全 文 ： 2011, Vol. 32, No. 17 食品科学 ※生物工程238
莴笋烫漂过程中过氧化物酶失活
动力学模型的建立
郑海鹰，傅玉颖*，石玉刚，励建荣，郑海波
(浙江工商大学食品与生物工程学院，浙江省食品安全重点实验室，浙江 杭州 310035)
摘 要：为有效预测一定时间、温度条件下的过氧化物酶活力，避免过度烫漂导致莴笋品质的损坏，本研究对75～95℃
条件下莴笋烫漂过程中过氧化物酶失活的动力学特性建立数学模型。利用一级动力学模型和Weibull分布模型进行拟
合，以决定系数(R 2)和卡方(χ2)为评价指标，分析了两种模型的拟合效果。此外以VC含量为指标优化烫漂工艺条
件，将模型应用于实际预测中。结果表明：Weibu l l分布模型的拟合效果较好，R 2均大于 0 .9900，χ2均小于
0.0024，高温短时条件下的VC含量损失较少。
关键词：过氧化物酶；动力学；烫漂；莴笋；模型
Kinetic Models of Peroxidase Inactivation in Asparagus Lettuce Due to Blanching
ZHENG Hai-ying，FU Yu-ying*，SHI Yu-gang，LI Jian-rong，ZHENG Hai-bo
(Key Laboratory of Food Safety of Zhejiang Province, College of Food Science and Biotechnology, Zhejiang Gongshang University,
Hangzhou 310035, China)
Abstract ：In order to predict peroxidase (POD) activity and prevent over-blanching-induced damage of asparagus lettuce,
thermal inactivation of POD in asparagus lettuce was explored and kinetic models were established at temperatures ranging from
75 ℃to 95 ℃. First-order kinetic model and Weibull distribution model were employed to fit the inactivation characteristics of
POD. Two models were evaluated based on the coefficients of determination (R2) and chi-square (χ2) for the application of actual
prediction. Moreover, blanching conditions of asparagus lettuce were optimized according to the change of vitamin C content.
The results indicated that Weibull distribution model could better describe POD inactivation kinetics in asparagus lettuce over
the selected temperature with a highR2(＞ 0.9900) and low χ2(＜ 0.0024). Meanwhile, high-temperature short-time blanching
treatment could result in less loss of vitamin C.
Key words：peroxidase；kinetics；blanch；asparagus lettuce；model
