复合相变蓄冷材料的制备及对香菇贮藏品质的影响

孔 琪,穆宏磊,韩延超,吴伟杰,房祥军,刘瑞玲,陈杭君,郜海燕

（浙江省农业科学院食品科学研究所,农业农村部果品产后处理重点实验室,浙江省果蔬保鲜与加工技术研究重点实验室,中国轻工业果蔬保鲜与加工重点实验室,浙江 杭州 310021）

冷链物流的快速发展推动了蓄冷技术在果蔬贮运过程中的广泛应用,它是利用某些蓄冷材料的蓄冷特性贮存冷能并加以合理利用的一种实用储能技术[1]。该技术具有较好的冷藏效果,特别是在节能环保和降低制冷成本上更具显著效益[2],大大缩减了在短途物流冷藏运输中的费用。但是当前蓄冷材料的研发在低温区段内较为缺乏,尤其是潜热较高、温度适宜的相变蓄冷材料,存在相分离及热性能不稳定等降低蓄冷材料性能的现象[3]。戚晓丽等[4]研究了甘露醇和氯化钾的复合相变蓄冷材料,制备了一款相变温度可达-5 ℃、相变潜热约为290 J/g的材料；刘方方等[5]研究了添加硅藻土对降低苯甲酸钠蓄冷材料过冷度和相分离现象的作用,得到了相变温度在-5 ℃左右、相变潜热300 J/g以上的材料,但这两项研究似乎都没有考虑蓄冷材料的液相流动泄露问题；傅仰泉等[6]通过增核剂对甘露醇和碳酸钠复合材料进行了改性,解决了蓄冷材料过冷、相分离和液相流动泄露问题,但该材料的相变温度和潜热与理想值都还有一定差距。因此,研究多种成分复配的蓄冷材料以提高相变潜热、保持适宜温度、维持性能稳定就变得尤为重要。

香菇（Lentinula edodes）是一种口蘑科香菇属中的腐生性真菌,食用时味道鲜美、营养丰富,素有“菇中皇后”之称[7],具有抗肿瘤、抗感染、降血脂和抗疲劳等多种功效[8],对多种疾病具有预防和治疗功能,被认为是我国著名的药用菌。因此,香菇的需求量日益增大,但由于保鲜与物流技术的滞后,存在运输效率不高、品质损失严重等问题[9],导致水含量较高的香菇因组织柔软细嫩、菌盖表面无保护结构而在较短的时间内出现质量损失、干瘪、皱缩开伞、菌柄生长、组织呈水浸状及褐变等品质下降的现象[10],室温条件下大约只存放3～7 d,很大程度上影响了香菇的生产和运输。

本实验以高相变潜热、低相变温度且价格低廉的无机盐氯化钠,热性能稳定的有机小分子甘氨酸以及市面常用的高吸水树脂（superabsorbent ploymer,SAP）冰袋材料的复合相变蓄冷材料为基础,采用响应面试验设计优化各组分的最佳配比,对复合蓄冷材料进行性能测试分析；并开展其在香菇贮藏保鲜中的应用,研究其对香菇贮藏品质的影响,以期为香菇物流保鲜产业提供一定的借鉴与参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

香菇（品种：808）购于浙江金华磐安基地,挑选大小均一、没有病害以及机械损伤的完整香菇。

氯化钾（分析纯） 无锡市晶科化工有限公司；甘氨酸（分析纯）、SAP（分析纯） 北京鼎国昌盛生物技术有限责任公司；三氯乙酸（分析纯）上海凌峰化学试材料有限公司；硫代巴比妥酸（分析纯）上海源叶生物有限公司；高效生物冰袋（SAP,相变潜热292.3 J/g,相变温度-1.9 ℃）上海冰弘实业有限公司。

1.2 仪器与设备

CR-400手持色差仪 日本柯尼卡美能达公司；Bifugo stratos高速冷冻离心机 美国Thermo公司；UV-9000紫外-可见分光光度计 上海元析仪器有限公司；XMTD-8222水浴锅 上海精宏实验设备有限公司；差示扫描量热仪（differential scanning calorimeter,DSC）梅特勒-托利多（上海）仪器设备有限公司；L95-8温湿度记录仪 杭州路格科技有限公司；DDS-307A电导率仪 上海仪电科学仪器股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蓄冷材料热学性能研究

