速凍蓮藕片貯藏過程中品質(zhì)變化動(dòng)力學(xué)模型

劉春菊，錢 旻，宋江峰，李大婧，劉春泉

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速凍蓮藕片貯藏過程中品質(zhì)變化動(dòng)力學(xué)模型

劉春菊1,2，錢 旻1，宋江峰1,2，李大婧1,2※，劉春泉1,2

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所江蘇南京 210014；2. 國(guó)家蔬菜加工技術(shù)研發(fā)專業(yè)分中心江蘇南京 210014）

為了探尋貯藏溫度對(duì)速凍蓮藕片品質(zhì)的影響及預(yù)測(cè)其貨架期，該文研究在貯藏溫度-5、-15和-25 ℃條件下，速凍蓮藕片維生素C、色澤和硬度隨著貯藏時(shí)間的變化，建立了3個(gè)指標(biāo)變化動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果表明：隨著貯藏溫度的升高，速凍蓮藕片維生素C、色澤和硬度的變化速率逐漸增加，-5 ℃條件下貯藏的速凍蓮藕片品質(zhì)快速下降，-15和-25 ℃條件下貯藏前期蓮藕片品質(zhì)下降不顯著（>0.05），隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，-25 ℃部分玻璃態(tài)貯藏的蓮藕片品質(zhì)最佳；不同貯藏溫度下速凍蓮藕片維生素C和硬度變化符合一級(jí)反應(yīng)，總色差和亮度變化符合零級(jí)反應(yīng)，速凍蓮藕片維生素C、色澤和硬度反應(yīng)速率常數(shù)符合Arrhenius方程，并建立蓮藕片貨架期動(dòng)力學(xué)模型，通過對(duì)其驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)模型擬合度良好（2>0.9），能預(yù)測(cè)速凍蓮藕片貯藏期各品質(zhì)指標(biāo)變化和不同溫度下的貨架期壽命。研究結(jié)果可為速凍蓮藕片低溫貯藏品質(zhì)變化和貨架壽命預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

貯藏；品質(zhì)控制；模型；動(dòng)力學(xué)；活化能；速凍蓮藕片

0 引 言

蓮藕（Gaertn.）又稱荷藕、蓮菜等，多年生大型宿根水生草本植物，營(yíng)養(yǎng)豐富，具有較高的食用和藥用價(jià)值[1-2]。中國(guó)蓮藕資源豐富，其種植品種、規(guī)模和產(chǎn)量均占世界絕對(duì)的領(lǐng)先地位，在中國(guó)蓮藕是一種重要而特有的水生蔬菜，也是中國(guó)蔬菜出口產(chǎn)量最大品種之一[3]。蓮藕出口產(chǎn)品主要以速凍蓮藕為主，速凍蓮藕可保持蓮藕原有的品質(zhì)、風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分，且不受季節(jié)和地域的限制，是一種較好的保鮮方法[4-5]。但貯運(yùn)時(shí)間仍然是制約速凍蓮藕產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。目前，對(duì)于速凍蓮藕的貯藏方式一般采用-18 ℃凍藏庫(kù)，在此條件下，微生物不能生長(zhǎng)，如一些嗜冷性細(xì)菌在-10 ℃下停止生長(zhǎng)，致病或使食品敗壞的微生物在3 ℃以下就不能活動(dòng)[6]，但實(shí)際上各種化學(xué)反應(yīng)仍繼續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)的速度因貯藏溫度和產(chǎn)品性質(zhì)而變化。

近幾年，玻璃態(tài)貯藏受到了食品專家和學(xué)者的關(guān)注，Lim等[7]發(fā)現(xiàn)處在部分玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近或以下的冷凍豌豆在凍藏期間品質(zhì)極佳，且不同溫度下的品質(zhì)下降與貯藏溫度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之間的溫度差有關(guān)。但蓮藕含水量高，處于玻璃態(tài)貯藏時(shí)的溫度較低，在普通凍藏條件下很難達(dá)到，前期研究了通過外源物滲透處理對(duì)蓮藕片玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響，發(fā)現(xiàn)氯化鈉浸漬可提高蓮藕片的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[8]，經(jīng)過氯化鈉浸漬預(yù)處理的蓮藕片在不同的貯藏溫度下品質(zhì)變化以及對(duì)貨架期的影響尚有待明確。

