伊麗莎白香瓜采后熱處理工藝比較研究

尹海蛟，楊 昭，陳愛強(qiáng)

(天津大學(xué)熱能研究所，天津 300072)

伊麗莎白香瓜采后熱處理工藝比較研究

尹海蛟，楊 昭，陳愛強(qiáng)

(天津大學(xué)熱能研究所，天津 300072)

采用熱水法及熱空氣法對(duì)采后伊麗莎白香瓜分別進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)，考察果實(shí)大小、包裝方式、熱處理介質(zhì)流速、溫度及相對(duì)濕度等操作參數(shù)對(duì)熱處理效果及組織質(zhì)量損失率的影響。結(jié)果表明：達(dá)到相同熱處理效果(香瓜中心位置溫度范圍為38～53℃)，熱水法的處理時(shí)間僅為熱空氣法的50%～60%；操作介質(zhì)流速對(duì)熱水法的處理時(shí)間影響較小，而對(duì)熱空氣法處理時(shí)間影響顯著；兩方法的最優(yōu)操作介質(zhì)流速分別為0.5～1m/s及1.5～2m/s；熱水法或高濕度的熱空氣法能夠有效降低香瓜熱處理時(shí)組織的質(zhì)量損失率；熱處理前按香瓜大小進(jìn)行分級(jí)，有利于熱處理效果的均勻性；7/8熱處理時(shí)間為采后香瓜的最佳熱處理傳熱時(shí)間。

香瓜；熱處理；操作參數(shù)；質(zhì)量損失率

隨著人們對(duì)綠色食品的日益重視，化學(xué)保鮮劑及殺菌劑因其殘留問題備受質(zhì)疑，相比之下，物理保鮮方法因具有無毒、無污染、無殘留的特點(diǎn)，受到越來越多的研究與重視[1]。果蔬熱處理技術(shù)是指將采后果蔬短時(shí)置于非致死高溫中進(jìn)行貯前預(yù)處理的一種物理保鮮方法，具有控制果蔬病蟲害，調(diào)節(jié)果蔬生理代謝，減輕果蔬冷害，延緩果蔬衰老等作用[2-7]。熱處理方法包括熱水法、熱空氣法、熱蒸汽法及遠(yuǎn)紅外處理法等，其中，以熱水法及熱空氣法最為常用[8]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)香瓜熱處理技術(shù)進(jìn)行了大量研究，Picton等[9]指出熱處理香瓜的成熟基因mRNA逐漸消失，產(chǎn)生并積累了大量的熱激蛋白(HSPs)。Lamikanra等[10]研究發(fā)現(xiàn)熱處理能夠降低香瓜的呼吸速率，提高硬度及咀嚼度。Aguayo等[11]研究表明，熱處理能夠降低香瓜貯藏時(shí)的乙烯產(chǎn)生量。

目前，有關(guān)香瓜熱處理技術(shù)的研究大多集中在保鮮效果方面，而對(duì)香瓜熱處理工藝的研究尚未見相關(guān)報(bào)道，熱處理操作參數(shù)的確定基本依靠經(jīng)驗(yàn)，具有一定的隨意性和盲目性。為此以伊麗莎白香瓜為試材，考察不同熱處理方法(熱水法及熱空氣法)及操作參數(shù)對(duì)果實(shí)熱處理效果的影響，旨在為采后香瓜熱處理工藝參數(shù)確定及優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

伊麗莎白香瓜( Elizabeth muskmelon)產(chǎn)于天津薊縣，選取果形端正、無病蟲害、無機(jī)械損傷、九成熟，大小相近(直徑約10cm，質(zhì)量約620g)的伊麗莎白香瓜為試材。采后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，并放入恒溫試驗(yàn)箱進(jìn)行瓜體內(nèi)外溫度的均一化處理(20℃)。

保鮮袋由國家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心(天津)提供，材料為聚乙烯(PE)，厚度為0.07mm。

