幾種物理量及場理論對果蔬保鮮的影響

(天津市制冷技術重點實驗室 天津商業(yè)大學 天津 300134)

幾種物理量及場理論對果蔬保鮮的影響

段愛鵬 劉 斌 邸倩倩 關文強

(天津市制冷技術重點實驗室天津商業(yè)大學天津300134)

保鮮是現代農業(yè)研究的重要組成部分，是提高果蔬“時空”價值的重要途徑。隨著物理技術的發(fā)展，各類物理保鮮技術也得到發(fā)展。本文結合現有的研究進展，總結了溫度、光、電、磁對果蔬保鮮的影響，提出了果蔬物理保鮮技術的要點：1)控制溫度場的均勻性和波動性，以減緩新陳代謝和水分流失；2)適當的光照強度、電場強度和磁場強度也能夠提高果蔬的貯藏時間，減少營養(yǎng)物質的流失。

果蔬；保鮮；場理論；溫度場

隨著生活水平的不斷提高，人們對果蔬質量的要求越來越高，促使保鮮技術不斷發(fā)展。但在我國90%以上的果蔬為初級產品，采后損失率達25%～30%，甚至有的高達50%[1-2]。這就促使果蔬保鮮技術不斷提高以降低損失率。果蔬保鮮技術分為化學保鮮和物理保鮮。由于化學保鮮技術中使用的化學劑在保鮮過程中存在二次轉化，可能會產生二次污染，該過程及污染機理沒有引起相關研究人員的重視。而物理保鮮技術不存在二次污染，是未來果蔬保鮮技術的發(fā)展方向之一。基于物理場保鮮的一些研究基礎，本文重點介紹了場的基本概念，溫度、光、電、磁及其場分布等對果蔬保鮮的影響和作用機理，為更好的推廣物理保鮮技術提供了理論和應用基礎。

1 場的基本概念

場是指物質在空間的分布情況，在數學上是指一個向量到另一個向量或數的映射，可以分為標量場和矢量場，如溫度場為標量場，速度場為矢量場，是基于物質的粒子理論來表達物質的存在形式。

保鮮領域中常見的有溫度、磁場、電場、光以及多物理耦合場等，處于場中的生物細胞會受到各物理量強度的影響。若能利用各物理量對生物細胞的不同作用，調節(jié)物理場到一個合適的范圍，影響果蔬細胞及有害細菌的生理活動，從而延長果蔬的保存時間，減少營養(yǎng)物質含量的損失，增強果蔬的商品性，可避免不必要的浪費。

2 物理量對果蔬保鮮的影響

2.1溫度及溫度場對果蔬保鮮的影響

近代科學的發(fā)展發(fā)現食物的變質和腐爛與細菌等微生物的活性有很大關系，果蔬的細胞呼吸強度與相關酶的活性也有很大關系。酶作為一種特殊的蛋白質在生物生命活動中起催化作用，但自身的活性受到較為嚴苛的環(huán)境影響，溫度是影響因素之一。在高溫下酶會徹底失活，在較低溫度下酶不會失活但活性降低，且溫度越低，活性也越低，使催化反應減弱。低溫下果蔬細胞內呼吸作用酶活性降低，使氧化還原反應減弱，減緩了有機物的分解，且丙二醛(MDA)保持較低的水平，有效的降低了膜脂的過氧化程度，較高的過氧化物(POD)活性保證了對有害自由基的清除能力，有利于延長貯藏時間。同時，微生物活動在低溫下明顯減弱，所以低溫環(huán)境能夠有效延長果蔬的保存時間。Wu Zhen等[3]調查分析現階段的低溫冷藏方法，得知果蔬冷凍冷藏成為最有效和最普遍的保存方法。朱東興等[4]通過對比實驗得出貯藏的環(huán)境溫度成為影響葉菜呼吸作用的主要因素。果蔬在不同溫度下保存，貯藏時間會有很大不同,部分果蔬貯藏時間隨溫度的變化如圖1所示[5]。

不同溫度對果蔬的呼吸強度影響不同，表現為溫度系數Q，溫度每上升10 ℃，呼吸強度增加的倍數一般為2～2.5，部分果蔬呼吸強度(溫度系數Q)隨溫度的變化如表1所示[6]。