目前，研究貯藏溫度對(duì)食品品質(zhì)變化的主要方法是應(yīng)用動(dòng)力學(xué)理論和阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程來建立模型，模擬預(yù)測(cè)不同食品主要品質(zhì)指標(biāo)變化，通過建立適當(dāng)?shù)姆匠虂砟M隨時(shí)間-溫度變化的品質(zhì)變化規(guī)律， 并將其作為預(yù)測(cè)管理貨架壽命的一種有效手段。Giannakourou等[9]研究了冷凍綠色蔬菜維生素C的變化與不同貯藏條件下的動(dòng)力學(xué)模型，以維生素C的變化來表明冷凍綠色蔬菜在貯藏期間的品質(zhì)變化，建立了有效的時(shí)間-溫度波動(dòng)與品質(zhì)之間的函數(shù)關(guān)系并依此模擬真實(shí)商業(yè)化生產(chǎn)過程。Gon?alves等[10]對(duì)等溫（-7，-15和-25 ℃）和非等溫（-30～-5 ℃）貯藏條件下南瓜的色澤、質(zhì)構(gòu)和維生素C的變化及其變化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明預(yù)冷和速凍過程對(duì)品質(zhì)影響顯著，貯藏溫度對(duì)品質(zhì)的影響符合Arrhenius規(guī)律，非等溫貯藏對(duì)品質(zhì)影響顯著。另外，也對(duì)冷凍西蘭花[11]的維生素C和汁液損失進(jìn)行了研究，結(jié)果表明色澤和汁液損失符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，維生素C降解符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。

本文以一般冷藏溫度、商業(yè)凍藏溫度和部分玻璃態(tài)溫度為參考，研究-5、-15和-25 ℃貯藏條件下經(jīng)過氯化鈉浸漬預(yù)處理的蓮藕片維生素C、色澤和硬度隨時(shí)間變化的規(guī)律，以探討不同貯藏溫度對(duì)蓮藕片品質(zhì)的影響，建立貨架期動(dòng)力學(xué)模型，以模擬預(yù)測(cè)蓮藕片在不同貯藏溫度下品質(zhì)變化與時(shí)間的關(guān)系，同時(shí)驗(yàn)證各品質(zhì)指標(biāo)預(yù)測(cè)模型的有效性，為速凍蓮藕片低溫貯藏期品質(zhì)變化和貨架壽命預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試蓮藕品種3735購(gòu)于江蘇省南京市孝陵衛(wèi)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。氯化鈉、檸檬酸、維生素C、六偏磷酸鈉為食品級(jí)；2,6-二氯酚靛酚、草酸、碳酸氫鈉、抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)樣品、硝酸銀、鉻酸鉀等試劑為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 主要儀器與設(shè)備

BCD-216SDCM型三門冰箱（青島海爾股份有限公司）；TG16-WS型臺(tái)式高速離心機(jī)（長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司）；QTS型質(zhì)構(gòu)分析儀（英國(guó)CNS Farnell公司）；WSC-S型色差儀（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；JA-3003型千分之一天平（上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）；真空干燥器（鹽城玻璃儀器廠）。

1.3 氯化鈉浸漬預(yù)處理

挑選新鮮、色白、脆嫩的蓮藕洗凈、去皮，切成厚度為5 mm的薄片，護(hù)色條件參照陳移平[12]的方法，并進(jìn)行適當(dāng)修改，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%檸檬酸、2.0%維生素C及0.2%六偏磷酸鈉護(hù)色30 min，于（98±2）℃燙漂滅酶1～2 min，冷卻后瀝干。取燙漂試樣300 g置于25 ℃、絕對(duì)壓力0.003 Pa的真空干燥箱中的料液比為1:2 kg/L，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的NaCl調(diào)理液滲透處理40 min，瀝干備用。

