柑橘罐头是我国柑橘加工产业中最大宗的商品，我国柑橘罐头加工量占世界总产量的80%以上[1]。金属包装材料具有高强度、机械性能好及阻隔性能优良等特点，能最大限度地保证食物的新鲜，是一种良好的包装材料[2-3]。新型包装材料覆膜铁，具有抗腐蚀性能良好、成本低和绿色环保等特点，应用在食品饮料包装中具有较大的优势[4]。
货架期是指食品保持市场可接受的质量以及法律和安全要求的，规定贮存条件下保持食品品质及最佳食用价值的期限[5-6]。在货架期内，需确保食品的感官特性、食品安全及营养均符合标准，当超过这个期限，食品的某些感官特性(色泽、组织形态、滋味气味等)可能产生变化，其营养价值随之降低[7-8]。目前，货架期评估都是以感官评价为核心、理化指标和微生物指标为辅的品质评价方法，一般通过建立货架期预测模型(Q10模型、一级反应模型、二级反应模型、BP神经网络、威布尔危险值分析等)对货架期进行评估[9-10]。顾海宁等[11]对冷却猪肉进行理化因子与感官品质皮尔逊积聚相关性分析，通过感官品质货架终点获得理化因子的限值，建立冷却猪肉货架期预测模型，并对冷却猪肉货架期进行预测。ZHOU等[12]研究了温度对微生物生长的影响，采用一级反应模型和二级反应模型进行描述，经验证2种模型均可准确地预测即食菠菜的微生物生长，预测模型在估计保质期方面有着潜在应用，可提高新鲜农产品的安全性和质量。LAN等[13]利用非工业鲜芒果汁的微生物安全性、营养和感官特性，对其货架期进行了测定。
对于预包装食品来说，其货架期的影响因素是复杂多元的，不仅受到自身贮存温度、贮存时间等内在因素的影响，还受到包装环境的外在影响，如包装材料的材质在贮存过程中的变化，与食品内容物接触的材料中的物质迁移等。因此对于罐头食品来说，货架期评估需考虑空罐质量、食品安全、内容物质量和感官等综合因素的影响。罐头属于商业无菌产品，不受微生物繁殖导致的感官恶化，因此罐头食品的货架期符合以温度和时间为主要变量的变化趋势[14]。根据Arrhenius方程，升高温度与延长时间可达到相同的化学反应效果[15-16]。因此，加速实验是一种常用且有效的预测货架寿命的方法，且实际贮存条件下的监测更快、成本更低[17-18]。
本研究通过加速实验对覆膜铁罐装橘子罐头的空罐质量、食品安全、内容物质量和感官等多种指标进行研究，探索主要理化指标的变化情况。通过SPSS软件进行因子分析并与Q10模型组合，建立了基于Q10模型的橘子罐头货架期模型，并对覆膜铁罐装橘子罐头的货架期进行预测与验证，为监测和控制橘子罐头质量提供技术依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
实验样品：覆膜铁空罐，内膜材料为改性聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate，PET)，厚度20 μm；覆膜铁罐装橘子罐头，由国内某罐头企业提供。
标准品：富马酸(C4H4O4，纯度≥99%)、酒石酸(C4H6O6，纯度≥99%)、柠檬酸(C6H8O7，纯度≥98%)、苹果酸(C4H6O5，纯度≥99%)、乳酸(C3H6O3，纯度≥99%)、双酚A(BPA，纯度≥97%)，美国Sigma-Aldrich公司；甲醇、乙腈(均为色谱纯)，北京诺其雅盛生物科技有限公司；磷酸、乙酸、硫酸、草酸、高锰酸钾、硝酸、盐酸、乙醇、三氯甲烷、碘化钾、可溶性淀粉、溴水、无水碳酸钠、无水乙酸铵、乙酰丙酮、氢氧化钠(分析纯)，国药集团化学试剂公司；实验用水为Milli-Q系统制得的超纯水(电阻率不小于18.2 MΩ·cm)。
1.2 仪器与设备
