大多数果蔬包装的薄膜透湿性较低,高呼吸速率果蔬的包装内湿度很快达到饱和,甚至产生凝结水,影响包装的可视性并加速果蔬腐烂。包装内水气交换受包装材料、开孔大小、果蔬生理活动、外界环境等众多因素的影响[1]。开孔膜可以使包装内的水蒸气通过孔与外界交换,延缓包装内相对湿度达到100%的时间,从而调节包装内水的冷凝[2]。国内外学者采用开孔膜包装香椿嫩芽[3]、圣女果[4]、西兰花[5]等,均有效地延长了产品的货架期。
短期厌氧处理是近几年开始采用的预处理技术,目前应用于果蔬采后贮藏领域[6]。FALLIK等[7]利用氮气对番茄进行短期厌氧处理,结果表明,处理后由病菌导致的果实腐烂率降低,果实感官品质和可溶性固形物等指标也表现良好,证明厌氧处理是维持产品品质的可行方案。任浩[8]用高浓度N2处理双孢菇,结果表明24 h厌氧处理加速了蘑菇的腐烂,6 h短期厌氧处理结合微孔气调能够较好的维持蘑菇的品质并显著减缓蘑菇的腐烂速率,但文中对开孔大小的选择并没有说明理由。在JALALIA等[9]的研究中,通过数学模型计算的开孔面积能够预测包装中的气体成分、湿度和水分冷凝的动态过程,可以使产品获得最佳性能。
目前短期厌氧处理多是先充入惰性气体形成厌氧环境,一定时间后再在包装上开孔透气,但开孔的大小仍没有参考依据。本研究对开孔膜的开孔面积计算公式[10]进行改进和完善,建立适用于厌氧处理的开孔面积计算数学模型,并选择高呼吸速率香菇为实验对象,探究两者结合处理对包装内湿度和保鲜效果的影响。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
本实验使用的香菇购自无锡市周新市场,选择无病害、无机械损伤、大小均匀、形状和成熟度相近的香菇作为实验材料。包装材料选择为PET/PE膜、PP托盘,薄膜厚度为70 μm,透湿率为3.52×10-12 g/(cm·s·Pa),托盘尺寸为184 mm×132 mm×80 mm。
聚乙二醇6000、浓盐酸、冰乙酸、邻苯二酚、30%过氧化氢,国药集团化学试剂有限公司;甲醇、愈创木酚,上海泰坦科技股份有限公司;醋酸钠,上海百灵威化学技术有限公司;聚乙烯吡咯烷酮、Triton X-100,北京伊诺凯科技有限公司。
1.2 仪器与设备
V-320气调包装一体机,苏州工业区德森包装机械有限公司;UV-1800紫外分光光度计,日本岛津国际贸易公司;C650B顶空分析仪,济南兰光机电技术有限公司;LC-LX-HR165A高速冷冻离心机,上海一恒科学仪器有限公司;水果硬度计,杭州艾普计量仪器有限公司;温湿度记录仪,福芸电子科技有限公司;阿贝折射仪,上海光学五厂。
1.3 开孔膜水蒸气交换模型建立
在包装顶空,水分子会同时通过包装薄膜和孔向外界逸出,经陈守江等[10]验证,多数果蔬包装膜开孔的扩散速率是膜渗透速率的几千倍,因此在开孔面积计算中,可忽略膜的渗透速率。当同一时刻,产品蒸腾产生的水分与通过开孔扩散的水分相等时,薄膜的开孔面积达到最大值A,如公式(1)所示:
Rtr×Wf=Rp
(1)
式中:Rtr,蒸腾速率,g/(g·h);Wf,产品重量,g;Rp,水分通过开孔扩散的速率,g/s。
呼吸热为果蔬蒸腾提供能量[11],呼吸热计算如公式(2)所示:
(2)
式中:qr,果蔬的呼吸热,kJ/(kg·h);E,1 mol葡萄糖燃烧产生6 mol二氧化碳时释放的能量,约为2 816 kJ;RCO2,CO2产生速率,mL/(kg·h);RO2,O2消耗速率,mL/(kg·h);C,物质的量浓度,mol/L。
根据理想气体状态方程转化得到公式(3):
(3)
式中:P,大气压压强,Pa;R,气体常数,8 314 cm3kPa/(mol·K);T,环境温度,K。
当大气中的水分活度大于果蔬中的水分活度时,果蔬不会因为环境湿度差异而失水,此时果蔬发生的蒸腾作用可认为是由呼吸产生的热量带来的。蒸腾速率模型如公式(4)所示:
