宣化牛奶葡萄貯藏過程中生理品質變化及貨架期動力學模型

張秀媛，何 擴,2，趙瑞平，孫豐梅，蘭鳳英，王云峰

(1.河北北方學院農林科技學院,河北 張家口 075000；2.天津科技大學生物工程學院,天津 300457)

宣化牛奶葡萄貯藏過程中生理品質變化及貨架期動力學模型

張秀媛1，何 擴1,2，趙瑞平1，孫豐梅1，蘭鳳英1，王云峰1

(1.河北北方學院農林科技學院,河北 張家口 075000；2.天津科技大學生物工程學院,天津 300457)

以宣化牛奶葡萄為對象，研究不同貯藏溫度條件下其質量損失率、褐變指數(shù)、可溶性固形物含量和相對電導率的變化規(guī)律，以探討宣化牛奶葡萄貯藏過程中的品質變化并建立其貨架期的預測模型。結果表明，在不同貯藏溫度條件下宣化牛奶葡萄的質量損失率、褐變指數(shù)和相對電導率均隨貯藏時間（0～8 周）的延長而增加，可溶性固形物含量降低。變化遵循一級反應動力學方程，Arrhenius方程和一級化學反應動力學方程相關系數(shù)均大于0.9，具有較高的擬合精度。宣化牛奶葡萄在0 ℃和-1 ℃條件下貯藏時貨架期的預測值和實測值之間誤差不超過±10%，表明該模型可以快速可靠地預測-2～8 ℃條件下貯藏宣化牛奶葡萄的貨架期。

宣化牛奶葡萄；動力學模型；貨架期；貯藏

宣化牛奶葡萄，屬歐亞種（Vitis Feval），是中國古老的優(yōu)質葡萄品種之一，分布于中國西北、華北地區(qū)，主要產地為新疆吐魯番盆地和河北張家口等地，其含糖量高、水分多、果皮薄、果肉柔軟、口感佳，因此具有極高的鮮食價值[1-2]。在貯運和銷售過程中宣化牛奶葡萄易受損傷，發(fā)生腐爛、失水，輕微的擦傷即可引起果皮迅速褐變，嚴重影響了其貯運、市場銷售以及經濟價值。

大量的研究表明食品在貯藏過程中的品質變化特性與其生化反應的速率常數(shù)和活化能等動力學特性有關。盡管在日常生活中每種食品腐敗機理不盡相同，但通過實驗找出變質機理的規(guī)律就能建立食品貨架期預測，目前采用加速壽命試驗（accelerated shelf life testing，ASLT）預測食品貨架期是應用最廣泛傳統(tǒng)方法，但該技術費時、費力、費錢[3]。而動力學模型預測食品貨架期具有快速、簡便、投資少等優(yōu)點。目前動力學模型預測食品貨架期是食品保鮮研究的熱點問題，已有學者利用不同的動力學模型對草莓[4]、雞蛋[5]、鮮魚[6-7]、蔬菜[8-9]等的品質和貨架期作過一些研究工作，但對葡萄在貯藏中品質變化的動力學特性和貨架期預測研究尚未見報道。本實驗通過對宣化牛奶葡萄貯藏過程中生理品質指標質量損失率、褐變指數(shù)、可溶性固形物含量、相對電導率變化規(guī)律的研究，建立上述生理品質指標隨貯藏溫度和時間變化的動力學模型，為預測和控制宣化牛奶葡萄品質提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為宣化葡萄研究所的20 a生漏斗架葡萄，采收日期為2012年9月30日。采收當天即運回實驗室，選擇果實整齊、成熟度一致、發(fā)育良好、果粒中等大小、無機械傷害的果實。

1.2 儀器與設備

SR8001型電子天平 日本Mettler Toledo有限公司；Master-alpha型手持折光儀 日本Atago（愛宕）公司；DDB-303A型電導率儀 上海雷磁儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

設5 個處理，每個處理3 個重復，每個重復5 kg左右，裝入套有葡萄保鮮膜包裝袋的紙箱中，貯于8、4、0、-1、-2 ℃環(huán)境下，相對濕度為75%。貯藏過程中質量損失率、褐變指數(shù)每隔14 d進行取樣測定；可溶性固形物含量、相對電導率每隔7 d進行取樣測定。

