文章鉴读|贵阳学院食品与制药工程学院吉宁教授团队：基于主成分分析法研究自发气调包装对方竹鲜笋保鲜效果的影响

食品工业科技编辑部

2024-12-02

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摘要

贵阳学院食品与制药工程学院的徐锦洋，王瑞，张妮，杨微微，邓云兵，曹森，巴良杰，吉宁等人采用不同自发气调袋结合低温处理对方竹鲜笋进行贮藏保鲜，探究方竹鲜笋的最佳保鲜工艺。将方竹鲜笋采用四种不同的自发气调袋（WK、PE20、PE30、PE40）在(1.0±0.3) ℃的保鲜库贮藏50 d，每隔10 d取样对方竹鲜笋贮藏期间的呼吸强度、硬度、褐变指数、多酚、可溶性蛋白质、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、过氧化物酶（POD）等指标进行测定，结合主成分分析法分析不同自发气调袋对方竹鲜笋的保鲜效果。结果表明：PE20袋可以有效降低方竹鲜笋呼吸强度，抑制硬度的上升，延缓方竹鲜笋总色差值的改变，抑制方竹鲜笋贮藏期间腐烂率、褐变指数、POD活性和PAL活性的上升，使方竹鲜笋的营养物质（V_C、可溶性蛋白质）维持在较高水平。主成分分析表明，呼吸强度、硬度中、腐烂率等是影响方竹鲜笋保鲜的关键指标，将分析结果进行综合评价得分，50 d时PE20包装的综合评价得分高于其他三种自发气调包装。综合指标测定和主成分分析结果表明PE20袋处理对方竹鲜笋的保鲜效果最佳。

方竹（Chimonabambusa quadrangularis）禾本科（Poaceae）竹亚科（Bambhsoideae）竹属竹种，是主产于我国西南地区的笋用竹种。方竹笋营养丰富，蛋白质、氨基酸、膳食纤维含量高，深受消费者喜爱。采收后的方竹笋水分含量高，呼吸强度大，生长代谢旺盛，极易发生木质化、褐变、腐烂变质等降低方竹笋品质的现象，降低方竹笋的商品价值。研究方竹鲜笋的贮藏保鲜技术，对抑制其采后腐烂、衰老，保持其贮藏期间的良好生理品质有着重要的意义。

竹笋保鲜手段目前主要有低温处理和化学保鲜剂处理等，均能在一定程度上维持竹笋的贮藏品质。其中低温处理可以有效降低采后的呼吸作用，但是单一低温处理不能充分抑制果蔬贮藏期间水分散失，过低的贮藏温度还会导致贮藏期间竹笋冷害，造成商品价值丧失。化学保鲜剂虽然可以大规模应用于生产，但在使用期间存在安全问题，使用不当还会影响果蔬贮藏期间的品质，其中，一氧化氮（NO）能有效抑制果蔬保鲜期间的病害，起到防腐保鲜的效果，但NO自身具有毒性且无色无味，具有较大的安全隐患，不易于大量使用。二氧化氯因杀菌效果好、适应广、无污染等优点被广泛应用于食品保鲜领域，但二氧化氯使用浓度不当反而会损伤竹笋导致竹笋褐变影响果蔬的品质。

气调贮藏因其保鲜效果好、保鲜过程安全被广泛使用，其通过改变果蔬贮藏的气体环境达到抑制果蔬自身呼吸作用、减小贮藏期间的代谢，进而延长果蔬保鲜时长的目的。自发气调包装（Modified Atmosphere Packaging，MAP）是利用薄膜对O₂ 和CO₂ 的渗透率来控制包装内果蔬的呼吸强度，同时结合薄膜的透湿率，使包装内产品处于适宜的气体环境和湿度条件下，从而抑制贮藏果蔬的生理代谢，延长果蔬的贮藏期。MAP具备成本低、操作简单、无毒无害等特点，在国内外果蔬贮藏保鲜研究中已有相关研究报道。竹笋采后低温贮藏期间水分的散失、褐变、老化是竹笋品质下降的一个重要原因。陈金凤等将竹笋放置于不同厚度的自发气调袋中，在2 ℃条件下贮藏，发现MAP可以通过抑制竹笋贮藏期间水分散失、褐变、老化，达到延长竹笋贮藏保鲜时长的作用。目前还未见MAP结合低温处理方竹鲜笋保鲜方面的研究报道。

