低氧气调包装对新鲜香菇品质的影响

应丽莎，周晓庆，赵东方，张 敏*

(西南大学食品科学学院，重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆 400715)

近十年全球范围内新鲜菇类的产量及消费量迅速增加，但是菇类的高呼吸速率及采后品质的迅速劣变给新鲜产品的分发和销售带来困难，新鲜菇类在室温中贮藏1d就会出现开伞、变色、质地变软等现象，降低了商品价值[1]。气调包装与低温贮藏联合使用是延长易腐产品货架期的一种有效手段，气调包装通过使包装袋内的产品处于一个适宜的气体环境从而维持产品品质[2]。气调中高浓度CO2和低浓度O2能减少香菇的呼吸速率、腐烂及生理变化[3]。低浓度O2使多酚氧化酶及抗坏血酸氧化酶等氧化酶活性降低，从而减慢了呼吸速率[4]，而高浓度CO2对呼吸的抑制作用则可能是通过反馈抑制作用或控制线粒体活性等方式实现[5]。包装袋内过多CO2积累还会造成产品生理损伤，使香菇品质下降[6-7]。关于气体比例及含量对产品品质的影响已被广泛报道，而包装袋内顶隙空间比率对香菇品质影响的研究较少，雷桥等[8]报道顶隙空间影响蘑菇的呼吸强度及呼吸峰出现时间。这可能是由于包装袋的顶隙空间影响果蔬气调包装中气体成分的变化速率。若顶隙空间过小，新鲜香菇旺盛的呼吸作用会促使包装袋内气体成分发生剧烈变化，尤其是CO2浓度的迅速增加极易造成低氧气调包装袋内的无氧环境。顶隙空间过大则会增加气调包装的体积，造成空间浪费，加大储运成本。

有研究指出，气调包装系统若设计不合理，不仅会失去保护作用，还有可能缩短产品的贮藏期[9]。目前，低氧气调包装对新鲜食用菌采后品质的保护作用已被广泛报道[10-11]，而低氧气调包装中O2、CO2、顶隙空间3者之间的交互作用对香菇品质的影响鲜有报道。响应面法(response surface methodology，RSM)以建模方式分析响应值(因变量)与处理因子(自变量)之间关系的技术手段，同时强调寻找使响应值最大或最小的特殊自变量组合[12]。本研究以新鲜香菇为原料，与消费者接受度有关的指标为研究对象进行气体比例的单因素试验，筛选出能满足消费者接受度的单因素水平，然后分别选取3个水平梯度，利用响应面法分析各因素及其因素之间的交互作用对新鲜香菇酶活及营养品质的影响，进一步优化新鲜香菇低氧气调包装系统的参数。同时本研究也是为了探索响应面法在果蔬保鲜研究中的应用前景。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜香菇 市购；邻苯二酚、氢氧化钠 重庆川东化工集团有限公司；聚乙烯吡咯烷酮、过氧化氢 成都科龙化工试剂厂；PEG6000、TritonX-100、葡萄糖 重庆北碚化学试剂厂；所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

MAP-500D气调包装机 上海炬钢机械制造有限公司；UV-2450紫外-可见分光光度计 日本岛津公司；GL-20G-Ⅱ高速冷冻离心机 上海安亭科学仪器厂；KjelFlex K-360全自动凯氏测氮仪 瑞士Buchi公司；UltraScan® PRO测色仪 美国HunterLab公司；TA.XT2i物性测定仪 英国 Stable Micro System 公司；HWS低温恒温恒湿箱 宁波东南仪器有限公司。

1.3 单因素试验

1.3.1 气调贮藏试验设计

香菇当日运往实验室预冷20h，随机取样并分装于30μm厚的未拉伸聚丙烯(CPP)塑料袋中，每袋100g。袋内充入一定量混合气体，保证顶隙空间占整个包装容积的1/2。先进行O2单因素试验，设置O2体积分数1%、5%、10%、15%、20%，其余气体用N2填充。然后固定O2最佳体积分数，进行CO2单因素试验，设置CO2体积分数为0%、10%、20%、30%，其余气体用N2填充。包装结束放入恒温恒湿箱(4℃±1℃，相对湿度90%)贮藏并定期测定香菇贮藏期间呼吸强度及感官指标。

