不同溫度場響應 對西葫蘆采后貯藏品質的影響

李春暉,張 敏,2,3,*,艾文婷,邵婷婷,劉 威,朱賽賽

(1.上海海洋大學食品學院,上海 201306;2.上海冷鏈裝備性能與節能評價專業技術服務平臺,上海 201306;3.食品科學與工程國家級實驗教學示范中心(上海海洋大學),上海 201306)

西葫蘆(CucurbitapepoL.)別稱美洲南瓜,俗稱茭瓜、番瓜、白瓜、洋梨瓜等,屬于葫蘆科、南瓜屬。原產于亞熱帶的西葫蘆,因其在高溫、多濕的環境下生長,對低溫較為敏感,貯存在7 ℃以下即會出現冷害癥狀[1]。

大量的研究表明,熱激處理可以減輕冷害癥狀,延緩果蔬衰老進程并延長其貯藏期[2-6]。王靜等[2]研究表明熱激處理哈密瓜能夠減緩果實可溶性固形物和抗壞血酸含量下降,抑制細胞膜相對滲透率和丙二醛(MDA)含量上升,降低貯藏后期的冷害率。Mccollum等[3]研究發現熱激處理能夠抑制黃瓜的呼吸作用,并降低其冷害率。Vicente等[4]研究表明,45 ℃熱空氣處理草莓3 h,置于0 ℃冷藏,其滴定酸含量明顯低于對照。Shadmani等[5]認為熱水處理誘導番木瓜在6 ℃低溫下的抗冷性與抗氧化酶體系如抗壞血酸過氧化物酶(APX)、過氧化氫酶(CAT)等活性的提高密切相關。Surassawadee等[6]發現42 ℃熱處理香蕉10 min,在4 ℃貯藏10 d后冷害指數、MDA、相對電導率、PLD及LOX活性均低于對照組,有效減輕了冷害。

目前,有人采用數值模擬方法對黃瓜[7]、香瓜[7]、蘋果[8-10]、梨[10]等在熱處理時果實組織溫度場的變化進行了系統研究,但未見西葫蘆果實在熱處理過程中傳熱方面的系統報道。本研究以“百麗-308”西葫蘆為試材,監測熱激過程中西葫蘆果實內部的溫度響應,分析組織內部的傳熱規律,采用生物傳熱與生理品質指標相結合的辦法,探討熱處理傳熱過程溫度場變化對果蔬生理品質的影響規律,篩選合適的熱處理時間,旨在為熱處理技術在“百麗-308”西葫蘆果實保鮮中的應用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

“百麗-308”西葫蘆 挑選尺寸大小相近[半徑為(3.1±0.2)cm,全長為(20.6±0.3) cm]、成熟度一致、無病蟲害、無機械傷的西葫蘆果實,采收后立即運往實驗室，上海市浦東新區臨港新城果園農場;2,6-二氯靛酚(≥97%)、草酸(≥99.5%)、抗壞血酸(≥99.7%)、硫代巴比妥酸(≥98%)、三氯乙酸(≥99%) 購于國藥集團化學試劑有限公司;蒸餾水 上海海洋大學綜合實驗室制備。

