充氮包装对鲜参品质的影响及货架期预测

徐艳阳，刘 辉，霍冰洋，张铁华,*，张 言，孙宏宾，颜伟强，张 维

人参为五加科人参属植物（Panax ginseng C. A.Meyer），味甘、微苦、性温，素有“百草药”之美称，是我国传统的滋补养生名贵药材。现代研究结果证实人参含有多种生物活性物质，如人参皂苷、人参多糖、多肽类等。近年来，国内外学者对人参提取物及有效成分进行了药理研究、临床观察和流行病学调查，结果均证实人参皂苷具有提高机体免疫力[1]、抑制血小板聚集[2]、抗癌[3]、抗氧化[4]、抗疲劳[5]、降血糖[6]等多种生物活性功能。目前市场常见的人参产品多数是干参，尤以生晒参和红参为主。鲜参由于水分含量高，采后贮藏不当极易导致表面皮色变深、断面变灰、香气物质减少。而且鲜参在贮藏过程中常产生蛀虫、霉变等现象。尤其在收获后一周内，未经任何处理保存在0～5 ℃的环境下，极易发生腐败变质，同时也会导致活性成分人参总皂苷的损失。

目前贮藏人参的常用方法有干燥法、埋藏法、醇闷法、冷藏法，还有用化学防腐剂（苯甲酸、山梨酸）防腐、酒精浸泡防腐、辐射处理、高温处理、限气或充氮处理等措施。为了满足市场对鲜参质量的需求，Jeon等[7]研究了气调环境下（不同CO2体积分数），通过对包装中的气体成分、人参总皂苷及游离糖含量进行监测，发现在CO2体积分数为5%的贮藏环境中历时3 个月后外观和理化性质均无明显变化；Chun等[8]使用二氧化氯处理人参以延长保质期；Lee等[9]利用高静压技术不仅杀灭了人参表面的微生物，而且提高了人参的酚类化合物含量，表现出更高的生理营养特性；Jin等[10]使用电子束辐照韩国人参和红参，延长了其货架期。

近年来，一些国内外学者利用化学动力学模型对鸡肉早餐肠[11]、燕麦片[12]、板栗蓉[13]、扇贝[14]、鲜切蘑菇[15]等货架期进行研究。例如，任斯忱等[16]通过研究花生仁与核桃仁的真空与露空的贮藏方式，建立起以过氧化值为关键指标的货架期预测模型；包海蓉等[17]通过研究真空包装的新鲜金枪鱼片和三文鱼片，以菌落总数、乳酸菌数和总挥发性盐基氮含量为关键指标建立货架期预测模型。根据模型预测充氮包装鲜参的品质变化及货架期对鲜参的开发、工艺参数的优化以及安全性的评价具有一定的实际意义。而目前通过应用动力学模型预测氮气包装鲜人参的货架期鲜有报道。因此，本实验采用纯度为99.99%氮气包装鲜参，通过降低包装内的氧气浓度，抑制微生物的生长和降低鲜参的呼吸作用。并通过对充氮包装鲜人参在37、45 ℃的高温条件下进行加速实验[18]，研究人参的水分含量、总皂苷含量、菌落总数的变化规律，建立动力学模型来预测鲜参贮藏的货架期，为研究鲜参的保藏方法提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鲜参（5 年生）由吉林通化帝富医药有限公司提供。透明聚乙烯真空包装袋（20 cm×15 cm×0.07 mm）为市售。

所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

AR1140型电子天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；C-MAG HS10型磁力搅拌仪 德国IKA公司；UV-2550型紫外-可见分光光度计 日本岛津公司；MLS-3750高压蒸汽灭菌锅 三洋电机株式会社；PhS-3C雷磁pH计 上海精科有限公司：spx-250B-Z型生化培养箱、HPX-9272 MBE数显电热培养箱 上海博迅实业有限公司医疗设备厂；05J02-C生物安全柜苏州安泰空气技术有限公司；RE-522A旋转蒸发仪上海亚荣生化仪器厂；VS-450T真空包装机青岛敏航包装机械有限公司；HH-6B数显恒温水浴锅金坛市富华仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 充氮包装鲜参

选择新采收且芦头、主体、须毛完好的人参（无机械损伤、无伤疤、没有发生霉变和虫咬），不冲洗泥土。采后在冷库进行快速预冷，以迅速除去人参自身带有的田间热，降低呼吸热；预冷温度为4 ℃，预冷时间3 h。