数字电桥(Precision LCR Meter)，常州市同惠电子有限公司；LC-20AD型高效液相色谱仪-紫外检测器、电感耦合等离子体质谱仪(inductively coupled plasma source mass spectrometer，ICP-MS)、GC-MS，日本岛津仪器有限公司；EL20 pH计，上海智中实验室设备有限公司；Spectra Max i3酶标仪，美国MD公司；DER-400罐内涂膜完整性测定仪、CVG-100-200罐头真空度测定仪，嘉怡仪器有限公司；BSP-250型生化培养箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；AL204型电子天平，梅特勒-托利多仪器；卫生开罐刀，麦科仪(北京)科技有限公司；电子游标卡尺，北京汇科同创科学仪器有限公司；小型高速组织捣碎机，上海汗诺。
1.3 实验方法
1.3.1 取样贮存
将橘子罐头随机分成3组，分别置于常温(25 ℃)、37、55 ℃条件下贮存。取样点为0、10、20、30、90 d。对每个取样点进行空罐质量测试、食品安全测试、内容物质量测试和感官测试。
1.3.2 测试方法
1.3.2.1 空罐质量测试
根据GB/T 14251—2017《罐头食品金属容器通用技术要求》，对橘子罐头的空罐质量进行测试，对内壁外观、内壁颜色变化、内壁腐蚀变化、内膜脱落情况和内膜致密性进行评价测试。
1.3.2.2 食品安全测试
根据GB 31604.46—2016《食品安全国家标准 食品接触材料及制品 游离酚的测定和迁移量的测定》、GB 31604.10—2016《食品安全国家标准 食品接触材料及制品 2, 2-二(4-羟基苯基)丙烷(双酚A)迁移量的测定》、GB 31604.48—2016《食品安全国家标准 食品接触材料及制品 甲醛迁移量的测定》、GB 31604.30—2016《食品安全国家标准 食品接触材料及制品 邻苯二甲酸酯的测定和迁移量的测定》、GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》、GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》对橘子罐头进行安全测试。
1.3.2.3 内容物质量测试
内容物质量测试包括外观、顶隙、真空度、pH和固形物。通过肉眼观察橘子罐头外观。采用罐头真空表测试真空度。采用电子游标卡尺测量顶隙。根据GB 5009.237—2016《食品安全国家标准 食品pH值的测定》，采用pH计测定橘子罐头的pH。根据GB 5009.157—2016《食品安全国家标准 食品有机酸的测定》，采用高效液相色谱对橘子罐头进行有机酸含量测定。根据GB/T 10786—2006《罐头食品的检验方法》测定固形物含量。采用酶标仪测试600 nm下，橘子罐头清汁的吸光度，根据公式(1)计算褐变度:
褐变度
(1)
式中：A0为0点橘子罐头清汁吸光度，Abs；As为采样点橘子罐头清汁吸光度，Abs。
1.3.2.4 内容物感官测试
根据GB/T 13210—2014《柑橘罐头》中感官要求，制定橘子罐头感官评价评价标准，如表1所示。通过罐头标委会(SAC/TC64/SC2)与食品接触金属制品标委会(SAC/TC397/SC5)秘书处组织人员，依据GB/T 16291.1—2012《感官分析 选拔、培训与管理评价员一般导则 第1部分：优选评价员》进行培训，并由品评员根据评价标准进行感官评价。
表1 橘子罐头评价标准打分表
Table 1 Evaluation criteria scoring table for canned orange
项目评分标准分数/分色泽较均匀一致的金黄色液体,富有光泽,果肉无褐变;色泽略暗淡,果肉开始褐变;果肉和汤汁颜色暗淡,果肉严重褐变;16^2011^150^10组织形态均匀液状,较清,有很少果肉碎屑,果肉饱满剔透完整,呈瓣状分部;液体略浑浊,果肉饱满度降低,出现破囊胞液体浑浊,囊胞破碎,出现白色浑浊;26^3021^250^20滋味气味酸甜可口,有浓郁的橘子芳香味,肉质松软;酸甜味较淡,橘子芳香味减弱;口感不柔和、过酸或发苦,橘子香气缺失;41^5031^400^30总分100
1.4 数据处理
