“微真空”貯藏設施研制及萊陽梨保鮮試驗初探

周莎莎 吳愛現(xiàn) 劉 潔 王世清 姜文利 李文香

(青島農(nóng)業(yè)大學青島市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)質(zhì)量與安全工程重點實驗室 食品科學與工程學院 青島 266109)

果蔬組織柔嫩，含水量高，易腐爛變質(zhì)，不耐儲存，采后極易失鮮失重，從而導致品質(zhì)降低，甚至失去營養(yǎng)價值和商品價值[1]，在國外，果蔬類生鮮食品其水分損失在5% 以上時，就被認為其失去了鮮銷的價值。因此，在果蔬的采后流通中十分注重保鮮技術及貯藏設施的應用。現(xiàn)代果蔬保鮮技術始于19 世紀，發(fā)展到今天已經(jīng)歷了三次飛躍[2,3]。第一次飛躍的里程碑即機械式冷藏的出現(xiàn)。1851 年澳大亞利詹姆斯—哈里遜設計并制造出世界上第1臺小型制冷壓縮機及其輔助設備，從此用這種制冷系統(tǒng)建造的機械式冷藏庫逐步發(fā)展，并用于農(nóng)產(chǎn)品貯藏[4]。第二次飛躍的里程碑是氣調(diào)保鮮技術的應用。1917年英國的基德和韋斯特在前人研究的基礎上，進一步探討了大氣成分對果蔬生理代謝的影響及其保鮮作用；1928年應用該理論在英國建造了世界上第一座氣調(diào)庫，用于保鮮蘋果在商業(yè)上取得了成功，隨后氣調(diào)保鮮技術在工業(yè)化國家得到廣泛應用[4]。第三次飛躍的里程碑則是減壓貯藏理論的提出。1966-1967年，斯坦利P.伯格博士(StanleyP.Burg)在美國發(fā)明了減壓貯藏技術并獲得美國專利[5,6]。由于減壓貯藏技術具有“快速降氧、快速降壓、快速降溫”的特點，可在短時間內(nèi)形成一個低氧或超低氧的貯藏環(huán)境，并能及時排除物料的內(nèi)源乙烯和代謝產(chǎn)生的有害氣體，有效降低果蔬呼吸代謝，延長果蔬的保鮮期[7]。因此，20 世紀70年代起，在Burg的倡導下減壓貯藏逐步走上了廣泛研究的道路。但實踐中發(fā)現(xiàn)，由于高性能、低造價耐壓材料一直沒能解決，假若用于果蔬減壓貯藏的設施內(nèi)要維持約3%的低氧狀態(tài)，此時容器壁所受的壓強約為0.9kg/cm2；若是一面2m2的貯藏室壁，屆時將承受36噸的壓力。要承受如此巨大的壓力，要么加大壁厚，要么內(nèi)部設置支撐，這必將會大大增加貯藏設施的造價，而且使容器變的極為笨重，加之果蔬原料的多樣性和復雜性導致保鮮工藝的千差萬別，僅靠保鮮工藝的改進難以從根本上解決減壓貯藏易造成果蔬失水的難題。這些問題的存在正是減壓貯藏技術幾十年來難以走出實驗室階段的“瓶頸”所在[8]。

為了克服上述減壓貯藏設施的不足，在專利技術(ZL 03 1 06989.4)[9]的基礎上研制了一種新型的“微真空”貯藏設施。

1 “微真空”貯藏設施的結構原理及主要組件

1.1 “微真空”貯藏設施的結構原理

研制的“微真空”貯藏設施，融合了材料力學、結構力學、流體力學等全新的設計理念和綜合措施，用于解決降氧、排除有害氣體和極大地減少容器壁承壓力等問題。結構原理如圖1所示。

