采后果蔬熱處理?xiàng)l件的傳熱特性分析

丁玉先，張娜*，陳愛強(qiáng)

1(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌，330013)2(華東交通大學(xué) 土木工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江西 南昌，330013) 3(天津商業(yè)大學(xué)，天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300134)

采后熱水處理作為一種無(wú)毒、無(wú)農(nóng)殘、安全的保鮮方法，一直受到領(lǐng)域內(nèi)頗多關(guān)注。大量國(guó)內(nèi)外研究表明，熱水處理在提高果蔬貯藏品質(zhì)方面效果顯著，蘋果經(jīng)50～52 ℃熱水處理3 min能有效降低貯藏過(guò)程中的腐爛率[1]，因熱處理引起的熱休克誘導(dǎo)了抗菌反應(yīng)，有效抑制了病菌活性，同時(shí)刺激果實(shí)防御反應(yīng)[2]。ZHANG等[3]研究發(fā)現(xiàn)55 ℃熱水處理芒果10 min可保持較高的聚半乳糖醛酸酶以及較低的果膠甲酯酶活性，提高貨架品質(zhì)?！癉ahshan”黃瓜經(jīng)55 ℃熱水處理后，貯藏期內(nèi)無(wú)腐爛現(xiàn)象[4]，硬度、顏色等指標(biāo)均高于對(duì)照[5]，維持了細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的完整性。WU等[6]認(rèn)為45 ℃熱水處理能顯著抑制“巨豐”葡萄采后冷害、失重率及軟化情況，因?yàn)榇蠖鄶?shù)蛋白的上調(diào)與防御反應(yīng)和氧化還原代謝有關(guān)，對(duì)環(huán)境脅迫產(chǎn)生了生理適應(yīng)性?！坝镭S”草莓經(jīng)44 ℃熱水浸泡20 min后可保持較高的色澤和硬度，減少糖和可滴定酸的損失。50 ℃、5 min的熱水處理對(duì)抑制柑橘呼吸強(qiáng)度，提高多酚氧化酶、過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶等酶活性方面效果同樣顯著[7]。

從傳熱角度出發(fā)，熱水處理過(guò)程的實(shí)質(zhì)是能量從高溫介質(zhì)不斷傳遞至低溫果蔬組織內(nèi)部的過(guò)程，研究果蔬傳熱過(guò)程對(duì)于探索其產(chǎn)生保鮮效果的機(jī)理具有一定意義，目前熱處理方面的研究多側(cè)重于不同時(shí)間及溫度對(duì)不同果蔬產(chǎn)生的生理或品質(zhì)影響，而在傳熱方面的研究較少。CHEN等[8]認(rèn)為不同類型果蔬，其內(nèi)部溫度的分布和最佳的處理時(shí)間是影響處理效果的關(guān)鍵因素，并對(duì)傳熱過(guò)程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)模擬值與實(shí)測(cè)值間的均方根誤差低于8%，從而驗(yàn)證了模擬的可靠性。同時(shí)熱水是一種比熱空氣更有效的加熱介質(zhì)[9]。為更全面的從傳熱角度探索熱處理產(chǎn)生保鮮效果的內(nèi)在因素，本文針對(duì)蘋果梨、草莓、黃瓜、葡萄、芒果、臍橙6種果蔬，運(yùn)用Fluent模擬軟件對(duì)熱水處理過(guò)程進(jìn)行傳熱模擬。取單位時(shí)間內(nèi)溫度變化量(℃/min)作為傳熱速率，傳熱速率變化表征著果實(shí)和傳熱介質(zhì)熱量的交換程度，通過(guò)模擬得到不同時(shí)刻果肉中心溫度變化速率及組織溫度分布圖，探究不同果蔬熱激條件與傳熱特性之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法及模型

1.1 模型精度驗(yàn)證裝置

運(yùn)用“先鋒”櫻桃熱水處理過(guò)程驗(yàn)證傳熱模型的可靠性。驗(yàn)證裝置如圖1所示：T型熱電偶，天津中環(huán)溫度儀器有限公司，精度±0.1 ℃；JULABO恒溫水槽，上海歡奧科技有限公司；GP10無(wú)紙溫度記錄儀，蘇州洋嘉電子有限公司。