数据处理采用SPSS 26软件中的因子分析、相关性分析和回归分析方法，图形绘制采用Origin 2021。
2 结果与分析
2.1 测试结果
2.1.1 空罐质量
0点和各取样点罐头均有良好的内壁外观且无颜色变化，均未出现明显腐蚀点及内膜脱落现象。缺陷电流值基本没有变化，维持在0.011 mA，误差为±0.003 5 mA。采用数字电桥检测橘子罐头的阻容值Cp和损耗因子D值，根据公式(2)计算R值，电阻值越大，罐头内膜致密性越好。测试结果如表2所示，橘子罐头的电阻在109～1011 Ω范围，远大于107 Ω，表明贮存的所有罐头具有良好的内膜致密性[19]。
表2 橘子罐头阻容值
Table 2 Resistance value of canned orange
取样点常温37 ℃55 ℃CP/nFDR/ΩCP/nFDR/ΩCP/nFDR/Ω032.90.2152.26E+1032.90.2152.26E+1032.90.2152.26E+1010 d38.30.1376.73E+1032.70.7077.52E+0933.70.5979.62E+0920 d29.30.3801.42E+1145.20.0123.12E+1132.30.8476.31E+1030 d32.20.3871.91E+1126.70.8704.56E+1021.30.834.78E+1090 d31.80.5109.80E+0940.10.5607.08E+0915.31.5306.79E+09
(2)
式中：R为电阻，Ω；Cp为电容值，nF；D为损耗因子。
2.1.2 食品安全
如表3所示，55 ℃贮存90 d的橘子罐头中游离酚、双酚A、甲醛、塑化剂、重金属等各项安全指标均符合国家标准。
表3 橘子罐头食品安全测定结果
Table 3 Results of safety determination for canned orange
注：ND表示低于测试检测限
测试项目标准要求实测结果结果判定游离酚/(mg·kg-1)≤3.0ND合格双酚A/(mg·kg-1)≤0.6ND合格甲醛/(mg·kg-1)≤150.02合格塑化剂/(mg·kg-1)≤5.0ND合格铅Pb/(mg·kg-1)≤0.10.002合格锡Sn/(mg·kg-1)≤2500.5合格镉Cd/(mg·kg-1)≤0.05ND合格
2.1.3 内容物质量
0点和保温贮存10、20、30、90 d的罐头，均有良好的外观完整性，均未出现胀罐漏罐的现象。罐头的平均顶隙为4.108 mm，误差为±0.466 3 mm。在贮存期间罐头的真空度有小范围波动，维持在0.007～0.008 MPa，表明罐头密封性好。
如图1所示，随着贮存时间的延长,橘子罐头的固形物含量、pH降低，褐变度升高，且变化速率随着温度的升高而加快。随着时间的延长，橘子罐头的pH降低，即酸性增强，致使维系囊胞表面性状的纤维素、果胶被逐渐水解，果肉逐渐散烂，囊胞中内容物溶出，最终呈现固形物逐渐降低的结果。根据分子热力学原理，随着贮存温度的升高，囊胞内容物溶出速率越快，橘子罐头固形物含量越低，如图1-a所示。因其橘子罐头色泽变化的主要原因是非酶褐变，其中以美拉德反应和维生素C的降解为主[20]。且温度对褐变有着促进作用。相同贮存时间下，贮存温度越高，褐变越剧烈，如图1-b所示。
糖酸风味对橘子罐头风味的影响最大，可溶性糖含量主要影响橘子甜度，而有机酸主要影响酸度，其中有机酸主要以柠檬酸为主[21]。通过贮存期间柠檬酸含量的变化，反映橘子罐头主要风味变化。图2为有机酸变化情况，在0～30 d柠檬酸的含量随着贮存温度的升高而升高，随着贮存时间的延长而降低。而在贮存90 d后，柠檬酸含量明显降低，橘子罐头主要风味减弱。根据图2-d的总酸含量变化可知，总酸含量在90 d的贮存时间后骤减。由于橘子罐头的pH在贮存90 d后仍旧呈下降趋势(见图1-c)，推测随着贮存时间的延长，橘子罐头中柠檬酸分解成小分子酸。
a-固形物;b-褐变度;c-pH
