鲜切红皮洋葱和白皮洋葱呼吸特性的比较

赵 磊，王 丹，马 越，张 敏，赵煜炜，赵晓燕

（1.北京市农林科学院蔬菜研究中心，北京市果蔬农产品保鲜与加工重点实验室，农业农村部蔬菜产后处理重点实验室，北京100097；2.沈阳农业大学食品学院，辽宁沈阳 110866；3.龙大食品集团有限公司，山东莱阳 265231）

洋葱营养价值很高，有较高的膳食纤维、低聚果糖和有机酸，同时洋葱也含有大量维生素、矿物质（钾、钠、铁、钴、硒、锰）等[1]。Catarina Ewald等人[2]认为每摄入10 g洋葱，可提供约4 mg槲皮素，相当于成人每日膳食营养素推荐摄入维E的量。在日常生活中经常食用的洋葱分为红皮洋葱和白皮洋葱。红（紫）洋葱，比其他颜色的都要辣一些，味道更浓一些，含有较多的抗氧化剂，食疗效果比白皮洋葱要好很多；白皮洋葱的胡萝卜素、维C的含量较高，抗疲劳效果好，二者营养价值各有特点[3]。但切割洋葱残留在手上的辛辣味和“催泪”反应让人感到极大的不快和不便，鲜切洋葱的出现使洋葱的食用更加方便、快捷，受到消费者欢迎。

鲜切洋葱经过切割、剥皮、洗涤等处理过程会产生熵呼吸和微生物[4-5]的生长，从而导致贮藏过程中呼吸速率增加[6]，进而消耗果蔬中的糖分和其他可溶性底物的含量，从而影响产品货架期[7]，因此有效地抑制鲜切洋葱的呼吸作用，能够提高其贮藏期的保鲜品质[8]。据报道2%O2和10%CO2的气调环境可有效抑制鲜切洋葱中微生物的生长，降低了鲜切洋葱的呼吸速率，从而提高了货架期期间的产品品质，鲜切洋葱的气调设计基于其呼吸特性，因此呼吸特性的研究至关重要。目前，鲜切洋葱的呼吸特性鲜有报道，红洋葱与白洋葱2种类型的呼吸特性是否有差异未有研究。建立了不同品种洋葱经过鲜切处理后的呼吸速率模型，以此预测其呼吸强度在贮藏过程中的变化，比较红皮和白皮洋葱不同品种在贮藏过程中的差异，为不同包装条件下包装参数的选择设计提供理论依据，为洋葱的贮藏过程中保鲜加工和冷链运输的参数提供指导[9]。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

红皮洋葱和白皮洋葱，购自北京市海淀区果香四溢，在4℃冰箱预冷24 h后处理。密封装置由2 315 mL的干燥器组装而成，并用橡胶塞密封干燥器顶部形成密封装置，将1.2 mm×100 mm注射针头插入橡胶塞并用注射针头连接橡胶管，使用手持气体（Oxybaby）分析仪进行取样和测量。

1.2 鲜切洋葱的生产加工工艺

鲜切处理前在16℃打开紫外灯辐照30 min，挑选无机械伤、无病虫害，成熟度相似的洋葱，洋葱去皮清洗，由内到外切成2~3 g的洋葱片[10]，以后依次在100 mg/L和50 mg/L的次氯酸钠溶液中浸泡2 min，用离心甩干机除去鲜切洋葱表面的水分，分别取350 g的鲜切洋葱装入真空干燥器中。

1.3 呼吸速率的测定

初始气体环境均为大气，O2含量为20.3%±0.2%，CO2为0.6%。密封罐中分别装入350 g鲜切红皮和白皮洋葱，当洋葱中心温度达到贮藏温度时再用橡胶塞密封，4℃和10℃平衡时间约为50 min，20℃和30℃的相应平衡时间接近0.5 h，密封装置的自由体积为1 950 mL，每隔2 h测定密封装置中O2和CO2的气体浓度，每次测量重复3次。

通过以下公式计算鲜切洋葱呼吸速率

式中：RO2——O2消耗速率，mL/kg·h；

RCO2——CO2生成速率，mL/kg·h；

Vf——密封装置的体积，mL；

W——洋葱质量，kg；

△t——时间间隔，h。

1.4 仪器与设备

Oxybaby O2/CO2顶空气体测定仪，上海众林公司产品；玻璃真空干燥器，湖南恒泰公司产品；CMW-50型恒温恒湿箱，北京雅士林公司产品；AL204型电子天平，瑞士梅特勒-托利多公司产品。

