电导法结合二次回归正交旋转组合设计确定黄瓜果实低温冷害临界值

艾文婷,张 敏*,李春晖,朱赛赛,邵婷婷,刘 威

(上海海洋大学食品学院,上海 201306)

摘 要:为探索黄瓜果实对低温的忍受能力,为安全运输提供理论依据,本实验采用电导法结合二次回归正交旋转组合设计来确定黄瓜果实低温冷害临界值。以黄瓜电解质外渗百分率为冷害指标建立模型,得到回归方程Y=17.279244+0.996139x1+3.617484x2-0.142947x12-0.136832,根据模型得出电解质外渗百分率在黄瓜受到冷害时的临界值及温度、时间对冷害的影响。最终通过验证实验确定黄瓜受到冷害时电解质外渗率的临界值为17.28%。

关键词:黄瓜;冷害指标;电导法;二次回归正交旋转组合设计

Abstract:In order to explore chilling tolerance in cucumber fruits and provide a theoretical basis for the safe transportation of cucumber fruits, in the present study, a quadratic regression orthogonal rotation combination design was used to determine the critical value of chilling injury in cucumber fruits, which was expressed as the percentage of electrolyte leakage as calculated from electric conductivity. A regression equation describing the percentage of electrolyte leakage (Y) as a function of storage temperature (x1) and time (x2) was developed as follows:Y= 17.279 244 + 0.996 139x1+ 3.617 484x2−0.142 947x12− 0.136 832x22. The critical value of chilling injury in cucumber fruits was determined to be 17.28% using the model and this value was experimentally confi rmed.

Key words:cucumber fruit; chilling injury index; electrical conductivity method; quadratic regression orthogonal rotation combination design DOI:10.7506/spkx1002-6630-201719035

黄瓜是冷敏性果蔬,在普通冷藏环境或不适宜的低温条件下容易发生冷害[1],冷害症状主要表现为表皮出现凹陷、失去颜色,内外果皮有水渍化斑点,果皮出现木质化和褐化,组织出现裂缝等[2]。由此可见,冷害的发生会对果蔬产生诸多不利影响:抗病性和耐贮性下降,果蔬的外观品质降低,使其失去商品价值。而且,冷害症状又往往在恢复到常温环境一段时间后才表现出来,使得果蔬冷害发生与症状的表现不同步,而恢复到常温条件下,会比正常果蔬腐烂得更快,即所谓的冷害隐蔽现象[3],这在很大程度上限制了低温技术在果蔬采后贮藏业中的应用。

目前,国内外对果蔬冷害的研究主要集中于冷害机理的研究,周云等[4]发现龙眼在0 ℃贮藏14 d开始表现冷害,21~28 d发生不可逆冷害。解越等[5]认为茄子在低温胁迫下,膜脂过氧化反应加剧。刘同业等[6]发现,当贮藏温度下降时,西州密25号哈密瓜的冷害指数会增大。

不过,这些研究没有检测果蔬冷害的具体界限。因此,研究一种适用于果蔬冷害预警和控制的监测指标和方法,减少和防止低温对冷敏果蔬造成的伤害,具有十分重要的理论意义和实践应用价值。当冷害发生时,一系列生理生化指标的变化将会出现[7-8],导致果蔬外观品质下降,使果蔬中乙醇和乙醛含量累积,果肉出现异味,同时丙二醛含量增加,丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶活性大幅度提高[9]。随着冷害发生,膜脂由正常状态下的流动液态镶嵌相转变成晶体固态相,使膜发生收缩,当膜上出现龟裂和孔道,膜透性就会增大[10],膜内电解质及可溶性物质等将会大量向膜外渗透,导致渗出离子的浓度增加,电导率就会升高[11-12]。因此电解质外渗率能够作为果蔬受到冷害的指标[13]用于冷害的研究,比观察冷害症状更为可靠。可根据果蔬受到冷害时的电解质外渗率临界值[14]来预测果蔬冷害的发生,从而预防冷害的发生并采用适 当措施延长果蔬低温贮藏期及货架寿命。

