船舶果蔬空氣放電保鮮技術(shù)

杜喆華，國(guó)占東，王志鵬

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064;2.海軍××工程辦公室，北京 100841)

0 引言

船舶離港后需要在大海中連續(xù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的航行，航行時(shí)間甚至長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月。這對(duì)船舶綜合保障能力提出了更高的要求，其中船舶上食品保鮮及延長(zhǎng)食品的儲(chǔ)藏期是重要的手段之一。

船舶普遍采用的食品儲(chǔ)存方法為冷藏。冷藏雖然可以延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期，但根據(jù)食品的腐敗變質(zhì)機(jī)理，魚、肉、禽、蛋、果蔬等新鮮食品在存儲(chǔ)時(shí)將受到微生物和酶的作用、食品本身的呼吸作用和氧化作用等綜合影響，食品質(zhì)量會(huì)隨時(shí)間逐漸下降，而冷藏主要是降低食品的呼吸作用、減弱微生物的活性，還不能從食品腐敗變質(zhì)機(jī)理的各方面延緩食品質(zhì)量的下降。部分食品特別是水果和蔬菜的保存期較短，難以滿足整個(gè)航程的需要，主要表現(xiàn)為:① 腐爛變質(zhì);② 失水、風(fēng)干，口感變差;③ 色澤變差、缺少香味［1］。傳統(tǒng)的貯藏方法，果蔬貯藏期僅一星期左右。延長(zhǎng)果蔬的保鮮時(shí)間，使長(zhǎng)期海上作業(yè)的船員能在航行周期內(nèi)吃到新鮮優(yōu)質(zhì)的果蔬，是現(xiàn)代船舶發(fā)展的必然需求。

目前，在果蔬保鮮方面，有很多技術(shù)方法得到了運(yùn)用和推廣，主要采用的保鮮方法有冷卻保鮮、臭氧保鮮、塑帳保鮮和氣調(diào)保鮮等［2］。本文以葡萄為例，研究了1種新的保鮮技術(shù)——空氣放電保鮮技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 貯藏裝置設(shè)計(jì)

將冰柜加工成密封的四格，上設(shè)可以裝卸的有機(jī)玻璃蓋，在蓋上開進(jìn)氣與出氣口，放電產(chǎn)生的氣體由進(jìn)氣口通入，出氣口在通氣時(shí)用來保持密封空間的氣壓平衡，通氣以后將2個(gè)孔封住;每格中間設(shè)置橫梁，底部放少量水以增加柜內(nèi)的濕度。選取果皮無損傷，果肉結(jié)實(shí)飽滿的葡萄串，掛于橫梁上;每串約1000 g。圖如1所示。

圖1 貯藏裝置示意圖Fig.1 The sketch map of storage equipment

供試品種為巨峰葡萄，試驗(yàn)周期為5個(gè)月，實(shí)驗(yàn)葡萄于4℃下預(yù)冷18 h?？諝夥烹娧b置為自制。當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，將放電后氣體通過氣泵吹入密封柜中，流量通過流量計(jì)控制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

空氣放電后將主要產(chǎn)生負(fù)離子和臭氧，臭氧濃度過大會(huì)導(dǎo)致葡萄的生理傷害，根據(jù)文獻(xiàn)資料把通氣的時(shí)間確定為2 min。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為:

系列1組 對(duì)比組;

系列2組 每天以0.4 m3/min氣體速度通氣2 min，柜中初始臭氧濃度約為400 ppm;

系列3組 每天以0.8 m3/min氣體速度通氣2 min，柜中初始臭氧濃度約為200 ppm;

系列4組 隔天以0.8 m3/min氣體速度通氣2 min，柜中初始臭氧濃度約為200 ppm。

通氣結(jié)束后，將進(jìn)氣孔出氣孔密封。調(diào)節(jié)柜內(nèi)溫度在1～2℃。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

整個(gè)貯藏期間共取樣分析測(cè)定若干次，每次取樣品40g，以此為測(cè)定糖度、抗壞血酸、可滴定酸、灰霉葡萄孢霉項(xiàng)目的共同樣源。

1)總可溶性固形物(TSS)含量測(cè)定;

2)可滴定酸含量測(cè)定;

3)維生素C(抗壞血酸)含量測(cè)定;

4)脫粒率(%)=脫粒果重/總果重×100;

5)灰霉葡萄孢霉測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 糖度(可溶性固形物)