圖1 模型精度驗(yàn)證裝置

1.2 物理模型簡(jiǎn)化

根據(jù)6種果實(shí)實(shí)物基本外形建立模型(圖2)，并認(rèn)為果實(shí)組織按均勻同質(zhì)處理，熱物性采用當(dāng)量熱物性參數(shù)計(jì)算；果實(shí)組織物性僅受溫度影響；熱處理不改變果實(shí)主要成分組成，不考慮細(xì)胞組織骨架可能發(fā)生的形變；忽略表面水分蒸發(fā)對(duì)果實(shí)溫度的影響；熱量傳遞只在沿果實(shí)徑向的一維方向進(jìn)行[9]。

a-蘋果梨;b-芒果;c-臍橙;d-草莓;e-葡萄;f-黃瓜

1.3 數(shù)學(xué)模型建立

熱水處理過(guò)程中，熱量通常以對(duì)流的形式從加熱介質(zhì)傳至果實(shí)表面，對(duì)流傳熱系數(shù)可由公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：d，果實(shí)直徑，m；Nu，無(wú)量綱努塞爾系數(shù)；u，加熱介質(zhì)流速，m/s；vf,介質(zhì)運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；kf,介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。其導(dǎo)熱基本控制方程如公式(2)所示：

(2)

式中：k，果實(shí)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；t，加熱時(shí)間，s；Cp，果實(shí)比熱容，J/(kg·℃)；T，果實(shí)加熱時(shí)的瞬態(tài)溫度,℃；Q，果實(shí)內(nèi)熱源，W/m3；ρ，果實(shí)密度，kg/m3；x、y分別為果實(shí)二維幾何截面內(nèi)的橫縱坐標(biāo)，m。

在20～55 ℃溫差范圍內(nèi)，果蔬物性受溫度影響不大，Cp、k和ρ可視為定值，加熱過(guò)程中，無(wú)內(nèi)熱源，果實(shí)呼吸作用較小也可忽略，因此Q=0。公式(2)可轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)系下的二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程[17]。

(3)

式中：α為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

1.4 果蔬熱處理?xiàng)l件、模型尺寸及熱物性參數(shù)

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研[2,6,10-20]得到上述6種果蔬的熱水處理?xiàng)l件，熱特性參數(shù)作為輸入模型所必須的材料屬性，參數(shù)見表1，物理模型尺寸如圖2所示。

1.5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

在Gambit中建立幾何模型及網(wǎng)格劃分，以蘋果梨(45 ℃、30 min)傳熱為例，進(jìn)行網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算結(jié)果無(wú)關(guān)性的驗(yàn)證。計(jì)算區(qū)域采用二維四邊形網(wǎng)格，圖3為蘋果梨在不同網(wǎng)格數(shù)量下，中心溫度隨時(shí)間變化情況，通過(guò)3種不同網(wǎng)格間隔(0.003、0.001及0.000 5)分別得到不同網(wǎng)格數(shù)(480、4 450及17 380)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)較疏與較密網(wǎng)格間溫度最大相差0.19 K，認(rèn)為該模型可用于本文的模擬研究。

表1 熱處理介質(zhì)熱物性參數(shù)及熱激條件

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 傳熱模型精度驗(yàn)證

42 ℃熱水浸泡櫻桃10 min，用T型熱電偶對(duì)靠近櫻桃果核邊緣處果肉進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測(cè)量，每個(gè)測(cè)量3次取平均值，由圖4可知,整體看實(shí)測(cè)值與模擬值變化趨勢(shì)相似，均方根誤差為7.8%，可以認(rèn)為該模型精度相對(duì)準(zhǔn)確。

圖4 櫻桃熱水處理模擬值與實(shí)驗(yàn)值

2.2 果蔬熱激傳熱特性研究

2.2.1 中心傳熱速率模擬分析

果心溫度傳熱速率(υ)變化如圖5所示，總體來(lái)看，υ均先升后降，熱激溫度相近的處理組間傳熱效果基本一致。同一品種，同一時(shí)刻，υ隨著溫度的增加而上升，這是由于果心初溫一定時(shí)，表面溫度越高，對(duì)溫度的反應(yīng)迅速，一定時(shí)間內(nèi)傳熱越快。某些種類間，曲線特征相似，如臍橙和蘋果梨，在15～20 min時(shí)達(dá)到峰值，110 min后開始趨于水平，芒果和黃瓜于10～15 min達(dá)到峰值，70 min后趨于水平。