1.4 氯化鈉含量測(cè)定

經(jīng)過浸漬預(yù)處理的蓮藕片采用GB 5009.42-2016食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食鹽指標(biāo)的測(cè)定[13]方法測(cè)定含鹽量。

1.5 貯藏期指標(biāo)測(cè)定

將預(yù)處理后含鹽量為3.05%的蓮藕片均勻平鋪放入-60 ℃超低溫冰箱中凍結(jié)15～20 min，使其快速通過最大冰晶生成區(qū)，再繼續(xù)凍結(jié)1 h[14]。將凍好的蓮藕片按每袋500 g分裝在普通聚乙烯包裝袋中，分別貯藏在-5、-15和-25 ℃環(huán)境中，測(cè)定貯藏期蓮藕片維生素C、色澤和硬度。

1.5.1 維生素C含量

2,6-二氯靛酚法[15]：隨機(jī)稱取10 g 5 ℃解凍的蓮藕片放在研缽中加入2%草酸溶液研磨成漿，定容至100 mL，搖勻，提取1 h，7 500 r/min離心30 min，取10 mL上清液用已標(biāo)定的2,6-二氯靛酚溶液滴定至粉紅色，30 s內(nèi)不褪色為終點(diǎn)，記下染料的用量，每個(gè)樣品平行3次，重復(fù)3次，取平均值，計(jì)算維生素C含量[15]。

式中為樣品中抗壞血酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/100g；0為空白滴定所用染料量，mL；1為樣品滴定所用染料量，mL；為取樣量，g；為樣品滴定吸取溶液體積，mL；為樣品溶液定容后的總體積，mL；為1mL染料溶液相當(dāng)于抗壞血酸的毫克數(shù)。

1.5.2 色澤

取5 g 5 ℃解凍后的蓮藕打碎，采用WSC-S型色差儀測(cè)定蓮藕*，*和*值。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)照明委員會(huì)*、*、*表色系中的*（明度）反映樣品的亮度和白度；*反映樣品紅綠度，正數(shù)代表紅色，負(fù)數(shù)代表綠色；*反映樣品黃藍(lán)度，正數(shù)代表黃色，負(fù)數(shù)代表藍(lán)色[16]。色澤變化可以通過色差計(jì)測(cè)量速凍前顏色值（0、0、0）與實(shí)際色澤之差來反映，即總色差值?，用以指明整體色澤的變化程度。

式中?為貯藏期間蓮藕片的總色差；0、0、0為蓮藕片貯藏期開始時(shí)的色度值；為貯藏期間蓮藕片的亮度值；為貯藏期間蓮藕片的紅綠值；為貯藏期間蓮藕片的黃藍(lán)值。

每次測(cè)定平行不少于3次，重復(fù)不少于6次，取平均值。

1.5.3 硬度

隨機(jī)取各溫度下貯藏的蓮藕6片，于5 ℃下解凍后用QTS質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定，探頭為P/5N平底圓柱型探頭[17]，操作模式為壓力模式，測(cè)前速度2 mm/s，測(cè)試速度0.5 mm/s，下壓距離3 mm，測(cè)后速度2 mm/s，以測(cè)試的最大峰值為硬度值，平行測(cè)定6次，取平均值。

1.6 品質(zhì)變化動(dòng)力學(xué)模型建立

1.6.1 零級(jí)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型

食品營(yíng)養(yǎng)成分和感官指標(biāo)在貯藏過程中受各種因素的影響而變化，產(chǎn)生這些變化的反應(yīng)規(guī)律基本上均遵循零級(jí)或一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型[18]，式（3）為零級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型，式（4）為一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型。

（3）

由式（4）取對(duì)數(shù)得到

（5）

式中()為樣品在時(shí)間為時(shí)的品質(zhì)指標(biāo)值；(0)為樣品初始品質(zhì)指標(biāo)；為貯藏時(shí)間，d；為在相應(yīng)貯藏條件下反應(yīng)速率常數(shù)。

建立樣品品質(zhì)指標(biāo)與貯藏時(shí)間的線性回歸方方程，得到方程的決定系數(shù)2，2越高說明反應(yīng)越符合此級(jí)數(shù)。

