鈴薯的呼吸速率加快，發生感官品質劣變，導致感官評分下降。而4 ℃能有效的抑制果蔬的呼吸作用，延緩衰老，感官評分下降較慢。

圖1 不同儲藏溫度對鮮切馬鈴薯感官評分的影響

2.1.2 不同儲藏溫度對鮮切馬鈴薯褐變度的影響

如圖2所示，鮮切馬鈴薯在不同溫度條件下儲藏，隨著儲藏時間的延長，褐變度整體均呈增大趨勢，這是因為馬鈴薯經過去皮切分后，破壞了組織的完整性，當在氧氣的參與下會發生酶促褐變，導致褐變度增大[18]。鮮切馬鈴薯褐變度高低的順序為10、7、4 ℃，即溫度越高，褐變度增加速度越快。4 ℃和7 ℃儲藏下的鮮切馬鈴薯在前2 d，褐變度并無顯著性差異(P>0.05)，2 d之后，4 ℃和7 ℃的褐變度具有顯著性差異(P<0.05)。當儲藏第8天時，4 ℃褐變度為1.13，而7 ℃儲藏為1.5，7 ℃儲藏是4 ℃褐變度的1.26倍。與4 ℃和7 ℃相比，10 ℃儲藏的鮮切馬鈴薯褐變度明顯增加，從儲藏的第2天開始，與4 ℃和7 ℃均有顯著性的差異(P<0.05)，褐變上升速度最快。因此，4 ℃更適宜鮮切馬鈴薯品質的保持。

圖2 不同儲藏溫度對鮮切馬鈴薯褐變度的影響

2.1.3 不同儲藏溫度對鮮切馬鈴薯失重率的影響

如圖3所示，鮮切馬鈴薯在不同溫度下儲藏，隨著儲藏時間的增加，鮮切馬鈴薯的失重率整體均呈增大趨勢，這是因為鮮切馬鈴薯在儲藏期間會因蒸騰和呼吸作用造成水分散失，致使失重率上升。鮮切馬鈴薯失重率的高低順序為10、7、4 ℃。4 ℃儲藏下的鮮切馬鈴薯在整個儲藏期間與7、10 ℃均有顯著性的差異(P<0.05)，當儲藏第8天時，4 ℃失重率為0.63%，而7 ℃儲藏為0.87%，10 ℃儲藏為1.02%，可以看出，10 ℃儲藏條件下的失重率上升速度最快，4 ℃最緩慢，4 ℃更適合鮮切馬鈴薯的儲藏保鮮。

圖3 不同儲藏溫度對鮮切馬鈴薯失重率的影響

2.1.4 不同儲藏溫度對鮮切馬鈴薯菌落總數的影響

如圖4所示，隨著儲藏時間增加，鮮切馬鈴薯的菌落總數在不同儲藏溫度下均呈逐漸上升的趨勢。由圖可知，鮮切馬鈴薯菌落總數高低的順序為10 ℃>7 ℃>4 ℃，這可能是因為低溫導致一些嗜溫微生物因不適應低溫而死亡，隨著儲藏時間的延長，微生物適應環境，生長加快，菌落總數持續增加。4 ℃和7 ℃儲藏下的鮮切馬鈴薯在前2 d，菌落總數并無顯著性差異(P>0.05)，儲藏第4天開始，4 ℃和7 ℃具有顯著性差異(P<0.05)。當儲藏第8天時，4 ℃菌落總數為4.95 lgcfu/g，而7 ℃儲藏為5.78 lgcfu/g，二者具有顯著性差異(P<0.05)，根據鮮切果蔬菌落總數不超過5 lgcfu/g的上限[19]，4 ℃儲藏鮮切馬鈴薯貨架期可達8 d以上，而7 ℃則已達到貨架期極限。在10 ℃儲藏溫度下，菌落總數增長速度最快，從儲藏的第4 d開始，與4 ℃和7 ℃均有顯著性的差異(P<0.05)，當儲藏第6天時，菌落總數為5.66lgcfu/g，已達到貨架期極限。10 ℃條件下菌落總數增長速度快，原因可能是10 ℃加速了鮮切馬鈴薯的腐敗變質，為微生物的生長提供了條件。因此4 ℃低溫條件下更適合鮮切馬鈴薯的儲藏保鮮。

