鮮食葡萄SO2氣體精準熏蒸保鮮控制系統(tǒng)設(shè)計

魏 佳，張 政，趙芳芳，陳 燕，張 健，吳 斌

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鮮食葡萄SO2氣體精準熏蒸保鮮控制系統(tǒng)設(shè)計

魏 佳，張 政，趙芳芳，陳 燕，張 健，吳 斌※

（新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所，烏魯木齊 830091）

鮮食葡萄商業(yè)化貯藏保鮮主要采用二氧化硫（SO2）熏蒸方式處理，但保鮮產(chǎn)品釋放SO2不均勻，熏蒸殺菌不完全，易產(chǎn)生漂白斑點和藥害積累等問題。為了精準控制熏蒸過程中SO2濃度變化，減少SO2在葡萄果實中的殘留積累，該文采用SO2氣體濃度控制裝置、熏蒸裝置和氣體回收裝置相結(jié)合的形式，設(shè)計了一套SO2熏蒸葡萄裝置的控制設(shè)備，在可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）有序控制下，通過組態(tài)王軟件（Kingview 6.55）實現(xiàn)SO2熏蒸濃度、熏蒸溫、濕度及壓力的實時監(jiān)測。在對木納格葡萄進行短時SO2熏蒸處理的過程中，熏蒸系統(tǒng)能夠精確控制SO2濃度和壓強，并使殘留SO2氣體回收率達99%以上。熏蒸裝置可以精準控制SO2熏蒸濃度，當熏蒸濃度為3 000L/L，時間為10 min，壓強為0.05 MPa時，熏蒸裝置能夠有效抑制木納格葡萄果梗褐變指數(shù)、果實腐爛率、失質(zhì)量率、落粒率及漂白指數(shù)的增加，維持果實的硬度，保持了木納格葡萄果實的品質(zhì)，降低了果實中SO2的殘留，同時可進行SO2殘留氣體回收，提升了熏蒸裝置的使用安全性和鮮食葡萄的食用安全性，該研究結(jié)果可為鮮食葡萄儲藏提供參考。

熏蒸；貯藏；品質(zhì)控制

0 引 言

二氧化硫（SO2）在鮮食葡萄貯運保鮮中是一種最有效的氣體殺菌劑[1]，對葡萄的致病真菌有強烈的抑制作用，可以抑制氧化酶活性，防止果梗氧化褐變和微生物侵染，保持葡萄的貯藏品質(zhì)[2]。自上世紀20年代起，人們利用燃燒硫磺所釋放SO2氣體熏蒸葡萄，可減少在運輸過程中葡萄的腐爛、落粒及果梗褐變[3]，缺點是SO2濃度無法精準控制，SO2過量會產(chǎn)生葡萄果皮產(chǎn)生漂白、果實出現(xiàn)異味等現(xiàn)象，降低葡萄的商品價值和食用安全性，至今還沒有更好的技術(shù)能替代SO2保鮮鮮食葡萄。目前，國內(nèi)外主要采用大帳熏蒸[4]和SO2葡萄保鮮產(chǎn)品結(jié)合的方式[5]，由于保鮮產(chǎn)品使用劑量沒有統(tǒng)一標準或參考標準，一般是依據(jù)農(nóng)戶經(jīng)驗或收購商的要求，常出現(xiàn)劑量過高，導致貯藏中后期SO2釋放速度加快，對靠近保鮮劑的葡萄造成明顯的藥害[6]。同時，在帳子熏蒸葡萄的過程中SO2氣體可能逸出，從而對操作人員產(chǎn)生一定的傷害，對環(huán)境造成污染。鮮食葡萄貯藏保鮮產(chǎn)業(yè)急需SO2精準熏蒸自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測和精準定量SO2氣體濃度并回收過量氣體，以減少人為對氣體濃度的操控引起的SO2過量超標給人體健康帶來的危害及其對環(huán)境的污染，為鮮食葡萄貯藏保鮮產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

