鲜切菠菜在不同冷藏温度下品质变化的动力模型

王 超 刘 斌 巩玉芬 王素英

(1天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学 300134； 2 天津市食品与生物技术重点实验室 天津商业大学 300134)

鲜切菠菜在不同冷藏温度下品质变化的动力模型

王 超1刘 斌1巩玉芬2王素英2

(1天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学 300134； 2 天津市食品与生物技术重点实验室 天津商业大学 300134)

通过正交设计确定了菠菜鲜切处理的最佳方案为用75 mg/L二氧化氯水溶液、0.5%氯化钠溶液分别浸泡10 min后，PVDC保鲜膜包装。然后将处理后的菠菜分别储藏于0 ℃、4 ℃、7 ℃、10 ℃，并测定了鲜切菠菜的失重率、叶绿素含量及菌落总数，跟踪样品品质随时间、温度的变化关系。结果表明，随着贮藏温度的升高和贮藏时间的延长，菠菜叶绿素含量减少；失重率则随着储藏温度的升高和贮藏时间的延长而增大；菌落总数也随着储藏温度的升高和贮藏时间的延长而增大。这表明鲜切菠菜0 ℃贮藏效果最好。基于实验数据，建立了失重率、叶绿素和菌落总数的动力学模型，获得了模型中的活化能参数，为流通过程中的货架期预测奠定了理论基础。

冷藏；动力模型；温度梯度；鲜切菠菜

冰温贮藏是将果蔬贮藏在0 ℃和冻结温度点之间温度带内，是继冷藏和气调冷藏之后的第三代果蔬保鲜技术[1]，能有效抑制呼吸作用和有害微生物的生理活动，延长蔬菜的保鲜期和货架期。伴随着鲜切果蔬市场的迅速扩展，相关的研究也逐渐增多，主要涉及果蔬生理生化、微生物、贮藏加工、包装、品质变化及评价、生物技术应用、质量安全保证等诸多学科，其中以延长货架期为主要目的，探讨如何有效保持鲜切产品鲜度和品质是研究的热点[2-3]。Marrero A等[4]将鲜切菠萝在0 ℃、2.2 ℃条件下贮藏，货架期比10 ℃条件下贮藏延长了10 d之多，达到了14 d以上。寇莉萍等[5]测定了0 ℃、5 ℃、10 ℃和室温下杏鲍菇的相关理化指标，发现0 ℃能有效抑制杏鲍菇的PPO活性及其腐烂褐变，降低失重率。有研究发现：果蔬经鲜切处理后，汁液流失较严重，组织与外界微生物接触面积增大，为微生物的繁殖提供了营养条件，所以鲜切果蔬流通过程中，微生物的侵染成为缩短其货架期的主要因素之一[6]。与此同时，温度也是影响食品货架期的主要因素[7]，研究人员已经找到很多能够反映温度与食品品质变化的关系模型，如Arrhenius方程、WLF(Williams-Landel-Ferry)方程、Z值模型法等。Labuza T P[8]用此构建了食品的腐败变质速率和温度之间的关系。对于主要由微生物引起腐败变质的食品，可通过预测特定腐败菌(SSO)的生长趋势来预测食品货架期[9]。目前存在的主要缺陷是微生物的生长和控制与鲜切加工、冷藏温度没有结合，流通过程中的微生物生长变化与货架期之间的关系不明确。本文拟将鲜切菠菜的冷藏温度与微生物的生长模型联系起来，构建一个基于贮藏方式的品质变化动力模型，以求能够对菠菜在流通过程中品质的变化做出预测和评估，从而为货架期的预测奠定基础。

1 菠菜最佳鲜切处理条件的确定

1.1 材料与试剂

菠菜购于天津市红桥区菜市场；石英砂、碳酸钙、丙酮、氯化钠、平板计数琼脂培养基均为分析纯；二氧化氯速效泡腾片(广州华星化工科技有限公司)；PE保鲜膜(脱普日用化学品中国有限公司妙洁PE保鲜膜 30 cm×30 m)、PP保鲜膜(市售)、PVDC保鲜膜(脱普日用化学品中国有限公司妙洁巧撕保鲜膜 22 cm×20 m)、塑料托盘(10 cm×10 cm，市售)；3M Petri film菌落总数检测片(美国3M公司)。

