温度对鲜切马铃薯品质影响及货架期预测模型的建立

王 杰， 索慧敏， 韩育梅

(内蒙古农业大学食品科学与工程学院，呼和浩特 010018)

鲜切马铃薯是新鲜马铃薯经清洗、去皮、切分和包装等工艺制成的产品[1,2]，它保留了马铃薯原有营养成分，方便快捷、安全卫生，具有广阔的市场前景。鲜切马铃薯由于加工过程中不可避免的机械切割，导致生理生化反应加剧，微生物大量生长繁殖，严重限制了产品的货架期[3，4]。因此，为延缓鲜切马铃薯品质发生劣变的时间，对鲜切马铃薯进行保鲜处理并对贮运过程中鲜切马铃薯品质的变化进行实时监测并准确预测鲜切马铃薯货架期是尤为重要的，这不仅有利于提高马铃薯流通过程中的安全性，还可降低流通成本，减少损失，对鲜切马铃薯的加工利用极具现实意义。

温度是影响果蔬货架期的主要因素，对于果蔬在某一恒定温度下引起的品质变化，可利用化学反应动力学的原理建立货架期的预测模型，目前，研究温度对食品品质变化速率影响的货架期动力学预测模型主要有：Arrhenius方程[5]、Belehradek方程、Q10模型、Z值模型等[6]，Arrhenius方程应用最为广泛，Arrhenius方程主要是用来描述温度与产品腐败变质速率之间的关系[7]，刘晓燕等[8]研究了不同温度对鲜切莲藕品质的影响，通过Arrhenius方程，分别以硬度、褐变度、可溶性固形物为特征指标建立了3种货架期预测模型。利用Arrhenius方程预测货架期模型时，同一果蔬的几个特征指标品质变化不同，化学反应动力学模型的级数也有差异，一般零级反应和一级反应使用最广泛。Jaiswal等[9]对漂烫处理的鲜切甘蓝品质进行动力学研究，结果表明，甘蓝色泽和质构的变化遵循零级反应动力学模型，一级动力学模型可很好的描述总酚含量和抗氧化能力的变化。但目前对于鲜切马铃薯货架期预测模型的研究还鲜有报道。

本实验通过测定不同储藏温度下鲜切马铃薯感官评分、失重率、褐变度、菌落总数和硬度5个品质指标，进而确定鲜切马铃薯适宜的储藏温度，通过Arrhenius方程建立4～10 ℃范围内货架期的预测模型，以期为鲜切马铃薯的保鲜加工及流通提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 材料

马铃薯(品种:冀张12)产自内蒙古呼和浩特市武川县。

1.1.2 试剂

二氧化氯；柠檬酸、氯化钙；D-异抗坏血酸钠；19丝纹路真空袋；PCA琼脂培养基、磷酸缓冲液均为分析纯。

1.2 仪器与设备

PL303电子天平，TGZ-98C振荡培养箱，TGL-16M高速冷冻离心机，UV5紫外分光光度计，TA-XT Plus质构仪，DZ-400-2D真空包装机。

1.3 实验方法

将马铃薯用干净的刀具切为5 mm的薄片，于浓度为0.8%柠檬酸、0.5%D-异抗坏血酸钠、1.0%氯化钙、50 mg/L ClO2处理条件下浸泡10 min，纱布吸干表面水分，真空包装(9.625 9 kPa，20 s)，每袋200 g，分装90袋，分别置于4 ℃、7 ℃、10 ℃条件下储藏。每隔2 d取各储藏温度下鲜切马铃薯各3袋，对感官评分、褐变度、失重率、菌落总数、硬度进行测定，直至各储藏温度下的鲜切马铃薯达到货架期终点为止。各实验测定3次，结果取平均值。

1.3.1 感官评分的测定

感官评分表参照张敏欢[10]方法修改使用，由经过培训的男女比例为1∶1的10名食品专业研究生,对鲜切马铃薯的外观色泽、质地、气味及商业价值进行打分，见表1。

表1 鲜切马铃薯感官品质评价标准

1.3.2 褐变度的测定

将2 g马铃薯组织样品在pH为6.8的磷酸缓冲溶液中冰浴研磨成匀浆， 4 ℃、6 000 g条件下离心30 min提取上清液，于波长410 nm处测定吸光度值，褐变度(BD)以A410 nm表示[11]。