圖1 部分果蔬貯藏時間隨溫度的變化Fig.1 Variation of storage time with storage temperature

賈欣娟[7]研究了東風菜的貯藏溫度得出：較低的貯藏溫度不僅有效的降低東風菜的生理代謝活動，保持其商品性，還可以使葉片中的丙二醛(MDA)含量較低，過氧化物(POD)的含量較高。周曉靜等[8]通過蘋果貯藏正交試驗得出：相比濕度和風速，溫度對蘋果的失水率影響最大，合適的溫度更易于延長蘋果的保存時間，且不同溫度范圍的失水率有較大差異。

低溫貯藏并非只研究不同溫度下保存時間的長短，果蔬中一些營養(yǎng)物質的損失也應該盡量減少。同時，外觀顏色、表面硬度、食用口感等方面由于能夠較大的增加果蔬的商品價值，也逐漸成為學者們的研究方向。H. S. Helland等[9]將瑞典甘藍和蘿卜貯藏在-2～10 ℃范圍內，得出較低的溫度可以使這兩種蔬菜保持較高的吲哚硫代葡萄糖苷含量，溫度對蘿卜顏色的影響較大，蘿卜的松脆度和多汁程度隨著溫度的升高而下降，這兩種蔬菜在不同溫度下的酸度、硫含量、甜度及風味等都存在較大差異，在保證果蔬不被凍壞的前提下，盡量降低貯藏溫度有利于減少營養(yǎng)物質的流失。

果蔬從采摘后到達到冷藏溫度需要經歷兩個階段，即快速冷卻階段和低溫冷藏階段，冷藏過程會使果蔬自身品質降低，研究表明快速凍結可以更好的保持果蔬的營養(yǎng)和味道，而每種果蔬的最佳快速凝固參數是由多種外界因素[10-13]和相關熱力學性質決定的。果蔬冷藏過程中相關溫度包括初始溫度Tf、最終溫度Tm及玻璃化溫度Tg[14]。適宜的快速凍結可使冰晶生長過程中產生的冰晶尺寸不至于過大[15]，有效的控制降溫速度可使冰晶趨于玻璃化，對細胞壁、細胞膜、線粒體等結構的影響降低，盡可能的降低果蔬損失。Wang Haiying等[16]對蘑菇、綠花椰菜、菜豆和豌豆莢進行了研究，將凍結速率從1 ℃/min增至10 ℃/min時，冷凍蔬菜汁液冰晶大小從26 μm減至3 μm，有效地減少了冰晶對細胞的傷害，較大限度的保證了細胞的完整性，菜豆凍結速率在6.3 ℃/min和1.2 ℃/min時形成的冰晶如圖2所示。不同果蔬對應不同的最終溫度Tm及玻璃化溫度Tg，最佳的快速凝固速度也不相同，需要查詢相關文獻資料或實驗研究得出。

圖2 菜豆在凍結過程中形成的冰晶(凍結溫度=-5 ℃)Fig.2 Ice-crystal in the bean under different freezing rate

溫度場分布的均勻性對果蔬貯藏有重要影響。目前，冷庫技術發(fā)展的一個重要方向是溫度的精準控制，包括兩個方面：

1)貯藏空間內溫度場的均勻性：溫度場的均勻性主要是指貯藏空間內溫度最大值和最小值的差值大小。由于貯藏空間送風方式不同，溫度場的均勻性也不同。圖3所示為3種送風方式的溫度場分布。由圖3可知，采用靜壓送風方式的溫度場均勻性最好，即目前冰溫技術中采用的送風方式。