F2640多點溫度采集儀 美國福祿克電子儀器儀表公司;BPS-100CA型恒溫恒濕箱 上海一恒科學儀器有限公司;BJ2100D型數字孔式電子天平 臺灣精達電子儀器有限公司;GY-4型數顯果實硬度計 杭州匯爾儀器設備有限公司;TGL-20BR型高速臺式冷凍離心機 上海安亭科學儀器廠;UV-7504型紫外可見分光光度計 上海精密儀器儀表有限公司;2700型數據采集儀 美國吉時利儀器公司;DDS-307型電導率儀 上海笛柏實驗設備有限公司;HSWX-600BS型電熱恒溫水溫箱 上海圣科儀器設備有限公司;HZ-82A恒溫振蕩箱 江蘇省金壇市環宇科學儀器廠;DSC823E型熱流型差示掃描量熱儀 瑞士梅特勒公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理 將果實隨機分成5組,每組68個。第1組為冷藏對照組(CK);第2組在40 ℃熱空氣下熱處理0.5 h;第3組在40 ℃熱空氣下熱處理1 h;第4組在40 ℃熱空氣下熱處理2 h;第5組在40 ℃熱空氣下熱處理4 h。所有熱處理均在(40±1) ℃、85%±5%的恒溫恒濕箱中進行,其中風機風速為1.7 m/s,風向與西葫蘆軸線垂直。熱處理完畢后迅速將西葫蘆移至溫度為(4±0.5) ℃、相對濕度為78%±5%的冷庫內冷藏。每隔3 d取樣一次,測定西葫蘆的冷害率、失重率、硬度、抗壞血酸含量、MDA含量、相對電導率。

1.2.2 熱處理過程中的理論傳熱模型的建立 為方便探究西葫蘆組織的熱處理傳熱特性,假設西葫蘆組織均勻且熱導率各向同性、各熱物性物理量不變;西葫蘆形狀簡化為兩端為半球體,中間段為圓柱體;植物體內由于呼吸作用產生的代謝熱量對其自身溫度變化影響較小[11],忽略呼吸熱。

基于上述假設并考慮西葫蘆傳熱的對稱性,取西葫蘆的四分之一作為研究對象。

圖1 西葫蘆的物理模型Fig.1 Physical model of Cucurbita pepo L.

根據對西葫蘆物理模型的建立及其簡化,該熱激過程為常物性、無內熱源三維非穩態傳熱過程,其非穩態導熱偏微分方程為[12]:

式(1)

西葫蘆的外表面與恒溫恒濕箱內的熱空氣發生對流換熱,視為第三類邊界條件。

式(2)

初始條件為:tw=t0(τ=0)

式(3)

式中:τ-熱處理時間,s;α-西葫蘆熱擴散率,m2/s;λ-西葫蘆熱導率,W/(m· ℃);w-邊界符號;n-西葫蘆表面外法線方向;h-西葫蘆表面對流換熱系數,W/(m2· ℃);tw-西葫蘆壁面溫度,℃。

在Ansys Fluent 15.0軟件中,西葫蘆(固體)與熱空氣(流體)的接觸面設為流固耦合面,流固耦合面的對流換熱系數由軟件自行計算。

1.2.3 熱物性參數的測定 果實密度由排水法測定。比熱容測定參考楊樂等[9]的方法,采用差示掃描量熱法測定。熱導率測定參考張敏等[8]的方法,采用熱探針法測定。

1.2.4 溫度的采集 溫度的測定參考張敏[8]等的方法,將西葫蘆放入溫度(20±1) ℃、濕度85%±5%的恒溫恒濕箱一段時間,隨后迅速將T型熱電偶沿赤道面徑向方向分別插入距中心2R/3處、R/3處和中心處,立即將西葫蘆移至溫度(40±1) ℃、濕度85%±5%的恒溫恒濕箱內,采用多點溫度采集儀記錄數據。

1.2.5 無量綱過余溫度 根據傳熱學理論,無量綱溫度θ的表達式為:

式(4)

式中:t-西葫蘆的平均溫度,℃;t0-西葫蘆的初始溫度,℃;tf-熱激介質溫度,℃。

采用無量綱過余溫度可以表示西葫蘆在熱激處理過程中,果實內部溫度和初始溫度的相對變化關系,其值隨熱激處理時間的延長逐漸趨于0,無量綱過余溫度θ=0.1及θ=0分別表示90%和100%處理時間對西葫蘆的熱處理進程。