1.3.2 指标测定

呼吸强度测定：采用静置法，参照肖功年等[13]方法；质量损失率测定：通过称量贮藏前后包装内容物的质量，以损失质量占起始质量的百分比表示；硬度测定：通过物性仪对子实体进行穿刺试验，以其物性曲线的第1个最高峰值表示；白度值测定：通过测色仪以D65光源、10°观察角测得，用L*值表示。

1.4 响应面试验

1.4.1 响应面试验设计

由单因素试验可得出对香菇感官品质保护较好的O2和CO2体积分数。而果蔬气调包装中，顶隙空间越大，包装袋内气体成分变化越小[14]，气调包装系统越稳定，但是顶隙空间过大会加大包装及储运成本。故进一步以O2和CO2体积分数、包装袋顶隙空间比率为自变量，满足消费者可接受情况下，利用响应面法进行优化，分析O2、CO2和包装顶隙空间之间的交互作用对香菇多酚氧化酶活性及营养品质的影响。

响应面法选用二次正交旋转组合设计，使用Design-Expert 7.1.6软件设计响应面试验方案，于第26天进行品质测定，因素水平编码见表1。

表 1 二次正交旋转组合试验因素水平编码Table 1 Coding of factors and levels in quadratic rotation-orthogonal composite design

1.4.2 指标测定

1.4.2.1 多酚氧化酶(polyphenoloxidase，PPO)活性

参照Wang Chengtao等[15]方法。PPO活性以邻苯二酚作为底物用分光光度法测定。取2g果蔬加入到5mL缓冲液中匀质，于4℃以12000×g离心30min，收集上清液即为酶提取液。100μL酶提取液与4.0mL 0.1mol/L、pH5.5乙酸-乙酸钠缓冲液和1.0mL、50mmol/L邻苯二酚溶液混匀，于420nm处连续测定5min，记录反应体系在该波长下每分钟吸光度的变化值。以每克果蔬样品每分钟吸光度变化值增加0.01为一个活性单位。

1.4.2.2 粗蛋白质量分数

参照国标GB/T 15673—2009《食用菌中粗蛋白含量的测定》。

1.4.2.3 总糖质量分数

参照国标GB/T 15672—2009《食用菌中总糖含量的测定》。

1.5 数据处理

使用SPSS 13.0软件对指标进行单因素方差分析及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

不同O2、CO2体积分数对香菇贮藏期间质量损失率、硬度、白度及呼吸强度的影响见表2、3。由表2可知，5% O2处理组的香菇贮藏期间质量损失率最低，且硬度和白度值均大于同期其他处理组。试验发现5%处理组的香菇在第6天出现呼吸高峰，而O2体积分数为1%、10%、15%、20%处理组的香菇在第4天已出现呼吸高峰，且呼吸峰值均高于5%处理组的最高峰值。

将O2固定为最佳体积分数5%，改变CO2体积分数，试验发现20% CO2处理组的香菇呼吸高峰延缓到第6天出现，呼吸峰值为261.79CO2mg/(kg·h)，低于5% O2单因素处理(P＜0.05)。且20% CO2处理组香菇的质量损失率在前11d低于0%和30% CO2处理组(P＜0.05)，略高于10% CO2处理组，而硬度和白度值在整个贮藏期间均大于同期其他处理组。

表 2 不同O2体积分数对香菇质量损失率、硬度、白度及呼吸强度的影响Table 2 Effect of various oxygen concentrations on weight loss, hardness, whiteness and respiration rate of shiitake mushroom

表 3 不同CO2体积分数对香菇质量损失率、硬度、白度及呼吸强度的影响Table 3 Effects of various carbon dioxide concentrations on weight loss, hardness, whiteness and respiration rate of shiitake mushroom

