張 敏,楊 樂(lè),談向東,萬(wàn)金慶,趙惠忠,鐘志友

(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306;2.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

果實(shí)采后熱激處理是一種正在廣泛研究而且較新的貯前預(yù)處理方法.它具有無(wú)菌、無(wú)殘留、無(wú)污染等特點(diǎn),是一種頗具前景的貯前處理手段.采用熱處理時(shí)首先要考慮不能降低產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)生熱傷害,適當(dāng)?shù)臏囟群蜁r(shí)間的熱處理可保持果實(shí)的硬度,減緩冷害,抑制軟化和采后的腐爛[1].目前,有研究人員研究了熱激處理對(duì)果實(shí)生理及品質(zhì)的影響、熱激處理對(duì)果實(shí)溫度耐受力的影響等,認(rèn)為其可能與熱激蛋白的合成有關(guān)[2,3].

果實(shí)的熱導(dǎo)率標(biāo)志著熱擴(kuò)散過(guò)程的能量傳遞速率,果實(shí)的熱導(dǎo)率越大,則過(guò)程傳遞的熱量越大[4].在相同條件下熱導(dǎo)率低的果實(shí),其自身保溫效果要優(yōu)于熱導(dǎo)率高的果實(shí),也更能抵御外界的低溫逆境[5].經(jīng)熱激處理的果實(shí)可明顯提高組織的抗冷害能力[6].目前還未見(jiàn)熱激處理對(duì)果實(shí)的熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響的報(bào)道.為此,本研究采用熱物理學(xué)的測(cè)試方法,初步探討了熱激處理對(duì)蘋果果實(shí)組織熱導(dǎo)率的影響,旨在研究果實(shí)熱物性與其某些生理現(xiàn)象之間的相互關(guān)系并為果蔬抗逆性機(jī)理的研究和果蔬貯藏業(yè)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及處理

本試驗(yàn)供試蘋果品種“首紅”.選擇成熟、果實(shí)飽滿、色澤接近、無(wú)病蟲(chóng)害、無(wú)機(jī)械損傷,直徑為(90±6)mm的蘋果,共計(jì) 30個(gè),隨機(jī)分成 2組,每組 15個(gè),熱激處理組置于(38±0.5)℃,相對(duì)濕度85% ～90%的恒溫恒濕箱中處理 72 h,然后用0.05 mm厚的聚乙烯薄膜包裝貯藏于(3.0±0.5)℃,相對(duì)濕度 85%～90%的恒溫恒濕箱中冷藏.對(duì)照組置于(20.0±0.5)℃(常溫),相對(duì)濕度85%～90%的恒溫恒濕箱中處理 72 h,然后冷藏處理方法同熱處理組.果實(shí)運(yùn)回的當(dāng)天即開(kāi)始試驗(yàn),于第 15天對(duì)每個(gè)蘋果果實(shí)熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試.

1.2 測(cè)試系統(tǒng)及方法

1.2.1 測(cè)試系統(tǒng) 本試驗(yàn)采用微熱探針測(cè)量熱導(dǎo)率系統(tǒng),其測(cè)試原理圖如圖 1所示.

圖1 測(cè)試原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement system

微熱探針?lè)y(cè)試系統(tǒng)是基于線熱源法瞬態(tài)模型[7,8],采用熱探針中預(yù)設(shè)的熱敏電阻絲作為加熱元件和測(cè)溫元件,通過(guò)微機(jī)控制對(duì)插入待測(cè)樣品中的熱探針施加一恒定電壓,探針內(nèi)部銅絲首先受熱升溫,外部不銹鋼套管和待測(cè)樣品也隨著升溫,熱量向外傳遞,從而導(dǎo)致銅絲的溫度變化,依據(jù)銅電阻與溫度之間存在線性關(guān)系的特性,銅絲的電阻也隨之發(fā)生變化,從而引起平衡電路的電壓發(fā)生變化,測(cè)試平衡電路中輸出一微弱電壓差信號(hào),經(jīng)數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)放大轉(zhuǎn)換后,輸入計(jì)算機(jī)處理,得到電壓差隨時(shí)間對(duì)數(shù)變化的斜率,來(lái)求得被測(cè)量樣品的熱導(dǎo)率,其測(cè)量關(guān)系為