1.2 儀器與設(shè)備

GDS-150型恒溫試驗(yàn)箱 無錫市泰諾試驗(yàn)設(shè)備有限公司；恒溫水槽 寧波天恒儀器廠；T型熱電偶 天津中環(huán)儀表廠；多功能恒溫庫(圖1)。

圖1 熱空氣法試驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.1 An integration of hot air treatment device and data acquisition system

1.3 方法

1.3.1 熱空氣法實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室的多功能恒溫庫內(nèi)進(jìn)行，熱空氣法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。熱處理實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過PLC控制下的可控硅模塊調(diào)節(jié)庫內(nèi)電加熱器的放熱量，并維持庫溫穩(wěn)定在熱處理溫度水平內(nèi)。通過調(diào)整風(fēng)機(jī)的輸入頻率改變熱處理時(shí)的循環(huán)風(fēng)速。

1.3.2 熱水法

熱水法實(shí)驗(yàn)在恒溫水槽內(nèi)進(jìn)行，處理時(shí)的循環(huán)介質(zhì)為自來水，香瓜全浸式放入水槽內(nèi)，通過循環(huán)水路閥門開度調(diào)節(jié)改變熱處理時(shí)的循環(huán)水速。

1.3.3 溫度采集

采用經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)標(biāo)定的T型熱電偶采集香瓜的組織溫度，熱電偶探針直徑為1mm，測溫精度為0.1℃。

1.3.4 不同熱處理方法對(duì)香瓜傳熱效果的影響

分別采用熱水法及熱空氣法處理香瓜。實(shí)驗(yàn)時(shí)兩方法的熱處理溫度均設(shè)定為40℃，熱水法的循環(huán)水速1m/s；熱空氣法的循環(huán)風(fēng)速2.5m/s，相對(duì)濕度30%。

1.3.5 循環(huán)介質(zhì)流速對(duì)熱處理時(shí)間的影響

改變熱水法及熱空氣法中處理介質(zhì)的循環(huán)流速，以觀察循環(huán)介質(zhì)流速對(duì)香瓜熱處理時(shí)間的影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)熱處理溫度40℃；熱水法的循環(huán)水速調(diào)節(jié)范圍0～2.5m/s；熱空氣法中循環(huán)風(fēng)速的調(diào)節(jié)范圍0.5～3.5m/s，相對(duì)濕度為30%。

1.3.6 熱處理溫度對(duì)熱處理時(shí)間的影響

采用熱水法，循環(huán)水速1m/s，熱處理實(shí)驗(yàn)在處理溫度分別為30、40、50℃三個(gè)水平下進(jìn)行，熱處理時(shí)間80min。

1.3.7 相對(duì)濕度對(duì)熱處理時(shí)間的影響

實(shí)驗(yàn)采用熱空氣法，循環(huán)風(fēng)速2.5m/s，熱處理實(shí)驗(yàn)在相對(duì)濕度分別為50%、70%、90%三個(gè)水平下進(jìn)行，熱處理時(shí)間120min。

1.3.8 香瓜大小對(duì)熱處理時(shí)間的影響

采用熱水法，循環(huán)水速1m/s，熱處理溫度為40℃，熱處理實(shí)驗(yàn)的香瓜直徑分別為10、12.1、14.3cm。

1.3.9 包裝方式對(duì)香瓜熱處理時(shí)間的影響

香瓜采用保鮮袋包裝。采用熱空氣法，循環(huán)風(fēng)速2.5m/s，熱處理溫度40℃。

1.3.10 熱處理對(duì)果實(shí)質(zhì)量損失率的影響

以黃瓜為對(duì)照，比較黃瓜與香瓜熱處理時(shí)組織的質(zhì)量損失率。熱處理實(shí)驗(yàn)前后分別測量5個(gè)果實(shí)個(gè)體的質(zhì)量，并計(jì)算質(zhì)量損失率。

