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蓝莓呼吸速率的测定及模型表征

2013-09-05刘萌郭风军王美兰周志才张长峰张玉华

食品研究与开发 2013年14期
关键词:蓝莓

刘萌,郭风军,王美兰,*,周志才,张长峰,张玉华

(1.烟台大学食品科学与工程研究所,山东烟台 264005;2.国家农产品现代物流工程技术研究中心,山东济南 250103)

蓝莓呼吸速率的测定及模型表征

刘萌1,郭风军1,王美兰1,*,周志才1,张长峰2,张玉华2

(1.烟台大学食品科学与工程研究所,山东烟台 264005;2.国家农产品现代物流工程技术研究中心,山东济南 250103)

摘 要:在(25±0.5)℃和(0.5±0.5)℃条件下,将蓝莓置于密闭容器中,定期测定密闭容器中CO2、O2的浓度随时间的变化,根据公式计算得出蓝莓在(25±0.5)℃和(0.5±0.5)℃下的呼吸速率。基于Michaelis-Menten方程,利用多重回归方法,建立蓝莓基于酶动力学的呼吸模型,为蓝莓MAP的设计提供参考。

关键词:蓝莓;呼吸速率;Michaelis-Menten方程;呼吸模型

果蔬采收后仍为活体,其主要代谢过程是呼吸作用。呼吸作用是呼吸底物在一系列酶参与的生物氧化下,经过许多中间环节,将生物体内的复杂有机物分解为简单物质,并释放出化学能的过程。果蔬呼吸作用消耗的底物为果蔬生命代谢提供了能量,呼吸作用与果蔬采后品质变化有密切关系[1]。果蔬采后的关键问题是如何最大限度的保持果蔬品质和减少损失[2]。目前,在众多的果蔬保鲜技术中,气调保鲜技术被认为是世界上最先进最有效的水果保鲜技术之一[3]。气调保鲜技术分为两类:人工气调贮藏(Controlled atmosphere,CA)和自发气调包装(Modified Atmosphere Package,MAP)[4]。其中MAP贮藏是利用果蔬自身的呼吸作用和薄膜的气体渗透作用,来调节MAP内气体成分,通过降低氧气浓度和提高二氧化碳浓度,来抑制果蔬的呼吸强度,减少果蔬体内物质消耗,从而达到延缓果蔬衰老,延长贮藏期[5]。与CA相比,MAP方法的优点是不需要昂贵的设备,运行成本低,在我国果蔬贮藏生产中应用较广[6]。

MAP的贮藏效果和质量受很多因素影响,如果蔬的呼吸速率、MAP薄膜的种类、厚度和面积,气体浓度、温度、湿度等[7-8]。其中果蔬呼吸速率模型的设计对于MAP设计至关重要[9]。

蓝莓富含花青素、黄酮类物质,使其具有抗癌、明目、增强心肺功能及防止大脑神经衰老等独特功效[10],常被誉为“浆果之王”[11]。但蓝莓果实成熟在6月份~8月份的高温多雨季节,常温下放置2 d~4 d便开始腐烂[12],因此对蓝莓贮藏保鲜方面的研究至关重要。国外对于蓝莓的保鲜研究开展较早,并且达到了很好的效果[13-14],国内关于蓝莓的气调保鲜的文献报道不多,而对于蓝莓MAP设计具有重要作用的呼吸模型的研究鲜有报道。

本实验用密闭系统法测定在(25±0.5)℃和(0.5±0.5)℃下蓝莓的呼吸速率,基于Michaelis-Menten方程,通过多重回归方法建立蓝莓的呼吸模型,并对数据进行分析比较,以期为蓝莓MAP的设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用蓝莓品种为蓝丰,于2011年7月25日采自烟台牟平区威宇蓝莓种植基地,采后半小时运回烟台大学食品保鲜研究室。挑选无果柄、表面干爽、果粉完整、成熟度及大小基本一致的果实。

1.2 仪器与设备

ChectpointⅡO2、CO2气体分析仪:丹麦PBI-Dansensor公司;2500mL磨口瓶:齐齐哈尔新齐玻璃有限责任公司;RXZ智能型人工气候箱:宁波江南仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 呼吸速率的测定

称量挑选好的蓝莓200 g,装入2 500 mL的磨口瓶内,用橡胶塞密封,事先用打孔器在橡胶塞上打两个孔,安装玻璃管、乳胶管和止水夹为测气装置。立即将磨口瓶分别放入(25±0.5)℃的人工气候箱中和(0.5±0.5)℃的冷库中。每个温度条件下设三个重复。用气体分析仪定时测定磨口瓶中O2和CO2浓度。自由体积运用排水法求出。利用密闭系统法方程计算呼吸速率。

密闭系统法:将一定质量和体积的产品放入已知容积的容器中,每隔一段时间测定容器内CO2和O2的浓度,通过下式计算呼吸速率[15]。

1.3.2 基于酶动力学的呼吸速率模型的建立

利用CO2作为O2的非竞争型抑制,Michaetis-Menten方程用于果蔬呼吸模型的建立[16]:

将(3)式线性化后得

式中:R为果蔬的呼吸速率,[mL/(kg·h)];Vm为果蔬的最大呼吸速率,[mL/(kg·h)];Km为米氏常数,%O2;Ki为非竞争抑制常数,%CO2。

1.3.3 模型的验证

将所测[O2]、[CO2]浓度代入所建立的呼吸模型,得出蓝莓呼吸速率的预测值,并将与实测值R进行比较。为了对误差进行量化分析,采用相对误差的算术

平均值δ对预测值与实测值的误差进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 蓝莓呼吸速率变化规律

在(25±0.5)℃和(0.5±0.5)℃下,由于蓝莓果实的呼吸作用,瓶内的CO2含量不断上升,O2含量不断下降。将 CO2、O2浓度代入式(1)和(2)中,计算得出在密闭系统内蓝莓果实的CO2生成速率和O2消耗速率,如图 1、图 2。