中图分类号：TS255.1 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2011)17-0238-05
收稿日期：2010-12-17
基金项目：2010年度国家公益性行业(农业)科研专项(201003036)；浙江工商大学研究生科研创新基金项目(1110XJ1510088)
作者简介：郑海鹰(1987—)，女，硕士研究生，研究方向为食品加工。E-mail：zhenghaiying98@126.com
*通信作者：傅玉颖(1966 —)，男，教授，博士，研究方向为食品加工与装备技术。E-mail：webfu@126 .com
莴笋，即茎用莴苣，在我国南北各地栽培均较普
遍，同时在日本、美国也有少量栽培 [ 1 ]。其鲜汁可以
舒张血管，减少全血黏度和血流阻力，降低动脉血压
扩张支气管，促进消化和吸收，还有明显的利尿作用[2-4]。
莴笋极易褐变而影响品质，在加工过程中为尽可能保持
鲜绿色泽，有必要对其进行一定的预处理。烫漂是蔬
菜加工预处理中普通使用的一种方法，它通过水浴加热
以钝化酶的活性，从而抑制酶促褐变的发生并破坏微生
物细胞以稳定品质。在莴笋体内，与酶促褐变有关的
主要是过氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)[5]，一般认
为，果蔬中抗热性最强的酶为 POD[6]，因此本研究选择
POD酶活性作为判断莴笋体内酶失活的标准。
数学模型的构建已广泛应用于食品加工领域，为生
产实践提供了很好的理论依据和技术指导。近年来，国
外已开始研究果蔬烫漂中质构、色泽变化及酶失活的动
力学模型[ 7 -8 ]，有效地优化了烫漂工艺，并预防过度烫
漂对果蔬品质造成的不良影响，而国内着重于探讨烫漂
工艺优化及对果蔬品质的影响[9-11]。鉴于烫漂预处理对
239※生物工程 食品科学 2011, Vol. 32, No. 17
保持果蔬后续加工品质的有效贡献，亟须对此进行深入
研究。至今，国内在针对莴笋体内酶失活动力学特性
建立相应模型方面尚未见报道。本实验通过数学模型对
莴笋烫漂处理中 POD失活的动力学特性进行拟合，回归
分析对比选出较优的模型，并以 VC含量作为品质评价
指标，将其应用于特定时间、温度条件下 POD 酶活力
的预测。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
挑选市售颜色、大小、形状均匀的新鲜无损莴笋，
清洗刨去纤维表皮，切成直径(30± 1)mm，厚(5± 1)mm
的圆柱形片状。
磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、愈创木酚、过氧化氢
等均为分析纯。
1.2 仪器与设备
HH-6数显电热恒温水浴锅 国华电器有限公司；
UV-2550紫外 -可见分光光度计 日本 Shimadzu公司；
3K30高速冷冻离心机 德国 Sigma公司；POLYTRON
PT 2100型匀浆机 瑞士Kinematica公司；AF-10制冰
机 美国 Scotsman公司；水分活度仪 瑞士Novasina
公 司。
1.3 烫漂处理
选取 5个温度条件(75、80、85、90、95℃)于恒
温水浴锅(± 0.5℃)中烫漂，样、液质量比 1:7，时间分
别为 1、2、3、4、5、6 m i n，烫漂结束后立即取出
置于冰水中降温 5min，沥干表面水分后再进行下一步实
验。每组实验重复 3 次。
1.4 指标检测
1.4.1 水分含量
按照GB/T 5009.3— 2003《食品中水分的测定》中
方法进行测定。
1.4.2 水分活度
用水分活度测定仪测定。
1.4.3 VC含量的测定
采用 2,6-二氯酚滴定法[12]，每个处理重复测定 3次，
取平均值，并按式(1)计算 VC的保存率(C)。
烫漂后原料中的VC含量 /(mg/100g)
C/%=——————————————————×100 (1)