1.2.6 貯藏期間生理品質指標測定

1.2.6.1 冷害指數 參照畢陽等[13]的方法,分別在貯藏期第3、6、9、12、15 d將果實從冷庫中取出后轉移常溫下復溫2 d,觀察其發生冷害狀況,每個實驗組隨機選取10根西葫蘆。

式(5)

其中冷害級數:0級:無冷害;1級:冷害斑面積≤10%;2級:11%<冷害面積≤25%;3級:26%<冷害面積≤50%;4級:50%<冷害面積。

1.2.6.2 失重率 參照吳彬彬等[14]的方法,各實驗組每次隨機稱取10個果實。

式(6)

1.2.6.3 硬度 參照Yuan[15]的方法。選取西葫蘆,在赤道處將西葫蘆切成兩半,選取西葫蘆對稱部位使用果實硬度測試儀向內插入西葫蘆1 cm(探頭1 cm處),每根西葫蘆測對稱的6個位置,每組測定3個樣品,取其平均值。

1.2.6.4 抗壞血酸含量 參考王學奎和曹建康[16-17]的方法,采用2,6-二氯靛酚滴定法測定抗壞血酸含量。選取西葫蘆,在赤道處將西葫蘆切開,然后在赤道部位均勻切取3處果肉組織,每組取3個果實,每次均切取赤道部位果肉組織,重復3次。

1.2.6.5 丙二醛含量 參照曹建康等[17]的方法。取樣品5 g,加入5 mL、100 g/L TCA溶液,冰浴研磨成均漿,于4 ℃、13000 r/min離心30 min。取兩支試管分別加入2.0 mL、6.7 g/L TBA,一支加入2.0 mL提取液,另一支作為對照組加入2.0 mL、100 g/L TCA溶液用來代替提取液。然后在沸水浴中煮沸20 min,冷卻到室溫后測定各吸光度值。每組取3個果實,每次均切取赤道部位果肉組織,重復3次。

1.2.6.6 相對電導率 參照王鴻飛等[18]的方法。分別測得各處理組的液體初始電導值(R0)、活體組織提取液的電導值(R)和組織被殺死后提取液的電導值(R′),從而由下式算得相對電導率I。每組取3個果實,每次均切取同一部位果肉組織,每個果實切取3片果肉組織。

式(7)

1.3 數據處理

采用Excel 2003處理實驗數據并作折線圖,并以SPSS 19.0進行數據差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 模型驗證及傳熱過程的分析

2.1.1 模型實驗驗證 采用ANSYS Fluent 15.0對熱激過程中西葫蘆的溫度場進行模擬,時間步長取為10 s,監測并記錄赤道面徑向距離中心2R/3處、R/3處及中心處的溫度。西葫蘆熱物性參數測定值如表1。

表1 西葫蘆熱物性參數Table 1 Thermal parameters of Cucurbita pepo L.

圖2 溫度場模擬值與實測值的比對Fig.2 Comparison of simulated and measured values of temperature field

為了探討所設西葫蘆模型的正確性,以便于下一步研究工作的展開,取西葫蘆組織上若干有代表性的點進行模擬值和實測值的比對。熱處理過程中,西葫蘆赤道所在面徑向不同位置組織溫度的實測值與模擬值如2圖所示,赤道面徑向距離中心2R/3處、R/3處及中心處溫度模擬值與實測值之間的最大絕對誤差分別為1.66 ℃(約第45 min時)、1.37 ℃(約第35 min時)及0.69 ℃(約第55 min時)。距離中心2R/3處的溫度在達到熱平衡之前,實測值的溫度始終略高于模擬值,這是因為模擬計算時假設西葫蘆各處的比熱容相同,而在實際情況中西葫蘆表皮處的比熱容比平均比熱容低,表層處的熱擴散率高于假設條件下的計算值所致;在果實中心處,熱激10 min時,實測西葫蘆中心處的溫度僅上升0.41 ℃,這說明西葫蘆作為一種具有生命特征的生物體,對外界溫度變化的響應具有生物學的時滯效應[11],這與尹海蛟[19]等對熱激處理時黃瓜組織溫度場的研究相一致。

