汪國超，徐偉民

(武漢工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院湖北武漢430023)

新鮮蓮子不僅口感甜嫩鮮美而且還具有較高的藥用價(jià)值，中醫(yī)認(rèn)為，蓮子有益心、補(bǔ)腎、健脾、止瀉和安神之效，食用后可輕身益氣，令人強(qiáng)?。?］。然而蓮子的地域生長性很強(qiáng)，主要集中在江南地區(qū)，尤其是浙江、江西和湖北等地。蓮子采摘后仍然是有生命的機(jī)體，并且細(xì)胞的有氧呼吸速率很快，大量消耗細(xì)胞中的糖分和水分。這也是蓮子采摘后在常溫下放置一段時(shí)間后沒有新鮮蓮子甜嫩可口的原因。蓮子采摘季節(jié)在炎熱的夏季，生理和代謝都處在較高的水平，耐儲(chǔ)存性較差［2］，很大程度地影響了產(chǎn)品的貨架期以及產(chǎn)品的長途運(yùn)輸。對(duì)浙江杭州和湖北武漢新鮮蓮子市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，市場上新鮮蓮子的貨架期在3到5天，新鮮蓮子的市場很難滿足人們的需求。為了滿足市場需求以及蓮農(nóng)利益的最大化，新鮮蓮子的保鮮就顯得特別重要。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

蓮子:采摘于武漢鑫農(nóng)湖公司蓮子實(shí)驗(yàn)基地，采后置于冷庫預(yù)冷12 h，手工去皮(不能傷及果肉)備用;包裝袋:采用厚度為0.1 mm的PE/PA材料(復(fù)合尼龍)［3］，制成150 ×200(mm ×mm)包裝袋;殼聚糖:粘度為 50.0 ～800.0 MPa·s，脫乙酰度≥90.0%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;苯甲酸鈉:食品級(jí)，天津市福晨化學(xué)試劑廠;檸檬酸鈉:食品級(jí)，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;塑料薄膜封口機(jī):溫州市鼎立包裝機(jī)械制造有限公司;O2/CO2體積分?jǐn)?shù)測(cè)試儀:美國mocon公司頂空分析儀，BS224S電子天平。

1.2 試驗(yàn)方法

設(shè)置無保鮮劑處理的對(duì)照組Ⅰ、用2.5%的苯甲酸鈉處理的試驗(yàn)組Ⅱ、用0.5%的殼聚糖處理的試驗(yàn)組Ⅲ以及用1.0%的檸檬酸鈉處理的試驗(yàn)組Ⅳ。保鮮液浸泡后均自然風(fēng)干，將處理的去皮新鮮蓮子裝入包裝袋稱重封口。為避免試驗(yàn)的偶然性，每組試驗(yàn)樣品為5袋，每袋試樣質(zhì)量均為(60±4)g。在每袋包裝袋上貼上有粘性的橡膠墊片(封閉針孔)，真空頂針儀針頭插入墊片進(jìn)入包裝袋約0.5 cm即可，測(cè)量每袋樣品中的氧氣和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的初始值，并且記錄。每次測(cè)量盡量避免針頭插入同一針孔，每隔2 h對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行測(cè)試，記錄每袋試驗(yàn)樣品中氧氣和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的變化。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

蓮子的呼吸強(qiáng)度是其新陳代謝的重要度量。本文只給出16 h內(nèi)各試驗(yàn)組包裝袋中的氧氣和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)時(shí)間的實(shí)測(cè)值，如表1、表2所示。

表1 包裝內(nèi)氧氣的體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)值 /%

表2 包裝內(nèi)二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)值 /%

2 果蔬呼吸數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 果蔬呼吸模型的理論基礎(chǔ)

根據(jù)果蔬的呼吸作用和薄膜透氣特性的相互關(guān)系，果蔬在密閉包裝薄膜內(nèi)進(jìn)行呼吸作用消耗氧氣，釋放二氧化碳，造成包裝薄膜內(nèi)部低氧氣高二氧化碳濃度的環(huán)境。包裝薄膜外的氧氣滲透到包裝薄膜內(nèi)部，而包裝薄膜內(nèi)部的二氧化碳也會(huì)滲出到包裝薄膜外部。當(dāng)果蔬在單位時(shí)間內(nèi)消耗的氧氣和釋放二氧化碳的量等于單位時(shí)間內(nèi)滲透過包裝薄膜的氧氣和二氧化碳的量時(shí)，果蔬包裝系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，氣體在均質(zhì)膜的滲透符合菲克(Fick)定律。平衡式如下。