初始原料中的VC含量 /(mg/100g)
1.4.4 POD酶活力测定
酶液提取：样品切碎混匀后取 10g，立即加入适量
4℃预冷的磷酸盐缓冲液(0.05mol/L，pH7.0)均质成浆，
于 15000r/min离心 10min，上清液移入 25mL容量瓶中，
沉淀用5mL磷酸盐缓冲液(0.05mol/L，pH7.0)再提取2次，
合并上清液于容量瓶中，定容至刻度，低温贮存备用。
酶活力测定反应体系：0.2mL粗酶提取液+2mL 0.1%
愈创木酚 +0.8mL 0.15%H2O2。以等体积缓冲液代替粗酶
提取液作为空白，测 2min内波长 470nm处吸光度随时
间的动力学变化曲线，扫描时间间隔为 10s。以每分钟
A470nm变化 0.01为 1个过氧化物酶活力单位(U)。
ΔA470nm×VT
过氧化物酶活力 /(U/g)= ————————— (2)

m×VS×0.001× t
式中：ΔA 470nm为反应时间内吸光度的变化；m 为
样品质量 /g；t为反应时间 /min；VT为提取酶液总体积 /
mL；V s为测定时取用酶液体积 /mL。
每个实验重复测 3次取平均值，新鲜莴笋的初始酶
活力由 10 株样品测得。
1.5 数据处理
用Excel2007和Origin8.0对实验数据进行分析处理。
2 结果与分析
2.1 莴笋的理化指标
新鲜莴笋的水分含量(95.67± 0.89)%，水分活度
0.927± 0.009，VC含量(5.123± 0.006)mg/100g，初始
POD酶活力为(510 ± 15) U/g。
2.2 动力学模型
在计算酶失活动力学模型参数时，采用以下两个
模型分析莴笋在烫漂过程中 POD酶失活的动力学变化
特 性 。
2.2.1 一级动力学模型
一级动力学模型[13]假设某一化学键破坏足以导致酶
的失活，它是目前酶失活动力学特性研究中最常用的
模 型 。
dPt
———=－k(T)Ptm (3)
dt
dPt
———=－k(T)dt (4)
Ptm
式中：m 代表反应级数，当 m =1 时为一级动力学
模型方程，经积分变换可得：

