高温短时热空气处理促进甘薯愈伤的工艺优化

刘帮迪，吕晓龙，王彩霞，孙 洁，姜微波

高温短时热空气处理促进甘薯愈伤的工艺优化

刘帮迪1,3，吕晓龙1,2,3，王彩霞2,3，孙 洁1,3※，姜微波4

（1. 农业农村部规划设计研究院，北京 100125；2. 四川农业大学食品学院，雅安 625014；3. 农业农村部农产品产后处理重点实验室，北京 100121；4. 中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083）

为确定一种新型的“高温短时”热空气处理促进采后甘薯愈伤组织形成的最优条件，该研究以愈伤后贮藏15 d甘薯愈伤组织木质素含量、可溶性固形物含量、失重率和腐烂率为考核指标，采用单因素和响应面法优化热空气处理对采后甘薯愈伤组织形成的工艺条件，并对比分析该条件下甘薯块根的贮藏特性。结果表明，采后热空气处理促进甘薯愈伤组织形成的最优工艺条件为处理温度49 ℃、处理时间137 min，该条件可有效促进甘薯愈伤组织的木质素合成、失重率下降和腐烂率下降。与对照组相比，热空气处理可显著提高甘薯贮藏后76.30%的淀粉含量、36.08%的可溶性糖含量和81.19%的抗坏血酸含量，减少22.14%的失重率和79.95%的腐烂率。研究结果为甘薯生产提供了一种优化的产后愈伤工艺方法。

品质控制；优化；贮藏；甘薯；热空气；愈伤

0 引 言

甘薯（L.）是旋花科甘薯属的一类重要的菜粮兼用作物，广泛种植于亚洲、非洲和南美洲。甘薯在中国的种植面积达到6.7×106hm2，总产量达到1.2×109t[1-2]，均居世界首位。甘薯块根皮薄、含水量高，在采收和储运过程中易受刮擦、刺割和碰压等机械损伤。机械损伤破坏了块根周皮的保护结构，不仅加大了细菌、霉菌等外源微生物的感染几率，还会破坏甘薯块根组织结构，使其生理代谢紊乱，降低贮藏品质。受技术设施条件限制，中国产区甘薯的贮藏期损失率高达15%，其中一半以上是机械损伤处理不当导致的病损腐烂[3-4]。因此，对采后的甘薯块根进行适当的愈伤处理，是降低甘薯产后损失、保证甘薯储期品质的重要手段。

Sollapura等[5]和Lulai等[6]的研究发现，甘薯受机械损伤后，块根可通过活性氧代谢、苯丙烷代谢、脂肪酸代谢等途径启动自我修复功能，在损伤部位形成栓化的愈伤组织。但受伤后的甘薯自然愈合时间长、薄壁细胞分化速率慢，需要通过人工干预来加速愈伤的过程，目前主流的果蔬愈伤方式主要有化学物质诱导和热处理2种方式。邓红军等[7]、Amoah等[8]和Tanaka等[9]在对脱落酸、苯丙噻重氮和水杨酸等外源化学物质刺激甘薯愈伤的研究中发现，上述化学物质可诱导甘薯受损部位细胞壁的氧化修饰，通过激活苯丙烷代谢等方式加速次生代谢产物积累，并有甘薯效促进伤口愈伤木栓组织形成。但是，李雪等[10]的研究指出这些激素类农药和含硫化合物等会造成药品残留、降低食用安全及环境污染等问题。考虑技术条件、操作便利及成本因素，实际生产中通常采用热激处理的方式进行甘薯愈伤。

张丽华等[11]、朱赛赛等[12]和Steward[13]的研究指出，热激处理是以适宜温度对采后果蔬进行处理，通过改变果蔬内部酶活性以及表面特性，激发抗逆性，促进果蔬伤口愈合，从而降低病原菌感染、提高果蔬耐储性的一种物理保鲜方法。果蔬常用的热激处理温度范围为30～65 ℃，处理时间几秒到几小时不等[14]。常见的热激处理方法主要为热空气加热、热水浸泡和热蒸汽加热3种，与热水和热蒸汽处理相比，热空气处理在具有成本低、操作简单、装备易获得等优点[14-15]。作为一种绿色安全的物理保鲜方法，热空气处理已在香蕉[16]、木瓜[17]、桃子[18]、石榴[19]、枇杷[20]、樱桃[21]、葡萄[22]、草莓[23]等水果贮藏应用中取得良好效果。特别是在热空气处理对枇杷保鲜的研究中，李磊等[20]指出热处理能够促进“解放钟”枇杷果实愈伤组织的形成，并降低枇杷冷藏期的木质化冷害现象。目前，甘薯的热激愈伤主要采用低温长时（Low Temperature Long Time, LTLT）工艺，即直接将甘薯堆放在贮藏设施内，升温至30～37 ℃，处理2～7 d后再降温储藏。这种传统工艺处理周期长、能耗高、愈伤条件难以控制、效果参差不齐且人力物力投入大，无法满足当下生产需要。