圖1 微真空貯藏設施結構原理圖Fig.1 Micro-vacuum facility structure principle diagram

圖1中，真空貯藏室體7與密封門4構成真空貯藏室。真空貯藏室體7與密封門4之間靠密封條密封。真空貯藏室體7由方型殼體、加強筋9構成。密封門4由帶加強筋的焊接門架、防護板、鉸鏈、密封等條構成。真空泵16通過管道與真空貯藏室體7內(nèi)腔相連通。真空泵設在真空室外，通過管道、閥門與真空室內(nèi)腔連通，真空表或數(shù)字式真空度測控儀及控制裝置在控制箱上。壓力傳感器可以將真空貯藏室內(nèi)的壓力大小向數(shù)字式真空壓力測控儀發(fā)送信息，以便對真空室體7內(nèi)的壓力實施控制。真空壓力測控儀可以設定壓力的上限和下限值，并適時顯示、測量、控制真空貯藏室體7內(nèi)的壓力，當真空貯藏室7內(nèi)的壓力高于上限值(例如18.132kPa)時，啟動真空泵開始抽氣，達到下限值(例如4.533kPa)時則真空泵停機。壓力傳感器和真空壓力測控儀顯示、測量、控制真空室體7內(nèi)的壓力值。溫度傳感器為多探頭手持移動式，可分別放于貯物表面、堆內(nèi)甚至插入貯物芯部以獲得貯物表面、內(nèi)部以及其芯部的溫度。溫度傳感器給溫度測控儀以溫度信息，并實時測量、顯示。其外形圖見圖2。

圖2 微真空貯藏設施實物圖Fig.2 Micro-vacuum facility material object diagram

1.2 “微真空”貯藏設施的主要組件

新研制的微真空貯藏設施主要由真空貯藏室、真空裝置、氣囊及自動控制裝置等組成。

1.2.1 氣囊

氣囊的設計與選材是重要技術之一。該設施通過在密閉的真空貯藏室內(nèi)引入一“柔性氣囊”(外形圖見圖3)。柔性氣囊是通過一單向閥門與真空貯藏室外界連通，真空泵與真空貯藏室相連，當真空泵啟動將貯藏室內(nèi)的氣體抽出的同時，因為貯藏室內(nèi)外壓差，使外界的空氣進入氣囊，當貯藏室內(nèi)真空壓力達到試驗設定的下限時，真空泵停止運行；氣囊通過內(nèi)外壓差達到平衡其單向閥門也自動關閉，整個貯藏室即構成密閉貯藏環(huán)境。當真空貯藏室的真空壓力升至試驗設定的上限時，真空泵再次啟動，氣囊同時會再次充氣，直至真空壓力再次降至試驗設定的下限，達到新的平衡，真空泵停止運行，氣囊單向閥關閉，如此循環(huán)往復。這樣，通過氣囊的引入，靠氣囊的充氣膨脹，填補真空貯藏室內(nèi)空氣量的減少空間，盡管貯藏室內(nèi)真空壓力只有“輕微”下降，氧氣的濃度也只有“輕微”的降低，但貯藏室內(nèi)空氣及氧氣的總量會大幅度下降。而常規(guī)真空貯藏要達到同樣的空氣和氧氣總量，則需要真空壓力下降的幅度更大時才能達到。所以，微真空貯藏比常規(guī)真空貯藏可大幅度降低真空貯藏室壁的壓力，從而使設施的自重及制造成本均大幅度下降。同時柔性氣囊充氣后還對果蔬起到一定的包裝作用，能有效抑制果蔬水分散失，保持果蔬的新鮮狀態(tài)。氣囊選材要求能夠耐低溫，氣密性好，不易被漲破或扎破，并具有良好的食品安全性；其大小與微真空貯藏室相當甚至略大一些。