(4)
式中:λ,水的蒸发潜热,kJ/kg;η,有效用于水分蒸发的呼吸热调整系数,数值为0.89。
水分子通过孔的扩散速率如公式(5)所示[12]:
(5)
式中:D,水分子扩散系数,g/(m·s·Pa);Δx,薄膜厚度,μm;A,开孔面积,mm2;M,水分子摩尔质量;Pout、Pin,包装内外水蒸气分压,Pa。
从而得到开孔面积计算如公式(6)所示:
(6)
果蔬蒸腾作用与温度相关,其动力来自于周围空气的水蒸气分压差,当开孔面积过小时,果蔬包装内水蒸气压饱和,袋内湿度达到100%,此时果蔬蒸腾速率计算如公式(7)所示:
(7)
式中:Ps,饱和水蒸气压,Pa;P′s,温度波动时水蒸气压,Pa。
将R′tr带入公式(6)可得该温度下最小开孔面积A′。
1.4 实验方法
1.4.1 短期厌氧处理预实验
将香菇随机分成5组,分别称取(150±5) g香菇装盒,其中4组在气调包装机的氮气模式下充入高纯氮气(99.8%)并用PET/PP膜封装,在5 ℃分别放置0、2、4、6 h后在薄膜中间开一个直径为2 mm的孔(记为N2-0 h、N2-2 h、N2-4 h和N2-6 h),另外一组充入空气作为对照组(记为CK)。VILLAESCUSA等[13]发现,蘑菇在4～8 ℃贮存,贮藏时间最长,因此本文选择储存环境为5 ℃,相对湿度75%条件下对香菇进行实验,每2 d观测一次香菇品质变化。
1.4.2 香菇厌氧处理后开孔面积确定
薄膜开孔采用热针穿孔法,穿孔针直径为2 mm。在光学显微镜下观察,实际开孔形状为椭圆形,计算开孔等效直径[14],得到单孔面积约为2.835 mm2。PET/PP薄膜厚70 μm,透湿率为3.52×10-12 g/(cm·s·Pa),结合呼吸速率,计算得N2-4 h处理的香菇开孔面积范围为29.95～37.99 mm2,CK组香菇开孔面积范围为34.96～44.3 mm2。
依据开孔面积,将香菇随机分成5组,进行表1处理,在5 ℃、75%相对湿度下贮藏,每2 d测定1次香菇指标并记录包装盒内湿度变化。每组设置6个平行组,每个平行组测量3次。
表1 试验分组情况
Table 1 Experiment groups
试验组开孔面积/mm2开孔数量/个N2处理时长/hCK000CK-P1525.52150N2-P942.5294N2-P1234.02124N2-P1542.52154
1.4.3 呼吸速率测试方法
采用密闭系统法进行呼吸速率检测:称取(100±5) g香菇密封在860 mL的硬质盒中,在5 ℃、75%相对湿度环境下贮藏,每间隔一定时间,使用顶空分析仪测定密封盒顶空中氧气与二氧化碳的浓度,不同位置重复测量3次,依据米氏方程(8)、(9)计算呼吸速率[15]。
(8)
(9)
式中:Vm,果蔬的最大呼吸速率,mL/(kg·h);Ki,非竞争抑制常数,%;Km,米氏常数,%;[O2]、[CO2],氧气、二氧化碳自身的体积分数,%。
1.4.4 香菇理化指标测定
1.4.4.1 硬度和开伞度测定
设置3个重复实验组,每组随机取3个香菇,在香菇菌盖顶端等间隔的3个位置,采用硬度计测定各位置果肉的硬度。
将香菇卷边内缘距离与外缘距离的比例作为开伞度值。每组随机测量3个香菇,重复3次取平均值。
1.4.4.2 腐烂指数和失重率测定
将香菇腐烂程度划分为4级:0级,无腐烂;1级,香菇腐烂面积<25%;2级,腐烂面积<50%;3级,腐烂面积>50%。腐烂指数的计算如公式(10)所示:
腐烂指数
(10)
通过计算贮藏前、后的质量差占贮藏前样品质量的百分比得到香菇失重率。
1.4.4.3 可溶性固形物(total soluble solids, TSS)测定
取5 g冰浴研磨后的香菇,纱布过滤后滤液用阿贝折光仪检测。
1.4.4.4 过氧化物酶(peroxidase, POD)和多酚氧化酶(polyphenol oxidase, PPO)活性测定