为适应现代农业高效、节能的生产需求，本研究对促进甘薯愈伤组织形成的温度和时间等关键因素进行研究，采用响应面法筛选了一种新型高温短时（High Temperature Short Time, HTST）热空气处理方式，对比分析了各种处理条件下甘薯块根的贮藏特性，为甘薯产后预处理提供了新的工艺方法和理论依据。该工艺可有效地为实际生产减少一半以上的能源消耗，保障愈伤效果的均匀性，大幅度提升贮藏后甘薯的贮存品质，为实际生产提供了更优化的技术选择。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试“大叶红”甘薯是市面常见的鲜食型甘薯（采后新鲜甘薯淀粉含量为（7.86±0.34）%，可溶性糖含量为（3.67±0.19）%，由福建漳州悯农闽味生态农业科技有限公司提供，挑选外观规整、大小均匀（250±30）g、无损伤且无病虫害的新鲜甘薯，单果套袋后装箱，每箱20个，第2天运抵实验室后，清洗晾干待处理。

1.2 试剂与仪器

试验用主要化学试剂：分析纯乙酰溴，由上海贤鼎生物科技有限公司生产；分析纯-巯基乙醇，由美国Sigma公司生产；分析纯乙酸和分析纯正己烷，由北京化工厂生产；分析纯三氯乙酸、分析纯四硼酸钠、分析纯盐酸羟胺，由上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产；分析纯无水甲醇、分析纯聚乙烯吡咯烷酮K30、分析纯焦亚硫酸钠和分析纯溴化乙酰，由国药集团化学试剂有限公司生产。

试验用主要测定仪器：化学试剂的称量使用AX224ZH电子天平进行，由奥豪斯仪器（常州）有限公司生产；可溶性糖含量、木质素含量的测定使用UV-1800PC型紫外可见分光光度计进行，由上海美谱达仪器有限公司生产；甘薯愈伤使用HHWS-Ⅱ-200人工气候箱进行，由上海跃进医疗器械有限公司生产；可溶性糖含量、木质素含量的提取由TGL-16gR高速冷冻离心机进行，由上海安亭科学仪器厂生产；配置溶解化学试剂由SK8200LH超声波清洗器进行，由上海科导超声仪器有限公司生产。

1.3 试验方法

1.3.1 单因素试验

通过陶晓亚等[24]、虢露葭等[25]、张娜[26]和吕晓龙等[27]在多种果蔬采后损伤的研究中发现，果蔬在采后处理过程中会受到不同程度的机械损伤，引起果蔬水分蒸发和呼吸增强，并且伤口在未完全愈合情况下易受病菌侵染而腐烂，而愈伤组织的形成可在伤口处形成一层保护屏障，木质素是构成愈伤组织的重要物质，在伤口愈伤中具有重要作用，可溶性固形物是甘薯中主要的营养成分，为损伤愈合提供能量，而失重率和腐烂率是评价甘薯块根愈伤效果的关键指标。因此，以木质素含量、可溶性固形物含量、失重率和腐烂率为指标，以40、45、50、55、60、65 ℃处理温度和30、60、90、120、150、180 min处理时间2个因素对甘薯块根的愈伤效果分别进行测定。

1.3.2 响应面优化试验

为得出适合甘薯伤口愈合的最佳热处理工艺，最大限度降低试验工作量，在单因素试验的基础上，以木质素含量（OD280/g）、可溶性固形物含量（%）、失重率（%）和腐烂率（%）为响应值，采用Design-Expert 8.0软件对甘薯热空气处理进行处理温度（℃）和处理时间（min）2个因素，及自变量的高、中、低3个水平的中心组合设计。以处理温度（1, ℃）和处理时间（2, min）为自变量，并将自变量的高、中、低3个水平以1、0、-1表示，根据数学表达式（1）对自变量进行编码，得出13组热空气处理试验因素及编码水平表（表1），其中组1～4表示轴点试验，组5～8表示因子试验，组9～13表示中心点试验。

式中X表示自变量编码值；x表示自变量实测值（1为处理温度，℃；2为处理时间，min）；0表示自变量X在中心点的实测值，℃或min；Δx表示自变量变化步长。

表1 热空气处理试验因素编码水平表

注：1为处理温度编码值；2为处理时间编码值；1为处理温度实测值，℃；2为处理时间实测值，min。

Note:1is the coding value of the treatment temperature;2is the coding value of the treatment time;1is the measured value of the treatment temperature, ℃;2is the measured value of the treatment time, min.