图1 25℃下蓝莓的氧气消耗速率和二氧化碳生成速率Fig.1 CO2evolution and O2consumption of blueberries at 25℃

由图1可以看出,贮藏温度为25℃时,在贮藏开始阶段,O2消耗速率和CO2的生成速率都快速下降。实验刚开始3 h时,CO2生成速率为63.48 mL/(kg·h)、O2消耗速率为50.97 mL/(kg·h)。到30 h时CO2生成速率下降为40.17 mL/(kg·h),下降36.7%、O2消耗速率下降为35.37 mL/(kg·h),下降30.6%。从30 h之后气体生成速率和消耗速率变化都趋于平缓。且CO2的生成速率一直大于O2的消耗速率,且变化量相似。

图2 0.5℃下蓝莓的氧气消耗速率和二氧化碳生成速率Fig.2 CO2evolution and O2consumption of blueberries at 0.5℃

从图2中可以看出,在贮藏温度为(0.5±0.5)℃时,蓝莓在实验12 h时CO2生成速率为4.76 mL/(kg·h),O2消耗速率为2.38 mL/(kg·h),到444 h时,蓝莓的CO2生成速率降为1.09 mL/(kg·h),下降77.1%,O2消耗速率为1.03 mL/(kg·h),下降56.7%。由此可见,低温可以有效抑制蓝莓的呼吸速率,对延长蓝莓的贮藏期会有较好的效果。从108 h之后气体生成速率和消耗速率下降较为缓慢。

不论25℃还是0.5℃下蓝莓的呼吸速率都是先迅速下降后变化缓慢,这可能是由于本实验是在密闭系统中测定蓝莓呼吸速率,在密闭容器内,随着放置时间的增加,容器内O2的含量越来越低,CO2的含量越来越高,高CO2浓度抑制了蓝莓的呼吸作用。从图1、图2中也可以看出,蓝莓的呼吸速率无明显的跃变高峰,因此本实验所用蓝莓的呼吸类型为非跃变型。

2.2 蓝莓呼吸速率模型的表征

选用Michaetis-Menten方程模型来表征蓝莓的呼吸速率。利用测得的[CO2]、[O2]浓度及计算出的RCO2、RO2值,应用SPSS13.0软件按式(4)进行多重线性回归,可得呼吸模型的参数,见表1。

表1 蓝莓米氏方程模型参数Table 1 Michaetis-Menten model parameters of blueberries

(25±0.5)℃下密闭系统中蓝莓的呼吸模型如式(5)(6):

(0.5±0.5)℃下密闭系统中蓝莓的呼吸模型如式(7)(8):

2.3 模型的验证

将蓝莓实验所得呼吸速率值R与模型预测值R^,进行比较,如图3、图4。

图3 25℃下蓝莓呼吸速率模型与实测值的比较Fig.3 Comparison of respiration rate measured value with models value for blueberries at 25℃

图4 0.5℃下蓝莓呼吸速率模型与实测值的比较Fig.4 Comparison of respiration rate measured value with models value for blueberries at 0.5℃

将实验值与模型值代入式(5)中得相对误差的算术平均值,见表2。

表2 模型预测值与实验值的相对误差分析Table 2 Analysis of relative deviation of predicted values and experimental values

由图3、图4和表2可知,结果表明预测与实验值比较吻合。

3 结论

1)通过实验在(25±0.5)℃和(0.5±0.5)℃贮藏温度下,对蓝莓在密闭系统中呼吸速率进行测定。运用Michaetis-Menten方程模型和多重线性回归,得出蓝莓在密闭系统内(25±0.5)℃和(0.5±0.5)℃贮藏温度下的呼吸模型。

2)通过将实验值及呼吸模型预测值进行比较,通过相对误差的算术平均值进行分析,结果表明,(25±0.5)℃和(0.5±0.5)℃贮藏温度下的呼吸模型的预测值与实验值比较吻合,可以为蓝莓MAP设计提供依据。

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Determination and Characterization of Respiration Rate for Blueberries

LIU Meng1,GUO Feng-jun1,WANG Mei-lan1,*,ZHOU Zhi-cai1,ZHANG Chang-feng2,ZHANG Yu-hua2
(1.Research Institute of Food Science and Engineering,Yantai University,Yantai 264005,Shandong,China;2.National Engineering Research Center for Agricultural Products Logistics,Ji'nan 250103,Shandong,China)

Abstract:The concentrations of CO2,O2of closed container within blueberries were determined at regular intervals at(25±0.5)℃ and (0.5±0.5)℃.The respiration rates for blueberries were calculated at(25±0.5)℃and (0.5±0.5)℃ by formula computing.The respiration models based on Michaelis-Menten equation at (25±0.5)℃ and (0.5±0.5)℃ were established by multiple regression method.The results of the study may provide theoretical basis for the design of MAP of blueberries.

Key words:blueberry;respiration rate;Michaelis-Menten equation;respiration model

DOI:10.3969/j.issn.1005-6521.2013.14.004

山东省科技攻关项目(2009GG01668);国家“863”计划项目(2011AA100702)

刘萌(1986—),女(汉),硕士研究生,研究方向:农产品加工及贮藏工程。

王美兰(1958—),女,教授,研究方向:农产品加工及贮藏工程。

2012-10-11

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