1.3.3 失重率的测定

采用称重法。失重率=(贮前质量-贮后质量)/贮前质量×100%[12]。

1.3.4 菌落总数的测定

采用平板计数法，参照GB 4789.2—2016《食品微生物菌落总数测定》。每袋取25 g马铃薯加入到225 ml的生理盐水中，振荡均匀后进行稀释，将所需梯度的稀释液取1 ml注入平皿中，每个稀释梯度2个重复，每个温度取3袋作为平行样。将稀释液与琼脂培养基摇匀，待凝固后在37 ℃培养箱中倒置培养48 h，培养结束后观察菌落生长情况并进行计数和计算。

1.3.5 硬度的测定

利用质构仪对鲜切马铃薯片中心部位进行测定。测定模式：质地多面分析(Texture profile analysis, TPA)模式；探头：P36R；测试参数：测前速度1.0 mm/s，测中速度1.0 mm/s，测后速度1.0 mm/s，压缩力30%，触发力5 g，两次间隔时间5 s。平行测定3次取平均值[13]。

1.4 数据处理

实验均进行3次重复操作，数据以“平均值±标准偏差”的方式表示，利用origin2018软件绘图并进行数据拟合,利用正交实验设计程序Ver3.2进行实验设计与正交分析，利用SPSS22.0软件采用最小显著极差法(LSD法)进行多重比较，显著水平P<0.05。

1.5 鲜切马铃薯货架期预测模型的建立

1.5.1 动力学模型的建立

鲜切马铃薯的储藏品质通常会随着时间的增加逐渐变差，与品质相关的某些特征指标(记作C)如失重率、褐变度等表现为升高或降低。不同特征指标C的变化函数级数也是不同的，由果蔬化学反应动力学方程决定。若特征指标C与储藏时间t具有线性关系，反应为零级，特征指标C的对数与储藏时间t具有线性关系，反应为一级。零级反应和一级反应模型为：

零级反应模型：C=kt+C0

(1)

一级反应模型：C=C0ekt

(2)

式中：t为储藏时间/d；C为储藏t时特征指标值；C0为特征指标初始值；k为化学反应速率。

1.5.2 Arrhenius品质变化及货架期预测模型的建立

Arrhenius方程是描述储藏温度与食品品质变化速率的定量关系式，在鲜切果蔬货架期预测模型的建立中已被广泛应用[14]。运用Arrhenius方程结合马铃薯品质变化的动力学模型，可以确定其特征指标C的反应速率k与储藏温度T之间的关系，Arrhenius方程见式(3)。

(3)

式中：k0为指前因子；Ea为活化能，单位J/mol；R为气体常数，8.314J/mol·K;T为绝对温度/K。

将式(3)左右两边同时取对数得式(4)。

(4)

由式(4)可以看出，lnk与(1/T)存在线性关系，以lnk为纵坐标，(1/T)为横坐标可得出斜率为(-Ea/R)、截距为lnk0的直线。利用Origin软件拟合鲜切马铃薯储藏温度T与反应速率k之间的关系，可求得活化能Ea和指前因子k0[15]。

将鲜切马铃薯特征指标C的品质动力学变化模型与Arrhenius方程相结合，可以得到“储藏时间-储藏温度-鲜切马铃薯储藏品质”三者的关系模型。这类模型在猕猴桃[16]、鲜切蘑菇[17]等多种食品货架期预测模型中均被广泛应用。

如果特征指标C的变化属于零级反应，将式(1)代入式(3)，转化后可得式(5)。

(5)

式中：R、-Ea和k0是已求得的常数；C为鲜切马铃薯达到货架期终点时的特征指标值；C0为鲜切马铃薯储藏初期特征指标值；t为鲜切马铃薯从储藏开始到货架期终点所经历的时间；T为鲜切马铃薯的储藏温度。零级反应鲜切马铃薯的货架期SL0(Shelf-Life0)见式(6)。

(6)

