鮮花椒非真空避光貯藏的貨架期預(yù)測(cè)

張艷,何飛,溫鏗,王海峰,龔霞,李俊,吳銀明

四川省植物工程研究院,四川,內(nèi)江, 641200

花椒是蕓香科（Rutaceae）花椒屬（Zanthoxylum）植物的果實(shí)，是我國(guó)傳統(tǒng)的香辛料和中藥材，是中餐中“麻”的唯一來源。按植物學(xué)分類，生產(chǎn)實(shí)際中主要栽培的花椒屬植物為花椒（Zanthoxylum bungeanum）和竹葉花椒（Zanthoxylumarmatum），花椒鮮果成熟呈鮮紅色，干果為紅色或紫紅色，俗稱為“紅花椒”，竹葉花椒鮮果呈碧綠色，干果為灰綠或深綠色，俗稱為“青花椒”。兩者風(fēng)味差異較大，主要原因?yàn)橄銡夂吐槎炔煌?，青花椒揮發(fā)油中含烯 烴、醇、醛、醚種類多，因而香氣具有藥香、清香、辛香的特點(diǎn)，而紅花椒揮發(fā)油中含酯種類較多，因而香氣具有椒香、麻香、苦氣的特點(diǎn)[1]。紅花椒的麻度更強(qiáng)，因?yàn)轷０奉惡勘惹嗷ń反蟆３龘]發(fā)油和酰胺類物質(zhì)外，花椒中典型的生物活性物質(zhì)還有生物堿、類黃酮、脂肪酸、蛋白質(zhì)、氨基酸、可溶性糖、木脂素等[2]，開發(fā)利用價(jià)值高。但花椒采摘后不經(jīng)過恰當(dāng)?shù)奶幚?，容易受到微生物、水分、光照、氧化、自身呼吸作用等因素影響，引起活性成分的過度消耗，品質(zhì)急劇下降甚至變質(zhì)，在短期內(nèi)失去食用價(jià)值。并且在采摘時(shí)節(jié)由于花椒的集中上市導(dǎo)致其價(jià)格相對(duì)較低，而延長(zhǎng)花椒的保鮮期進(jìn)行反季銷售為椒農(nóng)和商家提供了更大的利潤(rùn)。

食品貯藏動(dòng)力學(xué)模型的建立，可以反映各種因素（如溫度、壓力、濃度等）對(duì)反應(yīng)速率影響，通過改變計(jì)算機(jī)中反應(yīng)條件，優(yōu)化反應(yīng)工藝指標(biāo)，從而達(dá)到模擬試驗(yàn)結(jié)果、理解試驗(yàn)過程（如原有物質(zhì)降解、新物質(zhì)形成、質(zhì)構(gòu)變化、分子變化）、對(duì)食品未來狀態(tài)定量化預(yù)測(cè)和控制食品品質(zhì)的作用[3]。可以幫助加工者更科學(xué)地進(jìn)行加工工藝設(shè)計(jì)、食品質(zhì)量安全控制；通過聯(lián)合電子標(biāo)簽技術(shù)可顯示商品的即時(shí)營(yíng)養(yǎng)值和剩余貨架期，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤。阿倫尼烏斯方程（Arrhenius）是一種常用的用于描述食品化學(xué)基元反應(yīng)的預(yù)測(cè)貨架期經(jīng)典模型，學(xué)者將其應(yīng)用于蜂蜜[4]，表明蜂蜜的黏度在一定溫度范圍內(nèi)遵從Arrhenius 公式，應(yīng)用于濕米粉[5]、抹茶[6]、榛子碎[7]、鮮切馬鈴薯[8]、鮮切西藍(lán)花[9]、綠色蔬菜[10]、冷凍番茄[11]、番茄醬[12]等食品中,有效預(yù)測(cè)了一定溫度范圍內(nèi)食品的貨架期。宋瑩瑩[13]對(duì)干花椒在不同包裝不同溫度下的麻味物質(zhì)降解速率進(jìn)行了研究，建立了Arrhenius 模型。目前對(duì)鮮花椒在貯藏過程中的動(dòng)力學(xué)研究未見報(bào)道。筆者在前期進(jìn)行了包裝方式對(duì)鮮花椒感官品質(zhì)的影響預(yù)試驗(yàn)，篩選出非真空避光包裝為鮮花椒貯藏的適宜包裝方式。在此基礎(chǔ)上，比較了不同貯藏溫度條件下采用非真空避光包裝的鮮花椒總酰胺含量、揮發(fā)油含量、感官品質(zhì)的變化，分別建立花椒酰胺物質(zhì)貯藏過程的動(dòng)力學(xué)模型和花椒揮發(fā)油貯藏過程的動(dòng)力學(xué)模型，為企業(yè)在花椒采后生產(chǎn)、保鮮、貯運(yùn)和銷售過程中的品質(zhì)監(jiān)控提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮采摘的青花椒（九葉青）和紅花椒（漢源花椒）。青花椒從四川省植物工程研究院資中試驗(yàn)基地采收，由四川省植物工程研究院林果研究所鑒定為蕓香科花椒屬竹葉花椒九葉青(Zanthoxylum armatum‘Jiuyeqing’)。紅花椒從四川省漢源縣采收，加冰袋低溫運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)四川省植物工程研究院林果研究所鑒定為蕓香科花椒屬漢源花椒(Zanthoxylumbungeanum‘Hanyuan’) 。