本研究以‘申青’黄瓜为实验材料,电解质外渗百分率为冷害指标,贮藏时间及贮藏温度作为水平变量,通过二次正交旋转组合设计试验,监测评估低温逆境下黄瓜果实的冷害指标,得到黄瓜贮藏温度、贮藏时间和果实冷害之间的关系,并得到以冷害指标表征冷害的临界值,为冷敏性果蔬采后货架期贮藏保鲜提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

‘申青’黄瓜于2016年4月购于上海市临港新城大棚种植园。果实完全成熟,长度为(30±2)cm,直径为(3.5±0.5)cm,单果质量为(200±20)g,果实无明显机械损伤。

1.2 仪器与设备

THZ-82A振荡箱 江苏省金坛市环宇科学仪器厂;DDS-307电导率测试仪 上海光学仪器厂;真空干燥器(规格:240 mm) 上海帅登仪器有限公司;SJH-4S数控精密恒温水浴锅 宁波天恒仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 预处理

黄瓜样品运回实验室后,冲洗拭干,分别装入打孔的厚度为0.01 mm的40 cm×30 cm聚乙烯薄膜包装袋中。将黄瓜置于相对湿度为85%的冷库贮藏。

1.3.2 电解质外渗百分率的测定

参考陈健华等[15]的方法略作修改。从黄瓜样品上切下3 片约为0.7 mm厚薄均匀的薄片,从中部切取,尽量减少损伤。每片黄瓜薄片再用打孔器从果肉部分取面积约为0.25 cm2的组织圆片5 片,分别放入烧杯中,向装有样品的烧杯分别准确加入20 mL去离子水。将烧杯放入转速为150 r/min、环境温度为25 ℃的振荡箱振荡10 min,在去离子水完全浸透样品后,用干净的纱布滤去烧杯中的水,再加入20 mL去离子水用纱布滤去,如此反复冲洗3 次,将附在组织圆片表面残留的水分用滤纸吸干,再次放入烧杯中,加入20 mL去离子水,用电导率测试仪测定样品初始电导率。将装有样品的烧杯放入真空干燥器,连接上真空泵和真空表后进行抽气,压力为0.06~0.08 MPa,30 min后缓慢释放。取出烧杯,用保鲜膜和橡皮筋将烧杯口封住,再次放入振荡箱内振荡1 h。待试样振荡完全,取出烧杯,置于室温下(20 ℃)复温,测定电导率。最后将烧杯盖上保鲜膜在沸水中煮沸10 min,冷却至室温后,测定溶液的电导率。按照公式(1)计算电解质外渗百分率(Y[16]

式中:R为所测样品活体组织提取液的电导率/(μS/cm);R’为组织细胞被完全杀死后提取液的电导率/(μS/cm);R0为组织的初始电导率/(μS/cm)。

1.3.3 冷害指数测定

参考Martinez等[17]的方法测定。将黄瓜样品复温2 d后,用于测定其冷害指数。黄瓜冷害症状一般表现为:表面凹陷斑或水浸斑、褐色斑,由果柄一端开始腐烂等。根据上述症状将冷害现象分为4 个等级(表1)。

表1 冷害等级
Table 1 Chilling injury levels

按照公式(2)计算冷害指数。

1.3.4 二因素二次回归正交旋转组合设计试验

一般冷敏类果实发生冷害的临界温度为10~13 ℃[18],吕铁信等[19]认为黄瓜的冷害临界温度为7 ℃,而章艳等[20]提出黄瓜的冷害临界温度为10 ℃。寇晓虹等[21]发现,在0 ℃低温下,黄瓜发生冷害到冷害症状相当严重的时间为3~9 d。解越等[22]将黄瓜在2、8、12、20 ℃条件下分别贮藏了2、4、6、8、10、12 d研究其抗寒性,黄瓜在此研究范围内出现不同程度的冷害现象。因此本试验选取贮藏温度为1~12 ℃,贮藏时间为1~12 d。以贮藏温度x1和贮藏时间x2为试验因素,电解质外渗百分率Y为指标,根据二次回归正交旋转组合设计试验方案,利用SPSS 9.1.3软件对试验数据进行分析,试验因素水平见表2[23]