1.3.1.1 单因素试验

分别配制1%（质量分数,下同）、2%、6%、10%、15%、20%的氯化钾、甘氨酸溶液,1%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%的SAP凝聚体,利用DSC测定各组分相变潜热及相变温度随质量分数变化的曲线。

1.3.1.2 热力学性质测定

使用万分之一天平称量样品5～10 mg于40 μL铝坩埚,质量取精确到0.01 mg,在DSC参比侧放置与样品坩埚相同的空坩埚,加样后首先将试样以30 ℃/min的速率快速降温到所需温度区间的下限（-35 ℃）,然后以20 ℃/min的速率升温到所需温度区间的上限（25 ℃）,如此重复2 次,恒温5 min,待热流稳定后以5 ℃/min的速率开始降温至-35℃后,恒温5 min又以5 ℃/min的速率升温至35 ℃,得到冻结曲线和融化曲线、各不同质量分数成分的相变潜热和相变温度。

1.3.1.3 响应面优化试验

在单因素试验基础上,选取相变潜热较高的氯化钾、甘氨酸、SAP质量分数为自变量范围,相变潜热为响应值,根据Box-Behnken试验设计原理进行3因素3水平试验设计（表1）,进行复配组分质量分数优化,并进行回归方程拟合、方差分析及显著性分析,然后对预测值进行验证。

表1 响应面因素与水平Table 1 Factors and levels used in response surface methodology

1.3.1.4 冻融循环性能测定

冻融循环性能测定参考Peck等[11]的方法并稍作修改。将20 mL蓄冷材料加入50 mL离心管中,并将温湿度记录仪的温度探针插入装有试样的离心管中,置于-30 ℃超低温冰箱中降温,完全凝固后取出置于25 ℃环境中使其完全融化,记录温度数据曲线,并通过DSC测定冻融前后热参数,观察其是否出现相分离,通过多次重复得到20 次循环的温度曲线。

1.3.2 香菇贮藏实验

1.3.2.1 原料处理与分组

产地香菇加冰袋运输至实验室,（1.0±0.5）℃条件下预冷12 h。挑选大小均一的香菇分装于经（1.0±0.5）℃预冷后的聚乙烯泡沫箱（34 cm×22 cm×18 cm）中,每箱1.2 kg,分别按照香菇、研发型复合相变蓄冷材料质量比为2∶1、3∶1、4∶1、5∶1添加蓄冷材料,用保鲜袋（32 cm×25 cm×0.01 mm）将蓄冷材料挽口包装后粘贴在泡沫箱盖上,使用胶带将泡沫箱密封,每组处理3 次重复。置于室温25 ℃、相对湿度60%～70%条件下,密封后使用温湿度记录仪记录箱内48 h的温度（将预冷温度作为测量记录的起点值）变化而确定蓄冷材料最佳用量。使用该最佳用量,再按相同的方法,设置研发型复合相变蓄冷材料处理组（最佳工艺参数优化组合、最佳用量）、市售蓄冷材料处理组以及空白组（CK,不加蓄冷材料）进行香菇贮藏实验；贮藏过程中,每天取样一次,共取5 d,取样后尽快密封泡沫箱以减少冷量散失和保持箱内湿度,测量并记录相关贮藏指标。

1.3.2.2 色泽测定

每组随机取10 颗香菇,对其顶部采用手持色差仪进行L值测定,取其平均值。

1.3.2.3 质量损失率测定

每组随机取15 颗香菇,利用称质量法测定香菇质量损失率。

1.3.2.4 丙二醛含量测定

丙二醛（malondialdehyde,MDA）含量的测定参考Dhindsa等[12]的方法,称取1.00 g香菇研磨样,加入5 mL 100 g/L的三氯乙酸溶液,于10 000 r/min、4 ℃条件下离心20 min,收集上清液4 ℃贮存备用。取2 mL上清液,加入2 mL 6.7 g/L硫代巴比妥酸溶液,混匀后沸水浴20 min,冷却后再次离心,分别测定450、532 nm和600 nm波长处的吸光度。MDA含量按公式（1）计算。