圖3 柔性氣囊Fig.3 A fl exibility air sac

1.2.2 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)是微真空貯藏設施的重要組成部分。在微真貯藏設施運行過程中，貯藏室的真空條件即是依靠真空系統(tǒng)來完成。在貯藏過程中，裝置漏氣、材料生成氣、果蔬中水分蒸發(fā)和其它揮發(fā)成分的產(chǎn)生都會使貯藏環(huán)境壓力發(fā)生變化，要維持貯藏環(huán)境中的壓力在一定范圍(73.327kPa～113.324 kPa)，必須通過真空系統(tǒng)的正常運行來實現(xiàn)。新研制的微真空貯藏設施的真空系統(tǒng)主要由真空泵、真空閥門、數(shù)字式真空壓力測控儀、金屬或塑料鏈接管件等構成。對真空系統(tǒng)性能的基本要求與減壓貯藏保鮮裝置[10]類似，主要是根據(jù)保鮮果蔬種類的需要及工藝要求，能在較短時間內(nèi)達到一定的極限真空和工作真空。極限真空是指系統(tǒng)無漏氣時所能達到的最低壓力；工作真空是指在具體貯藏過程中所能維持的實際真空壓力。

圖4 真空泵Fig.4 Vacuum pump

真空泵是真空系統(tǒng)最主要的組成部件。該設施選用的是水循環(huán)式真空泵2BV系列，設在真空貯藏室外，真空儀設在控制箱中。其機泵采用同軸式直聯(lián)設計，節(jié)省空間，易于安裝；青銅葉輪提高了泵的耐腐蝕性；獨特的柔性排氣口設計，不會產(chǎn)生過壓縮，確保了其性能范圍內(nèi)效率最佳，其外形圖見圖4。

1.2.3 微真空貯藏室

微真空貯藏室是微真空貯藏設施的主體部件，主要由密封真空箱體和密封門構成。設施的真空箱體采用SUS304優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料，表面拉絲處理，真空箱體采用長方體結構，外緣采用異型方管加強，箱內(nèi)圓弧形連接，不存在衛(wèi)生死角，便于清潔。密封門采用平開式鉸鏈結構，開啟方便。密封門材料采用高強度通透玻璃，便于物料貯藏過程中的狀態(tài)觀察。為了設施移動便利，采用了人性化設計，加裝了底輪。

1.2.4 自動控制系統(tǒng)

圖5 控制箱Fig.5 Control cabinet

圖6 控制面板Fig.6 Control panel

自動控制系統(tǒng)采用PLC自動化控制，人機界面操作，真空壓力、溫度實現(xiàn)實時記錄，歷史數(shù)據(jù)儲存，自動化程度高，其主要組成包括控制箱(見圖5)及PLC控制面板(見圖6)、真空測控儀、溫度測控儀、時間繼電器、指示燈、開關等。微真空貯藏室內(nèi)有三個溫度測試探頭可以根據(jù)貯藏試驗的設計與要求放置在不同的位置用于實時測定貯藏環(huán)境或物料的溫度，及時傳遞給溫度測控儀并進行實時記錄；壓力傳感器為進口TTR211可以將真空貯藏室內(nèi)的真空壓力向數(shù)字式真空測控儀發(fā)出信息，以便對真空貯藏室內(nèi)的壓力實時調(diào)控。真空壓力測控儀可以設定壓力的上限和下限值，并實時測量、調(diào)控、顯示真空貯藏室內(nèi)的壓力。

2 萊陽梨微真空貯藏試驗結果與分析

試驗原料采自青島農(nóng)業(yè)大學萊陽校區(qū)園藝示范果園的萊陽茌梨，挑選大小均勻，成熟度一致，無傷疤，無病蟲危害果實，運回后放入青島農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院教學實習基地冷庫中，在0℃預冷24h，然后放入真空壓力為76.66kPa～89.992 kPa的微真空貯藏室內(nèi)，溫度控制在3℃±1℃，以相同溫度下的常壓冷庫貯藏為對照試驗進行微真空貯藏試驗研究。