表2 二次回归正交旋转组合设计因素水平
Table 2 Coded levels for independent variables used in quadratic regression orthogonal rotation combination design

1.3.5 验证实验

为了验证二次正交旋转组合设计试验得到的结果是否可靠,设1~12 ℃范围内的3 个低温等级进行黄瓜果实忍受时间与忍受能力的研究,因为冷害是在冰点以上的不适低温下发生的,且温度越低,越容易发生冷害[21]。分别在2、4、6 ℃条件下贮藏黄瓜,每24 h测定Y。由于黄瓜的冷害症状的出现存在一定的滞后现象[24],实验室在前期研究发现黄瓜发生冷害后,在恢复室温2 d时冷害症状表现比较明显,因此将黄瓜样品模拟货架期复温2 d来测定其冷害指数,以确定黄瓜果实是否受到冷害。

1.4 数据统计分析

结果均以 ±s表示,采用SAS 9.1.3软件进行方差分析及等高线图和响应面曲线图的绘制。

2 结果与分析

2.1 二次正交旋转组合设计试验数据分析

表3 二次正交旋转组合设计试验及结果
Table 3 Quadratic regression orthogonal rotation combination design with experimental results

注:同列肩标字母不同表示差异显著(P<0.05)。

利用SAS 9.1.3软件[25],经二次回归正交旋转组合设计,对表3数据进行分析,得到电解质外渗百分率对两个因素的二次多项回归方程,Y=17.279 244+0.996 139x1+3.617 484x2-0.142 947x12-0.043 721x1x2-0.136 832

表4 回归模型的方差分析
Table 4 Variance analysis of regression model

表5 试验二次回归模型参数
Table 5 Regression model parameters and signifi cance test

表4、5分别为模型的方差分析和参数估计及显著性分析,根据方差分析结果,对回归方程进行失拟项检验:F=5.46<F0.05(3,4)=6.59,即不显著(P>0.05),说明该回归方程无失拟因素存在。其中,一次项和二次项的F值均大于0.01水平上的F值,说明两个因素对冷害的发生都有极其显著的影响;交互项的F值小于0.05水平上的F值,说明两个因素之间的交互作用对冷害的发生影响不显著。回归方程显著性分析F=33.27>F0.01(5,10)=5.64,即高度显著(P<0.001),表明回归模型与实测值能较好拟和,模型成立。

σ=0.10显著水平上剔除不显著项,得到回归方程Y=17.279 244+0.996 139x1+3.617 484x2-0.142 947x12-0.136 832x22。

由回归方程得到,黄瓜开始受害时,Y的临界值为17.28%。即理论上,当Y≥17.28%时,表示黄瓜果实受低温冷害,反之表示黄瓜果实未受害。

图1 1Y的等高线图(A)与响应面曲线图(B)B
Fig. 1 Contour (A) and response surface plots (B) showing the interactive effect of storage conditions on the percentage of electrolyte leakage

根据回归方程绘制贮藏温度和贮藏时间对Y影响的等高线图和响应面曲线图(图1),可知在冷害易发生的温度内,随着贮藏时间的延长,Y呈现上升趋势;温度越低,Y上升得越快。

2.2 验证实验

表6 不同贮藏温度下的验证实验
Table 6 Results of experimental verifi cation at different storage temperatures

如表6所示,2 ℃贮藏温度下,由复温2 d后的冷害指数可以看出,黄瓜在第3天发生冷害,冷害症状表现为黄瓜表面出现黑斑、水渍斑,局部发黄,黄瓜变软,随着贮藏时间延长,冷害程度增加,症状表现越来越明显。黄瓜样品Y在最初阶段变化不明显,从第3天开始,Y随贮藏时间的延长不断增大,从第3天的17.30%增大到第8天的37.32%,增大了20%左右。由表6可知,黄瓜样品冷害时,Y临界值为17.30%。