POD、PPO的测定参照曹建康等[16]的方法。以吸光度变化0.001为1个酶活力单位U,单位为U/g。
1.4.4.5 总酚与类黄酮含量测定
参照刘会琴等[17]的方法进行测量,在280 nm处测定总酚含量,调整紫外分光光度计为325 nm测定类黄酮含量,重复3次取平均值。
1.4.5 包装内相对湿度测定
在包装盒封装之前,将温湿度记录仪粘贴在盒内壁上边缘。
1.5 数据处理与分析
使用Matlab软件拟合呼吸速率并计算孔参数,SPSS 2021软件进行数据统计分析,Origin 2022软件完成绘图。
2 结果与分析
2.1 短期厌氧处理对香菇品质和呼吸速率的影响
腐烂指数直观反映香菇贮藏保鲜效果,腐烂程度越高,香菇品质越低。图1表明,CK组、N2-0 h组和N2-2 h组香菇在贮藏第4天出现腐烂现象,且随天数增加腐烂程度加剧,至第10天2组腐烂指数显著高于其他组(P<0.05)。N2-4 h和N2-6 h处理组在第6天出现腐烂变化,N2-4 h组香菇腐烂指数低于N2-6 h处理组6 h,这说明适当的厌氧处理可以延缓香菇腐烂,但长时间无氧呼吸会加剧对香菇的组织伤害,造成腐烂,这与SUN等[18]对双孢菇厌氧处理时长的研究结论类似。故本文选择N2-4 h处理的香菇进行后续开孔调湿实验。
图1 短期厌氧处理对香菇腐烂指数的影响
Fig.1 Effect of short-term anaerobic treatment on decay index of shiitake mushrooms
注:不同小写字母代表差异显著,P<0.05(下同)。
用米氏方程对CK组和N2-4 h处理组香菇呼吸速率进行拟合,分析N2处理对香菇呼吸速率的影响,各参数结果见表2。
表2 香菇厌氧处理前后的米氏方程模型参数
Table 2 Model parameters of Mie equation before and after anaerobic treatment of shiitake mushrooms
模型参数VmKmKiR2CK RO266.667-0.0670.0320.987CK RCO237.037-0.0740.0340.994N2-4 h RO27.092-0.2270.0300.969N2-4 h RCO26.024-0.2340.0250.985
根据公式(2),呼吸热计算用RO2和RCO2的平均值来表示呼吸速率[19]。由表2可知,CK组香菇O2最大消耗速率为66.667 mL/(kg·h),CO2最大消耗速率为37.037 mL/(kg·h),故呼吸速率为51.852 mL/(kg·h);而N2-4 h处理香菇呼吸速率为6.558 mL/(kg·h),约降低了8倍。由此可得,厌氧处理有效抑制了香菇的呼吸作用,这一方面降低了酶活性,减少了营养物质消耗,另一方面降低了香菇的蒸腾作用,从而延缓包装内水蒸汽冷凝滴落,避免香菇过早腐烂。
2.2 不同开孔包装对香菇硬度、开伞度、腐烂指数和失重率的影响
贮藏期间,香菇硬度呈下降趋势(图2-a),其中CK组硬度下降幅度最大,N2-P12处理组香菇硬度显著高于其他组(P<0.05)。到贮藏第9天,3个N2处理组硬度都高于CK和CK-P15对照组,这说明厌氧处理延缓了香菇品质下降,可能是因为短期厌氧处理产生的乙醇和乙醛抑制了乙烯的合成,使香菇成熟减慢。
a-硬度;b-开伞度;c-腐烂指数;d-失重率
图2 短期厌氧结合开孔包装对香菇硬度、开伞度、腐烂指数和失重率的影响
Fig.2 Effects of short-term anaerobic combined with open-pore packaging on hardness, openness, decay index and weight loss of shiitake mushrooms