1.2 处理方法

选定包装材料、二氧化氯浓度、氯化钠浓度三个对菠菜品质影响较大的因素，依据正交实验设计[10]筛选鲜切菠菜的最佳处理方案,具体因素水平见表1。

表1 菠菜最佳鲜切条件筛选正交实验因素水平表Tab.1 Factors of orthogonal test for selecting the optimum method of fresh-cut spinach

新鲜菠菜鲜切处理操作要点如下：用清水冲洗菠菜，洗掉表皮污泥，切成大小适中的菠菜叶片，之后在二氧化氯杀菌剂中浸泡10 min，用蒸馏水洗净后，在柠檬酸、壳聚糖混合配制的护色液中浸泡5 min，滤去涂膜液，菠菜叶片自然风干，用保鲜膜进行包装后，放入塑料托盘中(每盘约25 g)，进行正交实验。在4 ℃条件下贮藏，适当的时间后测定菠菜的理化指标。鲜切处理过程中使用的水均为蒸馏水，切分用具及包装托盘均经过杀菌处理。

1.3 理化指标的测定

失重率的计算公式：

(1)

叶绿素含量的测定采用分光光度法，按照Arnon公式计算得提取液中叶绿素a和叶绿素b的质量浓度：

ρa=12.72A663-2.59A645

(2)

ρb=22.88A645-4.67A663

(3)

ρT=ρa+ρb=20.29A645+8.05A663

(4)

式中：A663和A645分别为用1 cm比色皿在波长663 nm和645 nm处比色测定提取液的吸光度值。

再按式(5)计算菠菜组织中叶绿素的含量，以每克菠菜组织鲜重中所含叶绿素的质量来表示，即mg/g，实验重复三次，结果取三次实验的平均值。

(5)

式中：ρ为由公式计算得叶绿素的质量浓度，mg/L；V为样品提取液总体积，mL；m为样品质量，g。

菌落总数的测定采用GB4789.2—2010稀释平板法[11]，并参考许振等[12]的研究结果做适当改进。

另外采用3M Petrifilm菌落总数检测片进行快速检测，对照两种检测方法的结果，提高结果的准确性。

1.4 数据处理

通过Excel整理数据，并用SPSS 19.0进行统计分析。

1.5 正交实验结果

以包装材料为因素A，二氧化氯浓度为因素B，氯化钠浓度为因素C。

1)失重率：分析可得A、B和C三个因素对失重率影响的主次顺序为：A>B>C。通过方差分析得到因素A对失重率影响显著(p<0.05)，因素B、C对失重率影响均不显著(p>0.05)，于是对因素A进行多重比较，得出：PVDC保鲜膜包装的鲜切菠菜失重率虽低于PE保鲜膜包装的菠菜，但二者没有显著差异(p>0.05)，均显著优于PP保鲜膜(p<0.05)。因此，包装材料可选择PVDC保鲜膜或PE保鲜膜。对于其它因素，由于各水平间差异不显著，根据失重率得出最佳方案，除PP保鲜膜包装的三组处理外，其余处理均可。

2)叶绿素含量：三个因素对叶绿素含量影响的主次顺序为 A>C>B。方差分析后得出：三个因素对鲜切菠菜的叶绿素含量变化影响均显著(p<0.05)，分别对其进行多重比较，并结合直观效应分析，可得：包装材料对鲜切菠菜叶绿素含量的影响为：PVDC保鲜膜>PE保鲜膜>PP保鲜膜，且两两之间均达到显著水平(p<0.05)；对于因素B，50 mg/L浓度和75 mg/L浓度的二氧化氯水溶液对叶绿素含量的保持效果显著性(p<0.01)高于100 mg/L浓度的二氧化氯水溶液的显著性(p<0.05)，前两者75 mg/L浓度效果优于50 mg/L浓度，但差异不显著(p>0.05)；不同浓度氯化钠溶液的保鲜效果依次为：1%>0.5%>1.5%，0.5%、1%二者效果差异不显著(p>0.05)，但均显著优于1.5%的氯化钠溶液(p<0.05)。故根据叶绿素含量得出的最佳处理为包装材料为PVDC保鲜膜，二氧化氯浓度为75 mg/L，氯化钠浓度为0.5%。

3)菌落总数：影响菌落总数的三个因素主次排序为：B>C>A。方差分析后得出三个因素对菌落总数均构成显著影响(p<0.05)，对三个因素分别做多重比较：PVDC保鲜膜显著优于(p<0.05)PE保鲜膜和PP保鲜膜；75 mg/L的二氧化氯处理的实验组菌落总数显著低于50 mg/L、100 mg/L处理组；氯化钠浓度0.5%浸泡后的样品效果显著优于1%、1.5%两个水平。故根据菌落总数筛选出的最佳鲜切处理方案同上。

