鸡毛菜的品质动力学分析及货架期预测模型

谢 晶，张利平，高志立，余江涛

（上海海洋大学食品学院，上海 201306）

摘 要：为探讨鸡毛菜贮藏过程中的品质变化，测定贮藏在278、283、288 K和293 K 4 个温度条件下的鸡毛菜的叶绿素和还原型抗坏血酸含量，进行动力学分析、货架期预测和感官评价，并采用Arrhenius 方程对速率常数k和温度进行非线性拟合，建立包含有货架期、温度和品质指标的鸡毛菜货架期预测模型。结果表明，在研究的温度范围内，鸡毛菜贮藏的温度越低，叶绿素和还原型抗坏血酸降解速率越慢，零级规律比一级动力学分析更适合描述叶绿素和还原型抗坏血酸的降解，还原型抗坏血酸和叶绿素降解的活化能Ea分别为85.27、93.27 kJ/mol。以叶绿素损失20%为终点得到的货架期更接近感官评分终点为3.5 分得到的货架期，此时还原型抗坏血酸损失超出20%。因此应根据实际情况综合选择货架期判定特征指标和终点值，从而获得较高的货架期预测精度。

关键词：鸡毛菜；还原型抗坏血酸；叶绿素；动力学模型；货架期预测

Kinetic Quality Changes and Shelf Life Prediction of Chinese Small Cabbage (Brassica rapa L. Chinensis Group)

XIE Jing, ZHANG Li-ping, GAO Zhi-li, YU Jiang-tao

(College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

Abstract: In order to study quality changes of Chinese small cabbage (Brassica rapa L.Chinensis Group.) during storage, chlorophyll, reduced ascorbic acid content and sensory evaluation of Chinese small cabbage stored at 278, 283, 288 and 293 K were determined for kinetic analysis and shelf life prediction. A non-linear fitting of reaction rate k as a function of temperature T based on Arrhenius law was also studied, from which a shelf life prediction model of Chinese small cabbage describing shelf life (SL) as a function of temperature T and quality index M was obtained. The results showed that when Chinese small cabbage was stored at lower temperature, chlorophyll and reduced ascorbic acid were degraded slower. Zero-order law was more appropriate than first-order reaction kinetics to describe the degradation of chlorophyll and reduced ascorbic acid with active energy Ea of 93.27 and 85.27 kJ/mol, respectively. In addition, the shelf life based on a chlorophyll loss of 20% was more approximate to that at a cut-off score of 3.5 by sensory evaluation, when the loss of reduced ascorbic acid was more than 20%. Therefore the characteristic index and ending point to predict shelf life should be depended on reality and needs in order to obtain an accurate shelf life prediction.

Key words: Chinese small cabbage; reduced ascorbic acid; chlorophyll; kinetic model; shelf life prediction

中图分类号：TS255.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）10-0268-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201410050

鸡毛菜（Chinese small cabbage，Brassica rapa L. Chinensis Group.）属于江浙沪一带的特色蔬菜，是十字花科芸薹属的一种，美味鲜嫩，富含维生素和矿物质等营养元素，是深受消费者喜爱的嫩苗菜。国内学者多对其培育方式和生长状况进行了研究[1-2]，但是对其贮藏过程中的品质变化研究较少[3-4]，尤其是品质指标的动力学变化和货架期（shelf life，SL）预测，更是鲜有研究。鸡毛菜的鲜嫩特质使其容易失水或受机械损伤而加速老化和腐烂，进而变质[5]，常温贮藏会在1～2 d之内黄化腐烂，失去食用价值。因此，有必要研究其品质的数学变化规律，以便实时控制调整贮藏条件，进行存货周转。

另一方面，随货架期预测学的发展，越来越多的数学方程和模型应用到食品领域[6]，包括动力学与经典Arrhenius方程的结合得到以温度为变量的预测方程[7]、以呼吸速率为特征的酶抑制动力学方程[8]、以感官指标为依据的Weibull模型[2]和以微生物指标为特征值的生长模型[3]等。其中，动力学规律结合Arrhenius方程是最常用的一种货架期预测方法，其温度依赖性使其优缺点并具[4-5]，但另一方面食物内营养成分降解活化能的专一性，使这一方程更有应用优势。货架期预测的研究为冷链物流中蔬菜的品质监控提供了一定的理论基础，但是对于叶菜品质变化动力学的研究还刚刚起步。鸡毛菜的叶绿素含量和还原型抗坏血酸含量是叶菜典型的品质指标，因此通过比较这两个指标降解规律的拟合结果，可验证预测模型的可靠性。本研究结合Arrhenius方程求得表观活化能Ea和指前因子A0，最终得到以剩余营养指标、货架期和温度为变量的预测模型，以期为动态监控物流过程中叶菜品质变化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料及处理

鸡毛菜购自上海市临港新城田间，立即运回实验室，挑选大小相近、外观完好、无折断、翠绿新鲜的鸡毛菜采用托盘保鲜膜包装，每包质量（100±5）g，包装后分别贮藏在相应的恒温恒湿箱内。