鲜参从冷库中取出，进行真空充氮包装。使用前将包装袋放入紫外光下照射20～25 min，戴无菌手套对人参进行袋装，对袋装好的人参进行充气封口前将热封合处使用无水乙醇消毒。热封合温度180 ℃，热封合时间4 s。同时用便携式气体检测仪检测，氮气体积分数均大于99%。密封后分别置于4、37 ℃和45 ℃下进行贮藏，其中4 ℃贮藏组共贮藏120 d，每30 d测定一次指标（此贮藏组未测定菌落指数）；37 ℃贮藏组共贮藏60 d，每15 d测定一次指标；45 ℃贮藏组共贮藏60 d，每10 d测定一次指标。

1.3.2 鲜参水分含量的测定

采用常压干燥法，参考GB/T 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》[19]测定水分含量，其中以鲜参质量为标准进行计算。

1.3.3 鲜参总皂苷含量的测定

人参总皂苷标准曲线的绘制参考文献[20]。精密称取干燥至恒质量的人参皂苷Re（四环三萜类衍生物）对照品10 mg，用甲醇定容到l0 mL，制成1 mg/mL的溶液。准确吸取对照品溶液40、80、120、160、200、240、280 µL分别置于具塞试管中，60 ℃挥发干甲醇，加入质量分数5%香草醛冰醋酸溶液0.5 mL，再加0.8 mL体积分数为70%的高氯酸，60 ℃恒温水浴15 min，立即用自来水水浴5 min，加入5 mL冰醋酸，混匀，利用紫外-可见分光光度计在544 nm波长处测定吸光度，以吸光度为纵坐标、人参皂苷Re质量浓度为横坐标，绘制标准曲线。

鲜参总皂苷含量的测定参考文献[21]。将鲜参于50 ℃鼓风干燥箱中干燥48 h去除水分，取鲜参供试品1 g，准确称其质量，用中性滤纸包好，置于索式提取器中，加入乙醚至提取瓶容积的1/2，微沸回流提取2 h，弃去乙醚，然后置于另一索氏提取器中加入甲醇浸泡过夜，次日加入适量甲醇开始微沸回流提取，合并甲醇提取液，回收甲醇，少量甲醇提取液置于蒸发皿中，水浴蒸干。用蒸馏水溶解提取物，加水30～40 mL置于分液漏斗中用水饱和正丁醇30 mL进行萃取，共4 次。取上层液蒸干，加甲醇溶解后，转移至10 mL容量瓶中，用甲醇稀释至刻度，摇匀，即得鲜参供试溶液。按人参总皂苷标准曲线制作方法（将标准溶液换成供试溶液）再次测定544 nm波长处的吸光度，根据绘制的标准曲线计算出总皂苷含量（结果以鲜参质量计）。

1.3.4 鲜参菌落总数的测定

依据GB/T 4789.2—2010《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》[22]稀释涂布平板计数测定菌落总数。称取25 g鲜参的粉碎样品（过60目筛），放入盛有225 mL质量分数为0.85%生理盐水的无菌均质杯内，8000 r/min均质2 min，制成质量比1∶10样品匀液。之后使用移液枪进行梯度稀释，选择合适的2～3 个稀释度，吸取1 mL样品匀液于无菌培养皿内，滴加至45 ℃左右的平板计数培养基上，混匀后37 ℃下培养24 h，记录菌落数目。菌落计数以菌落形成单位（colony-forming units，CFU）表示。

1.3.5 真空充氮包装鲜参品质动力学模型构建方法

食品贮藏过程中，大多数品质变化的反应都遵循零级（式（1））或一级反应动力学（式（2））规律。可用食品的品质指标A（营养素、特征风味等）的损失或不良品质指标B（有害物质、异味等）的形成来衡量。

式中：t为食品的贮藏时间/d；A0为食品的初始评价指标（这里指人参水分含量/（g/100 g）和总皂苷的初始含量/（g/100 g））；A为食品贮藏第t天的品质指标；k为食品品质变化的速率常数。

1.3.6 充氮包装鲜参的贮藏货架期预测模型的建立

动力学模型可以描述食品在贮藏过程中品质的变化，反应速率常数k是温度的函数，因此运用Arrhenius方程（式（3））可以预测食品在不同贮藏条件下的货架期[23]。