2.2 响应面试验

2.2.1 回归模型建立及方差分析

将表4二次旋转正交试验结果数据通过数学模型采用多元回归方法分别建立以PPO活性(Y1)、粗蛋白质量分数(Y2)、总糖质量分数(Y3)为指标的回归方程，回归方程如下：

对上述模型进行方差分析，结果见表5。方程失拟性检验不显著(P＞0.05)，说明模型拟合程度较好。回归模型F值检验达到极显著水平(P＜0.01)，说明模型的预测值与真实值非常吻合，模型成立。模型(1)、(2)、(3)的调整确定系数R2Adj分别为0.9703、0.9045和0.9771，说明上述模型分别能够解释97.03%的PPO活性变化、90.45%粗蛋白质量分数变化及97.71%的总糖质量分数变化。

各因素的F值可以反映出各个因素对试验指标的重要性，F值越大，表明对试验指标的影响越大，即重要性越大[16]。由表5可知，影响香菇子实体PPO活性的因素主次顺序为X3、X1、X2，其中X3、X1极显著(P＜0.01)，X2显著(P＜0.05)；影响香菇子实体粗蛋白质量分数的因素主次顺序为X3、X1、X2，其中X1、X3极显著(P＜0.01)，X2不显著(P＞0.05)；影响香菇子实体总糖质量分数的因素主次顺序为X3、X2、X1，其中X3极显著(P＜0.01)，X1、X2不显著(P＞0.05)。

表 4 二次正交旋转组合设计试验结果Table 4 Quadratic rotation-orthogonal composite design and corresponding experimental results

2.2.2 响应面交互作用分析

2.2.2.1 三因素对香菇PPO活性的影响

表 5 PPO活性、粗蛋白和总糖质量分数的二次响应面回归模型方差分析Table 5 Analysis of variance of regression model for PPO activity, crude protein and total sugar content

图 1 三因素对香菇体内PPO活性的影响的响应面和等高线图Fig.1 Response surface and contour plots showing interactive effect of three factors on PPO activity in shiitake mushroom

香菇子实体多酚氧化酶活性与菌体褐变紧密相关，PPO催化酚类物质氧化变成无色醌，醌进一步聚合成黑色素类化合物[17-18]，使香菇发生酶促褐变。Kader[4]指出低体积分数氧气(≥2%)使新鲜果蔬呼吸速率减少主要与子实体多酚氧化酶活性的下降有关。由图1可知，固定顶隙空间，O2和CO2值的增加使PPO活性先降后升，并达到最低值。PPO活性最优点十分接近于O2体积分数4.5%和CO2体积分数19.5%。固定气体体积分数，顶隙空间的增加使PPO活性逐渐降低。由表5可知，O2与CO2对香菇PPO活性的交互作用显著(P＜0.05)。O2与顶隙空间对PPO活性的交互作用也达到显著水平(P＜0.05)，而CO2与顶隙空间对PPO活性的交互作用不显著(P＞0.05)。

2.2.2.2 三因素对香菇粗蛋白的影响

由图2可知，固定顶隙空间，粗蛋白质量分数随O2、CO2值的升高呈现先升后降的趋势，在6% O2和20% CO2附近达到最高值。固定气体体积分数，粗蛋白质量分数随顶隙空间的增加而增加。由表5可知，O2与顶隙空间对香菇粗蛋白质量分数的交互作用达到极显著水平(P＜0.01)，而O2与CO2、顶隙空间与CO2对粗蛋白质量分数的交互效应均不显著(P＞0.05)。

图 2 三因素对香菇体内粗蛋白质量分数的影响的响应面和等高线图Fig.2 Response surface and contour plots showing interactive effect of three factors on crude protein content in shiitake mushroom

2.2.2.3 三因素对香菇总糖质量分数的影响

由图3可知，总糖质量分数随O2、CO2体积分数的升高出现先升后降的趋势，在5%O2和19.5%CO2附近达到最高值。固定气体体积分数，顶隙空间的增加使总糖质量分数逐渐增加。由表5可知，O2与CO2对香菇总糖质量分数的交互作用达到极显著水平(P＜0.01)，O2与顶隙空间的交互作用也达到极显著水平(P＜0.01)，而CO2与顶隙空间的交互作用不显著(P＞0.05)。

