恒压真空预冷对芥蓝贮藏品质的影响

陈亚鹏,刘贵珊*,张浩楠,李燕,康宁波

1(宁夏大学 食品与葡萄酒学院,宁夏 银川,750021)2(宁夏大学 物理与电子电气工程学院,宁夏 银川,750021)

芥蓝(Brassicaoleraceavar.alboglabra)又名白花芥蓝,为十字花科芸薹属一年生草本植物,是中国特产蔬菜之一[1],富含维生素、矿物质、芥子油苷[2]、硫代葡萄糖苷等营养物质,其降解产物异硫代氰酸盐能有效防癌[3],是甘蓝类蔬菜中营养价值较高的一种[4]。芥蓝叶片表面积大且含水量高,即使在采收后也会呼吸和蒸腾,导致其质量不断下降[5]。因此,亟需采用预冷技术延长芥蓝的货架期。

预冷作为集成式冷链第一步,可最大程度地降低新鲜蔬菜的呼吸代谢,消除其田间热量[6-7]。真空预冷是通过在真空下蒸发掉蔬菜的一部分水分,从而延长货架期的最佳方法[8],具有效率高、卫生好、能耗低等优点[9],适用于多孔食品,已应用于莴苣、西兰花、白菜、菠菜等蔬菜的贮藏保鲜[10]。然而,真空预冷过程中温度分布不均匀等问题也是制约其应用的关键因素[11]。

恒压真空预冷(multi-stage vacuum pressure reservation,MSVPR)是通过控制真空泵间歇启动运行,以此来提高预冷效果的一种工艺[12],可以解决蔬菜降温过程中预冷不均匀的问题,并有效节省能耗[13],但相应地会增加产品质量损失。CHENG[14]发现MSVPR与水冷相结合可以有效降低竹笋的温度,节省运行成本与能耗。CHENG等[15]发现MSVPR可以有效降低卷心菜表面和内部温差。同时用冷凝器冷却外部空气,可以解决压强恢复过程中卷心菜温度升高的问题。PICHAVA等[13]采用不同MSVPR操作方式对有机佛掌瓜苗进行预冷。并通过实验得出有机佛掌瓜苗从19～23 ℃预冷到(8±1) ℃的最佳压强为1.1 kPa,保压时长为5 min。廖彩虎等[16]研究不同预冷技术对鲜切莲藕贮藏品质的影响。结果表明,真空预冷降温速率为冷库预冷的10倍。随着真空预冷恒压时间的延迟,其水分损失呈增加趋势,预冷终温5 ℃并恒压4 min的效果最佳。但目前大部分研究仅针对真空预冷前后效果对比,且局限于根茎类蔬菜,而MSVPR对叶菜类蔬菜贮藏期间品质的影响鲜见报道。

本文采用MSVPR技术对芥蓝进行预冷处理,研究不同预冷终温对芥蓝贮藏期间失重率、呼吸强度、叶绿素、色泽、抗坏血酸及丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量的影响,以期为叶菜类蔬菜贮藏保鲜提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

芥蓝采自宁夏鑫茂祥冷藏运输有限公司,挑选茎薹饱满、无病虫植株。

草酸、三氯乙酸,天津市大茂化学试剂厂；硫代巴比妥酸,上海广诺化学科技有限公司；抗坏血酸、2,6-二氯酚靛酚钠盐,国药集团化学试剂有限公司,均为分析纯试剂。

1.2 仪器与设备

KMS500真空预冷机,东莞科美斯科技实业有限公司；TYS-B叶绿素测定仪、3051H果蔬呼吸测定仪,浙江托普云农科技股份有限公司；CM-2300 d分光测色计,日本柯尼卡美能达公司；JY10002电子天平,上海舜宇恒平科学仪器有限公司；UV-1800紫外分光光度计,日本岛津公司；5804R高速冷冻离心机,湘仪离心机仪器有限公司。

1.3 试验方法

选取大小一致、外形新鲜饱满、无机械损伤、无病虫害的新鲜芥蓝随机分为3组,进行恒压真空预冷实验。设置预冷终温为0、4、8 ℃,分别记作V0组、V4组、V8组；以传统真空预冷(无保压)作为对照组(CK),对芥蓝进行预冷处理。预冷结束后,立即装入PE保鲜袋,置于(4±1)℃的冰箱内贮藏20 d,每隔2 d测定相关理化指标。

1.4 恒压真空预冷过程操作

真空预冷系统如图1所示。真空预冷实验主要测量数据为不同预冷终温下的温度变化、真空室压强、预冷时间及预冷前后的质量损失。

1-冷却液入口；2-冷却液出口；3-冷凝器；4-压力计；5-压力传感器；6-排气阀；7-压力指示器和控制器；8-温度指示器和控制器；9-控制面板；10-电脑；11-排气阀；12-真空阀；13-真空泵；14-真空阀；15-真空泵；16-数据采集系统；17-真空室；18-产品；19-热电偶