綜合赤道面上距離中心2R/3處、R/3及中心處的溫度比對,可以看出模擬值與實測值在溫度曲線的走勢及熱平衡所需時間等基本吻合,誤差在可接受范圍內,這表明西葫蘆的物理模型和對其熱物性的假設基本符合實際情況,由此對西葫蘆的平均溫度做進一步深入研究。

2.1.2 熱處理過程中西葫蘆組織的傳熱分析 采用ANSYS Fluent 15.0對熱激過程中西葫蘆果實溫度場進行模擬。由圖3可知,西葫蘆果實平均升溫速率隨熱激時間延長而逐漸減小,當與熱激介質之間達到熱平衡時,平均升溫速率降為0。根據西葫蘆果實平均溫度的動態變化特征及西葫蘆生命體應對外來刺激的應激反應,將θ=0.1時的處理時間(約74 min)及θ=0時的處理時間(約138 min)作為臨界值,分別將西葫蘆熱激處理過程劃分為熱激應激階段(0～74 min)、熱激衰減階段(75～138 min)及熱激消失階段(138 min以后)3個階段。由圖3、圖4可知,熱激應激階段內西葫蘆溫度變化劇烈,且果實組織溫度梯度較大,熱量傳遞主要集中在該區域;熱激衰減階段內西葫蘆與熱激介質仍存在一定的溫差,但是升溫速率已十分緩慢;熱激消失階段內西葫蘆與熱激介質間傳熱溫差消失,達到熱平衡。實驗基于3個分區將西葫蘆熱處理時間取為0.5 h和1 h(熱激應激階段)、2 h(熱激衰減階段)及4 h(熱激消失階段)。圖5為各熱處理時間對應的西葫蘆剖面的溫度云圖。

圖3 熱激處理過程中西葫蘆果實平均升溫速率Fig.3 The average temperature rise rate of Cucurbita pepo L. in heat shock treatment

圖4 熱激處理過程中西葫蘆組織內部的溫度梯度Fig.4 Temperature gradient of Cucurbiba pepo L. in the process of heat shock treatment

圖5 各熱處理時間下西葫蘆組織的溫度場云圖Fig.5 Temperature field cloud picture of Cucurbita pepo L. under different heat shock time

2.2 不同溫度場響應對西葫蘆生理生化指標的影響

2.2.1 不同溫度場響應對西葫蘆冷害指數的影響 由圖6可知,西葫蘆果實的冷害指數隨著低溫貯藏時間的延長,呈現逐漸上升的趨勢,在冷藏第6 d時,CK組首先發生了冷害現象,至冷藏第15 d時,1 h處理組與熱激0.5、2、4 h處理組及CK組的冷害指數有顯著差異(p<0.05)。在貯藏期內,1 h處理組沒有發生冷害及腐爛現象,這可能是低溫逆境下活性氧的過度積累是導致植物細胞受到傷害的重要原因。至貯藏期末(15 d),0.5、2、4 h熱激處理組及CK組的冷害指數分別為0.100、0.200、0.267和0.300,而1 h處理組的冷害指數為0。這說明適當的熱激處理可以有效抑制“百麗-308”西葫蘆果實冷害的發生,而熱處理1 h西葫蘆可以較好的抑制果實冷害。

圖6 不同溫度場響應對西葫蘆冷害指數的影響Fig.6 Effect of different temperature field responses on chilling index of postharvest Cucurbiba pepo L.