综上所述，通过正交实验得到的菠菜鲜切处理的最佳实验方案为包装材料为PVDC保鲜膜，二氧化氯浓度为75 mg/L，氯化钠浓度为0.5%。

2 贮藏温度对鲜切蔬菜品质变化的影响

根据菠菜的最佳鲜切处理方案，将其置于0 ℃、4 ℃、7 ℃、10 ℃四种温度梯度下进行贮藏，并定期测定菠菜的失重率、叶绿素含量和菌落总数，以研究其品质变化。

实验方法与测量方法与以上所用方法相同。

2.1 贮藏温度对鲜切菠菜失重率的影响

如图1所示，正交条件优化后的菠菜在不同温度条件下贮藏不同时间后，失重率变化显著(p<0.05)。这是因为，随着贮藏温度及时间的增加，菠菜中自由水的含量在逐渐降低。不同温度(0 ℃、4 ℃、7 ℃、10 ℃)贮藏，其变化趋势基本一致。前6 d内，变化极显著(p<0.01)，6～13 d变化趋势平缓。0 ℃、4 ℃、7 ℃贮藏的鲜切菠菜的失重率在第13 d分别达到了0.81%、0.99%、1.20%，10 ℃样品贮藏第10 d失重率为1.06%，所以0 ℃菠菜失重率最低，相对保水率最高，是所选储藏温度范围内最佳贮藏温度。

2.2 贮藏温度对鲜切菠菜叶绿素含量的影响

由图2可知，不同温度下贮藏，菠菜内叶绿素含量随时间变化显著(p<0.05)。不同温度下贮藏，变化趋势基本一致，均随时间的延长呈现降低趋势。第0 d菠菜中叶绿素含量均为1.33 mg/g，第13 d时0 ℃、4 ℃、7 ℃贮藏的鲜切菠菜样品叶绿素含量分别为0.77 mg/g、0.68 mg/g、0.63 mg/g，10 ℃样品在第10 d时叶绿素含量为0.62 mg/g。所以0 ℃贮藏时叶绿素损失率相对较低(42.1%)。

图1 不同温度贮藏期间鲜切菠菜失重率的变化Fig.1 The weight-loss rate of fresh-cut spinach in different storage temperature and period

图2 不同温度贮藏期间鲜切菠菜叶绿素含量的变化Fig.2 The chlorophyll content of fresh-cut spinach in different storage temperature and period

2.3 贮藏温度对鲜切菠菜菌落总数的影响

由图3可知，不同贮藏温度对菠菜中菌落总数变化影响显著(p<0.05)。随着贮藏时间的延长，菌落总数的变化呈现先增加后基本保持不变的趋势。在不同温度范围内贮藏，菌落总数在0 ℃时一直保持最低，4 ℃与7 ℃二者相比，第10 d后，菌落总数差距较小。10 ℃贮藏不同时间，菌落总数一直保持最大，因为10 ℃相对于0 ℃、4 ℃、7 ℃更接近菌落的最适生长温度。所以从菌落总数分析，0 ℃是所选温度范围内的最佳贮藏温度。

图3 不同温度贮藏期间鲜切菠菜菌落总数的变化Fig.3 The TPC of fresh-cut spinach in different storage temperature and period

3 鲜切菠菜品质变化动力学模型

温度是影响菠菜货架期的主要因素，同时对于主要由微生物引起腐败变质的菠菜，可以通过预测菌落总数生长趋势来预测食品的货架期。经过Zwietering修正得到的Gompertz方程能更好的描述不同温度条件下的微生物生长动态[13]。其表达式为：

N(t)=N0+(Nmax-N0)×

(6)

式中：N(t)是时间t时微生物量的常用对数值，lg CFU/mL；N0是初始菌落数的常用对数值，lg CFU/mL；Nmax是增加到稳定期时最大的微生物量的常用对数值，lg CFU/mL；μmax是微生物生长的最大比生长速率，h-1；τ是微生物生长的延滞时间，h；t是贮藏时间，d。

温度对微生物生长的影响的动力学模型常用Belehradek方程[14]来描述，其表达式为：

(7)

(8)