Pt
———=e-k(T)t (5)

P0
式中：Pt为 t时刻的POD酶活力；P0为初始的 POD
酶活力；t为烫漂时间 /min；k(T)为 T温度条件下的速率常
数 /min -1；T为烫漂温度 /K。
温度对反应速率的影响集中反映在对速率常数(k)的影
响上，其具体表现为Ea，由Arrhenius经验公式(6)可得[14]。
2011, Vol. 32, No. 17 食品科学 ※生物工程240
表 2 莴笋烫漂过程 POD失活 Weibull分布模型参数
Table 2 Kinetic parameters of Weibull distribution model for POD
inactivation due to blanching
温度 /℃ b/min-n n 决定系数(R2) 卡方(χ2)
75.0± 0.5 0.084 1.022 0.9977 0.0024
80.0± 0.5 0.098 1.257 0.9967 0.0024
85.0± 0.5 0.184 1.572 0.9970 0.0013
90.0± 0.5 0.300 1.892 0.9986 0.0005
95.0± 0.5 0.591 1.429 0.9970 0.0008

Ea 1 1
k(T)=krefexp[－—(——－——)] (6)

R T Tref
即

Ea 1 1
lnk(T)=lnkref－——(—－——) (7)

R T Tref
式中：Tref为参考温度(选择实验的平均温度 85℃)/K；
kref为参考温度条件下的速率常数 /min-1；Ea为反应活化
能 /(kJ/mol)；R为气体常数，8.314× 10-3kJ/(mol·K)；
T 为烫漂温度 /K。
Ea可从 lnk (T )与 1/T作图所得回归线的斜率中求出。
将公式(6)代入公式(5)中，温度参数即可加入到模型的预
测中。
2.2.2 Weibull分布模型
Weibull分布模型[15]公式如下：
Pt
——=exp(－b(T)tn(T)) (8)
P0
式中：Pt为 t时刻的 POD酶活力；P0为初始的 POD
酶活力；t为烫漂时间 /min；b (T )及 n ( T)是和温度有关的
参数。
该公式是Weibull分布模型的积分形式，已成功应
用于一些食品中品质败坏的过程中。n (T )决定 ln—对 t的
曲线形状，通常有 3 种形状：上凹 ( n ( T )＜ 1 )、下凹
(n (T )＞ 1) 和线性(n (T )=1)，n(T)值随处理条件的变化而改
变。此外，b(T)和 T的关系可通过 Log-Logistic模型即公
式(9)表示，它并不像Arrhenius经验公式那样将酶失活
动力学过程中复杂的酶分子假设成简单的化学分子。
b(T)=ln{1+exp[k(T－Tc)]} (9)
式中：Tc为酶失活变剧烈的转折温度；k为相应的
速率常数；T 为烫漂温度 / K。
2.3 POD失活特性
在 5个实验温度条件下以残留 POD活力(Pt/P0)对时
间(t)作图，并分别用一级动力学模型和Weibull分布模
型对莴笋烫漂过程 POD失活情况进行拟合。由图 1、2
可知，起始阶段酶活力快速下降，且下降速度随时间
延长逐渐变缓直至为零。起始阶段代表酶不耐热部分失
活，最终平缓阶段代表酶耐热部分失活，而中间部分
则认为是一个过渡区域，尤其表现为不同耐热性的同工
酶之间的相互作用。此外，酶活性受烫漂的温度和时
间影响十分显著，随处理温度的升高、时间延长，酶
蛋白快速变性发生失活，并以 85℃为分界线，酶在大
于此温度条件下的失活变剧烈。实验结果表明，75℃
条件下烫漂 6min POD酶活力仍有 55%残留，而 95℃条
件下烫漂 4min POD酶则完全失活。
两个模型相关参数的计算结果见表 1、2。一级动
力学模型中Ea值为124.35kJ/mol (R2=0.9681)，Bifani等[16]在
70～95℃条件下对青豆热烫处理中测得的 Ea=99.1kJ/mol，
而Anthon等[17]在研究土豆中 POD失活动力学时测得的
Ea=478kJ/mol，几乎是本实验所测值的 4倍。究其缘由，
不同来源的 POD在分子结构上存在差异，因此它们在热
失活的机制上不完全相同，从而影响了活化能值。
Weibull分布模型中 n＞ 1表明了 ln—对 t的曲线向下凹。
温度 /℃ k/min-1 决定系数(R2) 卡方(χ2) Ea/(kJ/mol)
75.0± 0.5 0.084 0.9980 0.0015
80.0± 0.5 0.136 0.9933 0.0041
85.0± 0.5 0.352 0.9801 0.0073 124.35
90.0± 0.5 0.580 0.9673 0.0090
95.0± 0.5 0.753 0.9880 0.0027
表 1 莴笋烫漂过程 POD 失活一级动力学模型参数
Table 1 Kinetic parameters of first-order kinetic model for POD
inactivation due to blanching
P0
Pt
图 1 一级动力学模型下烫漂处理对莴笋中 POD 酶活的影响
Fig.1 Effect of blanching treatment under the first-order kinetic model
on POD activity of asparagus lettuce
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
75℃
80℃
85℃
P
t/P
0
时间 /min
0 1 2 3 4 5 6
90℃
95℃
一级动力学模型
90%酶失活水平线
P0
P0
Pt
图 2 Weibull分布模型下烫漂处理对莴笋中 POD酶活的影响
Fig.2 Effect of blanching treatment under Weibull distribution model
on POD activity of asparagus lettuce
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
P
t/P
0
时间 /min
0 1 2 3 4 5 6
90℃
95℃
Weibull模型
90%酶失活水平线
75℃
80℃
85℃
241※生物工程 食品科学 2011, Vol. 32, No. 17
2.4 模型拟合度的评价
为了评估模型拟合度的高低，引入决定系数(R2)和
卡方(χ2)来判断拟合度，R 2 越接近于 1，χ2 越小，说
明拟合度越好，计算公式[ 1 8 ]如下：
Σ(Pi－Pmi)2
χ2=—————— (10)