同样地，特征指标C拟合的变化属于一级反应，将式(2)代入式(3)可求得鲜切马铃薯基于一级反应模型下的货架期SL1(Shelf-Life1)，见式(7)。

(7)

2 结果与分析

2.1 不同储藏温度马铃薯感官品质变化

2.1.1 不同储藏温度对鲜切马铃薯感官评分的影响

如图1所示，随着储藏时间的延长，鲜切马铃薯的感官评分呈现逐渐下降的趋势，当感官评分下降为6分时，视为货架期终点。鲜切马铃薯感官评分高低的顺序为4、7、10 ℃。4 ℃条件下，感官评分下降速度较为缓慢，4 ℃和7 ℃储藏下的鲜切马铃薯在前6 d，感官评分并无显著性差异(P>0.05)，储藏第8天时，4 ℃和7 ℃具有显著性差异(P<0.05)，4 ℃感官评分为6.88分，品质较好，而7 ℃储藏为6.13分。在10 ℃储藏温度下，感官评分下降速度最快，在整个储藏期间与4 ℃和7 ℃均有显著性的差异(P<0.05)，当储藏6 d时，感官评分已下降到6.27分。10 ℃下鲜切马铃薯的呼吸速率加快，发生感官品质劣变，导致感官评分下降。而4 ℃能有效的抑制果蔬的呼吸作用，延缓衰老，感官评分下降较慢。

图1 不同储藏温度对鲜切马铃薯感官评分的影响

2.1.2 不同储藏温度对鲜切马铃薯褐变度的影响

如图2所示，鲜切马铃薯在不同温度条件下储藏，随着储藏时间的延长，褐变度整体均呈增大趋势，这是因为马铃薯经过去皮切分后，破坏了组织的完整性，当在氧气的参与下会发生酶促褐变，导致褐变度增大[18]。鲜切马铃薯褐变度高低的顺序为10、7、4 ℃，即温度越高，褐变度增加速度越快。4 ℃和7 ℃储藏下的鲜切马铃薯在前2 d，褐变度并无显著性差异(P>0.05)，2 d之后，4 ℃和7 ℃的褐变度具有显著性差异(P<0.05)。当储藏第8天时，4 ℃褐变度为1.13，而7 ℃储藏为1.5，7 ℃储藏是4 ℃褐变度的1.26倍。与4 ℃和7 ℃相比，10 ℃储藏的鲜切马铃薯褐变度明显增加，从储藏的第2天开始，与4 ℃和7 ℃均有显著性的差异(P<0.05)，褐变上升速度最快。因此，4 ℃更适宜鲜切马铃薯品质的保持。

图2 不同储藏温度对鲜切马铃薯褐变度的影响

2.1.3 不同储藏温度对鲜切马铃薯失重率的影响

如图3所示，鲜切马铃薯在不同温度下储藏，随着储藏时间的增加，鲜切马铃薯的失重率整体均呈增大趋势，这是因为鲜切马铃薯在储藏期间会因蒸腾和呼吸作用造成水分散失，致使失重率上升。鲜切马铃薯失重率的高低顺序为10、7、4 ℃。4 ℃储藏下的鲜切马铃薯在整个储藏期间与7、10 ℃均有显著性的差异(P<0.05)，当储藏第8天时，4 ℃失重率为0.63%，而7 ℃储藏为0.87%，10 ℃储藏为1.02%，可以看出，10 ℃储藏条件下的失重率上升速度最快，4 ℃最缓慢，4 ℃更适合鲜切马铃薯的储藏保鲜。