1.3.11 熱處理香瓜瓜體溫度的量化與表征

1.3.11.1 無因次過余溫度與熱處理時(shí)間

以無因次過余溫度對(duì)香瓜熱處理溫度進(jìn)行量化，如式(1)所示，無因次過余溫度是指香瓜溫度與熱處理工藝溫度的差值，與香瓜初始溫度與熱處理工藝溫度差值的比值。

式中：T為熱處理時(shí)的香瓜溫度/℃；Th為熱處理工藝溫度/℃；T0為香瓜的初始溫度(均一化處理后溫度)/℃。

此外，香瓜熱處理進(jìn)程也可用熱處理時(shí)間進(jìn)行表征，無因次過余溫度為0.5、0.25及0.125時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別稱1/2、3/4及7/8熱處理時(shí)間。

1.3.11.2 無因次畢渥準(zhǔn)則數(shù)

香瓜熱處理時(shí)的傳熱熱阻由其內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻及表面對(duì)流熱阻兩部分組成。兩熱阻的相對(duì)大小對(duì)熱處理香瓜組織溫度場變化具有重要影響，以無因次畢渥數(shù)(Bi)表征上述兩個(gè)熱阻的相對(duì)大小，其計(jì)算式為[12]：

式中：δ為熱處理香瓜的特征尺寸/m；λ為香瓜的導(dǎo)熱系數(shù)/(W/(m·℃))；α為香瓜的表面對(duì)流換熱系數(shù)/(W/(m2·℃))。

2 結(jié)果及分析

2.1 不同熱處理方法對(duì)香瓜傳熱效果的影響

圖2 不同熱處理方法中香瓜的溫度場分布Fig.2 Temperature field distribution in muskmelons during heat treatment

由圖2可見，熱水處理法的香瓜組織升溫迅速，而熱空氣法相對(duì)緩慢。在香瓜具有相同初始溫度(20℃)及熱處理溫度(40℃)時(shí)，熱處理20、40、60、80min后，熱水法中香瓜的中心溫度分別增加了7.9、14.8、17.5、18.8℃；熱空氣法中只增加了3.6、8.8、12.7、15.3℃，分別是熱水法溫度增幅的45.6%、59.4%、72.6%、81.4%。熱處理開始的前30min，熱水法處理香瓜組織內(nèi)部的溫度梯度較大，之后隨著香瓜與熱水間傳熱溫差的降低，香瓜升溫變得越來越慢，不同深度位置處的溫度也基本逐漸趨于一致。而在熱空氣法中，香瓜內(nèi)部的溫度梯度相對(duì)較小，整個(gè)升溫過程表現(xiàn)較為平穩(wěn)。

2.2 循環(huán)介質(zhì)流速對(duì)熱處理時(shí)間的影響

圖3 不同循環(huán)介質(zhì)流速時(shí)香瓜的3/4熱處理時(shí)間(θ=0.25)Fig.3 Three-fourth heating time (θ=0.25) of heat-treated muskmelons against medium velocity

由圖3可見，增大循環(huán)介質(zhì)流速有助于縮短香瓜的熱處理時(shí)間，但流速改變對(duì)兩種方法熱處理時(shí)間的影響程度不同。提高風(fēng)速能夠顯著縮短熱空氣法的處理時(shí)間，但風(fēng)速與處理時(shí)間的關(guān)系并非線性，風(fēng)速由0.5m/s增加至1.5m/s時(shí)，香瓜熱處理時(shí)間縮短了78min；而由2m/s增加至3m/s時(shí)，熱處理時(shí)間僅降低了16.5min。

2.3 熱處理溫度對(duì)熱處理時(shí)間的影響

圖4 不同熱處理溫度條件下香瓜的溫度變化Fig.4 Temperature changes of heat-treated muskmelons under different operating temperatures

