不同低溫逆境條件下黃瓜果實的熱特性參數(shù)變化

黃汝國，張 敏*，袁海濤，解 越，梁飛俠

（上海海洋大學食品學院，上海 201306）

不同低溫逆境條件下黃瓜果實的熱特性參數(shù)變化

黃汝國，張 敏*，袁海濤，解 越，梁飛俠

（上海海洋大學食品學院，上海 201306）

探討低溫逆境條件下黃瓜貯藏過程中熱特性參數(shù)變化規(guī)律，對在2、5、8、11 ℃低溫條件下黃瓜果實的熱特性隨貯藏時間的變化進行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：黃瓜在2、5、8 ℃條件下均有冷害發(fā)生，而在11 ℃條件下并未出現(xiàn)冷害；隨著貯藏時間的延長，黃瓜的質(zhì)量損失率會漸漸上升，而比熱容因失水而下降；黃瓜的熱導率在冷害發(fā)生前后出現(xiàn)拐點。實驗結(jié)果表明，果實熱特性參數(shù)的變化與其生物組織冷害具有一定的相關(guān)性。

低溫逆境；熱特性；比熱容；熱導率；冰點

對果實在低溫等逆境條件下的生理研究一直是國內(nèi)外果實采后貯藏研究中的熱點。果實采后貯藏中溫度是影響其生理變化的其中一個重要的因素，低溫貯藏也被認為是果實保鮮貯藏最有效的方法[1-2]，但冷敏型果實在冰點以上的低溫貯藏容易引起果實內(nèi)部的代謝失調(diào)和機體損傷[3-4]。黃瓜是一種典型的冷敏型果蔬，是全球十大蔬菜之一。黃瓜在低溫逆境條件下貯藏易造成生理代謝紊亂和細胞膜結(jié)構(gòu)損傷，亦即出現(xiàn)了冷害。黃瓜的冷害癥狀一 般表現(xiàn)為表皮凹陷、水漬狀斑點等[5-6]。前人對黃瓜在低溫逆境條件下貯藏過程，黃瓜的膜透性、酶蛋白活性等生理生化特性進行了大量的研究，但對于黃瓜在低溫逆境條件下的熱特性的變化規(guī)律研究較少。

本研究選取黃瓜為研究對象，以測定其冰點、可溶性固形物、熱導率、比熱容等特性參數(shù)為依據(jù)，旨在發(fā)現(xiàn)低溫逆境對冷敏果實熱特性參數(shù)影響，探明冷敏果實冷害發(fā)生過程中熱傳遞特性參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，為下一步進行冷敏果實冷害過程中熱特性參數(shù)與組織細胞膜透性和細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究以及冷敏果實低溫冷害指標的研究提供理論和實驗參考。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗材料采用瑞青黃瓜（新一代全雌性華南系黃瓜品種，非嫁接栽種，果長23 cm左右，單瓜質(zhì)量220 g左右），均選取新鮮成熟的作為研究對象，果實飽滿，無機械損傷，長條H型，采自上海市浦東新區(qū)書院鎮(zhèn)大棚。

1.2 儀器與設備

DCS823e差示量熱掃描儀 瑞士梅特勒公司；BT224S型電子分析天平（精度0.1 mg）、MA100C鹵素水分測定儀 德國Sartorius公司；WYA-2S數(shù)字阿貝折射儀 上海儀電物理光學儀器公司；GY-1型硬度計杭州東邦科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 實驗處理

采摘的黃瓜適當沖洗拭干，每3 根一組，然后裝入帶孔的聚乙烯薄膜保鮮袋中，每個溫度7 組，其中1組作為第0天樣品，分別貯藏于2、5、8、11 ℃，相對濕度85%的恒溫、恒濕箱中。貯藏后的0.5、1、2、4、6、8、 10 d，分別取樣，置于20 ℃的室溫條件下，4 h后待黃瓜復溫至室溫條件下測試各項指標。