式中：k0为频率因子；EA为活化能/（J/mol）；R为气体常数，值为8.314 J/（mol·K）；T为反应的绝对温度/K。

1.4 数据处理

实验数据均为3 次平行实验的平均值，用方差分析和Duncan多重检验法来检验平均值间的差异显著性，采用Origin 2016软件作图。

2 结果与分析

2.1 充氮包装鲜参在贮藏过程中的品质变化

2.1.1 充氮包装鲜参在贮藏过程中水分含量的变化

鲜参在贮藏过程中，若环境条件适宜，空气中存在的霉菌孢子就会落到人参表面，萌发生长成菌丝，使药材腐败[24]。鲜参营养丰富，极易发生霉变，所以人参贮藏过程中水分含量变化是鲜参品质变化的一个重要指标。

图1 贮藏温度及时间对充氮包装鲜参水分含量的影响Fig. 1 Effect of storage temperature and time on moisture content of nitrogen-packed fresh ginseng

鲜参含水量丰富（66.59 g/100 g以上），但在高温状态下，伴随着一系列的生理生化反应及营养物质的流失，温度越高，水分蒸腾作用越快，水分流失越快，充氮包装鲜参发生一定程度的无氧呼吸。37 ℃时，后期水分含量出现突增可能是由于鲜参的无氧呼吸作用产生的少量水，但由于高温下主要还是以水分蒸腾作用为主，所以37 ℃和45 ℃下鲜参的水分含量整体呈下降趋势，并且温度越高，人参水分含量降低的速率越快；4 ℃下基本无蒸腾作用，所以水分含量无显著性变化。

2.1.2 充氮包装鲜参在贮藏过程中人参总皂苷含量的变化

人参总皂苷的降解就是其分子上的部分或全部糖基被水解，从而得到含糖基较少的次级人参皂苷或皂苷元，通常的降解方法有酸降解法、碱降解法和酶降解法等[25-27]。人参贮藏过程中人参总皂苷的降解主要是酶的作用，不同种类的酶可以作用于不同的构型和不同类型的糖苷键。

图2 贮藏温度及时间对充氮包装鲜参总皂苷含量的影响Fig. 2 Effect of storage temperature and time on total saponin content of nitrogen-packed fresh ginseng

由图2中可知，随着贮藏时间延长，鲜参总皂苷含量呈递减趋势，在37 ℃下贮藏60 d，鲜参总皂苷含量下降较快，从6.85%下降至5.29%（损失率为22.77%）；在45 ℃下贮藏60 d，总皂苷含量从6.85%下降至5.16%（损失率为24.67%），人参总皂苷含量降低的速率随着贮藏温度的升高而逐渐加快；而在4 ℃下，由于酶的活力较低，人参总皂苷只发生少量的降解，120 d后总皂苷含量损失仅为0.66%。

2.1.3 充氮包装鲜参在贮藏过程中菌落总数的变化

菌落总数是用来判定食品被细菌污染的程度及卫生质量的指标，它反映食品在生产过程中是否符合卫生要求，以便对被检样品做出适当的卫生学评价。

图3 贮藏温度和时间对充氮包装鲜参菌落总数的影响Fig. 3 Effect of storage temperature and time on total colony count of nitrogen-packed fresh ginseng

从图3可以看出，贮藏温度为37 ℃时人参表面的菌落总数随贮藏时间的延长不断增长，在15～45 d范围内，菌落总数均发生了显著变化（P＜0.05），在15 d时菌落总数为4.91（lg（CFU/g）），超过了GB/T 22534—2008《保鲜人参分等质量》[21]规定的范围（菌落总数＜10 000 CFU/g）。45 ℃时人参表面的菌落总数随时间的延长呈下降趋势，一方面是因为过高的贮藏温度条件下，微生物的生长代谢减缓，且在低氧的情况下，需氧型微生物的生长繁殖受到抑制；另一方面可能是因为鲜参无氧呼吸产生的乙醇具有杀菌作用。但从感官品质判断，硬度下降较快，表面颜色逐渐加深。

2.2 充氮包装鲜参的贮藏货架期预测模型的建立

水分和总皂苷含量的变化是由鲜参体内生理代谢引起的。其品质变化与贮藏时间之间的关系遵循化学动力学模型，所以产品的货架期可通过零级或一级动力学模型来预测，进行线性回归得到零级或一级动力学，该动力学模型可以描述人参在贮藏过程中品质的变化。