農(nóng)產(chǎn)品采后貯藏保鮮領(lǐng)域常用到的熏蒸氣體，除SO2氣體外，還有溴甲烷（CH3Br）、二氧化氯（ClO2）、臭氧（O3）和硫化氫（H2S）等氣體[7-10]，為了精準控制使用和食品安全性需要，需對農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮領(lǐng)域常用到的氣體濃度進行有效的監(jiān)測控制。已有研究基于可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）對污水中H2S濃度進行了監(jiān)測，通過組態(tài)王實現(xiàn)上位機人機界面，并提供了過程監(jiān)測試驗平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集和處理，實時監(jiān)控等功能[11]。但缺少氣體濃度自動精準控制裝置及H2S回收裝置。通過精準控制O3熏蒸濃度提高了樹莓的貯藏品質(zhì)，雖能夠精準控制溫濕度及O3濃度，但未涉及O3濃度實時在線監(jiān)測及精準控制[12]。目前，國內(nèi)外對鮮食葡萄進行精準控制熏蒸濃度監(jiān)測及回收系統(tǒng)的研究報道較少，因此，本文以木納格葡萄為試驗材料，利用西門子S7-200PLC可編程控制器對SO2氣體熏蒸裝置進行了模擬控制試驗，采用PLC與組態(tài)軟件相結(jié)合的方式，設(shè)計了一套SO2熏蒸葡萄保鮮自動控制系統(tǒng)，應(yīng)用于鮮食葡萄熏蒸保鮮試驗的自動監(jiān)測，通過該系統(tǒng)實現(xiàn)對SO2熏蒸裝置中的熏蒸濃度、壓力及溫濕度的監(jiān)測及控制。系統(tǒng)具有試驗數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析處理、實時顯示、歷史數(shù)據(jù)的查詢及報警、保存、打印等功能。該系統(tǒng)完成了精準熏蒸，實現(xiàn)了無人化熏蒸保鮮，提高了鮮食葡萄采后品質(zhì)和食用安全性。

1 熏蒸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程

1.1 熏蒸系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要包括通氣電磁閥、SO2濃度傳感器、溫濕度變送器、壓力傳感器、西門子PLC 200可編程控制器、PC機、堿液吸收裝置、N2緩沖罐、可推式氣體熏蒸罐和SO2標準氣體罐（質(zhì)量分數(shù)≥99.99%）等?？梢苿邮綒怏w熏蒸罐、堿液吸收裝置均由有機玻璃加工制成。按照功能可分為SO2濃度控制裝置、葡萄保鮮熏蒸裝置、SO2處理裝置和控制裝置4部分。

其工作流程是：工作時，SO2標準氣體罐與N2緩沖罐相連，用以稀釋SO2濃度。SO2濃度傳感器將電流信號傳遞給西門子PLC 200，通過計量器以精確SO2濃度值，PLC與PC機相連以隨時監(jiān)測SO2濃度；同時，熏蒸罐①～⑥號內(nèi)的壓強反饋到PC界面上，PLC實時可控制調(diào)溫器與加濕器，調(diào)節(jié)罐內(nèi)溫濕度，以確保滿足熏蒸條件。

1. SO2標準罐 2. N2緩沖罐 3-8. SO2熏蒸罐①-⑥ 9. 回收罐 10. 出氣管 11. 進氣管 12. PLC 13.電腦 14. SO2濃度傳感器 15. 壓力變送器 16. 溫濕度變送器 17. 出氣閥 18. 排氣泵 19. 計量器 20. 加濕器 21. 調(diào)溫器

1.2 熏蒸系統(tǒng)硬件組成

1.2.1 硬件組成

控制系統(tǒng)采用西門子系列產(chǎn)品具體型號依據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，輸入、輸出點的數(shù)量，參考精度和經(jīng)濟性2點進行選型[13]。本系統(tǒng)中，以PLC為核心控制器（控制器為西門子S7-200 PLC），PC機作為人機界面（裝有組態(tài)王和step7 microwin軟件的PC機），主要由調(diào)溫器、加濕器、溫濕度傳感器、壓力變送器和電磁閥等組成。

