热处理条件筛选及其提高鲜切芋头贮藏品质的生理机制

王 斌,方美珊,肖艳辉,谢 景,何金明

(韶关学院英东农业科学与工程学院,广东韶关 512005)

芋头别称芋、香芋、芋艿、毛芋、芋鬼、蹲鸱等[1]。“张溪香芋”原产于广东省韶关市乐昌市张溪村,是国家地理标志产品[2]。“张溪香芋”营养丰富,品质极佳,单球茎重量至少2.5 kg[3]。过大的体积给消费者的食用带来了诸多不便,因此,芋头特别适合鲜切销售。但是,芋头因富含酚类化合物,鲜切后很快褐变,严重影响鲜切芋头的感官品质[4]。因此,切面褐变是影响鲜切芋头保鲜期的最主要问题之一。为了延缓鲜切芋头褐变,许多学者使用化学保鲜剂处理鲜切芋头[5-7],尽管在一定程度上延缓了褐变,但化学保鲜剂控制褐变的效果依赖于浓度,高浓度处理容易残留,存在食品安全的风险。

热处理是一种能有效保持采后果蔬品质的物理保藏方法,比化学保鲜剂更经济、更安全。一些研究表明,热处理可以延缓许多鲜切果蔬的褐变[8-10],但少有热处理控制鲜切芋头褐变的研究报道,且已有报道的结论截然不同。张甫生等[11]认为,100 ℃的沸水热烫30～40 s可抑制去皮芋头褐变;Chang等[12]的研究显示,55 ℃热处理40 s也能抑制鲜切芋头褐变;但梁东妮等[13]实验结果表明95 ℃热处理4 min并不能抑制鲜切芋头褐变,并得出热处理不利于鲜切芋头贮藏的结论。也有研究指出,热处理可以抑制酚类物质含量低的果蔬的褐变,但对于酚类物质含量高的果蔬如土豆和苹果,保鲜效果则较差[14]。因此,尚需更多研究进一步明确热处理对鲜切芋头褐变的控制效果,并明确控制褐变的适宜热处理条件。

本研究以张溪香芋为试材,研究了不同热处理温度和处理时长对鲜切芋头贮藏品质的影响,筛选出了最佳热处理温度和时长,并探讨热处理控制鲜切芋头褐变的生理机制,以期为鲜切芋头的贮藏保鲜以及产业发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

张溪香芋 广东省韶关乐昌市张溪村;甲醇、碳酸钠 天津市百世化工有限公司;硼酸 西陇科学股份有限公司;邻苯二酚、愈创木酚、没食子酸 天津市大茂化学试剂厂;福林酚、L-苯丙氨酸 上海如吉生物科技发展有限公司;盐酸、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠 台山市科学精细化工厂。

FHT-05硬度计 广州兰泰仪器有限公司;UV-1800紫外分光光度计 上海美普达仪器有限公司;PCDX-WJ-10全自动超纯水仪 成都品成科技有限公司;6380R高速冷冻离心机 德国Eppendorf股份公司;DDS-307电导率仪 上海雷磁仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 处理温度的确定 芋头采收后,挑选大小均一、无机械伤、无病虫害的芋头,将表面泥沙用自来水冲洗干净,然后用不锈钢削皮刀去皮,将去皮后的芋头对半横切成1 cm左右厚度。将鲜切后的芋头随机分为四组,每组三个重复,每组共60片。对照组(CK)用超纯水浸泡1 min,处理组分别在38、60、100 ℃先处理30 s。处理完后沥干芋头表面水分,同一时间贮藏于4 ℃恒温箱。在4 ℃共贮藏12 d,期间每隔3 d取样一次。

1.2.2 处理时间的确定 芋头前处理与1.2.1相同,芋头鲜切后随机分为四组,每组三个重复,每组共60片。对照组(CK)用超纯水浸泡1 min,处理组分别在60 ℃热水中先处理0.5、1.0、3.0 min。之后沥干水分,贮藏于4 ℃恒温箱。贮藏期和取样时间与1.2.1相同。