鋁箔包裝袋：食品級(jí)BOPP/PET/LDPE 復(fù)合膜，規(guī)格13 cm×17 cm，厚度0.1 mm，氧氣透過量≤15 cm3/（m2·24 h· 0.1 MPa），水蒸氣透過量≤3.5 g/（m2·24 h）；保鮮袋（PE 膜，厚度：0.02 mm，規(guī)格1 5 cm×17 cm）：東光縣鑫鑫塑業(yè)公司。

甲醇（色譜純）成都科龍?jiān)噭S。

1.2 主要儀器設(shè)備

BCD-215TD GA 電冰箱，青島海爾股份有限公司；DHP-9082 電熱恒溫培養(yǎng)箱，上海浦東榮豐科學(xué)儀器有限公司；752 紫外可見分光光度計(jì)，上海奧普勒儀器有限公司；KQ5200B 超聲波清洗機(jī)（昆山市超聲儀器有限公司）；AB-L 分析天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

將采摘的鮮花椒（青花椒、紅花椒）果實(shí)，挑選去除雜質(zhì)、霉變、蟲蝕、破損果粒，清洗后瀝干水分，裝入鋁箔包裝袋，每個(gè)重復(fù)稱取鮮花椒50.0 g，常壓封住自封口，將樣品分別在不同溫度條件下（-20、4、25、40℃）貯藏，以鮮花椒在感官上不可接受為貯藏終點(diǎn)，期間定期測(cè)定鮮花椒的總酰胺含量、揮發(fā)油含量、感官評(píng)分。

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定

總酰胺含量測(cè)定：按照GH/T 1 290—2020 規(guī)定的方法進(jìn)行，采用紫外分光光度法。

揮發(fā)油含量測(cè)定：按照GB/T 17 527-2009 規(guī)定的方法，采用水蒸氣蒸餾法進(jìn)行。

感官評(píng)價(jià)：采用9 點(diǎn)標(biāo)度法，由10 位對(duì)花椒質(zhì)量有豐富經(jīng)驗(yàn)的老師打分，打分過程不相互交流。考察色澤、滋味、組織形態(tài)、香氣4 項(xiàng)感官指標(biāo)，各項(xiàng)指標(biāo)分為9 級(jí)，每級(jí)5 分，依次累計(jì)得分，滿分為45 分，4 項(xiàng)感官指標(biāo)相加總分為180 分，打分標(biāo)準(zhǔn)見表1?；ń返淖涛对u(píng)價(jià)[14]是將 2 ?；ń穵A在饅頭中咀嚼品嘗，不咽下，品嘗完1 個(gè)樣品用溫水漱口。

表1 鮮花椒感官評(píng)定指標(biāo)體系Tab.1 Indicator system for sensory evaluation of fresh Zanthoxylum

1.3.3 鮮花椒貯藏動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型建立

構(gòu)建Arrhenius 方程預(yù)測(cè)鮮花椒貨架期，通常情況下，食品中的化學(xué)成分變化符合零級(jí)或一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)[15]，分別將鮮花椒貯藏過程中的總酰胺含量或揮發(fā)油含量的變化進(jìn)行回歸方程擬合（公式1、2），比較兩個(gè)方程的回歸系數(shù)R2，選擇R2大的方程級(jí)數(shù)作為該指標(biāo)變化的反應(yīng)級(jí)數(shù)。