1.3.3 热空气处理

将新鲜甘薯经清洗、模拟损伤（利用擦皮刀对甘薯表皮进行仿机械损伤处理，损伤的长、宽、深为40 mm× 10 mm×3 mm，每个甘薯4处伤口）、自然晾干后，将损伤甘薯分别置于相对湿度为（20±5）%的人工气候箱中进行不同温度-时间处理（人工气候箱的温度波动范围：设定温度±0.7 ℃），处理后将甘薯置于（25±5）℃，相对湿度为80%黑暗环境下模拟货架贮藏15 d，以伤口处木质素含量、可溶性固形物含量、失重率和腐烂率（%）为依据，评价热空气处理对甘薯伤口的愈伤效果。每组处理用甘薯200个，重复3次。

1.3.4 取样

愈伤后用不锈钢刀切取甘薯伤口部位和皮下3 mm厚的愈伤组织用于木质素含量测定，薯肉组织用不锈钢刀切成5 mm3左右，混匀后装入自封袋中，置于−80 ℃超低温冰箱中冷冻保存，以备其他指标测定。

1.3.5 木质素含量的测定

参照Jiang等[28]对木质素含量测定的方法并稍做改进。取冷冻愈伤组织1 g，置于研钵中加入4 ml预冷的95%乙醇，研磨匀浆后转入10 mL离心管中，设置转速为10 000 r/min，离心20 min，弃掉上清液后，向离心管中加入2 mL 95%乙醇混匀后，设置转速10 000 r/min，离心10 min，重复操作3次，再依次向离心管中加入1 mL乙醇和2 mL正己烷溶液混匀后，设置转速10 000 r/min，离心10 min，将沉淀物反复冲洗3次，收集沉淀将其烘干至恒重后，将干燥物移至玻璃试管中，测定前需提前将水浴锅置于通风橱中温度调至70 ℃预热，先向试管中加入1 mL 25%溴化乙酰溶液，混匀，立即置于水浴锅中反应30 min后，依次加入1 mL浓度为2 mol/L氢氧化钠、浓度为7.5 mol/L 0.1 mL盐酸羟胺和2 mL冰醋酸，置于离心管中设置转速10 000 r/min离心20 min，吸取上清液0.5 mL，用冰醋酸定容至5 mL，于280 nm处测定其吸光度值，重复3次。木质素含量表示为OD280/g，以甘薯果实鲜重计。

1.3.6 可溶性固形物含量的测定

取3 g甘薯组织，加6 ml蒸馏水研磨匀浆后转入离心管中，设置转速10 000 r/min，离心10 min，取上清液滴到阿贝折光仪上测定，每个试验组别测定10个样品，每个试验组别的可溶性固形物含量（%）计算方法如式（2）所示。

式中3为稀释倍数；为每次对甘薯组织测量的可溶性固形物含量读数值，为每个组别测定的样品数。

1.3.7 失重率的测定

采用称量法[29]测定，每个处理选15个甘薯并做标记，首先将损伤的甘薯进行热空气处理后立即称重，记为甘薯的初始质量，然后进行模拟货架贮藏15 d再进行第二次称重，记为甘薯愈伤后的质量。失重率（%）的计算方法如式（3）所示。

式中为甘薯的初始质量，g；为甘薯愈伤后的质量，g。

1.3.8 腐烂率的测定

损伤的甘薯经热空气处理后模拟货架贮藏15 d，以甘薯表皮发软、斑点状软烂或出现霉斑作为腐烂标志，对腐烂的甘薯进行统计，腐烂率（%）的计算方法如式（4）所示：

式中为模拟货架腐烂甘薯的个数，为模拟货架甘薯的总数量。

1.3.9 腐烂指数的测定

参照王雪娇[30]对腐烂指数测定的方法并做修改，按照甘薯腐烂面积占总面积的比例分为6个等级，即0级，无腐烂；1级，腐烂面积≤10%；2级，腐烂面积10%～30%；3级，腐烂面积30%～50%；4级，腐烂面积50%～70%；5级，腐烂面积≥70%。每个试验组别对50个甘薯样品进行腐烂指数的统计，腐烂指数的范围为[0，0.4]，腐烂指数的计算如式（5）所示。