可溶性固形物主要包括糖、酸等可溶性物質(zhì)，果蔬可溶性固形物含量的高低，直接反映果蔬品質(zhì)及成熟度，是判斷適時(shí)采收和耐貯的一個(gè)重要指標(biāo)。果實(shí)中糖分的組成與其種類和品種有關(guān)。葡萄以含果糖為主，葡萄糖次之，幾乎不含蔗糖［3］。

圖2 貯藏過程中各組糖度的變化Fig.2 The curve of sugar content changing

如圖2所示，葡萄在貯藏過程中，4個(gè)處理組糖量，隨著貯藏期的延長(zhǎng)，均呈下降趨勢(shì)。處理組4即臭氧濃度相對(duì)較小的1組，糖度的含量相對(duì)于其他組，變化緩慢;組2及組3相對(duì)于對(duì)比組糖度下降得更快，但其相互之間的差異并不明顯。

2.2 有機(jī)酸

水果均含有機(jī)酸，如桔子和檸檬的檸檬酸、蘋果的蘋果酸以及葡萄的酒石酸，這些酸賦予水果酸味，并可緩解細(xì)菌敗壞。果蔬中所含的有機(jī)酸和糖一樣，是果蔬呼吸基質(zhì)之一。在果蔬貯藏中酸的消耗更快，經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間貯藏后，酸味變淡，甚至消失。為保持果蔬原有的品質(zhì)和風(fēng)味，要?jiǎng)?chuàng)造適宜的貯藏條件，延緩酸的分解速度。葡萄貯藏過程中，可滴定酸含量的變化也是衡量其生理過程和保鮮質(zhì)量的指標(biāo)之一［3］。

如圖3所示，葡萄在貯藏過程中，4個(gè)處理可滴定酸含量，隨著貯藏期的延長(zhǎng)，均呈下降趨勢(shì)，差異顯著。入貯時(shí)可滴定酸含量為0.4788%，對(duì)照組1在貯藏92天時(shí)，可滴定酸含量下降到0.4174%;組2，3，4貯藏90天后可滴定酸含量分別下降到0.3392%，0.4737%和0.4489%，處理組2和對(duì)比組1之間差異顯著。使用低濃度臭氧，果肉可滴定酸含量高于對(duì)照組，可能說明低濃度臭氧對(duì)可滴定酸的消耗有一定的延緩作用，也有可能是由于臭氧進(jìn)入漿果內(nèi)部與水結(jié)合，降低了果肉細(xì)胞質(zhì)中的pH值。

圖3 貯藏過程中各組含酸量的變化Fig.3 The curve of organic acids changing

組2的處理加快了可滴定酸的消耗，究其原因，可能是過度的臭氧進(jìn)入組織內(nèi)部，分解為O2，促進(jìn)了呼吸作用，加快了有機(jī)酸的消耗。

2.3 維生素C

維生素C(也稱抗壞血酸)是果蔬中所特有的，它對(duì)維持人體的生理機(jī)能起著重要的作用。維生素C是一類水溶性的活性物質(zhì)，有4種異構(gòu)體，L－抗壞血酸為維生素C的代表，有較強(qiáng)的還原作用，它能維持細(xì)胞的正常代謝，能使果蔬中—些酶分子維持還原狀態(tài)，保護(hù)酶的活性，維持細(xì)胞代謝的平衡。維生素C的含量對(duì)于評(píng)價(jià)果蔬質(zhì)量具有重要意義［3］。

從圖4可看到，葡萄在貯藏過程中，維生素C的含量逐漸降低。入貯時(shí)果實(shí)的維生素C含量為4.382 mg/100g果肉。貯藏90天以后，對(duì)比組的維生素C含量下降到3.001 mg/100g果肉，組2的果實(shí)維生素C含量下降到2.912 mg/100g果肉，是組4中下降幅度最大的1組;從圖4還可以看到，在貯藏前期，放電處理組下降速度比對(duì)比組快，而在后期，則比對(duì)比組慢。

圖4 貯藏過程中各組維生素C含量的變化Fig.4 The curve of vitamin C changing

這說明放電對(duì)葡萄的維生素C有明顯的影響，在前期有可能會(huì)氧化破壞部分維生素C，加速維生素C的消耗，但是在后期能延緩維生素C的消耗;而且低濃度臭氧比高濃度臭氧對(duì)維生素C的影響要小，在貯藏后期可以得到相對(duì)對(duì)比組較好的效果。

