侯玉茹,李文生,王宝刚,周家华,常 虹,石 磊

(北京市农林科学院林业果树研究所,北京 100093)

甜樱桃呼吸特性及发酵阈值研究

侯玉茹,李文生,王宝刚*,周家华,常 虹,石 磊

(北京市农林科学院林业果树研究所,北京 100093)

探明不同温度下密封盒内甜樱桃的呼吸特性和发酵阈值。以‘艳阳’樱桃为试材,采用密闭系统法,研究了不同温度(0、5和20 ℃)条件下,樱桃包装环境内的气体浓度变化和樱桃的呼吸速率,拟合呼吸速率方程,研究樱桃的发酵阈值。结果表明,密封盒内樱桃的米氏模型参数拟合度较高,各方程决定系数(R2)值均在0.96以上。在0、5和20 ℃环境下,樱桃果实的最大呼吸速率分别为4.50、7.14和24.39 mL CO2/(kg·h),最长贮藏时间分别为156、108和24 h,0 ℃和5 ℃环境下的发酵阈值比20 ℃环境低。综上所述,各温度下密封盒内樱桃的米氏模型参数拟合度较高,低温可以有效地抑制果实的呼吸强度,延长贮藏期。

甜樱桃,呼吸速率,发酵阈值,米氏模型

甜樱桃(PrunusaviumL.)属蔷薇科李属樱桃亚属植物,果实色泽鲜艳,酸甜适口,营养丰富。但甜樱桃皮薄、肉软、多汁,属于不耐贮运的水果,易出现果实软化、褐变、腐烂变质等现象。近年来,国内外研究人员在甜樱桃的采后生理和贮藏保鲜技术方面进行了大量的研究工作[1-4]。目前,气调包装对甜樱桃的贮藏保鲜效果较为明显[5-8]。水果的气调包装是利用产品的呼吸作用与薄膜透气性之间的平衡,在包装内形成一种高CO2低O2体积分数的内环境,由此抑制产品的代谢作用,从而达到延长其贮藏期的一种包装技术[9]。有效的气调包装能抑制果实的呼吸速率及新陈代谢,延缓衰老。呼吸强度是设计气调包装方案的重要参数,影响呼吸强度的因素有温度、湿度、二氧化碳浓度、氧气浓度和时间等[10]。本文以‘艳阳’甜樱桃为试材,采用密闭系统法,研究了0、5和20 ℃环境条件下,樱桃包装环境内的气体浓度变化和呼吸速率,并根据酶动力学理论,建立各温度下樱桃呼吸速率随O2、CO2浓度变化的数学模型,确定樱桃的发酵阈值,旨在为甜樱桃气调包装参数的选择设计提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甜樱桃 品种为艳阳(PrunusaviumL. cv. Sunburst),采自北京市樱桃育种中心;保鲜盒 V=6500 mL,购自韩国乐扣乐扣有限公司;自制密封盒 将保鲜盒的盖子上打两个直径为3 mm的孔,装上硅胶管,用于气体分析仪取样和气体循环。

BPS-50CL恒温恒湿箱 上海一恒科学仪器有限公司;CheckMate II O2/CO2气体分析仪 PBI-Dansensor。

1.2 实验方法

1.2.1 处理方法 挑选成熟度一致的果实,装入密封盒中,每盒2.00 kg。然后,分别置于0、5和20 ℃环境中,0 ℃和5 ℃环境利用低温冷库控制温度,20 ℃环境利用恒温恒湿箱控制温度,相对湿度均为90%～93%,初始气体条件均为大气状态(即21% O2和0% CO2)。当果心温度达到相应温度时密封,每间隔一定时间利用O2/CO2气体分析仪测定果实包装环境中O2和CO2气体体积分数,每组实验做三个平行。

1.2.2 呼吸速率的测定方法 采用密闭系统法测定甜樱桃的呼吸速率。利用静态封闭系统,把果实置于密封盒中。随着果实呼吸的进行,密封盒内气体体积分数会发生变化。在恒定的温度下密闭一定时间后,根据密封盒中O2或CO2体积分数的变化量来计算其呼吸速率,即通过以下方程计算果实的呼吸速率[11]:

式(1)

式(2)

式中,RO2,RCO2分别为O2的消耗速率和CO2的生成速率,mL/(kg·h);ti,tf分别为测量起始、终止时间,h;[O2]ti,[O2]tf分别为测量起始、终止时O2浓度,%;[CO2]ti,[CO2]tf分别为测量起始、终止时CO2浓度,%;V为密封盒的自由体积,mL;M为样品质量,kg。