测量并记录芥蓝的初始质量和温度,将芥蓝放进真空舱内,并将4根热电偶分别置于不同叶片的上表皮,距离主脉右侧附近的点；4根分别插入到芥蓝主茎的头部,中部、尾部及分支茎的中心点(深度0.2 cm),同时,将8根传感线和1个信号传输记录仪连接到计算机上,叶片及根茎实验结果分别取平均值±标准差。打开真空预冷机,根据前期实验基础,当压强达到1.20 kPa后关闭真空泵,开启第1次保压,保压350 s后开启真空泵,在压强达到1.00 kPa后关闭真空泵开始第2次保压,保压400 s后再次开启真空泵(当目标预冷终温较高时2次保压结束后可关闭预冷设备),当压强达到0.80 kPa时关闭真空泵开启第3次保压,保压300 s后真空冷却实验结束。打开真空室舱门,取出芥蓝并称重。

1.5 指标测定

1.5.1 失重率测定

采用称重法,贮藏前的质量记作m1,贮藏后的质量记作m2,实验取均值。失重率按公式(1)计算：

(1)

1.5.2 叶绿素含量测定

采用叶绿素测定仪进行测定。

1.5.3 色差测定

采用分光测色计测定新鲜芥蓝叶片L*、a*和b*值。

1.5.4 呼吸强度测定

采用果蔬呼吸测定仪进行测定,按公式(2)计算:

(2)

式中：ρ,测定后密闭容器CO2浓度,mg/L；ρ0,测定前密闭容器CO2浓度,mg/L；V,容器总体积,2 L；V0,测定温度下CO2摩尔体积,22.4 L/mol；M,CO2的摩尔质量,44 g/mol；m,测定用果蔬的质量,kg；t,测定所用时间,h。

1.5.5 抗坏血酸含量测定

采用2,6-二氯靛酚滴定法[17]进行测定。

1.5.6 MDA测定

参考XI等[18]方法测定。

1.6 数据处理

每组样品包含10株芥蓝,平行测定3次,数据采用平均值±标准差,使用SPSS 23软件进行数据处理,采用LSD法计算不同处理之间的差异显著性,置信区间95%,图中标注不同字母表示数据间具有显著性差异(P<0.05),Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同真空预冷工艺对芥蓝预冷效果评价

如图2-a所示,芥蓝初始平均温度为22.95 ℃。启动真空泵后,在前188 s压强处于平衡阶段,此时真空室内的压强为20.20 kPa；叶片温度为17.13 ℃,下降5.82 ℃；根茎温度为20.31 ℃,下降2.64 ℃,叶片降温速率高于根茎,这是因为叶片的面积大且有大量的气孔用于水分蒸发[19]。之后真空室压强处于迅速下降阶段,在达到芥蓝饱和压力(闪点)前的488 s内,压强从20.20 kPa下降到2.20 kPa,此时叶片温度为12.67 ℃,根茎温度为14.24 ℃,这一阶段温度下降速率缓慢。到达闪点后芥蓝叶片温度开始迅速下降,此时芥蓝叶片内的自由水开始吸热蒸发[20]。预冷结束时叶片的平均温度为2.26 ℃,根茎温度为9.50 ℃,温度相差7.24 ℃,预冷时长711 s。

针对叶片与根茎温差过大等问题,现采用MSVPR技术进行实验,如图2-b、2-c、2-d所示,在真空预冷过程中,前600 s操作与图2-a相同。600 s后开始第1次保压,关闭真空泵,真空室内压强不再降低并开始回升。由图2-c可知,当保压238 s后,舱内压强上升0.2 kPa；此时芥蓝叶片温度从7.17 ℃上升到8.21 ℃,上升1.04 ℃,根茎温度从9.78 ℃下降到8.81 ℃,下降0.97 ℃,根茎温度始终处于下降过程,这可能是因为在保压过程中，压强处于平稳状态，芥蓝沸点不再下降，而根茎因其内部结构致密，气孔分布数量少，水分蒸发速率慢[21]，导致根茎部位热量较叶片高，并且，芥蓝此时以根茎为中心点通过热传导的方式向叶片内部传输热量,叶片温度开始缓慢回升。当保压时长达到350 s后,再次开启真空泵,当舱内的压强降至1.0 kPa时,开始第2次保压,芥蓝叶片温度继续上升,根茎温度继续下降。在保压过程中,叶片与根茎温差逐渐缩小。最终,V0、V4、V8组平均温差分别为0.75、0.58、0.91 ℃,预冷时长分别为1 629、1 978、1 034 s。结果表明,MSVPR可有效解决芥蓝在预冷过程中温差过大,预冷不均匀的问题。