由圖4可見，在不同的熱處理溫度下，香瓜的升溫速率存在明顯差異。受傳熱溫差的影響，50℃處理香瓜的升溫速率最快，而30℃處理的最慢。3種處理溫度條件下的香瓜升溫過程均表現(xiàn)出明顯的非線性特征。熱處理開始的前10min內(nèi)，香瓜中心溫度幾乎沒有變化，但之后香瓜溫度迅速上升，在第10～60min的時(shí)段內(nèi)，3種熱處理溫度下香瓜的升溫速率均有較大幅度的提高，30、40、50℃處理香瓜的平均升溫幅度分別達(dá)0.12、0.29、0.42℃/min。而在60min以后，香瓜的升溫均變得十分緩慢。3種溫度條件下香瓜的無因次過余溫度變化大體相似，說明香瓜在不同的熱處理溫度下，其溫度變化具有相近的動(dòng)態(tài)特征。

2.4 相對(duì)濕度對(duì)熱處理時(shí)間的影響

圖5 相對(duì)濕度對(duì)香瓜熱處理時(shí)間的影響Fig.5 Effect of relative humidity on heat-treatment time of muskmelons

由圖5可見，在熱空氣處理法中，空氣相對(duì)濕度的增加能夠顯著縮短香瓜的熱處理時(shí)間。與相對(duì)濕度為50%的情況相比，空氣相對(duì)濕度增加至70%及90%時(shí)，香瓜的1/2熱處理時(shí)間(θ=0.5)分別縮短了17.5%及33.4%；3/4熱處理時(shí)間(θ=0.25)縮短了21.2%及35.1%；7/8熱處理時(shí)間(θ=0.125)縮短了27.2%及40.1%。

2.5 香瓜大小對(duì)熱處理時(shí)間的影響

圖6 不同大小熱處理香瓜的無因次過余溫度對(duì)比Fig.6 Comparison of dimensionless surplus temperatures of heat-treated muskmelons of different sizes

由圖6可見，香瓜大小對(duì)熱處理時(shí)間的影響較大，與直徑為10.0cm的香瓜相比，直徑為12.1cm及14.3cm香瓜中心位置的1/2熱處理時(shí)間分別增加了65.8%及165.1%；3/4熱處理時(shí)間分別增加了82.1%及174.3%；7/8熱處理時(shí)間分別增加了87.0%及182.7%。隨著香瓜直徑的增加，香瓜熱處理時(shí)組織內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻不斷增大，勢(shì)必導(dǎo)致熱處理時(shí)間的增長。

2.6 包裝方式對(duì)香瓜熱處理時(shí)間的影響

侯建設(shè)等[13]的研究表明熱水處理結(jié)合保鮮袋包裝能夠有效防止黃瓜低溫貯藏時(shí)的失水和腐爛，并能顯著降低果實(shí)冷害。Victor等[14]指出保鮮袋包裝能夠有效避免柑橘熱處理時(shí)的高溫?fù)p傷。本實(shí)驗(yàn)對(duì)有無保鮮袋包裝香瓜的熱處理傳熱過程進(jìn)行了對(duì)比，由圖7可見，保鮮袋包裝明顯延長了香瓜的熱處理時(shí)間，并顯著降低了香瓜的升溫速率。保鮮袋包裝香瓜的1/2熱處理時(shí)間為81min，較無包裝香瓜的1/2熱處理時(shí)間(39min)增長了約1倍。熱處理過程進(jìn)行50min時(shí)，無包裝香瓜中心位置處的平均升溫速率為0.21℃/min，而保鮮袋包裝香瓜中心位置處的升溫速率為0.11℃/min，僅為前者的51.4%。

圖7 包裝方式對(duì)香瓜熱處理效果的影響Fig.7 Effect of packaging methods on heat transfer in muskmelons