1.3.2 指標測定

1.3.2.1 硬度的測定

使用果實硬度計測量黃瓜中段位置去皮后的硬度，探頭直徑為1 cm，測試壓入深度10 cm，每次測定3 個樣品。1.3.2.2 冷害指數(shù)的測定

參考喬勇進等[7]方法，黃瓜的冷害癥狀為瓜面表皮凹陷，果皮出現(xiàn)水浸狀斑點，失水萎蔫。冷害分級標準如下：Ⅰ級：0，正常果實，Ⅱ級：冷害斑在1%～25%，Ⅲ級：冷害斑在26%～50%，Ⅳ級：冷害斑在 50%～75%，Ⅴ級：冷害斑在76%～100%。按式（1）計算冷害指數(shù)。

1.3.2.3 含水量的測定

含水量的測定采用MA100C鹵素水分測定儀[8]，以百分含量計。

1.3.2.4 可溶性固形物含量的測定

根據(jù)文獻[9]采用WAY-2S數(shù)字阿貝折射儀測定，以百分含量計。

1.3.2.5 冰點的測定

使用DSC法測定冰點的過程是先使試樣凍結(jié)，再升溫使其熔化，測定熔融過程的熱效應，通過熱流曲線顯示試樣的熔融過程。因此實驗中只要記錄功率隨時間（溫度）的變化也就反映了試樣吸熱速 度隨時間（溫度）的變化[10-11]。

1.3.2.6 比熱容的測定

采用文獻[10]的方法測定黃瓜的比熱容，按式（2）計算：

式中：Cp為樣品的比熱/（J/（g·K））；Cpstd為標準物質(zhì)的比熱/（J/（g·K））；mstd為標準物質(zhì)的質(zhì)量/mg；ms為樣品的質(zhì)量/mg；DSCs為樣品的熱流信號/mW；DSCstd為標準物質(zhì)的熱流信號/mW；DSCb為空坩堝的熱流信號/mW。

1.3.2.7 熱導率的測定

熱導率測試采用張敏等[12-13]的測量果實熱導率實驗裝置的方法進行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同低溫逆境條件下黃瓜果實的冷害指數(shù)

圖1 不同低溫逆境條件下黃瓜果實的冷害指數(shù)Fig.1 Chilling injury index of cucumber fruit under different low temperature stresses

黃瓜屬于冷敏果蔬，低溫條件下貯藏容易發(fā)生冷害[3-6]。由圖1可知，黃瓜在11 ℃的貯藏期間內(nèi)并未有冷害發(fā)生，2 ℃條件下黃瓜貯藏1 d后即發(fā)生冷害，5 ℃和8 ℃條件下分別貯藏4 d和8 d時也出現(xiàn)了冷害癥狀。

2.2 不同低溫逆境條件下黃瓜果實質(zhì)量損失率的變化

圖2 不同低溫逆境條件下黃瓜果實質(zhì)量損失率的變化Fig.2 Changes in weight loss in cucumber fruit under different low temperature stresses

在低溫逆境條件下，黃瓜果實內(nèi)部的水分運動會有所減緩，但仍會有水分散失存在[14]。由圖2所示，在實驗過程中，各個實驗組質(zhì)量損失率幾乎呈線性增長。黃瓜在2 ℃的低溫逆境條件下，水分不斷散失，其質(zhì)量損失率逐漸提高，實驗結(jié)束時，質(zhì)量損失率為3.17%。同樣地，5、8、11 ℃各組的質(zhì)量損失率分別為3.6%、4.26%、5.12%。11 ℃條件下的質(zhì)量損失率是2 ℃條件下的162%，可見在低溫逆境、相同濕度條件下，貯藏溫度的高低是影響黃瓜果實質(zhì)量損失率的關(guān)鍵因素。

2.3 不同低溫逆境條件下黃瓜果實硬度的變化

硬度是衡量果實保鮮效果的其中一項重要指標[15]。隨著貯藏時間的延長，由于黃瓜果實會漸漸失去水分而變得綿軟[16-17]，如圖3所示，各實驗組黃瓜果實的硬度均隨時間延長不斷下降，其中以2 ℃的低溫逆境時下降最快，至實驗結(jié)束時，其硬度為初始硬度的51%，而5、8、11 ℃各組的硬度最終分別下降為初始值的56%、64%、76%。2 ℃的低溫與5、8、11 ℃各組之間差異顯著（P＜0.05）。

圖3 不同低溫逆境條件下黃瓜果實硬度的變化Fig.3 Changes in fi rmness in cucumber fruit under different low temperature stresses

