不同貯藏溫度對甜瓜品質的影響及預測模型建立

鄭賀云,姚 軍,李 超,張翠環,耿新麗

(新疆維吾爾自治區葡萄瓜果研究所, 新疆鄯善 838200)

0 引 言

【研究意義】甜瓜為葫蘆科一年生蔓生植物,甜瓜是我國新疆的名優產品[1]。甜瓜含糖量高,富含蛋白質、維生素等營養物質[2],但是采摘時氣溫比較高,上市時間相對集中,由于含糖、水分都高,生理代謝旺盛,加快了果實的后熟衰老速度,容易被病原菌侵染致使果實腐爛嚴重,縮短了甜瓜的壽命,降低其使用和商品價值[3]。實時監控貯藏、流通過程中甜瓜的品質變化規律,構建貨架期壽命預測模型,對減少甜瓜貯藏和流通過程中果實損失具有重要意義。【前人研究進展】近年來,隨著各學科的互相滲透和交叉,Arrhenius方程作為描述化學基元反應的經典模型[4],結合各種參數及動力學方程被廣泛應用到水果[5-6]、蔬菜[7-8]、水產品[9-10]、肉類[11-12]等各類農產品的貨架預測中,并取得較好效果。【本研究切入點】果蔬在高溫、高濕的貯藏條件下容易腐爛變質,而低溫條件能夠有效抑制果蔬采后衰老,保持品質,延長貨架期,但是不適宜的低溫也能引起冷害,加重果實表面變色與病斑發生。根據甜瓜品種的不同,最適貯藏溫度差異顯著,9～10℃為白蘭瓜適宜的貯藏溫度,4～5℃條件下貯藏會發生冷害[13];而86-1最適的貯藏溫度為5℃[14];西州密17號和西州密25號最適的貯藏溫度為6～8℃[15],6℃貯藏條件下能夠較好地保持日本甜寶甜瓜果面的色澤和亮度[16]。目前適合黃夢脆貯藏的最適溫度和貨架期預測模型的研究均鮮見報道。需研究不同貯藏溫度對甜瓜貯藏特性的影響。【擬解決的關鍵問題】研究黃夢脆甜瓜冷藏的適宜溫度,比較不同貯藏溫度下甜瓜質量損失率、病害指數、冷害率、呼吸速率、乙烯釋放量、果實硬度和可溶性固形物的變化。并采用Arrhenius方程基于質量損失率、果實硬度的變化建立貯藏期預測模型,并給予驗證評價,為黃夢脆貯藏及運輸提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

以甜瓜品種黃夢脆為材料,由新疆農業科學院哈密瓜研究中心育成。甜瓜2019年10月1日購于新疆鄯善縣魯克沁鎮,發泡網套瓜裝箱,當天運回新疆維吾爾自治區葡萄瓜果研究所實驗室,選擇成熟度一致、大小一致,無機械損傷、無病蟲害、留2～3 cm果柄的果實用于試驗處理。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

用無損測糖儀測定可溶性固形物含量15%左右的甜瓜120個,分別放入4、6、8、10℃的低溫恒溫箱中,每個恒溫箱放置30個果實。每7 d測定甜瓜可溶性固形物、果肉硬度、失重率、腐爛率等指標的變化。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 呼吸強度

呼吸強度利用紅外CO2呼吸速率測定儀測定,將甜瓜果實和紅外CO2呼吸速率測定儀同時放在有機玻璃罐中,加蓋密封,1 h后讀取數值。呼吸強度以每千克果實每分鐘釋放的CO2的量表示(ng/(kg·min))

1.2.2.2 乙烯釋放量

每個處理選擇1個果實分別放入有機玻璃罐中,利用便攜式乙烯測定儀測定密封1 h后的乙烯含量。乙烯釋放量(CH2ng/(kg·min))

1.2.2.3 果實硬度

果實的硬度用硬度計測定。將甜瓜果實從赤道切開,在果皮向內2.5 cm處用果實硬度計測定(kg/cm2),每個果實沿對稱點測定10次。

1.2.2.4 可溶性固形物含量

用無損測糖儀(型號K-BA100R)對每組的果實的可溶性固形物含量進行測定,取其平均值(%)。

1.2.2.5 果實失重率

采用稱重法計算果實失重率,每組選擇30個果實,其計算公式為:失重率=(初始重量-貯藏后重量)/初始重量×100%。

(1)

1.2.2.6 冷害率及腐爛指數

根據甜瓜果實表面病斑大小作為判別果實腐爛級別的依據。按照果實腐爛面積大小將果實腐爛級別分為5個等級[17]:

零級:果實新鮮,完好無損;一級:腐爛面積占整果的5%～10%;二級:腐爛面積占整果的10%～15%;三級:腐爛面積占整果的15%～20%;四級:腐爛面積占整果的20%及以上。

腐爛指數(%)=∑[(腐爛級別×本級果實數)/(總果實數×最高級別)]×100[17]。

(2)

腐爛率(%)=(腐爛果數/總果實數)×100[17]。

(3)

1.2.3 貨架期模型的構建

1.2.3.1 動力學模型的建立

從動力學變化的角度對食品的品質(化學、物理和微生物)變化分析,果蔬中品質指標C的動力學反應多采用零級或者一級反應描述[18-20]。

零級反應模型為:Ct=C0+kt.

(4)

一級反應模型為:lnCt=lnC0-kt.

(5)

式中,t為貨架時間(d);Ct為貨架時間為t時的品質指標值;C0為品質指標的初始值;k為化學反應速率常數。

1.2.3.2 品質變化預測模型的建立[5,7,8]

化學基元反應的經典模型Arrhenius方程,可描述溫度與化學反應速率的關系。

其公式為k=k0exp(-Ea/RT).

(6)

式中,k:化學反應的速率常數;Ea:反應的活化能/(kJ/mol);T:絕對溫度/K;k0:指前因子;R:氣體常數(8.314 J/(mol·K))。

lnk與1/T呈線性關系,直線斜率為-Ea/R,在Y軸上截距為lnk0。求得4、6、8和10℃各不同貯藏溫度下各指標的速率常數k后,以lnk-1/T做圖可以計算出活化能Ea和指前因子k0。

將(5)式取對數可得lnk=-Ea/RT+lnk0.

(7)

通過對lnk、1/T線性擬合,依據直線的斜率和截距分別計算反應活化能Ea和指前因子k0值,將(6)式帶入(3)、(4)式可得到甜瓜在零級和一級反應的貨架期預測模型:

零級反應貨架期預測模型:SL0=(C-C0)/k0exp(-Ea/RT).

(8)

一級反應貨架期預測模型:SL1=ln(C/C0)/k0exp(-Ea/RT).

(9)

式中,SL0:零級反應下甜瓜的貨架期預測模型;SL1:一級反應下甜瓜的貨架期預測模型;C0:品質指標的起始值;C:貯藏td時品質指標終止值。

1.3 數據處理

利用Excel2003對每個指標的測定數據進行初步整理,方差分析(P<0.05)采用SPSS17.0數據分析軟件完成,并利用Origin8.5繪圖并擬合曲線。

2 結果與分析

2.1 甜瓜貨架期間品質指標的變化與動力學

2.1.1 貯藏溫度對甜瓜外觀質量的影響

研究表明,黃夢脆果實在4和6℃貯藏條件下,果實表面發生冷害,表現最為突出的就是果皮褐變、萎蔫,分別在14和21 d時就失去了外觀商品價值;8和10℃下貯藏的黃夢脆果實基本保持了其固有的風味,但10℃下的果實果面色澤保持相對較好。

2.1.2 貯藏溫度對甜瓜冷害和腐爛的影響

研究表明,隨著貯藏時間的增加,各處理的果實冷害程度和腐爛指數不斷增大,且果面褐變率存在明顯差異。貯藏14 d時,各處理果實表面出現不同程度的褐變,4、6、8和10℃條件的果實果面褐變率分別達到48.15%、25.93%、11.11%和7.41%,貯藏到21 d時4℃條件下沒有被病原菌侵染的病斑,但是果實表面褐變達到80.95%,比10℃條件下增長47.05%,已失去商品價值;6℃條件下貯藏的甜瓜果實表面褐變率也高達57.14%,也基本失去了商品價值;貯藏28 d時,8和10℃的腐爛率分別為25.00%和26.67%。低溫貯藏能夠抑制病原菌的侵染,但是溫度過低會使果實出現冷害,使果面發生萎蔫、褐變,導致果實失去商品價值。表1

表1 不同溫度下貯藏甜瓜冷害、腐爛變化

2.1.3 貯藏溫度對甜瓜呼吸速率的影響

研究表明,4℃貯藏條件下的果實呼吸強度的變化相對平緩,其它3個貯藏溫度下果實的呼吸變化趨勢整體呈先上升后下降,有明顯的呼吸高峰出現。6和8℃的果實貯藏16 d時呼吸達到最高,分別為4.84和3.70 ng/(kg·min),10℃條件下果實的呼吸速率在18 d時達到高峰,呼吸速率為5.63 ng/(kg·min)。