控制量包括23個開關(guān)量和18個模擬量，選擇有2個模擬量Siemens S7-200 224XP CPU，再加上支持模擬量輸入模塊Siemens EM231、Siemens EM235。數(shù)字量輸入模塊EM221、Siemens EM235。輸入接口分配：SO2濃度模擬量，溫濕度模擬量，壓力模擬量；啟動按鈕；停止按鈕；SO2傳感器輸出的SO2濃度單位為ppm，通過計算轉(zhuǎn)換成單位為L/L，各類傳感器輸出的電信號首先輸入模擬量擴展模塊，由模擬量擴展模塊將電信號轉(zhuǎn)換成14位數(shù)字信號，再輸入到PLC中。選用Kingview 6.55軟件作為人機界面，上位機通過PC/PPI電纜與PLC RS-485通信口連接進行實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控[14-19]。根據(jù)SO2熏蒸裝置自動控制的需求，采用S7-200 PLC以解決葡萄熏蒸保鮮控制精準度低、氣體殘留和二次污染等問題[20]，得到系統(tǒng)硬件配置如表1所示。

表1 試驗裝置控制系統(tǒng)硬件配置

1.2.2 SO2濃度控制裝置

SO2濃度控制裝置由SO2標準氣體罐、通氣電磁閥、N2緩沖罐、計量器和SO2濃度傳感器組成，如圖2所示。

SO2標準氣體罐容積為3 L，頂部連接通氣電磁閥和調(diào)節(jié)閥，用于通入N2緩沖罐中以稀釋SO2濃度，緩沖罐中裝有SO2濃度傳感器，通過上位機調(diào)節(jié)開關(guān)閥可控制SO2的濃度，計量器可精準定量SO2濃度，系統(tǒng)即可實現(xiàn)自動計算，并將計算值送入軟件程序?qū)崿F(xiàn)量化控制。此裝置的設(shè)計減少SO2氣體的泄露（見圖2）。參數(shù)設(shè)計結(jié)果如表2。

圖2 SO2熏蒸裝置圖

表2 SO2濃度控制裝置技術(shù)參數(shù)表

1.2.3 SO2熏蒸裝置

SO2熏蒸裝置由熏蒸設(shè)備、可推式桿、循環(huán)風扇、SO2傳感器、溫濕度變送器和壓力變送器組成，如圖2所示。

熏蒸設(shè)備的體積為25 L。聚四氟乙烯管（避免SO2腐蝕電磁閥）與N2緩沖罐的電磁閥開關(guān)連接，以控制不同的SO2熏蒸濃度進入熏蒸設(shè)備中，頂部外側(cè)安裝一個壓力變送器、中間外側(cè)安裝SO2濃度傳感器和溫濕度變送器各一個，以便監(jiān)測SO2的濃度變化，內(nèi)側(cè)有一風扇及2層放葡萄的轉(zhuǎn)盤。通過風扇使SO2均勻布滿熏蒸罐中，SO2的濃度為傳感器監(jiān)測熏蒸箱中的濃度，當SO2濃度出現(xiàn)衰減未達到指定濃度時，傳感器控制電磁閥打開及時進行SO2的補給，共有熏蒸罐6個，此圖省去2～5罐，參數(shù)設(shè)計結(jié)果如表3所示。

1.2.4 SO2回收裝置

本試驗中采用堿液吸收裝置（5% NaOH吸收液）可使SO2轉(zhuǎn)化成硫酸根離子，即SO2氣體的回收裝置，該裝置為有機玻璃堿液集中槽，殘留SO2直接通入堿液吸收槽中，通過堿液中和避免了試驗完成時殘留SO2氣體的揮發(fā)，污染空氣，結(jié)構(gòu)參見圖2。