1.2.3 果实呼吸速率模型的建立 基于酶动力学原理,当把CO2作为O2的非竞争性抑制剂时,米氏(Michaelis-Menten)呼吸速率方程可表示为[12]:

式(3)

式中,R为果实的呼吸速率,mL/(kg·h);[O2],[CO2]分别为某一时刻包装内部的氧气和二氧化碳浓度,%;Vm为果实的最大呼吸速率,mL/kg·h;Km为米氏常数,%;Ki为二氧化碳非竞争抑制系数,%。

将式(3)化为线性形式:

式(4)

根据实验测得的O2和CO2浓度变化值,以及计算得到对应的O2消耗速率和CO2生成速率,利用SPSS软件进行多重线性回归分析,得到果实的呼吸方程参数。

1.2.4 呼吸商和发酵阈值的计算方法 呼吸商表示水果在单位时间内呼出的CO2量与吸收的O2量之比,用RQ表示,即:RQ=RCO2/RO2。一般情况下,水果的有氧呼吸商在0.7～1.3之间波动,呼吸商值大于1.3时即可认为水果发生了厌氧呼吸。因此,把能够诱发水果发生厌氧呼吸的CO2和O2浓度临界值称为发酵阈值[13]。又由于密闭系统下,包装中的O2和CO2浓度存在一定的相关性,可以拟合成线性方程。因此,根据上述两个条件可以得到O2阈值和CO2阈值。

1.3 数据分析方法

采用Excel 2007和SPSS 17.0统计学软件对实验数据进行分析。

2 结果与讨论

2.1 甜樱桃的呼吸速率变化规律

如图1所示,随着贮藏时间的延长,密封盒内O2气体体积分数逐渐下降,CO2气体体积分数逐渐升高,并且两条曲线有相交的变化趋势,表现出典型的密闭系统法气体成分变化规律。在0、5和20 ℃环境下,樱桃果实的O2和CO2气体体积分数曲线分别在96、60和16 h时相交。由此可见,温度越高,气体体积分数变化幅度越大,O2气体体积分数曲线与CO2气体体积分数曲线相交越早。

图1 密封盒内气体浓度变化Fig.1 Changes of gas concentration in sealed box

如图2所示,随着贮藏时间的延长,密封盒内樱桃的O2消耗速率和CO2生成速率总体呈下降趋势,且贮藏初期和中期O2消耗速率高于CO2生成速率,而贮藏后期O2消耗速率低于CO2生成速率。温度对樱桃的采后呼吸有着显著的影响。在0 ℃环境贮藏初期,樱桃果实的O2消耗速率为7.31 mL/(kg·h),CO2生成速率为6.50 mL/(kg·h);180 h时,樱桃果实的O2消耗速率为0.99 mL/(kg·h),CO2生成速率为1.90 mL/(kg·h)。在5 ℃环境贮藏初期,樱桃果实的O2消耗速率为8.94 mL/(kg·h),CO2生成速率为8.13 mL/(kg·h);132 h时,樱桃果实的O2消耗速率为1.36 mL/(kg·h),CO2生成速率为2.71 mL/(kg·h)。在20 ℃环境贮藏初期,樱桃果实的O2消耗速率为30.88 mL/(kg·h),CO2生成速率为23.56 mL/(kg·h);32 h时,樱桃果实的O2消耗速率为8.37 mL/(kg·h),CO2生成速率为14.63 mL/(kg·h)。由此可见,温度越高,樱桃的呼吸速率值越高,呼吸越旺盛。0 ℃时,樱桃的呼吸较为平稳缓慢,验证了低温能有效抑制果实的呼吸速率,对延长果实的保鲜期有较好的效果,这与万森对菠菜的研究结果相似[14]。

表1 密封盒内甜樱桃的米氏模型参数Table 1 Michaelis-Menten model parameters of sweet cherry in sealed box

图2 密封盒内甜樱桃呼吸速率变化Fig.2 Changes of respiratory rate of sweet cherry in sealed box

2.2 密封盒内甜樱桃呼吸速率模型的建立

根据实验测得的O2和CO2体积分数变化值,以及计算得到的O2消耗速率和CO2生成速率,利用SPSS软件进行多重线性回归分析,得到密封盒内甜樱桃的米氏模型参数,结果见表1。