图1 橘子罐头固形物、褐变度和pH随贮存时间、温度的变化情况
Fig.1 Solid content, browning degree, and pH changes of canned oranges with storage time and temperature
a-常温;b-37 ℃;c-55 ℃;d-总酸含量
图2 橘子罐头有机酸含量随贮存时间、贮存温度变化情况
Fig.2 Change of organic acid content of canned orange with time and temperature
2.1.4 内容物感官评价
橘子罐头感官评价分为色泽、组织形态和滋味气味3部分组成，设定感官评价分数60分为货架期终点。由图3可知，不同温度下贮存的橘子罐头的感官评价分数及各项评分，均随着贮存时间的延长而降低，其中55 ℃条件下贮存的感官评价分数下降最快。在常温和37 ℃贮存条件下，橘子罐头的滋味气味没有太大变化，而55 ℃贮存30 d的罐头出现腐败酸味，90 d的罐头出现苦味，不同于橘子罐头产品本身风味的出现，降低了感官评价项目的评分，因此，55 ℃贮存90 d的罐头感官评价分数低于60分，严重不符合评价标准，结束55 ℃的加速实验。同理于150 d结束37 ℃的加速实验。
a-常温;b-37 ℃;c-55 ℃;d-总分变化图
图3 橘子罐头感官评价分数图
Fig.3 Sensory evaluation score diagram of canned orange
由2.1.1和2.1.2可知，随着贮存时间的延长和贮存温度的变化，橘子罐头空罐质量和食品安全均符合标准，该覆膜铁包装材料在贮存时间内对货架期没有影响，是一种良好的食品接触材料。因此，可通过对橘子罐头的内容物质量和感官评价来判定其货架期。根据上述结果，并结合图3-d可得55 ℃贮存条件下的实际货架期为32 d。此外，对常温和37 ℃贮存条件下的橘子罐头的感官评价进行后续追踪，得到37 ℃贮存条件下的货架期为148 d。
2.2 结果分析
2.2.1 因子分析
影响橘子罐头感官的主要因素为色泽、组织形态和风味滋味，可由褐变度、固形物含量、pH、柠檬酸含量表示。采用软件SPSS对4个指标在25、37、55 ℃贮存条件下的测试结果进行因子分析，见表4。
表4 不同贮存温度下橘子罐头理化指标的因子分析结果
Table 4 Factor analysis results of physicochemical indexes of canned orange at different storage temperatures
温度/℃主成分数量特征值总方差百分比/%累计特征值累计百分比/%2512.98674.6492.98674.6493713.72092.9933.72092.9935513.83095.7523.83095.752
由表4可知，在25 ℃条件下，用因子分析的方法从4个理化指标中提取出1个主成分为：F(因子)=0.891 Z(pH)+0.929 Z(固形物)+0.613 Z(柠檬酸)-0.977 Z(褐变度)。在37 ℃条件下，提取出1个主成分为：F(因子)=0.953 Z(pH)+0.952 Z(固形物)+0.963 Z(柠檬酸)-0.989 Z(褐变度)。在55 ℃条件下，提取出1个主成分为：F(因子)=0.960 Z(pH)+0.988 Z(固形物)+0.969 Z(柠檬酸)-0.977 Z(褐变度)。其中，各函数中“Z()”表示主成分无量纲数据，无实际意义；F为理化因子。
2.2.2 理化因子与感官评价相关性分析
采用皮尔逊积聚相关分析，探究不同贮存温度下理化因子与感官评价的相关性，回归分析见表5。由表5可知：在25、37、55 ℃贮存条件下，理化因子F与感官评价之间具有良好的相关性，由此可通过感官品质的货架期终点值[即G(感官)=60]获得相应理化因子F的理论限值。
表5 不同贮存温度下橘子罐头理化指标因子与感官评价相关性分析结果和回归分析结果
