基于乙醇含量的楊梅果實腐爛指數(shù)預測模型研究

狄華濤，楊敬輝，陳宏州，肖 婷，吳琴燕，鄭永華

基于乙醇含量的楊梅果實腐爛指數(shù)預測模型研究

狄華濤1，楊敬輝1，陳宏州1，肖 婷1，吳琴燕1，鄭永華2,*

(1.江蘇丘陵地區(qū)鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)科學研究所，江蘇 句容 212400；2.南京農(nóng)業(yè)大學食品科技學院，江蘇 南京 210095)

研究基于乙醇含量的楊梅果實腐爛指數(shù)預測模型，以期預測楊梅物流過程中果實腐爛狀況。將楊梅果實貯藏于不同溫度(0、5、10、15℃和20℃)下，測定其腐爛指數(shù)和乙醇含量變化?；诿枋鑫⑸锷L的Gompertz方程和Arrhenius動力學方程建立楊梅果實腐爛指數(shù)變化動力學模型；根據(jù)果實腐爛指數(shù)和乙醇含量變化的關(guān)系，建立基于乙醇含量的果實腐爛指數(shù)模型。通過以上兩模型建立楊梅果實腐爛指數(shù)的預測模型。楊梅果實腐爛指數(shù)變化動力學模型和基于乙醇含量的果實腐爛指數(shù)模型預測的相對誤差分別為2.69%和0.74%，預測精度較高，以此為基礎(chǔ)建立的基于果實乙醇含量的腐爛指數(shù)預測模型可以較好的預測在0～20℃貯藏楊梅果實的腐爛狀況，為實現(xiàn)楊梅果實的無損檢測提供理論支持。

無損檢測；楊梅果實；乙醇含量；腐爛指數(shù)；預測模型

楊梅果實無外皮保護，果實含水量高，組織嬌嫩且成熟于高溫多雨季節(jié)，采后果實極易受機械損傷和病蟲危害導致果實腐爛變質(zhì)，失去商品性。楊梅果實采后病害主要由楊梅輪帚霉、橘青霉、綠色木霉、子囊菌、尖抱鐮刀菌等真菌引起。室溫條件貯藏4d左右，楊梅就因病原菌侵染而失去了保鮮價值[1]。因此，果實腐爛是直接影響楊梅商品性的重要因素，監(jiān)測并預測楊梅果實在貯藏和流通中腐爛狀況十分重要。大多數(shù)植物組織受到病毒、細菌和真菌性病原侵染后呼吸強度增加，并伴隨磷酸戊糖途徑的增加、無氧呼吸加強和巴斯德效應的消除[2]。畢陽等[3]發(fā)現(xiàn)新疆哈密瓜采后感病組織無氧呼吸和乙醇含量增加，肯定了甜瓜果實組織乙醇含量變化與病原菌侵染的關(guān)系。陳尚武等[4]研究發(fā)現(xiàn)，甜瓜果實感病后病斑中心部位的乙醇含量最高，從病斑往外的組織，乙醇含量逐漸降低，但仍高于健康果實組織含量。以上結(jié)果證實了乙醇含量變化與甜瓜果實腐爛的相關(guān)性，也為本實驗研究楊梅果實組織乙醇含量和果實腐爛之間的關(guān)系，建立基于乙醇含量的楊梅果實腐爛指數(shù)預測模型提供了理論依據(jù)。本實驗通過研究不同貯藏溫度(0、5、10、15℃和20℃)楊梅果實腐爛指數(shù)和乙醇含量的變化情況，建立楊梅果實腐爛指數(shù)變化的動力學模型和基于果實乙醇含量的楊梅腐爛指數(shù)監(jiān)測模型；并以此為基礎(chǔ)，建立基于乙醇含量的楊梅果實腐爛指數(shù)預測模型，擬為電子鼻的設(shè)計、實現(xiàn)楊梅果實流通過程中品質(zhì)的實時無損監(jiān)控提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