开伞度是衡量香菇成熟度的重要指标,开伞率越大,成熟度越高[20]。香菇开伞度如图2-b所示,贮藏期间香菇开伞度逐渐增加,各开孔处理组与CK组存在显著性差异(P<0.05),这说明开孔处理可以有效延缓香菇成熟。N2-P12处理组开伞度一直处于最低水平,这说明短期厌氧结合开孔处理协同作用延缓香菇成熟的效果最好。
CK组第4天最早出现腐烂现象(图2-c),整个贮存期间,CK组腐烂指数显著高于其他组(P<0.05)。这是由于CK包装内相对湿度较高,包装内外水汽交换速率非常低,水蒸气在包装盒内壁和顶膜处聚集成小水滴后滴落到香菇表面,使得香菇更容易受到细菌侵害造成腐烂。N2-P9和CK-P15分别在第6天和第9天开始腐烂,第11天时N2-P12和N2-P15处理组轻微腐烂,N2-P12处理组腐烂率13 d内一直处于最低水平,由此可见短期厌氧结合开孔处理可以将产品无霉保质期延长至11 d。
香菇由于蒸腾作用水分逐渐减少,失水导致菇体萎蔫褐变,质量减轻,严重影响香菇品质[21]。由图2-d可知,香菇失重率逐渐升高,CK-P15失重率最高,CK组失重率最低,这是因为开孔数增多加速了内外空气流速,从而导致香菇失重。经过N2处理的3个实验组失重率位于两者之间,且随着开孔数增加逐渐升高,这可能是N2处理抑制了呼吸速率,减少了呼吸热造成的水分散失。在贮存后期,CK组和N2-P9处理组失重率急速上升,这是由于开孔不足包装内出现冷凝水积累,使产品腐烂,营养物质流失严重。
2.3 不同开孔包装对香菇TSS含量的影响
果蔬可溶性固形物是指糖类、有机酸等水溶性干物质,含量与果实失水、呼吸作用和酶活性相关[22]。图3反映了各实验组TSS含量的变化,在整个贮存期间,除CK组一直下降外,其余各组TSS含量先下降后上升,这是因为初期呼吸速率较高,营养物质流失较快,而后期香菇组织衰老,物质消耗减弱,且开孔导致香菇表面水分蒸发,造成TSS含量升高。各开孔组TSS含量差异不大,但都显著高于CK组(P<0.05),由此可见,开孔处理可以显著提高香菇的TSS含量。贮藏后期N2-P12和N2-P15处理组TSS含量显著高于N2-P9处理组,这说明开孔面积增大有助于果蔬内TSS含量维持在较高水平。
图3 短期厌氧结合开孔包装对香菇可溶性固形物含量的影响
Fig.3 Effect of short-term anaerobic combined with open-pore packaging on soluble solids content of shiitake mushrooms
2.4 不同开孔包装对香菇 POD、PPO 活性的影响
香菇POD活性先上升后下降(图4-a),其主要原因可能是由于随着贮存时间的延长,香菇内部过氧化氢逐渐积累,诱导POD活性升高。CK和CK-P15对照组在第6天达到酶活性峰值,此时香菇抗逆性最强,而N2处理将峰值向后推迟至第9天,显著提高了香菇的POD活性。在贮藏过程中,N2-P12和N2-P15处理组POD活性显著高于其他组别(P<0.05),POD活性高会减轻自由基对果蔬组织的伤害,延缓香菇褐变和衰老。这表明短期厌氧与开孔调湿处理相结合对POD的影响效果显著。
a-POD活性;b-PPO活性
图4 短期厌氧结合开孔包装对香菇 POD、PPO活性的影响
Fig.4 Effects of short-term anaerobic combined with open-pore packaging on POD and PPO activities of shiitake mushrooms
PPO可以聚合醌类物质使果蔬产生褐变,PPO活性越低,聚合反应进行的越慢,抵抗褐变能力越强[23]。在贮藏过程中,香菇PPO活性先上升后下降(图4-b),其中CK对照组酶活性较高,到第6天酶活性达到峰值121.43 U/g。CK-P15、N2-P15和N2-P12分别在第9天达到峰值107.14、100和85.71 U/g,3个N2处理组PPO活性显著低于对照组(P<0.05),由此可得,开孔可以推迟峰值到来,短期厌氧处理可以一定程度上抑制PPO活性。