2.7 熱處理對(duì)果實(shí)質(zhì)量損失率的影響

由表1可見，熱處理溫度的提高、空氣相對(duì)濕度的降低及循環(huán)風(fēng)速的提高均將導(dǎo)致熱處理香瓜與黃瓜質(zhì)量損失率增加。與溫度30℃時(shí)相比，熱處理溫度增加至40℃及50℃時(shí)，香瓜的質(zhì)量損失率分別增加了19.1%及88.2%，黃瓜質(zhì)量損失率增加了131.5%及290.7%；與風(fēng)速為1.5m/s時(shí)相比，風(fēng)速增加至2.5m/s及3.5m/s時(shí)，香瓜的質(zhì)量損失率分別增加了12.5%及25.0%，黃瓜的質(zhì)量損失率增加了13.9%及27.9%；與相對(duì)濕度為50%的情況相比，空氣相對(duì)濕度增加至70%及90%時(shí)，香瓜的質(zhì)量損失率分別降低了50.0%及81.3%，黃瓜的質(zhì)量損失率降低了35.6%及75.9%。此外，保鮮袋包裝能夠有效降低熱處理果實(shí)的質(zhì)量損失率，經(jīng)保鮮袋包裝的香瓜及黃瓜熱處理時(shí)的質(zhì)量損失率分別為無包裝時(shí)的8.7%及5.3%。

表1 不同熱處理參數(shù)時(shí)香瓜與黃瓜的質(zhì)量損失率對(duì)比Table1 Effects of different heat treatment parameters and packaging or not on weight loss rates of muskmelons and cucumbers

3 結(jié)論與討論

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在香瓜采后熱處理過程中，熱水法與熱空氣法的傳熱過程具有較大區(qū)別。熱水法中，香瓜的熱處理傳熱熱阻以果實(shí)的導(dǎo)熱熱阻為主，改變循環(huán)水流速對(duì)處理時(shí)間影響不顯著，熱水法中香瓜的無因次畢渥數(shù)較大，使得香瓜在熱處理前期具有較大的升溫速率，組織內(nèi)部的溫度梯度較大。而在熱空氣法中，熱處理傳熱以香瓜表面的對(duì)流換熱熱阻為主，空氣流速的改變對(duì)熱處理時(shí)間影響顯著。熱空氣法中香瓜的畢渥數(shù)較小，因此，熱空氣法中香瓜的升溫速率較小，達(dá)到相同的熱處理溫度效果，熱空氣法需要更長的熱處理時(shí)間。Susan[15]推薦的果蔬熱處理溫度范圍為38～53℃，香瓜中心位置達(dá)到這個(gè)溫度范圍時(shí)，熱水法的處理時(shí)間僅為熱空氣法的50%～60%。與熱空氣法相比，熱水法除了具有處理時(shí)間短，果實(shí)升溫迅速的特點(diǎn)外，同時(shí)還有利于降低熱處理的操作成本，據(jù)Fallik[16]報(bào)道熱水法的果蔬熱處理費(fèi)用僅是熱空氣法的10%左右。因此，熱水法在采后果蔬的熱處理方面具有較好的應(yīng)用前景。然而需要注意的是在熱水處理法中，熱處理的初始階段果蔬體內(nèi)的溫度梯度較大，與熱空氣法中果蔬溫度的平穩(wěn)變化相比，熱水法的這種高傳熱速率及劇烈的溫度變化是否會(huì)對(duì)果蔬的生理生化指標(biāo)產(chǎn)生影響還有待做進(jìn)一步研究。

