甜菜碱结合热处理降低采后香蕉果实冷害的研究

鹿常胜，潘永贵，何 其，张智毅

（海南大学食品学院，海南海口570228）

甜菜碱结合热处理降低采后香蕉果实冷害的研究

鹿常胜，潘永贵*，何 其，张智毅

（海南大学食品学院，海南海口570228）

以海南产巴西种香蕉果实为试材，通过甜菜碱与热水结合处理，使用响应面法优化处理条件，测定处理后香蕉果实的冷害发生率与冷害指数，确定出能显著降低香蕉果实冷害的最优处理条件。最优处理条件为：甜菜碱浓度13mmol/L，热水温度51℃，浸泡时间4min。经过（4±1）℃贮藏6d后，混合处理组果实的冷害发生率为10.56%，比对照组降低了65%，并且感官品质优于其他处理组。

香蕉，冷害，甜菜碱，热处理

香蕉是典型的呼吸跃变型果实，也是易发生冷害的水果之一。最佳贮运温度为12～14℃，温度低于11℃时，随着时间的延长，香蕉果实上便会产生不同程度的低温冷害症状[1]。降低采后果蔬，尤其是热带果蔬的冷害损失是果蔬采后贮运的一个重要研究内容。采后热处理是一种颇受关注的果蔬采后保鲜方法，并且在许多果蔬上已被证明是一种很好的减轻冷害发生的技术措施[2]，但是热处理也存在一些问题，例如热处理的时间和温度因不同果蔬而不同[3]，热处理不当，易造成果蔬失水、变色、损伤[4-6]。此外，近年来，甜菜碱在植物上以及一些采后果蔬上也发现具有一定的延缓冷害发生的作用。甜菜碱属于含羧基的季铵化合物，其化学名称为N-甲基代氨基酸，是高等植物中最常见也是最重要的渗透调节物质之一[7]。高等植物中的甜菜碱主要有12种，目前研究得最多的一种是甘氨酸甜菜碱（Glycine betaine），简称甜菜碱（Betaine），结构最为简单[8]。在香蕉果实上，研究发现10mmol/L浓度的甜菜碱溶液浸泡处理可显著减轻果实冷害症状[9]；在黄瓜果实上，同样发现施用甜菜碱能减轻黄瓜果实贮藏期间的冷害，提高其抗冷性[10]。将热处理结合甜菜碱来处理果蔬，以降低冷害，提高果蔬抗冷性的研究目前尚未见报道，因此，本论文将研究热处理和甜菜碱结合降低香蕉果实冷害的可能性，并探寻其最适处理条件，以期为提高采后香蕉果实的抗冷性，减少果实贮运过程中的损失提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

供试香蕉品种巴西（Musa sp.，AAA group，CV. Brazil） 购自海口市南北水果批发市场，成熟度7～8成，14℃预冷过夜。

MIR-253型恒温培养箱 日本Sanyo公司；TW-450型保鲜膜封接机 台湾依利达公司；CT3型质构仪 美国Brookfield公司；CR-400型色泽色差计KONICA MINOLTA公司。

1.2 处理方法

香蕉果实分成单个蕉指后，选择成熟度一致、无病虫害及机械伤的香蕉果实作为处理对象，将甜菜碱溶于蒸馏水中，加热至一定温度，然后将香蕉果实浸没到甜菜碱的热溶液中一段时间，取出晾干后用聚乙烯薄膜保鲜袋包装，置于恒温培养箱中，（4±1）℃保存。每组处理香蕉果实数量为15根，贮藏一定时间后测定相关指标，重复三次，以平均数为最终测定结果。

1.2.1 单因素实验设计 分别以甜菜碱浓度、热处理温度、处理时间为单因素进行实验，参考有关文献[2-3，10]，设计单因素甜菜碱溶液浓度：0、5、10、15mmol/L，热处理温度50℃，处理时间3min；设计单因素热处理温度：常温、45、50、55℃，甜菜碱溶液浓度10mmol/L，处理时间3min；设计单因素处理时间：1、3、5、7min，甜菜碱溶液浓度10mmol/L，热处理温度50℃。香蕉果实晾干后，置于4℃下保存。贮藏期间，调查香蕉的冷害发生率和冷害指数，确定出最适宜热处理温度。