式中:λm為待測(cè)樣品的熱導(dǎo)率,W? m-1?K-1;為 探針的儀器常數(shù),Ω? m-1?K-1? s-1;L為銅絲長(zhǎng)度,m;R0為 0℃時(shí)的銅絲的電阻,Ω;α0為 0℃時(shí)的銅絲溫度系數(shù);ΔV為電路輸出電壓差,V;t為加熱時(shí)間,s;U為輸入電壓,V;Rb為探針的初始電阻,Ω.

采用微熱探針?lè)y(cè)試生物材料的熱導(dǎo)率具有所需樣品材料體積小、測(cè)量時(shí)間短、測(cè)量時(shí)材料受影響的區(qū)域小、環(huán)境的熱擾動(dòng)影響小、測(cè)試精度高、可以在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn).

1.2.2 測(cè)試方法 測(cè)試方法參照文獻(xiàn)[9].首先對(duì)熱探針進(jìn)行標(biāo)定,將熱探針直接插入標(biāo)準(zhǔn)樣品(選用分析純丙三醇),由測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的輸出電壓信號(hào) ΔV以及加熱時(shí)間 t輸入計(jì)算機(jī),繪出 ΔV-ln t曲線,取線性段擬合進(jìn)行回歸分析,按相關(guān)度最大的原則,求出斜率 d(ΔV)/d(ln t),重復(fù) 6次,求其平均值,將其值和穩(wěn)壓電源提供的電壓值 U以及熱探針的初始電阻值 Rb代入測(cè)量關(guān)系式(1)中,得到儀器常數(shù) C值;然后,根據(jù)得到的儀器常數(shù) C的值,按上述步驟由式(1)求得 3～40℃純水的熱導(dǎo)率測(cè)試值,并與文獻(xiàn)值進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證測(cè)量裝置的精度;最后將熱探針沿恒溫恒濕箱中的待測(cè)蘋果果實(shí)直徑最大部位垂直插入距表面 2 mm深度以下,穩(wěn)定 30 min后進(jìn)行測(cè)試,根據(jù)熱探針儀器常數(shù)值求出熱激處理組和對(duì)照組蘋果果實(shí)組織在 3℃下的熱導(dǎo)率.每組試驗(yàn)材料同一條件下平行測(cè)試 3次,取平均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 探針的標(biāo)定

選用分析純丙三醇作為探針儀器常數(shù)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)樣品,是由于丙三醇具有粘度大,且在 3～40℃范圍內(nèi)熱導(dǎo)率變化小的特點(diǎn).表 1列出了丙三醇在 3～40℃范圍內(nèi)熱導(dǎo)率文獻(xiàn)值[10];表 2是探針在 20℃條件下,進(jìn)行儀器常數(shù)標(biāo)定的具體試驗(yàn)數(shù)據(jù);表 3是在 3～40℃溫度范圍內(nèi)探針的標(biāo)定儀器常數(shù)值.

表1 丙三醇熱導(dǎo)率文獻(xiàn)值Table1 Reference values of thermal conductivity of Glycerin

從表 2可以看出,在相同溫度下,6次測(cè)試丙三醇的探針儀器常數(shù)平均值為 0.035 3Ω? m-1?K-1? s-1,最大相對(duì)偏差為 0.76%,而在 3～40℃不同溫度條件下,測(cè)試丙三醇得到的探針儀器常數(shù)值接近于固定值,變化不大,本試驗(yàn)中熱探針的儀器常數(shù) C=0.035 3Ω? m-1?K-1? s-1,相對(duì)偏差為 0.28%,在實(shí)際測(cè)量中可忽略不計(jì)(表 3),由此該探針裝置具有較好的可重復(fù)性和測(cè)量精度.

