基于温湿度影响的香菇呼吸速率测定与模型表征

聂恒威,卢立新,2,*,潘 嘹,2,卢莉璟,2,王 清,左进华,高丽朴

(1.江南大学机械工程学院,江苏无锡 214122;2.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,江苏无锡 214122;3.北京市农林科学院蔬菜研究中心,北京 100097)

香菇,又名花菇,是世界第二大食用菌,具有丰富的营养价值和药用价值。但由于香菇呼吸强度较大,含水量高,采后易发生失水、褐变等现象,导致其品质降低。储运条件控制不当是造成香菇损耗的重要原因之一。

气调保鲜通过调节果蔬储藏环境中的气体成分,抑制果蔬采后呼吸速率等主要生理活动,以延长产品货架期。因此,建立不同储藏条件下果蔬呼吸速率模型是设计气调包装系统的关键。目前国内外已有较多关于呼吸速率模型的研究。1991年,Lee等[1]首先提出可以用Michaelies-Menten式(米式)方程表征产品呼吸速率并进行了验证。Peppelenbos等[2]在此基础上,通过对绿豆芽、西红柿、芦荟等果蔬呼吸速率的研究,发现不同的果蔬O2和CO2竞争抑制关系不同,进一步完善了米氏方程。此后一些学者[3]对上述模型进行了试验和验证[4]。

温度和相对湿度是影响气调包装保鲜效果的主要因素。其中,温度对呼吸速率的影响研究较为广泛。谢晶等[5]基于米氏方程和Arrhenius方程,研究了温度对香菇最大呼吸速率的影响。麦馨允等[6]研究了温度和初始气体浓度对杨桃呼吸初值的影响。夏晶晶等[7]以荔枝为试验对象,采用非线性估计法,建立了气体组分浓度与温度和时间的关系,为动态气调参数设置提供了理论依据。大量研究发现,相对湿度是影响气调包装的重要因素,然而很少有研究考虑了相对湿度这一因素[8]。焦岩等[9]研究了不同的果蔬在不同温湿度贮藏条件下的品质变化,发现对于温度不敏感的产品应以控制湿度变化为主。Guevara等[10]以仙人掌枝条为研究对象,建立了呼吸速率与温度和相对湿度之间的线性模型,但模型拟合度较低。胡位歆[11]设计双因素交叉试验,以Arrhenius方程为基础建立了基于温湿度影响的翠冠梨货架期预测模型。卢立新等[12]基于包装内质量与能量平衡关系,建立了包装内相对湿度变化的预测模型并用香菇进行了验证,然而并未考虑到温湿度变化对产品呼吸速率的影响。因此,温湿度变化对果蔬呼吸速率的影响有待研究[13]。

本文以香菇为试验对象,采用密闭空间法,测算其在不同温度、相对湿度条件下呼吸速率的变化趋势,基于米氏方程,分别用Arrhenius方程和线性方程表征了温度、相对湿度单因素与呼吸速率的关系。并设计双因素交叉试验,通过表征相对湿度对Arrhenius方程中参数的关系,建立了基于温度和相对湿度双因素影响的香菇最大呼吸速率模型,为香菇采后储存和品质保鲜提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

鲜香菇 购于无锡市滨湖区一香菇种植基地,成熟度8～9成,选取菇型完整,菇柄正中,菇盖未开伞,无机械损伤,大小一致的香菇进行试验;氯化镁、硝酸镁、氯化钠、氯化钾、硝酸钾 均为分析纯,国药化学试剂公司;自制密封罐 体积1.9 L,闷盖处打孔,并使用硅胶密封垫密封,用于检测罐内气体成分。

ED1-302型电子天平 梅特勒-托利多仪器有限公司;6600型O2/CO2顶部空间分析仪 美国Illinois公司;THS-AOC-100AS型恒温恒湿试验机 庆生电子科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 呼吸速率的测定 本试验采用密闭系统法[14]测定香菇的呼吸速率。将当日购得的香菇放置于设定好试验温度和相对湿度的恒温恒湿箱中预处理4 h,称重后转入密封罐,罐内初始气体浓度为O221%、CO20%。为保持容器内的相对湿度,分别在罐中配置相应的过饱和盐溶液,并将密闭罐放入恒温恒湿箱贮藏,每隔2～4 h,将气体分析仪取样针插入硅胶垫中,测定此时罐内O2、CO2浓度百分比,每组设置3个平行样,取平均值。

单因素温度试验中,将密封罐分别置于温度为5、10、15、20、25 ℃的恒温恒湿箱中储藏,相对湿度为95%;