式中为腐烂等级∈[0，5]，为该级别腐烂个数，为甘薯的总数量。

1.3.10 淀粉含量的测定

参照曹建康等[31]对果蔬淀粉含量测定的酸水解法对甘薯淀粉含量（%）进行测定，准确称取1 g甘薯样品置于研钵中，加入5 mL无水乙醇后进行研磨匀浆，转入25 mL的刻度试管中，再用无水乙醇冲洗研钵中残余的样品一并转入试管中，定容到25 mL。将制备好的样品放入80 ℃水浴锅中静置30 min后取出过滤，弃去滤液滤渣回收至25 mL试管中再加入2 mL浓度为9.2 mol/L的高氯酸溶液，提取15 min，在提取过程中不断搅拌。冷却后进行过滤，将滤液转入100 mL容量瓶中，定容至刻度供测定。

1.3.11 可溶性糖含量的测定

参照曹建康等[31]对果蔬淀粉含量测定的苯酚硫酸法对甘薯可溶性糖含量（%）进行测定，准确称取1 g甘薯样品置于研钵中，加入5 mL蒸馏水匀浆后转入试管中，再向试管中加入10 mL蒸馏水，用塑料薄膜封口，在沸水浴中放置30 min，冷却后进行过滤，收集滤液一并转入容量瓶中定容至刻度供测定。

1.3.12 抗坏血酸含量的测定

参照曹建康等[31]对果蔬抗坏血酸含量测定的分光光度计法对甘薯抗坏血酸含量（mg/g）进行测定，准确称取10 g甘薯样品置于研钵中，加入20 mL浓度为50 g/L的三氯乙酸溶液，研磨匀浆后转入100 mL容量瓶中，研钵用三氯乙酸溶液冲洗后定容至刻度，常温静置10 min后，过滤收集滤液供测定。

1.4 数据处理

所有试验重复3次，使用EXCEL 2010进行绘图和Design-Expert 8.0软件进行响应面设计与方差分析，结合SPSS 18.0软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 甘薯热空气处理愈伤单因素试验分析

木质素是薯类受热激处理后形成愈伤木栓层的关键性表征指标[32]，可溶性固形物是果蔬在贮藏后评判其贮藏品质的关键指标[33]。由图1可知，热空气处理温度为50 ℃时，随着处理时间的延长，木质素和可溶性固形物含量呈典型上升趋势，处理时间150 min时木质素和可溶性固形物含量均达到最大值，与120 min相比，木质素和可溶性固形物含量无显著差异（＜0.05）；但经过180 min处理后，木质素和可溶性固形物含量显著下降（＜0.05）。当处理时间在30～90 min时，随着处理时间的延长，甘薯体内应激防御系统在热刺激的作用下快速响应，激活苯丙烷代谢途径中的苯丙氨酸解氨酶、肉桂酸-4-羟基化酶、4-香豆酸辅酶A和过氧化物酶等愈伤防御酶活性的快速升高，促使酚类物质的合成与堆积、木质素的沉积，从而形成愈伤木栓层[34-35]。由于木质素是苯丙烷代谢途径中的产物，因此本试验处理条件在120～150 min时，能促使甘薯产生更高的木质素含量，表征该条件可以有效激活甘薯的苯丙烷代谢途径，从而提升甘薯愈伤木栓层的形成。木栓层的形成可以保障甘薯在后续贮藏过程中能够抵抗外界侵染，维持最终贮藏品质，例如维持甘薯组织内更高的可溶性固形物含量。但当处理时间到180 min时，甘薯可能因加热时间过长，受热伤害胁迫，破坏其组织内的动态生理平衡，抑制了苯丙烷代谢途径中催化木质素合成的肉桂醇脱氢酶活性，导致木质素和可溶性固形物含量急剧下降，影响了甘薯的伤口愈合[36]，从而影响可溶性固形物含量和最终贮藏品质。其与袁莉等[37]研究发现采后53 ℃热处理3 min可显著提高厚皮甜瓜果实可溶性固形物含量的结果相似。因此，适宜的热处理时间对甘薯木质素的积累和可溶性固形物含量的维持至关重要。