1.3.2 生理品質指標測定

1.3.2.1 質量損失率測定

質量損失率采用質量法，計算如式（1）所示:

1.3.2.2 褐變指數(shù)測定

褐變指數(shù)判別采用感官分級法，各級指數(shù)規(guī)定如下:0級為葡萄果粒無褐變，果肉組織正常；1級為果墊周圍有少量的褐變，但沒有形成褐變色帶；2級為果墊周圍有明顯的褐變，形成褐變色帶，褐變面積小于1/5；3級為果墊周圍有明顯的褐變，其褐變面積小于 1/3；4級為葡萄果粒褐變面積超過1/3，每次各處理檢查3 串葡萄穗，并計算褐變率[10-12]，計算如式（2）所示:

1.3.2.3 可溶性固形物含量測定

采用Master-alpha型手持折光儀測定宣化牛奶葡萄的可溶性固形物含量[13]。

1.3.2.4 相對電導率測定

用直徑為1 cm打孔器從宣化牛奶葡萄的縱向打孔并取出一果肉條，用薄刀片將果肉條切成厚度為3 mm均勻圓片，共100 片，平均分裝于4 個燒杯中。然后用蒸餾水反復沖洗4～5 次，再向燒杯中加入30 mL蒸餾水，測電導率R0。隔1 h后測電導率R1，加熱微沸5 min后，揚冷至室溫，測其電導率R2，計算相對電導率，如式（3）所示[14-15]:

1.3.3 宣化牛奶葡萄貨架期預測模型

1.3.3.1 一級動力學模型

化學反應動力學模型已經得到了廣泛的應用?；瘜W反應動力學模型能夠較好地反映和描述食品品質的變化,大多數(shù)與食品有關的品質變化都遵循零級或一級反應模式。其中一級動力學反應方程式為：

式中:t為食品的貯藏時間/d；B0為食品的初始品質指標值；B為食品貯藏第t天時的品質指標值；kB為食品品質變化速率常數(shù)。

1.3.3.2 阿侖尼烏斯（Arrhenius）方程

在8、4、0、-1、-2 ℃貯藏條件下可分別得到宣化牛奶葡萄的質量損失率、褐變指數(shù)、可溶性固形物含量、相對電導率值。利用獲得的數(shù)據作圖，確定反應級數(shù)，計算反應常數(shù)，得到該反應的Arrhenius方程。

對式（5）取對數(shù):

式中:T為絕對溫度；k0為方程常數(shù)；Ea為活化能/（J/mol）；R為氣體常數(shù)，8.314；kB為速率常數(shù)。

根據式（6）求得不同溫度條件下的速率常數(shù)kB后，用lnkB對溫度的倒數(shù)（1/T）作圖可得到一條斜率為-Ea/R的直線。Arrhenius關系式的主要價值在于可以在高溫條件下借助貨架期加速實驗獲得數(shù)據，然后用外推法求得在較低溫度條件下的貨架壽命[16-19]。

1.3.3.3 宣化牛奶葡萄貯藏架期預測模型建立

宣化牛奶葡萄在不同貯藏溫度條件下生理和品質指標的貨架期t（d）可根據方程（7）求解。方程（7）由方程（4）推導出來。

1.4 數(shù)據分析

采用Origin 7.5和Excel對實驗數(shù)據進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 不同貯藏溫度條件下宣化牛奶葡萄質量損失率與貯藏時間的關系

圖1 宜化牛奶葡萄的質量損失率與貯藏時間的關系Fig.1 Relationship between weight loss rate and storage time

如圖1所示，8 ℃貯藏條件下，宣化牛奶葡萄貯藏1 周質量損失率就達到8.4%，葡萄果皮外觀皺縮，果梗變成褐色，貯藏2 周質量損失率達到16.4%，葡萄果皮變得暗淡無光澤，果梗腐爛。從圖1可以看出，低溫貯藏能有效降低牛奶葡萄質量損失率，0 ℃貯藏條件下宣化牛奶貯藏4 周質量損失率僅為1.2%，只有8 ℃貯藏條件下2 周質量損失率的1/16，貯藏6 周質量損失率也只有5.2%，且牛奶葡萄的外觀仍然保持良好的新鮮狀態(tài)，色澤光亮。-1 ℃與0 ℃貯藏質量損失率無顯著差異，-2 ℃條件下葡萄貯藏前4 周質量損失率和外觀與0、-1 ℃貯藏無明顯差異，但4 周后出現(xiàn)冷害，質量損失率和外觀與0 ℃和-1 ℃貯藏效果差異顯著（P＜0.05）。