式中，A 為貯藏時(shí)間t 時(shí)的總酰胺含量/（mg/g）或揮發(fā)油含量/（mL/100g）；A0為總酰胺或揮發(fā)油含量的初始值；t 為貯藏時(shí)間/d；k 為反應(yīng)速率常數(shù)。

根據(jù)Arrhenius 方程，反應(yīng)速率常數(shù)k 與溫度T 的關(guān)系如下：

式中，kT為熱力學(xué)溫度 T 下的反應(yīng)速率常數(shù)(d-1)；k0為指前因子；T 為反應(yīng)熱力學(xué)溫度(K)；R 為氣體常數(shù)(8.314 J·mol-1·K-1)；Ea 為活化能/（J·mol-1）；k0和Ea 都是與反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的本質(zhì)特性有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與反應(yīng)中物質(zhì)的量濃度和溫度均無關(guān)。

對(duì)式（3）取自然對(duì)數(shù)，得：

不同溫度條件下的速率常數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求出，再用 lnkT對(duì)熱力學(xué)溫度的倒數(shù)（1/T）作圖，可得到一條斜率為（-Ea/R），截距為lnk0的直線。由此可求出Arrhenius 方程中的活化能Ea 和k0。

結(jié)合式（2）和式（4），得鮮花椒的貨架期預(yù)測(cè)模型如下：

式中，A 為貯藏期終點(diǎn)的總酰胺含量/（mg/g）或揮發(fā)油含量/（mL/100g）；A0為貯藏起點(diǎn)的總酰胺含量/（mg/g）或揮發(fā)油含量/（mL/100g）；SL 為貨架期預(yù)測(cè)值(d)。

1.3.4 貯藏終點(diǎn)判定

以感官評(píng)價(jià)為主，結(jié)合酰胺含量和揮發(fā)油含量的變化來判定鮮花椒的貨架期終點(diǎn)。

1.3.5 模型驗(yàn)證

在貯藏第5 d，分別對(duì)最適包裝貯藏在4 種溫度條件下的鮮花椒測(cè)定總酚含量和揮發(fā)油含量，得到的實(shí)測(cè)值與所建立模型預(yù)測(cè)得到的理論值進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確率。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理及分析

以Microsoft Office Excel 2016 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、整理、制圖，采用 SPSS Statistic 26.0 軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、顯著性分析、回歸分析。

2 研究結(jié)果

2.1 總酰胺含量和揮發(fā)油含量的變化

采用非真空避光包裝的鮮花椒在不同溫度貯藏，40 ℃、25 ℃條件下貯藏的樣品每天測(cè)定指標(biāo)，直至貯藏終點(diǎn)，4 ℃、-20 ℃條件下貯藏的樣品每10d 測(cè)定指標(biāo)，測(cè)定至第60d，監(jiān)測(cè)過程中的總酰胺含量變化見圖1，揮發(fā)油含量變化見圖2，可見，青花椒和紅花椒隨著貯藏期增加，在不同貯藏溫度條件下總酰胺含量和揮發(fā)油含量均呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，以下降速率大小依次排序?yàn)?0 ℃＞25 ℃＞4 ℃＞-20 ℃，溫度越高，總酰胺和揮發(fā)油的損失速率越快，處理組之間的鮮花椒總酰胺含量差異顯著（p＜0.05）、發(fā)油含量差異顯著（p＜0.05），-20℃條件下的鮮花椒的總酰胺含量和揮發(fā)油含量顯著高于其他溫度組（p＜0.05），酰胺含量越高代表麻味越明顯，揮發(fā)油含量越高代表花椒香氣越濃郁，二者含量越高，說明鮮花椒貯藏效果越好。

圖1 鮮花椒在變溫條件下貯藏期總酰胺含量的變化Fig.1 Change of total fagaramide content in Zanthoxylum during storage at variable temperature

圖2 鮮花椒在變溫條件下貯藏期揮發(fā)油含量的變化Fig.2 Change of volatile oil content in Zanthoxylum during storage at variable temperature

2.2 總酰胺和揮發(fā)油含量動(dòng)力學(xué)模型的建立

2.2.1 反應(yīng)級(jí)數(shù)的確定

大多數(shù)食品品質(zhì)的變化遵循零級(jí)或一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程[16]，通過對(duì)非真空避光包裝貯藏的鮮花椒中總酰胺含量和揮發(fā)油含量與貯藏時(shí)間的回歸分析，得到不同貯藏溫度條件下指標(biāo)與貯藏時(shí)間的一元一次回歸方程、反應(yīng)速率常數(shù)k 及回歸系數(shù)R2(見表2 和表3)。根據(jù)回歸系數(shù)R2的大小確定反應(yīng)級(jí)數(shù)[17]，選擇各溫度的∑R2值較大的一方作為食品中該物質(zhì)的變化反應(yīng)級(jí)數(shù)。