2.5 不同开孔包装对香菇总酚与类黄酮含量的影响
总酚具有清除自由基、抗氧化衰老的作用,类黄酮具有抗菌作用,果蔬内总酚与类黄酮含量越高,营养价值越高[24]。从图5-a中可知,香菇总酚含量呈现下降趋势,与N2处理组相比,2个对照组下降程度更明显,这可能是因为酚类物质不断被PPO氧化褐变,底物含量逐渐减少,而N2处理后PPO活性被抑制,减缓了酚类物质的流失。在3个N2处理组中,N2-P12抑制PPO活性的效果最好,因此总酚含量显著高于其他处理组(P<0.05)。综上所述,厌氧处理可以显著延缓总酚含量下降,同时符合模型计算的开孔处理对香菇总酚和类黄酮含量的维持效果更好。
a-总酚含量;b-类黄酮含量
图5 短期厌氧结合开孔包装对香菇总酚含量、类黄酮含量的影响
Fig.5 Effects of short-term anaerobic combined with open-pore packaging on total phenolic content and flavonoid content of shiitake mushrooms
在香菇贮藏过程中,类黄酮含量逐渐降低(图5-b),CK 组下降幅度最大,11 d内下降了74.38%,经过开孔处理后下降趋势减缓,CK-P15组下降66.6%。N2-P9、N2-P12和N2-P15处理组11 d内分别下降了64.44%、55.73%和61.82%,均显著小于对照组(P<0.05),这说明短期厌氧和开孔处理均能维持香菇内类黄酮的含量,有助于总酚和类黄酮协同作用提高香菇抗氧化能力,抵御果蔬衰老。
2.6 不同开孔包装内相对湿度的变化
果蔬的呼吸蒸腾作用使包装内相对湿度不断增高,当湿度达到饱和(100%)时,包装内水汽会迅速凝结。包装内湿度过高会导致冷凝、加速霉变,湿度过低则使香菇失重加剧,因此包装内相对湿度需保持在90%以上。由图6可得,CK和N2-P9处理组包装内相对湿度迅速达到100%,这是由于薄膜扩散速率小,水蒸气不能及时扩散出去。N2-P15处理组由于开孔面积较大,贮藏4 d后相对湿度已低于90%。CK-P15和N2-P12处理组全程未达到100%,这说明通过开孔调湿模型计算的开孔面积可以使包装内湿度维持在较佳水平。
图6 短期厌氧结合开孔对包装内相对湿度的影响
Fig.6 Effect of short-term anaerobic combined with open-pore packaging on the relative humidity inside the package
3 结论
本研究在确定了香菇最适厌氧处理时长的情况下,通过菲克扩散定理对果蔬内外水分调节进行设计,研究不同开孔面积下厌氧处理对香菇品质和包装内湿度的影响。研究发现根据模型计算得到的开孔参数能够保持香菇包装盒内维持合适的相对湿度,且开孔和短期厌氧处理均能延缓香菇的衰老,在维持硬度、抑制褐变等方面表现出显著影响。相比CK组4 d的无霉保质期,N2-P9组无霉贮藏时长为6 d,CK-P15组延长至9 d,N2-P12和N2-P15组无霉贮藏期延长至11 d。在开孔处理的四组香菇中,N2-P12处理组包装内冷凝出现的时间最晚,贮藏期间几乎不产生冷凝,使香菇硬度更高,失重率、腐烂指数、开伞度以及多酚氧化酶活性在贮藏期内都处于较低水平。综上所述,经模型计算的开孔处理和短期厌氧处理都可以降低包装内相对湿度和提高香菇保鲜性能,两者协同处理可以增强香菇的外观品质,这可作为香菇包装内湿度调节和销售保鲜的一种新思路。
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