2.2 不同貯藏溫度條件下宣化牛奶葡萄褐變指數(shù)與貯藏時間的關系

圖2 宜化牛奶葡萄的褐變指數(shù)與貯藏時間的關系Fig.2 Relationship between browning index and storage time

如圖2所示，總的來看低溫能明顯抑制宣化牛奶葡萄褐變，低溫（0、-1、-2 ℃）條件下宣化牛奶葡萄的褐變指數(shù)顯著低于高溫（4、8 ℃）條件下葡萄的褐變指數(shù)（P＜0.05），4、8 ℃貯藏條件下葡萄貯藏至第2周時，果實已出現(xiàn)了褐變，第4周時褐變已非常明顯，而0、-1、-2 ℃貯藏條件下葡萄褐變程度仍較小褐變指數(shù)4%左右，主要是低溫葡萄降低呼吸強度、酶的活性以及葡萄體內代謝。從第4周后，-2 ℃貯藏條件下葡萄褐變指數(shù)突變。原因可能是葡萄冷害破皮導致多酚氧化酶、氧氣、多酚類物質三者接觸，加速了葡萄氧化褐變[20-21]。

2.3 不同貯藏溫度條件下宣化牛奶葡萄可溶性固形物含量與貯藏時間的關系

如圖3所示，宣化牛奶葡萄在整過貯藏期其可溶性固形物含量呈下降趨勢，原因是葡萄在貯藏期正常生理代謝需消耗固形物來提供能量[22]，從圖中可以看出，8、4、-2 ℃條件下可溶性固形物含量變化幅度較大，0、-1 ℃貯藏條件下前3 周可溶性固形物含量基本不變，3 周以后緩慢變低?？赡茉蚴怯捎谛Ｄ唐咸阎泻笃诤粑鼜姸燃哟螅涌炝颂?、酸等營養(yǎng)物質的轉化與分解[23-24]。

圖3 宜化牛奶葡萄的可溶性固形物含量與貯藏時間的關系Fig.3 Relationship between soluble solid content and storage time

2.4 不同貯藏溫度條件下宣化牛奶葡萄相對電導率與貯藏時間的關系

圖4 宜化牛奶葡萄的相對電導率與貯藏時間的關系Fig.4 Relationship between relative electrolytic leakage and storage time

如圖4所示，宣化牛奶葡萄在整個貯藏過程中隨著葡萄的衰老，果肉細胞的電解質滲出率呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。由圖4可以看出，在8 ℃貯藏條件下電解質滲出率最快，在前4 周就已達頂峰。0、-1、-2 ℃變化趨勢基本一致，但-2 ℃電導率要高于0 ℃和4 ℃，究其原因也可能是由于過低的貯藏溫度導致果肉細胞受到冷害，宣化牛奶葡萄體內電解質物質滲出。

2.5 宣化牛奶葡萄生理品質動力學模型

化學反應動力學方程可以描述宣化牛奶葡萄在貯藏中生理品質隨時間的變化，而反應速率常數(shù)（kB）又是溫度（T）的函數(shù)，因此利用Arrhenius方程可以預測在不同貯藏溫度條件下的宣化牛奶葡萄貨架期[25]。

實驗中回歸得到的反映宣化牛奶葡萄貯藏過程中生理品質變化的指標（質量損失率、褐變指數(shù)、可溶性固形物含量、相對電導率）的一級反應動力學模型中的kB、回歸系數(shù)（R2）等參數(shù)見表1。R2大小代表線性關系，從表1可以看出，不同貯藏溫度條件下回歸方程的R2均大于0.9，說明線性方程擬合度達極顯著水平。

表1 宣化牛奶葡萄在不同貯藏溫度條件下品質變化的動力學模型參數(shù)Table1 Parameters of kinetics models for quality changes of Xuanhua milk grape during storage at different temperatures