单因素相对湿度试验中,将香菇分别置于相对湿度为RH33%、RH55%、RH75%、RH82%、RH95%的密封罐中,然后放入20 ℃的恒温恒湿箱贮藏。

双因素试验条件为双因素五水平交叉试验,为上述温度与湿度的全组合条件,共25组试验条件。

1.2.2 呼吸速率的计算 测定不同时间密封罐内O2、CO2的体积分数,根据2种气体体积分数的变化值来计算其呼吸速率[15]。文中的呼吸速率分别以O2的消耗速率和CO2的生成速率表示,表达式见式(1)、式(2)。

式(1)

式(2)

1.2.3 呼吸速率的模型表征 当香菇进行有氧呼吸时,可采用酶动力学模型进行拟合,本试验同时测定了O2消耗速率和CO2生成速率,由于CO2是化学反应的非竞争性抑制剂,故采用非竞争性的米氏方程[1](3)、(4)进行拟合。

式(3)

式(4)

式中:Vm为果蔬最大呼吸速率,mL/(kg h);Km为米氏常数,%;Ki为非竞争抑制常数,%;[O2]、[CO2]为氧气、二氧化碳浓度,%。

为确定米氏方程的参数,可将式(3)、(4)进行线性变化如下:

式(5)

式(6)

将试验测得各个时间的O2体积分数及根据式(1)计算得到的O2消耗速率RO2、带入式(5),将测得各个时间的CO2体积分数及根据式(2)得到CO2生成速率RCO2带入方程式(6),求解参数Vm、Km、Ki。

1.3 数据处理

气体浓度的测定重复三次,取其平均值,使用Microsoft Excel 2010处理测量的气体浓度数值,使用Origin 9.1软件进行作图,使用Matlab R2016a软件进行多元线性回归分析求解Vm、Km、Ki参数。其中,多元线性回归分析中回归系数的是通过最小二乘法计算所得,即基于迭代法使得因变量残差平方和达到最小。其基本原理是:利用观察或收集到的因变量和自变量的一组数据建立一个线性函数模型,使得这个模型的理论值与观察值之间的残差平方和最小。

2 结果与分析

2.1 温度与相对湿度对香菇呼吸速率的影响

测得密封罐内O2和CO2浓度变化后,根据公式(1)和(2),可以求出香菇O2消耗速率和CO2生成速率。图1～图2为不同温度、相对湿度条件下香菇的呼吸速率变化曲线。

图1 不同温度条件下O2消耗速率、CO2生成速率随时间变化

图2 不同相对湿度条件下O2消耗速率、CO2生成速率随时间变化

由图1和图2可以看出,香菇在密封罐中O2的消耗速率与CO2生成速率皆与储存温度有关。各时间段内温度间差异显著(p<0.05),在0～2 h时,香菇在25 ℃下O2的消耗速率约为在5 ℃下的3倍,CO2的生成速率约为在5 ℃下的4倍,随着储存时间的延长,香菇的呼吸速率呈现下降趋势,且温度越高,呼吸速率下降越快。相对湿度对香菇呼吸速率的影响与时间有关:在0～2 h时,各个相对湿度之间的呼吸速率差异显著(p<0.05),相对湿度RH95%时,香菇的O2的消耗速率约为在RH33%时的1.4倍,CO2的生成速率约为在5 ℃下的1.3倍。即相对湿度越大,香菇的呼吸速率越快,这与朱永[16]对蘑菇呼吸速率影响因素的研究结果一致。这是因为呼吸作用是由一系列酶催化的生化过程,而温度和相对湿度会对香菇的酶活性造成一定的影响。研究表明,温度升高的增加使得香菇的过氧化物酶(POD)、天然多酚氧化酶(PPO)、蛋白酶等活性增强,香菇的生理活动因此而加快,故香菇的呼吸速率随之增加[17],相对湿度降低时,失水会导致组织内的水分减少,减缓了生理反应,因此呼吸速率随之降低[18]。

2.2 基于温度、相对湿度单因素影响的香菇最大呼吸速率模型表征

根据公式(5)和(6),利用Matlab软件进行多元线性回归分析,可以拟合出香菇米氏方程各参数值,结果见表1、表2。

式(5)

式(6)

由表1和表2可知,用米氏方程对不同温度、相对湿度条件下香菇的呼吸速率进行拟合,决定系数R2均大于0.9。香菇在5 ℃储藏条件下,O2最大消耗速率为5.34 mL/(kg h),在25 ℃储藏时,O2最大消耗速率为196.42 mL/(kg h),约为在5 ℃储藏时的39倍;而在相对湿度RH95%条件下储藏时,氧气最大消耗速率约为在RH33%时的2.54倍,由此可以得出,温度对香菇呼吸速率的影响大于相对湿度的影响。