各種類間分別達(dá)到峰值和水平的時(shí)間各不相同，牛露[21]認(rèn)為果實(shí)特征尺寸對(duì)果心溫度變化影響較大，因此在模擬或?qū)嶒?yàn)時(shí)，應(yīng)將果實(shí)進(jìn)行尺寸等級(jí)分類。由傳熱學(xué)可知，傅里葉數(shù)Fo與時(shí)間、熱擴(kuò)散系數(shù)α及特征尺寸有關(guān)，該值越大，熱擾動(dòng)越能深入果實(shí)內(nèi)部，但不同果蔬種類間所述參數(shù)不同，果心達(dá)到加熱介質(zhì)的時(shí)間也存在差別，如45 ℃時(shí)，蘋果梨υ趨近水平的時(shí)間約為黃瓜的1.3倍，由圖1可知，蘋果梨特征尺寸大于黃瓜，但兩者α相近，反之，蘋果梨和臍橙尺寸相近，α相差較大，但υ水平時(shí)間段一致，因此熱處理?xiàng)l件和果實(shí)外形特征緊密相關(guān)，這和黃智等[9]認(rèn)為傳熱速率主要受果實(shí)大小和形狀影響的結(jié)論相似。

a-蘋果梨;b-芒果;c-草莓;d-臍橙;e-黃瓜;f-葡萄；圖中圓圈為已知跳出處

2.2.2 果蔬種類與傳熱特性對(duì)保鮮效果的影響

對(duì)采后果蔬進(jìn)行熱處理可使其產(chǎn)生熱激蛋白(heat shock protein,HSP)，一種使植物機(jī)體蛋白免遭損害及修復(fù)損傷的蛋白質(zhì)，從而增強(qiáng)植物細(xì)胞的耐熱性，延長(zhǎng)果實(shí)貯藏期。果實(shí)耐貯性和自身生理特性(如產(chǎn)地、呼吸強(qiáng)度、蒸騰作用等)及物理特性(如果徑、皮厚等)有關(guān)。綜合分析得知，蘋果梨和臍橙相比于其他果蔬，耐貯性最高，黃瓜、芒果次之，草莓和葡萄最低。尹海蛟等[22]將黃瓜熱激處理過(guò)程劃分為“發(fā)生區(qū)”(υ上升)、“過(guò)渡區(qū)”(υ下降)及“平衡區(qū)”(υ基本為0)，當(dāng)處理?xiàng)l件使其處于“過(guò)渡區(qū)”時(shí)，能量交換較為充分，可提高果實(shí)內(nèi)部某些生理指標(biāo)，有利于果蔬貯藏。

一般來(lái)說(shuō)，果實(shí)高溫?zé)峒?～5 min時(shí)，HSP的信使核糖核酸(mRNA)合成量迅速增加，如圖5可知，蘋果梨、臍橙耐貯藏性最強(qiáng)，在已知條件位于υ上升期(蘋果梨0～0.7；臍橙0～0.55)，此時(shí)和介質(zhì)能量交換較少，實(shí)驗(yàn)證明蘋果梨在該范圍內(nèi)(如45 ℃、10 min)，其PAL、POD或PPO等酶活性得到顯著提升，同時(shí)抑制果實(shí)病斑直徑的擴(kuò)展[10-11]；40 ℃、20 min或50 ℃、5 min的熱水浸泡可有效降低臍橙冷害發(fā)生率[7]，因此對(duì)于該類貯藏性較強(qiáng)的果實(shí)，自身的生理優(yōu)勢(shì)配合短時(shí)熱處理，其誘導(dǎo)的HSP指標(biāo)同樣能較好的維持后期保鮮品質(zhì)。黃瓜和芒果耐貯性一般，熱處理?xiàng)l件處于傳熱速率υ下降區(qū)(芒果2.7～0.5；黃瓜1.1～0.3)，此時(shí)能量交換比較充分，該范圍內(nèi)可維持果實(shí)貯藏期良好的硬度及細(xì)胞膜通透性[13-14,19-20]。但草莓和葡萄處理?xiàng)l件處于υ接近水平(草莓0.3～0；葡萄1～0)，該范圍內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)草莓經(jīng)44 ℃、20 min熱水處理后，呼吸速率明顯降低，防腐抑菌效果增強(qiáng)[15-16]；葡萄經(jīng)55 ℃、3 min或6 min熱水浸泡可有效抑制Vc含量的下降，同時(shí)維持較高的POD、CAT和SOD等酶活性[17-18]。這是由于該類果蔬貯藏性極低，熱處理必須使得介質(zhì)能量交換完全，強(qiáng)化傳熱效果，為后期貯藏保鮮提供更多有利條件。

