新鲜水果货架期预测模型的研究进展

牛瑞雪, 李雪茹, 路方慧, 疏如心, 张东京

（宿州学院生物与食品工程学院, 安徽宿州 234000）

食品的货架期是当食品处于适宜的贮藏条件下, 能够保持理想的感官、理化和微生物特性, 且保留的营养价值与标签上声明的营养价值完全匹配的一段时间[1]。新鲜的水果富含营养物质, 在人体营养需求和调节生理功能等方面扮演重要的角色[2]。但由于微生物、物理化学反应及外界环境的变化, 水果易腐烂变质。据统计, 我国超出80%的水果都以普通物流为主要运输方式, 采后果蔬生产总量的20%～30%均被损失[3]。因此, 新鲜水果货架期的预测可以用于监控水果的品质。

从影响水果货架期的主要原因开始分析, 了解导致新鲜水果品质改变的因素及引起的品质变化, 其次探讨了水果货架期的监测指标, 包括理化指标、微生物指标和感官指标；由于不同水果变质的特征品质指标是不同的, 所以最后对影响水果货架期的不同因素分别进行动力学模型的预测。

1 影响水果货架期的主要因素及品质变化

1.1 影响水果货架期的主要因素

水果极易腐烂变质, 货架期相对于其他食品较短。影响水果货架期的因素也有很多, 通常将其分为内因和外因[4], 内因主要是水果本身的特性, 如pH值、水分活度、微生物含量和酶的活性等；外因是指水果赖以生存的外界环境的各种因素, 如温度、湿度、气体等。准确分析导致水果品质变化的因素是预测新鲜水果货架期模型的基础。

1.1.1 微生物的影响

引起水果腐败变质的微生物主要有细菌、酵母菌和霉菌。果实贮藏过程中, 表面的角质层、蜡质渐渐发生变化, 有气孔或裂纹出现, 自身调控能力丧失, 而水果表面微生物在生长和繁殖过程中会产生各种的酶类物质就会通过开孔自然地进入细胞内部, 使水果中的营养物质分解, 水果品质降低进而发生质变和腐烂[5]。此外, 水果在加工、流通过程中, 还有可能会受到环境中微生物的二次污染。

1.1.2 物理条件的影响

在影响保质期的物理作用中, 水分迁移是一个比较关键的物理因素[6]。导致水分迁移的因素也有很多, 如微生物的呼吸活动会有大量的热量产生, 即促使水果内部水分的蒸发, 导致水果的水分不断减少[7]。在包装的果制品中, 随着贮藏时间的延长, 由于渗透作用外界环境的水分和气体也会渗入到水果中, 从而改变包装水果的内部气体和水分环境, 导致水果品质改变。另外, 某些水果的包装材料中含有的化学成分也会影响水果的品质。

1.1.3 化学条件的影响

水果中复杂的成分会发生许多化学反应, 包括水解反应、氧化反应、呼吸作用及乙烯的释放。化学反应生成的酮、醛类物质会改变水果的口感和色泽, 影响水果的品质；呼吸作用会大大消耗营养物质, 果实容易变软甚至腐烂。而作为植物的一种激素, 乙烯广泛存在于水果组织细胞中, 尤其是成熟的水果中含量较高。呼吸跃变型的水果在采摘后的成熟过程中乙烯释放速率显著上升[8], 促进水果的成熟, 加速水果的腐败变质。

1.1.4温度的影响

温度是影响新鲜水果货架期的外因中最主要的因素。温度升高, 加速水分蒸发, 细胞内化学反应加快, 导致货架期缩短；温度过高会使水果中营养物质破坏分解, 降低果实品质, 从而使货架期时间相对减少；温度过低又会使水果出现“冻害”现象, 间接影响水果的货架期。合适的温度能够抑制微生物的生长和繁殖, 有效延长水果的货架期, 提高水果品质。曾丽萍等人[9]研究发现, 新鲜菠萝蜜采摘后在8～12℃下贮藏能够显著抑制其硬度下降现象及水分、可溶性糖的降解损失。周颖君等人[10]提出4～10℃是猕猴桃的最适贮藏温度, 该温度下能减少维C的损失, 延长水果货架期。温度对水果货架期的影响是多方面的, 不适宜的温度就会加速微生物、物理条件和化学条件对水果产生的影响, 对水果品质造成威胁。