式中：b为常数；T为摄氏温度，℃；Tmin是一个假设的概念，是指微生物生长的最低温度，即在此温度时微生物的最大比生长速率为零。

将式(6)求得的μmax、τ和对应的温度分别代入公式(7)、公式(8)，拟出b、Tmin的值，将所得参数值代回原等式，即可得到某特定温度下的最大比生长速率μmax，从而与贮藏时间t建立联系。

实验数据采用Origin 8.5进行处理，并采用适当的数学模型进行拟合和回归。

3.1 基于失重率的品质动力学模型

用WL表示失重率，即失重率与时间的变化关系满足：

WL-WL0=kt

(9)

式中：WL为贮藏t时间后的失重率的值；WL0为失重率的初始值；k为速率常数；t为贮藏时间。

根据鲜切菠菜失重率变化规律，将0 ℃、4 ℃、7 ℃、10 ℃下测得的失重率数值进行线性拟合，得到四种温度下失重率变化的动力学模型的回归方程、反应速率常数(k)、调整决定系数(Adj.R2)，如表2所示。

表2 不同温度鲜切菠菜失重率变化动力学模型参数Tab.2 Kinetics model and parameters for weight-loss rate of fresh-cut spinach in different storage temperature

由表2可知，鲜切菠菜在四个贮藏温度条件下，拟合所得的失重率的动力学回归模型的调整决定系数均远大于0.85，具有很高的拟合精度。同时发现，基于失重率的反应速率常数k随着贮藏温度的升高而增加，也就意味着较高的温度下贮藏的样品，其重量损失速度也较快。温度对反应速率常数的影响符合Arrhenius方程，考察鲜切菠菜贮藏过程中失重率变化的速率常数与温度的关系，将k取自然对数后对1/T作图，得到lnk与1/T呈线性关系，如图4所示。

图4 鲜切菠菜失重率的Arrhenius曲线Fig.4 Arrhenius curves for weight-loss rate of fresh-cut spinach

根据鲜切菠菜失重率的Arrhenius线，得到相关的模型参数：活化能Ea为2.96×104J/mol；指前因子k0为3.07×104；回归方程为lnk=10.34-3562/T；决定系数R2为0.95。

根据相对预测误差公式[15]和Arrhenius方程得：

WL-WL0=k0exp(-Ea/RT)t

(10)

代入数据(WL0=0)，得到鲜切菠菜贮藏期间失重率动力学模型为：

WL=WL0+3.07×104exp(-3562/T)t

(11)

3.2 基于菌落总数的品质微生物生长模型

根据鲜切蔬菜在0 ℃、4 ℃、7 ℃、10 ℃四个温度下贮藏过程中菌落总数变化规律，用Modified Gompertz方程进行曲线拟合，得到相关的模型参数见表3。

表3 不同温度贮藏下鲜切菠菜菌落总数变化动力学模型参数Tab.3 Kinetics model parameters for TPC of fresh-cut spinach in different storage temperature

由表3可以看出，在模型拟合的三个参数中，微生物的最大比生长速率μmax随着贮藏温度的升高而增大，延滞时间τ却随着贮藏温度的升高而减短，而最大菌落数Nmax并未表现出与温度变化相关的明显趋势，鲜切菠菜最菌落数均值为8.26917。

图5 鲜切菠菜菌落总数的-T曲线Fig.fresh-cut spinach

图6 鲜切菠菜菌落总数的-T曲线Fig.6 -T curve for TPC of fresh-cut spinach

结合Modified Gompertz方程和Belehradek 方程，代入鲜切菠菜的初始菌落数4.5740，得到鲜切菠菜在贮藏期间菌落总数增长变化曲线模型，即菠菜菌落总数动力学模型为：

(12)

3.3 基于叶绿素含量动力学模型

不同温度条件下，鲜切菠菜的叶绿素含量表现出一定的变化规律，经origin8.5软件拟合，发现满足Logistic方程：

y=y0-a/[1+exp(b-kx)]

(13)

式中：y0为贮藏初始叶绿素含量，mg/g；a为贮藏过程中叶绿素含量最高值与初始值之差，mg/g；b为延滞时间，h；k为叶绿素变化速率，常数；b/k为叶绿素含量下降的拐点时间，h；将时间t代替自变量x。

菠菜叶绿素含量拟合的Logistic方程，是预测微生物学中常用的初级模型，学者们除将其用于微生物生长的曲线拟合外，也根据方程的基本特征和一般规律用于食品品质动力学模型的建立[16]。经比较分析，菠菜叶绿素含量采用品质函数0级模式。

