基于扩散型时间温度指示器表征鲜银耳贮藏过程品质变化

康峻菡,胥 义,杨恒宇(上海理工大学医疗器械与食品学院,上海杨浦 200093)

时间-温度指示器(TTI)是一种简易的质量记录标签,随着时间和温度的变化,TTI可以对流通过程中的产品进行记录和监控,并表现出容易观察且不可逆的颜色变化[1-2]。显色物质产生机理的不同,TTI可以分为扩散型、聚合型、酶促反应型、微生物型等类型[3-4]。目前,国外对TTI已有较多的研究,广泛应用于食品冷链管理领域,如鱼、蔬菜、水果、冷藏肉类等[5-10]。国内还没有出现商业型TTI,科研机构对于TTI的研究相比国外较少[1]。

鲜银耳含水率高、组织脆嫩,菌体外表不受保护;在后熟过程中感官表现为失水皱缩萎焉、自溶腐烂[11];采收后仍在进行强烈的新陈代谢和呼吸作用。有时食用菌虽未变质但其商品价值却已降低或失去,所以鲜银耳的贮藏过程中品质变化的监测尤为重要。

由于扩散型TTI变化过程和银耳的品质变化过程是两个独立的随温度变化而变化的过程,因此,为了能让扩散型TTI准确地监测银耳的品质,需要分别建立两者的反应动力学模型并进行耦合,判断两者的耦合性以及TTI的适用性[12]。傅泽田等[13]利用化学型时间温度指示器对鲜食葡萄采后品质变化进行监测,发现TTI对鲜食葡萄的品质变化的检测效果良好;杨加敏等[14]利用扩散型时间温度指示器对奇异果品质进行预测,TTI颜色变化与奇异果品质变化的活化能差值在±25 kJ/mol以内,因此该指示器可以预测奇异果的品质变化;乔磊等[15]利用酶型时间温度指示器监测冷鲜猪肉贮藏货架期,发现其显色变化具有良好的稳定性并与冷鲜猪肉品质变化有高低匹配性。

鉴于此,本文对扩散型TTI颜色变化,鲜银耳贮藏过程中的失重率、可溶性糖含量及丙二醛含量变化进行研究,通过化学品质动力学模型及Arrhenius方程计算各指标的反应活化能Ea,并将两者进行耦合,确定扩散型TTI与鲜银耳贮藏过程中的品质变化的匹配性,以使其成为监测鲜银耳品质监控的智能化手段。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

银耳 福建省益禾农业发展有限公司;扩散型TTI 库码标签,苏州华实热敏科技有限公司;无水葡萄糖、盐酸、硫酸、硫代巴比妥酸 以上均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司;蒽酮 AR,上海源叶生物科技有限公司;三氯乙酸 AR,上海麦克林生化科技有限公司。

HWS-150B恒温恒湿箱 北京市恒诺利兴科技有限公司;UV-6100型紫外可见分光光度计 上海元析仪器有限公司;FA224 电子分析天平 上海力辰邦西仪器科技有限公司;三星数码相机 三星集团。

1.2 试验方法

选取的银耳每朵100～130 g,一盒银耳为一朵,将标签贴在外包装盒,共10盒。将其放入恒温恒湿箱中来模拟贮藏实验,分别在5、13、17和23 ℃[14,16,33]下恒温贮藏,湿度环境85%～95%,每2 d测定相应的指标(失重率、可溶性糖含量、丙二醛含量),以分析鲜银耳品质变化并确定动力学参数。做3组平行试验,每组重复3次。

测定时,5盒银耳只用于测定其失重率,其余5盒用来测定可溶性糖含量及丙二醛含量,每次分别从贮藏的5盒鲜银耳中随机剪下一部分、用料理机粉碎后进行试验,其余部分继续贮藏在相应温度的恒温恒湿箱中进行后续试验。

1.3 指标测定

1.3.1 贮藏温度对扩散型TTI标签颜色变化的影响 用数码相机识别扩散型TTI颜色,提取并记录其RGB值(R、G、B分别代表红、绿、兰,取值范围0～255),每2 d测定一次,每个标签RGB提取3次,并计算标签反应的活化能Ea,重复5次。

由于TTI在反应过程中出现了从白色到蓝色的明显颜色变化过程,所以实验中采用总体颜色变化作为动力学参数,来分析TTI颜色变化的动力学过程。总体颜色变化可以表示为如下形式:

RGB=R+256×G+65536×B

式(1)

式中:R-红色,取值范围0～255;G-绿色,取值范围0～255;B-蓝色,取值范围0～255。

1.3.2 失重率测定 采用称量法,通过电子天平进行称量银耳的质量,精确到0.0001 g,按照式(2)计算失重率:

式(2)

式中:G0-第0 d鲜银耳的质量,g;Gi-第i天鲜银耳的质量,g。

1.3.3 可溶性糖含量测定 采用蒽酮-硫酸比色法[31],采用葡萄糖溶液制作标准曲线。称取粉碎的鲜银耳0.3 g,共3份,分别放入3支试管中,加入10 mL蒸馏水,用塑料薄膜封口,于沸水中提取30 min(提取2次),提取液过滤后,加蒸馏水定容至25 mL。吸取2.0 mL样品提取液,再加入6 mL蒽酮试剂,振荡均匀后,立即在沸水中煮沸15 min,后冰水浴15 min。在625 nm处测定其吸光度,每组重复3次。记录数据,并通过标准曲线算出其葡萄糖含量。计算公式见式(3):

式(3)

式中:m-从标准曲线上查得葡萄糖质量,μg;V-样品提取液总体积,mL;N-稀释倍数;V1-测定时提取液体积,mL;M-样品质量,g。

1.3.4 丙二醛含量测定 采用硫代巴比妥酸(TBA)法[32]。称取粉碎的鲜银耳2.0 g,共3份,加入5 mL 10% TCA,研磨成均浆后,于4000 r/min离心20 min,取2.0 mL上清液(对照空白管中加入2.0 mL TCA),加入2 mL 0.67% TBA,混合均匀后在沸水浴中煮沸20 min,取出冷却后,在450、532、600 nm处测定其上清液的吸光度。重复3次。计算公式见式(4)下:

式(4)

式中:C=6.45×(OD532-OD600)-0.56×OD450;C:反应混合液中丙二醛浓度,μmol/L;V:样品提取液总体积,mL;Vs:测定时提取体积,mL;m:样品质量,g。

1.4 数据处理

所有数据采用SPSS 17.0对数据进行方法分析(ANOVA),采用Duncan对各处理平均数间进行多重比较,差异极显著水平为α=0.01,显著水平为α=0.05。并用Origin 8.0进行作图。

2 结果与分析

2.1 贮藏温度对扩散型TTI颜色变化的影响

为了更准确地表征银耳品质变化,首先对扩散型TTI进行了与银耳贮藏环境温度相同的颜色变化的详细研究。表1所示为不同贮藏温度对扩散型TTI颜色变化的影响。在不同贮藏温度下,扩散型TTI的颜色都由初始的白色变为蓝色,随着贮藏温度的升高,扩散型TTI的颜色由白色变为蓝色的速度也就越快。从表1中可以看出,5 ℃下扩散型TTI颜色变化最慢,标签在第8 d时才有些许变化;13 ℃次之,在第4 d时扩散型TTI颜色有些许变化,在第8 d是才有明显变化;17 ℃下变化较快,在第4 d时扩散型TTI就有明显的变化;23 ℃下变化最快,在第2 d时颜色就开始变深。

表1 贮藏温度对扩散型TTI颜色变化的影响Table 1 The influence of storage temperature on color change of diffused TTI

从图1中可以看出,同一贮藏温度下,随着贮藏时间的延长扩散型TTI的RGB值降低;同一贮藏时间下,随着贮藏温度的升高扩散型TTI的RGB呈下降的趋势。贮藏时间及贮藏温度对扩散型TTI的RGB值有极显著影响(P<0.01)。在5 ℃贮藏环境下,扩散型TTI RGB值变化最慢,在贮藏初期(第2 d)扩散型TTI RGB值已由1变为0.6899,贮藏8 d后扩散型TTI RGB值变为0.4722;在13 ℃贮藏环境下次之;在17 ℃贮藏环境下较快;在23 ℃贮藏环境下,扩散型TTI RGB值变化最快,在贮藏初期(第2 d)扩散型TTI RGB值由1变为0.4251,随着贮藏时间的增加,扩散型TTI RGB值在第8 d时变化0.1416。

图1 贮藏温度对扩散型TTI RGB值的影响Fig.1 The influence of storage temperature on RGB value of diffused TTI