式中：c表示反应混合液中MDA浓度/（mmol/L）,c＝0.45×（OD532nm—OD600nm）-0.56×OD450nm；V0表示反应液体积/L；V表示样品提取液总体积/mL；Vs表示测定时所取样品提取液体积/mL；m表示样品质量/g。

1.3.2.5 相对电导率测定

相对电导率测定采用Ye Jingjun等[13]的方法稍作改动,用刀片切取1 mm厚的薄片,共3.0 g,置于50 mL试管中,加入25.0 mL去离子水,在摇床上振荡30 min后,用电导率仪测定溶液电导率P1/（μS/cm）,测定电导率后,将溶液煮沸10 min,冷却至室温,用电导率仪测定溶液电导率P2/（μS/cm）；测定去离子水电导率P0/（μS/cm）,按式（2）计算相对电导率。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2007软件进行数据统计、OriginPro 2017软件进行数据图表制作,采用SPSS 23.0软件的Duncan's法进行数据显著性差异分析。所有数据均以3 次重复实验的平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 单一组分质量分数对相变潜热和相变温度的影响

相变潜热和相变温度是评价蓄冷材料性能最直接的指标,而配方成分及其配比又直接决定了这两大参数。如图1所示,随着氯化钾与甘氨酸质量分数的增加,相变潜热整体呈下降趋势,且质量分数越高,下降越快,这与黄艳等[14]的研究结果类似；氯化钾和甘氨酸的相变温度则在质量分数分别达到6%和2%以后呈稳定趋势,这表明在一定质量分数之后,两种材料的相变温度基本稳定；而SAP的相变潜热和相变温度在优化质量分数内均基本保持稳定,表明较低的SAP用量也能具有较高的相变潜热。基于此,2%～8%氯化钾、1%～3%甘氨酸以及3%～4% SAP因具有较高的相变潜热而初步定为响应面优化水平范围。

图1 单一组分质量分数对相变潜热和相变温度的影响Fig.1 Effect of concentration of each component on phase change latent heat and temperature

2.2 响应面试验结果

2.2.1 响应面Box-Behnken试验设计及结果

以氯化钾、甘氨酸及SAP的质量分数为因素,复合材料的相变潜热为响应值进行优化试验,响应面Box-Behnken试验设计及结果见表2。

表2 Box-Behnken试验设计及结果Table 2 Box-Behnken design with actual and predicted values of phase change latent heat

2.2.2 模型方差分析及响应面分析结果

表3 回归方程方差分析Table 3 Analysis of variances for the developed regression equation

表3中的模型项和失拟项表明,模型极显著,失拟项不显著,表明该回归模型的预测值与实测值有较高的拟合水平,适用于对蓄冷材料配方成分质量分数进行分析和预测。决定系数R2为0.971 8,表明该模型有良好的拟合度。R2Adj＝0.935,表明93.5%的响应值变化可以用模型来解释,可对结果进行比较准确的分析和预测。F值可用来判断回归方程中各变量对指标（相变潜热）影响的显著性,结果表明：A达到极显著水平,A2为显著水平,其二次多元回归方程为：相变潜热R＝280.18-42.45A-4.63B-5.45C+3.15AB+5.88AC+0.67BC-10.58A2-4.34B2-8.36C2,方程中一次项系数绝对值的大小决定了各因素对响应值影响的主次顺序,所以各因素对响应值影响排序为：氯化钾质量分数＞SAP质量分数＞甘氨酸质量分数,但甘氨酸与SAP质量分数变化对复合材料潜热的影响较小。

2.2.3 响应面分析与条件优化结果

图2 各因素交互作用的响应面和等高线图Fig.2 Response surface and contour plots showing the effect of interaction among various factors on the response variable