a-传统真空预冷;b-恒压真空预冷终温0 ℃;c-恒压真空预冷终温4 ℃;d-恒压真空预冷终温8 ℃

MSVPR技术可以解决叶菜类蔬菜在预冷过程中温度分布不均匀的问题,但是相应的高预冷时长会增加产品的质量损失。如表1所示,V0、V4、V8组在预冷结束时失重率分别为3.74%、4.18%、2.57%,而CK组失重率仅为1.30%,证明预冷时间越长蔬菜的质量损失越大,这是因为在保压过程中蔬菜一直处于蒸发的过程,而液态水需要通过叶脉进行传输,在整个空间域中呈现出一种传热传质相互耦合的现象[11]。因此对于叶菜类蔬菜而言,预冷时长尽量控制在30 min之内。

表1 四组真空预冷实验主要测量指标

2.2 不同预冷终温对芥蓝贮藏期失重率的影响

失重率是评估新鲜蔬菜品质的关键指标之一[22]。因为芥蓝属于叶菜类蔬菜,通常具有较大的表面积与体积,这使其很容易在收获后迅速失水[23]。如图3所示,失重率随贮藏时间的延长而增加。在整个贮藏期内,处理组的失重率始终低于对照组(P<0.05),贮藏20 d后,CK组失重率为12.24%,而V0、V4及V8组失重率分别为7.20%、2.73%、4.05%。结果表明,MSVPR可以有效降低蔬菜的失重率。而不同预冷温度之间也存在显著差异(P<0.05),V0组可能是因为预冷终温过低而导致叶片发生冻害,在贮藏期间细胞分解失水[24],从而导致失重率高于其他2组。

图3 贮藏期内芥蓝失重率变化

2.3 不同预冷终温对芥蓝贮藏期叶绿素含量的影响

叶绿素含量被认为是影响叶片衰老的重要指标,叶绿素降解会导致叶片腐败黄化[25]。如图4所示,贮藏前10 d,各组间无显著差异(P>0.05),第12 天时,叶绿素降解速率加快,叶片开始黄化腐败。贮藏20 d后,CK组与V4、V8组之间存在显著差异(P<0.05)。CK组中叶绿素含量仅为47.94 SPAD,损失率高达27.65%,而V4组则保持了较高的叶绿素水平,达54.68 SPAD。结果表明,MSVPR可有效减少芥蓝在贮藏过程中叶绿素的降解,这是因为适宜的预冷压强可降低叶绿体的溃解[23]。此外,预冷终温4 ℃可以更好的保持叶绿素含量,这可能是因为预冷终温与贮藏温度相同,从而使芥蓝在贮藏过程中消耗更少的能量,减小因环境压力所造成的胁迫,抑制相关酶活性[26]。

图4 贮藏期内叶绿素含量变化

2.4 不同预冷终温对芥蓝贮藏期色泽的影响

颜色是决定食品质量的重要感官属性之一[27]。亮度L*值表示各种色彩由明到暗的变化程度。如图5-a所示,L*值随贮藏时间的增加呈上升趋势,但增长缓慢。第20 天后,CK组样品中L*值的增长较处理组明显(P<0.05),由此可知,MSVPR可以减缓芥蓝L*值的增长速度。a*值为红绿值,值越大表示绿色损失越多。如图5-b所示,a*值随着贮藏时间增加而上升,这可能是叶绿素脱镁形成叶绿酸从而导致黄化[28],绿色度逐渐降低。贮藏第20 天时,V4组相对于其他组a*值上升速度最慢(P<0.05)。表明预冷终温4 ℃可以有效保持芥蓝的a*值。

a-L*值;b-a*值;c-b*值

b*值代表蓝黄程度,值越大表示颜色越黄[29]。如图5-c所示,在贮藏期间,b*值始终呈上升趋势。第8 天后,CK组与V4组差异显著(P<0.05),这可能是因为CK组在第8 天时出现了呼吸高峰,消耗体内大量的能量及营养物质,导致叶片衰老黄化。第20 天后,CK组b*值为18.88,处理组分别为17.17、15.76、16.48,CK组b*值明显高于处理组(P<0.05)。结果表明,MSVPR可有效控制芥蓝在贮藏过程中b*值的变化情况,且预冷终温4 ℃所保持的色彩最佳。