2.4 脫粒率

葡萄采摘后果粒脫落是貯藏過程中的常見現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其觀感和食用價(jià)值。葡萄采摘后脫粒主要有4種原因:一是由于果梗組織結(jié)構(gòu)脆弱，容易折斷;二是果刷纖細(xì)易從果粒中脫出，脫粒后果柄端連有果刷;三是由于果梗失水衰老，果粒和果柄之間形成離層而脫落，四是由于微生物侵染、穗梗、果梗腐爛造成的散穗和脫粒［3］。

表1 貯藏過程中各組脫粒率對(duì)比Tab.1 The loss-fruit rate in the storage

可見二號(hào)柜脫粒率最大，分析其原因，可能是過大的臭氧濃度對(duì)果蒂和果刷產(chǎn)生了嚴(yán)重的傷害導(dǎo)致;三號(hào)柜脫粒率略有降低。

2.5 灰霉葡萄孢霉

引起葡萄采摘后貯藏過程中腐爛的常見病原菌有灰霉葡萄孢霉(Botrytiscinerea)、根霉(Rhizopusstolonifer)等。其中灰霉葡萄孢霉引起的灰霉病(graymold disease)是鮮食葡萄的毀滅性病害，因?yàn)樵摼诘蜏貤l件下(－0.5℃)仍能生長(zhǎng)繁殖，而葡萄對(duì)其的抵抗較弱。它也是許多經(jīng)濟(jì)植物的病原體，寄生于茄科、瓜類、甘藍(lán)、菜豆、萵苣、洋蔥、蘋果等植物;侵害多種果實(shí)和其他一些柔軟的器官或幼嫩的枝葉，在葉上引起褐色斑點(diǎn)，在幼嫩器官或果實(shí)上引起腐爛［4］。圖5是灰霉葡萄孢霉生長(zhǎng)曲線。

圖5 各組菌落生長(zhǎng)曲線圖Fig.5 The curve of bacteria colony growth

如圖5所示，在低溫時(shí)，空氣放電的抑菌作用非常明顯。隨著放電后臭氧濃度的增加，細(xì)菌的生長(zhǎng)速率隨之降低，其中400 ppm/每天組的抑菌效果最好，在處理后的第7天，對(duì)比組菌落直徑達(dá)到了90 mm，而400 ppm/d組的菌落直徑僅為38 mm。

2.6 葡萄外觀觀察

在貯藏初期，果實(shí)結(jié)實(shí)而飽滿，果皮無損傷，果柄仍然呈青綠色，只是與果粒相接處已有松動(dòng)現(xiàn)象，可能是在運(yùn)輸過程中受振動(dòng)導(dǎo)致。如圖6所示。

圖6 貯藏初期葡萄外觀Fig.6 Grape appearance of at initial stage storage

處理后45天各柜貯藏情況如圖7～圖10所示(葡萄上的白色亮點(diǎn)為吸附在葡萄上的水珠)。處理后45天，對(duì)比各組，經(jīng)過空氣放電處理的葡萄從外觀上都顯示出比較好的效果。1柜對(duì)比組中，細(xì)菌生長(zhǎng)比較嚴(yán)重，果梗上有大量白毛生長(zhǎng)，已經(jīng)不能看出果梗的顏色;2～4柜果梗仍保持青綠，4柜臭氧濃度較低，果蒂處有少量白毛生長(zhǎng)。可以看出，其中2組的臭氧濃度最大，滅菌效果最好，說明隨著加入臭氧濃度的增大，殺菌的效果增強(qiáng)，放電處理對(duì)葡萄貯藏的外觀有著明顯的效果。

圖7 處理后45天組1葡萄外觀Fig.7 Grape appearance of 45 days after air discharge

3 空氣放電保鮮技術(shù)理論研究

空氣放電的最基本過程是電子在電場(chǎng)中加速引起電離，形成電子崩和電子崩的增殖，通過一系列復(fù)雜的電離和結(jié)合過程，使流經(jīng)放電保鮮機(jī)的空氣源變成具有臭氧、負(fù)離子、臭氧離子、自由基等一系列活性物質(zhì)的新氣體。利用這種混合氣體處理果蔬以取得保鮮的目的。