1.6.2 反應(yīng)半衰期

由式（3）得，零級(jí)反應(yīng)的半衰期為

由式（4）得，一級(jí)反應(yīng)的半衰期為

（7）

1.6.3 Arrhenius方程

利用在-5、-15、-25 ℃貯藏溫度下測(cè)得的蓮藕片維生素C、色澤和硬度數(shù)據(jù)作圖，確定反應(yīng)級(jí)數(shù)，計(jì)算反應(yīng)常數(shù)，得到該反應(yīng)的Arrhenius方程[20]。

式中為指前因子；為氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K)；E為表觀活化能，J/mol；為絕對(duì)溫度，K。和E均是與反應(yīng)體系物質(zhì)本身性質(zhì)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

對(duì)式（8）取對(duì)數(shù)得到

求出3個(gè)不同貯藏溫度下的速率常數(shù)后，根據(jù)式（9）對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)的對(duì)數(shù)ln與貯藏溫度的倒數(shù)1 000/作圖，由直線的斜率和截距分別求得其活化能E和指前因子[21]。

1.6.4 品質(zhì)指標(biāo)變化動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

食品貯藏期品質(zhì)變化模型可以預(yù)測(cè)食品貨架期，使食品品質(zhì)保持在消費(fèi)者可接受范圍[22]。由式（3）和式（8）得到貯藏期間各個(gè)品質(zhì)指標(biāo)變化的零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型公式，即

由式（5）和式（9）得到貯藏期間各個(gè)品質(zhì)指標(biāo)變化的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型公式，即

（11）

1.7 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

分別將-5、-15和-25 ℃下貯藏的速凍蓮藕各品質(zhì)指標(biāo)的三分之二數(shù)據(jù)代入方程（3）和方程（5），計(jì)算不同溫度下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，采用IBM SPSS Statistics 19軟件對(duì)各品質(zhì)指標(biāo)的試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行線性回歸，用Arrhenius方程計(jì)算各品質(zhì)指標(biāo)在貯藏期反應(yīng)活化能，建立各指標(biāo)動(dòng)力學(xué)模型，繪制模型預(yù)測(cè)曲線，分析預(yù)測(cè)值與各品質(zhì)指標(biāo)三分之一實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間的擬合度，驗(yàn)證各品質(zhì)指標(biāo)動(dòng)力學(xué)模型。采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。采用OriginPro8.6軟件（OriginLab公司）繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 維生素C變化動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建

2.1.1 貯藏溫度對(duì)速凍蓮藕片維生素C變化的影響

維生素C是影響果蔬營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要化學(xué)成分，在不同貯藏溫度下速凍蓮藕片維生素C含量隨時(shí)間而變化如圖1所示。隨貯藏時(shí)間延長(zhǎng)維生素C含量逐漸降低。隨著貯藏溫度的升高，維生素C穩(wěn)定性變差、變化速度加快，速凍蓮藕片維生素C初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.28 mg/g，在貯藏0～20 d，3個(gè)不同溫度下貯藏的蓮藕片維生素C含量變化相對(duì)集中和一致變化速率相近，第50天時(shí)，-5、-15和-25 ℃溫度下維生素C的保存率分別為64.24%、67.24%、73.73%；第100天時(shí)，-5、-15和-25 ℃溫度下維生素C的保留率分別為14.30%、51.31%、59.18%，說明在-5 ℃貯藏時(shí)，維生素C變化很快、穩(wěn)定性差；在-15和-25 ℃時(shí)，維生素C相對(duì)較穩(wěn)定；貯藏120 d前維生素C保存率和變化速率差異不顯著（>0.05），貯藏后期-15 ℃和-25 ℃溫度下維生素C含量變化比較緩慢，尤其是-25 ℃下維生素C含量趨于穩(wěn)定，變化速率最慢，差異不顯著（>0.05）。

2.1.2 維生素C的變化速率及反應(yīng)級(jí)數(shù)