供試楊梅品種“烏梅”，采自蘇州西山。果實采后當天運回實驗室。選擇大小、成熟度基本一致，無病蟲害，無機械損傷的果實，分成5組，分別置于0、5、10、15℃和 20℃，相對濕度90%～95%環(huán)境貯藏。1.2儀器與設(shè)備

SP-6800A型氣相色譜儀(配有氫火焰離子化檢測器)山東魯南瑞虹化工儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 腐爛指數(shù)測定

參照陳學紅等[5]方法測定。以果實表面出現(xiàn)水漬狀病斑作為腐爛判別依據(jù)。按腐爛面積大小將果實劃分為4級：0級，無腐爛；1級，果面有1～3個小腐爛斑點；2級，腐爛面積占果實面積的25%～50%；3級，腐爛面積大于果實面積的50%。按照下式計算果實腐爛指數(shù)：

1.3.2 乙醇含量測定

參考Davis等[6]的方法。稱取楊梅果實組織30.0g，加30.0mL蒸餾水研磨后，轉(zhuǎn)入到100mL容量瓶中，定容至100mL，提取30min后，抽濾。取5.0mL濾液，移入到20mL頂空瓶中，于60℃溫水中密封保溫2h，取頂空氣體1.0mL，用裝有氫火焰離子化檢測器的氣相色譜儀測定乙醇含量。氣相色譜儀色譜柱為DNP不銹鋼填充柱(2mm×4m)，氣化溫度140℃，柱溫110℃，檢測溫度140℃。載氣：高純氮流速4.0mL/min；氫氣流速40.0mL/min；空氣160.0mL/min。果實中乙醇含量以外標法定量，結(jié)果以nmol/g表示。

1.3.3 基于溫度變化的楊梅果實腐爛指數(shù)動力學預測模型

根據(jù)模型建立組楊梅果實腐爛指數(shù)隨時間變化的數(shù)據(jù)，參照描述微生物生長動態(tài)的Gompertz方程[7]：

式中：Nt和N0為分別為t時和初始時的微生物細胞群體數(shù)量；a1為穩(wěn)定期與接種時微生物數(shù)量的差值；a2為微生物生長期生長速率常數(shù)；τ為微生物生長的延滯時間。

得出基于溫度變化的果實腐爛指數(shù)動力學模型：

式中：Dt、D0分別為在t時和初始時的腐爛指數(shù)；Dmax為穩(wěn)定期腐爛指數(shù)最大值，即Dmax＝1；k為腐爛指數(shù)變化速率常數(shù)，與溫度、果實品種以及微生物種類有關(guān)；τ為微生物生長的延滯時間。

式(3)中乙醇生成速率常數(shù)k值可根據(jù)式(4)得出：

式中：A為Arrhenius因子或指前因子；R為通用氣體常數(shù)：8.314J/(mol·K)；T為絕對溫度/K；Ea為活化能(activation energy)，單位J/(mol·K)。

應用MATLAB統(tǒng)計軟件，采用最小平方法進行擬合和回歸，得出基于溫度變化的果實腐爛指數(shù)動力學預測模型。

1.3.4 基于乙醇含量楊梅果實腐爛指數(shù)監(jiān)測模型建立

畢陽[3]、陳尚武[4]等研究發(fā)現(xiàn)的甜瓜果實受病菌侵染后組織中乙醇含量顯著增加，說明果實乙醇含量和腐爛情況的變化有關(guān)聯(lián)。以此為理論基礎(chǔ)，通過不同溫度(0、5、10、15℃和 20℃)貯藏實驗，研究楊梅果實乙醇含量和腐爛指數(shù)變化的情況，并使用Matlab數(shù)據(jù)擬合軟件對測得的楊梅果實乙醇含量和腐爛指數(shù)數(shù)據(jù)進行擬合，可建立基于乙醇含量的楊梅果實腐爛指數(shù)預測模型。

1.3.5 基于乙醇含量楊梅果實貨架期預測模型的建立

根據(jù)基于果實乙醇含量的楊梅果實腐爛指數(shù)監(jiān)測模型，通過測定楊梅果實的乙醇含量可推算出果實當時的腐爛指數(shù)，以此腐爛指數(shù)為D0，代入基于溫度變化的果實腐爛指數(shù)動力學模型(式(3))，即可預測出0～20℃范圍內(nèi)任意溫度下，貯藏任意時段后楊梅果實的腐爛狀況。