表3 SO2熏蒸裝置技術(shù)參數(shù)表

1.2.5 監(jiān)測控制裝置

監(jiān)測控制單元包括PLC、模擬量模塊、數(shù)字量模塊、風機和PC機組成。

PLC通過模擬量模塊對多個傳感器電信號進行采集；產(chǎn)生的電信號通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后根據(jù)傳感器特性對數(shù)據(jù)進行傳感器系數(shù)換算[21-22]。然后根據(jù)各個傳感器子程序（傳感器系數(shù)換算成相應(yīng)的SO2濃度、溫濕度、壓力）轉(zhuǎn)換的數(shù)值通過顯示電路顯示在PC機上，并且對數(shù)據(jù)進行存儲，同時根據(jù)壓力變化控制風機的啟、停，參數(shù)設(shè)計結(jié)果如表4所示。

表4 SO2監(jiān)測控制裝置技術(shù)參數(shù)

1.3 SO2熏蒸控制系統(tǒng)設(shè)計

1.3.1 系統(tǒng)軟件及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中的控制模塊由PC機、可編程邏輯控制器PLC、PLC數(shù)字輸入、數(shù)字輸出（模塊）、模擬輸入和模擬輸出模塊組成控制中心。系統(tǒng)中的信號模塊由濃度傳感器、溫濕度變送器和壓力變送器構(gòu)成，提供4～20 mA的模擬信號，實時采集罐內(nèi)SO2濃度、溫濕度、壓力，PLC數(shù)字輸入連接調(diào)試/自動旋鈕、進氣/排氣旋鈕等，采集數(shù)字開關(guān)信號；系統(tǒng)中的執(zhí)行模塊由電動閥、加濕器和調(diào)溫器組成，輸出開關(guān)信號控制執(zhí)行元件的啟停。為實現(xiàn)以下目標：實時監(jiān)控記錄濃度、溫濕度和壓力。可通過手動方式和自動方式控制該熏蒸設(shè)備系統(tǒng)。PC機能夠直觀監(jiān)測控制流程，顯示各參數(shù)的實時值和趨勢曲線，及報表輸出和數(shù)據(jù)庫查詢、打印等集中管理功能。減少SO2泄露對人身體的危害及對環(huán)境污染?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1.3.2 控制器系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是PLC控制程序設(shè)計，采用德國西門子公司的S7-200 PLC作為葡萄保鮮熏蒸設(shè)備的核心部件，控制程序設(shè)計是系統(tǒng)功能的實施流程[23-24]，S7-200 PLC通過程序流程圖編寫梯形圖完成邏輯控制，具有可編程性，可靠性高，抗干擾能力強，適用性強，能耗低，維護方便等優(yōu)點。主要包括程序初始化、數(shù)據(jù)采集、輸出控制和數(shù)據(jù)管理等功能。

圖3 SO2熏蒸系統(tǒng)控制、信號和執(zhí)行模塊組成結(jié)構(gòu)圖

1.3.3 上位機界面的設(shè)計

系統(tǒng)上位機動態(tài)畫面由PC機組態(tài)軟件設(shè)計，PC機組態(tài)軟件設(shè)計是系統(tǒng)的人機交互界面，通過Kingview 6.55進行畫面設(shè)計，具有監(jiān)測、打印、數(shù)據(jù)查詢等功能。上位機動態(tài)畫面通過Kingview 6.55進行畫面的監(jiān)控設(shè)計，主要用于數(shù)據(jù)的收集顯示、歷史數(shù)據(jù)的查詢以及系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化控制[25-26]。上位機監(jiān)控主界面如圖4示，包括設(shè)備運行情況動態(tài)圖、執(zhí)行狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示，具有翻頁功能。通過畫面切換按鈕進入查看監(jiān)控SO2濃度、罐內(nèi)溫濕度、罐內(nèi)壓力實時數(shù)據(jù)曲線、歷史數(shù)據(jù)曲線、報表數(shù)據(jù)查詢、修改時間參數(shù)、查看設(shè)備信息、修改其他參數(shù)的頁面、報警信息的瀏覽和數(shù)據(jù)庫查詢，通過打印按鈕可進行數(shù)據(jù)的輸出。