1.2 仪器与设备

采用2 mm厚的聚丙烯托盘（25 cm×16 cm），包装膜采用聚乙烯保鲜膜，其氧气透过率为18 500 cm3/（m2•24 h•105 Pa）；二氧化碳透过率：134 500 cm3/（m2•24 h•105 Pa）；透湿量：33 g/（m2•24 h）。BJ 610C电子天平 瑞士Precisa公司。

1.3 方法

1.3.1 实验设计

由于Arrhenius定律适用的温度区间有限[7]，综合日常生活贮藏叶菜的温度区间，本方案采用的贮藏温度为278、283、288、293 K。根据芬内玛[8]对货架期预测实验方案的设计，预实验初定293 K贮藏组每0.5 d测1 次，结合实际操作，得到4 个温度的测试间隔如表1所示，贮藏后期根据每个温度条件下的老化腐败程度适当增加测试频率。

表 1 4个贮藏温度条件下的鸡毛菜的测试时间间隔

Table 1 Time intervals of testing Chinese small cabbage stored at
four temperatures

1.3.2 感官评价

本研究根据An Jianshen[15]、Li Wenxiang[16]等制定的感官评价标准，结合叶菜的特点制定表2的感官评价标准培训消费者，采用7 分的消费者接受测验（1 分：极端不好；2 分：非常不好；3 分：不好；4 分：一般；5 分：好；6 分：非常好；7 分：极端好，消费者要每天吃一次鸡毛菜）。选取3.5 分为不被消费者接受的切分点，但是为延续观察其变化，评价时间长度比该终点延长2～3 d。为节省人力，并且尽量减少测试者有限带来的评价误差，本实验采用交叉设计的感官评价方案[9]，首次测试人数N0，之后每次测试时间增加一个消费者，直到超过半数的消费者不再接受（N 个），如果是取样个体差异带来的结果，下次测试增加N＋1个消费者。

1.3.3 还原型抗坏血酸含量测定

根据国标GB 6195—1986《水果、蔬菜维生素C含量测定》法[17]，采用2,6-二氯酚靛酚滴定法测定鸡毛菜可食部分的还原型抗坏血酸含量，每组测试3 次，求平均值。

1.3.4 叶绿素含量测定

采用Mackinney[18]提出的丙酮提取法测定鸡毛菜中叶绿素a和叶绿素b，将提取液分别于645 nm和663 nm波长处测定其吸光度，以式（1）～（3）计算叶绿素的质量浓度（mg/L）。

ρa=12.72×A663nm－2.59×A645nm （1）

ρb=22.88×A645nm－4.67×A663nm （2）

ρ总=ρa＋ρb=20.29×A645nm＋8.05×A663nm （3）

叶绿素的含量按式（4）计算：

X/（mg/g）=ρ总×V总/1000×m （4）

式中：X为鸡毛菜总的叶绿素含量/（mg/g）；ρ总为叶绿素的质量浓度/（mg/L）；m为鲜质量/g；V总为提取液的总体积/mL。每组测试3 个平行，对结果求平均值。

2 结果与分析

2.1 叶绿素和还原型抗坏血酸含量的变化

从图1a可以看出，贮藏期间293 K和288 K两种贮藏条件下鸡毛菜叶绿素总量急剧下降，而278 K贮藏条件下鸡毛菜叶绿素含量呈缓慢下降的趋势。鸡毛菜叶绿素主要因为脱镁反应而降解，研究[19]表明，高温和低pH值有利于该反应的发生，叶菜在贮藏期间无氧呼吸释放乳酸导致pH值降低，进而会加速叶绿素脱镁，低温贮藏则会抑制该反应。

从图1b可以看出，278 K条件下贮藏的鸡毛菜中还原型抗坏血酸降解最慢，还原型抗坏血酸作为最不稳定的维生素之一，极易受pH值、酶、水分活度、与脱氢抗坏血酸的比例等因素影响而发生降解[20]。分子氧存在时，抗坏血酸分解生成脱氢抗坏血酸、二酮古洛糖酸等产物，失去抗坏血酸活性。

从图1c可以看出，贮藏期间感官评分均呈降低趋势，随温度升高，降低速率加快。鸡毛菜在贮藏期间的品质恶化导致颜色、形态、气味及质地变化，因此消费者对其评价有所区分。

图 1 贮藏在不同温度条件下的鸡毛菜的叶绿素（a）、
还原型抗坏血酸（b）和感官评分（c）的变化

Fig.1 Chlorophyll content (a), reduced ascorbic acid content (b) and sensory score (c) of Chinese small cabbage stored at various temperatures

2.2 动力学分析

大多的研究[11]表明，食品中的营养物质降解一般符合零级或者一级动力学规律，因此本研究只针对零级和一级动力学拟合还原型抗坏血酸和叶绿素降解的数据，其微分式见公式（5）。

（5）

式中：k为反应速率常数；M为品质因子；n为反应级数；t为食品贮藏时间。对上式进行积分可以得到不同反应级数的食品品质函数：当n=0时，零级反应为
M =M0－kt；n=1时，一级动力学品质函数lnM = lnM0－kt，M0为品质参数初始值。

