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用酶动力学拟合在密闭条件下香菇呼吸速率方程及米氏方程一

2021-08-18 来源:海南农业机械网

用酶动力学拟合在密闭条件下香菇呼吸速率方程及米氏方程(一)

摘要:本研究对香菇在273K、283K和293K条件下密闭容器中的氧气和二氧化碳随时间浓度变化进行了测定,通过酶动力学原理和利用非线性估计法、多重回归分析分别获得气体成分的变化率曲线和米式方程,从而获得相应参数,求得反映呼吸状态的呼吸熵动态变化规律以及温度影响参数—活化能,这样就可以求出在任意温度、有氧呼吸气体环境条件下果蔬的最大呼吸速率,为气调包装系统设计提供必要依据。

关键词:酶动力学原理 非线性估计法 多重回归法 米氏方程 呼吸熵 活化能 香菇Lentinas edodes (Berk)sing,又叫香菌、冬菇,属白蘑(口蘑)科香菇属,为食用菌类蔬菜,在蔬菜中属于呼吸强度较大的一类品种。植物活体的呼吸总方程式为:

植物体贮藏环境中氧气以及二氧化碳含量直接影响到植物体的新陈代谢,呼吸速度越快消耗体内的糖分等物质就越多,鲜度下降就越快。植物的有氧呼吸涵盖了一系列的酶催化反应,其中包括葡萄糖酵解到丙酮然后通过三羧酸(TCA)循环获得产物CO2[1]。因此,有效的气调包装能抑制香菇的呼吸速率及新陈代谢作用,延缓衰老达到保鲜的效果。呼吸强度是设计气调包装方案的重要指标参数,影响呼吸强度的因素有许多,如温度、湿度、二氧化碳浓度、氧气浓度和时间等。这些参数将为包装膜透气率的计算和选择提供理论基础。本研究延承了Lee et al.(1991)[2]的三维参数模型—时间(t)、氧气浓度(O2%)和二氧化碳浓度(CO2%)浓度之间的相互关系,建立酶动力学方程即Michaelis-Menten方程,同时考虑三种参数影响,得到香菇呼吸模型,为气调包装参数的选择提供理论基础[3]。

1 材料与方法

1.1 材料

香菇采购于上海杨浦区渭南路农贸市场,选取菇型圆整、菇柄正中、不开伞,卷边整齐,无病斑的香菇为实验材料,并进行清洗、沥干处理,实验前将香菇在预设的三种温度(293K、283K和273K)下贮藏5个小时直至达到实验所需温度。

1.2 仪器

103层析仪[色谱柱为:Porapak-Q柱(60~80目)+13X(60~80目):上海仪器厂

1.3 主要实验方法

1.3.1 密闭实验设置 实验通过初始条件即O2:21%;CO2:0.0%,将一定质量的香菇放于一定体积的玻璃容器中,瓶底装入干燥剂(一定量的硅胶和CaCl2(s))以控制体系湿度,因为湿度会影响到贮藏样品的水分活度,水分活度的大小直接影响到生物体代谢快慢,这就会对体系氧气和二氧化碳的浓度变化有较大影响[4]。其次,将瓶口用橡皮塞和真空封泥密封后(橡皮塞上有一φ8mm的小孔,用φ15mm×5的硅胶垫密封),置于一定的水浴或冰浴中待温度恒定,然后每隔0.5-1.0小时用注射器量取0.5mL气体成分注入层析仪进行检测,平行检测两次,同时记录下O2、CO2对应检测的峰高,计算出对应体系中的百分含量。

层析仪中参数设置为载气:99.995%N2;流速15mL/min;柱温:40℃;检测器:TCD,温度:80℃;进样温度:40℃;定量方法:外标法。每组实验的设置见表1:

表1 香菇呼吸密闭体系环境设置

温度(K)273283293香菇质量(g)180.9295281.6容器体积(L)122空隙体(L)1.220.890.75处理条件冰浴恒温水浴恒温水浴

1.3.2 密闭容器中的呼吸速率方程的拟定 由于各类蔬菜的品种和个体差异较大,呼吸环境中氧气、二氧化碳浓度随时间的变化也千差万别,所以历来文献都没有参照统一的方程来描述气体浓度随时间的变化。依据米氏方程的Lineveaver-burk曲线图可知呼吸化学方程在初始阶段反应速度维持恒定即呈线性,但随着时间的增长,曲线的斜率变化速度减少,反应速度趋向一恒定值,因此,

简单的直线方程并不能真正地表达浓度与时间的关系,气体浓度随时间变化的曲线呈弧线形,并无限趋近一定值,将所有的参变量(rO2,rCO2)和应变量([O2],[CO2])同时表示成时间(t)的函数,通过上述推论以及结合STATISTICS软件中的非线形估计法[5](Nonlinear Estimation),选取损失函数(L)值最小(损失函数(L)=(观察值(OBS)-预测值(PRED))2 ),复相关系数(Multiple R)接近于1的公式作为反映不同温度下香菇在密闭容器中气体浓度与时间的关系式:

[1]

[2]

其中,氧气和二氧化碳的浓度([O2],[CO2])以百分数%表示,时间t以小时(hr)计算。因此,根据式[1]、[2]可以得出d[O2]/dt以及d[CO2]/dt:

[3]

[4]

则呼吸速率为:

[5]

[6]

式中,r—呼吸速率(氧气的消耗率或二氧化碳的产生率)(mg/kg﹒hr);

MO2/CO2—氧气或二氧化碳的摩尔质量(g/mol);

V—空隙体积,L;

W—密闭体系中香菇的重量,g;

P—体系压强(Pa);

R—理想气体常数(8.314J/mol﹒K);

T—开氏温度(K)。

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