图3 不同储藏温度对鲜切马铃薯失重率的影响

2.1.4 不同储藏温度对鲜切马铃薯菌落总数的影响

如图4所示，随着储藏时间增加，鲜切马铃薯的菌落总数在不同储藏温度下均呈逐渐上升的趋势。由图可知，鲜切马铃薯菌落总数高低的顺序为10 ℃>7 ℃>4 ℃，这可能是因为低温导致一些嗜温微生物因不适应低温而死亡，随着储藏时间的延长，微生物适应环境，生长加快，菌落总数持续增加。4 ℃和7 ℃储藏下的鲜切马铃薯在前2 d，菌落总数并无显著性差异(P>0.05)，储藏第4天开始，4 ℃和7 ℃具有显著性差异(P<0.05)。当储藏第8天时，4 ℃菌落总数为4.95 lgcfu/g，而7 ℃储藏为5.78 lgcfu/g，二者具有显著性差异(P<0.05)，根据鲜切果蔬菌落总数不超过5 lgcfu/g的上限[19]，4 ℃储藏鲜切马铃薯货架期可达8 d以上，而7 ℃则已达到货架期极限。在10 ℃储藏温度下，菌落总数增长速度最快，从储藏的第4 d开始，与4 ℃和7 ℃均有显著性的差异(P<0.05)，当储藏第6天时，菌落总数为5.66lgcfu/g，已达到货架期极限。10 ℃条件下菌落总数增长速度快，原因可能是10 ℃加速了鲜切马铃薯的腐败变质，为微生物的生长提供了条件。因此4 ℃低温条件下更适合鲜切马铃薯的储藏保鲜。

图4 不同储藏温度对鲜切马铃薯片菌落总数变化

2.1.5 不同储藏温度对鲜切马铃薯硬度的影响

硬度是反应果蔬衰老的重要指标，鲜切马铃薯经去皮切分后造成机械损伤，导致组织破裂极易发生组织软化，同时储藏过程中温度的变化、微生物的生长繁殖以及一系列的生理生化变化，也会导致硬度的下降。如图5所示，随着储藏时间的增加，鲜切马铃薯的硬度在不同储藏温度下均呈逐渐下降的趋势。由图5可知，鲜切马铃薯硬度由高到低的顺序为4、7、10 ℃，10 ℃条件下鲜切马铃薯硬度值下降的最为迅速。在储藏的前2 d，4、7、10 ℃储藏下的鲜切马铃薯硬度并无显著性差异(P>0.05)，当储藏第4天时，4 ℃储藏的鲜切马铃薯硬度为6 348 g，7 ℃储藏为6 182 g，10 ℃储藏为5 709 g，10 ℃储藏温度下，硬度下降速度最快，与4 ℃和7 ℃均具有显著性的差异(P<0.05)，这可能是10 ℃状态下鲜切马铃薯中的原果胶变为水溶性果胶，细胞内多糖物质降解纤维素结晶减少[20]，细胞壁变薄导致组织软化，硬度降低。而4 ℃和7 ℃状态下可以有效的减缓上述变化从而保持马铃薯的质地。当储藏第8 d时，4 ℃储藏的硬度为5 883 g，而7 ℃储藏为5 435 g，10 ℃储藏为4 698 g，可以看出，10 ℃储藏条件下的硬度下降速度最快，4 ℃最缓慢，4 ℃更适合鲜切马铃薯的储藏保鲜。

图5 不同储藏温度对鲜切马铃薯硬度的影响

2.2 鲜切马铃薯储藏期间货架期预测模型的建立

根据2.1实验结果，鲜切马铃薯在4 ℃、7 ℃和10 ℃温度下储藏，与品质相关的理化指标褐变度、硬度、菌落总数、失重率及感官评分在储藏期内随着储藏时间的延长均表现出一定的变化规律，因此，可以利用这些指标来衡量鲜切马铃薯的品质，预测其货架期。

2.2.1 鲜切马铃薯品质动力学模型的建立

2.2.1.1 以化学反应为基础的品质动力学模型的建立

根据鲜切马铃薯品质的测定值进行方程拟合，得知鲜切马铃薯的褐变度、失重率、菌落总数和硬度更适用于零级反应，与储藏时间的关系满足公式C-C0=kt。根据3个指标的变化规律，将4 ℃、7 ℃和10 ℃(换算成热力学温度为277.15 K、280.15 K和283.15 K)3个温度下测得的鲜切马铃薯褐变度、失重率、菌落总数和硬度的变化进行线性拟合，求得不同温度下鲜切马铃薯褐变度、失重率、菌落总数和硬度变化的回归方程、反应速率常数k和调整决定系数R2，如表2所示。3个储藏温度下鲜切马铃薯褐变度、失重率、菌落总数和硬度的动力学模型中调整决定系数都大于0.85，则说明均具有较高的拟合度。

