“微真空”貯藏設(shè)施研制及萊陽梨保鮮試驗(yàn)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(xué)青島市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)質(zhì)量與安全工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 食品科學(xué)與工程學(xué)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(dǎo)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(rèn)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(shù)及貯藏設(shè)施的應(yīng)用。現(xiàn)代果蔬保鮮技術(shù)始于19 世紀(jì)，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(jī)械式冷藏的出現(xiàn)。1851 年澳大亞利詹姆斯—哈里遜設(shè)計并制造出世界上第1臺小型制冷壓縮機(jī)及其輔助設(shè)備，從此用這種制冷系統(tǒng)建造的機(jī)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(shù)的應(yīng)用。1917年英國的基德和韋斯特在前人研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(yīng)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(shù)在工業(yè)化國家得到廣泛應(yīng)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(shù)并獲得美國專利[5,6]。由于減壓貯藏技術(shù)具有“快速降氧、快速降壓、快速降溫”的特點(diǎn)，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(jì)70年代起，在Burg的倡導(dǎo)下減壓貯藏逐步走上了廣泛研究的道路。但實(shí)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(shè)施內(nèi)要維持約3%的低氧狀態(tài)，此時容器壁所受的壓強(qiáng)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(shè)置支撐，這必將會大大增加貯藏設(shè)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(fù)雜性導(dǎo)致保鮮工藝的千差萬別，僅靠保鮮工藝的改進(jìn)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(shù)幾十年來難以走出實(shí)驗(yàn)室階段的“瓶頸”所在[8]。

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

1 “微真空”貯藏設(shè)施的結(jié)構(gòu)原理及主要組件

1.1 “微真空”貯藏設(shè)施的結(jié)構(gòu)原理

研制的“微真空”貯藏設(shè)施，融合了材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)等全新的設(shè)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(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 微真空貯藏設(shè)施結(jié)構(gòu)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(gòu)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(qiáng)筋9構(gòu)成。密封門4由帶加強(qiáng)筋的焊接門架、防護(hù)板、鉸鏈、密封等條構(gòu)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(shè)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(shí)施控制。真空壓力測控儀可以設(shè)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(dāng)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(dá)到下限值(例如4.533kPa)時則真空泵停機(jī)。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(shí)時測量、顯示。其外形圖見圖2。

圖2 微真空貯藏設(shè)施實(shí)物圖Fig.2 Micro-vacuum facility material object diagram

1.2 “微真空”貯藏設(shè)施的主要組件

新研制的微真空貯藏設(shè)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(shè)計與選材是重要技術(shù)之一。該設(shè)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(dāng)真空泵啟動將貯藏室內(nèi)的氣體抽出的同時，因?yàn)橘A藏室內(nèi)外壓差，使外界的空氣進(jìn)入氣囊，當(dāng)貯藏室內(nèi)真空壓力達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定的下限時，真空泵停止運(yùn)行；氣囊通過內(nèi)外壓差達(dá)到平衡其單向閥門也自動關(guān)閉，整個貯藏室即構(gòu)成密閉貯藏環(huán)境。當(dāng)真空貯藏室的真空壓力升至試驗(yàn)設(shè)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(yàn)設(shè)定的下限，達(dá)到新的平衡，真空泵停止運(yùn)行，氣囊單向閥關(guān)閉，如此循環(huán)往復(fù)。這樣，通過氣囊的引入，靠氣囊的充氣膨脹，填補(bǔ)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(dá)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(dá)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(shè)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(dāng)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(shè)施的重要組成部分。在微真貯藏設(shè)施運(yùn)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(yùn)行來實(shí)現(xiàn)。新研制的微真空貯藏設(shè)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(gòu)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(dá)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(dá)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(shí)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(shè)施選用的是水循環(huán)式真空泵2BV系列，設(shè)在真空貯藏室外，真空儀設(shè)在控制箱中。其機(jī)泵采用同軸式直聯(lián)設(shè)計，節(jié)省空間，易于安裝；青銅葉輪提高了泵的耐腐蝕性；獨(dú)特的柔性排氣口設(shè)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(shè)施的主體部件，主要由密封真空箱體和密封門構(gòu)成。設(shè)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(jié)構(gòu)，外緣采用異型方管加強(qiáng)，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(jié)構(gòu)，開啟方便。密封門材料采用高強(qiáng)度通透玻璃，便于物料貯藏過程中的狀態(tài)觀察。為了設(shè)施移動便利，采用了人性化設(shè)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(jī)界面操作，真空壓力、溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)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(guān)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(yàn)的設(shè)計與要求放置在不同的位置用于實(shí)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(jìn)行實(shí)時記錄；壓力傳感器為進(jìn)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(shí)時調(diào)控。真空壓力測控儀可以設(shè)定壓力的上限和下限值，并實(shí)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(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)原料采自青島農(nóng)業(yè)大學(xué)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(shí)，運(yùn)回后放入青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院教學(xué)實(shí)習(xí)基地冷庫中，在0℃預(yù)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(yàn)進(jìn)行微真空貯藏試驗(yàn)研究。

2.1 不同貯藏條件對萊陽梨果實(shí)感官品質(zhì)的影響

不同貯藏條件下萊陽梨果實(shí)其果皮轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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(fēng)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(shí)基本失去商品價值。而微真空貯藏條件下，梨果實(shí)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(shí)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(shí)的感官品質(zhì)，提高萊陽梨果實(shí)的商品價值，延長梨果實(shí)的貯藏期限。

2.2 不同貯藏條件對萊陽梨果實(shí)好果率影響

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

梨果實(shí)貯藏至120d以后，常壓冷藏條件下，果實(shí)腐爛率逐漸上升，且果實(shí)表面的腐爛斑點(diǎn)擴(kuò)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(shí)腐爛率增加緩慢，腐爛病斑擴(kuò)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(shí)的腐爛，保持梨果實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)的水分散失，保持梨果實(shí)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(jié)論

這里在介紹了新研制的微真空貯藏設(shè)施的設(shè)計原理及其各組成部分的性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對微真空貯藏設(shè)施保鮮萊陽梨果實(shí)的效果進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)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(shí)貯藏期間水分的散失，保持梨果實(shí)的鮮嫩狀態(tài)，提高梨果實(shí)的好果率和果肉口感，改善梨果實(shí)的感官品質(zhì)。證明微真空貯藏條件能夠改善梨果實(shí)的感官質(zhì)量，提高梨果實(shí)的保鮮效果，尤其是對控制梨果實(shí)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(jìn)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(xué)基金(Y2007D65)及青島農(nóng)業(yè)大學(xué)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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