假設(shè)本試驗(yàn)中維生素C變化符合零級(jí)或一級(jí)反應(yīng)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)由式（3）和式（5）計(jì)算速凍蓮藕片貯藏中維生素C在相應(yīng)反應(yīng)級(jí)數(shù)下的反應(yīng)速率常數(shù)，并進(jìn)行線性回歸分析，得到?jīng)Q定系數(shù)，結(jié)果如表1所示。在不同貯藏溫度下，通過比較維生素C相應(yīng)反應(yīng)級(jí)數(shù)下的反應(yīng)速率常數(shù)推斷降解的快慢，維生素C零級(jí)和一級(jí)反應(yīng)的線性回歸決定系數(shù)2推斷反應(yīng)級(jí)數(shù)，決定系數(shù)2越高，說明反應(yīng)越符合此級(jí)數(shù)。由表1可知，在-5 ℃時(shí)，維生素C的零級(jí)反應(yīng)決定系數(shù)比一級(jí)反應(yīng)略高，但在-15℃和-25 ℃時(shí)，維生素C的一級(jí)反應(yīng)決定系數(shù)比零級(jí)反應(yīng)都要高，因此速凍蓮藕片在不同溫度貯藏過程中維生素C變化較符合一級(jí)反應(yīng)[23,24]。

圖1 不同貯藏溫度下維生素C含量變化

表1 不同貯藏溫度下維生素C的零級(jí)和一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)及決定系數(shù)

2.1.3 維生素C變化反應(yīng)的半衰期（1/2）和活化能（E）

根據(jù)式（7）和表1的一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)計(jì)算維生素C的變化反應(yīng)半衰期，結(jié)果如表2所示。隨著溫度升高，維生素C半衰期變短，特別是在-5 ℃下貯藏維生素C半衰期只有58 d，而在-15和-25 ℃下貯藏時(shí)，維生素C半衰期約為-5 ℃的2倍和4倍，說明貯藏溫度對(duì)維生素C影響很大。根據(jù)式（9）對(duì)維生素C一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)的對(duì)數(shù)ln與貯藏溫度的倒數(shù)1 000/作圖，獲得方程=-4.147 2+10.979（2=0.9712），由直線的斜率和截距分別求得其活化能E和指前因子[25]，結(jié)果如表2所示?；罨苁欠磻?yīng)動(dòng)力學(xué)研究的重要參數(shù)，它反映了一個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生需要從外部環(huán)境中吸收熱量的大小，活化能越小反應(yīng)越易進(jìn)行[26]，當(dāng)E＜42 kJ/mol，反應(yīng)速率較大，E＞400 kJ/mol，反應(yīng)速率較小。由表2可知，速凍蓮藕片貯藏過程中維生素C的活化能E為34.48 kJ/mol，說明在蓮藕片貯藏過程中維生素C的變化速率較大，易發(fā)生變化[27]?；罨艿拇笮∫卜从沉藴囟葘?duì)降解的影響程度，活化能越小，溫度變化對(duì)變化速率的影響也越小[28]。蓮藕片維生素C活化能較小，所以貯藏期間溫度波動(dòng)對(duì)維生素C降解速率影響不大。

表2 維生素C變化的半衰期、活化能和指前因子

2.1.4 蓮藕片維生素C的變化動(dòng)力學(xué)模型與驗(yàn)證

將活化能E、指前因子和代入式（11），得到

通過上式可以根據(jù)蓮藕片維生素C初始值和貨架期內(nèi)最低限值計(jì)算出貯藏時(shí)間，確定冷凍蓮藕片的貨架期，也可以根據(jù)貯藏時(shí)間計(jì)算出蓮藕片維生素C的含量。

在3個(gè)貯藏溫度下維生素C含量的預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值關(guān)系見圖2。對(duì)圖2中的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析，在-5、-15和-25 ℃下維生素C含量的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.968 7、0.955 26和0.934 6，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和所擬合的模型之間相關(guān)性良好，決定系數(shù)均大于0.9，說明一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型能夠真實(shí)地反映試驗(yàn)溫度下蓮藕片維生素C含量隨貯藏時(shí)間降解的規(guī)律。