4 ℃贮藏温度下,由复温2 d后的冷害指数可以看出,黄瓜在第4天发生冷害,随着贮藏时间的延长,冷害程度增加,症状表现越来越明显。Y初期变化不明显,从第4天开始,Y随时间的延长而增大,从第4天的17.14%增大到第8天的35.37%,增大了18%左右。由表6可知,黄瓜样品冷害时,Y临界值为17.14%。

6 ℃贮藏温度下,由复温2 d后的冷害指数可以看出,黄瓜在第6天发生冷害,模拟货架期2 d之后表现出冷害现象,随着贮藏时间的延长,冷害程度增加,症状表现越来越明显。Y初期变化不明显,从第6天开始,Y随时间的延长而增大,从第6天的17.24%增大到第8天的29.65%,增大了12%左右。由表6可知,黄瓜样品冷害时,Y的临界值为17.24%。

通过验证实验可以看出,在黄瓜受到冷害时,其Y的临界值与回归方程得到的临界值相符。由此可以将黄瓜果实受到冷害时Y值确定为17.28%。

3 讨论与结论

冷敏果实黄瓜在低温贮藏过程中受冷藏温度、冷藏时间等因素影响较大,由二次回归正交旋转组合设计试验及结果所得等高线图和响应面曲线图可以看出,在易发生冷害的温度范围内,随着贮藏时间的延长,黄瓜样品的Y呈上升趋势;温度越低,Y上升的越快。张平等[26]在对不同温度下樱桃冷害的研究和王志华等[27]对砀山梨在不同温度下的品质变化中也得到类似结论。导致这些结果的原因可能是由于,当冷害开始发生,过氧化物酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶等细胞保护酶的活性被抑制,活性氧物质产生和清除的平衡被打破[28],活性氧如超氧阴离子自由基、羟自由基、过氧化氢等不断积累,不能将过剩的自由基及时清除,出现细胞膜脂过氧化现象,导致膜系统结构和功能破坏,Y就会升高[29]。在易发生冷害的温度范围内,温度越低,冷害发生的越早越快[30],上述一系列反应也发生的越快,氧化速率越大,Y升高的就越快。

2 ℃贮藏温度下,黄瓜在第3天发生冷害,从第3天到第8天,Y值从17.30%增长到37.32%,增长了20%左右;4 ℃贮藏温度下,黄瓜在第4天发生冷害,从第4天到第8天,Y值从17.14%增长到35.37%,增长了18%;6 ℃贮藏温度下,黄瓜在第6天发生冷害,从第6天到第8天,Y值从17.24%增长到29.65%,增长了12%。这在一定程度上为黄瓜的安全贮藏、黄瓜果实对低温的耐受时间与耐受能力的研究提供了理论依据。

运用二因素二次回归正交旋转组合设计方法建立的低温逆境下冷敏果实低温冷害预测模型能够有效对黄瓜果实低温贮藏过程中冷害临界值进行分析和预测,验证实验所得模型的计算值与实际冷害表现吻合得较好,所得模型有效。回归方程为Y=17.279 244+0.996 139x1+3.617 484x2-0.142 947x12-0.136 832Y值为17.28%,可作为‘申青’黄瓜果实低温冷害的临界值,即理论上,当Y≥17.28%且持续升高时,表示黄瓜果实受低温冷害,反之表示黄瓜果实未受害。这将为黄瓜及其他冷敏果实安全贮运提供理论依据和方法参考。

虽然实验结果显示,成熟‘申青’黄瓜果实低温冷害的Y临界值为17.28%,但是由于实验中的黄瓜样品全部采用批量研究,该数据可能难以适用于单个个体,是否存在更精确的方法和结论还需进一步探讨。此外,对于不同品种不同成熟度的果实,Y不尽相同,本实验的结果是否适用于其他品种黄瓜还需进一步的实验研究。

参考文献:

[1] WANG C Y. Chilling injury of horticultural crops[M]. Boca Raton,Florida: CRC Press, 1990: 313.