表 3 零级和一级动力学回归速率常数及决定系数

Table 3 Reaction rates and coefficients of determination for zero- and first-order regression, respectively

采用Originpro 8.0对鸡毛菜的还原型抗坏血酸和叶绿素测量值进行线性和非线性拟合分别得到零级和一级速率常数及其决定系数，结果如表3所示。从∑R2可以看出零级动力学模型回归的决定系数较大，说明其更有拟合优势，因此本研究选用零级动力学模型描述鸡毛菜贮藏期间的还原型抗坏血酸和叶绿素的降解[21]。

2.3 鸡毛菜的货架期预测

Arrhenius方程是描述化学基元反应的经典模型[15]，已经广泛被应用于食品货架期预测[7,22]中，并取得了一定的进展。Arrhenius方程是一种温度依赖的模型，化学反应速率与绝对温度的关系表示如下：

（6）

式中：k为速率常数/d－1；A0为指前因子，也叫频率因子，也相当于活化能为零时的反应速率；Ea为活化能，品质因子M或N变坏或形成所要克服的壁垒/（kJ/mol）；R为气体常数，8.3144J/（mol•K）；T为绝对温度/K。

根据Fonseca等[23]的研究，数据回归应当尽量避免线性化拟合，本研究按照方程（6）对表3中的速率常数和对应的贮藏温度采用非线性拟合处理，结果如图2所示，得到的活化能和指前因子如表4所示。

图 2 叶绿素和还原型抗坏血酸降解的k-T（速率常数与温度）
非线性拟合图

Fig.2 Nonliner k vs. T (reaction rate vs. temperature) fitting graph for degradation of chlorophyll and reduced ascorbic acid

表 4 叶绿素和还原型抗坏血酸零级降解的活化能Ea和指前因子A

Table 4 Active energy (Ea) and frequency coefficients (A) for degradation of chlorophyll and reduced ascorbic acid

零级动力学品质函数M= M0－kt与Arrhenius方程（5）结合，得到以货架期SL（t）、品质因子M和温度T为参变量的货架期预测方程。

（7）

式中：SL为预测货架期；M0为品质指标的初始值；M为相应SL时的品质指标值。

图 3 以不同的还原型抗坏血酸损失量为终点确定的鸡毛菜SL-T关系图

Fig.3 SL-T relationship of Chinese small cabbage based on
reduced ascorbic acid

图 4 以不同的叶绿素损失量为终点确定的鸡毛菜SL-T关系图

Fig.4 SL-T relationship of Chinese small cabbage based on chlorophyll

方程中以还原型抗坏血酸和叶绿素各损失10%、15%、20%、25%作为其货架期终点，得到图3和图4的货架期预测曲线SL-T（货架期-温度）关系图。

2.4 以叶绿素和还原型抗坏血酸为特征值进行的货架期预测结果的比较

Eskin等[22]的研究表明，蔬菜质量损失5%～10%时会引起明显的老化腐败，因此营养指标损失程度与感官评价紧密相关。参考Oliveira等[24]对鲜切蘑菇的预测方法，综合实验研究和健康饮食的原则，本研究假定以营养指标损失20%定位为一种货架期终点来比较2 个特征指标的预测效果，叶绿素和抗坏血酸降解20%与感官评分（3.5 分为终点）确定的278～293 K的SL-T关系如图5所示，4 个实验组的预测货架期见表5。从图5可以看出，叶绿素为特征指标预测得的货架期要更接近感官评价，还原型抗坏血酸预测的货架期低于前两者。其中重要的原因就是，叶绿素降解导致的叶片黄化是一个重要的感官评价因素，基本决定了消费者是否接受，从图5还可以看出，消费者不能接受时，还原型抗坏血酸的损失已经超过20%。

表 5 鸡毛菜在4 个贮藏温度条件下的预测货架期与感官寿命

Table 5 Predicted shelf life and sensory life of Chinese small cabbage at four storage temperatures

图 5 叶绿素和还原型抗坏血酸降解20%与感官评分（3.5分为
切分点）确定的鸡毛菜SL-T关系图

Fig.5 SL-T relationship of Chinese small cabbage based on chlorophyll (20% loss) and reduced ascorbic acid sensory score (3.5 as cut-off score)

3 结 论

综上所述，零级动力学能较好地反映叶绿素和还原型抗坏血酸的降解规律。Arrhenius方程对其降解速率k和温度T的非线性回归达到了较高的拟合度（R2＞0.95），最终得到以时间、温度和剩余营养指标为变量的货架期预测模型。其中，以叶绿素为特征值得到的货架期（损失20%为终点）更接近以感官评分为3.5 分得到的剩余货架期；还原型抗坏血酸作为最不稳定的维生素，以其为特征指标预测的货架期比前两者得到的时间稍短。另一方面，实验研究还发现，鸡毛菜在较低温度条件下贮藏时，感官寿命终点对应的还原型抗坏血酸和叶绿素终点值略高于较高温度贮藏的鸡毛菜，因此，若得到能准确反映不同温度终点的营养指标阈值，形成通用的方程式则能更准确地预测鸡毛菜的终点货架期，以对生产和流通有更重要的指导意义。

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