2.2 贮藏温度对鲜银耳品质的影响

2.2.1 贮藏温度对鲜银耳失重率的影响 图2是贮藏温度对鲜银耳失重率的影响曲线。从图2中可以看出,鲜银耳失重率在5、13、17和23 ℃下均呈上升趋势。不同贮藏温度对鲜银耳失重率的影响存在显著性差异(P<0.05),不同贮藏时间对鲜银耳失重率的影响存在极显著差异(P<0.01)。贮藏温度为5 ℃时,贮藏期结束(第8 d),鲜银耳无长霉、变质等现象;贮藏温度为13、17和23 ℃时,逐渐出现变黄和皱缩,并分别在第6、4、2 d时鲜银耳出现发霉长菌以及发粘等变质现象。5 ℃下贮藏的银耳其失重率在不同贮藏时间下均低于13、17和23 ℃条件下贮藏的银耳。在贮藏结束时(第8 d),5、13、17和23 ℃分别由0上升至4.25%、9.81%、12.74%和17.18%,随温度的升高呈上升趋势。这是因为鲜银耳在采摘后并没有停止其生命活动,水分随着贮藏时间的延长而不断蒸发,出现变黄、皱缩以及萎焉等影响其商品价值的现象,同时随着温度的升高,其呼吸作用也增强。因此,控制贮藏期鲜银耳水分的散失是十分重要的。而5 ℃时,其失重率较低,说明低温不仅降低了呼吸强度,还减缓了由于呼吸代谢引起的干物质损耗以及由于蒸发引起的水分散失[16-17]。

图2 贮藏温度对鲜银耳失重率的影响Fig.2 The influence of storage temperature on weight loss rate of fresh tremella

2.2.2 贮藏温度对鲜银耳可溶性糖含量的影响 图3是贮藏温度对鲜银耳可溶性糖含量的影响曲线。可溶性糖是鲜银耳采后的重要检测指标。可溶性糖不仅是重要的能量底物,还作为信号分子发挥类似激素的作用,与其生长发育及衰老过程密切相关[18]。从图3中可以看出,鲜银耳可溶性糖含量在5、13、17和23 ℃下,随着贮藏时间的增加呈先下降后上升的趋势。贮藏温度以及贮藏时间均与鲜银耳的可溶性糖含量之间存在显著性差异(P<0.05)。同一贮藏时间下,温度越低,其可溶性糖含量的变化波动较小。贮藏温度为13、17和23 ℃时,贮藏前2 d,鲜银耳的可溶性糖含量下降,之后可溶性糖含量上升。这是因为鲜银耳在采摘后还是活的子实体,无法从环境中获得能量,优先使用体内的能量种类为呼吸作用供能[19],这说明可溶性糖可以作为鲜银耳衰老的早期鉴定指标。而后期,银耳开始变质时,可溶性糖含量上升可能是贮藏时间过长严重衰老,鲜银耳开始自溶,呼吸作用等生理代谢几乎停滞,而导致可溶性糖无法被消耗而引起上升[18]。同时,在5 ℃下,贮藏前4 d 均呈下降趋势,4 d后可溶性糖含量才有上升的趋势,这可以说明较低的贮藏温度可以延缓这种现象的发生。

图3 贮藏温度对鲜银耳可溶性糖含量的影响Fig.3 The influence of storage temperature on contents of soluble sugar of fresh tremella

2.2.3 贮藏温度对鲜银耳丙二醛含量的影响 图4是贮藏温度对鲜银耳丙二醛含量的影响曲线。丙二醛(MDA)是膜脂过氧化反应的主要产物,是用来衡量脂质氧化程度的指标,其含量说明细胞膜受损程度,MDA含量越高,则细胞受损伤程度就越大,影响鲜银耳的贮藏品质[20-22]。贮藏温度与鲜银耳的丙二醛含量之间存在极显著性差异(P<0.01),贮藏时间与鲜银耳的丙二醛含量之间存在显著性影响(P<0.05)。从图4中可以看出,随着贮藏时间的增加,鲜银耳丙二醛含量总体呈上升趋势;同一贮藏时间下,温度越高,丙二醛含量的上升速度越快。当贮藏期结束(第8 d)时,5、13、17 ℃以及23 ℃下的丙二醛含量分别是第0 d的1.19倍、1.29倍、1.32倍和1.53倍,这说明较低温度可以抑制丙二醛含量的增加,并且随着贮藏期的延长以及贮藏温度的升高,膜脂过氧化反应越激烈,细胞膜的受损也就越严重。膜脂过氧化产生的有害物质会破坏细胞的膜结构,导致细胞内水解酶被释放,细胞渗透压改变,加速了食用菌的自溶现象[21-23]。

图4 贮藏温度对鲜银耳丙二醛含量的影响Fig.4 The influence of storage temperature on contents of malondialdehyde of fresh tremella

2.3 化学品质动力学模型的建立

研究表明,化学反应动力学模型能够较好的反应食品品质变化,大多数食品品质的变化都遵循零级反应或一级反应动力学规律[24-26]。一般来讲,若特征指标与贮藏时间存在线性关系,则符合0级反应模型;若特征指标与贮藏时间存在指数关系则符合1级反应模型[26]。零级和一级动力学反应方程式分别为:

0级反应模型:C=C0-kt

式(5)

1级反应模型:C=C0e-kt

式(6)