注：不同小写字母表示不同处理间木质素含量差异显著（P＜0.05），不同大写字母表示不同处理间可溶性固形物含量差异显著（P＜0.05）。下同。

失重主要是由于果实贮藏失水导致的，而伤口处未良好愈伤，由于果肉暴露会加剧失水情况[27]。腐烂率是衡量甘薯贮藏效果的重要指标，甘薯皮薄，含水量高，易擦伤，在贮藏过程中由于受冷害、病菌侵染，引起甘薯腐烂[38]。由图2可知，热空气处理温度为50 ℃时，失重率和腐烂率随着处理时间的延长亦呈现先下降后急剧上升的趋势，当处理时间为120～150 min时，二者之间无显著差异，其中在150 min时，失重率达到最小值且无腐烂。当处理温度一定时，随着处理时间（30～90 min）的延长，甘薯伤口处以木质素为代表的愈伤层组成物质大量积累，在伤口处逐渐形成一种具有特殊的以长链多酚-长链酯和木质素为基础的“木栓层”作为保护屏障[32,39]，减少了甘薯后续贮藏过程中的的失重和腐烂现象。但随着处理时间的继续延长（>150 min），长时间热处理会破坏甘薯表皮褐化、失水，加速了甘薯的腐烂。其与蒋侬辉等[40]结果相似，即采用相同温度50 ℃不同处理时间20、40、60、80、120 min对板栗进行热处理研究发现在温度相同的条件下，适宜的时间才能有效减少板栗的失重，20 min时间较短影响不大，120 min处理时间较长，增加板栗果实的失重。可见，适宜的热处理时间能有效减少甘薯的失重和腐烂损失。

注：不同小写字母表示不同处理间失重率差异显著（P＜0.05），不同大写字母表示不同处理间腐烂率差异显著（P＜0.05）。下同。

温度是影响甘薯伤口愈合的重要因子。由图3可知，当热处理时间为120 min时，随着处理温度的升高，木质素和可溶性固形物含量呈现先上升后下降的变化趋势，在50～55 ℃时木质素和可溶性固形物含量显著高于其他各组（<0.05）。当温度较低（<45 ℃）时，酚类和脂肪酸等形成愈伤组织的物质产生速率较慢，伤口愈合困难，甚至导致伤口不能完全愈合[41]。温度过高（>55 ℃）时会造成蛋白质变性、部分酶活性被抑制，产生不可逆热伤害[24]。其与刘风娟等[42]研究采后热处理对枇杷果实冷藏品质的研究发现热处理能够延缓枇杷果实可溶性固形物下降的结果相一致。因此，选择45～55 ℃处理更有利于甘薯伤口愈合。

当对果蔬进行热激处理时，处理温度间于安全阈值时，果蔬的应激系统会正常反馈并表现出较好的愈伤效果，超出安全阈值的热激处理则会引起热伤害[36]。由图4可知，当处理温度为45～55 ℃时，失重率和腐烂率均处于较低水平，其中50～55 ℃之间无显著差异（＜0.05）。当温度＜45 ℃时失重率和腐烂率有所增加，可能是由于介质温度较低，苯丙烷代谢途径中关键酶活性没有充分激活，影响甘薯的愈伤组织的形成。当处理温度超出安全阈值（＞55 ℃）时，会导致甘薯组织中生物活性物质合成相关的酶活性减少，例如多酚氧化酶活性下降，促使细胞原生质膜渗透性的损伤增加，从而不能充分进行愈伤，增加了甘薯暴露在外界贮藏环境中的风险，最终使甘薯受外界逆境胁迫，加速衰老和失水腐烂[43]，其与张娜等[36]研究发现38 ℃连续热处理60 min会超出黄瓜的安全阈值，导致热伤害的发生，加重黄瓜失重的结果相似。因此，综合考虑选择45～55 ℃作为甘薯的热处理温度。

图3 处理温度对甘薯愈伤期间木质素和可溶性固形物含量的影响

图4 处理温度对甘薯愈伤期间失重率和腐烂率的影响

2.2 响应面试验结果分析

2.2.1 回归方程的建立

甘薯在室温（25±5）℃，相对湿度为80%黑暗环境下模拟货架15 d后，不同温度-时间的热空气处理与对照组的木质素含量、可溶性固形物含量、失重率和腐烂率的试验值与预测值（表2）。

表2 热空气处理的中心组合设计和预测结果表

注：对照组为未经热空气处理直接进行模拟货架15 d。

Note: Control represents the group that directly shelf-life storage for 15 d without hot air treatment.

由表2可知，采用Design-Expertr 8.0软件对结果进行二次多元回归拟合，得出了木质素含量、可溶性固形物含量、失重率和腐烂率的预测值对编码自变量处理温度和处理时间的二次多项回归方程，如式（6）～式（9）所示。

1=3.41−0.221−0.0352−0.0761ž2−0.4812−0.3622（6）

2=14.63−0.341+0.0602−0.121ž2−0.9812−0.8022（7）

3=2.08+0.221−0.0412+0.0251ž2+0.3812+0.2122（8）

4=25.00+26.591−6.602+10.501ž2+19.2512−3.2522（9）

式中1为木质素含量，OD280/g；2为可溶性固形物含量，%；3为失重率，%；4为腐烂率，%；1为处理温度，℃；2为处理时间，min。

2.2.2 模型检验

表3为热空气处理后甘薯的木质素含量、可溶性固形物含量、失重率和腐烂率的方差分析结果。甘薯的木质素模型高度显著（=0.000 9），木质素回归模型相关系数2=0.924 1，校正系数2Adj=0.869 9，表明该模型可以很好的解释试验测试结果；同时变异系数（Coefficient of Variation，CV）值为6.17，表明该模型与试验组有较高的贴近度，模型可靠性较高；失拟项值的检验概率为0.839 6，其数值＞0.05，说明拟合不足不显著。回归方程的显著性表明，一次项1（=0.009 6）高度显著；2（=0.597 0）不显著；交互项1ž2（=0.420 3）不显著；二次项12（=0.000 2）高度显著；22（=0.001 0）高度显著。