圖4 不同儲藏溫度對鮮切馬鈴薯片菌落總數變化

2.1.5 不同儲藏溫度對鮮切馬鈴薯硬度的影響

硬度是反應果蔬衰老的重要指標，鮮切馬鈴薯經去皮切分后造成機械損傷，導致組織破裂極易發生組織軟化，同時儲藏過程中溫度的變化、微生物的生長繁殖以及一系列的生理生化變化，也會導致硬度的下降。如圖5所示，隨著儲藏時間的增加，鮮切馬鈴薯的硬度在不同儲藏溫度下均呈逐漸下降的趨勢。由圖5可知，鮮切馬鈴薯硬度由高到低的順序為4、7、10 ℃，10 ℃條件下鮮切馬鈴薯硬度值下降的最為迅速。在儲藏的前2 d，4、7、10 ℃儲藏下的鮮切馬鈴薯硬度并無顯著性差異(P>0.05)，當儲藏第4天時，4 ℃儲藏的鮮切馬鈴薯硬度為6 348 g，7 ℃儲藏為6 182 g，10 ℃儲藏為5 709 g，10 ℃儲藏溫度下，硬度下降速度最快，與4 ℃和7 ℃均具有顯著性的差異(P<0.05)，這可能是10 ℃狀態下鮮切馬鈴薯中的原果膠變為水溶性果膠，細胞內多糖物質降解纖維素結晶減少[20]，細胞壁變薄導致組織軟化，硬度降低。而4 ℃和7 ℃狀態下可以有效的減緩上述變化從而保持馬鈴薯的質地。當儲藏第8 d時，4 ℃儲藏的硬度為5 883 g，而7 ℃儲藏為5 435 g，10 ℃儲藏為4 698 g，可以看出，10 ℃儲藏條件下的硬度下降速度最快，4 ℃最緩慢，4 ℃更適合鮮切馬鈴薯的儲藏保鮮。

圖5 不同儲藏溫度對鮮切馬鈴薯硬度的影響

2.2 鮮切馬鈴薯儲藏期間貨架期預測模型的建立

根據2.1實驗結果，鮮切馬鈴薯在4 ℃、7 ℃和10 ℃溫度下儲藏，與品質相關的理化指標褐變度、硬度、菌落總數、失重率及感官評分在儲藏期內隨著儲藏時間的延長均表現出一定的變化規律，因此，可以利用這些指標來衡量鮮切馬鈴薯的品質，預測其貨架期。

2.2.1 鮮切馬鈴薯品質動力學模型的建立

2.2.1.1 以化學反應為基礎的品質動力學模型的建立

根據鮮切馬鈴薯品質的測定值進行方程擬合，得知鮮切馬鈴薯的褐變度、失重率、菌落總數和硬度更適用于零級反應，與儲藏時間的關系滿足公式C-C0=kt。根據3個指標的變化規律，將4 ℃、7 ℃和10 ℃(換算成熱力學溫度為277.15 K、280.15 K和283.15 K)3個溫度下測得的鮮切馬鈴薯褐變度、失重率、菌落總數和硬度的變化進行線性擬合，求得不同溫度下鮮切馬鈴薯褐變度、失重率、菌落總數和硬度變化的回歸方程、反應速率常數k和調整決定系數R2，如表2所示。3個儲藏溫度下鮮切馬鈴薯褐變度、失重率、菌落總數和硬度的動力學模型中調整決定系數都大于0.85，則說明均具有較高的擬合度。