本实验以方竹鲜笋为试材，分别采用PE20、PE30、PE40、WK四种自发气调袋进行包装处理，在低温环境下贮藏，对贮藏期间方竹鲜笋进行相关指标的测定，结合主成分分析（Principal Component Analusis，PCA）得到保鲜效果最好的自发气调袋，为日后方竹鲜笋的采后贮藏保鲜提供相应理论依据。

结果与分析

2.1 自发气调包装对方竹鲜笋采后生理和感官指标的影响

2.1.1 对呼吸强度的影响

如图1-A所示，贮藏期间呼吸强度呈现先上升后下降的趋势，在0~10 d时呼吸强度剧烈上升，达到测量时的峰值。40 d时PE20袋的呼吸强度依次是WK、PE30、PE40袋的63.14%、80.96%、79.77%，显著低于其他三种自发气调包装（P<0.05）。且在整个贮藏期内，PE20自发气调包装处理的方竹鲜笋的呼吸强度均处于最低水平。

图 1 自发气调包装处理对方竹鲜笋呼吸强度和顶空气体环境的影响

Figure 1. Effects of spontaneous modified atmosphere packaging on respiratory intensity and headspace gas environment of fresh bamboo shoots

注：不同小写字母表示相同时间下不同处理组之间差异显著（P<0.05）；图2~图6同。

2.1.2 对顶空气体环境的影响

自发气调包装处理对方竹鲜笋顶空气体环境的影响如图1-B所示，PE40袋的气体成分与其他三个自发气调袋在20 d以后存在显著性差异（P<0.05），可得PE40的空气透过性最弱，可以更好地维持袋内低O₂高CO₂的气体环境。WK袋在50 d的贮藏期间内气体浓度波动最小，WK袋的空气通过性最好，方竹鲜笋可以在接近外部气体环境的条件下贮藏。由顶空气体测定可知四种自发气调袋的空气交换效果由强到弱分别是WK、PE20、PE30、PE40。

2.1.3 对含水率的影响

贮藏期间果蔬会消耗自身的养分进而导致自身水分的散失，含水率变化可以直观体现这一现象。图2-A所示，贮藏过程中，含水率呈现下降的趋势。其中在贮藏前期各处理的含水率差异不显著（P>0.05）。30 d后PE40袋的含水率与其他自发气调袋存在显著性差异（P<0.05），PE40袋的空气透过性最低，可以充分保持袋内空气中的水分含量。WK袋的含水率在30 d后显著低于其他自发气调袋（P<0.05），可能是由于WK袋的空气透过率最高，呼吸作用强烈，水分散失严重。

图 2 自发气调包装对方竹鲜笋含水率和腐烂率的影响

Figure 2. Effect of spontaneous modified atmosphere packaging on moisture content and decay rate of fresh bamboo shoots

2.1.4 对腐烂率的影响

如图2-B所示，方竹鲜笋在贮藏期间腐烂率不断上升。其中WK袋的腐烂最为严重，从10 d开始便与其余三种自发气调袋存在显著性差异（P<0.05）。相对于其他自发气调包装袋，PE20的腐烂率在贮藏期间一直处于最低水平，在50 d时PE20袋的腐烂率为WK的35.56%、PE30的58.92%、PE40的73.67%，显著低于其他三种自发气调包装（P<0.05），表明PE20袋可以更好抑制方竹鲜笋腐烂。

2.1.5 对硬度的影响

果蔬在贮藏期间会发生衰老现象，硬度的变化是判断其衰老品质降低的一个重要指标。由图3可知竹笋的硬度是由上到下逐渐增加的。随着贮藏时间的延长，竹笋上端的硬度呈现缓慢上升的趋势，不同处理之间前40 d没有显著性差异（P>0.05）。竹笋的中部随着贮藏时间的延长，其硬度呈现增长趋势，其中在40 d以后，PE20处理的硬度处于最低水平。50 d时PE20的硬度是WK的89.53%、PE30的95.51%、PE40的94.76%，可以减缓方竹鲜笋贮藏期间的木质化。竹笋的下端硬度呈现先上升后下降的趋势。综上PE20处理硬度变化最平稳，能较好维持方竹鲜笋品质。

