不同溫度下櫻桃番茄有氧呼吸速率的測定及其應用

尹興，黃震，崔久剛，馮潔，張洋

不同溫度下櫻桃番茄有氧呼吸速率的測定及其應用

尹興1a，黃震2，崔久剛1b，馮潔3，張洋1a

（1.天津職業大學 a.包裝與印刷工程學院 b.基礎課部，天津 300410； 2.天津商業大學 機械工程學院，天津 300410；3.天津科技大學 輕工學院，天津 300457）

研究不同溫度下櫻桃番茄的呼吸速率，并用模型參數進行表征。有氧條件下采用密閉系統，在溫度為0～30 ℃內測定櫻桃番茄在不同時間的氣體體積分數，計算O2的消耗速率和CO2的生成速率。對櫻桃番茄的呼吸過程用Michaelis-Menten模型的進行數學擬合。25 ℃下，應用呼吸速率模型選擇櫻桃番茄的最佳包裝材料。結果表明，櫻桃番茄的呼吸速率符合Michaelis-Menten模型，決定系數2均大于0.9，回歸較好。櫻桃番茄的呼吸動力學溫度依賴性可以用Arrhenius方程進行表征，決定系數2>0.99。同時應用Michaelis-Menten模型驗證PE1和PE22種材料，得出PE1袋更適合作為櫻桃番茄的包裝材料。Michaelis-Menten模型對櫻桃番茄保鮮有重要意義。

櫻桃番茄；有氧呼吸；Michaelis-Menten模型；Arrhenius方程；保鮮

櫻桃番茄具有很高的營養價值，它含有13種維生素和17種礦物質，更重要的是它富含番茄紅素[1-3]。番茄紅素是一種抗氧化劑，具有降低血壓和膽固醇、保護心臟和預防癌癥的作用[4-5]。因此，櫻桃番茄的市場需求持續增長，它已在我國海南省廣泛種植，甚至成為主要的冬季作物[6]。然而，櫻桃番茄屬于一種呼吸躍變型水果，采摘后有明顯的呼吸高峰[7]。在儲存和運輸過程中，櫻桃番茄可能會因呼吸和蒸騰作用嚴重失水而變軟。果蔬呼吸作用是有機物質在氧氣的參與下分解為二氧化碳和水，從而引起果蔬的腐爛變質。氣調包裝是提高果蔬貨架壽命的有效手段，呼吸速率是進行氣調包裝的關鍵。

目前，關于動態調整櫻桃番茄氣調保鮮參數的問題研究較少，而確定準確呼吸速率模型是解決櫻桃番茄氣調包裝的關鍵。本文以櫻桃番茄為研究對象，在不同溫度下，測試櫻桃番茄的O2和CO2體積分數并計算其呼吸速率。對實驗數據進行回歸，建立不同溫度下呼吸速率隨著O2和CO2體積分數變化的Michaelis-Menten模型，呼吸速率與溫度的Arrhenius方程。最后，應用呼吸速率模型選擇櫻桃番茄的最佳包裝材料。

1 實驗

1.1 方法

國內外學者就不同果蔬的呼吸速率及其模型進行了大量的研究，見表1。從表1中可以看出，果蔬特性不同，其呼吸速率差別較大，采用得較多的測試呼吸速率的方法是密閉系統法；關于呼吸速率擬合的模型有Hagger type模型、Quadratic function模型和 Michaelis-Menten模型3種，這些都為果蔬進行氣調保鮮提供了參考依據。

本文采用的實驗裝置是自制的密閉系統，如圖1所示，與文獻中報道的相似[15,24]，它主要由氣體交換呼吸計和氣體分析儀組成。呼吸計包括密封室和密封蓋，蓋中心有一個孔，并為其粘貼橡膠以保證氣密。采摘天津生態園八成熟的“千禧”櫻桃番茄，采收當天立即運送至實驗室，挑選無機械損傷、大小一致的果實進行試驗，單果質量約為15 g，硬度為（2.50±0.15）kg/cm2。將櫻桃番茄放入呼吸計中，使用Witt頂空分析儀（CheckMate③, Metech|mocon，丹麥）測試呼吸計內的氣體體積分數。研究的測試溫度為0、5、10、15、20、25和30 ℃，櫻桃番茄的質量及其相應的自由體積如表2所示。呼吸計的自由體積為呼吸計容積減去櫻桃番茄所占的體積。每個測試溫度下取5個平行樣品進行測量并求平均值。