2)貯藏空間內溫度場的波動性：溫度場的波動性是指貯藏空間內溫度與設定溫度之間的差值。在貯藏過程中，由于電價的谷峰差，溫度波動比較大，夜間將庫溫拉低，利用食品進行蓄冷；白天則停機運行，利用食品的蓄冷來吸收熱量，認為這是冷庫的一種經濟運行方式，其實這是一種錯誤的認識。這種溫度波動極易造成凍品的水分滲透、質量減少和品質降低。圖4所示為溫度波動對含濕量的影響。以溫度波動5 ℃為例，貯藏溫度為0 ℃時，絕對含濕量的變化值為1.05 g/kg干空氣，表明每一立方米的空氣在一個溫度波動周期內將析出1 g水，這1 g水將以產品表面結露或結霜或是冷風機表面結露或結霜的形式從貯藏產品中蒸發(fā)。以1萬噸冷庫為例，體積約為4萬立方米，容積率為65%，則空氣的體積為14 000立方米，溫度周期為1天1次，貯藏期為3個月，水分的流失為1 512 kg。水分的損失除了減少重量外，更重要的是貯藏食品品質的破壞。

2.2光對果蔬保鮮的影響

圖4 溫度波動對含濕量的影響Fig.4 Effect of temperature fluctuation on the humidity

圖3 送風方式對溫度均勻性的影響Fig.3 Effect of air supplying model on the temperature uniform

光照是植物生長發(fā)育的基本因素之一，光合作用是植物吸收太陽光，合成有機物的過程，但不同光照強度對植物的光合作用會產生不同的影響，合適的強度才能有效地促進生長，光照強度過低或過高都會對植物生長產生抑制作用，不同顏色和周期的光照對植物也有不同的影響[17-19]。自然光由7種單色光組成，不同強度和顏色的光對果蔬衰老的調控作用也不同，強光和紫外光可促進植物體內產生自由基，誘發(fā)衰老，這主要是由于光調節(jié)葉片上的氣孔開度，進而影響植物的氣體交換、光合作用、呼吸作用、水分及礦質地吸收和運輸等主要生理過程。葉綠素分子主要吸收紅光及藍紫光進行光合作用，紅光可阻止葉綠素和蛋白質降解，遠紅光可消除紅光的作用，藍光可延緩葉片衰老。當無光時葉片會因為光合作用關閉，而呼吸作用又消耗能量，一部分糖類被分解，之后會有一部分脂類和蛋白質類被分解以供呼吸作用，而葉綠素是雙羧酸的酯，也會被分解，此時葉片的顏色將會發(fā)黃，顏色上造成衰老。光照可使光合作用仍能緩慢進行，減緩葉綠素分解。維生素C是一種抗氧化劑，能夠有效抵抗自由基的威脅，人們對一些果蔬中維生素C的含量十分看重，它對人體的自身免疫系統(tǒng)有重要作用，缺乏維生素C會造成壞血病。M. A. Hossain等[20-21]和C. Miyake等[22]通過研究得出葉綠體中含有合成維生素C的酶，若葉綠素被分解，維生素C的含量也顯著下降。S. Noichinda等[23]通過實驗測定出芥藍在無光1 ℃條件下和光強度為21.8 μmol/(m2·s)條件下存儲10 d后質量分別下降1.8%和3.9%，這是由于在黑暗條件下1 d內芥藍的氣孔就會關閉，一定程度上減少了質量損失，蔗糖含量差距不大，但黑暗中總的葉綠素含量下降更為明顯，光照條件下果糖的含量遠大于暗黑條件下的含量，淀粉含量在光照條件下較高，同時維生素C含量的損失更小，營養(yǎng)價值相對更高。

王超等[24]將西芹置于溫度為4 ℃、相對濕度為90%的環(huán)境中，在1∶1紅藍LED光總強度為10 μmol/(m2·s)和無光條件下進行實驗，得出有光和無光處理對西芹失重率的影響差異不大，在適宜的相對濕度條件下，光照不會加大西芹的失重率；但在10 μmol/(m2·s)光強度下，迎光面西芹的葉綠素和維生素C含量顯著高于背光面和無光處理組，背光面和無光處理組的葉綠素損失率分別是迎光面西芹的1.56倍和1.5倍，維生素C損失率分別是迎光面下的1.67倍和1.86倍，如圖5所示。因此10 μmol/(m2·s)光處理可以顯著保持采后西芹的營養(yǎng)，保存更多的商品價值。