[2] 金鹏, 王静, 朱虹, 等. 果蔬采后冷害控制技术及机制研究进展[J]. 南京农业大学学报, 2012, 35(5): 167-174. DOI:10.7685/j.issn.1000-2030.2012.05.018.

[3] 罗自生. 热处理诱导采后柿果抗冷性机理的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2002: 24.

[4] 周云, 季作梁, 林伟振. 龙眼冷藏适温及其冷害的研究[J]. 园艺学报,1997, 24(1): 13-18. DOI:10.3321/j.issn:0513-353X.1997.01.003.

[5] 解越, 张敏, 朱赛赛. 贮藏温度对茄子果实活性氧代谢及细胞壁降解的影响[J]. 现代食品科技, 2016, 32(2): 142-151. DOI:10.13982/j.mfst.1673-9078.2016.2.022.

[6] 刘同业, 张婷, 车凤斌, 等. 不同贮藏温度下西州密25号哈密瓜果实冷害生理的研究[J]. 新疆农业科学, 2015, 52(1): 26-32.DOI:10.6048/j.issn.1001-4330.2015.01.005.

[7] 王艳颖, 胡文忠, 刘程惠, 等. 低温贮藏引起果蔬冷害的研究进展[J].食品科技, 2010, 35(1): 72-80. DOI:10.13684/j.cnki.spkj.2010.01.026.

[8] HAN J, TIAN S P, MENG X H, et al. Response of physiologic metabolism and cell structures in mango fruit to exogenous methyl salicylate under low-temperature stress[J]. Physiologia Plantarum,2006, 128(1): 125-133. DOI:10.1111/j.1399-3054.2006.00731.x.

[9] 庞学群, 陈燕妮, 黄雪梅, 等. 冷害导致砂糖橘果实品质劣变[J]. 园艺学报, 2008, 35(4): 509-514. DOI:10.3321/j.issn:0513-353X.2008.04.007.

[10] LEVITT J. Responses of plants to environmental stress: chilling,freezing and high tempe ratures[M]. 2nd ed. New York: Academic Press, 1980: 99-115 .

[11] PALTA J P, WHITAKER B D, WEISS L S. Plasma membrane lipids associated with genetic variability in freezing tolerance and cold acclimation of Solanum species[J]. Plant Physiology, 1993, 103: 793-803.DOI:10.1104/pp.103.3.793.

[12] ORVAR B L, SANGWAN V, OMANN F, et al. Early steps in cold sensing by plant cells: the role of actin cytoskeleton and membrane fl uidity[J]. Plant Journal, 2000, 23(6): 785-794. DOI:10.1046/j.1365-313x.2000.00845.x.

[13] COSETENG M Y, LEE C Y. Changes in apple polyphenoloxidase and polyphenol concentrations in relation to degree of browning[J].Journal of Food Science, 1987, 52(4): 985-989. DOI:10.1111/j.1365-2621.1987.tb14257.x.

[14] 张建平. 香蕉果实低温冷害指标研究[J]. 热带作物研究, 1991(2):56-59. DOI:10.1093/cid/cir508.

[15] 陈健华, 张敏, 车贞花, 等. 不同贮藏温度及时间对黄瓜果实冷害发生的影响[J]. 食品工业科技, 2012, 33(9): 394-397. DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2012.09.062.

[16] 李合生. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 北京: 高等教育出版社,2006: 77-84.

[17] MARTINEZ T M, RAMOS C M, GARDEA A, et al. Effect of infi ltrated polyamines on polygalacturonase activity and chilling injury responses in zucchini squash (Cucurbita pepoL.)[J]. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2002, 295(1): 98-101.DOI:10.1016/S0006-291X(02)00631-9.

[18] 周春华, 胡西琴, 余歆. 果实贮藏中的冷害现象及其控制[J]. 中国南方果树, 1999, 28(1): 45-46. DOI:10.13938/j.issn.1007-1431.1999.01.045.