1.2.2 响应面实验设计 在单因素实验基础上，根据Box－Behnken的中心组合设计原理，以冷害发生率与冷害指数为响应值，通过响应面分析对结果进行优化，实验因素与水平设计如表1所示。

表1 响应面实验因素及水平Table.1 Coded level of the independent variables

1.3 测定方法

1.3.1 冷害发生率测定 香蕉果实冷害发生率参照逯明辉等方法[11]。冷害观察是将香蕉果实放在室温下24h后进行，依冷害面积占香蕉表面积之比将香蕉的冷害分为：0级，果面光洁，无冷害症状；1级，0～25%；2级，25%～50%；3级，50%～75%；4级，75%～100%。计算公式如式（1）、式（2）所示：

冷害发生率（%）=（发生该级别冷害果数/总果数）×100 式（1）

冷害指数=Σ（冷害级别×该级别果数）/（4×检查果数） 式（2）1.3.2 质构测定 采用CT3质构仪测定，探头直径为4mm，质构条件为测试样品深度2mm，测试速度1.5mm/s，返回速度1.5mm/s，循环2次。每组样品取三个，重复测定三次，以平均数为最终测定结果[12]。

1.3.3 色泽指标测定 使用色泽色差计分别对不同处理的香蕉果实样品的外部颜色进行客观的综合评价，每组样品取三个，重复测定三次，以平均数为最终测定结果。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 甜菜碱浓度对香蕉果实抗冷性的影响 由图1、图2可以看出，使用甜菜碱处理香蕉可以有效的降低香蕉果实的冷害发生率，未经处理的样品第2d开始出现轻微冷害现象；而使用甜菜碱处理的香蕉，冷害现象有所延迟，随着时间的延长，冷害发生率不断增长，甜菜碱处理的果实，冷害发生率明显低于对照，其中以10mmol/L浓度处理效果最好，且标志冷害程度的冷害指数也是以10mmol/L浓度处理最低；未经处理的香蕉果实在第8d的时发生4级冷害。这表明外源甜菜碱处理可有效推迟香蕉冷害的发生，并能减轻冷害发生率与冷害程度。

图1 甜菜碱浓度对香蕉果实冷害发生率影响Fig.1 Effect of the concentration of Betaine on chilling injury rate in banana fruits

图2 甜菜碱浓度对香蕉果实冷害发生指数的影响Fig.2 Effect of the concentration of Betaine on chilling injury index in banana fruits

图3 热水温度对香蕉果实冷害发生率影响Fig.2 Effect of the hot water temperature on chilling injury rate in banana fruits

2.1.2 热处理温度对香蕉果实抗冷性的影响 由图3、图4可知，使用热水处理后，实验组与对照组差异明显，热水处理可以明显降低香蕉果实的冷害发生率，其中以50℃处理效果最为明显，冷害发生率最低；对照组在第8d时达到4级冷害。而经过55℃热水浸泡处理的果实冷害发生率与冷害指数相对比较高，可能是由于温度过高，对细胞组织以及酶活性产生不利影响，影响了果实抗冷性。

图4 热水温度对香蕉果实冷害发生指数的影响Fig.4 Effect of the hot water temperature on chilling injury index in banana fruits

2.1.3 处理时间对香蕉果实抗冷性影响 由图5、图6可知，随时间的增长，果实的冷害发生率不断升高，随贮藏时间的延长，实验组之间开始出现差异，以第6d最为明显，浸泡3min的处理，香蕉果实冷害发生率与发生指数明显比较低，这可能是长时间的热处理破坏了细胞组织以及相关酶活性，因此最适合的浸泡时间为3min。

图5 浸泡时间对香蕉果实冷害发生率的影响Fig.5 Effect of the immersed time on chilling injury rate in banana fruits

图6 浸泡时间对香蕉果实冷害发生指数的影响Fig.6 Effect of the immersed time on chilling injury index in banana fruits