圖2 不同貯藏溫度下維生素C含量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的關(guān)系

2.2 色澤變化動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建

2.2.1 貯藏溫度對(duì)速凍蓮藕片色澤的影響

如圖3所示，隨著貯藏時(shí)間延長(zhǎng)和貯藏溫度升高，蓮藕片*值降低，顏色變暗，*、*值上升，蓮藕片顏色發(fā)紅發(fā)黃，總色差D上升，這是由于蓮藕片中含有大量的多酚化合物，在貯藏過程中會(huì)發(fā)生一系列的非酶促反應(yīng)，造成蓮藕片褐變[29]。-5 ℃下貯藏的蓮藕片色澤變化很快，貯藏100 d后，蓮藕片顏色發(fā)灰變黃，部分有紅色紫色斑塊出現(xiàn)；-15 ℃和-25 ℃下貯藏的蓮藕片色澤變化較緩慢，且*和*值變化相近，差異不顯著（>0.05）。

圖3 不同貯藏溫度下色澤的變化

2.2.2 色澤的變化速率及反應(yīng)級(jí)數(shù)

假設(shè)本試驗(yàn)中*和D的變化符合零級(jí)或一級(jí)反應(yīng)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)由式（3）和（5）計(jì)算速凍蓮藕片貯藏中*和D值在相應(yīng)反應(yīng)級(jí)數(shù)下的反應(yīng)速率常數(shù)，并進(jìn)行線性回歸分析，得到?jīng)Q定系數(shù)，結(jié)果如表3所示。由表3可知，隨著貯藏溫度的升高，速率常數(shù)逐漸增加，表明溫度越高，蓮藕片色澤變化越快。*零級(jí)和一級(jí)決定系數(shù)相差不大，從速率常數(shù)來考慮，*遵循零級(jí)反應(yīng)；D零級(jí)決定系數(shù)明顯高于一級(jí)反應(yīng)決定系數(shù)，D較符合零級(jí)反應(yīng)，所以蓮藕片色澤變化符合零級(jí)反應(yīng)[11]。

表3 不同貯藏溫度下色澤的零級(jí)和一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)及決定系數(shù)

2.2.3 色澤變化的活化能（E）

為了進(jìn)一步研究蓮藕片貯藏期間的色澤變化，根據(jù)式（9）對(duì)*和D反應(yīng)速率常數(shù)的對(duì)數(shù)ln與貯藏溫度的倒數(shù)1 000/作圖，由直線的斜率和截距分別求得其活化能E和指前因子[25]，結(jié)果如表4所示。*和D的ln與1 000/線性關(guān)系良好，2分別為0.88和0.88，遵循阿倫尼烏斯方程。由表4可知，蓮藕片*和D的活化能分別為44.72 kJ/mol和43.94 kJ/mol，說明蓮藕片*和D的變化反應(yīng)速率均較快。活化能也能說明反應(yīng)發(fā)生的難易程度，*和D的活化能絕對(duì)值相近差異不大，說明亮度值與總色差的反應(yīng)變化規(guī)律一致，與總色差公式相符。

表4 色澤變化的活化能和指前因子

2.2.4 蓮藕片色澤的變化動(dòng)力學(xué)模型及驗(yàn)證

*和D均符合零級(jí)反應(yīng)，將*和D的活化能、指前因子分別代入式（10），分別得

（14）

由以上公式可以預(yù)測(cè)出某一溫度下貯藏一定時(shí)間蓮藕片的色澤變化或根據(jù)貨架期內(nèi)蓮藕片色澤變化預(yù)測(cè)出貯藏貨架時(shí)間。

不同貯藏溫度下*和D預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值關(guān)系見圖4。對(duì)圖4中實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析，在-5、-15和-25 ℃下*和D的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.931 2、0.902 5和0.915 9，0.918 9、0.915 6和0.901 2，相關(guān)系數(shù)均大于0.9，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間相關(guān)性高、擬合良好，說明預(yù)測(cè)模型能較好的反應(yīng)實(shí)際貯藏過程中蓮藕片色澤變化規(guī)律。