[19] 吕铁信, 王守经, 孙宏春, 等. 果蔬产品的贮运冷害及控制[J]. 中国食物与营养, 2008, 14(9): 37-39. DOI:10.3969/j.issn.1006-9577.2008.09.011.

[20] 章艳, 张长峰. 采后果蔬冷害发生机理及控制研究进展[J]. 保鲜与加工, 2012, 12(4): 40-46. DOI:10.3969/j.issn.1009-6221.2012.04.011.

[21] 寇晓虹, 李玲, 韩娜, 等. 热处理减轻黄瓜冷害作用机理的研究[J]. 食品工业科技, 2006, 27(11): 164-166. DOI:10.3969/j.issn.1002-0306.2006.11.054.

[22] 解越, 张敏, 梁飞侠, 等. 电导法配合Logistic方程鉴定西葫芦和黄瓜果实抗寒性[J]. 农业工程学报, 2015, 31(7): 292-298. DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2015.07.041.

[23] 潘丽军, 陈锦权. 试验设计与数据处理[M]. 南京: 东南大学出版社,2008: 227-232.

[24] 张敏, 解越. 采后果蔬低温贮藏冷害研究进展[J]. 食品与生物技术学报, 2016, 35(1): 1-11. DOI:10.3969/j.issn.1673-1689.2016.01.001.

[25] 邓祖新. 数据分析方法和SAS系统[M]. 上海: 上海财经大学出版社,2006: 157-162.

[26] 张平, 张鹏, 刘辉, 等. 不同低温处理对樱桃冷害发生的影响[J]. 食品科学, 2012, 33(12): 303-308.

[27] 王志华, 姜云斌, 王文辉, 等. 不同低温贮藏对砀山酥梨货架期组织褐变和品质的影响[J]. 园艺学报, 2014, 41(12): 2393-2401.DOI:10.16420/j.issn.0513-353x.2014.12.006.

[28] MORTEZA S A, SAMAD B. Postharvest heat treatment for mitigation of chilling injury in fruits and vegetables[J]. Food and Bioprocess Technology, 2014, 7(1): 37-53. DOI:10.1007/s11947-013-1207-4.

[29] IMAHORI Y, BAI J H, BALDWIN E. Anti oxidative responses of ripe tomato fruit to postharvest chilling and heating treatments[J].Scientia Horticulturae, 2016, 198: 398-406. DOI:10.1016/j.scienta.2015.12.006.

[30] 杨杨, 范蓓, 申琳, 等. 芒果采后冷害发生及控制技术研究进展[J]. 食品科学, 2014, 35(7): 292-297. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201407057.

Using Quadratic Regression Orthogonal Rotation Combination Design to Determine the Critical Value of Chilling Injury in Cucumber Fruits Based on Conductivity

AI Wenting, ZHANG Min*, LI Chunhui, ZHU Saisai, SHAO Tingting, LIU Wei
(College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

中图分类号:TS255.3

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2017)19-0218-05

引文格式:

艾文婷, 张敏, 李春晖, 等. 电导法结合二次回归正交旋转组合设计确定黄瓜果实低温冷害临界值[J]. 食品科学, 2017,38(19): 218-222. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201719035. http://www.spkx.net.cn

AI Wenting, ZHANG Min, LI Chunhui, et al. Using quadratic regression orthogonal rotation combination design to determine the critical value of chilling injury in cucumber fruits based on conductivity[J]. Food Science, 2017, 38(19):218-222. (in Chinese with English abstract)

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201719035. http://www.spkx.net.cn

收稿日期:2016-09-07

基金项目:国家自然科学基金面上项目(31371526)

作者简介:艾文婷(1993—),女,硕士,研究方向为果蔬冷藏保鲜。E-mail:674378380@qq.com

*通信作者:张敏(1969—),女,教授,博士,研究方向为生物传热及果蔬贮藏保鲜。E-mail:zhangm@shou.edu.cn