采后香瓜作為具有生命特征的生物體，其對(duì)外界溫度變化的響應(yīng)具有生物時(shí)滯效應(yīng)。時(shí)間滯后的長短主要與果實(shí)的熱物性有關(guān)。時(shí)滯現(xiàn)象過后熱處理果實(shí)通常表現(xiàn)出較大的升溫速率，但是當(dāng)溫度上升到某一臨界溫度后，果實(shí)的升溫變得十分緩慢，為了保證熱處理對(duì)果實(shí)的加熱效果，最佳的熱處理時(shí)間應(yīng)保證香瓜中心溫度已達(dá)臨界點(diǎn)溫度，若處理時(shí)間過短，高溫對(duì)香瓜深層組織的熱激作用不明顯，處理時(shí)間過長，將導(dǎo)致熱處理工作效率的降低。就傳熱學(xué)角度考慮，7/8熱處理時(shí)間是香瓜的最佳熱處理時(shí)間。在香瓜的熱空氣處理法中，提高風(fēng)速有利于縮短熱處理時(shí)間，但風(fēng)速與熱處理時(shí)間并非呈線性關(guān)系變化，綜合考慮處理時(shí)間及運(yùn)行費(fèi)用，確定香瓜熱空氣熱處理法的最優(yōu)操作風(fēng)速范圍為1.5～2m/s。對(duì)于熱水處理法，循環(huán)水流速的改變對(duì)熱水法處理時(shí)間的影響雖不明顯，但保持一定的循環(huán)水量將有利于熱處理香瓜加熱效果的均勻性，因此，確定的香瓜熱水處理法的最優(yōu)循環(huán)水流速為0.5～1m/s。

香瓜的熱處理時(shí)間與處理介質(zhì)溫度、相對(duì)濕度、循環(huán)流速、香瓜大小及其包裝方式等多種因素有關(guān)。熱處理溫度越高，香瓜組織的升溫速率越大，但不同熱處理溫度時(shí)香瓜的無因次過余溫度變化基本一致。空氣相對(duì)濕度的增加導(dǎo)致濕空氣焓值增大，加大了空氣攜帶熱量的能力，因此高濕度的空氣有利于加快果蔬的熱處理速度。香瓜大小對(duì)熱處理時(shí)間影響顯著，按香瓜大小分類后再分批次進(jìn)行熱處理，將有利于香瓜熱處理效果的同步性。在相同的熱處理?xiàng)l件下，香瓜與黃瓜的質(zhì)量損失率存在明顯差異(P＜0.05)，說明熱處理果蔬的質(zhì)量損失率除了受操作參數(shù)及包裝方式等外在因素影響，同時(shí)受果蔬種類、組織結(jié)構(gòu)、細(xì)胞持水力等內(nèi)在因素影響。表面組織細(xì)嫩、沒有致密角質(zhì)層的果蔬，熱處理宜采用熱水法或高濕度的熱空氣法。保鮮袋包裝能夠有效地減小香瓜熱處理時(shí)的組織失水，同時(shí)能夠有效避免熱處理介質(zhì)對(duì)果實(shí)表面的污染，但由于保鮮袋與果蔬體之間的空氣夾層阻止了熱處理循環(huán)介質(zhì)與果蔬體表面的直接對(duì)流換熱，將會(huì)導(dǎo)致熱處理時(shí)間明顯增加。

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Comparative Study on Heat Treatment Technologies for PostharvestMuskmelon

YIN Hai-jiao，YANG Zhao，CHEN Ai-qiang
(Thermal Energy Research Institute, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Heat treatment of postharvestmuskmelons was performed respectively using hot water and hot air methods. The effects of operating parameters such as packaging methods, fruit size, cycling medium velocity, temperature and relative humidity on half heating time, three-fourth heating time, seven-eighth heating time and tissue weight loss rate were investigated. The results showed that the length of hot water treatment was only 50%-60% of that of hot air treatment for the same treatment effectiveness (the temperature at the center of a melon sphere reached between 38 ℃ and 53 ℃). The optimum medium velocities in hot water and hot air methods were 0.5-1 m/s and 1.5-2 m/s, respectively. Hot water treatment and high humidity hot air treatment could effectively reduce the tissue weight loss of muskmelon in hot air treatment. Muskmelon grading according to fruit size in advance promoted the uniformity of heat treatment. The optimum operating time was seveneighth heating time (the dimensionless temperature θ = 0.125).

muskmelon；heat treatment；operating parameters；weight loss rate

S609.3；TS205.9

A

1002-6630(2011)10-0001-05

2010-09-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51076112)；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(200800560041)

尹海蛟(1983—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)槭称防洳丶皞鳠峒夹g(shù)。E-mail：yinhaijiao83@163.com