甘薯的可溶性固形物模型高度显著（=0.000 2），可溶性固形物回归模型相关系数2=0.952 2，校正系数2Adj=0.918 1，表明该模型可以很好的解释试验测试结果；同时变异系数CV值=2.07，表明该模型与试验组有较高的贴近度，模型可靠性较高；失拟项值的检验概率为0.741 6，其数值＞0.05，说明拟合不足不显著。回归方程的显著性表明，一次项1（=0.010 6）显著；2（=0.564 6）不显著；交互项1ž2（=0.429 8）不显著；二次项12（＜0.000 1）极显著；22（=0.000 1）高度显著。

甘薯的失重率模型高度显著（=0.006 8），失重率回归模型相关系数2=0.859 7，校正系数2Adj=0.759 5，表明该模型可以很好的解释试验测试结果；同时变异系数CV值为7.92，表明该模型与试验组有较高的贴近度，模型可靠性较高；失拟项值的检验概率为0.792 2，其数值＞0.05，说明拟合不足不显著。回归方程的显著性表明，一次项1（=0.015 3）显著；2（=0.572 6）不显著；交互项1ž2（=0.803 7）不显著；二次项12（<0.001 2）高度显著；22（=0.024 4）显著。

甘薯的腐烂率模型显著（=0.010 8），腐烂率回归模型相关系数2=0.838 4，校正系数2Adj=0.722 9，表明该模型可以很好的解释试验测试结果；同时变异系数CV值为45.83，表明该模型与试验组有较高的贴近度，模型可靠性较高；失拟项值的检验概率为0.505 6，其数值>0.05，说明拟合不足不显著。回归方程的显著性表明，一次项1（=0.002 2）高度显著；2（=0.280 6）不显著；交互项1ž2（=0.230 0）不显著；二次项12（<0.015 5）显著；22（=0.608 1）不显著。

由此可知，4个方程的显著性均较高，拟合度良好，因此可用此模型对“大叶红”甘薯愈伤后的数据进行预测。

2.2.3 响应面分析与优化

响应面图可直观反映试验因素对响应值的影响程度，当响应面的坡度较平缓，表明响应值受该因素的影响不明显；相反响应面的坡度较陡峭，表明响应值受该因素影响作用较大[44]。木栓层是果蔬损伤愈合过程中形成的一种由长链酚-长链脂和木质素混合的聚合物，主要位于细胞壁和质膜之间，其成分与蜡质结构类似，可在果蔬损伤创面形成一种特殊的防护性屏障，防止水分及养分流失，抵抗病菌侵染[39,45-47]。木质素是甘薯苯丙烷代谢途径中产生的最终代谢产物，其产生受苯丙氨酸解氨酶、肉桂酸-4-羟基化酶、4-香豆酸辅酶A和肉桂醇脱氢酶等多种愈伤防御酶的催化，能与酚类单体和甘油交联形成高分子聚合物即木栓层[27,39]。如表2所示，在试验中甘薯经热空气处理后，在室温25 ℃条件下愈伤15 d后，不同温度-时间的热空气处理组的木质素含量都高于对照组，表明采后热空气处理可有效促进甘薯愈伤组织形成。由图5a可知，当处理温度在50 ℃左右时甘薯木质素含量较高，当处理温度高于或低于50 ℃时，曲面较陡峭，木质素含量有所下降，表明木质素含量对处理温度的变化较敏感，而处理时间对木质素含量影响的响应曲面坡度较平缓。图5a可直观反映出处理温度和处理时间对甘薯木质素含量的交互作用不明显，此结果在表3中交互项1ž2（=0.420 3）得以证实。因此，有效促进甘薯愈伤木栓组织形成的处理温度在49～51 ℃之间，处理时间在132～138 min之间。

表3 回归方程系数显著性检验

注：***表示<0.000 1，显著性差异为极显著；**表示0.000 1<<0.01，显著性差异为高度显著；*表示0.01<<0.05，显著性差异为显著。

Note: *** Represented<0.000 1, which is extremely significant; ** Represented 0.000 1<<0.01, which is highly significant; * Represented 0.01<<0.05, which is significant.