表1 國內外學者研究的各種果蔬的呼吸速率及其模型

Tab.1 Respiration rate and its model of various fruits and vegetables studied by Chinese and foreign scholars

圖1 用于測量櫻桃番茄氣體體積分數的實驗裝置示意圖

表2 計算櫻桃番茄呼吸速率的基礎數據

Tab.2 Basic data for calculating respiration rate of cherry tomato

1.2 呼吸速率的計算

測試O2和CO2的體積分數以計算櫻桃番茄的呼吸速率。呼吸速率可以用O2的消耗速率和CO2的生成速率表示，見式（1）和式（2）[9,17]。

1.3 模型Michaelis-Menten模型

眾所周知，果蔬的有氧呼吸為有機物質在酶的參與下進行氧化分解同時釋放能量，見式（3）。

Lee等[25]描述了新鮮農產品的酶促呼吸過程，通過假設CO2的非競爭性抑制作用，提出了2個關于O2消耗和CO2生成速率的Michaelis-Menten公式，見式（4）和式（5）。

使用SPSS軟件對實驗數據進行多元回歸分析，可以得到Michaelis-Menten模型參數。

1.4 Arrhenius方程

溫度對果蔬的呼吸活動有重要影響。通過文獻[10, 14-15]可知，儲存環境中每增加10 ℃，呼吸速率會增加2～3倍。文獻[10]研究了溫度與番石榴呼吸速率之間的關系，并用Arrhenius方程進行了擬合。Arrhenius方程見式（6）。

1.5 模型應用

應用呼吸速率模型選擇櫻桃番茄的最佳包裝材料。選用2種不同的聚乙烯（PE）袋，表3分別給出了2種類型PE袋（標為PE1和PE2）的不同參數。樣品放入溫度為25 ℃、相對濕度為50%的恒溫恒濕箱內，見圖2。儲存期內，通過使用氣體成分分析儀定期測量袋子中O2和CO2的體積分數，計算滲透系統的呼吸速率，選擇最適合櫻桃番茄的包裝材料。

表3 PE包裝材料的參數

Tab.3 Parameters of PE packaging materials

圖2 不同材料包裝的櫻桃番茄樣品

2 結果與分析

2.1 氣體體積分數的變化

溫度對果蔬的呼吸速率有很大影響，因此選擇了0、5、10、15、20、25和30 ℃ 7個溫度來研究溫度對櫻桃番茄呼吸作用的影響。圖3顯示了不同測試溫度下O2和CO2體積分數的變化。可以看出，隨著測試時間的推移，O2體積分數降低，而CO2體積分數增高。同時，O2體積分數降低和CO2體積分數增高的幅度在低溫下相對平緩。相反，在高溫下，O2體積分數降低和CO2體積分數增高的幅度變化較大。O2和CO2的初始氣體體積分數分別為20.7%和0.6%。測試48 h后，O2體積分數在0、5、10、15、20、25和30 ℃時分別降至18.5%、17.3%、15.3%、13.0%、11.7%、8.1%和6.9%。同時，CO2體積分數分別增加至2.7%、4.5%、6.9%、8.8%、10.4%、13.0%和17.1%。可以看出，溫度越高，櫻桃番茄的呼吸越劇烈，因此，消耗的O2越多，產生的CO2就越多。同時發現，在25 ℃下，貯藏48 h后檢測O2體積分數為8.1%，CO2體積分數達到13.0%；在30 ℃下，貯藏48 h后檢測O2體積分數為6.9%，CO2體積分數達到17.1%。原因是高溫下，呼櫻桃番茄強烈的呼吸作用使得O2被大量消耗，CO2大量生成。此時打開包裝時，能聞到輕微的酒精味道，說明此時櫻桃番茄已經開始了無氧呼吸，這會加速櫻桃番茄的腐敗。

