蓝莓呼吸速率的测定及模型表征

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