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乙烯催熟徐香猕猴桃的响应面试验及工艺优化研究

  2021-09-28    34  上传者:管理员

摘要:为探究外源乙烯催熟徐香猕猴桃的过程中乙烯缓释剂用量、处理时间及贮藏温度对品质的影响,确定可靠的徐香猕猴桃催熟工艺参数,本研究以徐香猕猴桃为原料,乙烯缓释剂用量、处理时间及贮藏温度为影响因素,果实硬度、可溶性固形物、Vc含量、可溶性蛋白含量、总酚含量及感官评分等为响应值进行响应面试验,采用主成分分析法提取特征指标,通过响应面法分析并建立特征指标的二次回归模型并优化参数;利用遗传算法对特征指标进行多目标优化并与响应面优化结果进行比较。结果表明,硬度及总酚含量在主成分分析结果中累计贡献率为63.861%,可作为反映催熟后猕猴桃品质的特征指标;响应面分析得到的优化工艺参数为:乙烯缓释剂用量3.34g•10kg-1、处理时间27.72h、贮藏温度4.21℃;遗传算法多目标优化得到的工艺参数为:乙烯缓释剂用量3.36g•10kg-1、处理时间27.68h、贮藏温度4.38℃,2种方法的优化结果基本一致。综上,优化工艺可行且硬度、总酚结合Vc含量能够较好地评价乙烯催熟徐香猕猴桃的综合品质。乙烯催熟徐香猕猴桃的最佳工艺参数为:乙烯缓释剂用量3g•10kg-1、处理温度25℃、处理时间28h、贮藏温度4℃。经后期验证,使用该参数催熟徐香猕猴桃,其后熟时间缩短至5d左右,较未处理组的后熟时间大大缩短。该优化工艺参数可为满足猕猴桃鲜果销售市场需求,保持果实后熟品质提供一定的参考依据。

  • 关键词:
  • 主成分分析
  • 响应面
  • 多目标优化
  • 徐香猕猴桃
  • 遗传算法
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猕猴桃口感酸甜,且富含维生素C、胡萝卜素、猕猴桃碱等营养成分,深受消费者青睐[1]。目前我国栽培的猕猴桃品种以美味猕猴桃和中华猕猴桃为主。徐香猕猴桃作为美味猕猴桃品种之一,其肉质细腻、口感独特且产量较高,在我国拥有广阔的市场[2,3]。猕猴桃属于典型的呼吸跃变型果实,为满足猕猴桃鲜售市场需求,通常在未成熟时采摘,此时果实硬度大、淀粉含量高、糖分低,需通过后熟或进行催熟处理才能达到可食状态[4]。然而猕猴桃后熟期较长,在常温下通常为20d左右,给消费者带来不便。

呼吸跃变型果实的成熟软化是一个复杂的过程,伴随着果实风味、色泽、质地和营养成分等一系列的变化。乙烯是该过程中引发果实后熟与衰老的关键激素[。研究表明,猕猴桃采收后经外源乙烯处理可调控其乙烯的自催化生物合成作用,诱导果实产生内源乙烯,促进果实的呼吸跃变高峰提前,从而迅速均匀地加速猕猴桃软化,使果实达到最佳食用状态。杜莹琳等研究表明,外源乙烯处理海沃德猕猴桃后会促进黄质醛脱氢酶的表达,从而促进猕猴桃内源脱落酸的合成,加速猕猴桃果实的软化。Lim等研究发现,通过自然后熟和乙烯催熟的猕猴桃在理化性状及感官特征上无显著差异,均有较好的市场接受度。也有研究表明使用外源乙烯处理果实不仅可以实现对果实的人工催熟缩短其后期时间,还为果实的品质、香气特征等带来积极影响。外源乙烯广泛应用于香蕉、杏、苹果、芒果、柿子等果实的人工催熟过程中,并表现出良好的应用价值。不同果实对乙烯的敏感程度不同,过高或过低的乙烯含量及不同的处理时间均会对果实的后熟品质产生影响。目前,国内外关于外源乙烯的添加量、处理时间及贮藏温度对呼吸跃变型果实催熟效果的研究,大多集中单因素水平,鲜有针对各因素交互作用对果实质地、营养品质和香气特征等方面影响的研究。

本试验以徐香猕猴桃为研究对象,以乙烯缓释剂用量、处理时间和贮藏温度为因素,以果实硬度、可溶性固形物含量、Vc含量、可溶性蛋白含量、总酚含量及感官评分为响应值,利用响应面试验探究各因子间的交互作用对果实品质的影响;并通过主成分分析法提取具有代表性的、反映果实品质的特征性指标;同时利用遗传算法对特征性指标进行多目标优化,确定乙烯催熟的最佳方案,旨在为满足猕猴桃鲜果销售市场要求,保持果实后熟品质提供参考依据。