图 3 三因素对香菇体内总糖质量分数的影响的响应面和等高线图Fig.3 Response surface and contour plots showing interactive effect of three factors on total sugar content in shiitake mushroom

2.2.3 参数优化

香菇子实体PPO活性与其呼吸速率紧密相关[4]。为了保证新鲜香菇贮藏期间的品质，气调包装要起到降低PPO活性，减少香菇子实体营养成分消耗的作用。由统计分析可知，PPO活性与粗蛋白质量分数呈显著负相关(P＜0.05)，而与总糖质量分数的相关性达到极显著水平(P＜0.01)，粗蛋白质量分数与总糖质量分数之间也呈现极显著的正相关(P＜0.01)。综合考虑3个指标的回归模型，由软件分析得出新鲜香菇低氧气调包装最佳条件为O24.59%、CO220.13%、顶隙空间0.67，在此条件下PPO活性为5.00U，粗蛋白和总糖质量分数分别为0.54%和52.08%。

3 讨 论

本实验证明香菇PPO活性、粗蛋白及总糖质量分数对气调包装中单一参数的敏感性不一致。其中顶隙空间是影响气调包装性能的主要单因素，其对香菇子实体多酚氧化酶活性、粗蛋白及总糖质量分数的影响均达到极显著水平(P＜0.01)。O2对香菇PPO活性和粗蛋白质量分数的影响较大，均达到极显著水平(P＜0.01)。CO2对PPO活性的影响也达到显著水平(P＜0.05)，但对粗蛋白质量分数的影响并不显著(P＞0.05)。而O2和CO2对香菇总糖质量分数的影响均不显著(P＞0.05)，其中总糖质量分数受CO2的影响大于O2。

试验发现低氧气体包装的香菇贮藏期间品质的变化同样受气体与包装袋顶隙空间交互作用的影响。O2与顶隙空间的交互作用对PPO活性(P＜0.05)，粗蛋白质量分数(P＜0.01)和总糖质量分数(P＜0.01)影响较大，均达到显著水平；CO2与顶隙空间的交互作用对香菇酶活、粗蛋白和总糖质量分数影响均不显著(P＞0.05)。这可能是由于香菇进行有氧呼吸时，O2的消耗量与CO2的产生量为1：1，包装袋内CO2与O2体积分数的变化速率取决于材料对两种气体的通透性。而传统合成薄膜对CO2/O2的选择通透性比率一般为4～6[19]，故顶隙空间的改变对CPP包装袋内CO2体积分数的影响要小于对O2体积分数的影响。而O2与CO2之间的相互作用对PPO活性(P＜0.05)、总糖质量分数(P＜0.01)影响均达到显著水平，但对粗蛋白质量分数的影响并不显著(P＞0.05)。

综合3个指标的回归模型，得出低氧气调对新鲜香菇贮藏保鲜的最佳工艺条件为O24.59%、CO220.13%、顶隙空间0.67。新鲜香菇在此条件下贮藏26d其PPO活性为5.00U，粗蛋白和总糖质量分数分别为0.54%和52.08%。

总之，气调包装技术要作为一个整体系统进行设计运用，试验表明新鲜香菇的贮藏品质不仅受单一因素的影响，同时受气体及其与顶隙空间之间交互作用的影响。在气调包装系统中，包装的成功很大程度上依赖于包装产品的生理学和包装的物理学方面的相互作用，要考虑果蔬的呼吸速率与气体通过包装材料进行内外交换这两个过程，以期能够延长新鲜果蔬的货架期，这对于高呼吸速率的新鲜果蔬尤为重要。气调包装系统气体传输速率数学模型[20]和采后果蔬贮藏的呼吸速率模型[21]的研究将大大提高气调包装的性能。然而，气调包装技术只能作为适宜温湿度贮藏的补充手段，因为贮藏环境的任何变动都会促使所包装产品的呼吸速率处于危险的水平而导致腐败[22]。

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