表2 动力学模型参数

根据马铃薯特征指标的Arrhenius方程，求得褐变度、失重率、菌落总数、硬度四个指标的模型参数k0和Ea的值，见表3。

图6 鲜切马铃薯储藏温度T与反应速率K之间的关系

表3 鲜切马铃薯货架期预测模型参数

将褐变度、失重率、菌落总数和硬度的相关参数代入式(6),求得4种货架期的预测模型：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：SL褐变度、SL失重率、SL菌落总数、SL硬度分别是以褐变度、失重率、菌落总数和硬度为特征指标建立的鲜切马铃薯货架期模型，C褐变度、C失重率、C菌落总数和C硬度分别是鲜切马铃薯到达货架期终点时褐变度、失重率、菌落总数和硬度的测定值；T为鲜切马铃薯储藏温度/K。

2.2.1.2 鲜切马铃薯货架期终点的判定

食品货架期终点一般通过消费者对产品的可接受度、行业标准以及产品感官品质进行评定[21]。鲜切马铃薯在储藏过程中易发生褐变、失水等感官变化，因此鲜切马铃薯货架期主要以感官评分为主结合理化指标判定其货架期终点。根据鲜切马铃薯感官评分标准表，得到不同储藏温度下鲜切马铃薯的感官评分变化，如图1所示，鲜切马铃薯的感官评分随着储藏时间的延长逐渐下降。根据鲜切马铃薯评分标准，当分值降为6分时，鲜切马铃薯达到感官拒绝点[22]，记为货架期终点。因此当感官评分降为6分时，测定此时鲜切马铃薯特征指标的具体值。对预测模型SL褐变度、SL失重率、SL菌落总数、SL硬度，当褐变度上升到1.53，失重率上升到0.86%，菌落总数上升到5.71 lgcfu/g、硬度下降为5 435 g时，视为货架期终点。

2.2.1.3 鲜切马铃薯货架期预测模型的验证

通过对比褐变度、失重率、菌落总数、硬度3个指标的实测值和模型的预测值来验证鲜切马铃薯货架期预测模型的准确性。参考范新光[12]的方法，鲜切马铃薯在4、7、10 ℃3个储藏温度下储藏，当感官评分降为6分时记为货架期终点，感官评分由10分降到6分所经历的这段时间，记为鲜切马铃薯货架期的实测值。将C褐变度=1.53带入式(8)，可求得货架期模型SL褐变度的预测值；将C失重率=0.86%代入式(9)，求得失重率货架期模型SL失重率的预测值；将SL菌落总数=5.71 lgcfu/g代入式(10)，求得菌落总数货架期模型SL菌落总数的预测值；将C硬度=5 435 g代入式(11)，求得硬度货架期模型SL硬度的预测值。通过对比不同温度下鲜切马铃薯褐变度、失重率、菌落总数和硬度模型的货架期预测值和实测值，计算两者的相对误差从而判定模型的准确性，如表4所示。鲜切马铃薯失重率的平均相对误差为13.37%，说明该预测模型的准确度偏低(平均相对误差在10%以内说明预测模型具有较高的准确度)。而褐变度、菌落总数、硬度预测模型整体准确度较高，基本上可用褐变度、菌落总数、硬度来评价鲜切马铃薯在4～10 ℃范围内的货架期。

表4 不同温度下货架期的预测值和实测值

3 结论

以马铃薯(冀张12)为原料，探究了不同储藏温度(4、7、10 ℃)对鲜切马铃薯品质的影响并建立了相应的货架期预测模型。结果表明，4 ℃有效抑制了鲜切马铃薯的褐变，延缓了失重率的上升及硬度的下降，显著降低了其表面微生物的数量，更有利于鲜切马铃薯储藏品质的保持，能有效延长鲜切马铃薯的货架期至12 d。基于鲜切马铃薯褐变度、失重率、菌落总数、硬度的变化，采用动力学模型结合Arrhenius方程建立货架期预测模型，通过4种预测模型的建立以及准确度的验证发现，SL褐变度、SL菌落总数、SL硬度的准确度较高，可以有效预测鲜切马铃薯在4～10 ℃温度范围内的货架期。