表2 Box－Behnken实验设计与结果Table.2 Design and results of Box-Behnken experiment

表3 回归方程的方差分析Table.3 Variance analysis of regression equation

2.2 响应面实验结果与分析

在单因素实验结果的基础上，进行响应面实验。实验结果见表2，方差分析结果见表3。

根据表2，用Design-Expert 8.0软件进行多元回归拟合分析，得出回归模型，并分别获得了冷害发生率、冷害指数对编码自变量GB浓度、热处理温度及处理时间的二次多项回归方程式（3）、式（4）回归方程为：

由表3可知，式（3）的模型回归值p＜0.001，极显著，该回归模型的R-Squared为0.9688，调整系数Adj R-Squared为0.9286，模型与实际实验失拟项的p值为0.1272，不显著，说明实验拟合比较好。一次项X1、X3极显著，X2显著，交互项X1X2、X1X3、X2X3不显著，二次项X12、X22、X32都是极显著。

式（4）的模型回归值p＜0.001，极显著，该回归模型的R-Squared为0.9569，调整系数Adj R-Squared为0.9014，模型与实际实验失拟项的p值为0.1701，不显著，说明实验拟合比较好。一次项X1、X3极显著，X2显著，交互项X1X2、X2X3不显著，X1X3显著，二次项X12、都是极显著。

图7 实验因素交互影响果实冷害发生率的曲面图Fig.7 Dgraph of response surface of chilling injury rates versus values of experimental factors

上述结果表明，两个模型的显著性均较高，拟合程度良好，实验误差小，可以用此模型来分析和预测复合处理香蕉果实贮藏6d后冷害发生率以及冷害指数的变化。

利用Design-Expert 8.0软件对实验结果进行两个方程联合求解，得到的解决方案为甜菜碱浓度12.58mmol/L，热处理温度51.06℃，处理时间3.88min，预计冷害发生率10.112%，冷害发生指数0.058。

图8 实验因素交互影响果实冷害指数的曲面图Fig.8 Dgraph of response surface of chilling injury indexes versus values of experimental factors

2.3 模型验证实验

根据响应面实验得到的结果，并且为了便于实际应用，选择甜菜碱浓度为13mmol/L，热处理温度为51℃，处理时间4min，进行验证实验。验证实验中，对照组不做任何处理；GB处理组果实使用13mmol/L甜菜碱溶液常温浸泡4min；热处理组果实使用51℃纯净水浸泡4min。处理后取出晾干，用聚乙烯薄膜保鲜袋包装，置于恒温培养箱中，（4±1）℃保存。每组处理香蕉果实数量为15根，贮藏6d后测定相关指标，重复三次，以平均数为最终测定结果。

表4 验证和比较实验结果Table.4 The result of verification test

结果表明：单独的热处理，甜菜碱处理，以及混合处理均可以显著降低果实冷害发生率与冷害指数，并保持果实较好的品质，但以复合处理组的效果最好（表4）。经过条件优化后，混合处理组在第6d的冷害发生率为10.56%，与预计结果（10.112%）相吻合，证明响应面方程得出的结果可行。与对照组相比，三个处理组的冷害发生率均降低；复合处理组的冷害发生率与冷害指数均为最低，同时果皮亮度也是最高，说明复合处理组果实表皮劣变程度较低；通过对四组香蕉果实进行质构的测定，发现复合处理组的硬度、粘力、粘性、弹性均优于其他处理组；复合处理组的电导率低于其他处理组，也说明其细胞受损程度较轻。

3 结论与讨论

果蔬遭受冷害后原初反应是细胞膜在临界冷害温度下由液晶相向凝胶相转变[13]。膜透性增大和膜结合酶活化能增高是两种主要继发反应。膜脂的相变引起膜收缩，降低构象的自由度，使膜结合酶的分子有可能受到压缩而处于低活化状态，甚至发生构象变化。但非膜结合的酶系统活化能变化不大，引起了两种酶系统之间平衡破坏，从而造成代谢失调。代谢失调使一些有毒产物如乙醛、乙醇、丙酮等在细胞内累积。超过了细胞的忍耐力，将出现冷害症状以至组织死亡。

甜菜碱提高植物抗性的生理机制主要有一下几个方面：调节细胞内渗透压[14-15]，保护光合系统[16]，稳定抗氧化系统以及维持生物膜的结构与功能[17-18]。本次实验证明了适量浓度的甜菜碱能够提高香蕉果实的抗冷性，降低冷害发生率。