1.3.6 模型驗證和可靠性分析

應用建立的基于溫度變化的果實腐爛指數(shù)動力學預測模型和基于果實乙醇含量的楊梅果實腐爛指數(shù)，預測模型求0、5、10、15℃和20℃貯藏時的腐爛指數(shù)預測值，與實測值進行比較，采用1∶1值決定系數(shù)R2和相對預測誤差(relative prediction error，RE)對預測值和實測值之間的符合度進行分析。RE用式(5)計算[8]，回歸估計標準誤(root mean squared error，RMSE)[9]用式(6)計算：

式中：Ve、Vp為試驗的實測值和模型預測值；n為樣本數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 同貯藏溫度下楊梅果實腐爛指數(shù)變化的動力學模型由于Arrhenius關(guān)系式(k＝AExp(－Ea/RT))中的溫度

(T)使用的是絕對溫度，因此在制作圖表和擬合模型時，用絕對溫度代替攝氏溫度。數(shù)值換算：絕對溫度/K＝攝氏溫度＋273。

表1 不同貯藏溫度下楊梅果實腐爛指數(shù)的動力學模型及參數(shù)Table 1 Kinetic model and parameters for decay index of Chinese bayberry fruits stored at different temperatures

圖1A是不同貯溫下楊梅果實腐爛指數(shù)的實測值。參照式(3)擬合得出不同貯藏溫度下，楊梅果實腐爛指數(shù)變化的動力學方程、反應速率常數(shù)(k)、決定系數(shù)(R2)見表1。

由圖1B可得出：k＝AExp(－Ea/RT)＝Exp(－8086.6/T＋24.054)；A＝Exp(24.054) ＝2.80×1010；

Ea＝8086.6×8.314＝6.72×104J/(mol·K)。

因此，不同貯藏溫度下楊梅果實腐爛指數(shù)動力學模型為：

圖1 貯藏溫度對楊梅果實腐爛指數(shù)(A)和腐爛指數(shù)變化速率常數(shù)k(B)的影響Fig.1 Effect of storage temperature on decay index (A) and rate constant (B) of Chinese bayberry fruits

此時方程擬合較好，腐爛指數(shù)預測值和實測值基于1∶1線(圖2)的決定系數(shù)R2＝0.9527，RE＝2.69%。

圖2 楊梅果實腐爛指數(shù)動力學模型預測值與實測值的相關(guān)性Fig.2 Correlation between predicted values from the kinetic model for decay index of Chinese bayberry fruits and actual values

2.2 基于乙醇含量的楊梅果實腐爛指數(shù)監(jiān)測模型

圖3 貯溫對楊梅果實乙醇含量(A)的影響以及腐爛指數(shù)與乙醇含量(B)的關(guān)系Fig.3 Effect of storage temperature on ethanol content and correlation between decay index (A) and ethanol content (B) of Chinese bayberry fruits

通過測定建立組的楊梅果實乙醇含量(3A)，并與腐爛指數(shù)數(shù)據(jù)進行擬合(3B)，可建立基于乙醇含量的楊梅果實腐爛指數(shù)監(jiān)測模型：

式中：Dt為果實腐爛指數(shù)/%；Et為果實乙醇含量/(nmol/g)。

此方程能較好地反映楊梅果實腐爛指數(shù)與乙醇含量的關(guān)系，其預測值與實測值的1∶1線(圖4)決定系數(shù)R2＝0.994，RE＝0.74%。

圖4 基于乙醇含量的楊梅果實腐爛指數(shù)模型預測值與實測值的相關(guān)性Fig.4 Correlation between predicted values from the model for decay index of Chinese bayberry fruits based on ethanol content and actual values