表2 不同溫度條件下鮮花椒總酰胺反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型擬合Tab.2 Reaction kinetic model fitting of total fagaramide in fresh Zanthoxylum under different temperature conditions

表3 不同溫度條件下鮮花椒揮發(fā)油反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型擬合Tab.3 Reaction kinetic model fitting of volatile oil in fresh Zanthoxylum under different temperature conditions

對(duì)鮮花椒在不同溫度條件下的總酰胺含量變化結(jié)果見表2，青花椒∑R2(酰胺零級(jí)反應(yīng)R2=3.6141)＜青花椒∑R2(酰胺一級(jí)反應(yīng)R2=3.782)，可見青花椒中酰胺變化更符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型；紅花椒∑R2(酰胺零級(jí)反應(yīng)R2=3.5669)＜紅花椒∑R2(酰胺一級(jí)反應(yīng)R2=3.7595)，可見紅花椒中酰胺變化更符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。

對(duì)鮮花椒在不同溫度條件下的揮發(fā)油含量變化結(jié)果見表3，青花椒∑R2(揮發(fā)油零級(jí)反應(yīng)R2=3.5717)＜青花椒∑R2(揮發(fā)油一級(jí)反應(yīng)R2=3.6967)，可見青花椒中揮發(fā)油變化更符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型；紅花椒∑R2(揮發(fā)油零級(jí)反應(yīng)R2=3.4541)＜紅花椒∑R2(揮發(fā)油一級(jí)反應(yīng)R2=3.5786)，可見紅花椒中揮發(fā)油變化更符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。

因此，在本試驗(yàn)考察條件下，鮮花椒中總酰胺和揮發(fā)油的變化規(guī)律符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，方程總體線性關(guān)系較好，回歸方程擬合度較高。各回歸方程的反應(yīng)速率常數(shù)k 均為負(fù)數(shù)，說明總酰胺和揮發(fā)油含量與時(shí)間（t）成負(fù)相關(guān)，即總酰胺和揮發(fā)油含量會(huì)隨著貯藏時(shí)間的增加而降低。反應(yīng)速率常數(shù)k 是溫度的函數(shù)，溫度越高，反應(yīng)速率常數(shù)k 的絕對(duì)值越大，從而進(jìn)一步證實(shí)了溫度升高導(dǎo)致鮮花椒中總酰胺和揮發(fā)油的損失。

2.2.2 貯藏期動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型

根據(jù)不同貯藏溫度條件下總酰胺和揮發(fā)油隨時(shí)間的變化規(guī)律，建立動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型。以ln k 為y 值、1/T 為x 值作Arrehenius 曲線（見圖3 和圖4），2 種指標(biāo)Arrhenius 方程曲線的R2值均大于0.90。由圖5、圖6 中的線性方程的斜率為（-Ea/R）、截距為lnk0計(jì)算得到，以總酰胺含量為指標(biāo)時(shí)，青花椒、紅花椒反應(yīng)的活化能Ea 分別為52 681.66 J·mol-1和49 854.9 J·mol-1，指前因子k0的自然對(duì)數(shù)ln k0分別為18.13 和17.15；以揮發(fā)油含量為指標(biāo)時(shí)，青花椒、紅花椒反應(yīng)的活化能Ea 分別為49 997.90 J·mol-1和50 618.13 J·mol-1，指前因子k0的自然對(duì)數(shù)ln k0分別為16.98 和17.08。通過公式(5)計(jì)算，得到以總酰胺含量(公式6、7)和揮發(fā)油含量(公式8、9)為標(biāo)準(zhǔn)的貨架期模型。

圖3 鮮花椒總酰胺含量的Arrhenius 方程回歸曲線Fig.3 Arrhenius equation regression curve of total fagaramide content

圖4 鮮花椒揮發(fā)油含量的Arrhenius 方程回歸曲線Fig.4 Arrhenius equation regression curve of volatile oil content

圖5 非真空避光包裝的青花椒在不同溫度貯藏過程中的感官評(píng)分Fig.5 Sensory scores of Zanthoxylum armatum in non-vacuum and dark package during storage at different temperatures