由表1可知,实验得到的密封盒内甜樱桃的米氏模型参数的拟合度较高,各方程的决定系数(R2)均在0.96以上。在0、5和20 ℃环境下,樱桃果实的最大呼吸速率分别为4.50、7.14和24.39 mL CO2/(kg·h)。从不同温度的米氏模型参数来分析,Vm和Ki随着温度的升高而增大。

2.3 密封盒内甜樱桃的呼吸商及发酵阈值

呼吸商的变化能够反映果实组织利用底物的情况,也能够反映果实无氧呼吸的发生情况。一般情况下,呼吸商大于1.3时即认为果实发生了厌氧呼吸。由2.1中樱桃的呼吸速率可知,在0、5、20 ℃环境下,樱桃果实分别在180、132、32 h时呼吸熵迅速增加到1.3以上,分别为1.9、2.0、1.7,再根据O2、CO2体积分数拟合的线性方程,得到各温度环境下樱桃果实的O2和CO2发酵阈值(如表2),并由此推算出各温度下果实分别在156、108、24 h后进入厌氧呼吸,此时间为果实的最长贮藏时间。由此可见,0 ℃和5 ℃环境下的樱桃的O2发酵阈值较低,表明低温时樱桃能够容忍较低的氧气浓度,延缓厌氧呼吸的发生,并且在对荔枝[15]、梨[16]等水果的研究中也得到了类似的结果。

表2 密封盒内甜樱桃的发酵阈值Table 2 Fermentive threshold of sweet cherry in sealed box

3 结论

采用密闭系统法对‘艳阳’甜樱桃贮藏过程中包装容器内的气体体积分数进行测定,进而得到甜樱桃的呼吸速率值。结果显示,甜樱桃的呼吸速率总体随着温度的降低和O2体积分数的降低而降低,随着CO2体积分数的升高而降低,且O2消耗速率高于CO2生成速率。密封盒内甜樱桃的米氏模型参数的拟合度较高。在0、5和20 ℃环境下,樱桃果实的最大呼吸速率分别为4.50、7.14和24.39 mL CO2/(kg·h),且最长贮藏时间分别为156、108和24 h。0、5 ℃环境下的樱桃的O2发酵阈值比20 ℃环境低。低温贮藏能有效抑制果实的呼吸速率,延长果实的贮藏期。

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Study on respiration properties and fermentive threshold of sweet cherry during storage

HOU Yu-ru,LI Wen-sheng,WANG Bao-gang*,ZHOU Jia-hua,CHANG Hong,SHI Lei

(Institute of Forestry and Pomology,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Beijing 100093,China)

The objective of the study was to clarify the respiration properties and fermentive threshold of sweet cherry during storage in different temperature. The changes of gas concentration in sealed box and respiration rate ofPrunusaviumL. cv. Sunburst in different temperature of 0,5 ℃ and 20 ℃ by enclosed system method were studied. And respiration rate equation of sweet cherry in sealed box was fitted. At the same time,fermentive threshold was determined. Results indicated that fitting degree of Michaelis-Menten model parameters of sweet cherry in sealed box were higher that coefficient of determination(R2)were more than 0.96. Maximum respiration rate of sweet cherry was 4.50 mL CO2/(kg·h),7.14 mL CO2/(kg·h)and 24.39 mL CO2/(kg·h),and maximum storage time was 156 h,108 h and 24 h respectively in different temperature of 0,5,20 ℃. The fermentive threshold of sweet cherry in 0 ℃ and 5 ℃ were lower than 20 ℃. In conclusion,Michaelis-Menten model parameters of sweet cherry in sealed box had higher fitting degree in different temperature. The lower temperature could inhibit respiration intensity and extend the storage period effectively.

sweet cherry;respiration rate;fermentive threshold;Michaelis-Menten model

2016-08-12

侯玉茹(1985-)，女，硕士，研究方向：果品采后生理与贮藏加工，E-mail：hou_yuru@126.com。

*通讯作者:王宝刚(1979-)，男，博士，副研究员，研究方向：果品物流包装及贮运保鲜技术，E-mail：wangbg1979@126.com。

北京市农林科学院科技创新能力建设专项资助项目(KJCX20140205，KJCX20140302)；公益性行业(农业)科研专项(201303075)。

TS201.1

A

:1002-0306(2017)04-0323-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.04.052