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        船舶果蔬空氣放電保鮮技術(shù)

        2011-08-20 08:41:10杜喆華國占東王志鵬
        艦船科學(xué)技術(shù) 2011年8期
        關(guān)鍵詞:臭氧濃度脫粒果蔬

        杜喆華,國占東,王志鵬

        (1.武漢第二船舶設(shè)計研究所,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)行長時間的航行,航行時間甚至長達(dá)幾個月。這對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食品的儲藏期是重要的手段之一。

        船舶普遍采用的食品儲存方法為冷藏。冷藏雖然可以延長食品的保質(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時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)量會隨時間逐漸下降,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。延長果蔬的保鮮時間,使長期海上作業(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 實驗設(shè)計與實驗方法

        1.1 貯藏裝置設(shè)計

        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,出氣口在通氣時用來保持密封空間的氣壓平衡,通氣以后將2個孔封住;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,試驗周期為5個月,實驗葡萄于4℃下預(yù)冷18 h??諝夥烹娧b置為自制。當(dāng)實驗開始時,將放電后氣體通過氣泵吹入密封柜中,流量通過流量計控制。

        1.2 實驗方案設(shè)計

        空氣放電后將主要產(chǎn)生負(fù)離子和臭氧,臭氧濃度過大會導(dǎo)致葡萄的生理傷害,根據(jù)文獻(xiàn)資料把通氣的時間確定為2 min。實驗設(shè)計為:

        系列1組 對比組;

        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 測定項目

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

        1)總可溶性固形物(TSS)含量測定;

        2)可滴定酸含量測定;

        3)維生素C(抗壞血酸)含量測定;

        4)脫粒率(%)=脫粒果重/總果重×100;

        5)灰霉葡萄孢霉測定。

        2 實驗結(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,是判斷適時采收和耐貯的一個重要指標(biāo)。果實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個處理組糖量,隨著貯藏期的延長,均呈下降趨勢。處理組4即臭氧濃度相對較小的1組,糖度的含量相對于其他組,變化緩慢;組2及組3相對于對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)較長時間貯藏后,酸味變淡,甚至消失。為保持果蔬原有的品質(zhì)和風(fēng)味,要創(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個處理可滴定酸含量,隨著貯藏期的延長,均呈下降趨勢,差異顯著。入貯時可滴定酸含量為0.4788%,對照組1在貯藏92天時,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照組,可能說明低濃度臭氧對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的含量對于評價果蔬質(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。入貯時果實的維生素C含量為4.382 mg/100g果肉。貯藏90天以后,對比組的維生素C含量下降到3.001 mg/100g果肉,組2的果實維生素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比組快,而在后期,則比對比組慢。

        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

        這說明放電對葡萄的維生素C有明顯的影響,在前期有可能會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維生素C的影響要小,在貯藏后期可以得到相對對比組較好的效果。

        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比Tab.1 The loss-fruit rate in the storage

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

        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,因為該菌在低溫條件下(-0.5℃)仍能生長繁殖,而葡萄對其的抵抗較弱。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,在幼嫩器官或果實上引起腐爛[4]。圖5是灰霉葡萄孢霉生長曲線。

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

        如圖5所示,在低溫時,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,果實結(jié)實而飽滿,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現(xiàn)象,可能是在運輸過程中受振動導(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(葡萄上的白色亮點為吸附在葡萄上的水珠)。處理后45天,對比各組,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柜對比組中,細(xì)菌生長比較嚴(yán)重,果梗上有大量白毛生長,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??梢钥闯觯渲?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和單個氧原子O。單個氧具有很強(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)在以下幾個方面:① 殺菌作用;②誘導(dǎo)抗病性;③對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,對水果也不會產(chǎn)生不良影響。這就克服了臭氧濃度過低對貯藏?zé)o明顯效果,濃度過高則對產(chǎn)品有副作用之間的矛盾[7]。

        3.4 高壓脈沖電場保鮮原理

        高壓脈沖電場對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。每個細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)外都有一自然電位差,外加電場時使得這一膜內(nèi)外位差(稱為穿透膜電位,簡稱TMP)增大。當(dāng)TMP高于-1 V(生物細(xì)胞膜自然電位差)時,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,這主要取決于電場強(qiáng)度、脈沖寬度和脈沖次數(shù)(即處理時間)。受到電場處理后,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)果實進(jìn)入休眠狀態(tài)等作用。經(jīng)過試驗證明,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;對脫粒率也有一定的降低;低溫下,對葡萄主要致病病菌生長的抑制作用非常明顯。

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

        1)空氣放電對各種果蔬的保鮮效果不同,使用濃度不當(dāng)時還會引起果蔬表面質(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)境對電源提出了更高的要求。

        總之,這一新技術(shù)對以葡萄為代表的果蔬保鮮確實有良好的效果。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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