1.2 水果的品质变化

1.2.1 化学变化

水果采摘后, 在贮藏、运输和销售的过程中发生一系列的化学反应, 水果的品质会逐渐降低。还原糖及维C会作为反应物参与非酶褐变转化成各种中间产物和终产物, ATP逐渐分解；氨基酸或蛋白质会发生化学反应生成各种亚胺类物质[11]；酶类会和营养物质或者碳水化合物反应产生一些低级的有害物质；脂肪酸败和糖热降解产生醛、酮类物质等。这些化学物质的变化都会导致水果的货架期缩短。

1.2.2 物理和感官变化

水果的品质特性包括色泽、硬度、果肉的弹性、回复性、凝聚性等[12]。由于水分不断流失细胞内部组织逐渐软化, 导致质构特性即硬度、弹性逐渐下降, 持水力逐渐减小, 水果萎蔫、失鲜、失重。果实软化是水果衰老变质的重要特征, 因此新鲜水果的品质变化研究已经成为国内外果品采后研究领域中的重要方向[13-14]。除此之外, 水果的色泽和气味也在不断发生改变, 美拉德反应和焦糖化反应均会生成黑褐色的物质附着在水果表面, 碳水化合物在微生物或者酶的作用下发酵变酸, 使水果产生酸臭味。

2 货架期的监测指标

选择合适的监测指标是构建水果货架期模型的关键, 包括微生物指标、理化指标和感官指标。通过监测指标判断水果品质变化, 确定合理的动力学模型。

2.1 微生物指标

微生物是食品新鲜程度的一个重要指标。通过对微生物数量变化可以实现对水果品质的监测。常用的微生物检测方法有平板菌落计数法、TTC培养基法和菌落总数测定法。不同种类的微生物的腐败机理不同, 如微球菌属和梭状芽孢杆菌可以分解水果中的蛋白质, 造成水果腐败；乳杆菌属和链球菌属将碳水化合物或脂肪分解造导致水果酸败；金黄色葡萄球菌和肉毒杆菌在细胞组织中发生反应生成对人体有害的化学物质。

2.2 理化指标

在水果采摘后的流通过程中, 水果的物理变化主要是由不洁的环境和不合理的操作引起的。化学变化虽然很少在食品的腐败变质中作为监测指标, 但也会引起水果组织内部的结构发生变化, 对水果货架期存在威胁, 而这些化学变化主要来自于脂肪氧化、美拉德反应、焦糖化作用、氧化作用及酶反应[15]。食品的稳定性与强化的不饱和脂肪酸的含量有密切的关系, 且含量越高食品稳定性越差[16]。

2.3 感官指标

感官评定法是监测食品品质中常用的方法。所谓感官评定就是利用人的感官对食品的色泽和气味进行评价的方法。感官指标中包含的因素有水分、硬度、色泽等, 在评定过程中, 品评员在经过专业的培训下, 通过嗅觉、味觉、触觉、听觉、视觉根据感官评定标准对水果的新鲜程度打分, 通过对分值的处理来预测水果的品质和货架期。感官评定的方法多种多样, 局限性也有所不同, 由于食品种类的不同而评定方法也有所差异。微生物指标和理化指标的监测过程通常操作复杂, 所以感官指标在监测水果货架期中有重要地位。李丽娜等人[17]从外观、质地、风味等方面对苹果进行了感官评定, 并与质地结合分析建立了各项感官指标的预测模型。但感官评定也存在一定的缺陷, 当样品大量存在时很容易产生疲劳, 此外品评员喜好的不同、感官灵敏度的差异都会使评定结果发生偏差, 结果可能不具备客观公正性。