表4 回归方程的相关系数

在果蔬中，可溶性固形物与其含糖量成正比，是衡量果蔬品质的重要指标。热空气处理能维持甘薯块根可溶性固形物含量的下降，保持甘薯的商品价值（表2）。由图5b的响应曲面图可知，处理温度对甘薯的可溶性固形物影响较大，而处理时间的影响较小。温度在50 ℃左右时能保持较高的可溶性固形物含量，而当温度高于或低于50 ℃时，可溶性固形物含量有所下降。从图中可直观反映出处理温度和处理时间对甘薯可溶性固形物含量的交互作用不明显（=0.429 8），可溶性固形物对处理温度和处理时间较敏感。当处理温度在49～51 ℃，处理时间在132～138 min之间时，甘薯的可溶性固形物含量较高。

蒸腾失水是引起果蔬在贮藏过程中重量减少的主要原因。果蔬受到机械损伤或病害侵染时，水分蒸腾速度加快，果蔬质量减少，而愈伤组织的形成能有效阻止水分蒸腾，减少重量损失，维持较好的商品性[48]。由图5c可知，处理温度对甘薯失重率的影响较大，曲面较陡，表明失重率对处理温度的敏感性较强，处理温度和处理时间对甘薯失重率的交互作用不明显（＞0.05）。处理温度在49～51 ℃，处理时间在132～138 min之间时，甘薯的失重率最低。

处理温度在50 ℃时甘薯的腐烂率最低，而当处理温度＞50 ℃时甘薯的腐烂率呈逐渐上升的趋势，响应面曲面较陡，表明处理温度对甘薯腐烂率的影响较敏感，而处理时间对甘薯腐烂率的影响不明显。处理温度和处理时间的交互作用不显著（＞0.05）。处理温度在49～51 ℃，处理时间在132 min以上能有效降低甘薯的腐烂损失（图5d）。

图5 处理温度和处理时间的响应面图

2.2.4 热空气处理最佳工艺优化及验证试验

基于以上响应面曲面图分析结果可知，影响甘薯愈伤组织形成的最主要的因素是热处理温度，其次是处理时间。结合表2的试验结果，采用Design-Expert 8.0软件对式（6）～式（9）方程模拟得到最佳值，其中木质素、可溶性固形物按最大目标值选择；失重率、腐烂率按最小目标选择，得到甘薯最佳热空气处理条件对应的温度-时间组合是48.41 ℃热空气处理136.91 min；同时该工艺下各响应值指标木质素含量为3.420 OD280/g，可溶性固形物含量为15%，失重率为2.05%，腐烂率为0。为便于操作应用，将最佳热空气处理条件选为49 ℃热空气处理137 min。

为检验响应面分析结果的可靠性，按上述最优热空气处理条件进行3次验证试验，结果表明，49 ℃热空气处理137 min能显著促进甘薯愈伤组织的形成，维持较高的可溶性固形物含量，同时热空气处理甘薯的失重率和腐烂率也显著低于对照组（表5）。另外，将热空气处理的甘薯从处理介质中取出后立即用探针式温度计（坦浩YH101）在每个甘薯表层3 mm深和内部30 mm深的位置分别测定上中下3个点发现甘薯表面温度32 ℃，内部温度37 ℃，明显高于甘薯样品在室温条件下的表面温度（20±5）℃，内部温度（22±5）℃。

表5 试验结果验证

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著（＜0.05），-表示未经热空气处理直接进行模拟货架15 d。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments (<0.05),-indicates that simulating the shelf for 15 days without hot air treatment. The same below.

2.3 热空气处理最佳工艺对甘薯愈伤后贮藏特性的影响

热空气处理的甘薯块根在常温下贮藏15 d能有效维持甘薯的品质（表6）。与对照组相比，经热空气处理的甘薯淀粉、可溶性糖和抗坏血酸分别比对照组提高了76.30%、36.08%和81.19%，同时处理后失重率和腐烂指数分别降低了22.14%和79.95%。热空气处理不仅能有效减少甘薯的重量和腐烂损失，还能在常温条件下较长时间保持甘薯良好的品质，提高甘薯的商品价值。