4℃的平均呼吸強度最低為3.80 ng/(kg·min),極顯著低于其它處理(P<0.01),6℃與其它處理之間差異極顯著(P<0.05),而8和10℃之間差異不顯著(P>0.05)。圖1

圖1 不同貯藏溫度下甜瓜呼吸強度變化

2.1.4 貯藏溫度對甜瓜乙烯釋放的影響

研究表明,乙烯是果蔬的內源激素,能夠催化果實成熟,加速果實衰,隨著乙烯的釋放,果實也逐漸開始衰老。黃夢脆甜瓜貯藏過程中各處理的乙烯釋放量明顯,并且出現乙烯釋放高峰,乙烯釋放與貯藏溫度密切相關。在4～10℃的貯藏溫度范圍內,貯藏前期(0～14 d)各處理的乙烯釋放量都處于一個相對平緩狀態,但是到貯藏第14 d時各處理的乙烯釋放量迅速增高,且4℃貯藏的果實乙烯釋放量最高,達到0.010 51 ng/(kg·min)而10℃條件下貯藏的果實乙烯釋放量相對較低0.005 704 ng/(kg·min),貯藏14 d以后,各處理組的果實乙烯釋放量又處于平緩狀態。圖2

圖2 不同貯藏溫度下甜瓜乙烯釋放量變化

2.1.5 貯藏溫度對甜瓜可溶性固形物含量的影響

研究表明,隨著貯藏天數的增加,各處理的黃夢脆甜瓜果實的可溶性固形物含量都呈上升趨勢,差異均不顯著(P>0.05)。貯藏21 d前各處理果實可溶性固形物的變化幅度不明顯,4、6、8和10℃條件分別增加1.41%、1.42%、3.29%、3.26%;在貯藏第28 d時,果實可溶性糖的含量分別增加6.74%、6.99%、8.88%、7.07%。圖3

圖3 不同貯藏溫度下甜瓜可溶性固形物含量變化

2.1.6 貯藏溫度對甜瓜失重率的影響

研究表明,各處理組的甜瓜質量損失率均隨溫度和時間的增加而不斷增加,溫度越高質量損失率就越大,但各處理差異性不顯著(P>0.5)。貯藏14 d之前失重率較小,4、6、8和10℃條件下貯藏的甜瓜失重率分別為2.60%、2.60%、2.58%、2.65%,貯藏28d時各處理的甜瓜失重率分別達到5.25%、5.34%、5.53%、5.70%。圖4

圖4 不同貯藏溫度下甜瓜失重率變化

2.1.7 貯藏溫度對甜瓜果肉硬度的影響

研究表明,黃夢脆甜瓜果實的硬度,隨著貯藏天數的增加呈下降趨勢,各處理的差異不顯著(P>0.05)。貯藏0～14 d各處理的果實硬度下降較為緩慢,貯藏第14 d時4、6、8和10℃下果肉硬度分別下降9.59%、7.39%、3.61%、5.02%,4℃和8℃條件下果實產生了冷害,促使果肉變軟。14 d以后各處理的果實硬度急劇下降,到貯藏結束第28 d時,果實硬度分別為2.005、1.991、1.952和1.922 kg/cm2,下降速率為24.53%、25.07%、26.55%、27.68%,分別是14 d時的2.56倍、3.39倍、7.35倍、5.51倍。圖5

圖5 不同貯藏溫度下甜瓜硬度變化

2.2 動力學及貨架期模型的預測

2.2.1 動力學

研究表明,零級動力學失重率、硬度的回歸決定系數ΣR2分別為3.868 9、3.699 7,兩者的一級動力學回歸決定系數ΣR2分別為3.858 9、3.637 5,零級動力學的ΣR2都較一級動力學的大,其更有擬合優勢,選用零級動力學建立甜瓜失重率和果肉硬度的動力學變化預測模型。表1

2.2.2 基于失重率和硬度建立甜瓜貨架期的預測模型

研究表明,得到在不同貯藏溫度下不同指標的回歸方程和反應速率常數,以1/T為橫坐標,lnk為縱坐標作圖,其中硬度以ln(-k)為縱坐標。指前因子k0、活化能Ea等模型參數。表2

表2 零級和一級動力學回歸速率常數k及決定系數R2

將表2中的結果帶入公式(7)、(8)可得甜瓜的失重率和果肉硬度的動力學預測模型分別為

SL失重=CWL/(17.937 5 ×e(-1 280/T)).

