二氧化氯(ClO2)是一种广谱、高效、安全的消毒剂和保鲜剂，能有效杀灭微生物[1-3]。在果蔬保鲜方面，ClO2一方面能抑制采后果蔬呼吸作用和乙烯的生成，减少品质劣变[4]；另一方面，ClO2能对微生物细胞膜造成非特异性的氧化损伤，影响细胞正常代谢最终导致死亡[5-6]，从而达到保鲜效果。
气态的ClO2扩散性好、穿透能力强，在龙眼保鲜上已有相关应用。GUNTIYA等[7]使用10 mg/L的ClO2处理龙眼10 min，发现丙二醛、共轭二烯、脂氧合酶活性增加，从而导致真菌细胞膜损伤。该方法可以减少20%～75%由真菌引起的果实腐败病的发生。CHUMYAM等[8]同样使用10 mg/L的ClO2处理龙眼10 min，发现龙眼果实衰老指数显著降低，品质更好。但是，ClO2不易贮存，较高浓度的ClO2气体具有潜在的爆炸风险，制备过程对设备要求高[9]。ClO2固态缓释剂作用时间长，不需设备现配现用、易贮运，安全性高，逐渐成为果蔬保鲜领域的研究热点。目前，在龙眼等热带水果中有关研究鲜有报道。
因此，本研究以亚氯酸钠、酒石酸、硅胶、硅藻土为主要成分，研制出一种能通过吸收空气中痕量水分自动启动反应、持续缓慢释放ClO2气体的保鲜剂，并将其应用于龙眼保鲜。此外，由于评价果蔬贮藏品质的指标多样，独立分析某一或某些相关指标往往缺乏系统性[10]。本研究在对采后龙眼中关键品质指标分析的基础上，结合主成分分析(principal components analysis, PCA)法将6个关键指标浓缩为2个主成分，并建立相关数学模型，依据综合得分评价了ClO2缓释剂的保鲜效果。本研究可为龙眼贮运中品质控制和防腐减损提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
本实验所用龙眼购于海口市南北水果批发市场。龙眼经挑选，大小相近，无损伤，无病虫害。
亚氯酸钠(纯度≥99.4%)，天津市大茂化学试剂厂；酒石酸(纯度≥99.4%)，天津市北辰方正试剂厂；碘化钾(纯度≥99.0%)，天津市科密欧化学试剂有限公司；硫代硫酸钠(纯度≥99.0%)，天津市登科化学试剂有限公司。其他为分析纯常规试剂。
1.2 仪器与设备
NY-30SX漩涡混合仪，常州恩培仪器制造有限公司；GY-4水果硬度计，乐清市艾德堡仪器有限公司；NS800分光测色仪，深圳市三恩驰科技有限公司；FNV-55数显糖度计，河南绥净环保科技有限公司；5910R多功能离心机，德国Eppendorf公司。
1.3 实验方法
1.3.1 ClO2缓释剂的制备
在相对湿度≤30%的环境中称取一定量烘干后的亚氯酸钠、吸水剂、填充剂、固体酸，于1 500 r/min漩涡混合2 min后加入到透气的无纺布袋中，封口备用。主要发生的化学反应如下：
1.3.2 ClO2释放速率的测定
参考王奎涛等[11]的方法，略有改动，测定ClO2释放速率。称取1.5 g制备的缓释剂用无纺布袋包装后，放入1 L的密封盒内。盒中用10 mL的40 g/L的KI吸收释放的ClO2 12 h后，用可溶性淀粉为指示剂，用0.02 mol/L硫代硫酸钠滴定至褪色。计算如公式(1)所示：
ClO2释放速率
(1)
式中：C=0.02 mol/L；V为消耗的硫代硫酸钠体积，mL；T为释放时间，h。
1.3.3 ClO2缓释剂参数的优化
对缓释剂的吸水剂、填充剂、固体酸成分及比例在单因素试验的基础上，设计了4因素3水平的正交试验(表1)，以6 d内ClO2总释放量优选最佳配方。
表1 ClO2缓释剂配方正交试验
Table 1 Orthogonal array design for formulation of slow-releasing chlorine dioxide preservatives
水平因素亚氯酸钠/g酒石酸/g硅胶/g硅藻土/g130.50.50.52311133222
1.3.4 龙眼果皮色泽指标的测定
每组取10个果，对果实表面赤道部位对角4个方向测定果皮的L*、a*、b*值。其中，L*表示亮度，值越大则样品表面越光亮；a*表示红绿色差；b*表示黄蓝色差；CCI表示着色指数(color contribution index)，计算如公式(2)所示：
着色指数
(2)
1.3.5 龙眼果皮硬度和果肉可溶性固形物的测定
每组取5个果，每个果用硬度计测定果皮2次，共10次，计算平均值；每组取5个果，按NY/T 2637—2014《水果和蔬菜可溶性固形物含量的测定 折射仪法》测定可溶性固形物(total soluble solids, TSS)含量，每个果测2次，共10次，计算平均值。