2.3 硬度變化動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建

2.3.1 貯藏溫度對(duì)速凍蓮藕片硬度的影響

由圖5不同貯藏溫度下蓮藕片硬度與貯藏時(shí)間關(guān)系可知，隨著貯藏溫度升高，硬度下降速度變快；不同貯藏溫度下蓮藕片硬度先快速下降，后逐漸趨于平緩；貯藏初期蓮藕片硬度變化相似，但隨著貯藏時(shí)間延長(zhǎng)，-15和-25 ℃下40 d的硬度值下降一半，-5 ℃下10 d硬度值下降一半，說明貯藏溫度對(duì)硬度值影響很大，另外也有可能是凍結(jié)方式和解凍過程對(duì)硬度值造成的一定影響[30-31]。

2.3.2 硬度變化速率及反應(yīng)級(jí)數(shù)

假設(shè)本試驗(yàn)中硬度變化符合零級(jí)或一級(jí)反應(yīng)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)由式（3）和（5）計(jì)算速凍蓮藕片硬度在相應(yīng)反應(yīng)級(jí)數(shù)下的反應(yīng)速率常數(shù)，并進(jìn)行線性回歸分析，得到?jīng)Q定系數(shù)，結(jié)果如表5所示。隨著貯藏溫度升高，速率常數(shù)逐漸增加。硬度變化的一級(jí)反應(yīng)決定系數(shù)明顯高于零級(jí)反應(yīng)，所以硬度變化更符合一級(jí)反應(yīng)。

圖5 不同貯藏溫度下硬度與時(shí)間的關(guān)系

表5 不同貯藏溫度下硬度變化的零級(jí)和一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)及決定系數(shù)

2.3.3 硬度變化的半衰期（1/2）和活化能（E）

為了進(jìn)一步研究硬度動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)式（7）和表5的一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)計(jì)算貯藏中硬度變化反應(yīng)半衰期，結(jié)果如表6所示。根據(jù)式（9）對(duì)硬度一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)的對(duì)數(shù)ln與貯藏溫度的倒數(shù)1 000/作圖，獲得方程=-3.639 2+9.564 6（2=0.923 5），由直線的斜率和截距分別求得其活化能E和指前因子[25]，結(jié)果如表6所示。硬度變化的活化能E為30.26 kJ/mol，活化能小，說明蓮藕片硬度反應(yīng)速率快，在貯藏過程中硬度極易下降。

表6 硬度變化的半衰期、活化能和指前因子

2.3.4 蓮藕片硬度的變化動(dòng)力學(xué)模型

將活化能E、指前因子和代入式（11），得到貯藏期間硬度變化一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型公式，即

通過上式可以根據(jù)蓮藕片貨架期內(nèi)硬度值來預(yù)測(cè)某一溫度下的貯藏貨架時(shí)間或根據(jù)貯藏時(shí)間和溫度計(jì)算蓮藕片的硬度值。

對(duì)蓮藕片硬度變化的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖6所示。在-5、-15和-25 ℃下硬度實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.887 6、0.934 8和0.916 9，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合模型之間相關(guān)性好、擬合度高，一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型能夠較好的反映不同貯藏溫度下蓮藕片硬度值的變化，說明貯藏溫度、時(shí)間和硬度值之間的預(yù)測(cè)模型可行有效。

圖6 不同貯藏溫度下硬度實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的關(guān)系

3 結(jié) 論

通過研究-5、-15和-25 ℃ 3個(gè)不同貯藏溫度下速凍蓮藕片維生素C、色澤和硬度隨時(shí)間變化，結(jié)果表明隨著貯藏溫度升高，速凍蓮藕片維生素C、色澤和硬度的變化速率變快，-5 ℃條件下貯藏100 d速凍蓮藕片維生素C、色澤和硬度變化較大，品質(zhì)下降嚴(yán)重；-15 ℃和-25 ℃條件下貯藏的速凍蓮藕片品質(zhì)下降緩慢，貯藏前期兩者差異不顯著（>0.05），但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，-25 ℃條件下貯藏的速凍蓮藕片品質(zhì)明顯較好。