2.2.2 不同溫度場響應對西葫蘆失重率的影響 呼吸作用和水分散失是果蔬在貯藏期間失重的主要原因。呼吸作用消耗了機體內的營養物質,降低了果蔬的營養價值。而水分散失使得果蔬組織細胞膨壓下降甚至失去膨壓,表皮失去原有光澤,出現萎蔫、皺縮、疲軟現象[20]。一般來說,如果重量損失達到5%,其新鮮度就會明顯下降[21]。由圖7可知,在整個貯藏期間西葫蘆的失重率是隨著貯藏時間延長逐步增大的,在貯藏后期的失重率較貯藏初期呈快速增大趨勢,這可能因為在貯藏后期各實驗組的冷害現象加重,進而促進西葫蘆組織的新陳代謝,加速了營養成分的流失[22]。在貯藏第15 d時,熱激1 h西葫蘆的失重率極顯著低于0.5、2、4 h處理組及CK組(p<0.01),失重率僅為1.9%;比CK組、0.5、2、4 h處理組的失重率分別低了38.7%、17.4%、24.0%和38.7%。這表明對西葫蘆進行1 h的熱處理能有效抑制西葫蘆在冷藏期間的新陳代謝,減少蒸騰失水及干物質的損耗。

圖7 不同溫度場響應對采后西葫蘆失重率的影響Fig.7 Effect of different temperature field responses on the weight loss rate of postharvest Cucurbiba pepo L.

2.2.3 不同溫度場響應對西葫蘆硬度的影響 硬度是反應果蔬成熟度一個重要指標,它與果蔬的貯藏性呈正相關[23]。冷害會導致果實腐爛,進而導致硬度下降。由圖8可知,不同處理條件下,西葫蘆果實的硬度隨著貯藏時間均呈下降趨勢,這是由于隨著果實的成熟,其內部產生果膠酶,原果膠被水解生成可溶性果膠和果膠酸[24]。自貯藏第3 d始，熱處理1 h的西葫蘆硬度均高于其他處理組，至貯藏期末(15 d)，1 h處理組與其他處理組之間達到顯著性差異水平(p<0.05)。在第3 d時,西葫蘆的硬度急劇下滑,隨著貯藏天數的增加,降幅有所減小。在貯藏第15 d時,1 h處理組西葫蘆的硬度分別比0.5、2、4 h處理組及CK組高20.1%、29.5%、38.3%及46.8%,這是因為第15 d時1 h處理組尚未發生冷害現象,從而避免因冷害而導致的果實硬度的急劇下滑。

圖8 不同溫度場響應對采后西葫蘆硬度的影響Fig.8 Effect of different temperature field responses on the hardness of postharvest Cucurbiba pepo L.

2.2.4 不同溫度場響應對西葫蘆抗壞血酸含量的影響 抗壞血酸是一種還原性物質,可以清除果實體內的活性氧,保護細胞組織免受損害而延緩果實衰老的速度[25]。由圖9可知,隨貯藏時間的延續,西葫蘆果實中抗壞血酸含量逐漸降低,各實驗組在第6～9 d抗壞血酸含量變化極小。從貯藏第3 d開始,1 h處理組西葫蘆的抗壞血酸含量極顯著高于同期其他實驗組(p<0.01),且0.5、2和4 h處理組的抗壞血酸含量均處于較低水平。至貯藏期末(15 d),1 h處理組的抗壞血酸含量分別是0.5、2、4 h處理組和CK組的1.75、2.33、2.04和7倍,這表明熱處理1 h可以大幅降低西葫蘆果實中抗壞血酸的分解,從而延緩果實衰老的進程。

圖9 不同溫度場響應對采后西葫蘆抗壞血酸含量的影響Fig.9 Effect of different temperature field responses on the content of ascorbic acid in postharvest Cucurbiba pepo L.