2.1 不同貯藏條件對萊陽梨果實感官品質(zhì)的影響

不同貯藏條件下萊陽梨果實其果皮轉色級別、果肉褐變級別及果肉口感分別見表1、表2、表3。

表1 果皮轉色級別Tab.1 Peel changing color grade

表2 果肉褐變級別Tab.2 Pulp browning grade

表3 果肉口感Tab.3 Pulp taste

從表1、表2、表3可以看出，兩種不同貯藏條件下，梨果實在貯藏的前120d內(nèi)，其果皮色澤、果肉顏色以及果肉口感基本能保持原有的狀態(tài)，只是在常壓冷藏條件下梨果實口感稍微變淡，但尚具備良好的商品價值；但貯藏至120d之后，常壓冷藏條件下梨果實果皮的綠色色澤開始漸漸消退變黃，果肉也開始發(fā)生褐變，果肉硬度下降，風味變淡，商品價值逐漸降低；貯藏至150d，果皮已完全失綠變黃，果肉出現(xiàn)明顯的褐變，果肉口感不僅口味變淡，而且有明顯的‘酒精’異味，果實基本失去商品價值。而微真空貯藏條件下，梨果實貯藏至150d其果皮仍保持鮮綠的色澤，果肉只出現(xiàn)輕微的褐變，果肉口感略微變淡，果實仍具有較好的商品價值。表明微真空貯藏條件能明顯改善萊陽梨果實的感官品質(zhì)，提高萊陽梨果實的商品價值，延長梨果實的貯藏期限。

2.2 不同貯藏條件對萊陽梨果實好果率影響

不同貯藏條件下萊陽梨果實的好果率不同。由圖7可以看出，在常壓冷藏條件下，果實貯藏至120d開始出現(xiàn)腐爛，腐爛果實表面出現(xiàn)明顯擴大的腐爛斑；而微真空貯藏條件下果實未發(fā)現(xiàn)有腐爛斑點。

梨果實貯藏至120d以后，常壓冷藏條件下，果實腐爛率逐漸上升，且果實表面的腐爛斑點擴展速度較快，好果率不斷下降，貯藏至150d好果率下降至85%；微真空貯藏條件下，果實腐爛率增加緩慢，腐爛病斑擴展速度相對比較小，好果率下降速度也較為緩慢，貯藏至150d仍能保持 95% 的好果率。表明微真空貯藏條件可明顯延緩萊陽梨果實的腐爛，保持梨果實較高的好果率。

圖7 不同貯藏條件下好果率的變化Fig.7 Changes rate of good fruit under different storage

2.3 不同貯藏條件對萊陽梨失重率的影響

萊陽梨含水量高，貯藏期間易失水失重造成果皮皺縮、果肉失脆，使果實失去原有的鮮嫩品質(zhì)，從而降低其商品價值。不同貯藏條件下萊陽梨失重率變化見圖8。

由圖8可以看出，兩種貯藏條件下，梨果實失重率均隨著貯藏時間的延長而逐漸增加。與常壓冷藏相比，微真空貯藏條件能顯著延緩梨果實的失重速率(P＜0.05)。表明微真空貯藏條件下可有效抑制梨果實的水分散失，保持梨果實鮮嫩的外觀品質(zhì)。

圖8 不同貯藏條件下失重率的變化Fig.8 Changes of weight loss under different storage

3 結論

這里在介紹了新研制的微真空貯藏設施的設計原理及其各組成部分的性能的基礎上，進一步對微真空貯藏設施保鮮萊陽梨果實的效果進行了初步的試驗研究。通過試驗發(fā)現(xiàn)，與常壓冷藏相比，微真空貯藏條件能夠明顯降低萊陽梨果實貯藏期間水分的散失，保持梨果實的鮮嫩狀態(tài)，提高梨果實的好果率和果肉口感，改善梨果實的感官品質(zhì)。證明微真空貯藏條件能夠改善梨果實的感官質(zhì)量，提高梨果實的保鮮效果，尤其是對控制梨果實真空貯藏過程中的失水效果顯著(P＜0.05)。但對于萊陽梨及其它新鮮果蔬的微真空貯藏較佳工藝參數(shù)的確定尚需要進一步的研究和探索。

本文受山東省科技發(fā)展計劃(2008GG30008025)、山東省自然科學基金(Y2007D65)及青島農(nóng)業(yè)大學高層次人才啟動基金資助。(This project was supported by the Project of Science and Technology Department of Shandong Province(No. 2008GG30008025), Natural Science Foundation of Shan dong ( No.Y2007D65) and High-level talents start-up foundation of Qingdao agricultural university.)

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