热处理降低了果蔬冷藏过程中细胞膜的通透性，同时果蔬中热激蛋白大量表达，热处理可以有效的提高冷敏性果蔬的抗冷性[19]。适当热处理可以抑制果蔬活性氧的产生和积累，提高抗氧化酶活性，维持细胞的正常代谢，从而提高果实的抗冷性，抑制冷害症状的发生[20-22]，但是热处理的时间和温度较难控制，热处理不当，易造成负面的影响，本次实验得出同样的结论，如果热处理时间过长，反而会起到负面的影响，所以关于热处理的方式应该细致与深入的研究。

本次实验通过利用Design-Expert软件，利用响应曲面法建立二次多项式模型，所得模型的拟合程度良好，实验误差小，可以用于对香蕉冷害发生率与冷害指数进行分析预测。根据响应面实验得到的结果，并且为了便于实际应用，选择甜菜碱浓度为13mmol/L，热水温度为51℃，浸泡时间4min。验证和比较实验表明，热处理复合甜菜碱处理能够有效抑制香蕉果实冷害的发生，并保持果实品质，复合处理的效果显著好于两者单一处理。

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图3 煮料操作界面图Fig.3 Operation interface diagram of cooking

3.3 调配系统

现场触摸屏调配界面图显示调配罐温度、搅拌电机状态、各个相关阀的通断状态、以及液体流向、生产品种描述等信息。

当调配完成后，相应线别显示“请检”信息。品管员对该生产线采样并检验；料液检测合格，则按下该生产线的“放行”相应按扭，该生产线自动将调配缸料液打至暂存缸储存。“请检”信息自动消除。

3.4 储料系统

从现场触摸屏储料界面图可获知储料罐料液温度、高低液位、搅拌电机状态以及控制方式、各个相关阀的通断状态、以及液体流向、生产品种描述等信息。

3.5 CIP清洗

现场触摸屏CIP界面图包括“换品种清洗”或“CIP清洗”两种工作状态，每种工作状态都有“手动”和“自动”模式，操作员可以在CIP界面图上随时切换使用。

4 结论

本控制系统由中央控制计算机、可编程控制器、触摸屏、通讯网络等构成，通过对果冻生产主要工序的合理单元划分，生产过程中液位、温度、压力和流量等物理量数据的采集、显示和查询，直观地反应生产过程中参数的变化，科学准确的调控，稳定和提升了产品的质量，降低了劳动强度，由过去不断地在现场对操作过程进行观察、控制，转变为只需要在现场触摸屏上轻触或电脑上轻点鼠标即可完成。促进果冻行业生产方式的改变，真正实现了果冻生产操作自动化，过程数据化，管理信息化。目前该系统在多家果冻生产企业整体运行超过3年，系统工作正常，产品质量稳定，一次性合格率达到100%，年最大调配能力达到2万多吨，调配精度达到0.5%。

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Study on glycine betaine combined with heat treatment reducing chilling injury in postharvest banana fruits

LU Chang-sheng，PAN Yong-gui*，HE Qi，ZHANG Zhi-yi
（College of Food Science and Technology of Hainan University，Haikou 570228，China）

Banana fruits（Musa sp.，AAA group，CV.Brazil）were harvested from Hainan island，and fruits were treated by Glycine Betaine which combined with hot water.Response surface methodology（RSM）was used to optimize experimental conditions.The chilling injury rate and index were measured to determine the best condition for reducing chilling injury in banana fruits.Results were as follows：the concentration of GB was 13mmol/L，the temperature of hot water was 51℃，and immersing time was 4min.After 6 days’storage at（4±1）℃，the rate of chilling injury of compound treatment was 10.56%，reduced 65 percent compared to the control group，and sensory quality of compound treatment group was superior to other groups.

banana fruits；chilling injury；glycine betaine；heat treatment

TS255.3

A

1002-0306（2014）04-0300-06

2013－07－05 *通讯联系人

鹿常胜（1988-），男，在读硕士研究生，研究方向：农产品贮藏及加工。