式(1)和式(2)分別是氧氣平衡式和二氧化碳平衡式。

K1，K2:包裝薄膜對(duì)氧氣和二氧化碳的透氣系數(shù)mL·m/(m2·h·Pa);A:包裝薄膜的表面積 m2;δ:包裝薄膜的厚度m;xO，xC:包裝薄膜外氧氣和二氧化碳的體積分?jǐn)?shù);yO，yC:包裝薄膜內(nèi)氧氣和二氧化碳的體積分?jǐn)?shù);P，P1:包裝薄膜外部和內(nèi)部大氣壓，由于包裝薄膜是柔性材料，可以認(rèn)為薄膜內(nèi)外大氣壓相等(P=P1=1.01 ×105 Pa);rO，rC:果蔬氧氣的吸收速率和二氧化碳釋放速率mL/(kg·h);W:果蔬質(zhì)量kg。

2.2 包裝袋內(nèi)氣體體積的瞬時(shí)變化量

由平衡式可以得到包裝袋內(nèi)任意時(shí)刻氧氣和二氧化碳體積變化量:

d VO，d VC:某一時(shí)間間隔后氧氣和二氧化碳體積變化量m3;d V某一時(shí)間間隔后表示總體積變化量;d t表示任意時(shí)刻，其他符號(hào)同前面一致［4］。

由式(3)和(4)可以得到任意時(shí)刻包裝袋內(nèi)氧氣和二氧化碳體積分?jǐn)?shù):

3 去皮新鮮蓮子呼吸模型的參數(shù)識(shí)別

由于果蔬的呼吸作用和氣體透過包裝薄膜，袋內(nèi)各氣體體積和總體積在變化，因此不能簡單的用式(1)和式(2)來計(jì)算果蔬的呼吸作用非平衡狀態(tài)，為了更好的反映果蔬在保鮮過程中呼吸速率的變化，需要引入新方法。假定某一時(shí)刻rO和rC的值，代入式(3)和式(4)，并且聯(lián)立式(3)～(5)代入式(6)～(7)算出各氣體體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算值。將計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，求出兩者之差的平方，重新設(shè)置假定值，利用最小二乘法反復(fù)迭代，使差值逐步減小，當(dāng)差值達(dá)到最小值的時(shí)候，假定值即為果蔬的真實(shí)呼吸速率［5］。目標(biāo)函數(shù):

式中i=1表示氧氣的理論計(jì)算值，i=2表示二氧化碳的理論計(jì)算值，j=1，…，n試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的不同時(shí)間點(diǎn);tyij表示氧氣和二氧化碳的實(shí)測(cè)值。

本文采用最小二乘法對(duì)模型中參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化識(shí)別。將已知參數(shù)W=6×10－2kg;A=6×10－2m2;xO=0.21;xC=0.03，P=P1=1.01 × 105Pa;δ=2 ×10－5m;K1=2.625 ×10－7［mL·m/(m2·h·Pa)］;K2=3.716 ×10－7［mL·m/(m2·h·Pa)］分別代入式(3)、式(4)求得蓮子呼吸速率，如圖1所示;代入式(6)、式(7)求得袋內(nèi)氧氣和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)值，如圖2所示。

4 結(jié)果和討論

4.1 氧氣吸收速率和二氧化碳釋放速率變化模擬

圖1 氧氣和二氧化碳呼吸速率實(shí)測(cè)值和計(jì)算值比較

圖2 包裝袋內(nèi)O2和CO2體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值的比較

由表1和表2可知?dú)ぞ厶侨芤耗苡行p弱蓮子呼吸強(qiáng)度，本文只給出殼聚糖溶液處理的去皮蓮子包裝袋中氧氣和二氧化碳變化模擬。由圖1可知，模型中預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值比較接近。利用模型可以預(yù)測(cè)不同時(shí)間下氧氣和二氧化碳的速率。

4.2 氧氣和二氧化碳?xì)怏w濃度變化模擬

本文給出殼聚糖溶液處理的試驗(yàn)組中氧氣和二氧化碳濃度變化模擬，由圖二可知模型中預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值比較吻合。利用模型可以預(yù)測(cè)不同時(shí)間下包裝袋內(nèi)氧氣和二氧化碳的濃度。

5 結(jié)論

5.1 研究了三種保鮮劑在20℃時(shí)，對(duì)去皮新鮮蓮子保鮮效果的試驗(yàn)，試驗(yàn)證明殼聚糖溶液對(duì)去皮新鮮蓮子的保鮮有較好的保鮮效果，能有效抑制它的有氧呼吸速率，并且維持在一個(gè)較低的水平;苯甲酸鈉溶液對(duì)其也有一定保鮮效果，但效果不明顯;檸檬酸鈉溶液對(duì)去皮新鮮蓮子無保鮮效果。

5.2 呼吸模型能很好的預(yù)測(cè)蓮子在不同時(shí)間內(nèi)的呼吸速率，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值基本吻合，模型中氧氣和二氧化碳濃度的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值也能較好的吻合。

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