图 3 自发气调包装对方竹鲜笋硬度的影响

Figure 3. Effect of spontaneous modified atmosphere packaging on the hardness of fresh bamboo shoots

2.1.6 对外观色泽（总色差值（∆E）、褐变指数（BI））的影响

总色差值（ΔE）反映颜色的总体差异，由图4-A所示，贮藏期间方竹鲜笋的总色差值呈现不断上升的趋势，表明贮藏期间方竹鲜笋的色泽不断变化，其中PE20处理的总色差值在贮藏后期显著低于（P<0.05）其它3种自发气调袋处理，其中在40 d时，PE20处理的总色差变化值仅为PE30的69.28%、PE40的58.50%、WK的66.92%（P<0.05），说明PE20处理可以有效抑制方竹鲜笋贮藏期间的色泽变化。

图 4 自发气调包装对方竹鲜笋总色差值、褐变指数的影响

Figure 4. Effect of spontaneous modified atmosphere packaging on total color difference and browning index of fresh bamboo shoots

由图4-B所示，方竹鲜笋的褐变指数呈现不断上升的趋势，表明随着贮藏时间的延长，褐变程度不断加剧。其中在贮藏前20 d内，各个处理的褐变指数呈现缓慢上升的趋势，在30 d后褐变指数呈现加速上升的趋势。在贮藏40~50 d时，PE 20处理的褐变指数显著低于（P<0.05）其他三个处理，说明PE 20处理在贮藏后期可以抑制方竹鲜笋的褐变。

2.2 自发气调包装对方竹鲜笋采后营养指标和酶活性的影响

2.2.1 对营养指标（多酚、V_C、游离氨基酸、可溶性蛋白）含量的影响

多酚类物质是果蔬贮藏期间重要的抗氧化物质，在果蔬贮藏过程中起着重要的作用，同时酚类物质是果蔬褐变的前体物质，是竹笋褐变的一个重要原因。如图5-A所示，方竹鲜笋贮藏后期，方竹鲜笋的多酚含量呈现明显上升的趋势，其中WK袋的多酚含量在贮藏的10~50 d内多酚含量最高且显著高于其他3种自发气调袋（P<0.05）。而PE20在贮藏期间内多酚含量最低，在50 d时存在显著性差异（P<0.05），PE20袋的多酚含量分别比PE30低0.14 mg·g⁻¹、PE40低0.08 mg·g⁻¹、WK低0.22 mg·g⁻¹。

图 5 自发气调包装处理对方竹鲜笋多酚、游离氨基酸、可溶性蛋白质、V_C含量的影响

Figure 5. Effect of spontaneous modified atmosphere packaging on polyphenols, free amino acids, soluble protein and V_Ccontent of fresh bamboo shoots

由图5-B可知游离氨基酸含量呈现上升趋势，可能是自发气调处理阻碍果蔬的蒸腾作用，促使氨基酸合成酶的活性加强所致。图5-B显示PE20袋含量较高，PE20袋的游离氨基酸含量在20~50 d时显著高于其他三种自发气调袋（P<0.05），其中在40 d时PE20袋游离氨基酸的含量达到了0.58 mg·g⁻¹，WK、PE30、PE40三种自发气调袋依次为PE20袋的86.21%、91.37%、82.75%，PE20袋显著高于其他三种自发气调袋（P<0.05），较好维持游离氨基酸含量。

图5-C可以看出，竹笋贮藏期间可溶性蛋白质含量是不断下降的，这可能是由于竹笋在贮藏期间不断进行呼吸等代谢作用消耗了较多的营养物质。图中PE20袋在20 d后其可溶性蛋白质含量虽然不断下降，但是下降速度最缓。在50 d时PE20袋的可溶性蛋白质仍有0.61 mg·g⁻¹，而PE30、PE40、WK这三种自发气调袋则依次只有0.56、0.56、0.48 mg·g⁻¹。表明PE20处理能够有效抑制可溶性蛋白的降解，对贮藏期间方竹鲜笋的营养和品质产生了积极影响。