圖5 LED光場對西芹貯藏的影響Fig.5 Effect of LED on celery preservation

Y. Shinohara等[25]和D. J. Gillham等[26]通過實驗也驗證了光照對維生素C含量的影響，相比光照條件下，無光時維生素C的損失較多；光照不僅對果蔬的顏色和維生素C含量有較好的保持效果，且由于光合作用，會使有機物含量減少緩慢。M. E. A. Toledo等[27]對比研究了在弱白光(20～25 μmol/(m2·s))和黑暗條件下的菠菜，光照組葉片可溶性總糖和葡萄糖含量均高于黑暗條件下的葉片，持續(xù)的白光照射有效促進了菠菜采后貯藏期間的光合能力，提高了可利用的可溶性化合物含量，特別是葡萄糖含量，同時維生素C的含量在光照組也更高一些；U. C. Biswal等[28]通過調節(jié)光照顏色與周期得出光控制葉片的衰老主要是通過控制光敏色素，減少色素的分解量，控制激素和多胺類的含量，保留更多的營養(yǎng)，連續(xù)的弱紅色光和每12 h間隔的紅色脈沖光可以有效減緩葉綠素損失；姚笛等[29]用LED處理采摘后的青花菜，得出光照處理能夠延長有機物硫代葡萄糖苷和蘿卜硫素的降解，保持青花菜的營養(yǎng)保健價值。

光照影響的是含有葉綠素的植物，所以對于一些含有葉綠素的果蔬保鮮效果較好，而對其他的作用不大。陳存坤等[30]采用日光燈作為光源，平均強度為1 800 Lux，分別測量了光照條件和黑暗條件下紅色番茄、綠色蘆筍和西蘭花及白色花椰菜在室溫(15 ℃)、亞低溫(8 ℃)和適宜貯溫(0～2 ℃)時的呼吸強度，并進行了對比，得出在同一貯藏溫度下，番茄、西蘭花和蘆筍置于光照條件下比黑暗條件下的呼吸強度低，光照降低呼吸代謝的效果明顯；而花椰菜受光照的影響較小，光照抑制呼吸強度的效果不顯著；同時，光照對呼吸代謝的影響還與溫度有關，一般情況下，貯藏溫度越低，光照對呼吸強度的影響越小。

2.3電場對果蔬保鮮的影響

地球自身就是一個巨大的靜電場，地表附近電場強度約為130 V/m，地球上有許多生物都生活地表附近，所以大氣電流和大氣電場對動植物的生命活動有重要影響[30]。正常情況下，細胞膜內外存在約為70 mV的電勢差，處于一個相對平衡的狀態(tài)，當有較大的電勢產生時，就會打破這一平衡，同時細胞內各組織由于強電勢的作用，膜兩邊的帶電粒子會定向移動，產生生物電流，帶動生化反應，抑制ATP生成，延緩細胞的新陳代謝，從而達到保鮮的目的；呼吸系統(tǒng)的電子傳遞受電場影響，使生物體內氧化還原反應減緩；由于外加能量場使水發(fā)生了共鳴，引起水結構及水與酶的結合狀態(tài)發(fā)生變化，使酶部分失活，減緩了有機物分解[31]。20世紀末，學者們越來越多的用實驗研究靜電場對果蔬采摘后的影響，劉隨東[32]將四川紅桔置于溫度7 ℃、相對濕度75%條件下，用150 kV/m的電場強度每天進行30 min的處理，貯藏40 d的好果率高于對照組的14.7%；楊佩芳等[33]將紅星蘋果置于溫度0 ℃、相對濕度90%條件下，用80 kV/m強度的電場處理，貯藏三個月后測得可溶性固形物含量分別比對照組高10%和1.8%，而呼吸強度降低約20%；學者們也逐漸發(fā)現適當強度的靜電場對荔枝、西瓜、青椒、甜瓜等果蔬保鮮也有較大作用。T. R. Bajgai等[34]發(fā)現采用高壓電場對菠菜葉處理時，可以保持物料的營養(yǎng)元素。A. O. Bio等[35]研究發(fā)現高壓脈沖電場的預處理提高了辣椒膜的通透性，與傳統(tǒng)的預處理方法相比，高壓脈沖電場預處理不僅提高了傳熱傳質系數，還影響了辣椒的干燥速率[36]。丹陽[37]通過研究指出合適的負電荷能夠在一定程度上抑制番茄品質的下降，番茄接觸負極板電荷能夠抑制呼吸并降低乙烯的釋放量，對保鮮有積極的影響，圖6所示為電場對果蔬中物質保鮮的影響機理。