表2 動力學模型參數

根據馬鈴薯特征指標的Arrhenius方程，求得褐變度、失重率、菌落總數、硬度四個指標的模型參數k0和Ea的值，見表3。

圖6 鮮切馬鈴薯儲藏溫度T與反應速率K之間的關系

表3 鮮切馬鈴薯貨架期預測模型參數

將褐變度、失重率、菌落總數和硬度的相關參數代入式(6),求得4種貨架期的預測模型：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：SL褐變度、SL失重率、SL菌落總數、SL硬度分別是以褐變度、失重率、菌落總數和硬度為特征指標建立的鮮切馬鈴薯貨架期模型，C褐變度、C失重率、C菌落總數和C硬度分別是鮮切馬鈴薯到達貨架期終點時褐變度、失重率、菌落總數和硬度的測定值；T為鮮切馬鈴薯儲藏溫度/K。

2.2.1.2 鮮切馬鈴薯貨架期終點的判定

食品貨架期終點一般通過消費者對產品的可接受度、行業標準以及產品感官品質進行評定[21]。鮮切馬鈴薯在儲藏過程中易發生褐變、失水等感官變化，因此鮮切馬鈴薯貨架期主要以感官評分為主結合理化指標判定其貨架期終點。根據鮮切馬鈴薯感官評分標準表，得到不同儲藏溫度下鮮切馬鈴薯的感官評分變化，如圖1所示，鮮切馬鈴薯的感官評分隨著儲藏時間的延長逐漸下降。根據鮮切馬鈴薯評分標準，當分值降為6分時，鮮切馬鈴薯達到感官拒絕點[22]，記為貨架期終點。因此當感官評分降為6分時，測定此時鮮切馬鈴薯特征指標的具體值。對預測模型SL褐變度、SL失重率、SL菌落總數、SL硬度，當褐變度上升到1.53，失重率上升到0.86%，菌落總數上升到5.71 lgcfu/g、硬度下降為5 435 g時，視為貨架期終點。

2.2.1.3 鮮切馬鈴薯貨架期預測模型的驗證

通過對比褐變度、失重率、菌落總數、硬度3個指標的實測值和模型的預測值來驗證鮮切馬鈴薯貨架期預測模型的準確性。參考范新光[12]的方法，鮮切馬鈴薯在4、7、10 ℃3個儲藏溫度下儲藏，當感官評分降為6分時記為貨架期終點，感官評分由10分降到6分所經歷的這段時間，記為鮮切馬鈴薯貨架期的實測值。將C褐變度=1.53帶入式(8)，可求得貨架期模型SL褐變度的預測值；將C失重率=0.86%代入式(9)，求得失重率貨架期模型SL失重率的預測值；將SL菌落總數=5.71 lgcfu/g代入式(10)，求得菌落總數貨架期模型SL菌落總數的預測值；將C硬度=5 435 g代入式(11)，求得硬度貨架期模型SL硬度的預測值。通過對比不同溫度下鮮切馬鈴薯褐變度、失重率、菌落總數和硬度模型的貨架期預測值和實測值，計算兩者的相對誤差從而判定模型的準確性，如表4所示。鮮切馬鈴薯失重率的平均相對誤差為13.37%，說明該預測模型的準確度偏低(平均相對誤差在10%以內說明預測模型具有較高的準確度)。而褐變度、菌落總數、硬度預測模型整體準確度較高，基本上可用褐變度、菌落總數、硬度來評價鮮切馬鈴薯在4～10 ℃范圍內的貨架期。

表4 不同溫度下貨架期的預測值和實測值

3 結論

以馬鈴薯(冀張12)為原料，探究了不同儲藏溫度(4、7、10 ℃)對鮮切馬鈴薯品質的影響并建立了相應的貨架期預測模型。結果表明，4 ℃有效抑制了鮮切馬鈴薯的褐變，延緩了失重率的上升及硬度的下降，顯著降低了其表面微生物的數量，更有利于鮮切馬鈴薯儲藏品質的保持，能有效延長鮮切馬鈴薯的貨架期至12 d。基于鮮切馬鈴薯褐變度、失重率、菌落總數、硬度的變化，采用動力學模型結合Arrhenius方程建立貨架期預測模型，通過4種預測模型的建立以及準確度的驗證發現，SL褐變度、SL菌落總數、SL硬度的準確度較高，可以有效預測鮮切馬鈴薯在4～10 ℃溫度范圍內的貨架期。