图5-D所示，在整个贮藏过程中，PE20袋的V_C含量均高于其他三种自发气调袋的VC含量，显著减缓贮藏期间方竹鲜笋V_C含量的下降（P<0.05）。其原因可能是PE20袋相对其他三种气调袋，抑制竹笋自身生理代谢活动的效果更好，达到延缓方竹鲜笋贮藏期间衰老和延缓V_C含量下降的目的。

2.2.2 对POD、PAL活性的影响

POD会促进过氧化氢分解形成木质素，POD活性高低可以判断竹笋的木质化程度。由图6-A可以看出POD活性呈现上升趋势，其中PE20袋的POD活性始终是4种自发气调袋中最低的，在50 d时，PE20袋的POD活性是PE30、PE40、WK的87.88%、82.61%、81.43%（P<0.05）。表明PE20自发气调袋相对于其他三种自发气调袋能抑制方竹鲜笋贮藏期间的褐变、木质化等劣变进程。

图 6 自发气调包装处理对方竹鲜笋POD活性和PAL活性大小的影响

Figure 6. Effect of spontaneous modified atmosphere packaging on POD activity and PAL activity of fresh bamboo shoots

PAL是木质素生成的关键限速酶，PAL活性高低可以反映木质素的生成速率。由图6-B可以看出，PAL活性呈现先上升后下降的趋势。在30 d时PE20袋处理方竹鲜笋的PAL活性依次只有PE30袋的69.18%、PE40袋的59.45%、WK袋的47.16%，PAL活性显著低于其他三种自发气调袋（P<0.05），在50 d贮藏期内PE20保鲜袋的PAL活性均处于最低水平，PE20可以抑制竹笋贮藏期间PAL的活性。

2.3 相关性分析与主成分分析

2.3.1 相关性分析

对各个生理指标数据进行相关性分析，如图7所示。贮藏时间与腐烂率、多酚含量、游离氨基酸、POD活性、褐变指数、总色差值、中部硬度呈现极其显著正相关（P<0.01），与含水率、可溶性蛋白质、V_C含量、PAL活性、底部硬度呈现极其显著负相关（P<0.01），说明贮藏期间腐烂率、多酚含量、游离氨基酸、POD活性、含水率、可溶性蛋白质、V_C含量、PAL活性、底部硬度的变化均能影响方竹鲜笋的保鲜效果，且呼吸强度和PAL活性呈现极其显著正相关（P<0.01），因此方竹笋贮藏期间的各个生理指标中有着很大的关联。

图 7 各生理指标间的相关性矩阵热图

Figure 7. Heat map of correlation matrix among physiological indexes

注：*代表差异显著，P<0.05；**代表差异极显著，P<0.01。

2.3.2 主成分分析

对方竹笋贮藏期间的各个生理指标进行主成分分析。将方竹笋贮藏期间的13个指标转化成2个主成分，如图8所示，其中第一、二主成分的特征值分别为9.742和2.464，主成分贡献率为69.583%和17.602%，累计贡献率为87.185%，说明前 2 个主成分反映了原始变量的绝大部分信息，符合分析要求。

图 8 碎石图

Figure 8. Scree plot

由图9因子载荷图可以看出多酚含量、总色差值、硬度中、腐烂率、褐变指数、可溶性蛋白质含量、PAL活性在PCA 1轴有较高载荷，证明多酚含量、硬度中、腐烂率、可溶性蛋白质含量、PAL活性对第一主成分贡献大；而呼吸强度、POD活性、硬度底在PCA 2轴有较大载荷，证明呼吸强度、POD活性、硬度底对第二主成分的贡献大。综合二者可以得出影响方竹鲜笋保鲜效果的关键指标是多酚含量、总色差值、呼吸强度、硬度中、腐烂率和可溶性蛋白质含量。

图 9 因子载荷图

Figure 9. Factor load diagram

2.3.3 方竹鲜笋贮藏保鲜效果综合评价

用2个主成分变量PCA 1、PCA 2代替原来的13个指标，得出各主成分特征向量为：

PCA1=0.014×Z1−0.094×Z2+0.098×Z3+0.101×Z4+0.085×Z5−0.097×Z6−0.097×Z7+0.096×Z8+0.098×Z9−0.033×Z10+0.095×Z11+0.085×Z12+0.098×Z13−0.047 ×Z14