1、材料与方法


1.1试验材料与试剂

徐香猕猴桃采自周至县幸福源现代农业有限公司。在果园内随机选取多株正常结果植株,于树冠中部随机摘取生长健壮、大小一致、无病虫害的果实,采摘后立即运回实验室,室温放置24h,散去田间热。将果实随机分成17组,每组约10kg

乙烯(缓释剂粉末),陕西一道大格生物科技有限公司;氢氧化钠、草酸、氯化钡、酚酞、邻苯二甲酸氢钾,天津天力化学试剂有限公司;抗坏血酸钠,成都市科隆化工试剂厂;2,6-二氯酚靛酚,上海蓝季生物有限公司;考马斯亮蓝-G250,西格玛(上海)贸易有限公司。所用试剂均为分析纯。

1.2主要仪器与设备

GY-4型水果硬度计,浙江托普仪器有限公司;PAL-福手持折光仪,广州爱宕科学仪器有限公司;EX124电子天平,上海赛多利斯仪器系统有限公司;TGL台式高速低温离心机,北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3试验方法

1.3.1响应面试验因素水平表

按照响应面Box-Benhnken设计原则,以乙烯缓释剂用量(A)、处理时间(B)、贮藏温度(C)作为试验因素,以硬度、可溶性固形物含量、Vc含量、可溶性蛋白含量、总酚含量及感官评分为响应值设计三因素三水平响应面试验(1),试验设计如表2所示。在25℃条件下分组处理后用聚乙烯薄膜密封,移入相对湿度85%95%、不同温度的冷库中贮藏8d并测定相关指标。

1.3.2理化指标的测定

硬度用水果硬度计测定;可溶性固形物含量用手持折光仪测定;Vc、可溶性蛋白含量均参照曹建康等[19]的方法测定;总酚含福林-肖卡法[20]测定。

1.3.3感官评价

感官评价方法参考张艳宜等[21]的方法,由10人组成感官评价小组,每个处理随机选取5个样品,对猕猴桃的口感进行评价,评价标准见表3。该评价标准下,当分值在5065分时,猕猴桃硬度适中、口感酸甜为广大消费者接受,食用效果较好;当分值大于65分时,猕猴桃果实新鲜程度、口感、香气等方面感官体验最好,食用效果最佳。

1.4数据处理

利用DesignExpert8.0进行响应面设计;利用SPSS17.00对猕猴桃品质指标进行主成分分析、提取特征指标;利用MATLB2018a软件工具箱中的遗传算法-GA函数进行多目标优化。


2、结果与分析


2.1主成分分析法提取特征指标

3为徐香猕猴桃催熟的响应面试验结果,对响应面试验中6个响应值进行主成分分析。

由表4可知,在反映徐香猕猴桃品质的6个成分中,前2个因子的特征值大于1且两因子的累计贡献率为63.861%(大于50%),能较好地反映催熟后徐香猕猴桃的品质信息。因此,本试验将品质指标压缩为2项较为可靠。表5为徐香猕猴桃果实品质指标的主成分分析结果,可反映各成分对徐秀猕猴桃品质的影响程度(以各成分的载荷绝对值计算)。由表45可知,第1主成分的方差贡献率最大,达到43.640%,该主成分与硬度、感官评分和可溶性固形物含量最为相关;第2主成分方差贡献率为20.221%,该主成分代表性指标为总酚含量、Vc含量和可溶性蛋白含量。

本试验以每个主成分中载荷数最大的指标作为后期进行响应面分析及多目标优化的特征指标;此外,由于猕猴桃中含有丰富的Vc,被誉为“Vc之王”,针对猕猴桃的研究大多将猕猴桃中Vc的含量作为评价猕猴桃果实品质的重要因素。因此,为了更好地反映催熟后徐香猕猴桃的果实品质及营养价值,本试验将Vc含量也作为特征指标进行分析。综上,本试验将对徐香猕猴桃的果实硬度、总酚含量、Vc含量3个指标进行后续分析。

2.2特征指标的响应面分析

2.2.1特征指标回归模型建立及方差分析

利用DesignExpert8.0软件以硬度(Y1)Vc含量(Y2)、总酚含量(Y3)3个主成分特征指标为响应值,建立其与乙烯缓释剂用量(A)、处理时间(B)、贮藏温度(C)的多元回归方程:

Y1=+3.53-0.15A+0.01B-0.35C-1.04×10-3AB+9.86×10-3AC-4.40×10-4BC+1.13×10-3A2-7.29×10-5B2+9.72×10-3C2(1)

Y2=-6.30+7.75A+1.42B+0.95C-0.05AB+0.06AC-6.25×10-4BC-0.87A2-0.02B2-0.05C2(2)

Y3=+11.98+2.40A+4.43B+0.45C-0.16AB-0.05AC-4.77×10-3BC+0.17A2-0.06B2+6.98×10-3C2(3)

由表6可知,经乙烯催熟后徐香猕猴桃硬度、Vc含量、总酚含量的模型均显著(P<0.05),其中硬度的模型极显著(P<0.01),各指标失拟项的P值均不显著(P>0.05),且各模型的决定系数R2均大于0.8,说明得到的回归模型与试验结果具有较高的拟合度。各因素对硬度的影响从大到小依次是C>A>B,C对硬度的影响极显著,A表现为显著,B不显著,交互项AC影响显著,C2极显著;各因素对Vc含量的影响从大到小依次是A>B>C,A2B2Vc影响显著,C2极显著;各因素对总酚含量的影响从大到小依次是B>C>A,BB2对总酚含量的影响极显著。

2.2.2各因子交互作用分析

由图1-AC可知,当处理时间和乙烯缓释剂用量一定时,果实的硬度随贮藏温度的升高而明显降低,下降速率逐渐降低;在缓释剂用量和处理时间的交互作用影响下,猕猴桃的硬度无明显波动。说明贮藏温度对乙烯催熟后徐香猕猴桃硬度的影响较大。

由图2可知,当处理时间及乙烯缓释剂用量一定,在贮藏温度低于11℃时,Vc含量随着贮藏温度的升高而增加,11℃后开始下降。总体而言,各因素间的交互作用对Vc含量无较大影响,各响应面试验处理组Vc含量均维持在2030mg·100g-1左右。

3-A可知,当贮藏温度为11,乙烯缓释剂用量一定时,随着处理时间的增加,徐香猕猴桃的总酚含量增加;当处理时间一定时,随着乙烯缓释剂用量的增加,总酚含量呈现上升趋势。由图3-B可知,当乙烯缓释剂用量一定时,总酚含量随贮藏温度的升高而缓慢增加;由图3-C可知,贮藏温度一定时,果实的总酚含量随处理时间的增加而增加。

2.2.3各特征值指标的响应面优化结果

设置硬度的目标值为2kg·cm-2,Vc含量最高,总酚含量最高,使用DesignExpert8.0软件对其进行优化,本试验优化包括对3个指标的单目标优化及同时考虑3个指标的多目标优化,考虑成本、时间及具体的试验条件选取最优结果,优化结果如表7所示。

2.3基于遗传算法的多目标优化

本试验中硬度、Vc含量及总酚含量的单目标优化的结果间存在较大差异,为了催熟后得到硬度适中、Vc及总酚含量较高的徐香猕猴桃,本试验采用具有客观性的遗传算法进行多目标优化,并将优化结果与响应面的多目标优化结果进行比较,得出最佳催熟工艺。利用2.2.1中建立的响应值模型及表中各因素的最优值,参考赵雪萌等[22]的研究定义本试验的适应度函数如下:

z=0.35×(1−Y12)2+0.35×(1−Y232.47)2+0.30×(1−Y389.73)2         (4)

式中,Y1为硬度的表达式,Y2Vc含量的表达式,Y3为总酚含量的表达式;各项系数(0.350.350.30)分别代表硬度、Vc含量、总酚含量的权重系数。

使用MatlabR2018a软件的优化工具箱,采用遗传算法求解指标成分的最优提取工艺条件,得到函数适应度变化曲线,如图4所示。经遗传算法得到乙烯催熟徐香猕猴桃的最优工艺参数为:乙烯缓释剂用量3.36g·kg-1,处理时间27.68h,贮藏温度4.38℃。该条件下猕猴桃的预测值分别为硬度1.94kg·cm-2,Vc含量29.82mg·100g-1,总酚含量80.74mg·L-1

2.4响应面及遗传算法多目标优化结果的比较

将表8中响应面及遗传算法的优化结果代入公式(4)中可得:2种优化方法适应度值z分别为0.005680.00566,2种方法的结果基本一致,表明本试验结果可靠。结合实际试验条件将最佳工艺参数调整为:乙烯缓释剂用量3g·10kg-1,处理时间为28h,贮藏温度4,将该工艺参数代入2.2.1中各响应值的多元回归方程中得到理论值:硬度为2.11kg·cm-2,Vc含量为29.00mg·100g-1,总酚含量为81.44mg·L-1,适应度值z0.00762;该工艺条件下进行3次重复试验,响应值取平均值;硬度为1.92kg·cm-2,Vc含量为29.31mg·100g-1,总酚含量为80.02mg·L-1,适应度z值为0.00739,与理论值接近。因此,本试验的优化参数符合工艺要求,可靠性较高。