2.4 不同低溫逆境條件下黃瓜果實可溶性固形物含量的變化

圖4 不同低溫逆境條件下黃瓜果實可溶性固形物含量的變化Fig.4 Changes in soluble solids content in cucumber under different low temperature stresses

可溶性固形物含量可以在一定程度上反映果實的成熟度，并和其成熟度呈反比，隨著貯藏時間延長，果實呼吸衰老，果實果肉的可溶性固形物會有所下降[9]。如圖4所示，在不同低溫逆境條件下，黃瓜隨著時間的延長其可溶性固形物含量會逐漸降低，新鮮黃瓜的可溶性固形物含量為7.2%，到第10天后，2、5、8、11℃貯藏下的可溶性固形物含量分別為4.2%、4.4%、5.2%、5.8%，其中2 ℃條件下降低的幅度最大為41.7%，貯藏溫度越高降低的幅度越小。這可能是因為可溶性固形物的主要成分是糖，果蔬機體在遇到低溫逆境時，會在一定程度上以糖為原料進行聚合反應，使自由水向結(jié)合水轉(zhuǎn)變，釋放出能量來抵御低溫逆境。

2.5 不同低溫逆境條件下黃瓜果實冰點的變化

圖5 不同低溫逆境條件下黃瓜果實冰點的變化Fig.5 Changes in freezing point of cucumber fruit under different low temperature stresses

如圖5所示，不同低溫逆境條件下黃瓜果實冰點隨著貯藏時間延長呈逐漸上升的趨勢，并且在不同的低溫逆境條件下，冰點上升的幅度并不相同。新鮮黃瓜的冰點為-1.3 ℃，到第10天后，2、5、8、11 ℃貯藏條件下的冰點分別為-0.35、-0.57、-0.59 ℃和-0.76 ℃，各組之間差異顯著（P＜0.05）。黃瓜果實冰點的升高是由于隨著貯藏時間的延長其可溶性固形物含量下降所致，這也與前人的研究[18-19]結(jié)論相一致。

2.6 不同低溫逆境條件下黃瓜果實比熱容的變化

圖6 不同低溫逆境條件下黃瓜果實20 ℃時的比熱容變化Fig.6 Changes in specifi c heat capacity at 20 ℃ in cucumber fruit under different low temperature stresses

由圖6可以看出，在4 種低溫逆境條件下，黃瓜的比熱容都是呈不斷下降的趨勢，2 ℃條件下貯藏的黃瓜的比熱容由初始的3.93 kJ/（kg·K）下降到最終的3.81 kJ/（kg·K），下降的比例為3.05%。5、8、11 ℃貯藏條件下，黃瓜的比熱容分別下降到3.79、3.76、3.73 kJ/（kg·K），下降的比例分別為3.56%、4.32%和5.09%，貯藏的溫度越低下降的幅度越小。由于含水量較高的食品材料的比熱容基本上由其含水量確定[20-21]，黃瓜果實貯藏過程中水分的散失可能是造成黃瓜比熱容下降的主要原因。這與圖1所示的質(zhì)量損失率上升的比例比較吻合，并且也與果蔬比熱容隨其含水率的增大而呈增大趨勢的報道[22]一致。

2.7 不同低溫逆境條件下黃瓜果實熱導率的變化

圖7 11 ℃低溫逆境條件下黃瓜果實熱導率的變化Fig.7 Changes in thermal conductivity in cucumber fruit under different low temperature stresses

由圖7可知，不同低溫逆境條件下黃瓜果實熱導率隨貯藏時間延長產(chǎn)生變 化，2、5、8 ℃各組的熱導率在隨著貯藏時間的延長都發(fā)生了波動，且最后維持在一個比較低的值上，而11 ℃貯藏條件下的黃瓜熱導率值變化并不明顯。新鮮黃瓜的熱導率為0.53 W/（m·K），至實驗結(jié)束時，2、5、8、11 ℃貯藏條件下的黃瓜熱導率分別為0.45、0.46、0.45、0.54 W/（m·K）。結(jié)合圖1，可發(fā)現(xiàn)黃瓜熱導率出現(xiàn)波動和拐點的時間與初次冷害出現(xiàn)的時間較為一致，究其原因可能是黃瓜果實在受到冷害前后，組織細胞的生物膜發(fā)生了相變，膜脂由液晶態(tài)向凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變，同時膜脂相變還導致了原生質(zhì)流動的停止[23]，從而導致黃瓜的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，引起了熱導率發(fā)生了變化。