1.2.3 失重率和硬度测定 采用称重法计算失重率,分别测定待测芋头贮藏时质量(M1,g)与贮藏一段时间后的质量(M2,g),计算失重率。

失重率(%)=[(M1-M2)/M1]×100

使用手持式硬度计测定鲜切芋头硬度,探头直径为2 mm。随机选取三片芋头,在每片鲜切芋头的3个不同部位分别测定一次,平均值为该处理的硬度(N)。

1.2.4 褐变指数和褐变度测定 参考苏新国等[15]的方法测定褐变指数。按严重程度将褐变分5级。1级:切面无褐变;2级:褐变面积小于总切面面积的25%;3级:褐变面积占总切面面积的26%～50%;4级:褐变面积占总切面面积的51%～75%;5级:褐变面积大于总切面面积的75%。

褐变指数=∑(各级褐变片数×该褐变级数)/总调查芋片数

褐变度参考宋康华等[16]的方法测定,称取新鲜样品1 g,切碎后加入10 mL预冷的蒸馏水研磨,室温6000×g离心15 min。以蒸馏水为对照,测定上清液在410 nm波长处的吸光度,计算其褐变度。

褐变度=10×A410

1.2.5 相对电导率测定 将芋头用不锈钢削皮刀削成1 mm厚度小片,然后用直径0.5 cm孔径的打孔器均匀打20个小圆片。双蒸水冲洗三遍,转移至50 mL的离心管中,并加入25 mL的双蒸水,室温(25 ℃)浸泡2 h。用电导率仪测定初始值C1。接着放入沸水锅中煮30 min,自然冷却至室温,测定终止值C2,REC 用百分比表示[17]。

REC(%)=100×C1/C2

1.2.6 总酚含量测定 参考Zhang等[18]的方法,准确称取1 g鲜切芋头,加入少量预冷的1%盐酸-甲醇溶液,冰浴研磨成匀浆后,定容至5 mL,于4 ℃下12000×g离心10 min,收集上清液。以甲醇溶液作空白参比调零,取上述上清液于280 nm波长处测定其吸光度。以没食子酸为标准品制得回归方程为y=0.0018x+0.0319,R2=0.9992,总酚含量以μg没食子酸/g FW表示。

1.2.7 苯丙氨酸解氨酶(PAL)、过氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)活性测定

1.2.7.1 PAL活性 参考宋康华等[16]的方法测定PAL活性,称取1 g鲜切芋头,并加入少量4 ℃预冷的0.05 mol/L硼酸缓冲液(pH8.8,含1%聚乙烯吡咯烷酮),冰浴研磨成匀浆后,定容至5 mL。12000×g 4 ℃离心15 min,取上清待测。3 mL的反应体系中含2.4 mL的pH8.8硼酸缓冲液、0.5 mL的20 mmol/L L-苯丙氨酸溶液、0.1 mL的酶提取液,混匀在37 ℃保温反应1 h,后立即加入0.1 mL的6 mol/L盐酸终止反应,用紫外可见光光度计测定A290。

1.2.7.2 POD活性 参照冯岩岩等[8]的方法测定POD活性,取1 g样品,加入5 mL预冷的0.05 mol/L磷酸缓冲液(pH7.8),冰浴研磨成匀浆,4 ℃ 10000×g离心15 min,收集上清液待测。反应体系为2.9 mL的反应混合液(含0.05 mol/L愈创木酚和0.75% H2O2)、0.1 mL的酶提取液,记录反应液在470 nm波长下3 min内的吸光度变化。

1.2.7.3 PPO活性 参考苏新国等[15]的方法测定PPO活性,取1 g样品,加入5 mL的0.15 mol/L磷酸缓冲液(pH6.8)冰浴研磨匀浆,然后在12000×g,4 ℃离心15 min,收集上清液用于酶活性测定。3 mL的反应体系中含0.2 mL的酶液,2.8 mL的0.1%邻苯二酚,测定反应液在398 nm波长下3 min内的吸光度变化。