其中：k代表与温度有关的反应速率常数,t代表储存时间,即指示(贮藏)时间。

而食品品质指标的衰变速率k与贮藏温度T之间的关系符合Arrhenius方程[27]:

式(7)

对(8)两边取对数,即得:

式(8)

其中:lnA为指前因子;Ea为活化能,kJ/mol;R为气体常数,8.314×10-3kJ/(mol·K):T为贮藏温度,K。

通过lnK和1/T之间作图,可以获得一条直线。从直线的斜率中可以计算出反应的活化能,从截距中可以得出指前因子lnA。

2.3.1 扩散型TTI动力学参数的确定 扩散型TTI在不同温度下的反应速率常数K及其活化能如表2所示。由于零级反应模型较一级反应模型拟合度更高,故采用零级反应模型进行拟合,根据表2可以看出,随着贮藏温度的升高,扩散型TTI反应速率常数K增大,因此反应速率常数与温度有一定关系。由公式(9)可知,反应速率常数K的对数值与1/T存在一定的线性关系,将1/T作为横坐标,lnK作为纵坐标作图,并进行拟合,获得一条直线,如图5所示。通过这条直线的斜率即可计算出扩散型TTI的活化能为36.1135 kJ/mol,结果如表2所示。

表2 不同温度下扩散型TTI反应速率常数K和活化能EaTable 2 Diffused TTI reaction rate constant K and activation energy(Ea)at different temperature

图5 扩散型TTI反应的Arrhenius图(lnK与1/T)Fig.5 Arrhenius plot of lnK and 1/T for diffused TTI response

2.3.2 银耳品质动力学参数的确定 鲜银耳的失重率、可溶性糖及丙二醛在不同温度下的反应速率常数K及其活化能如表3所示。由于零级反应模型较一级反应模型拟合度更高,故采用零级反应模型进行拟合,根据表3可以看出,随着贮藏温度的升高,鲜银耳失重率、可溶性糖及丙二醛的反应速率常数K增大,因此反应速率常数与温度有一定关系。由公式(9)可知,反应速率常数K的对数值与1/T存在一定的线性关系,将1/T作为横坐标,lnK作为纵坐标作图,并进行拟合,获得一条直线,如图6所示。通过这条直线的斜率即可计算出鲜银耳的失重率、可溶性糖及丙二醛的活化能分别为53.3144、53.3368、43.9744 kJ/mol,结果如表3所示。

表3 不同温度下鲜银耳失重率、可溶性糖及丙二醛的反应速率常数K与活化能EaTable 3 Reaction rate constant K and activation energy(Ea)of fresh tremella at different temperature

图6 鲜银耳品质变化的Arrhenius图(lnK与1/T)Fig.6 Arrhenius plot of lnK and 1/T for fresh tremella response注:a:失重率;b:可溶性糖含量;c:丙二醛含量。

2.3.3 扩散型TTI对鲜银耳品质的表征 表4所示为鲜银耳在贮藏过程中品质损失活化能,如果此扩散型TTI能应用于鲜银耳品质的表征,则扩散型TTI与鲜银耳的反应活化能差值±25 kJ/mol以内,才是使得预测的鲜银耳质量误差(<15%)较小[28-30]。由研究结果发现,扩散型TTI活化能值为36.1135 kJ/mol,与表4结果相比较发现,鲜银耳的失重率、可溶性糖含量、丙二醛含量的活化能与该扩散型TTI的活化能之差在±25 kJ/mol以内,因此可以用该扩散型TTI对鲜银耳的失重率、可溶性糖含量、丙二醛含量进行预测和表征。

表4 鲜银耳品质损失活化能Ea值Table 4 Quality loss activation energy(Ea)value of fresh tremella

3 结论

通过对不同温度下扩散型TTI颜色变化,鲜银耳的失重率、可溶性糖及丙二醛含量指标的研究,得出以下几个结论:

贮藏温度及贮藏时间对扩散型TTI颜色变化影响极显著(P<0.01)。随着贮藏温度的升高以及贮藏时间的延长,扩散型TTI由初始的白色变为蓝色。扩散型TTI的RGB值随着时间的增加呈递减趋势;且贮藏温度越高,递减速度越快。

鲜银耳的失重率、可溶性糖含量及丙二醛含量与贮藏温度有关,贮藏温度越高,其失重率、可溶性糖含量及丙二醛含量变化速度越快,品质越差。因此,可以通过降低贮藏温度延长其品质,避免商品价值的损失。

扩散型TTI与鲜银耳的失重率、可溶性糖含量及丙二醛含量的活化能之差较小,说明有望利用扩散型TTI监控鲜银耳在贮藏过程中的品质变化,实现对食品品质的监控,实现食品在贮藏过程中的智能化监控。