不同溫濕度條件下青花菜失水率預(yù)測模型的建立

孫 婧，李 媚，侯 軍，楊 佩，石 英

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083)

不同溫濕度條件下青花菜失水率預(yù)測模型的建立

孫 婧，李 媚，侯 軍，楊 佩，石 英*

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083)

以“綠秀”青花菜為試材，研究了不同溫濕度下青花菜的失水率隨時間的變化規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)，運用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和阿倫方程(Arrhenius equation)得到青花菜失水率的預(yù)測模型(R2＞0.91)。

青花菜，失水率，溫度，濕度，模型

青花菜(Brassica oleracea var.italica.L.)又名綠菜花、西蘭花、嫩莖花椰菜等，屬十字花科蕓薹屬甘藍(lán)種的一個變種［1］。青花菜是目前我國主栽的蔬菜品種之一。根據(jù)營養(yǎng)學(xué)分析表明，每100g鮮重，含水91g，蛋白質(zhì)3.6～4.1g，粗纖維0.6～0.8g，維生素C 90～150mg，維生素 A 2.3mg，鈣72mg;另外，青花菜中VB1、VB2等含量也很高［2］。因此，在人類經(jīng)常食用的多種蔬菜中，青花菜被認(rèn)為是養(yǎng)分全、含量高的高營養(yǎng)蔬菜［1］;但由于青花菜的食用器官為幼嫩的花蕾，極易失水，導(dǎo)致花球松散，變黃，喪失其商品品質(zhì);本實驗擬通過測定在不同溫濕度條件下，無包裝青花菜失水率隨時間的變化規(guī)律，建立青花菜在貨架期間失水率的預(yù)測模型，為控制及改進(jìn)貨架期環(huán)境條件以維持蔬菜商品品質(zhì)提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試青花菜綠秀 挑選大小相似、色澤均勻，無機(jī)械損傷和病蟲害的個體供實驗用。

BY－2006B高低溫(交變)濕熱實驗箱 北京博宇翔達(dá)有限公司;2NS－6H電子計重稱 莆田市上得利電子儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 溫濕度的設(shè)置

表1 實驗溫濕度設(shè)置(時間間隔，h)

1.2.2 失重率的測定及失水模型的建立

1.2.2.1 失重率的測定 按照表1的設(shè)置對青花菜的失重率進(jìn)行固定時間間隔的測定。采用稱重法［3］測定，隨機(jī)取10棵青花菜進(jìn)行編號，稱重并記錄，計算失重率:

失重率(%)=(初始質(zhì)量－測定質(zhì)量)/初始質(zhì)量×100%

1.2.2.2 模型建立及數(shù)據(jù)處理 近年來關(guān)于食品在貯藏加工過程中的動力學(xué)研究情況在國外報道了很多［4－6］。大多都從動力學(xué)變化的角度來研究食品品質(zhì)的損失。研究對象Q(如色澤、硬度、固形物等)的變化速率(損失率)可以表示為

大多數(shù)食品的質(zhì)量與時間關(guān)系表現(xiàn)為零級或一級反應(yīng)，即n=0或1［6］。而變化速率常數(shù)k與溫度的關(guān)系一般符合Arrhenius方程

結(jié)合式(1)和式(2)，得到

將兩邊求積分，于是品質(zhì)變化可以表示為

式(5)就是果蔬貯藏過程中的品質(zhì)變化的通用動力學(xué)模型。公式左邊是關(guān)于品質(zhì)Q的函數(shù)，右邊與溫度T和貯藏的時間t有關(guān)。關(guān)于函數(shù)的表達(dá)形式則因果蔬種類、采收期、品質(zhì)指標(biāo)等因素的不同而有差異，須通過實驗獲得。

式中:K0－Arrhenius方程的指數(shù)因子，m2·s－1; EA－活化能，kJ·mol－1;R－普適氣體常數(shù)，8.31kJ· mol－1·K－1;T－絕對溫度，K。

將式(2)的方程取對數(shù)，在求得不同溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)后，用－lnK對熱力學(xué)溫度的倒數(shù)［1/ (T+273)］作圖，可得到一條斜率為EA/R的直線，由此可以求出Arrhenius方程中的活化能EA及k0。

所有數(shù)據(jù)用Excel2003進(jìn)行分析處理。同時，使用Origin8.0軟件對青花菜水分損失模型進(jìn)行非線性擬合分析，得到不同濕度條件下青花菜失水率隨時間和溫度變化的三維曲面圖。

上式變形可得到線形表達(dá)式

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)果分析

2.1.1 不同溫度(固定濕度)下青花菜失水率的回歸方程 由圖1～圖4可以看出，在一定溫濕度下，青花菜失水率與時間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，R2值均大于0.97。同一濕度條件下，隨著溫度的升高，失水速率(即直線斜率)逐漸升高;同一溫度條件下，隨著濕度的升高，失水速率(即直線斜率)逐漸降低，即低溫、高濕條件有利于甘藍(lán)水分的保持。