根据Design-Expert.V8.0.6统计软件得到响应面图及等高线图,响应面的曲面越陡,说明该因素对相变潜热影响越显著,曲面趋于平缓时,说明该因素对相变潜热影响不显著。等高线图反映了因素间交互作用的强弱,椭圆形表示交互作用显著,圆形则表示交互作用不显著[15]。由图2a中的等高线和响应面图可以看出,当SAP质量分数为3.5%时,甘氨酸和氯化钾在响应面设计质量分数优化范围内,氯化钾与甘氨酸的交互作用并不显著,但氯化钾质量分数的变化使得响应值变化坡度较陡,表明氯化钾质量分数较甘氨酸对响应值影响更为显著；图2b则表明在甘氨酸质量分数为2%时,氯化钾质量分数的变化对响应值的影响较SAP更为显著；图2c表明,当氯化钾质量分数为5%时,在响应面设计质量分数优化范围内,SAP与甘氨酸质量分数的变化对响应值的影响基本类似,曲线变化较为平缓,说明两者影响较小。此外,3 个因素间两两并无显著的交互作用,这表明3 种材料复配后,在响应面设计质量分数优化范围内,各成分之间并不会明显影响彼此对复合材料性能的改善（氯化钾可以提高复合材料的潜热,而甘氨酸则可以提高材料的稳定性）,从而可以抑制材料长期使用后因过冷或相分离产生的性能下降。结合预测模型回归方程和等高线图可得出各成分对相变潜热变化的影响从高到低顺序为：氯化钾质量分数＞SAP质量分数＞甘氨酸质量分数,且氯化钾随质量分数增大使相变潜热下降最明显,其他两者影响则较小,说明氯化钾质量分数对复配材料相变潜热影响较大。

利用Design-Expert 8.0.6软件进行了最佳工艺参数优化组合,选定结果为氯化钾质量分数2%、甘氨酸质量分数1.37%、SAP质量分数3.37%,在此条件下相变潜热预测值为319.81 J/g,在该条件下进行多次重复实验,利用差示扫描量热法得到的结果平均值为318.897 J/g,与预测值接近,说明该模型很好地预测了复配材料的相变潜热,优化工艺条件可靠。

2.3 冻融循环对蓄冷材料热稳定性的影响

相变蓄冷材料在冻结过程中相态发生转变时,当液态显热释放完毕后,会出现一个稳定的温度平台,而在完成相态转变时,又会进入固态显冷阶段而使温度不断下降。冻结曲线如图3a所示,温度平台稳定的出现在-3～-7 ℃,说明材料的相变温度出现在该区间,结果与图3b DSC测定的研发型相变蓄冷材料热性能（相变潜热318.14 J/g,相变温度-6.09 ℃）相符,且在经过20 次冻融循环后,基本无相分离现象,温度变化曲线和第1次相比,并无明显差别,吻合度较高,表明随着冻融循环次数的增加,蓄冷材料的热稳定性无明显变化。

图3 蓄冷材料冻结温度曲线（a）及DSC曲线（b）Fig.3 Freezing temperature (a) and differential scanning calorimeter curve (b) of phase change cold storage materials (PCMS)

2.4 蓄冷材料对保温箱内温度及香菇理化品质的影响

2.4.1 蓄冷材料用量对香菇贮藏过程中保温箱内温度的影响

图4 蓄冷材料用量对保温箱温度的影响Fig.4 Effect of PCMS amount on temperature within insulation box

蓄冷材料的用量对不同规格保温箱内温度有显著影响。图4表明随着蓄冷材料比例的增加,保温箱内具有温度更低、保温时间更长的趋势,但是1∶2（蓄冷材料与香菇质量之比,下同）与1∶3的用量并无明显差异,尤其在保温12 h前,两组处理几乎有同样的效果,均能将温度控制在10 ℃以下,且温度明显低于其他处理组；12 h后,尽管相较于1∶2处理组,1∶3用量有一定的温度劣势,但两者差别并不明显,且明显优于其他两个处理组。这表明在12 h内的短途物流中,1∶3的蓄冷材料用量因其更低的使用成本但有类似1∶2的保温效果而有更好的使用价值,可以满足短途物流的实际需要,超过12 h后,1∶3用量的处理也因具有成本优势而更符合物流的实际需要。