圖3 不同溫度下密閉系統中O2和CO2體積分數的變化

2.2 呼吸速率的變化

溫度影響櫻桃番茄的呼吸作用，隨著溫度的升高，密閉系統內CO2的生成速率和O2的消耗速率越大。將圖3中的O2和CO2體積分數代入式（1）和式（2）中即可計算CO2的生成速率和O2的消耗速率，得到的結果如圖4所示。

由圖4可以看出，在貯藏初期，CO2的生成速率和O2的消耗速率都快速下降。實驗開始后，在0～30 ℃條件下，O2的初始消耗速率分別為5.0、8.8、12.2、17.8、25.5、31.9、43.3 mL/(kg·h)；24 h時，在0～30 ℃條件下，O2的消耗速率分別為3.4、4.8、6.8、11.4、14.4、22.4、26.5 mL/(kg·h)，O2消耗速率分別下降了32%、45.5%、44.3%、34.0%、43.5%、29.8%、38.8%。在0～30 ℃條件下，CO2的初始生成速率分別為4.5、7.3、10.3、17.1、24.7、31.6、42.9 mL/(kg·h)；24 h時，在0～30 ℃條件下，CO2的生成速率分別為3.6、5.7、7.1、12.8、16.7、22.8、29.2 mL/(kg·h)，CO2的生成速率分別下降了20%、21.9%、31.1%、25.1%、32.4%、27.8%、31.9%。通過數據可以看出，溫度越高，呼吸速率越大，櫻桃番茄的呼吸活動越強；溫度越低，呼吸速率越小，呼吸活動越弱，說明低溫能夠有效抑制果蔬的呼吸作用。不同溫度下，櫻桃番茄的呼吸速率隨著貯藏時間的延長而降低。原因是密閉系統中的O2體積分數逐漸降低，而CO2體積分數逐漸升高，高體積分數的CO2和低體積分數的O2都會抑制櫻桃番茄的呼吸活動，因此呼吸速率下降。

2.3 Michaelis-Menten模型

根據式（4）和式（5），對呼吸速率數據進行非線性擬合，表4中列出了Michaelis-Menten 模型參數以及每個溫度下相應的2值。

圖4 不同溫度下櫻桃番茄呼吸速率

表4 Michaelis-Menten模型參數

Tab.4 Parameters of Michaelis-Menten model

根據表4可以看出Michaelis-Menten模型參數和測試溫度極為相關。例如，0 ℃時，max、m和i3個參數數值分別為4.95 mL/(kg·h)、?12.20和1.76；10 ℃時，這3個參數數值分別為12.15 mL/(kg·h)、?11.16和3.58；20 ℃時，3個參數數值變為25.47 mL/(kg·h)、?12.56和4.65。這些數據表明，溫度越高，櫻桃番茄的最大呼吸速率越高，這與Rovira等[24]所研究的結果相似。同時，回歸系數2的值高于0.9，表明模型可以很好地反映呼吸速率、O2、CO2體積分數之間的關系。

2.4 Arrhenius方程

2.5 呼吸速率模型應用

使用模型3評估滲透系統的呼吸速率，根據表6中的結果，櫻桃番茄在25 ℃下的呼吸速率的2個表達式，見式（7）和式（8）。

在貯藏期間，2個PE袋和密閉系統內O2和CO2體積分數變化如圖6所示。可以看出，隨著儲存時間的增加，O2體積分數降低，CO2體積分數增大。這是因為櫻桃番茄的呼吸活動導致了O2的消耗和CO2的產生。此外，觀察到3個系統的O2體積分數按照PE2、PE1、密閉系統的順序降低，而CO2體積分數的變化則相反。由表3顯示可知，PE2袋具有比PE1袋更高的O2滲透性，并且2個PE袋比密閉系統滲透性高。PE袋內O2體積分數高于密閉系統中O2體積分數，而PE袋外部CO2體積分數可以忽略不計。很明顯，更多的氣體分子可以穿過滲透性更強的系統。因此，在儲存期間，更多的O2會滲入，同時更多的CO2會滲出。貯藏48 h時，PE1袋O2體積分數為9.4%、CO2體積分數為9.1%；PE2袋的O2體積分數為14.6%、CO2體積分數為3.3%；密閉系統中，O2體積分數為7.9%、CO2體積分數為13.2%。PE1袋和PE2袋中的櫻桃番茄均未出現酒精的味道，而密閉系統的櫻桃番茄有酒精的味道。說明密閉系統的櫻桃番茄在25 ℃下貯藏48 h后發生了無氧呼吸，而PE1袋和PE2袋中櫻桃番茄依然進行的是有氧呼吸。

