采后果蔬熱處理條件的傳熱特性分析

丁玉先，張娜*，陳愛強

1(華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌，330013)2(華東交通大學 土木工程國家實驗教學示范中心，江西 南昌，330013) 3(天津商業大學，天津市制冷技術重點實驗室，天津，300134)

采后熱水處理作為一種無毒、無農殘、安全的保鮮方法，一直受到領域內頗多關注。大量國內外研究表明，熱水處理在提高果蔬貯藏品質方面效果顯著，蘋果經50～52 ℃熱水處理3 min能有效降低貯藏過程中的腐爛率[1]，因熱處理引起的熱休克誘導了抗菌反應，有效抑制了病菌活性，同時刺激果實防御反應[2]。ZHANG等[3]研究發現55 ℃熱水處理芒果10 min可保持較高的聚半乳糖醛酸酶以及較低的果膠甲酯酶活性，提高貨架品質。“Dahshan”黃瓜經55 ℃熱水處理后，貯藏期內無腐爛現象[4]，硬度、顏色等指標均高于對照[5]，維持了細胞壁結構的完整性。WU等[6]認為45 ℃熱水處理能顯著抑制“巨豐”葡萄采后冷害、失重率及軟化情況，因為大多數蛋白的上調與防御反應和氧化還原代謝有關，對環境脅迫產生了生理適應性。“永豐”草莓經44 ℃熱水浸泡20 min后可保持較高的色澤和硬度，減少糖和可滴定酸的損失。50 ℃、5 min的熱水處理對抑制柑橘呼吸強度，提高多酚氧化酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶等酶活性方面效果同樣顯著[7]。

從傳熱角度出發，熱水處理過程的實質是能量從高溫介質不斷傳遞至低溫果蔬組織內部的過程，研究果蔬傳熱過程對于探索其產生保鮮效果的機理具有一定意義，目前熱處理方面的研究多側重于不同時間及溫度對不同果蔬產生的生理或品質影響，而在傳熱方面的研究較少。CHEN等[8]認為不同類型果蔬，其內部溫度的分布和最佳的處理時間是影響處理效果的關鍵因素，并對傳熱過程進行模擬，發現模擬值與實測值間的均方根誤差低于8%，從而驗證了模擬的可靠性。同時熱水是一種比熱空氣更有效的加熱介質[9]。為更全面的從傳熱角度探索熱處理產生保鮮效果的內在因素，本文針對蘋果梨、草莓、黃瓜、葡萄、芒果、臍橙6種果蔬，運用Fluent模擬軟件對熱水處理過程進行傳熱模擬。取單位時間內溫度變化量(℃/min)作為傳熱速率，傳熱速率變化表征著果實和傳熱介質熱量的交換程度，通過模擬得到不同時刻果肉中心溫度變化速率及組織溫度分布圖，探究不同果蔬熱激條件與傳熱特性之間的關系。

1 試驗方法及模型

1.1 模型精度驗證裝置

運用“先鋒”櫻桃熱水處理過程驗證傳熱模型的可靠性。驗證裝置如圖1所示：T型熱電偶，天津中環溫度儀器有限公司，精度±0.1 ℃；JULABO恒溫水槽，上海歡奧科技有限公司；GP10無紙溫度記錄儀，蘇州洋嘉電子有限公司。

圖1 模型精度驗證裝置

1.2 物理模型簡化

根據6種果實實物基本外形建立模型(圖2)，并認為果實組織按均勻同質處理，熱物性采用當量熱物性參數計算；果實組織物性僅受溫度影響；熱處理不改變果實主要成分組成，不考慮細胞組織骨架可能發生的形變；忽略表面水分蒸發對果實溫度的影響；熱量傳遞只在沿果實徑向的一維方向進行[9]。

a-蘋果梨;b-芒果;c-臍橙;d-草莓;e-葡萄;f-黃瓜

1.3 數學模型建立

熱水處理過程中，熱量通常以對流的形式從加熱介質傳至果實表面，對流傳熱系數可由公式(1)計算：

(1)

式中：d，果實直徑，m；Nu，無量綱努塞爾系數；u，加熱介質流速，m/s；vf,介質運動黏度，m2/s；kf,介質導熱系數，W/(m·℃)。其導熱基本控制方程如公式(2)所示：

(2)

式中：k，果實導熱系數，W/(m·℃)；t，加熱時間，s；Cp，果實比熱容，J/(kg·℃)；T，果實加熱時的瞬態溫度,℃；Q，果實內熱源，W/m3；ρ，果實密度，kg/m3；x、y分別為果實二維幾何截面內的橫縱坐標，m。