Table 5 Correlation analysis and regression analysis between physicochemical index factors and sensory evaluation of canned orange at different storage temperatures
注：G(感官)指感官评价的分数
温度/℃相关系数R2一次线性拟合方程F值250.951*0.905F=0.355G(感官)-34.467-13.167370.891*0.893F=0.105G(感官)-9.494-3.194550.996**0.990F=0.042G(感官)-2.950-0.430
将得到的理化因子F值与时间t进行回归分析，获得回归方程，再将由计算得出的F理论限值带入回归方程，从而计算得橘子罐头的理论货架期，见表6。
表6 不同贮存温度下橘子罐头货架寿命分析结果
Table 6 Shelf-life analysis of canned orange at different storage temperatures
温度/℃回归方程(y-F值,t-时间)相关系数R2货架期/d25y=-0.075t+0.000 5t2+1.2740.984227.537y=-0.068t+0.000 4t2+1.2130.942146.255y=-0.054t+0.000 3t2+1.1020.99934.6
2.2.3 橘子罐头货架期预测
Q10为加速破坏实验条件下，温差为10 ℃的2个温度下的货架期变化率，或高温反应速率为低温反应速率的几倍。Q10的计算如公式(3)所示：
(3)
式中：θs(T1)为在T1温度下进行破坏性实验得到的货架期，d；θs(T2)为在T2温度下进行破坏性实验得到的货架期，d。实际贮存温度下的货架期预测模型如公式(4)所示：
(4)
式中：θs(T)为在实际贮存温度T下的货架期，d；θs(T′)为在T′温度下进行破坏性实验得到的货架期，d；ΔTa较高温度T′与实际贮存温度T的差值(T′-T)，℃。
将实验数据带入公式(3)计算出Q10，再通过公式(4)可计算出实际贮存温度下的货架期θs(T)。则橘子罐头货架期预测模型为：
计算可得25 ℃常温贮存的橘子罐头预测货架期为364.4 d。
2.2.4 货架期预测模型的验证
将橘子罐头在37 ℃、55 ℃贮存条件下，用货架期实测值验证货架期预测模型，得到的货架期预测值与实际测定值如表7所示。结果显示所建立的橘子罐头货架期预测模型的相对误差<10%，预测结果真实可靠。
表7 橘子罐头在37 ℃和55 ℃贮存温度下货架期的预测值和实测值
Table 7 Predicted and measured values of shelf-life of canned orange stored at 37 ℃ and 55 ℃
温度/℃货架期预测值/d货架期实测值/d相对误差/%37142.11483.9865534.6328.125
3 结论与讨论
橘子罐头货架期与空罐质量、食品安全、内容物质量和感官有关。覆膜铁灌装橘子罐头在货架期期间具有良好的内壁外观且无颜色变化，无腐蚀点及内膜脱落现象，且具有良好的内膜致密性，是一种良好包装材料。橘子罐头内容物的固形物含量、pH均随着贮存时间的延长而降低，随着温度的升高而降低；有机酸总含量随着时间的推移呈下降趋势，与此同时橘子罐头整体pH也逐渐降低，考虑为有机酸分解成小分子酸所致；褐变度随着贮存时间的延长而升高，随着温度的升高而升高。通过因子分析，在25、37、55 ℃条件下理化指标可由1个主成分因子F反映，且理化因子F与感官评价间具有良好的相关性。基于Q10模型对橘子罐头货架期进行预测。验证结果表明，所建模型适用于橘子罐头货架期预测，常温贮存的橘子罐头的货架期预测值为364.4 d。
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