3.1 臭氧保鮮原理

臭氧在一定的濃度下能與細(xì)菌、病毒產(chǎn)生生物化學(xué)氧化反應(yīng)。臭氧有很高的能量，所以很不穩(wěn)定，在常溫、常壓下分子結(jié)構(gòu)易變，很快自行分解為氧O2和單個(gè)氧原子O。單個(gè)氧具有很強(qiáng)的活性，能氧化分解細(xì)菌內(nèi)部氧化所必須的葡萄糖氧化酶，并直接與細(xì)菌、病毒發(fā)生作用，破壞其細(xì)胞器和核糖核酸，分解DNA、RNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)類和多糖等大分子聚合物，使細(xì)菌的物質(zhì)代謝生長(zhǎng)和繁殖過程遇到破壞［5］。其保鮮作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:① 殺菌作用;②誘導(dǎo)抗病性;③對(duì)有害氣體的降解作用［6］。

3.2 負(fù)離子保鮮原理

空氣放電過程中的負(fù)離子具有較高的活性，有很強(qiáng)的氧化還原作用，能破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜或細(xì)胞原生質(zhì)活性酶的活性，在果蔬保鮮中可以起到抗菌殺菌的目的。負(fù)離子還能中和正電荷，分解內(nèi)源乙烯濃度，純化酶活性，降低呼吸強(qiáng)度，從而減緩營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在貯藏期間的轉(zhuǎn)化。負(fù)離子可抑制水果進(jìn)行代謝過程中的酶的活力，降低水果內(nèi)部具有催熟作用的乙烯的生成量［7］。

3.3 臭氧與負(fù)離子共同作用

低濃度臭氧不能殺菌，但加上負(fù)離子后殺菌能力就有了明顯提高，對(duì)水果也不會(huì)產(chǎn)生不良影響。這就克服了臭氧濃度過低對(duì)貯藏?zé)o明顯效果，濃度過高則對(duì)產(chǎn)品有副作用之間的矛盾［7］。

3.4 高壓脈沖電場(chǎng)保鮮原理

高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)水果可以起到一定的保鮮效果，其原理目前尚在研究。比較經(jīng)典的理論認(rèn)為［8］，高壓電脈沖處理能破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜，改變其通透性。每個(gè)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)外都有一自然電位差，外加電場(chǎng)時(shí)使得這一膜內(nèi)外位差(稱為穿透膜電位，簡(jiǎn)稱TMP)增大。當(dāng)TMP高于－1 V(生物細(xì)胞膜自然電位差)時(shí)，細(xì)胞破裂就發(fā)生了。這種破裂導(dǎo)致了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)紊亂、極的形成和通透性的提高。通透性的改變可能是可逆的，也可能是不可逆的，這主要取決于電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖寬度和脈沖次數(shù)(即處理時(shí)間)。受到電場(chǎng)處理后，細(xì)胞膜等離子體變得有穿透性，水分子滲入導(dǎo)致細(xì)胞膜膨脹，最后細(xì)胞膜破裂。如圖11所示。

圖11 細(xì)胞的失活性機(jī)理Fig.11 The mechanism of cell inactivation

4 結(jié)語

用空氣放電進(jìn)行果蔬保鮮是利用了放電產(chǎn)生的臭氧、負(fù)離子、自由基等活性物質(zhì)，改變果蔬的貯藏環(huán)境，起到殺菌、誘導(dǎo)抗病性、降解有害氣體、誘導(dǎo)果實(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)等作用。經(jīng)過試驗(yàn)證明，放電處理可以延緩貯藏過程中葡萄可滴定酸、抗壞血酸的消耗;對(duì)脫粒率也有一定的降低;低溫下，對(duì)葡萄主要致病病菌生長(zhǎng)的抑制作用非常明顯。

但是，該技術(shù)距離船舶實(shí)際使用還有一定的差距。主要表現(xiàn)在:

1)空氣放電對(duì)各種果蔬的保鮮效果不同，使用濃度不當(dāng)時(shí)還會(huì)引起果蔬表面質(zhì)膜損害，使其透性增大，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)外滲，從而品質(zhì)下降，如果臭氧濃度過大還會(huì)加速果蔬的衰老和腐敗。

2)空氣放電產(chǎn)生的臭氧、各種離子具有強(qiáng)氧化性，如何保證船用環(huán)境條件下各種放電產(chǎn)物的濃度在安全范圍內(nèi)仍需要進(jìn)一步研究。

3)空氣放電保鮮技術(shù)需要可靠的高壓電源，海洋性環(huán)境對(duì)電源提出了更高的要求。

總之，這一新技術(shù)對(duì)以葡萄為代表的果蔬保鮮確實(shí)有良好的效果。一旦機(jī)理和工藝參數(shù)研究成熟，將在船舶果蔬保鮮方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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