2.2.5 不同溫度場響應對西葫蘆MDA含量的影響 Lyons的膜脂相變假說認為,低溫傷害首先是改變了細胞膜的膜相。膜脂從液晶相變為凝膠相,最終導致細胞膜通透性增大以及膜上結合酶活化能提高,酶促反應速度失去平衡,代謝紊亂,有害物質積累[26]。在整個貯藏期間,各實驗組的MDA含量均呈現先急劇上升后緩慢上升的趨勢,其中在貯藏第3～9 d,CK組、2 h處理組及4 h處理組的MDA含量增幅較大,這可能與這3個實驗組在此期間陸續出現冷害現象有關。從貯藏第12 d開始,熱激激處理1 h西葫蘆的MDA含量均顯著低于同期其他實驗組(p<0.05),且1 h處理組的MDA含量一直處于較低水平,變化較為平緩。至貯藏期末(15 d),1 h處理組的MDA含量比0.5、2、4 h處理組和CK組分別低23.0%、32.4%、40.9%和38.2%。總體來說,在整個貯藏期間,熱激處理組的MDA含量在不同程度上低于CK組,這是因為熱處理減少了細胞膜脂的過氧化并且減輕低溫對細胞膜造成的傷害[26-29]。

圖10 不同溫度場響應對采后西葫蘆MDA含量的影響Fig.10 Effect of different temperature field responses on the content of MDA of postharvest Cucurbiba pepo L.

2.2.6 不同溫度場響應對西葫蘆相對電導率的影響 植物在低溫逆境時,細胞膜通透性增大,最終導致相對電導率的增加[30]。在整個貯藏期間,各組果實相對電導率均呈現先急劇上升后緩慢上升的趨勢,熱激1 h處理組的相對電導率明顯低于其他組(p<0.01),其中2、4 h處理組和CK組相對電導率比較相近。在第12～15 d期間,各實驗組的相對電導率增幅比第6～12 d要大。在第15 d時,0.5 h處理組的相對電導率快速增加,這可能因為低溫脅迫影響加重,這與該處理在冷溫貯藏第15 d時發生冷害現象相吻合。熱激1 h處理組的相對電導率比0.5、2、4 h處理組和CK組分別低18.5%、28.2%、32.9%和34.3%,這表明熱處理1 h可以有助于維持西葫蘆細胞膜的完整性。

圖11 不同溫度場響應對采后西葫蘆相對電導率的影響Fig.11 Effect of different temperature field responses on relative conductivity of postharvest Cucurbiba pepo L.

3 結論

建立了熱激條件下的西葫蘆傳熱模型,假設西葫蘆組織均質且熱導率各向同性、各熱物性物理量不變,基于該條件下溫度場模擬值與實測值之間的最大絕對誤差為1.66 ℃,誤差在可接受范圍內,這表明西葫蘆的物理模型和對其熱物性的假設基本符合實際情況,這可為今后用數值模擬計算代替實驗測定提供一定的理論依據。

較對照組相比,適宜的熱處理可以降低果蔬的冷害指數,延緩果蔬營養物質的流失并延長其貯藏期,大幅提升果蔬的貯藏價值、食用價值和經濟價值。熱空氣處理0.5 h可以延緩西葫蘆果實冷害的發生時間,有效降低失重率,減緩硬度及抗壞血酸含量的下降,顯著減少膜脂過氧化產物丙二醛的積累和抑制相對電導率的增加。較熱空氣處理0.5 h相比,1 h處理組的冷害指數、失重率維持較低水平,丙二醛含量、相對電導率得到了更顯著的抑制,抗壞血酸含量及果實硬度等果實品質更良好。熱空氣處理2 h對抑制西葫蘆丙二醛含量和相對電導率上升的作用較弱。熱空氣處理4 h的西葫蘆冷害指數和失重率較高,硬度和抗壞血酸含量的下降幅度較大,對抑制西葫蘆丙二醛含量和相對電導率的增加無明顯效果。總體來看,在各熱處理組中,以40 ℃熱空氣處理1 h西葫蘆的保鮮效果最佳,該處理方式可最大限度地延長采后西葫蘆冷害的發生時間,減少果實失重率,延緩MDA含量和相對電導率的升高,維持較高的果實硬度和抗壞血酸含量。

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