圖5 櫻桃番茄的最大呼吸速率與溫度的關系

表5 基于Arrhenius方程的計算結果

Tab.5 Calculation results based on Arrhenius relation

圖6 不同袋中櫻桃番茄的O2和CO2體積分數變化曲線

櫻桃番茄最適合的氣調包裝環境：O2體積分數為2%～5%、CO2體積分數為3%～5%[26]。在貯藏24 h后，O2體積分數和CO2體積分數達到平衡，此時PE1袋中的O2體積分數為9.4%～10.7%，CO2體積分數為8.1%～9.1%，PE2袋中的O2體積分數為14.6%～16.0%，CO2體積分數為2.8%～3.3%。根據式（7）和式（8）分別對O2消耗率和CO2生成率進行計算，結果見圖7。可以看出，隨著時間的增加，O2的消耗速率和CO2的生成速率為從大到小排序為PE2、PE1、密閉系統。結果表明Michaelis-Menten模型既適用于密閉系統，也適用于滲透系統，而滲透性較低的包裝系統更有利于抑制櫻桃番茄的呼吸作用。因此，PE1袋比PE2袋更適合作為櫻桃番茄的包裝材料，在保鮮鮮切土豆[27]中也有類似的研究。

圖7 不同系統中櫻桃番茄呼吸速率的比較

3 結語

本文以櫻桃番茄為研究對象，擬合了其呼吸速率模型，解決了其在氣調保鮮包裝中參數較少的問題。

1）采用密閉系統的方法，在0、5、10、15、20、25和30 ℃下測試櫻桃番茄的O2和CO2體積分數，計算其呼吸速率，并進行非線性回歸；根據Michaelis- Menten模型建立了櫻桃番茄的呼吸模型參數，決定系數2均大于0.9，回歸較好。

2）櫻桃番茄的呼吸動力學溫度依賴性可以用Arrhenius方程進行表征，擬合值2>0.99。

3）25 ℃下，將Michaelis-Menten模型用于評估櫻桃番茄的滲透包裝系統，結果表明低滲透性PE1袋中櫻桃番茄的呼吸速率低于高滲透性PE2袋中櫻桃番茄的呼吸速率，PE1袋更適合作為櫻桃番茄的包裝材料。

[1] TILAHUN S, LEE Y M, CHOI H R, et al. Modified Atmosphere Packaging Combined with CO2and 1-Methylcyclopropene Prolong the Storability and Maintain Antioxidant Properties of Cherry Tomato[J]. Scientia Horticulturae, 2011, 288: 110401.

[2] DOWAN K, SARINTHIP T, KAEUN L, et al. Smart Packaging with Temperature-Dependent Gas Permeability Maintains the Quality of Cherry Tomatoes[J]. Food Bioscience, 2021, 41: 100997.

[3] MUSTAPHA A, ZHOU Cun-shan. Novel Assisted/Unassisted Ultrasound Treatment: Effect on Respiration Rate, Ethylene Production, Enzymes Activity, Volatile Composition, and Odor of Cherry Tomato[J]. LWT, 2021, 149: 111779.

[4] JOUNG M, SHIN Y. Physicochemical Quality, Antioxidant Compounds, and Activity of 'Beta Tiny' and 'TY Nonari' Cherry Tomatoes during Storage[J]. Korean Society Food Science Technology. 2021, 53(1): 63-71.

[5] RAPISARDA M, PATANè C, PELLEGRINO A, et al. Compostable Polylactide and Cellulose Based Packaging for Fresh-Cut Cherry Tomatoes: Performance Evaluation and Influence of Sterilization Treatment[J]. Materials, 2020, 13(15): 3432.