2.4.2 蓄冷材料种类对香菇贮藏过程中保温箱内温度的影响

图5 蓄冷材料种类对保温箱内温度的影响Fig.5 Effect of PCMS on temperature within insulation box

食品在流通过程中的品质变化主要取决于温度,所以保温箱内能否保持较长时间的低温将直接影响香菇贮藏品质[16],适宜的低温且较小的波动能够有效地延缓香菇品质劣变[17]。由图5可知,随贮藏时间的延长,保温箱内温度越来越高,贮藏前期由于香菇的预冷以及蓄冷材料的显热释放阶段吸热使得箱内温度较低,但贮藏温度的升高以及较短的显热阶段,使得该过程温度升高较快。贮藏期间,CK组温度升高至环境温度速率明显高于其他2 个添加蓄冷材料组,其中研发型复合相变蓄冷材料保持低温时间更长、温度更低,且在贮藏前期大约能够维持11 h的10 ℃低温,约为CK组（2 h）的5.5 倍。因此,研发型复合相变蓄冷材料能够更长时间地维持保温箱内低温,表明具有更高的相变潜热。

2.4.3 蓄冷材料对香菇贮藏过程中色泽的影响

果蔬采后色泽极易发生劣变,如黄化、褐变、绿化等[18]。新鲜香菇菌柄与菌盖呈灰白色,在贮藏期间极易发生褐变,其中白度值变化最为显著。根据CIELab颜色系统进行分析,L值代表色泽亮暗程度[19]。由图6可知,随着贮藏时间的延长,新鲜香菇色泽L值呈缓慢下降趋势。贮藏前期,3 种实验条件下香菇褐变均比较缓慢,添加了蓄冷材料的处理组相较于CK组,色泽变化差异并不显著,说明贮藏前期保温箱内的温度对香菇色泽变化影响不大；在贮藏2 d后褐变加快,但2～4 d贮藏期各处理组并无显著差异；贮藏4 d后,香菇品质劣变严重,L值快速降低,贮藏5 d后,各组L值出现了显著性差异,研发型复合蓄冷材料相较于其他两组更好地保持了香菇的色泽,与香菇图片呈现的颜色相符（图7）。

图7 蓄冷材料对香菇贮藏过程中外观的影响Fig.7 Effect of PCMS on the appearance of Lentiuns edodes during storage

2.4.4 蓄冷材料对香菇贮藏过程中质量损失率的影响

图8 蓄冷材料对香菇贮藏过程中质量损失率的影响Fig.8 Effect of PCMS on the mass loss rate of Lentiuns edodes during storage

食用菌采后质量损失多是由水分蒸散所致,水分的散失导致果蔬代谢紊乱,进而使得品质劣变[20]。由图8可知,香菇贮藏期间质量损失率缓慢增加,但由于保温箱的密封作用,香菇质量损失并不明显。在整个香菇贮藏过程中,3 组香菇在前4 d的质量损失率并没有显著性差异,尽管香菇菌盖上已出现了褐变黑点等品质劣变现象,但可能由于保温箱的密封使得内部湿度较大,延缓了香菇的水分蒸散,对香菇的质量保持有较好的作用；而在贮藏末期,研发型复合相变蓄冷材料处理组较其他处理组呈现了显著性差异,且市售蓄冷材料组基本与CK组无差异,说明研发材料更好地抑制了贮藏过程中香菇的质量损失。

2.4.5 蓄冷材料对香菇贮藏过程中MDA含量的影响

MDA的生成和积累会对生物膜造成严重的损伤而引起衰老,因此MDA含量可作为衡量膜脂过氧化程度的直接指标,含量越高表明膜脂过氧化作用越强[21-22]。如图9所示,香菇贮藏期间的MDA含量整体呈上升趋势,贮藏前2 d,两个蓄冷材料添加组由于对温度的控制,使得香菇MDA含量增加量较低,而CK组则呈现较快增加的趋势；贮藏2 d后,市售蓄冷材料组香菇也出现MDA含量快速上升的趋势,且与CK组并无显著性差异,只有研发型复合相变蓄冷材料组MDA含量在整个贮藏期都能保持较低且平稳的上升趋势,说明该处理能够更好地抑制香菇贮藏过程中的膜脂过氧化程度而延缓衰老；贮藏末期,研发材料保持了香菇较低的MDA含量,显著优于其他组别。