在20～55 ℃溫差范圍內，果蔬物性受溫度影響不大，Cp、k和ρ可視為定值，加熱過程中，無內熱源，果實呼吸作用較小也可忽略，因此Q=0。公式(2)可轉化為直角坐標系下的二維非穩態導熱微分方程[17]。

(3)

式中：α為熱擴散系數，m2/s。

1.4 果蔬熱處理條件、模型尺寸及熱物性參數

通過文獻調研[2,6,10-20]得到上述6種果蔬的熱水處理條件，熱特性參數作為輸入模型所必須的材料屬性，參數見表1，物理模型尺寸如圖2所示。

1.5 網格無關性驗證

在Gambit中建立幾何模型及網格劃分，以蘋果梨(45 ℃、30 min)傳熱為例，進行網格數量與計算結果無關性的驗證。計算區域采用二維四邊形網格，圖3為蘋果梨在不同網格數量下，中心溫度隨時間變化情況，通過3種不同網格間隔(0.003、0.001及0.000 5)分別得到不同網格數(480、4 450及17 380)，對比發現較疏與較密網格間溫度最大相差0.19 K，認為該模型可用于本文的模擬研究。

表1 熱處理介質熱物性參數及熱激條件

圖3 網格無關性驗證

2 模擬結果及分析

2.1 傳熱模型精度驗證

42 ℃熱水浸泡櫻桃10 min，用T型熱電偶對靠近櫻桃果核邊緣處果肉進行實時溫度測量，每個測量3次取平均值，由圖4可知,整體看實測值與模擬值變化趨勢相似，均方根誤差為7.8%，可以認為該模型精度相對準確。

圖4 櫻桃熱水處理模擬值與實驗值

2.2 果蔬熱激傳熱特性研究

2.2.1 中心傳熱速率模擬分析

果心溫度傳熱速率(υ)變化如圖5所示，總體來看，υ均先升后降，熱激溫度相近的處理組間傳熱效果基本一致。同一品種，同一時刻，υ隨著溫度的增加而上升，這是由于果心初溫一定時，表面溫度越高，對溫度的反應迅速，一定時間內傳熱越快。某些種類間，曲線特征相似，如臍橙和蘋果梨，在15～20 min時達到峰值，110 min后開始趨于水平，芒果和黃瓜于10～15 min達到峰值，70 min后趨于水平。

各種類間分別達到峰值和水平的時間各不相同，牛露[21]認為果實特征尺寸對果心溫度變化影響較大，因此在模擬或實驗時，應將果實進行尺寸等級分類。由傳熱學可知，傅里葉數Fo與時間、熱擴散系數α及特征尺寸有關，該值越大，熱擾動越能深入果實內部，但不同果蔬種類間所述參數不同，果心達到加熱介質的時間也存在差別，如45 ℃時，蘋果梨υ趨近水平的時間約為黃瓜的1.3倍，由圖1可知，蘋果梨特征尺寸大于黃瓜，但兩者α相近，反之，蘋果梨和臍橙尺寸相近，α相差較大，但υ水平時間段一致，因此熱處理條件和果實外形特征緊密相關，這和黃智等[9]認為傳熱速率主要受果實大小和形狀影響的結論相似。

a-蘋果梨;b-芒果;c-草莓;d-臍橙;e-黃瓜;f-葡萄；圖中圓圈為已知跳出處

2.2.2 果蔬種類與傳熱特性對保鮮效果的影響

對采后果蔬進行熱處理可使其產生熱激蛋白(heat shock protein,HSP)，一種使植物機體蛋白免遭損害及修復損傷的蛋白質，從而增強植物細胞的耐熱性，延長果實貯藏期。果實耐貯性和自身生理特性(如產地、呼吸強度、蒸騰作用等)及物理特性(如果徑、皮厚等)有關。綜合分析得知，蘋果梨和臍橙相比于其他果蔬，耐貯性最高，黃瓜、芒果次之，草莓和葡萄最低。尹海蛟等[22]將黃瓜熱激處理過程劃分為“發生區”(υ上升)、“過渡區”(υ下降)及“平衡區”(υ基本為0)，當處理條件使其處于“過渡區”時，能量交換較為充分，可提高果實內部某些生理指標，有利于果蔬貯藏。