1.5 呼吸速率模型的建立

参考酶动力学中的米氏方程对鲜切红皮洋葱和白皮洋葱的呼吸速率进行模型拟合，其中呼吸速率与氧气相互关系可以参考Michaelis-Menten(M-M)方程[11-12]：

式中：R——用O2消耗速率表示的果蔬呼吸速率，mL/kg·h；

Vm——果蔬产品的最大呼吸速率，mL/kg·h；

km——方程常数，以%O2表示；

O2——某一时刻O2体积分数，%。

参考酶动力学原理，结合CO2对O2吸收速率的影响和CO2非竞争性抑制O2吸收，以米氏无竞争型方程[13]为标准，对鲜切洋葱呼吸速率进行拟合，表示为：

1.6 统计分析

采用DPS v8.13统计分析软件对数据进行显著性分析，Excel 2013进行方差分析（p≤0.05）。使用Origin 8.0软件进行图像绘制。

2 结果与分析

2.1 鲜切红皮洋葱与白皮洋葱顶空气体变化的比较

2.1.1 鲜切红皮洋葱与白皮洋葱氧气体积分数的变化

不同温度下2种鲜切洋葱氧气体积分数变化见图1。

由图1可知，不同温度下贮藏的鲜切洋葱在呼吸罐内的顶空气体成分有显著性差异，随着贮藏时间的延长，呼吸罐内的氧气体积分数均逐渐下降，并且温度越高氧气体积分数下降越快，呼吸速率越高。通过体积分数的对比，可以看出鲜切红皮洋葱的氧气下降速度大于相同温度贮藏条件下鲜切白皮洋葱的氧气下降速度。

2.1.2 不同温度下鲜切红皮洋葱与白皮洋葱二氧化碳体积分数的变化

不同温度下2种鲜切洋葱二氧化碳体积分数变化见图2。

由图2可知，随着贮藏时间的增加，2种鲜切洋葱密闭装置中的二氧化碳体积分数均有增加，且随着贮藏温度的增加，二氧化碳的生成速度逐渐加快，说明鲜切洋葱的高温贮藏不仅加快了其氧气的消耗速度，同时也伴随着二氧化碳生成速度的增加。由2种洋葱贮藏过程中的二氧化碳体积分数差异可知，鲜切红皮洋葱的CO2产生速率稍高于相应温度下贮藏的鲜切白皮洋葱CO2产生速率。

图1 不同温度下2种鲜切洋葱氧气体积分数变化

图2 不同温度下2种鲜切洋葱二氧化碳体积分数变化

2.2 鲜切红皮洋葱与白皮洋葱呼吸速率的比较

2.2.1 鲜切红皮洋葱和白皮洋葱呼吸速率（O2）的比较

不同温度下2种鲜切洋葱呼吸速率（O2）的变化见图3。

图3 不同温度下2种鲜切洋葱呼吸速率（O2）的变化

由图3可知，随着贮藏时间的增加，所有贮藏温度下的鲜切红皮洋葱和白皮洋葱氧气消耗速率均先快速下降，随后逐渐趋向平缓，并且温度越高呼吸速率下降的越强烈。在30，20，10，4℃温度下贮藏的鲜切红皮洋葱的末期的呼吸速率分别为229.348，228.135，227.932，227.26 mL/(kg·h)；在 30，20，10，4℃温度下贮藏的鲜切白皮洋葱的末期的呼吸速率分别为 649.35，454.55，453.29，456.74 mL/(kg·h)，说明不同温度贮藏的鲜切红皮洋葱和白皮洋葱在贮藏末期氧气呼吸速率相近。鲜切红皮洋葱的呼吸速率高于相应条件下的鲜切白皮洋葱的呼吸速率。

2.2.2 鲜切红皮洋葱和白皮洋葱呼吸速率（CO2）的比较

不同温度下2种鲜切洋葱呼吸速率（CO2）的变化见图4。

由图4可知，随着贮藏时间的延长，所有试验温度下，鲜切红皮洋葱和白皮洋葱二氧化碳生成速率在前期快速下降，随后速率趋向稳定，高温（30℃和20℃）贮藏条件下的洋葱加速了该现象的产生，4种温度条件下贮藏的鲜切洋葱二氧化碳呼吸速率会在某一时刻达到较为平衡的状态。在30，20，10，4℃温度下贮藏的鲜切红皮洋葱末期的呼吸速率（CO2）分别为 454.55，461.32，234.27，241.27 mL/(kg·h)；而鲜切白皮洋葱在该温度下贮藏末期的呼吸速率（CO2）分别为 454.55，483.57，227.27，232.27 mL/(kg·h)，不同品种鲜切洋葱在相应温度下贮藏末期的呼吸速率（CO2）差异不大，鲜切红皮洋葱的呼吸速率高于相应条件下鲜切白皮洋葱的呼吸速率。