圖6 非真空避光包裝的紅花椒在不同溫度貯藏過程中的感官評(píng)分Fig.6 Sensory scores of Zanthoxylum bungeanum Maxim in nonvacuum and package during storage at different temperatures

根據(jù)上述貨架期預(yù)測(cè)方程，在貯藏溫度已知、鮮花椒酰胺或揮發(fā)油的初始值和最終值已知的條件下，可計(jì)算出這一溫度下鮮花椒的貯藏期，從而對(duì)貨架期進(jìn)行預(yù)測(cè)。也可根據(jù)已知的貯藏溫度、初始值和貯藏期，推算出在該溫度條件下貯藏一定時(shí)間的鮮花椒中總酰胺和揮發(fā)油含量，從而對(duì)貯藏中的鮮花椒品質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.3 貨架期終點(diǎn)的判定

根據(jù)食品的品質(zhì)、消費(fèi)者可接受的狀態(tài)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以判定食品的貨架期終點(diǎn)[9]。鮮花椒在貯藏運(yùn)輸和銷售過程中容易出現(xiàn)褐變、風(fēng)味變淡、腐敗變質(zhì)等感官變化，因此以感官評(píng)價(jià)為主，綜合酰胺含量和揮發(fā)油含量的變化來判定鮮花椒的貨架期終點(diǎn)。采用非真空避光包裝的鮮花椒在不同溫度貯藏過程中的感官評(píng)分見圖5、圖6，可見，青花椒和紅花椒隨著貯藏期增加，在不同貯藏溫度條件下感官評(píng)分均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，以下降速率大小依次排序?yàn)?0 ℃＞25 ℃＞4 ℃＞-20 ℃，40 ℃呼吸速率加快，感官品質(zhì)劣變速度快，而4 ℃和-20 ℃能有效地抑制呼吸作用，延緩衰老，感官評(píng)分下降較慢。感官評(píng)分的變化趨勢(shì)和不同溫度下酰胺含量、揮發(fā)油含量變化趨勢(shì)基本一致。從色澤、滋味、組織形態(tài)、香氣度等多方面綜合考查，當(dāng)感官評(píng)分降為總分的60%(108 分)時(shí)，此時(shí)消費(fèi)者的感官不可接受，記為貨架期終點(diǎn)。

此時(shí)，需測(cè)定達(dá)貨架期終點(diǎn)時(shí)鮮花椒的總酰胺含量和揮發(fā)油含量值，即為特征指標(biāo)值。經(jīng)模型S L青花椒-酰胺，S L紅花椒-酰胺，S L青花椒-揮發(fā)油，S L紅花椒-揮發(fā)油計(jì)算，確定鮮花椒中的總酰胺含量為初始量的54%，揮發(fā)油含量為初始量的60%，記為貨架期終點(diǎn)。

2.4 鮮花椒預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

將鮮花椒采用非真空避光包裝后，分別貯藏在40℃、25 ℃、4 ℃、-20 ℃下，5 d 后測(cè)定總酰胺含量和揮發(fā)油含量。將測(cè)得的值分別帶入公式(6)—(9)，即可得出預(yù)測(cè)的貯藏期，結(jié)果見表4，由表可見，根據(jù)模型計(jì)算出的預(yù)測(cè)值和測(cè)定出的實(shí)際貯藏期值相對(duì)誤差在15%以內(nèi)，表明建立的非真空避光包裝鮮花椒動(dòng)力學(xué)模型有效，可應(yīng)用于花椒的貯運(yùn)和銷售。

表4 鮮花椒動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證Tab.4 Verification of dynamic models for fresh Zanthoxylum

3 結(jié)論

將非真空避光包裝的鮮花椒在不同溫度（-20、4、25、40 ℃）貯藏，定期測(cè)定感官指標(biāo)、總酰胺含量、揮發(fā)油含量，考察鮮花椒品質(zhì)的變化規(guī)律；以總酰胺含量、揮發(fā)油含量為品質(zhì)指標(biāo)，構(gòu)建指標(biāo)變化的動(dòng)力學(xué)方程模型，并結(jié)合Arrhenius 方程進(jìn)行線性擬合建立貨架期預(yù)測(cè)模型；通過準(zhǔn)確度驗(yàn)證，表明模型可以有效預(yù)測(cè)鮮花椒在-20～40℃溫度范圍內(nèi)的貨架期，為鮮花椒的采后加工運(yùn)輸銷售提供指導(dǎo)。