以吸光度值每分钟变化0.01为一个酶活性单位(U),表示为U/(g FW)。

1.3 数据处理

使用Excel 2003软件整理实验数据并作图,使用SPSS 15软件检验不同处理之间的显著性差异。

2 结果与分析

2.1 热处理温度确定

果蔬在切分时,会使组织受损,加剧贮藏期间的品质劣变。从图1可以看出,与对照组(CK)相比较,不同温度的热处理降低了失重率、延缓了硬度下降、抑制了褐变,表明热处理能有效提高鲜切芋头的贮藏品质。

图1 不同温度热处理对鲜切芋头贮藏品质的影响Fig.1 Effects of heat treatment(HT)with different temperatures on the storage quality of fresh-cut taro注:不同小写字母表示相同贮藏时间不同热处理差异显著,P<0.05;图2～图5同。

失重率随贮藏时间延长而逐渐增加(图1A)。整个贮藏期,各处理组的失重率显著(P<0.05)低于对照组(图1A)。各处理组中,60 ℃热处理的失重率最低,其次是38 ℃的热处理,100 ℃热处理的失重率最高,这可能是因为过高的热处理温度对芋头造成了伤害,加重了水分损失。

硬度在整个贮藏期呈下降趋势,表明鲜切芋头在冷藏期间会发生软化。在整个冷藏(4 ℃)期间,对照和100 ℃处理组的硬度快速下降,而38和60 ℃处理组的硬度下降速率显著(P<0.05)低于对照(图1B),表明适宜温度的热处理能有效延缓冷藏期间鲜切芋头的软化。在4 ℃贮藏了12 d时,38和60 ℃处理组的硬度比对照组分别高10.48%和13.90%。100 ℃处理组的硬度与对照组之间没有显著差异,这也进一步映证了前面的推论,即100 ℃的热处理可能会对芋头组织造成伤害。

褐变指数和褐变度可反应鲜切果蔬的褐变严重程度[16]。如图1C、图1D,褐变指数和褐变度的变化趋势基本一致,各处理组的褐变指数和褐变度均随贮藏时间延长而逐渐增加。与对照相比,不同温度处理组的褐变指数和褐变度显著(P<0.05)低于对照组,且不同温度处理组的褐变严重程度与热处理温度呈梯度效应,即热处理温度越高,褐变越轻。在冷藏的第3 d,对照组出现了明显褐变,38 ℃处理组也出现了一定褐变,但60和100 ℃处理组均未观察到褐变(图1C)。在冷藏的第12 d,38、60和100 ℃处理组的褐变指数分别比对照低29.17%、52.08%和83.33%,褐变度分别比对照低11.45%、26.02%和29.55%。其中,100 ℃处理组对鲜切芋头褐变的抑制效果最好,其次分别是60和38 ℃处理组,但100 ℃的热处理可能会伤害芋头组织,受伤组织易被致病菌侵染,贮藏后期容易腐烂变质。

上述结果表明,热处理能提高鲜切芋头的贮藏品质,热处理的保鲜效果依赖于处理温度,但并不是温度越高、越有利于鲜切芋头保鲜,因为过高温度会使鲜切芋头组织受到热伤害,加速了组织失水和软化。因此,综合考虑后选取60 ℃来探究热处理时长对鲜切芋头贮藏品质的影响,以明确能有效提高鲜切芋头贮藏品质的热处理时长。

2.2 热处理时长确定

过长或过短时长的热处理均不利于鲜切果蔬的保鲜。为了明确提高鲜切芋头贮藏品质的适宜处理时长,在上述试验的基础上,探究了不同时长的热处理对鲜切芋头贮藏品质的影响。

从图2可以看出,所有不同时长的热处理均降低了失重率、延缓了硬度下降、抑制了褐变。由图2 A可知,60 ℃分别处理0.5、1.0和3.0 min处理组的失重率均显著(P<0.05)低于对照组,同温度0.5和1.0 min处理组的失重率最低,其次是3.0 min的处理组。与0.5和1 min处理组相比,同温度3.0 min处理组的失重率显著(P<0.05)高于0.5和1.0 min处理组,意味着较长时间的热处理不利于鲜切芋头在低温贮藏期间的水分保持。