3 討論與結(jié)論

實驗表明，黃瓜在2、5、8 ℃低溫逆境條件下貯藏均有冷害發(fā)生，初次出現(xiàn)冷害的時間分別為1、4、8 d，而在臨界溫度11 ℃條件下，黃瓜并未出現(xiàn)冷害。在不同低溫逆境條件下，黃瓜隨著貯藏時間的延長其可溶性固形物會逐漸降低，因果蔬冰點與其可溶性固形物含量呈正相關(guān)[19]，所以可能導致了實驗中黃瓜果實的冰點隨著貯藏時間而升高。

在低溫逆境條件下，黃瓜貯藏過程中的質(zhì)量損失主要是由其呼吸作用和蒸騰作用導致了水分損失所致[14,24-25]，因為貯藏溫度低能有效抑制黃瓜的內(nèi)源酶活性，降低酶促反應并抑制黃瓜的生命活動，其呼吸作用和蒸騰作用也相應降低[26]。這也是在同一相對濕度，造成不同低溫逆境條件下的質(zhì)量損失率隨著貯藏溫度的升高和貯藏時間的延長而升高的原因，2、5、8、 11 ℃各組的質(zhì)量損失率分別為3.17%、3.6%、4.26%、5.12%。新鮮黃瓜的比熱容為3.93 kJ/（kg·K），由于受到貯藏期間黃瓜不斷失水的影響，黃瓜的比熱容有漸漸降低的趨勢，至實驗結(jié)束時2、5、8、 11 ℃各組的比熱容分別為3.81、3.79、3.76 kJ/（kg·K）和3.73 kJ/（kg·K），貯藏溫度越低比熱容下降的幅度越小，這與含水量的變化相一致。

不同低溫逆境條件下黃瓜果實熱導率會隨貯藏時間的延長而變化，新鮮黃瓜的熱導率為0.53 W/（m·K），至實驗結(jié)束時，2、5、8、11 ℃貯藏條件下的黃瓜熱導率分別為0.45、0.46、0.45、0.54 W/（m·K）。黃瓜熱導率的拐點與其初次冷害出現(xiàn)的時間較為一致，原因可能是黃瓜果實在受到冷害前 后，組織細胞的生物膜發(fā)生了相變，膜脂由液晶態(tài)向凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變，同時膜脂相變還導致了原生質(zhì)的流動停止，從而導致黃瓜的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，引起傳熱能力發(fā)生了變化。這將為下一步進行冷敏果實冷害過程中熱特性參數(shù)與組織細胞膜透性和細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究，以及冷敏果實低溫冷害指標的研究提供理論和實驗參考。

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Variations of Thermophysical Properties of Cucumber Fruit under Different Low Temperature Stresses

HUANG Ruguo, ZHANG Min*, YUAN Haitao, XIE Yue, LIANG Feixia
(College of Food Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

Ιn order to estimate the thermal properties of cucumber under low temperature stress, we measured the thermal properties of cucumber fruit stored for varying times at 2, 5, 8 and 11 ℃, respectively. The experimental results indicated that chilling injury appeared in the cucumbers when they were stored at 2, 5 and 8 ℃, but not at 11 ℃. The mass loss of cucumbers gradually increased during storage, while the specifi c heat capacity decreased due to the water loss. The infl ection point of thermal conductivity in cucumbers appeared around the storage time when its chilling injury occurred for the fi rst time. This study showed that there were some correlations between the changes in the thermal properties of fruit and its biological tissue injuries.

low temperature stress; thermophysical properties; specifi c heat capacity; thermal conductivity; ice point

TS255.1

A

1002-6630（2015）22-0177-04

10.7506/spkx1002-6630-201522034

2015-01-27

國家自然科學基金面上項目（31371526）；上海海洋大學研究生科研基金項目

黃汝國（1987—），男，碩士研究生，主要從事果蔬冷藏保鮮研究。E-mail：macao2047@126.com

*通信作者：張敏（1969—），女，教授，博士，主要從事生物傳熱及食品冷藏保鮮研究。E-mail：zhangm@shou.edu.cn