图4不同温度下2种鲜切洋葱呼吸速率（CO2）的变化

2.3 基于酶动力学的鲜切洋葱呼吸速率模型建立

作为果蔬采后和鲜切过程的主导，呼吸作用消耗果蔬组织的营养和能量[14]，这不利于鲜切洋葱的贮藏。呼吸速率不仅表达了果蔬的生理性质，也在一定程度上反映了果蔬的新陈代谢。因此，对鲜切红皮洋葱和白皮洋葱的呼吸速率模型的表征对了解鲜切洋葱的呼吸特性，以及选择有利于其贮藏的包装材料的特性有重要意义。试验以非竞争型Michaelis Menten方程（公式4） 为模型，再分别对2种品种鲜切洋葱的呼吸速率进行表征。通过不同温度下贮藏的洋葱的不同顶空气体组分，由此测定其呼吸速率方程。

无竞争型米氏方程通过线性变换，将公式4进行倒数转化，得到如下公式：

依据酶动力学呼吸模型，体系要保持有氧呼吸状态，即[O2]>1.5%或[CO2]<20%才是有效的[15]，氧气过低或二氧化碳过高将导致鲜切果蔬无氧呼吸，则不符合米氏规律。取符合条件的气体组分和呼吸速率使用公式（5）将试验数据使用统计回归软件多重线性回归得出呼吸方程的参数，通过使用Oringe 9.0进行多重线性回归分析并得到相应的米氏模型参数。

密闭系统内2种鲜切洋葱的米氏模型参数见表1。

表1 密闭系统内2种鲜切洋葱的米氏模型参数

由表1可知，用非竞争型米氏模型拟合鲜切红皮洋葱和白皮洋葱的呼吸速率，并且不同温度下的拟合度都较好，拟合系数（R2）值均在0.85以上。有关资料表明酶的米氏方程模型，该模型更加符合果蔬的呼吸特性[11]。云雪艳等人[16]应用密闭系统发测定草莓的呼吸速率，并结合米氏方程推导呼吸速率与包装膜渗透性的关系式；而谢晶等人[17]采用米氏酶动力学基础及多重回归分析求得米氏方程参数并结合其呼吸速率设计气调包装系统。

比较鲜切红皮洋葱和白皮洋葱拟合所得的3个参数的变化趋势，鲜切红皮洋葱的3个参数都与温度密切相关，随温度的升高，Vm，km和ki均逐渐增大。

通常使用阿列纽斯（Arrhenius）方程和一次函数对温度有关的参数进行拟合[18]，Arrhenius方程如下：

式中：A——指前因子；

Ea——活化能；

Rgas——气体常数；

T——绝对温度。

对等式两边进行对数值的线性变换，得到公式（7）：

将数据分别带入公式（6）和一次函数得到米氏方程的参数，并得出参数与温度的函数关系。

不同温度下2种鲜切洋葱酶动力学模型参数估值见表2。

表2 不同温度下2种鲜切洋葱酶动力学模型参数估值

根据表2适当的拟合参数及所对应的酶动力学方程和Arrhenius方程则可得出以温度和气调组分为变量的函数来表述鲜切红皮洋葱的呼吸速率模型：

而根据表2适当的拟合参数及所对应的酶动力学方程和Arrhenius方程则可得出以温度和气调组分为变量的函数来表述鲜切白皮洋葱的呼吸速率模型：

3 结论

采用密闭系统法对鲜切洋葱呼吸速率测定，结果表明，在贮藏过程中鲜切红皮洋葱的呼吸速率高于鲜切白皮洋葱的呼吸速率。鲜切红皮洋葱和白皮洋葱的呼吸速率与温度和氧气浓度呈正相关，表明低氧高二氧化碳环境同样会抑制鲜切洋葱的呼吸速率。根据鲜切红皮洋葱和白皮洋葱在密闭系统中的呼吸速率，结合酶动力学中的非竞争性米氏方程建立模型。模型中的参数与温度之间有很强的相关性，Vm，km和ki经过阿列纽斯方程和一次函数拟合后有较好的拟合效果，拟合度较高，R2均达到0.85以上。通过拟合结果得出以温度和气体组分为变量的函数的呼吸速率模型。