N－ n
式中：P i和 Pmi分别为实验值和模拟值；N 为实验
点的总数；m 为自变量的个数；n 为常数的个数。
由图 1、2拟合曲线可以得出，两个模型的拟合效
果均表现良好。对比表 1 和表 2，χ2 相差不大，一级
动力学模型的决定系数 R 2 较W e i b u l l 分布模型小，
Weibull分布模型中 R2均大于 0.9900，表明此模型能解
释 99%以上实验数据的变异性。为进一步对比这两个模
型的拟合效果，将实验值与模型预测值的差值分布进行
比较，结果见图 3～6。从Weibull模型的分布可以看
出，预测值十分接近于实验值(图 5)，残差值的散点分
布图在零值线周围浮动很小(图 6)，仅± 0.1，远小于一
级动力学模型的± 0.3。因此可以得出，Weibull分布模
型对莴笋烫漂过程中 POD失活特性的拟合效果较好。由
于一级动力学模型实际上是Weibull分布模型中的一种特
殊情况(即 n(T)=1)，且该模型的假设忽略了酶本身结构的
复杂性，而Weibull分布模型通过 Log-Logistic模型以
及变量 n (T )进行完善，从而解释了Weibull分布模型的
拟合度较高。
图 3 一级动力学模型实验值和预测值的分布图
Fig.3 Distribution of actual and predicted values from first-order
kinetic model
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
P
/P
0
实
验
值
P/P0一级动力学模型预测值
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
图 4 一级动力学模型残差值和预测值的分布图
Fig.4 Distribution of residual and predicted values from first-order
kinetic model
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
－ 0.1
－ 0.2
－ 0.3
－ 0.4
－ 0.5
P
/P
0
残
差
值
P/P0一级动力学模型预测值
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
图 5 Weibull分布模型实验值和预测值的分布图
Fig.5 Distribution of actual and predicted values from Weibull
distribution model
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
P
/P
0
实
验
值
P/P0 Weibull模型预测值
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
图 6 Weibull分布模型残差值和预测值的分布图
Fig.6 Distribution of residual and predicted values from Weibull
distribution model
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
－ 0.1
－ 0.2
－ 0.3
－ 0.4
－ 0.5
P
/P
0
残
差
值
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
P/P0 Weibull模型预测值
Gonζalves等[7]在70～95℃条件下研究南瓜烫漂过程
中 POD 失活，发现其符合一级动力学模型，且决定系
数 R2＞ 0.9700。而Rudra等[19]在 70～100℃条件下研究
薄荷叶的热处理过程中 POD失活特性时，通过比较 8个
模型最终得出Weibull分布模型最适合，其决定系数R2＞
0.9800。可见由于原料本身的性质差异，以及不同的处
理方法都会造成酶蛋白发生复杂变化，导致它们适用的
数学模型不同。
2.5 模型应用
有研究表明[20]，蔬菜的烫漂最终保留一些酶活性反
而使蔬菜的品质更好，若使酶完全钝化意味着热处理过
度。通常情况下，将酶失活达到 90%的程度作为可接受
水平。根据Weibull分布模型，可预测此条件下的不同
时间 -温度组合，结果见图 1、2中的虚线及表 3。图 1、
2中，虚线和拟合曲线交点的横坐标值即 90%酶失活条件
下的烫漂时间，温度越高所需要的时间越短，且在 85℃
条件时需要的时间骤然缩短。由表 3可知，75℃条件下
烫漂处理灭活 90%的 POD需要 25.52min，而 95℃仅需
2.59min。该模型应用于实际预测中可以有效地估计烫漂
的终点，从而减少烫漂过度对莴笋品质造成的损坏。
n
i=1
表 3 POD 失活达到 90%条件下的不同烫漂条件及 VC含量
Table 3 Blanching conditions for 90% POD inactivation in asparagus
lettuce and corresponding vitamin C contents
温度 /℃ 时间 /min VC含量 /%
75.0± 0.5 25.52 58.95
80.0± 0.5 12.31 61.85
85.0± 0.5 4.99 73.29
90.0± 0.5 2.94 77.33
95.0± 0.5 2.59 72.18
2011, Vol. 32, No. 17 食品科学 ※生物工程242
2.6 VC的损失
VC受热不稳定，加热会促进果蔬中 VC 的有氧氧
化，随加热温度的升高以及时间的延长，VC 的氧化速
度也逐渐加快，且 VC易溶于水，烫漂过程中易从切面
流失。虽然烫漂本身导致 VC发生损失，但是它又是食
品中保存维生素的一种方法。从表 3 VC含量可知，尽
管不同条件下都达到了同样的酶失活水平，然而莴笋的
VC含量差别很大。85℃以上烫漂处理后的 VC 损失较
少，而 85℃以下时需要的烫漂时间较长，导致水溶性
的 VC 从莴笋体内流失较多。
3 结 论
通过对比两个数学模型得出Weibull分布模型更适
用于 75～95℃条件下莴笋烫漂过程中 POD的失活特性，
其决定系数 R2均大于 0.9900，χ2均小于 0.0024。在商
业可接受 90%酶失活水平条件下，Weibull分布模型预
测得出在本实验的 5个温度条件下相应的时间，75℃条
件下需要 25.52min，而 95℃仅需 2.59min，此外高温短
时烫漂后的 VC损失较少。随着烫漂过程中酶失活模型
的不断深入研究，优化模型算法的日益完善，数学模
型在烫漂过程中的应用将越来越广泛，并且发挥巨大的
指导作用。
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