3、讨论


猕猴桃属于典型的呼吸跃变型水果,采摘后的猕猴桃果实对乙烯十分敏感,有研究表明,极低含量的乙烯也会对猕猴桃的后熟软化产生重要影响[23]。与香蕉、芒果等呼吸跃变型果实不同,猕猴桃在后熟软化过程中无明显的颜色变化,但在整个后熟过程中其理化指标具有较为明显的变化,如果实硬度下降、可溶性固形物含量升高、糖分积累、Vc含量变化等。

在跃变型果实的后熟过程中,硬度变化通常可以在一定程度上反映果实的成熟程度。本研究表明,猕猴桃后熟过程中外源乙烯、温度等均会对猕猴桃的硬度产生影响,其中温度的影响最为显著,这与Zhang[24]及袁沙等[25]的研究结论一致。推测可能是外源乙烯在适当的温度环境下加速了果实中乙烯的释放速率,促进果实中淀粉及果胶类物质的降解,从而使果实在短时间内软化,孙强等[26]在海沃德猕猴桃的后熟研究中也得出了相同的结论。猕猴桃中的Vc含量通常高于大多数水果,且Vc含量与猕猴桃的品种、成熟度、贮藏环境等有关。本研究发现,当乙烯缓释剂的用量及处理时间一定时,随着贮藏温度的增加,Vc含量呈现先上升后缓慢下降的趋势,且贮藏温度越高时,果实中的Vc含量下降越明显,表明Vc对温度具有敏感性,陈丽花等[27]在对香蕉催熟的研究中也得到了类似的结论。猕猴桃中也含有丰富的酚类化合物,此类物质通常具有较强的抗氧化活性,有利于预防和治疗多种氧化应激相关的疾病[28,29],且研究发现酚类物质的含量和种类对果实的硬度、风味等有直接的影响。本试验通过探究不同因素及其交互作用对总酚含量的影响,结果表明温度和时间对催熟处理的徐香猕猴桃具有较大影响,后期将从相关酶活性入手,对控制其表达的相关基因进行深入研究。

主成分分析法通过数据降维处理,将多个相互联系的复杂指标转化为几个能反映大部分综合信息的特征指标,从而使数据处理简单化,客观化、精确化[30,31]。刘科鹏等[32]在研究金魁猕猴桃果实品质时采用主成分分析法,将15个不同园地果实的9个果实品质指标综合为4个主成分,以此来体现不同园地果实品质的差异;Elizabeth[33]利用主成分分析法对鲜切菠萝、草莓、猕猴桃和哈密瓜在贮藏过程中的27种质量指标进行分析,分析结果能够较好的反映果实的外观、香气、硬度等特征。本试验从6个指标中提取硬度、总酚含量2个累计贡献率为63.83%的主成分,再结合猕猴桃独特的Vc含量特征进行分析,3个特征指标能够较好地从果实口感和营养价值等方面综合体现果实品质。在此基础上本研究通过响应面分析法,得出特征指标的多元回归方程并结合遗传算法[34]进行多目标优化,得出的优化结果与响应面的结果一致性较好,表明该试验结果较为可靠。


4、结论


本研究通过主成分分析法提取出硬度、总酚含量、Vc含量3个特征指标来反映乙烯催熟后徐香猕猴桃的果实品质。经响应面分析与遗传算法得出的工艺优化参数基本一致,经验证后具有较好的重现性,可用于徐香猕猴桃催熟的研究。本研究得到的最佳优化工艺为:乙烯缓释剂用量3g·10kg-1,处理温度25,处理时间28h,贮藏温度4,该条件下进行3次验证试验求均值后,猕猴桃果实的硬度为2.11kg·cm-2,Vc含量为29.00mg·100g-1,总酚含量为81.44mg·L-1,在该工艺参数下催熟后徐香猕猴桃的后熟时间为5d左右,较常规储藏的后熟期大大缩短。可为猕猴桃鲜果市场开辟“即买即食”型果实提供参考依据。


文章来源:郑建梅,肖妍,高贵田,封琦,李子君.乙烯催熟徐香猕猴桃的响应面试验及工艺优化研究[J].核农学报,2021,35(11):2559-2568.


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