3 新鲜水果货架期模型的预测

利用动力学模型来预测食品的货架期是目前关于食品品质的热点研究方向。基于不同的品质影响因素可以建立不同的动力学模型, 是将水果中的微生物在贮藏和流通过程中的特征数据提供给计算机, 通过动力学公式处理, 判断微生物的数量和状态, 从而对水果的货架期进行快速预测[18]。要准确预测货架期就要选择合适的动力学模型, 胡位歆等人[19]采用Arrhenius方程建立了15, 30℃下新鲜草莓采摘后营养素的保存率方程, 准确预测了草莓的货架期。刘晓慧等人[20]采用Gompertz模型建立了菠菜中的金黄色葡萄球菌在不同温度条件下的生长速率方程, 为菠菜货架期的预测提供理论依据。为了能更完整地分类常用一级模型、二级模型和三级模型来划分[21]。有研究表明, 一级模型是表征微生物在一定条件下微生物数量与时间的关系；二级模型是考虑了环境因素, 体现环境变化对一级模型中参数的影响；三级模型是一种的计算机化软程序, 是将一个或者多个一级模型和二级模型整合在一起的复杂动力学模型[22]。

3.1 一级模型

一级模型是描述一定条件下微生物与时间之间的数量关系, 这种线性关系可以用曲线表示, 曲线由延滞期、对数期、稳定期和衰亡期4个数值组成。该模型简单易用, 使用范围较广泛, 近年来常用的一级模型有线型模型、逻辑斯蒂克方程（Logistic function）、Gompertz模型、修正的Gompertz模型和Baranyi &Roberts模型[23]。

3.2 二级模型

二级模型适用于多个因素作用下的食品货架期的研究, 是以一级模型为背景, 探讨各种环境因素如温度、pH值、AW对微生物的作用[24], 预测食品的货架期。包括平方根模型、反应表模型、Arrhenius模型、Q10模型、Z值模型等。

3.3 三级模型

三级模型是一级模型和二级模型结合的最终形式, 功能强大, 亦被称做专家模型[25], 是通过计算机软件建立大量的微生物动力生长模型, 是一门新兴学科。目前, 全球该种模型的软件有十几种。三级模型作用是：基于不同的环境因素对微生物的生长影响进行预测；对不同环境因素造成微生物的影响程度进行预测；同一生长环境下不同微生物的生长状况进行预测。常用的三级模型包括FM模型、PMP模型、MRV模型SSSP模型、ComBase模型等。其中, PMP模型操作过程简单, 使用率较高；SSSP模型主要应用于水产品货架期的预测；ComeBass模型是几种软件的结合体, 可以更加全面地对食品货架进行预测[26]。

4 结语

腐败变质的水果会危害人类的身体健康, 一定程度上也带来了经济损失, 所以保证水果的品质安全和监测水果的货架期具有非常积极的意义。介绍了一级模型、二级模型及三级模型, 为水果的品质监控提供合理依据, 深入了解动力学模型在水果品质安全领域的优越性。

食品货架期一直以来是人们关注的食品安全的焦点, 目前利用动力学模型对货架期进行预测的进展在水产品方面取得了良好的研究进展, 但在水果方面的应用尚处于初期阶段。此外, 现有的动力学预测模型事实上尚未能完整地判断出食品中微生物的所有增殖情况, 高精确性的模型有待研究。虽然国外有很多关于动力学模型的研究, 而其中并未能完全体现食品中微生物的多样性。建立动力学模型本身存在许多挑战, 如微生物的生理反应十分复杂, 各环境因子之间、食品中微生物及营养成分之间的相互作用尚不得知等。因此, 我国生物学家将会面临新的挑战, 此外微生物生长模型涉及广泛, 需要各个领域科学家的共同努力。