對(duì)不同貯藏溫度下速凍蓮藕片維生素C、色澤和硬度的試驗(yàn)值進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)維生素C和硬度值變化符合一級(jí)反應(yīng)，總色差和亮度變化符合零級(jí)反應(yīng)，結(jié)合Arrhenius方程對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行擬合，并構(gòu)建了蓮藕片貨架期動(dòng)力學(xué)模型方程，經(jīng)驗(yàn)證表明實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，說明各模型均能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同貯藏溫度下速凍蓮藕片的品質(zhì)變化和貨架壽命。

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Establishment of dynamic model for quality change in frozen lotus root slices during storage

Liu Chunju1,2, Qian Min1, Song Jiangfeng1,2, Li Dajing1,2※, Liu Chunquan1,2

(1.210014; 2.210014)

Lotus root is one of the vegetables with huge export production in China. The quality of post-harvest lotus root declined quickly due to its rotting and discoloring. Unsuitable preservation or storage methods can lead to its great loss. Deep processing is an appropriate method to reduce the post-harvest loss of lotus root. Frozen lotus root is the main type of export production, which can retain most of the original quality, flavor and nutrition. During the freezing-storage period, storage temperature can conduct some influence on the product quality and shelf life of frozen lotus root. In order to clarify the influence of storage temperature on quality of lotus root slices and develop the predictive model of shelf life of lotus root slices, Vitamin C content, color and hardness of lotus root slices were examined at-5,-15 and-25 ℃ respectively during different storage time, and the dynamic models of those quality indices were established. The Vitamin C content, color and hardness were chosen as indices representing for the quality of nutrition, appearance and texture, respectively. A series of experiments were carried out to develop and validate the change dynamic model for predicting the quality and remaining shelf life of frozen lotus root slices stored at different temperature. The results showed that the Vitamin C content decreased gradually with the storage time, the stability of Vitamin C became worse, and the degradation rate was accelerated with the increase of storage temperature. The Vitamin C content was more stable during the early storage at-5 ℃, and the degradation rate of Vitamin C was higher during the late storage. The degradation rate of Vitamin C at-25 ℃ storage was slower than other storage temperatures. In case of color indices, the* value declined, the* and* value and the chromatic aberration were increased with the extension of storage time and the increase of storage temperature, resulting that lotus root slices became more dark, red and yellow. The hardness of lotus root slices declined rapidly during the early storage at different temperatures. The decreasing rate of hardness slowed down with the increase of storage time, and became higher with the increasing of storage temperature. Therefore, it can be concluded that the storage temperature influences severely the quality of frozen lotus root slices. After stored at-5 ℃ for 100 d, the Vitamin C content, color and hardness of lotus root slices declined rapidly. The reaction rate constants of Vitamin C,*, chromatic aberration and hardness were assumed to have an Arrhenius-type dependence on temperature. The change dynamic model of Vitamin C and hardness followed a first-order reaction, and that of* and chromatic aberration followed a zero-order reaction. The activation energy of Vitamin C,*, chromatic aberration and hardness were 34.48, 44.72, 43.94 and 30.26 kJ/mol, respectively, which could reflect their fast change rate during storage. The kinetic models were established with the indices of color, hardness and Vitamin C. There were high regression coefficients between the experimental value and the predicted value at different storage temperatures, which fitted well with the high2values. It was suggested that these kinetics model could properly predict the quality change and shelf life expectancy of lotus root slices at different storage temperatures. The research conclusions are expected to provide a theoretical basis for shelf life prediction of frozen lotus root during storage and transportation.

storage; quality control; models; dynamic; activation energy; frozen lotus root slices

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.039

TS255.36

A

1002-6819(2017)-06-0301-08

2016-09-09

2016-10-10

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201503142）

劉春菊，女，遼寧鞍山人，副研究員，主要從事果蔬加工與質(zhì)量控制研究。南京 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，210014。Email：cjliu0306@163.com

李大婧，女，研究員，博士，主要從事果蔬加工與綜合利用研究。南京 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，210014。Email：lidajing@163.com