1.4 数据处理
采用SPSS 22.0进行PCA和单因素方差分析，P<0.05表示差异显著，P<0.01表示差异极显著；采用Origin 2019b进行图形处理。
2 结果与分析
2.1 ClO2缓释剂的制备
2.1.1 单因素试验优化ClO2缓释剂配方
固体酸提供H+参与离子反应，因此通过控制酸化剂的量和种类可控制ClO2的释放速率[12]。本研究选择了2种二元有机酸和1种三元有机酸。如图1-a所示，草酸在前24 h爆释现象明显，48 h后基本停止了缓释ClO2。柠檬酸在60 h之后ClO2释放速度低于酒石酸。酒石酸是一种二元弱酸，在整个释放周期释放速率最稳定，能持续提供反应所需H+。如图1-b所示，随着酒石酸使用量的增加，前12 h内ClO2最大释放速率逐渐增大。使用3 g酒石酸的缓释剂，在第72 h停止了释放ClO2，说明提供的H+已过量。使用1 g酒石酸的缓释剂在60 h之后一直保持最高的释放速率，因此优选的固体酸为1 g酒石酸。
吸水剂能连续吸收环境中的痕量水蒸汽，为离子反应提供溶剂。如图1-c所示，CaCl2作为吸水剂，在24 h释放速率达到最大值5.97 mg/h，然后迅速下降，48 h后就停止释放ClO2气体。使用硅胶的缓释剂ClO2释放速率始终高于Na2SO4，表现出最佳性能。如图1-d如示，过量或过少的硅胶会引起ClO2释放速率不稳定。第24 h和第36 h，添加3 g和0.5 g硅胶的缓释剂ClO2释放速率突然增大。添加1 g硅胶的缓释剂ClO2释放速率最稳定，因此，优选的吸水剂为1 g硅胶。
填充剂作为化学试剂的载体，让ClO2气体缓释更稳定。如图1-e所示，从第60 h开始，使用硅藻土的缓释剂ClO2释放速率持续保持最高，可能是出于它内部多孔的结构对ClO2气体吸附所引起。如图1-f所示，硅藻土添加不足会引起ClO2缓释过程不稳定，添加0.5 g硅藻土的缓释剂在前72 h波动明显。硅藻土添加过量会引起ClO2缓释速率过低，添加3 g硅藻土的缓释剂在前72 h ClO2释放速率最低。添加1 g硅藻土的缓释剂ClO2释放波动性最小且保持较高速率，因此，优选的填充剂为1 g硅藻土。
a-3种固体酸；b-酒石酸用量；c-3种吸水剂；d-SiO2用量；e-3种填充剂；f-硅藻土用量
图1 缓释剂不同组分和用量对ClO2释放速率的影响
Fig.1 Effect of different components and amounts of preservatives on the release rate of ClO2
2.1.2 正交试验优化ClO2缓释剂配方
在单因素试验的基础上，本研究设计了L9(34)正交试验(表1)进一步优化了ClO2缓释剂的配方，结果见表2，影响ClO2总释放量的次序为酒石酸>硅胶>硅藻土。最佳配方为A3B2C1D1，即m(亚氯酸钠)∶m(酒石酸)∶m(硅胶)∶m(硅藻土)=3∶1∶0.5∶0.5。郭芹等[13]采用H2C2O4、NaClO3作为基础反应剂，并和一定量的MgSO4、CaCl2、NaHSO4、NaBO3·4H2O等助剂干燥后混合均匀，压片制得反应型固体ClO2缓释剂。该缓释剂量含6种主要成分和2种填充剂，成分较复杂，且制备工艺较繁琐。本研究制备的ClO2缓释剂仅包含4种成分，工艺简单，使用方便。
表2 正交试验
Table 2 Orthogonal experiment
序号A亚氯酸钠/gB酒石酸/gC硅胶/gD硅藻土/gClO2总释放量/mg130.50.50.5111.42230.51192.21330.52265.304310.51153.8153112131.2263120.5125.157320.52122.0083210.5120.569322195.31K189.64129.08119.04K2136.73114.66113.78K3112.6295.25106.17R47.0933.8312.87
2.1.3 ClO2缓释剂稳定性评价