表6 热空气处理最佳工艺对甘薯愈伤后贮藏特性的影响

3 结 论

本试验优化得到了一种有效降低甘薯贮藏损失的“高温短时”热空气愈伤工艺条件。通过单因素和响应面法优化得出采后热空气处理促进甘薯愈伤组织形成的最优工艺条件为：处理温度49 ℃，处理时间137 min。验证试验表明，采后热空气处理能有效促进甘薯愈伤组织的形成，保持较高的可溶性固形物含量，减少甘薯的失重和腐烂损失。此外，该工艺处理还能显著提高贮藏期间甘薯块根的淀粉、可溶性糖和抗坏血酸含量，使甘薯的腐烂指数降低至0.089%。本研究为采后甘薯伤口的快速愈合提供了一种新的科学方法和理论依据，并为鲜食型甘薯的实际生产和贮藏，提供了一种节能、高效和品质保障的技术选择。

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Process optimization of high temperature and short time hot air treatment to promote the callus formation of sweet potatoes

Liu Bangdi1,3, Lyu Xiaolong1,2,3, Wang Caixia2,3, Sun Jie1,3※, Jiang Weibo4

(1.100125,; 2.625014,;3.100121,;4100083)

Hot air treatment is currently the main pretreatment method to promote postharvest callus healing of sweet potatoes. To improve the existing problem, such as high energy consumption, low efficiency, instability, in sweet potato callus formation technology. The purpose of this study was to find the optimal conditions of High Temperature Short Time (HTST) hot air treatment which could promote postharvest sweet potato callus formation. The lignin content, soluble solid content, weight loss rate, and decay rate of sweet potato were selected as the key indices in this study. The indices of sweet potatoes were measured after 15 d of (25±5) ℃ storage. Single-factor and response surface methods were used to optimize the callus formation conditions of sweet potato within hot air treatment. In the single-factor experiment, the temperature and time of treatment were used as variables. The HTST hot air treatment temperature range was set as 40, 45, 50, 55, 60 and 65 ℃, and the treatment time range was set as 30, 60, 90, 120, 150, and 180 min. By Design-Expert 8.0 software, a central combination of two factors and three levels was used to design the central composite design for sweet potato hot air treatment. The quadratic multivariate regression equations of lignin, soluble solids, weight loss rate, and decay rate were obtained. The results of variance analysis of lignin content, soluble solid content, weight loss rate, and decay rate of sweet potato after hot air treatment showed that the four equations of hot air treatment had high significance, good fitting degree, and small test error. Hence, this model could be used to predict the data of sweet potato after callus formation. The results of the single-factor experiment showed that the soluble solids and starch content of sweet potato after callus formation could be maximized maintained when the treatment time reached 150 min. And the decay rate and weight loss rate after storage could be maximized reduced. At the same time, When the hot air treatment temperature reached 50 ℃, the soluble solid content and starch content of sweet potato after shelf-life storage was significantly higher than that of other treatment temperatures. Meanwhile, the weight loss rate and the decay rate were the lowest in all treatment groups. Within the single-factor experimental results, the two-factor and three-level center combination design of the treatment temperature and treatment time was performed for quadratic multiple regression fitting. The quadratic multinomial regression equations of lignin content, soluble solid content, decay rate, and weight loss rate were obtained. At the same time, the model was tested and the four equations were found to have high significance and a good degree of the fitting. The model was used to predict the four parameters of sweet potato callus formation and analyze the response surface. The results showed that the callus formation effect of sweet potato in shelf-life storage was more influenced by hot air treatment temperature than treatment time. On the other hand, the optimal conditions for promoting the callus formation of sweet potato were 49 ℃ and 137 min, which could effectively promote the lignin synthesis, weight loss rate, and decay rate of sweet potato callus. Compared with the control, the content of starch was higher by 76.30%, soluble solid content was higher by 32.08% and ascorbic acid content was higher by 81.19% in sweet potato after shelf storage, which was all significantly increased by hot air treatment. Moreover, the weight loss rate and decay rate of sweet potato after storage were reduced by 22.14% and 79.95%, respectively. All the five indices provided the 49 ℃ and 137 min was an optimized post-partum callus process for sweet potato production.

quality control; optimization; storage; sweet potato; hot air treatment; callus formation

刘帮迪，吕晓龙，王彩霞，等. 高温短时热空气处理促进甘薯愈伤的工艺优化[J]. 农业工程学报，2020，36(19)：313-322.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.036 http://www.tcsae.org

Liu Bangdi, Lyu Xiaolong, Wang Caixia, et al. Process optimization of high temperature and short time hot air treatment to promote the callus formation of sweet potatoes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(19): 313-322. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.036 http://www.tcsae.org

2020-04-27

2020-08-18

国家重点研发计划项目（2017YFD0401305）

刘帮迪，博士，工程师，主要从事果蔬采后贮藏保鲜与加工研究。Email：328442307@qq.com

孙洁，高级工程师，主要从事农产品产后贮藏加工研究。Email：sunjie9797@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.036

S531

A

1002-6819(2020)-19-0313-10