[6] 伍壯生, 李雪嶠, 吳月燕, 等. 海南櫻桃番茄生產現狀及發展瓶頸分析[J]. 中國蔬菜, 2018(5): 98-100.

WU Zhuang-sheng, LI Xue-jiao, WU Yue-yan, et al. Production Status and Development Bottleneck Analysis of Cherry Tomato in Hainan[J]. China Vegetables, 2018(5): 98-100.

[7] PAN X L, KOU W Q, SONG L R. Effects of Different Preservatives Treatments on Cherry Tomatoes Preservation [J]. Storage and Process, 2021, 21(11): 34-42.

[8] 盧立新, 陶瑛. 青豌豆呼吸速率的測定與模型表征[J]. 食品與生物技術學報, 2006, 25(2): 33-36.

LU Li-xin, TAO Ying. Respiration Rate Measurement and Mathematical Modelling for Pea[J]. Journal of Food Science and Biotechnology, 2006, 25(2): 33-36.

[9] HEYDARI A, SHAYESTEH K, EGHBALIFAM N, et al. Studies on the Respiration Rate of Banana Fruit Based on Enzyme Kinetics[J]. International Journal of Agriculture and Biology, 2010, 12(1): 1560-8530.

[10] MANGARAJ S, GOSWAMI T K. Measurement and Modeling of Respiration Rate of Guava (CV. Baruipur) for Modified Atmosphere Packaging[J]. International Journal of Food Properties, 2011, 14(3): 609-628.

[11] 冉令省, 王志超, 王美蘭. 基于Michaelis-Menten型山楂呼吸模型的建立[J]. 食品科技, 2015, 40(8): 330-333.

RAN Ling-xing, WANG Zhi-chao, WANG Mei-lan, et al. Hawthorn Respiration Model on Michaelis-Menten Type[J]. Food Science and Technology, 2015, 40(8): 330-333.

[12] 劉穎, 李云飛, 王如竹, 等. 基于Michelis-Menten型呼吸速率模型的實驗研究[J]. 上海交通大學學報, 2004, 38(7): 1170-1173.

LIU Ying, LI Yun-fei, WANG Ru-zhu, et al. Experimental Study on Michaelis-Menten Type Respiration Model[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2004, 38(7): 1170-1173.

[13] BEN S, CHIUMENTI M, SEPULCRE F, et al. Modeling the Effect of Storage Temperature on the Respiration Rate and Texture of Fresh-Cut Pineapple[J]. Journal of Food Engineering, 2012, 113(4): 527-533.

[14] RAHMAN E, A TALIB R, AZIZ M, et al. Modelling the Effect of Temperature on Respiration Rate of Fresh Cut Papaya (Carica Papaya L.) Fruits[J]. Food Science and Biotechnology, 2013, 22(6): 1581-1588.

[15] GHOSH T, DASH K. Modeling on Respiration Kinetics and Modified Atmospheric Packaging of Fig Fruit[J]. Journal of Food Measurement and Characterization, 2020, 14(2): 1092-1104.

[16] HAN S H, JANG H D, LEE S J. Modeling Respiration Rates of(Sweet Potato) under Hermetic Storage System[J]. Food Science and Biotechnology, 2020, 29(2): 227-234.

[17] MANGARAJ S, GOSWAMI T K. Modeling of Respiration Rate of Litchi Fruit under Aerobic Conditions[J]. Food and Bioprocess Technology, 2011, 4(2): 272-281.

[18] DASH K K, RAVINDRA M R, GOSWAMI T K. Modeling of Respiration Rate of Sapota Fruit Under Aerobic Conditions[J]. Journal of Food Process Engineering, 2009, 32(4): 528-543.

[19] 夏晶晶, 虞新新, 呂恩利, 等. 不同貯藏溫度下荔枝呼吸速率模型的對比與驗證[J]. 農業工程學報, 2018, 34(10): 267-273.

XIA Jing-jing, YU Xin-xin, LYU En-li, et al. Comparison and Verification of Respiratory Rate Models of Litchi under Different Storage Temperatures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(10): 267-273.