温度是影响化学反应速率的主要因素之一，本研究评价了在5～25 ℃下最优配方的ClO2缓释剂的稳定性。结果如图2所示，在5～25 ℃下，ClO2缓释剂缓释周期均达到240 h以上，在12 ～36 h均出现最大释放速率，稳定性良好。温度越高，ClO2最大释放速率出现越早。25 ℃条件下缓释剂在第12 h时ClO2最大释放速率达到4.14 mg/h，15 ℃和10 ℃条件下缓释剂在24 h时ClO2最大释放速率分别为3.89、2.91 mg/h。5 ℃条件下的缓释剂在最大释放速率延迟到第36 h，为2.72 mg/h，在第108 h还会出现第二次释放波峰，为0.79 mg/h。相关研究表明，龙眼[14]、荔枝[15]、红毛丹[16]等无患子科水果在5～25 ℃下货架期一般为3～10 d。本研究制备的ClO2缓释剂最大释放周期达10 d以上，可满足实际生产需要。不同用量缓释剂对龙眼的抑制褐变和保鲜效果待进一步评价。
图2 不同温度对ClO2释放速率的影响
Fig.2 Effect of different temperatures on the release rate of ClO2
2.2 ClO2缓释剂对龙眼保鲜效果评价
2.2.1 ClO2缓释剂对龙眼关键品质指标的影响
色泽指标方面,如图3-a所示，使用缓释剂的龙眼L*值在贮藏过程始终高于对照组。使用0.6、1.2 g缓释剂的龙眼贮藏第9天的L*值比对照组显著提高了10.5%、10.7%(P<0.05)，说明缓释剂能提高亮度，减少褐变色素物质的产生。与之相反，使用缓释剂的龙眼a*、CCI值在贮藏过程始终低于对照组(图3-b、图3-d)。与对照组相比，使用3种剂量的缓释剂的龙眼在贮藏第9天，a*值分别下降了19.3%、16.1%、19.6%，CCI值也分别下降了22.0%、17.7%、12.2%。a*值和CCI值越小表征红色越浅，说明缓释剂减少了红色色素物质的产生。此外，使用1.2 g缓释剂的龙眼贮藏第9天的b*值比对照组显著降低了17.2%(图3-c)(P<0.05)。b*值越小表征黄色越浅，说明缓释剂同样还能减少黄色色素的产生。大量文献表明，适当浓度的ClO2处理能抑制翠红李[17]、荔枝[18]等果实L*值的下降，延缓果实表面颜色变暗。王亚萍等[19]认为可能是由于适宜的ClO2浓度可以抑制果实的氧化衰老。这与本研究结果一致。
a-L*值；b-a*值；c-b*值；d-CCI值；e-硬度；f-可溶性固形物
图3 ClO2缓释剂对龙眼关键品质指标的影响
Fig.3 Effect of slow-releasing ClO2 preservatives on the key quality indexes of longan
注：图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)
品质指标方面：果皮的硬度是影响水果品质和消费者选择的重要指标，贮藏过程中硬度过高与果蔬失水高度关联[20]。如图3-e所示，使用1.2 g缓释剂的龙眼在贮藏第9天，硬度比对照组显著下降了19.3%(P<0.05)，说明缓释剂减少了果皮水分的流失，减缓了硬度的增加，利于果肉品质的维持。果肉中TSS含量变化如图3-f所示,在贮藏的中后期对照组的TSS含量增长明显，而使用缓释剂能延缓增长。3种缓释剂用量的龙眼在贮藏第9天，TSS含量分别比对照组显著降低了12.8%，11.1%，11.6%(P<0.05)。说明缓释剂不仅减缓了果皮失水，还能抑制果肉TSS含量的增加，推测是由于呼吸作用减缓了可溶性糖等物质的消耗引起。ClO2可以通过降低淀粉水解酶和果胶降解酶的活性，保持果蔬硬度和细胞壁的完整性[21]。SUN等[22]和董晓庆等[23]也发现适当浓度的ClO2处理能维持番茄的硬度，并减少失水现象，这与本研究的发现一致。
2.2.2 ClO2缓释剂对龙眼保鲜效果PCA评价
为综合评价3种不同使用剂量ClO2缓释剂对龙眼采后品质的影响，本研究将以上6个指标进行了PCA。首先将6个指标进行均一化处理，公式为X=(原始值-平均值)/标准偏差。最终使6个指标的平均值为0，标准偏差为1，消除不同量纲的影响。各指标均一化后结果如表3所示。然后，按照PCA降维的思路，将6个指标划分为若干个主成分。选择特征值≥1、贡献率较大的2个主成分，如表4所示，主成分1特征值2.631，方差贡献率为43.856%。主成分2特征值1.676，方差贡献率为27.940%。以上2个主成分能代表6个指标的71.795%的信息，可以建立综合评价方程模型。
表3 各指标均一化后的值
Table 3 The normalized value of each index