2.2.3 傳熱特性與熱傷害分析

各處理?xiàng)l件下果蔬組織溫度分布如圖6所示，橫坐標(biāo)“果徑”代表以果實(shí)質(zhì)心處水平方向長(zhǎng)度。不同熱處理過(guò)程所取得的效果存在明顯差異，若處理不當(dāng)可能使得保鮮效果不明顯或產(chǎn)生不可逆熱傷害，實(shí)驗(yàn)用熱水浴處理櫻桃，發(fā)現(xiàn)在低溫下延長(zhǎng)處理時(shí)間，果實(shí)易產(chǎn)生點(diǎn)蝕和凹陷，高溫下易發(fā)生莖褐變[23]。

熱處理后，靠近果實(shí)表面的溫度變化明顯大于中心處，這是由于果心處對(duì)溫度具有滯后性，且“高溫長(zhǎng)時(shí)”和“低溫長(zhǎng)時(shí)”傳熱效果顯著優(yōu)于其他處理方案，但存在一定缺陷，如前文所述，某些耐貯性低的果蔬，建議使其υ接近平衡狀態(tài)，但此時(shí)果實(shí)容易進(jìn)入“平衡逆境狀態(tài)”，該區(qū)域內(nèi)能量交換基本停止[22]，水分子通過(guò)微孔進(jìn)入果實(shí)細(xì)胞，容易發(fā)生漲破，降低自身防御體系[24]，因此必須考慮時(shí)間閾值，避免細(xì)胞損傷。草莓中心和表皮處最大相差1 ℃左右，該條件避免了熱傷害，同時(shí)傳熱效果理想。葡萄曲線基本持平，6 min時(shí)，兩端溫度相差0.3 ℃，此時(shí)雖保證了處理效果，但容易產(chǎn)生熱傷害，因此不建議再繼續(xù)延長(zhǎng)處理時(shí)間。熱處理后蘋果梨和臍橙果皮和中心處溫度最大相差30 ℃，芒果、黃瓜最大相差分別為22 ℃、4 ℃，可忽略熱傷問(wèn)題。

a-蘋果梨;b-芒果;c-草莓;d-臍橙;e-黃瓜;f-葡萄

3 結(jié)論

熱處理能有效提升采后果蔬貯藏品質(zhì)，但溫度-時(shí)間是關(guān)鍵性因素，本文對(duì)已知熱激條件的果蔬品種進(jìn)行傳熱模擬，從傳熱學(xué)角度對(duì)其他果蔬品種的熱處理?xiàng)l件預(yù)測(cè)提供了一種新的思路，得出以下結(jié)論：

(1)果蔬熱處理傳熱速率主要受尺寸大小和形狀因素影響，因此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或模擬時(shí)，應(yīng)對(duì)果實(shí)進(jìn)行尺寸等級(jí)分類，節(jié)省處理時(shí)間。

(2)不同果蔬在不同條件下，溫度傳熱效果截然不同，這和自身生理或物理特征關(guān)系密切，應(yīng)根據(jù)該品種各方面特征以及傳熱特性確定熱激條件。生理優(yōu)勢(shì)較大，耐貯的種類，使其果心傳熱速率處于上升階段，貯藏性一般或較差，傳熱速率需下降或趨于水平，使果肉和傳熱介質(zhì)能量交換較為充分，為貯藏期保鮮提供更多有利條件。

(3)“高溫長(zhǎng)時(shí)”和“低溫長(zhǎng)時(shí)”傳熱效果優(yōu)于其他處理，但溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)均會(huì)產(chǎn)生不可逆熱傷害，因此在進(jìn)行某品種的熱處理?xiàng)l件預(yù)測(cè)時(shí)，可采用“低溫長(zhǎng)時(shí)”方案，結(jié)合數(shù)值計(jì)算方法確定時(shí)間閾值，若采用高溫處理，建議進(jìn)行是否產(chǎn)生熱傷害的預(yù)實(shí)驗(yàn)。