PCA2=0.394×Z1+0.01×Z2+0.019×Z3−0.02×Z4+0.041×Z5−0.078×Z6−0.078×Z7−0.007×Z8+0.027×Z9+0.362×Z10−0.033×Z11−0.053×Z12+0.034×Z13+0.313×Z14

同时选取第一、第二主成分的方差贡献率α1（69.583%）、α2（17.602%）作为权数，构建综合评价模型：F=α1×Y1+α2×Y2，为F=0.69583×Y1+0.17602×Y2，F求出的值即为方竹鲜笋贮藏保鲜效果的综合评价。

图 10 方竹鲜笋贮藏保鲜综合得分

Figure 10. Comprehensive score of fresh bamboo shoots in storage

结论

竹笋生长代谢旺盛，采后质地劣化、外观褐变是导致其采后品质丧失的主要原因。本研究发现方竹鲜笋随着贮藏时间延长，硬度、褐变指数不断上升，可溶性蛋白质和V_C含量不断下降。可能是竹笋在贮藏期间不断进行生理代谢活动随着贮藏时间的延长导致其木质化加剧，营养物质逐步丧失，这一结果与ZHENG等研究发现基本一致。本研究发现PE20袋包装能更有效抑制方竹鲜笋贮藏期间的生理代谢活动，延缓方竹鲜笋贮藏期间营养物质的降低，维持较高的营养品质。PAL活性、POD活性、褐变指数和竹笋自身硬度的上升，是造成竹笋口感丧失、品质降低的直接原因，本研究发现PE20袋包装能更有效抑制POD、PAL活性，减缓褐变指数、竹笋自身硬度上升，较好保持方竹笋贮藏期间的口感。主成分分析得出呼吸强度、硬度中、腐烂率等是影响方竹鲜笋保鲜的关键指标，分析结果进行综合评价得分显示PE20处理在贮藏50 d后得分最高，拥有最佳的保鲜效果。

综上所述，PE20自发气调袋可以更有效抑制方竹鲜笋贮藏期间的木质化、褐变等现象，减缓方竹鲜笋营养品质的下降，维持方竹鲜笋贮藏期间的品质，具备更好的保鲜效果。但是本研究对PE20自发气调袋对方竹鲜笋木质化、褐变过程及相关酶的调控机制尚未明确，有待进一步深入研究。同时本研究也为今后在方竹鲜笋采后贮藏保鲜过程中自发气调袋的选择与设计提供了参考。

引用本文：徐锦洋，王瑞，张妮，等. 基于主成分分析法研究自发气调包装对方竹鲜笋保鲜效果的影响[J]. 食品工业科技，2023，44（5）：322−330. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2022040254.

Citation:XU Jinyang, WANG Rui, ZHANG Ni, et al. Study on the Effects of Modified Atmosphere Packaging on the Freshness of Chimonabambusa quadrangularis Shoot Based on Principal Component Analysis[J]. Science and Technology of Food Industry, 2023, 44(5): 322−330. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2022040254.

基金项目:贵州省科技计划项目（黔科合支撑[2020]1Y139号）；贵州省科技计划项目[黔科中引地(2020)4018号）]；2020年国家级大学生创新训练项目（202010976021）；贵阳市财政支持贵阳学院学科建设与研究生教育项目(2021-xk14)。

通信作者简介

吉宁，男，中共党员，博士，教授，硕士生导师，贵州省千层次人才，贵阳市高层次创新型青年科技人才，贵州省科技厅专家库专家，贵阳市科技局专家库专家，贵阳市果业协会副主任、采后组组长，贵州省果业协会采后组组长。进入贵阳学院-食品科学与工程学院工作以来一直从事果蔬采后保鲜、电商物流技术、营养成分检测分析、保鲜库建设等研究，在果蔬采前、采后处理，电商物流，现代分析、检测手段等方面有较好的工作积累。目前已发表北大核心期刊论文16余篇，SCI中科院二区论文4篇，申请专利8项，其中，授权发明专利1项，实用新型专利1项，主持省级科研项目3项，市级科研项目3项，企业横向1项，贵阳市科技人才培养项目1项，贵州省科技厅千层次人才培养项目1项，发布贵州省省级地方标准2项，团体标准1项，企业标准1项，主持校级教学改革项目3项，指导大学生完成“大学生创新创业项目”12项。

（信息来源于贵阳学院食品与制药工程学院官网）

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