图9 蓄冷材料对香菇贮藏过程中MDA含量的影响Fig.9 Effect of PCMS on the MDA content of Lentiuns edodes during storage

2.4.6 蓄冷材料对香菇贮藏过程中细胞膜通透性的影响

图10 蓄冷材料对香菇贮藏过程中细胞膜通透性的影响Fig.10 Effect of PCMS on the cell membrane permeability of Lentinula edodes during storage

果蔬细胞膜对维持细胞微环境和正常代谢起着重要的作用,果蔬细胞之间以及细胞与外环境之间发生的一切物质交换都必须通过质膜进行。果蔬组织后熟衰老过程中,细胞膜功能活性下降,膜通透性增加,出现细胞内电解质向外渗漏而增加电导率的现象[23]。由图10可知,贮藏过程中香菇细胞膜透性呈上升的趋势,在贮藏1 d时,研发型和市售型蓄冷材料添加组的相对电导率显著低于CK组（P＜0.05）,表明CK组相对其他两个处理组细胞膜透性较高,香菇衰老严重；贮藏1 d后,CK组与市售蓄冷材料组细胞膜透性上升速率明显高于研发蓄冷材料组,贮藏结束时,相对电导率由高到低排列为：CK组＞市售蓄冷材料组＞研发型复合相变蓄冷材料组（P＜0.05）,说明市售和研发蓄冷材料在整个贮藏期都能较好地抑制细胞膜透性的变化,且研发蓄冷材料的效果更好。

3 讨 论

随着冷链物流的快速发展,蓄冷技术越来越被广泛地应用在食品工程领域,导致蓄冷材料的研究成为当前热点。所有蓄冷材料都是利用自身的相态转变进行热能的存储与释放[24],一些理想的热物理、动力学和化学性质的材料常被用作固-液相变蓄冷材料[25-28],它们具有较高的熔化热和适合冷库应用的合适的相变温度范围。但是不同性质材料又有自身的局限性,通常无机相变蓄冷材料具有熔化热高、相变潜热远大于有机溶液的特点[29],主要以固-液相变水合盐的无机材料为主[30],但存在过冷度和相分离等严重问题,一般通过添加具有适当的热性能和化学稳定性的有机材料或增稠材料[31-32]用以缓解这些问题；因此,单一成分的相变材料并不能满足冷链物流中新鲜果蔬的蓄冷要求。本研究从多种蓄冷材料中选取潜热较高且温度适宜的材料,进行成分复配,以具有高吸水性能的SAP作为主储能材料,利用氯化钾的高潜热及低相变温度对SAP的热特性进行补偿,并通过甘氨酸的添加抑制离子浓度对SAP吸水性能的消极影响,响应面优化试验结果表明,模型预测的研发型复合相变蓄冷材料相变潜热为318.897 J/g,与DSC测定值318.14 J/g相吻合,较市售型蓄冷材料明显提高,且DSC相变温度（-6.08 ℃）也明显下降,并且经过20 次的冻融循环后基本无相分离现象,冻结曲线也基本没有变化。这表明该材料在改善潜热的前提下又进一步提高了其稳定性,对蓄冷材料的发展有一定的积极意义。

香菇在贮运过程中需要适宜的低温以延缓其品质劣变。本研究表明无论市售材料还是研发型复配材料在一定时间内都明显降低了贮藏环境的温度,从而能够抑制香菇的生理代谢,延缓营养物质的消耗,在保持香菇的外观品质方面效果显著,且复配后的相变蓄冷材料对维持香菇贮藏过程中的色泽、降低质量损失等指标具有更明显的作用,并且降低了香菇的膜脂过氧化程度和细胞膜通透性,更好地延缓了香菇的衰老,这表明研发的复合蓄冷材料在香菇冷链物流中具有良好的应用前景。