模型拟合后，得到鲜切菠菜叶绿素含量的相关动力学模型及参数见表4。

得到叶绿素最大含量与初始含量之差a的值为0.73464(取表中各a值的平均值)。

对叶绿素含量的变化速率k取自然对数，作lnk-1/T关系图，见图7。

根据Arrhenius曲线，得到其对应的模型及相关参数：活化能Ea为1.68×104J/mol；指前因子k0为5.71×102；回归方程为lnk=6.3473-2026.5/T；决定系数R2为0.9192。

表4 鲜切菠菜叶绿素含量变化动力学模型及参数Tab.4 Kinetics model and parameters for chlorophyll content of fresh-cut spinach

图7 叶绿素含量的Arrhenius曲线Fig.7 Arrhenius curves for Activity of chlorophyll content

图8 鲜切菠菜贮藏过程中叶绿素含量下降拐点 与温度的关系Fig.8 Relationship between inflection point of chlorophyll content and temperature during storage of fresh-cut spinach

由Logistic曲线可知，对叶绿素含量拟合的曲线中，b/k表示品质下降拐点的时间，以b/k对温度T作图，得到图8。且从图中可知，温度越高，叶绿素含量减少达到拐点的时间越短。故以贮藏期间菠菜叶绿素含量为指标建立的动力学模型表达式为：

y=y0-a/{1+exp[5.71×102exp (-2026.5/T)(112.47-0.379T-t)]}

(14)

4 结论

1)鲜切菠菜的失重率、菌落总数均随着贮藏时间的延长而增大，菠菜叶绿素含量随着贮藏时间的延长，呈现逐渐降低的趋势。就变化率而言，菌落总数和叶绿素含量的变化率在储藏后期变的更小。

2)贮藏期间，温度对鲜切菠菜的品质影响显著。冰温储藏条件0 ℃下的贮存样品均显著优于其它温度条件贮存的样品，且温度越高，菠菜叶绿素含量越低。随着温度升高，叶绿素含量变化幅度也增大，因此温度较高时，鲜切菠菜腐烂快，货架期短。所以温度是鲜切菠菜生产、贮藏及运输过程中一个非常关键的控制因素。

3)所拟合的品质变化动力学模型，很好表达了品质与储藏温度、储藏时间的关系，这可以用作货架期预测的实验数据基础。

本文受天津市科技支撑项目(14ZCZDNC00016，13ZCZDNC01500)资助。(The project was supported by the Technologies R & D Program of Tianjin (No. 14ZCZDNC00016 & No. 13ZCZDNC01500).)

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About the corresponding author

Liu Bin, male, professor, Department of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, +86 22-26667502, E-mail: lbtju@tjcu.edu.cn. Research fields: cold chain and related research work.

Dynamic Models of Fresh-cut Spinach in Different Cold Storage Temperature

Wang Chao1Liu Bin1Gong Yufen2Wang Suying2

(1. Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Tianjin, 300134, China；Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology, Tianjin University of Commerce, Tianjin, 300134, China)

The best treatment design of fresh-cut spinach was established by using orthogonal test. Spinaches were firstly immersed in two solutions (75 mg/LClO2and 0.5% NaCl) for 10 minutes successively, and then packed with PVDC cling film. Subsequently, they were evenly distributed and stored in different cold rooms at 0 ℃, 4 ℃, 7 ℃ and 10 ℃. The relationship between the quality change of samples and storage time and temperature was studied by measuring the indexes of the weight loss, the chlorophyll content and the total plate count (TPC). The experimental results show that the chlorophyll content of the spinach is reduced with the increase of storage temperature and time, while the weight loss and TPC are increased. All results indicate that ice temperature (0 ℃) is the best storage temperature of fresh-cut spinach. Based on experimental data, the dynamic models of weight loss, chlorophyll content and total plate count (TPC) were established, and the parameter of the activity energy in the model were obtained, which provides the theoretical foundation for the shelf-life prediction of the fresh-cut spinach.

cold storage; dynamic model; temperature gradient; fresh-cut spinach

2014年12月5日

0253- 4339(2015) 06- 0098- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.098

TS255.3

A

刘斌，男，教授，天津商业大学制冷与空调工程系，(022)26667502, E-mail: lbtju@tjcu.edu.cn。研究方向：低温物流技术及相关研究工作。