圖6 高壓靜電場果蔬保鮮作用機理Fig.6 Mechanism of high voltage electrostatic field on preservation

2.4磁場對果蔬保鮮的影響

我們生活的空間都是具有磁性和磁場的，生物體內含有大量的水，水分子是反磁性的，由于水分子和締合水處于不斷的熱運動之中，故氫鍵總是不斷地斷裂和形成，水分子團的這種構造是一種動態(tài)結合，其穩(wěn)定存在時間只有10-12s左右，不斷有水分子加入某個水分子團，又有水分子離開水分子團，而水分子團的大小只是個平均數。在室溫中，一般水的分子團大小約為30到40個水分子。水中存在許多水分子團，它們是磁場作用的耙點，它們之間存在磁的相互作用，而外加磁場、環(huán)境磁場和生物體內的磁場都會對生物組織和生命活動產生影響，即磁場的生物效應。不僅對水有影響，細胞內的其他物質，細胞的新陳代謝即為內部的氧化還原反應，本質過程就是帶電粒子和電子的運動，在外加較強磁場下，一定程度上抑制了新陳代謝；在生物活動中會產生自由基，而自由基的化學活性高，自身帶有部分電荷，存在自旋磁矩，在電磁場中必然會受到轉矩的作用，也會使自由基的作用減弱；生物膜兩側的離子由于受到磁場作用，離子傳輸會受到磁場的影響；另外，由于部分蛋白質中含有金屬離子，也會受到磁場作用而使部分性質發(fā)生變化，一些酶的催化作用減弱，使細胞的呼吸及代謝減慢。由于這些原因，在磁場中的果蔬細胞會表現出與無外加磁場不同的保鮮效果。

磁場在很寬的范圍內(10～104 GS)均可產生生物學效應，不同劑量的磁場對生物體也會產生不同效應[38]；金江濤等[39]通過實驗研究表明：在較高的磁感應強度下，鈍酶總體上隨磁感應強度的增強而增強，隨脈沖數的增加而增強，較高的磁感應強度可以延長草莓的保存時間。高夢祥等[40]將鮮切的蓮藕片經不同強度的磁場處理后，測得各項生理生化指標隨著貯藏時間的增加發(fā)生了顯著變化，強度不同貯藏的效果也不同；磁場強度為1.2 A/m的交變磁場處理的鮮切蓮藕片與對照組相比，保鮮貯藏效果明顯占優(yōu)，此強度的磁場能夠抑制多酚氧化酶活性，減慢蓮藕切片褐變速度，延長其貯藏時間，最大程度的保持蓮藕切片的新鮮度，鮮切蓮藕切片中還原糖含量比對照組的消耗量要少；高夢祥等[41]的研究結果表明：用磁場強度為0.87 A/m和1.79 A/m 的交變磁場處理葡萄，得到腐爛率、脫果率、出糖率均明顯降低，果實的外觀較好；其可溶性糖含量相比對照組的降幅小；細胞膜的通透性降低，多酚氧化酶活性受到抑制，從而有效延長了葡萄的貯藏時間。磁場除了能影響果蔬細胞營養(yǎng)物質外，還由于水的分子特性，影響細胞的凍結過程，王鵬飛[42]用洋蔥、胡蘿卜、黃瓜及西葫蘆作為實驗材料，無磁場作用下，細胞相變過程產生的冰晶較大，呈現刀片狀，冰晶長度基本和顯微圖像上細胞的寬度相當；在磁場作用下產生的冰晶大小普遍比無磁場作用下要小，直流磁場作用下多呈現輕薄繁密且很小的鱗片狀；而交流磁場作用下冰晶多呈現霧狀、沙粒狀，冰晶尺寸最??；隨著場強的增大，鱗片狀和霧化狀態(tài)的程度更明顯，且鱗片尺寸減小。說明在細胞凍結過程中，磁場具有能夠抑制核化過程中冰晶生長的作用，相對于無磁場作用避免了形成過大的冰晶。在果蔬冷藏保鮮過程中，磁場表現出來的抑制冰晶生長的作用能夠保護細胞膜不被破壞，有利于保持果蔬營養(yǎng)成分和水分，保持果蔬新鮮感和高品質，圖7所示為洋蔥細胞在不同磁場作用下終了凍結時的顯微圖像。