根據模型公式（7），將試驗中計算的活化能（Ea）及Arrhenius方程常數(shù)（B0）代入公式（7）可獲得質量損失率、褐變指數(shù)、可溶性固形物含量、相對電導率貨架期預測模型。

式中:B為宣化牛奶葡萄貯藏t d某生理品質指標值；B0為宣化牛奶葡萄貯藏某生理品質初始指標值。

根據宣化牛奶葡萄貨架期預測模型，一旦確定了宣化牛奶葡萄的貯藏溫度、初始品質值及終點品質控制值，即可推斷出確定的貯藏溫度條件下宣化牛奶葡萄貯藏時間。另一方面，也可以通過確定宣化牛奶葡萄的貯藏溫度、初始鮮度品質值及貯藏時間，推斷出在確定的貯藏溫度條件下貯藏一定時間后的鮮度品質。

2.6 宣化牛奶葡萄生理品質預測模型的驗證與評價

將宣化牛奶葡萄在0、-1 ℃貯藏溫度條件下，用該貯藏溫度條件下的貯藏期測值驗證貯藏期預測模型，參照NY 5086—2002《鮮食葡萄》標準對葡萄的品質指標進行比較，將品質指標超過3 級鮮度作為貯藏期終點，預測模型結果見表2。從表2可以看出，本研究建立的宣化牛奶葡萄貨架期預測模型所獲得貨架期預測值準確率達到±10%以內，說明貯藏期預測模型可應用于溫度在-2～8 ℃條件下宣化牛奶葡萄的的貯藏和銷售（-2 ℃條件下由于冷害原因，貯藏質量不如-1 ℃與0 ℃的效果）。

表2 宣化牛奶葡萄在0℃和-1℃貯藏條件下貨架期的預測值和實測值Table2 Predicted and observed shelf life of Xuanhua milk grape at 0 and -1℃

3 結 論

在不同貯藏溫度條件下宣化牛奶葡萄的質量損失率、褐變指數(shù)和相對電導率均隨著貯藏時間的延長而增加，可溶性固形物含量降低。在-2～8 ℃的貯藏溫度范圍內，變化遵循一級反應動力學方程。反應速率常數(shù)表明，貯藏溫度越高，宣化牛奶葡萄品質下降越快。

根據品質指標確定的貨架期預測模型系數(shù)，得到Arrhenius方程和一級化學反應動力學方程相關系數(shù)均大于0.9，具有較高的擬合精度。宣化牛奶葡萄在0 ℃和-1 ℃貯藏時貨架期的預測值和實測值之間的誤差不超過±10%，表明該模型可較好地預測宣化牛奶葡萄貨架期。

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Kinetics of Physiological and Quality Changes and Shelf-Life Kinetic Model of Xuanhua Milk Grape during Storage

ZHANG Xiuyuan1, HE Kuo1,2, ZHAO Ruiping1, SUN Fengmei1, LAN Fengying1, WANG Yunfeng1
(1. College of Agriculture and Forestry Science and Technology, Hebei North University, Zhangjiakou 075000, China; 2. College of Biotechnology, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)

This study aimed to establish kinetic models for the physiological and quality changes of Xuanhua milk grape during storage. Samples were storage at 8, 4, 0, -1 and -2 ℃, respectively. The weight loss rate, browning index, soluble solid content and relative electrolytic leakage were measured during storage in order to investigate the qualitiy of Xuanhua milk grape and establish predic tive models for the shelf life under different storage temperatures. The results showed that weight loss ratio, browning index and relative electrolytic le akage increased whereas soluble solid content decreased with increasing storage time. The kinetic s reaction rate constants suggested that the Xuanhua milk grape quality decreased with increasing storage temperature. Relative error between predicted shelf life calculated by the p rediction model and that observed was within ± 10%. These results suggested that the model can rapidly predict the shelf life of Xuanhua milk stored at -2 to 8 ℃.

Xuanhua milk grape; kinetics models; shelf life; storage

TS255.3

A

10.7506/spkx1002-6630-201510050

2014-10-23

河北省科技廳科學技術研究與發(fā)展計劃項目(07221001D-3)

張秀媛(1982—),女,講師,碩士,主要從事食品加工研究。E-mail：zhangxiuyuan917@163.com