分组时间/dL∗值a∗值b∗值CCI值硬度TSS0-0.020.84-0.320.720.360.31 对照组3-1.111.221.140.45-1.920.26 6-0.642.09-0.722.10-0.041.02 9-2.241.540.421.311.732.13 00.35-0.34-0.51-0.140.360.31 缓释剂0.3 g3-0.51-1.251.83-1.52-0.460.17 60.39-0.440.14-0.52-1.12-1.23 9-1.580.030.490.000.22-1.12 00.00-0.10-0.770.240.360.31 缓释剂0.6 g30.40-0.901.52-1.321.820.38 60.88-0.10-1.000.210.40-1.69 90.340.27-0.370.260.02-0.68 00.69-0.58-0.72-0.280.360.31 缓释剂1.2 g31.30-1.571.26-1.76-1.361.16 61.40-0.71-1.08-0.320.20-0.86 90.370.00-1.320.58-0.96-0.79
表4 入选的2个主成分特征值和累积方差贡献率
Table 4 Eigenvalues and cumulative contribution rates of the 2 selected principal variances
主成分特征值方差贡献率/%累计方差贡献率/%12.63143.85643.85621.67627.94071.795
2.2.3 ClO2缓释剂对龙眼保鲜效果数学模型评价
由6个因子的特征向量为系数，构建了2个主成分的线性方程： Y1=-0.277X1+0.363X2-0.097X3+0.351X4+0.115X5+0.160X6； Y2=-0.288X1-0.064X2+0.543X3-0.221X4+0.082X5+0.399X6。将2个主成分的方差贡献率作为系数带入，得到综合评价的总方程： Y=0.438 56Y1+0.279 40Y2。
最后，将表3中各组龙眼指标的均一化值带入以上方程，得到综合得分。如图4所示，对照组龙眼在贮藏过程中综合得分一直高于临界值(0)，且呈直线增长，说明其褐变和品质劣变迅速。使用1.2 g缓释剂的龙眼在贮藏过程中一直保持最低的综合得分，说明其保鲜效果最好，控制褐变和保鲜效果最佳。使用0.6 g 和0.3 g缓释剂的龙眼在前期无明显区别。但从第6天起，使用0.6 g缓释剂的龙眼综合得分更低，说明保鲜效果更好。第9天时，使用0.3 g缓释剂的龙眼综合得分由负转正，说明褐变和品质劣变开始加速。综上判断，保鲜效果的排序为1.2 g缓释剂>0.6 g缓释剂>0.3 g缓释剂>对照组。有研究表明，龙眼果实的衰老与能量代谢和氧化还原平衡密切相关。采用一定浓度ClO2短时间熏蒸龙眼，可以更好维持ATP能量水平和氧化还原的平衡状态，进而延缓果实衰老[24]，减少活性氧的产生，降低果实细胞膜的损伤[25]，还能有效延缓果皮褐变的发生，保持果实品质[26]。本研究采用0.3～1.2 g ClO2缓释剂长时间处理与5～25 mg/L短期处理龙眼有类似保鲜效果，但其作用的机理和差异，特别是对果皮细胞结构的影响，仍需要更深入对比性研究。
图4 不同用量ClO2缓释剂对采后龙眼品质综合得分
Fig.4 Comprehensive scores of postharvest longan treated with different amounts of ClO2 preservatives
3 结论
经优化，最佳ClO2缓释剂由m(亚氯酸钠)∶m(酒石酸)∶m(硅胶)∶m(硅藻土)=3∶1∶0.5∶0.5配制。该缓释剂在5～25 ℃下，ClO2释放周期均达到240 h以上，在12～36 h均出现最大释放速率，稳定性良好。应用0.3、0.6、1.2 g缓释剂发现：使用1.2 g缓释剂的龙眼第9天与对照组相比，色泽指标L*值显著提高了10.7%(P<0.05)，而a*、b*、CCI值分别下降了19.6%、17.2%、12.2%；硬度和TSS含量也显著降低了19.3%、11.6%(P<0.05)。进一步的PCA和建立的数学模型证明：使用缓释剂的龙眼综合得分明显要低于对照组，发生褐变和品质劣变更少，且随着缓释剂使用量增加保鲜效果增加。整个贮藏期间只有1.2 g缓释剂处理的龙眼综合得分一直低于临界值(0)，再次验证了其保鲜效果最好。本研究可为热带水果贮运中的褐变控制提供参考。
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