[20] RAVINDRA M, GOSWAMI T K. Modelling the Respiration Rate of Green Mature Mango under Aerobic Conditions[J]. Biosystems Engineering, 2008, 99(2): 239-248.

[21] 聶恒威, 盧立新, 潘嘹, 等. 基于溫濕度影響的香菇呼吸速率測定與模型表征[J]. 食品工業科技, 2019, 40(16): 223-228.

NIE Heng-wei, LU Li-xin, PAN Liao, et al. Respiration Rate Measurement and Mathematical Modelling of Shiitake on Different Storage Temperature and Relative Humidity[J]. Science and Technology of Food Industry, 2019, 40(16): 223-228.

[22] MAHAJAN P V, GOSWAMI T K. Enzyme Kinetics Based Modelling of Respiration Rate for Apple[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 2001, 79(4): 399-406.

[23] BHANDE S D, RAVINDRA M R, GOSWAMI T K. Respiration Rate of Banana Fruit under Aerobic Conditions at Different Storage Temperatures[J]. Journal of Food Engineering, 2008, 87(1): 116-123.

[24] ROVIRA D, ALFARO C, MARTíNEZ V, et al. Respiration Rate and Shelf?Life Study of Crotalaria Longirostrata (Chipilín)[J]. Journal of Food Measurement and Characterization, 2019, 13: 3025-3032.

[25] LEE D S, HAGGAR P E, LEE J, et al. Model for Fresh Produce Respiration in Modified Atmosphere Based on Principles of Enzyme Kinetics[J]. Journal of Food Science, 2006, 56(6): 1580-1585.

[26] 齊小晶. 聚己內酯/氧化硅薄膜的制備及其在櫻桃番茄自發氣調包裝中的應用[D]. 呼和浩特: 內蒙古農業大學, 2017.

QI Xiao-jing. Preparation of Poly (ε-caprolactone)/SiOxFilm and Application of the Film on Equilibrium Modified Atmosphere Packaging of Cherry Tomato[D].

[27] 柳俊超. 三種鮮切蔬菜的氣調包裝設計[D]. 石河子: 石河子大學, 2015.

LIU Jun-chao. Modified Atmosphere Packaging Design of Three Kinds of Fresh-Cut Vegetables[D]. Shihezi: Shihezi University, 2015.

Determination and Application of Aerobic Respiration Rates of Cherry Tomato at Different Temperature

YIN Xing1a, HUANG Zhen2, CUI Jiu-gang1b, FENG Jie3, ZHANG Yang1a

(1. a. School of Packaging and Printing Engineering b. Basic Course Teaching Department, Tianjin Vocational Institute, Tianjin 300410, China; 2. Mechanical Engineering College, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300410, China; 3. School of Light Industry Science and Engineering, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300457, China)

The work aims to study the respiration rates of cherry tomatoes at different temperature and characterize the rates with model parameters. Under aerobic conditions, a closed system was adopted and the time-dependent gas concentrations of cherry tomatoes in the closed system were determined over the temperature range of 0-30 °C to calculate the O2consumption rate and CO2generation rate. The respiration process of cherry tomatoes was mathematically correlated with enzymatic Michaelis-Menten model. The best packaging material of cherry tomatoes was selected by respiration rate model at 25 °C. The results indicated that the respiration rate of cherry tomatoes was consistent with the Michaelis-Menten model. The determination coefficient2was greater than 0.9, and the regression was good. The temperature dependence of respiratory dynamics of cherry tomatoes could be characterized by Arrhenius equation and the determination coefficient was2>0.99. At the same time, the Michaelis-Menten model was used to verify PE1and PE2, and it was concluded that PE1 bag was more suitable for packaging cherry tomato. Michaelis-Menten model is important for cherry tomato preservation.

cherry tomato; aerobic respiration; Michaelis-Menten model; Arrhenius equation; preservation

S377

A

1001-3563(2023)17-0050-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.17.007

2023-03-07

2020年度天津市教委科研計劃項目（2020KJ070）

責任編輯：曾鈺嬋