2.2 純水的熱導(dǎo)率測(cè)試

表2 探針 20℃標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table2 Experimental demarcation data of probe at 20℃

表3 探針不同溫度下的儀器常數(shù)Table3 Apparatus constant of probe at different temperature

在測(cè)試蘋果果實(shí)組織熱導(dǎo)率之前,選取已知熱導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)探針標(biāo)定所得到的儀器常數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn).由于所測(cè)蘋果樣品組織含水率高,故選用純水(美國(guó) Millipore公司,電阻率為 18.4 MΩ?cm,電導(dǎo)率為 0.055μs?cm-1)作為標(biāo)定儀器的檢驗(yàn)物質(zhì),對(duì)置于恒溫箱中分別控制在 3,7,10,20,30,40℃條件下的純水的熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試,每種溫度下分別測(cè)試 3次,取平均值.將實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)推薦值[10]相比較,其測(cè)量結(jié)果如表 4所示.測(cè)量的最大誤差為 1.11%,平均誤差為0.72%,由此可以看出,該裝置能應(yīng)用于實(shí)際樣品的測(cè)試.

表4 純水熱導(dǎo)率測(cè)試值與文獻(xiàn)值的比較Table4 Comparison of measured and reference values of pure water

2.3 熱激處理對(duì)蘋果果實(shí)組織熱導(dǎo)率的影響

通過(guò)上述標(biāo)定檢驗(yàn)后的測(cè)試裝置,對(duì) 2組蘋果果實(shí)組織的熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果如圖 2所示.其中 1個(gè)組是 15個(gè)經(jīng)過(guò) 38℃熱激處理后的蘋果果實(shí),另外1個(gè)組是 15個(gè)常溫 20℃未經(jīng)熱激處理的對(duì)照組果實(shí),每組熱導(dǎo)率測(cè)試值是經(jīng)過(guò) 3次測(cè)試的平均值.熱激處理的蘋果果實(shí)熱導(dǎo)率均小于對(duì)照組果實(shí)的熱導(dǎo)率(圖 2).對(duì)照組的熱導(dǎo)率平均值為0.373 W? m-1?K-1,熱激處理的蘋果熱導(dǎo)率平均值為0.330 W? m-1?K-1,比對(duì)照組下降 11%.說(shuō)明蘋果經(jīng)適當(dāng)?shù)臒峒ぬ幚砗罂梢越档推錈釋?dǎo)率,因此在低溫冷藏過(guò)程中有利于保持自身體溫,從而提高果實(shí)對(duì)低溫的自我保護(hù)能力.

圖2 熱激處理與對(duì)照組熱導(dǎo)率的變化Fig.2 Thermal conductivities between heat shock treatment group and normal group

3 結(jié)論

本研究采用微熱探針測(cè)量熱導(dǎo)率系統(tǒng)對(duì)熱激處理蘋果果實(shí)組織與未經(jīng)熱激處理蘋果果實(shí)組織的熱導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)試.試驗(yàn)結(jié)果表明,熱激處理的蘋果熱導(dǎo)率平均值為 0.330 W?m-1?K-1,未經(jīng)熱激處理對(duì)照組的熱導(dǎo)率平均值為 0.373 W?m-1?K-1,經(jīng)熱激處理的蘋果果實(shí)熱導(dǎo)率小于對(duì)照組果實(shí)的熱導(dǎo)率,下降 11%.在冷藏過(guò)程中,由于其熱導(dǎo)率較低,自體熱量向外散發(fā)相對(duì)較慢,對(duì)外界環(huán)境溫度的變化的響應(yīng)在時(shí)間上出現(xiàn)較長(zhǎng)的滯后現(xiàn)象,即在相同條件下熱導(dǎo)率低的果實(shí),其自身保溫效果要優(yōu)于熱導(dǎo)率高的果實(shí),從而可減輕冷害的發(fā)生.

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