表1 不同温度下的米氏方程各模型拟合参数及其决定系数

表2 不同相对湿度下的米氏方程各拟合参数及其决定系数

在酶动力学模型中,温度对米氏方程的影响主要在于对最大呼吸速率Vm的影响[19]。Arrhenius模型描述了生物反应对温度的依赖性,在已有的报道中,大多用该方程来描述温度与果蔬最大呼吸速率的关系,以开发二级模型[20-22]。而有关相对湿度与呼吸速率的模型少有研究。

为了进一步表征温度、相对湿度对香菇呼吸速率的影响关系,本文用Arrhenius方程[23]来描述温度对香菇最大呼吸速率Vm的影响,在求得O2和CO2的最大变化率后,利用Arrhenius方程将1/T和lnVm进行线性回归[24],其斜率值为-Ea/R。其中Ea(kJ/mol)是活化能,方程为式(7)。在相对湿度影响试验中,根据所得的最大呼吸速率数据,用线性方程表征二者的关系,见式(8):

式(7)

Vm=a×RH×b

式(8)

式中:R为理想气体常数,J/(mol·K);T为绝对温度,K;Vm为T温度下的最大呼吸速mL/(kg·h);RH为相对湿度,%。

由图3、表3和图4、表4可以得出:在不同温度下,Arrhenius方程中O2、CO2线性拟合的斜率为可以计算出氧气活化能EaO2为121.0 kJ/mol;二氧化碳活化能EaCO2为97.7 kJ/mol;故温度和相对湿度对香菇最大呼吸速率拟合度较高,表明香菇最大呼吸速率与温度呈现指数关系,与相对湿度呈现正相关的线性关系。

图3 Arrhenius方程线性回归分析

图4 相对湿度-最大呼吸速率线性回归分析

表3 Arrhenius方程各参数拟合值及其决定系数

表4 RH-Vm线性方程各参数拟合值及其决定系数

2.3 基于温度和相对湿度综合影响下香菇呼吸速率的测定与模型表征

为了得到温度、相对湿度条件下香菇的最大呼吸速率,本研究设计了2因素5水平的温湿度交叉试验。通过测定同一相对湿度不同温度下香菇的呼吸速率,基于米氏方程和Arrhenius方程,可得相应的Ea和lnVm0值,再通过表征不同相对湿度与Ea和lnVm0的关系,从而建立温湿度条件下香菇最大呼吸速率的模型。

对同一相对湿度,不同温度下香菇最大呼吸速率作lnVm-T-1线性拟合,可以得到斜率为-Ea/R的直线。由直线的斜率和截距可以计算出方程在各个相对湿度下的活化能Ea和lnVm0值。拟合图见图5,线性拟合方程参数见表5、表6。

图5 不同相对湿度条件下O2、CO2的Arrhenius方程线性回归分析

表5 不同温度、相对湿度的香菇O2最大呼吸速率VmO2拟合值

表6 不同温度、相对湿度的香菇CO2最大呼吸速率VmCO2拟合值

由表7可知,Ea和lnVm0随着相对湿度的增加呈现下降趋势,且相对湿度RH33%～55%时,相对湿度变化对两个参数的影响大于相对湿度RH75%～95%时的影响。相对湿度对O2的活化能Ea和截距lnVm0的影响大于对CO2参数的影响。用指数关系建立Ea、lnVm0与相对湿度RH(0～1)的方程。O2、CO2的Ea、lnVm0拟合曲线见图6。

表7 不同相对湿度条件下的Ea、lnVm0值及其决定系数

图6 交叉试验Ea、lnVm0和与相对湿度条件拟合曲线

由拟合方程可得:

EaO2=104.526+231.072×(0.95926)RH(R2=0.941)

式(9)

lnVm0O2=47.462+74.764×(0.96331)RH(R2=0.948)

式(10)

EaCO2=118.276+69.647×(0.98373)RH(R2=0.972)

式(11)

lnVm0CO2=52.804+25.261×(0.98595)RH(R2=0.957)

式(12)

将上式带入Arrhenius方程,即可求出温度在5～25 ℃,相对湿度在33%～95%条件下香菇的最大呼吸速率模型:

式(13)

式(14)

3 结论

本文通过测定不同温湿度条件下香菇的呼吸速率变化,基于米氏方程,分别拟合了温湿度单因素影响下香菇呼吸速率变化。并建立温湿度双因素对香菇最大呼吸速率的影响方程。其中,温度因子对香菇最大呼吸速率的影响是通过影响Arrhenius方程的活化能Ea和初始值lnVm0,相对湿度的影响通过表征相对湿度对活化能Ea和初始值lnVm0体现,拟合方程相关系数均超过0.9。该方程充分考虑了温湿度储存条件对香菇呼吸速率的影响,完善了呼吸速率模型可以为果蔬储运环境的设计提供理论依据。