3 展望

物理貯藏技術消除了化學保鮮的二次污染，是保鮮技術未來的重要發(fā)展方向之一，未來的發(fā)展方向主要集中在以下幾個方面：

1)各物理量強度對貯藏果蔬品質及壽命影響的機理研究。包括有生命特征和無生命特征兩類產品，這兩類產品品質及壽命變化的規(guī)律和影響因素是完全不一致的。對具有生命特征的產品而言，以影響呼吸作用的酶化反應因素為主；而對無生命特征的產品而言，以影響細胞破壞的因素為主。目前，各類物理量對酶化反應和細胞破壞的影響規(guī)律不明確，需要跨學科進行研究。

2)在不同物理場下，保鮮過程中果蔬的熱、質、力、流動及形變行為研究。貯藏過程中的果蔬大多數類似于多孔介質材料，在物理保鮮中最易發(fā)生果蔬的物理表面變化，如水分損失、溶質遷移、形狀變化等，這與當前工程熱物理研究熱點“介觀體系內熱質傳遞”密切相關，需要研究不同物理場及多物理場對果蔬傳熱傳質的影響。

3)大型物理場的均勻化設計及建造。目前一些物理場的保鮮技術還集中在小型裝置內的機理性研究，大型物理場設備的直接運營成本還很高，并且物理場在空間內有衰減(除溫度場外)，其均勻性很難保證，而貯藏中的果蔬對場的強度等選擇有特定性，這對物理場的保鮮技術是一個重大的技術挑戰(zhàn)。

4 結論

不同的果蔬由于自身生長環(huán)境和所含營養(yǎng)物質不同，最佳的貯藏環(huán)境也有差異,物理保鮮方式可以最大可能的保證食品品質和延長貯藏期，通過以上分析和討論，可得到以下結論：

1)溫度場的均勻性和波動性是保鮮的基礎，合適的溫度場和較小的波動能夠減少營養(yǎng)物質的分解及水分的流失。

2)光的適當利用要與合適的溫度相結合，才能達到最好的貯藏效果。

3)電場和磁場的運用要合適的強度均勻性，并且大型冷庫需要開發(fā)大型裝置。

本文受天津市科技支撐項目(14ZCZDNC00016),四川省科技支撐(2015NZ0071)和天津市自然科學基金項目(15JCTPJC64300)資助。(The project was supported by the Science and Technology of Tianjin(No.14ZCZDNC00016), the Science and Technology of Sichuan Province(No.2015NZ0071) and the Natural Science Foundation of Tianjin(No.15JCTPJC64300).).

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Aboutthecorrespondingauthor

Liu Bin, male, professor, Laboratory of Refrigeration, Tianjin University of Commerce, +86 15822518582, E-mail:lbtjcu@tjcu.edu.cn. Research fields:food cold chain.

EffectsofSeveralPhysicalQuantitiesandFieldTheoryonthePreservationofFruitsandVegetables

Duan Aipeng Liu Bin Di Qianqian Guan Wenqiang

(Tianjin Key Lab of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin, 300134，China)

Preservation is an important part of modern agriculture, and is an important way to improving the "time and space" value of fruits and vegetables. With the development of physical technologies, many types of physical preservation methods have been developed. Based on existing research, the effects of temperature, light, electricity, and magnetism on the preservation of fruits and vegetables are summarized. Firstly, controlling the temperature field uniformity and volatility slows down the metabolism and water loss. Secondly, the appropriate light intensity, electric field intensity, and magnetic field strength can also improve the storage time of fruits and vegetables, thereby reducing a loss of nutrients.

fruits and vegetables; fresh; field theory; temperature field

0253- 4339(2017) 04- 0110- 09

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.04.110

2016年10月6日

TS255.3; TM15

： A

劉斌，男，教授，天津商業(yè)大學制冷實驗室，15822518582，E-mail：lbtjcu@tjcu.edu.cn。研究方向：食品冷鏈。