3 討 論

通過對食品敗壞機理的研究，建立食品品質(zhì)變化的動力學模型預測食品流通中的品質(zhì)狀況，目前在國際已有很多相關(guān)報導[10-14]。但此類模型多是基于時間和溫度變化，用于預測某一品質(zhì)的變化速率和范圍，受溫度影響較大，很難應用于食品品質(zhì)的實時監(jiān)控。國內(nèi)同行也做過類似研究，但此類模型中涉及的果實腐爛指數(shù)變化動力學模型只是單純的通過擬合所測數(shù)據(jù)所得，缺少相應的生物學意義。如邢宏杰等[15]建立的基于乙醇質(zhì)量分數(shù)的草莓果實腐爛指數(shù)預測模型，此模型在擬合時使用0級反應模式，及腐爛指數(shù)的變化與時間成線性關(guān)系，雖然在貯藏期內(nèi)模型擬合度較高，但隨著時間的延長，必然出現(xiàn)預測腐爛指數(shù)超過100%的情況，與實際不符。因此在擬合數(shù)據(jù)時，盡量選擇符合所測指標動態(tài)變化趨勢的模型。

本實驗通過參考描述微生物生長Gompertz方程，結(jié)合實驗所得不同貯藏溫度下楊梅果實腐爛指數(shù)的變化情況，建立描述果實腐爛指數(shù)變化的動力學模型。同時以畢陽[3]、陳尚武[4]等研究發(fā)現(xiàn)的甜瓜果實受病菌侵染后組織中乙醇含量顯著增加為理論基礎(chǔ)，通過不同溫度貯藏實驗，研究楊梅果實乙醇含量受腐爛情況的影響情況。建立基于乙醇含量的果實腐爛指數(shù)預測模型，為實現(xiàn)電子鼻無損檢測提供了理論基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

4.1 通過參考描述微生物生長的Gompertz方程，結(jié)合實驗所得不同貯溫下楊梅果實腐爛指數(shù)的變化情況，建立了描述果實腐爛指數(shù)變化的動力學模型，具有較高的的準確性，說明Gompertz方程在描述果實腐爛情況上有很好的適用性。

4.2 通過分析不同貯藏溫度下楊梅果實腐爛指數(shù)和乙醇含量的關(guān)系，建立了基于乙醇含量的楊梅果實腐爛指數(shù)預測模型，為實現(xiàn)楊梅流通過程中果實腐爛狀況的實時無損監(jiān)控和貯藏期限的預測提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

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Predictive Modeling of Decay Index of Chinese Bayberry Fruits Based on Ethanol Content

DI Hua-tao1，YANG Jing-hui1，CHEN Hong-zhou1，XIAO Ting1，WU Qin-yan1，ZHENG Yong-hua2,*
(1. Zhenjiang Institute of Agricultural Science, Jurong 212400, China；2. College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

In order to predict decay incidence of Chinese bayberry fruits, a prediction model for decay index based on ethanol content were developed. Freshly harvested Chinese bayberry fruits were stored at different temperatures (0, 5, 10, 15 ℃ and 20 ℃). The changes in decay index and ethanol content of bayberry fruits were determined during storage. A kinetic model for decay index with respect to storage time and temperature was developed based on Gompertz equation and Arrhenius equation. A model for decay index based on ethanol content was developed according to the linear relationship between decay index and ethanol content. According to the analysis of both models, a prediction model for decay index based on ethanol content was developed. The relative prediction errors for the kinetic model for decay index and the model for decay index based on ethanol content were 2.69% and 0.74%, respectively. The prediction accuracy was acceptable. Therefore, the decay index of Chinese bayberry fruits can be accurately predicted at storage temperatures from 0 to 20 ℃ by the developed prediction model based on ethanol content, which can provide theoretical supports for the non-destructive inspection of Chinese bayberry fruits.

nondestructive inspection；Chinese bayberry fruit；ethanol content；decay index；prediction model

S668.4；TS255.3

A

1002-6630(2012)18-0290-04

2011-08-11

“十一五”國家科技支撐計劃重點項目(2006BAD30B03)

狄華濤(1984—)，男，碩士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工。E-mail：dihuatao3@163.com

*通信作者：鄭永華(1963—)，男，教授，博士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工。E-mail：zhengyh@njau.edu.cn