2.2.1 充氮包装鲜参的总皂苷的动力学分析

对不同贮藏温度条件下人参水分含量和总皂苷含量进行连续测定，用零级或一级动力学模型对指标进行线性回归分析或指数方程回归分析，相关参数如表1、2所示。

表1 鲜参的水分和总皂苷含量零级指标动力学模型参数Table 1 Parameters of zero-order kinetic models for moisture content and total saponin content of fresh ginseng

表2 鲜参的水分和总皂苷含量一级指标动力学模型参数Table 2 Parameters of first-order kinetic models for moisture content and total saponin content of fresh ginseng

利用Origin 2016软件分别对不同贮藏温度下人参的水分含量和总皂苷含量进行零级和一级动力学曲线拟合，得到拟合的品质指标A、变化速率常数k值和回归系数R2。由表1、2可知，人参总皂苷含量在不同贮藏温度下建立的回归方程回归系数R2均大于0.94，表明以该指标建立的一级动力学拟合曲线具有较高的拟合度。

2.2.2 充氮包装鲜参贮藏期间理化指标的动力学模型建立

图4 充氮包装鲜参贮藏期间总皂苷含量变化的Arrhenius曲线Fig. 4 Arrhenius curve of change in total saponin content in nitrogen-packed fresh ginseng during storage

由以上人参总皂苷的一级动力学模型得到在4、37 ℃和45 ℃下的总皂苷含量变化的速率常数k分别为－9.00×10－4、－4.30×10－3和－4.60×10－3，以ln k对贮藏温度的倒数1/T作图，如图4所示，得到线性方程为y＝－2 742.965 3x+3.311 3，R2＝0.988 2。由该方程计算得到的总皂苷含量的活化能EA为22 805.013 5 J/mol，频率因子k0为27.420 7。

当确定了贮藏温度、初始总皂苷含量及终点总皂苷含量，根据得到总皂苷含量的货架期预测方程，即可计算出某一确定的温度下充氮包装保鲜参的贮藏时间，可对其货架期进行预测。此外，也可以通过真空充氮包装鲜参的贮藏温度、初始总皂苷含量以及贮藏时间，计算出一定的贮藏温度下贮藏一定时间后的总皂苷含量，可对其理化指标的变化进行监控。

2.3 充氮包装鲜参货架期模型的验证

根据国家标准GB/T 22534—2008《保鲜人参分等质量》[21]的相关规定，确定保鲜参中总皂苷含量不得低于2.5%。将规定的总皂苷含量的最低限值作为贮藏终点控制值。将4 ℃和25 ℃下真空充氮包装鲜参的总皂苷含量实测值与建立的Arrhenius模型的方程计算的货架期预测值进行比较，验证上述动力学方程的准确性。

表3 充氮包装鲜参在4 ℃和25 ℃贮藏温度下的货架期预测值和实测值Table 3 Predicted and measured shelf-life values of nitrogen-packed fresh ginseng at 4 or 25 ℃

由表3可以看出，通过所建立的货架期预测模型得到的4 ℃和25 ℃贮藏温度下的真空充氮包装鲜参的货架期预测值与实际测量值的相对误差分别为6.36%和9.00%，均不超过10%，表明本实验对真空充氮包装鲜参建立起来的货架期模型具有较好的预测性。

3 结 论

对于充氮包装鲜参的贮藏方式，在不同的贮藏温度下，随贮藏时间的延长，水分含量和总皂苷含量均呈降低趋势。贮藏温度越高，人参水分含量和总皂苷含量降低的速率越快。通过对鲜参品质（水分含量、总皂苷含量）的变化进行零级和一级动力学模型拟合发现，人参总皂苷含量变化遵循一级动力学模型，回归系数R2大于0.94，具有较高的拟合度。以人参总皂苷含量为指标的反应速率（k）和反应温度（T）的关系遵循Arrhenius方程，ln k和1/T呈线性关系，R2为0.988 2（大于0.95）。

货架期预测模型得到的37 ℃和45 ℃贮藏温度下的真空充氮包装鲜参的货架期预测值与实际测量值的相对误差不超过10%，表明该模型可较好地预测充氮包装贮藏人参的货架期，为人参货架期的预测和质量安全检测提供了理论依据。