圖1 不同溫度下青花菜失水率的變化曲線(相對濕度35%)

圖2 不同溫度下青花菜失水率的變化曲線(相對濕度55%)

2.1.2 水分損失預(yù)測模型的建立 分別將圖1～圖4中回歸方程斜率的負(fù)對數(shù)(－lnK)與對應(yīng)的絕對溫度的倒數(shù)［1/(T+273)］作圖，得到青花菜失水率的Arrhenius曲線，由此可以求出Arrhenius方程中的活化能EA和K0，其相關(guān)系數(shù)均在0.91以上(如表2所示)，表明青花菜失水速率與溫度之間呈現(xiàn)較好的指數(shù)關(guān)系。

圖3 不同溫度下青花菜失水率的變化曲線(相對濕度75%)

圖4 不同溫度下青花菜失水率的變化曲線(相對濕度95%)

表2 不同濕度下青花菜失水率變化的動力學(xué)模型參數(shù)

青花菜失水率與溫度、時間的關(guān)系可以表示為

式中:z－失水率(%);x－溫度(℃);y－時間(h); B，C為常數(shù)，B=K0，C=－EA/R。

使用Origin8.0軟件對得到的水分損失預(yù)測模型進(jìn)行非線性回歸擬合，可以擬合出不同濕度條件下青花菜失水率隨時間和溫度變化的三維曲面，分別如圖5～圖8所示。由四圖中可以看出，青花菜失水率與溫度、時間之間存在相關(guān)關(guān)系。

圖5 相對濕度35%下青花菜失水率隨溫度和時間變化的三維曲面圖

2.2 討論

2.2.1 失重率與失水率 果蔬采后，由于只有蒸騰作用而失去了水分的補充，因此在貯藏和運輸中會失水萎蔫，導(dǎo)致其含水量不斷降低，產(chǎn)品的重量不斷降低，這種失重通常稱為“自然損耗”。自然損耗包括水分和干物質(zhì)兩方面的損失，青花菜屬于非呼吸躍變型果實，食用部分是無數(shù)個小花蕾組成的花球及肉質(zhì)花莖，且含水量在90%左右，所以自然損耗中干物質(zhì)的損失很少，主要是失水［7］，所以本實驗中通過測定青花菜失重率來代表青花菜失水率。

圖6 相對濕度55%下青花菜失水率隨溫度和時間變化的三維曲面圖

圖7 相對濕度75%下青花菜失水率隨溫度和時間變化的三維曲面圖

圖8 相對濕度95%下青花菜失水率隨溫度和時間變化的三維曲面圖

2.2.2 失水率的影響因素 果蔬的失水率主要受產(chǎn)品自身和環(huán)境因素的影響，自身因素包括表面積比、種類和品種、實驗個體成熟度、機(jī)械傷、細(xì)胞持水力等;環(huán)境因素包括溫度、風(fēng)速和空氣濕度等［7］。實驗中，控制所取青花菜的品種、成熟度等自身因素一致，同時在恒溫恒濕箱中風(fēng)速也保持一致，從而使影響青花菜失水的主要是溫度和空氣濕度兩個因素。

2.2.3 失水率的線性回歸方程的建立 雖然很多研究表明［8－11］，青花菜以及其他蔬菜的失水率、硬度、色澤等一些品質(zhì)指標(biāo)，在恒定的環(huán)境中隨時間的變化是非線性的，但由于之前他人的研究中涉及的實驗時間較長，一般在20d以上;而本實驗測定時間小于48h，這個較短的時間內(nèi)青花菜的失水率隨時間的變化可以被近似以直線擬合。

3 結(jié)論

實驗得到了青花菜水分損失隨時間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(R2＞0.95)，建立了不同溫濕度條件下的線性方程，并用阿倫方程進(jìn)行指數(shù)方程擬合，模型擬合度在0.91以上;說明此模型可以很好地預(yù)測青花菜失水率隨溫度和時間的變化情況。

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Predictive modelling of moisture loss of broccoli on different storage conditions

SUN Jing，LI Mei，HOU Jun，YANG Pei，SHI Ying*
(College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China)

The changes of the moisture loss of broccoli(Brassica oleracea lvxiu)on different storage conditions (e.g.temperature and relative humidity)were investigated，the prediction model of the moisture loss of broccoli by chemical kinetics and Arrhenius law were obtained.

broccoli;moisture loss;temperature;humidity;model

TS255.1

A

1002－0306(2011)12－0069－03

2010－07－25 *通訊聯(lián)系人

孫婧(1986－)，女，碩士研究生，研究方向:果蔬貯運保鮮。基金項目:國家863計劃項目基金支持(2008AA100803)。