2.5 不同预冷终温对芥蓝外观形态的影响

外观形态变化可直接反映芥蓝品质劣变及衰老程度[30]。如图6所示,经MSVPR处理后的芥蓝其黄化程度均低于对照组。CK组在第12天时开始黄化,第16天时黄化程度加重,已失去了食用价值,黄化程度与图5-c中所描述的色泽b*值相符。在第20天时V4组芥蓝贮藏外观形态最佳,黄化程度低,V0组因失重率较高,叶片相对萎蔫皱缩,并在分支茎及花蕾处开始黄化。V8组也在分支茎的叶柄处开始黄化,随后叶片开始脱落。可见,MSVPR较传统真空预冷可延缓芥蓝外观形态的劣变,将货架期从16 d延长至20 d,且预冷终温4 ℃的外观形态最佳。

图6 贮藏期内芥蓝外观形态变化

2.6 不同预冷终温对芥蓝贮藏期呼吸强度的影响

控制蔬菜的呼吸强度对于延缓果蔬衰老至关重要[10]。如图7所示,贮藏期间CK组芥蓝的呼吸强度持续加强,并在第8天时出现呼吸高峰,此时呼吸强度为291.57 mg/(kg·h),随后一直处于较高的水平。而处理组的呼吸强度始终低于对照组(P<0.05),V0、V4、V8组同时在第12天时出现呼吸高峰,与CK组相比明显推迟了呼吸高峰的到来。结果表明,MSVPR可以有效控制蔬菜的呼吸强度,这可能是因为叶片部分主导了样品的呼吸[21],而MSVPR在降温过程中通过热传导将根茎能量传输到叶片,从而使叶片可以更好地抵御来自外界环境的胁迫。此外,呼吸强度也受含水量的影响[31],这与图3中CK组失重率变化相符合。

图7 贮藏期内呼吸强度变化

2.7 不同预冷终温对芥蓝贮藏期抗坏血酸含量的影响

新鲜芥蓝富含丰富的抗坏血酸,并被视为重要品质指标[32]。如图8所示,在贮藏期间,对照组和处理组的抗坏血酸含量均呈现下降趋势。且处理组的抗坏血酸含量明显高于对照组(P<0.05)。在第20 d时,CK组中抗坏血酸含量仅为14.50 mg/100 g,降低了76.83%,而在V0,V4和V8组抗坏血酸含量分别降低了67.56%,41.41%和63.07%。结果表明,MSVPR可以有效缓解抗坏血酸含量的下降速率,这可能是因为MSVPR处理后的芥蓝热量分布更均匀,减少了贮藏过程中环境因子造成的危害。同时,处理组之间也存在显著差异(P<0.05),V4组可以更好地保持抗坏血酸含量,这是因为低温可以抑制酶的活性[33],而V0组因预冷终温过低导致芥蓝相关组织结构产生不可逆的损伤,其内部代谢紊乱,下降速率高于其他2组。

图8 贮藏期内抗坏血酸含量变化

2.8 不同预冷终温对芥蓝贮藏期MDA含量的影响

MDA是由衰老过程中活性氧(reactive oxide species,ROS)积累增加所致,是植物氧化胁迫程度的重要指标[34]。如图9所示,在整个贮藏期间,MDA含量始终呈上升状态,且处理组MDA含量始终低于对照组(P<0.05)。在第20天时。对照组中MDA含量为3.64 μmol/g(FW),分别为V0、V4、V8组的1.14、1.46、1.22倍。说明MSVPR可以抑制芥蓝脂质过氧化的积累,降低形成冷害的风险,这是因为在降温过程中MSVPR可以更好地控制芥蓝的温度,避免因预冷温度过低导致膜损害。此外,MDA含量与抗坏血酸含量之间呈负相关,这是因为通过抗坏血酸-谷胱甘肽循环可有效减少ROS的含量[35]。

图9 贮藏期内MDA含量变化

3 结论

本文采用MSVPR技术对芥蓝进行预冷处理,研究不同预冷终温对芥蓝贮藏品质的影响。结果表明,MSVPR可以有效降低叶片和根茎的温差(平均温差控制在1 ℃以内),使芥蓝整体温度趋于平衡,但MSVPR预冷时间较长,特别是在保压过程中会不断的蒸发蔬菜水分,最终导致产品质量损失偏高,影响经济价值,因此采用MSVPR进行操作时预冷时间尽量控制在30 min内,以此来减少失重率。在贮藏至20 d时,预冷终温4 ℃贮藏的品质最佳,此时抗坏血酸损失率为41.41%,失重率为2.73%,叶绿素下降17.28%,并有效降低呼吸强度,抑制MDA含量的增长,与传统真空预冷贮藏16 d相比,MSVPR处理后的芥蓝可延长货架期至20 d。