图2 不同时长热处理对鲜切芋头贮藏品质的影响Fig.2 Effects of heat treatment(HT)with different durations on the storage quality of fresh-cut taro

硬度随贮藏时间延长而逐渐降低,各处理组之间差异不显著(图2B)。与对照组相比,处理组的芋头硬度显著(P<0.05)高于对照。

与对照组相比,所有处理组的褐变指数和褐变度均明显低于对照组。在冷藏的第12 d,0.5、1.0和3.0 min处理组的褐变指数分别比对照组低48.15%、55.56%和50.00%(图2C),褐变度分别比对照组低16.38%、28.45%和26.18%(图2D)。各处理组中,1.0 min热处理的褐变严重程度低于同温度0.5和3.0 min的处理组,表明热处理对鲜切芋头褐变的控制效果与处理时长有关,且并不是处理时长越长,效果越好。

2.3 热处理对鲜切芋头相对电导率的影响

适宜温度和时长的热处理能提高鲜切芋头贮藏品质,尤其是褐变。相对电导率是反应细胞膜完整性的指标,相对电导率增加意味着细胞膜完整性丢失,细胞间隔被破坏,酶和底物的接触机会增加,产品品质劣变速率加快。为了探究热处理控制的褐变是否与细胞膜完整性有关,检测了效果最好的60 ℃ 1 min处理组和对照组的鲜切芋头在冷藏期间的相对电导率变化情况。从图3可以看出,相对电导率在整个贮藏期总体上呈增加趋势,但对照组增加速率明显高于处理组,而处理组的相对电导率增加缓慢,且处理组的相对电导率显著(P<0.05)低于对照组。结果表明,适宜温度和时长的热处理有利于保持冷藏鲜切芋头的细胞膜完整性。

图3 热处理对鲜切芋头相对电导率的影响Fig.3 Effects of heat treatment(HT)on relativeelectrical conductivity of fresh-cut taro

2.4 热处理对鲜切芋头总酚含量和PAL活性的影响

酚类物质是酶促褐变的主要底物,其含量的高低与鲜切果蔬的褐变密切相关。由图4A可知,总酚含量随贮藏时间的延长而逐渐增加,对照组从开始冷藏后快速增加,处理组的总酚含量在整个贮藏期间随有所增加,但处理组的增加幅度远低于对照组,且处理组的总酚含量显著低于对照组。苯丙氨酸解氨酶(PAL)是调控酚类物质生物合成的关键酶[19],当PAL活性高时,酚类物质的合成加快。从图4B可知,与贮藏前(0 d)相比,鲜切芋头PAL活性总体呈增加趋势。与对照组相比,处理组的PAL活性显著低于对照组,表明60 ℃处理鲜切芋头1 min能有效抑制鲜切芋头的PAL活性,从而延缓了酚类物质的生物合成。

图4 热处理对鲜切芋头总酚含量(A)和PAL活性(B)的影响Fig.4 Effects of heat treatment(HT)on total phenolcontents(A)and PAL activities(B)of fresh-cut taro

2.5 热处理对鲜切芋头POD和PPO活性的影响

鲜切果蔬的褐变类型是酶促褐变,与POD、PPO等多种促进酚类物质氧化聚合的酶有关,其中起主要作用的是PPO和POD,即PPO和POD在有氧条件下,催化酚类物质氧化生成为醌,醌再聚合生成有色物质[20]。因此,PPO和POD是影响鲜切果蔬褐变的最关键的酶。从图5A可以看出,对照组的POD活性先增加,在冷藏的6 d时达到最高值,之后又逐渐下降,处理组的POD活性虽然在整个贮藏期呈增加趋势,但变化幅度很小,与贮藏前基本一致。与对照相比,除冷藏的最后一天(12 d),处理组的POD活性显著低于对照组。从图5B可知,对照组的PPO活性在冷藏3 d时达到最高值,之后逐渐降低,而处理组的PPO活性在整个贮藏期变化不大。与对照组相比,除冷藏后期的第9和12 d之外,处理组的PPO活性显著(P<0.05)低于对照。以上结果表明,60 ℃处理1 min对鲜切芋头PPO和POD活性具有明显的抑制效果。