一般來說，果實高溫熱激3～5 min時，HSP的信使核糖核酸(mRNA)合成量迅速增加，如圖5可知，蘋果梨、臍橙耐貯藏性最強，在已知條件位于υ上升期(蘋果梨0～0.7；臍橙0～0.55)，此時和介質能量交換較少，實驗證明蘋果梨在該范圍內(如45 ℃、10 min)，其PAL、POD或PPO等酶活性得到顯著提升，同時抑制果實病斑直徑的擴展[10-11]；40 ℃、20 min或50 ℃、5 min的熱水浸泡可有效降低臍橙冷害發生率[7]，因此對于該類貯藏性較強的果實，自身的生理優勢配合短時熱處理，其誘導的HSP指標同樣能較好的維持后期保鮮品質。黃瓜和芒果耐貯性一般，熱處理條件處于傳熱速率υ下降區(芒果2.7～0.5；黃瓜1.1～0.3)，此時能量交換比較充分，該范圍內可維持果實貯藏期良好的硬度及細胞膜通透性[13-14,19-20]。但草莓和葡萄處理條件處于υ接近水平(草莓0.3～0；葡萄1～0)，該范圍內研究發現草莓經44 ℃、20 min熱水處理后，呼吸速率明顯降低，防腐抑菌效果增強[15-16]；葡萄經55 ℃、3 min或6 min熱水浸泡可有效抑制Vc含量的下降，同時維持較高的POD、CAT和SOD等酶活性[17-18]。這是由于該類果蔬貯藏性極低，熱處理必須使得介質能量交換完全，強化傳熱效果，為后期貯藏保鮮提供更多有利條件。

2.2.3 傳熱特性與熱傷害分析

各處理條件下果蔬組織溫度分布如圖6所示，橫坐標“果徑”代表以果實質心處水平方向長度。不同熱處理過程所取得的效果存在明顯差異，若處理不當可能使得保鮮效果不明顯或產生不可逆熱傷害，實驗用熱水浴處理櫻桃，發現在低溫下延長處理時間，果實易產生點蝕和凹陷，高溫下易發生莖褐變[23]。

熱處理后，靠近果實表面的溫度變化明顯大于中心處，這是由于果心處對溫度具有滯后性，且“高溫長時”和“低溫長時”傳熱效果顯著優于其他處理方案，但存在一定缺陷，如前文所述，某些耐貯性低的果蔬，建議使其υ接近平衡狀態，但此時果實容易進入“平衡逆境狀態”，該區域內能量交換基本停止[22]，水分子通過微孔進入果實細胞，容易發生漲破，降低自身防御體系[24]，因此必須考慮時間閾值，避免細胞損傷。草莓中心和表皮處最大相差1 ℃左右，該條件避免了熱傷害，同時傳熱效果理想。葡萄曲線基本持平，6 min時，兩端溫度相差0.3 ℃，此時雖保證了處理效果，但容易產生熱傷害，因此不建議再繼續延長處理時間。熱處理后蘋果梨和臍橙果皮和中心處溫度最大相差30 ℃，芒果、黃瓜最大相差分別為22 ℃、4 ℃，可忽略熱傷問題。

a-蘋果梨;b-芒果;c-草莓;d-臍橙;e-黃瓜;f-葡萄

3 結論

熱處理能有效提升采后果蔬貯藏品質，但溫度-時間是關鍵性因素，本文對已知熱激條件的果蔬品種進行傳熱模擬，從傳熱學角度對其他果蔬品種的熱處理條件預測提供了一種新的思路，得出以下結論：

(1)果蔬熱處理傳熱速率主要受尺寸大小和形狀因素影響，因此進行實驗或模擬時，應對果實進行尺寸等級分類，節省處理時間。

(2)不同果蔬在不同條件下，溫度傳熱效果截然不同，這和自身生理或物理特征關系密切，應根據該品種各方面特征以及傳熱特性確定熱激條件。生理優勢較大，耐貯的種類，使其果心傳熱速率處于上升階段，貯藏性一般或較差，傳熱速率需下降或趨于水平，使果肉和傳熱介質能量交換較為充分，為貯藏期保鮮提供更多有利條件。

(3)“高溫長時”和“低溫長時”傳熱效果優于其他處理，但溫度過高或時間過長均會產生不可逆熱傷害，因此在進行某品種的熱處理條件預測時，可采用“低溫長時”方案，結合數值計算方法確定時間閾值，若采用高溫處理，建議進行是否產生熱傷害的預實驗。