圖4 上位機動態(tài)界面

1.3.4 SO2熏蒸裝置的動態(tài)模擬

1）PLC與組態(tài)軟件

上位機通過PC/PPI電纜與PLCRS-485通信口連接進行數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)交換[27]，通過組態(tài)軟件讀取PLC 224XP的數(shù)據(jù)。通過串口通信方式，即使用S7-200系列PLC上的PC/PPI編程口，將西門子標準編程電纜或者使用標準RS-485電纜連接到計算機串口上。PC/PPI是西門子S7-200系列點對點通信協(xié)議，PLC與上位機連接可通過上位機監(jiān)控SO2熏蒸濃度的動態(tài)變化。監(jiān)控程序流程圖如圖5所示。

2）組態(tài)王與數(shù)據(jù)庫交換信息

組態(tài)王SQL訪問功能是為了實現(xiàn)組態(tài)王和其他ODBC數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交換，以便數(shù)據(jù)的隨時查看、拷貝[28]。它包括組態(tài)王SQL訪問管理器和SQL函數(shù)。SQL訪問管理器用來建立數(shù)據(jù)庫列和組態(tài)王變量之間的聯(lián)系，包括表格模板和記錄體2部分。通過表格模板在數(shù)據(jù)庫表中建立表格；通過記錄體建立數(shù)據(jù)庫表格列和組態(tài)王之間的聯(lián)系，允許組態(tài)王通過記錄體直接操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。SQL函數(shù)可以在組態(tài)王的任意一種命令語言中調(diào)用，這些函數(shù)允許用戶選擇、修改、插人、刪除數(shù)據(jù)庫表中的歷史記錄。本系統(tǒng)通過Microsoft SQL Server 2003與PC機的ODBC數(shù)據(jù)庫進行連接作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲數(shù)據(jù)庫[29]。

圖5 監(jiān)控程序流程圖

2 材料與方法

2.1 試驗設(shè)計

2017年6月在新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所熏蒸裝備室對該裝置進行了監(jiān)控試驗和貯藏試驗，測試了熏蒸設(shè)備中SO2熏蒸濃度、熏蒸時間、熏蒸壓強及溫濕度的實際值與理論值的差值。通過分析木納格葡萄果梗褐變指數(shù)、腐爛率、失質(zhì)量率、落粒率、硬度、漂白指數(shù)標等相關(guān)指標，篩選適宜于木納格葡萄貯藏保鮮的SO2熏蒸濃度、時間和壓強。

2.2 試驗方法

2.2.1 樣品處理

木納格葡萄于2017年9月29日上午采摘于新疆阿圖什，挑選果梗嫩綠、成熟度一致（可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)≥18%）、果粉均勻、外觀無機械傷的新鮮葡萄，修剪裝箱后即時運回新疆農(nóng)業(yè)科院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所實驗冷庫，在（0±0.5）℃預(yù)冷24 h。

當木納格葡萄果心溫度降到0℃左右時，試供材料隨機分組，裝入內(nèi)襯吸水紙的打孔PE盒中，每盒質(zhì)量為600.00 g，置于氣體熏蒸箱中，采用（1 000、2 000、3 000、4 000、5 000L/L SO2）標準氣體熏蒸不同的時間（2、4、6、8、10、12 min），并控制熏蒸壓強為（常壓、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 MPa），分別用1～5序列數(shù)表示其試驗次數(shù)。以不注入SO2作為空白對照果。熏蒸結(jié)束后通過電磁閥開度進行SO2堿液吸收處理，果實放置于（0±0.5）℃、相對濕度90%～95%條件下的冷庫中貯藏90 d，觀察表觀變化，每隔10 d進行測定果梗褐變相關(guān)指標，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù)。

2.2.2 SO2熏蒸濃度、熏蒸壓強及溫濕度的測定方法

SO2濃度與熏蒸壓強相對誤差計算公式如式（1）~（2）。

式中為SO2濃度相對誤差，為注入熏蒸箱內(nèi)的理論體積濃度值，L/L；為熏蒸箱內(nèi)實際監(jiān)測體積濃度，L/L。熏蒸壓強相對誤差，為實際設(shè)置的壓強值，MPa；為系統(tǒng)監(jiān)測壓強值, MPa。觀察溫濕度在10 min內(nèi)的變化，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2.3 指標測定方法