(10)

SL硬度=(C硬度-2.657 2)/(193.45×e(-1 836/T)).

(11)

式中,C失重為甜瓜到達貨架期終點時失重率的測定值;C硬度為甜瓜到達貨架期終點時硬度的測定值;SL失重為甜瓜失重率貨架期預測模型;SL硬度為甜瓜硬度貨架期預測模型。表3

表3 品質指標貨架期模型參數

2.2.3 甜瓜貯藏期預測模型的驗證

研究表明,失重率模型的預測值在10℃時相對誤差較大(13.742%),但4、6和8℃條件下的相對誤差均小于10%,而硬度值模型的預測值在8和10℃下相對誤差較小,分別為2.846%、4.339%,但是4和6℃條件下相對誤差較大,貨架期預測誤差在10%之內具有良好的預測精度,構建的失重率和硬度模型在一定的條件下能夠較好的預測甜瓜的貨架期,由失重率構建的貨架期模型平均相對誤差小于10%,比硬度值模型可準確預測甜瓜貨架期壽命。表4

表4 不同溫度下品質指標的實測值與預測值

3 討 論

3.1甜瓜在貯藏運輸過程中影響其品質的關鍵因素就是溫度,其對果實保鮮、貯藏期的延長以及果實腐爛率的降低都起著至關重要的作用。貯藏溫度偏高能加快果實的代謝和后熟速率,而低溫貯藏雖然可以抑制果蔬采后的衰老,保持果實品質,延長果實的貯藏時間,但是不適當的低溫會造成果實產生冷害。試驗結果表明,黃夢脆在4和6℃條件下呼吸速率、失重率、硬度下降速率都低于8和10℃,但是果實發生冷害的程度較高,果面出現大面積褐斑,分別在貯藏14和21 d時就完全失去商品價值,8和10℃貯藏條件下果實基本保持了其固有的風味,果實果面色澤保持相對較好。與早黃蜜、白蘭瓜的適宜的貯藏溫度相一致,并不是貯藏溫度越低越能保持果實品質,甜瓜最適的貯藏溫度范圍較大,跟品種和采摘成熟度都有較為密切的關系。

3.2大多數果蔬貯藏加工中,品質損失的動力學變化與時間關系表現為零級或一級的化學反應方程式。質量損失、萎蔫和果實硬度下降是甜瓜采后貯藏過程中主要的品質劣變表現之一,新鮮的果實含水量較高、營養豐富、貯藏一段時間后由于蒸騰作用,大量水分散失導致果實表面萎蔫并失去光澤,降低了果實的新鮮程度,影響其商品價值。試驗通過監測貯藏期間不同溫度條件下黃夢脆果實失重率和果肉硬度的變化,建立了甜瓜品質劣變動力學模型及貯藏期預測模型。結果表明,甜瓜采后果實失重率、果肉硬度與貯藏溫度和時間之間都符合零級動力學反應,失重率預測的貯藏期決定系數在0.90以上,模型擬合精度較高。研究僅建立了以溫度為變量的甜瓜貯藏期預測模型,還具有一定的局限性,為了更準確地預測其貯藏期,還需研究多變量下貯藏期的預測,建立加權模型。

4 結 論

4.14和6℃條件下能夠延緩甜瓜的失重率、抑制呼吸強度,貯藏前期能夠降低果肉硬度的下降速率,但是分別在貯藏14和21 d時兩個溫度下的果實都出現嚴重的冷害,導致果皮顏色有不同程度的冷害褐斑,果實萎蔫使其失去商品價值;而8和10℃條件下,果實冷害率較低、發病率相對較低,果實品質保存相對較好,而10℃條件下黃夢脆甜瓜的感官品質保持較好,該條件下甜瓜的表皮色澤和亮度保持相對較好,好果率也相對較高,是較為適宜的貯藏溫度。

4.2黃夢脆甜瓜失重率和果實硬度指標符合零級動力學模型,并具有較高的擬合精度,基于黃夢脆甜瓜果實質量的失重率、果實硬度的變化采用動力學模型結合經典的Arrhenius方程,建立了4、6、8和10℃貯藏條件下甜瓜果實品質下降的動力學模型和貯藏時間的預測模型,并對預測模型的精準度進行了驗證評估,基于失重率和果實硬度建立的貨架期模型的決定系數分別為0.926 4和0.850 8,貨架期預測相對誤差分別為8.775和11.651,以失重率預測的貯藏期精度相對較高。