图5 热处理对鲜切芋头POD(A)和PPO(B)活性的影响Fig.5 Effects of heat treatment(HT)on POD(A)and PPO(B)activities of fresh-cut taro

3 讨论与结论

热处理是一种安全高效的物理保鲜方式,能提高多种鲜切果蔬的贮藏品质[21]。如,40 ℃的热水处理鲜切双孢蘑菇(白色种)5 min,能控制其褐变[22];55 ℃的热水处理鲜切莲藕45 s,能提高鲜切莲藕在冷藏期间的贮藏品质,延长货架期[23]。本研究的结果表明,短时38、60和100 ℃的热处理均能有效抑制鲜切芋头的褐变;同时,38和60 ℃的热处理能有效抑制鲜切芋头的质量损失,延缓硬度下降(图1和图2)。这些结果证实,热处理能提高鲜切芋头在冷藏期间的贮藏品质。尽管热处理是一项较为传统的物理保鲜技术,但其对鲜切芋头的保鲜效果尚需进一步验证,本研究结果可为热处理技术在鲜切芋头工业中的应用提供有力证据。

热处理条件影响鲜切果蔬的保鲜效果,过高温度和过长处理时间均不利于鲜切果蔬的保鲜[21]。因为鲜切果蔬仍然是有生命的有机体,在贮藏期间仍在进行着一系列的生命活动,而过高温度或过长时间的热处理可能会导致组织细胞死亡,反而更不利于保鲜[24]。本研究也得到了相似的结果,100 ℃的热烫处理虽然对酶促褐变的控制效果最好,但会加速鲜切芋头的软化和失重;60 ℃处理0.5 min的保鲜效果不如同温度处理1.0和3.0 min,尽管1.0和3.0 min热处理的保鲜效果差异不显著,但1.0 min热处理的保鲜效果总体上要优于3.0 min。以上结果表明,适宜温度和处理时长的热处理不仅能控制鲜切芋头褐变,有利于保持良好的外观色泽,同时还能提高其他方面的感官品质,如质地和水分保持。本研究得出的适宜热处理条件为60 ℃处理1 min,是否其他温度和时长的热处理更有利于保持鲜切芋头的贮藏品质,尚需更多研究进一步明确。

鲜切果蔬的褐变类型是酶促褐变,其与酚类物质的生物合成与氧化聚合有关[25]。PAL是调控酚类物质生物合成的关键酶,POD和PPO在催化酚类物质氧化过程中发挥重要作用。这三种酶活性通常与褐变程度成正相关的关系[25]。酚类物质含量高的菠萝在采后贮藏期间更容易发生褐变[18]。热处理控制鲜切甘蔗褐变与其抑制PAL、PPO和POD活性增加有关[26]。本研究中,热处理有效抑制了PAL活性、POD和PPO酶活性,降低了总酚含量,表明热处理通过钝化与褐变有关酶的活性,减少了酚类物质的生物合成和氧化聚合,从而延缓了鲜切芋头的酶促褐变。细胞膜完整性的丧失会增加底物与酶反应的机会,相对电导率是反应细胞膜完整性的指标之一[27]。60 ℃处理组的相对电导率显著(P<0.05)低于对照组,表明热处理有助于保持鲜切芋头在冷藏期间的细胞膜完整性,从而减少了底物与酶反应的机会,延缓了鲜切芋头的品质劣变。

综上所述,适宜温度和时长的热处理能提高鲜切芋头贮藏品质,延长鲜切芋头保鲜期;热处理通过保持细胞膜完整性和抑制PAL、POD和PPO酶活性,降低酚类物质的合成和氧化聚合,从而提高了鲜切芋头贮藏品质。