果梗褐變是影響葡萄表觀品質(zhì)的重要因素之一,其計算參考式（3）。

果梗褐變級別為：0級，果梗、穗軸部位均沒有褐變；1級，果?；蛩胼S部位出現(xiàn)褐變現(xiàn)象，但面積不超過總面積的1/4；2級，果梗或穗軸部位出現(xiàn)褐變現(xiàn)象，且面積占總面積的1/4～1/2；3級，果?；蛩胼S部位出現(xiàn)褐變現(xiàn)象，且面積占總面積的1/2～3/4；4級，果梗穗軸部位褐變面積超過3/4或全部褐變。

果實腐爛率、失質(zhì)量率和落粒率均采用差質(zhì)量法計算計算式參考式（4）~（6）。

通過觀察果粒表面漂白面積占果粒總表面積的比例來確定漂白指數(shù)計算式如式（7），分級標準：0級，無漂白點；1級，輕微漂白；2級，漂白面積<1/5；3級，1/5，漂白面積<1/4；4級，1/4，漂白面積<1/3；5級，漂白面積<1/3。

果實硬度采用GY-4型硬度計測定。測定探頭直徑為5 mm，測定10粒果實，重復3次，取平均值，結(jié)果以N表示。SO2熏蒸裝置放置在葡萄保鮮庫中，保鮮庫溫度控制在0～5℃，濕度控制在90%～95 %。

采用SPSS 19.5進行數(shù)據(jù)方差分析并利用Duncan法進行均值比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同SO2濃度和壓強控制結(jié)果

SO2濃度和壓強控制結(jié)果如表5、表6所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，由緩沖罐注入SO2熏蒸箱內(nèi)的SO2濃度實際值與通過系統(tǒng)監(jiān)測得到的值沒有明顯誤差，最大誤差為0.09%；實際設(shè)置的壓強值與系統(tǒng)監(jiān)測到的壓強值相對誤差最大值為10%，2組誤差都在技術(shù)指標允許范圍內(nèi)。測量誤差產(chǎn)生的主要原因可能與傳感器的接觸靈敏度有關(guān)。

3.2 溫濕度控制結(jié)果及SO2熏蒸裝置性能測試

溫濕度的控制結(jié)果如圖6 a所示。當系統(tǒng)正常運行時，從西門子S7-200 PLC定時器的時間（10 min）內(nèi)的溫濕度變化情況可以看出，10 min內(nèi)熏蒸箱內(nèi)的控溫濕度精確度分別在0～1.5℃和90%～95%之間，說明SO2氣體精準熏蒸葡萄保鮮自動控制系統(tǒng)能夠較好地監(jiān)測熏蒸箱內(nèi)的溫濕度變化。

表5 SO2濃度控制結(jié)果

表6 壓強控制結(jié)果

圖6 SO2熏蒸裝置溫濕度的控制和性能測試結(jié)果

在單因素的基礎(chǔ)上設(shè)定3個SO2濃度，經(jīng)過多次試驗，10 min內(nèi)熏蒸裝置內(nèi)SO2變化情況如圖6b所示。2 000、3 000、4 000L/L SO2分別在設(shè)定后的42、88、200 s時達到設(shè)定的濃度，并在剩余的時間內(nèi)，裝置內(nèi)的SO2濃度在設(shè)定值上下波動，設(shè)定值在2 000、3 000和4 000L/L時，裝置內(nèi)的SO2濃度在設(shè)定值附近波動。

3.3 SO2濃度、熏蒸時間及不同熏蒸壓強對木納格葡萄貯藏品質(zhì)的影響

表7～8分別為熏蒸時間為10 min，熏蒸壓強為0.05 MPa的條件下，SO2濃度為0、1 000、2 000、3 000、4 000、5 000L/L和SO2熏蒸濃度為3 000L/L，熏蒸壓強為0.05 MPa的條件下，熏蒸時間為2、4、6、8、10、12 min及熏蒸時間為10 min，熏蒸濃度為3 000L/L的條件下，壓強為常壓、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 MPa，貯藏至90 d后木納格葡萄外觀、顏色的變化，以果梗褐變指數(shù)、果實腐爛率、失質(zhì)量率、落粒率、硬度及漂白指數(shù)為指標，分析不同的SO2濃度、不同的熏蒸時間、不同的熏蒸壓強對葡萄果實品質(zhì)的影響。由表7可知，在整個貯藏期中，2 000、3 000L/L SO2處理果實的硬度高于其他處理，貯藏至結(jié)束，與其他處理果相比有顯著性差異（<0.05），3 000L/L SO2處理的果梗褐變指數(shù)、果實腐爛率、失質(zhì)量率、落粒率均低于其他處理果，除腐爛率外，與其他處理果存在顯著性差異（<0.05）；由表8可知，貯藏至結(jié)束，除果實腐爛率外，10 min處理果果實失質(zhì)量率、落粒率、果梗褐變指數(shù)均低于其他處理果，且果梗褐變指數(shù)與其他處理果之間存在顯著性差異（<0.05），硬度高于其他處理果，并有顯著性差異（<0.05）；由表9可知，貯藏至90 d時，除果實落粒率外，0.05 MPa處理果果梗褐變指數(shù)、果實腐爛率、失質(zhì)量率均低于對照組，果實硬度高于對照果，且與其他處理組之間有顯著性差異（<0.05）；說明3 000L/L SO2、10 min、0.05 MPa的熏蒸條件能夠較好的抑制木納格葡萄果梗褐變指數(shù)、果實腐爛率、失質(zhì)量率、落粒率和硬度的下降，較好地保持木納格葡萄的外觀品質(zhì)。

表7 不同SO2濃度對木納格葡萄貯藏品質(zhì)的影響

注：同列同一貯藏時間無相同小寫字母表示差異顯著（<0.05）,下同。

Note: Values with different letters are significant different at< 0.05 in the same columns, the same below.

表8 不同熏蒸時間、熏蒸壓強對木納格葡萄貯藏品質(zhì)的影響

3.4 殘留SO2氣體的回收

殘留SO2回收結(jié)果如表9所示，當SO2殘留濃度為542L/L時，回收率為99.8%，當SO2殘留濃度為864L/L時，回收率為99.5%，當SO2殘留濃度為718L/L時，回收率為99.6%，結(jié)果表明，濃度越大SO2殘留越大，但SO2回收率均大于99%，滿足設(shè)計要求。

表9 不同殘留濃度的SO2氣體回收效果

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于PLC的SO2熏蒸保鮮控制系統(tǒng)，在國內(nèi)為二氧化硫氣體精準熏蒸監(jiān)控系統(tǒng)方面的研究提供了技術(shù)支持。該系統(tǒng)對木納格葡萄的熏蒸保鮮進行了應(yīng)用研究，程序設(shè)計采用PLC中最通用的編程方式，降低了使用熏蒸設(shè)備的技術(shù)難度，將SO2熏蒸濃度、溫度、濕度及壓力控制在所需要的范圍內(nèi)，使得試驗精準且便于操作。上位機監(jiān)控系統(tǒng)可以實時反映熏蒸設(shè)備的運行狀態(tài)，提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高了葡萄熏蒸保鮮的效率，節(jié)約了大量的人力物力。由試驗可知，通過對SO2熏蒸箱內(nèi)的溫度（0～1.5℃）、相對濕度（90%～95%）、SO2濃度和壓強的實時監(jiān)測結(jié)果及SO2濃度回收率（>99 %）的測定，結(jié)果表明熏蒸設(shè)備滿足設(shè)計的需求。研究結(jié)果表明在SO2熏蒸濃度為3 000L/L，時間為10 min，壓強為0.05 MPa時，短時高濃度SO2熏蒸處理能夠有效抑制木納格葡萄果梗褐變指數(shù)、果實腐爛率、失質(zhì)量率、落粒率及漂白指數(shù)的增加，維持果實的硬度，較好地保持了木納格葡萄果實的品質(zhì)，延緩果實衰老，降低了果實中SO2的殘留，提高了葡萄果實的食品安全性。本研究的熏蒸裝置及控制系統(tǒng)對鮮食葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)蔚縣具有較好的推動作用和示范應(yīng)用前景。

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Design of sulfur dioxide automatic control fumigation system for table grape preservation

Wei Jia, Zhang Zheng, Zhao Fangfang, Chen Yan, Zhang Jian, Wu Bin※

(830091,)

Sulfur dioxide (SO2) is the most efficient preservative in commercial storage of table grapes and there is no other substitute so far. But several problems have not been solved yet, such as incomplete sterilization to the grapes, formation of bleached spots and accumulation of phytotoxicity due to the inhomogeneous release of SO2. Many studies had been done to decrease the negative effects caused by excessive SO2. In order to achieve the on-line real-time monitoring, the SO2concentration precisely control as well as recover SO2during fumigation process, a SO2fumigation automatic control equipment was designed in this paper. This equipment was composed of three parts: SO2concentration control device, grape fumigation device and lye absorption device. These parts were systematically controlled under programmable logic controller (PLC). The SO2concentration, fumigation temperature, humidity and pressure were all monitored through the Kingview 6.55 software. Multiple functions could be implemented by this software, such as real-time animation display, trend curve drawing, database query, report printing and so forth. The fumigation system was applied to measure the SO2concentration, pressure and recovery of SO2gas during the short-time SO2fumigation to the ‘Munage’ grapes at (0±1) ℃(RH=90%±5 %). The results showed that the error range of SO2concentration was low, the maximum value of pressure deviation was 10 % and the SO2recovery was above 99%. The SO2concentrations of 2 000, 3 000 and 4 000L/L were achieved after 42, 88, and 203 s respectively after they were set the device control precision was 0.09L/L. That meant this equipment and control system were able to meet actual demand. The high-concentration-short-time SO2fumigation technology was also studied in this article. The effects of different concentrations of SO2(0, 1 000, 2 000, 3 000, 4 000 and 5 000L/L), fumigation time (2, 4, 6, 8, 10 and 12 min) and pressure (normal pressure, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06 MPa) on the postharvest quality of the ‘Munage’ grapes were discussed. The optimal SO2fumigation condition was: concentration of SO2was 3 000L/L, fumigation time was 10 min and the pressure was 0.05 MPa. Under this condition, the decline of the firmness was retarded and the browning index, decay rate, weight loss rate, drop rate and bleaching index were all decreased. Therefore, the postharvest quality of ‘Munage’ grapes was better maintained. The results showed that SO2fumigation automatic control equipment could accurately achieve the real-time online monitoring of SO2concentration, fumigation temperature, humidity and pressure at the same time. It could precisely control and quickly achieve the required SO2concentration. The gas recovery device could rapidly absorb the SO2residual which increased the safety of this fumigation equipment and the edible safety of grape was also improved as well. Compared with the untreated grapes, the grapes after high-concentration-short-time SO2fumigation kept better postharvest quality. In general, SO2fumigation automatic control equipment and control system had a potential application on postharvest fumigation of vegetable and fruit, in the meantime this study would provide the technology and equipment support to the grape industry.

fumigation; storage; quality control

2018-04-18

2018-11-16

國家自然科學基金地區(qū)科學基金項目（31560473，31860460）；廣州市科技計劃項目（201604020003）

魏 佳，助理研究員，博士，研究方向為應(yīng)用化學。 E-mail：327645095@qq.com

吳 斌，研究員，博士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程。E-mail：xjuwubin0320@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.032

S379.3；S663.1

A

1002-6819(2019)-01-0260-09

魏 佳，張 政，趙芳芳，陳 燕，張 健，吳 斌.鮮食葡萄SO2氣體精準熏蒸保鮮控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(1)：260－268. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.032 http://www.tcsae.org

Wei Jia, Zhang Zheng, Zhao Fangfang, Chen Yan, Zhang Jian, Wu Bin.Design of sulfur dioxide automatic control fumigation system for table grape preservation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 260－268. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.032 http://www.tcsae.org