船舶果蔬空气放电保鲜技术

杜喆华，国占东，王志鹏

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064;2.海军××工程办公室，北京 100841)

0 引言

船舶离港后需要在大海中连续进行长时间的航行，航行时间甚至长达几个月。这对船舶综合保障能力提出了更高的要求，其中船舶上食品保鲜及延长食品的储藏期是重要的手段之一。

船舶普遍采用的食品储存方法为冷藏。冷藏虽然可以延长食品的保质期，但根据食品的腐败变质机理，鱼、肉、禽、蛋、果蔬等新鲜食品在存储时将受到微生物和酶的作用、食品本身的呼吸作用和氧化作用等综合影响，食品质量会随时间逐渐下降，而冷藏主要是降低食品的呼吸作用、减弱微生物的活性，还不能从食品腐败变质机理的各方面延缓食品质量的下降。部分食品特别是水果和蔬菜的保存期较短，难以满足整个航程的需要，主要表现为:① 腐烂变质;② 失水、风干，口感变差;③ 色泽变差、缺少香味［1］。传统的贮藏方法，果蔬贮藏期仅一星期左右。延长果蔬的保鲜时间，使长期海上作业的船员能在航行周期内吃到新鲜优质的果蔬，是现代船舶发展的必然需求。

目前，在果蔬保鲜方面，有很多技术方法得到了运用和推广，主要采用的保鲜方法有冷却保鲜、臭氧保鲜、塑帐保鲜和气调保鲜等［2］。本文以葡萄为例，研究了1种新的保鲜技术——空气放电保鲜技术。

1 实验设计与实验方法

1.1 贮藏装置设计

将冰柜加工成密封的四格，上设可以装卸的有机玻璃盖，在盖上开进气与出气口，放电产生的气体由进气口通入，出气口在通气时用来保持密封空间的气压平衡，通气以后将2个孔封住;每格中间设置横梁，底部放少量水以增加柜内的湿度。选取果皮无损伤，果肉结实饱满的葡萄串，挂于横梁上;每串约1000 g。图如1所示。

图1 贮藏装置示意图Fig.1 The sketch map of storage equipment

供试品种为巨峰葡萄，试验周期为5个月，实验葡萄于4℃下预冷18 h。空气放电装置为自制。当实验开始时，将放电后气体通过气泵吹入密封柜中，流量通过流量计控制。

1.2 实验方案设计

空气放电后将主要产生负离子和臭氧，臭氧浓度过大会导致葡萄的生理伤害，根据文献资料把通气的时间确定为2 min。实验设计为:

系列1组 对比组;

系列2组 每天以0.4 m3/min气体速度通气2 min，柜中初始臭氧浓度约为400 ppm;

系列3组 每天以0.8 m3/min气体速度通气2 min，柜中初始臭氧浓度约为200 ppm;

系列4组 隔天以0.8 m3/min气体速度通气2 min，柜中初始臭氧浓度约为200 ppm。

通气结束后，将进气孔出气孔密封。调节柜内温度在1～2℃。

1.3 测定项目

整个贮藏期间共取样分析测定若干次，每次取样品40g，以此为测定糖度、抗坏血酸、可滴定酸、灰霉葡萄孢霉项目的共同样源。

1)总可溶性固形物(TSS)含量测定;

2)可滴定酸含量测定;

3)维生素C(抗坏血酸)含量测定;

4)脱粒率(%)=脱粒果重/总果重×100;

5)灰霉葡萄孢霉测定。

2 实验结果及分析

2.1 糖度(可溶性固形物)

可溶性固形物主要包括糖、酸等可溶性物质，果蔬可溶性固形物含量的高低，直接反映果蔬品质及成熟度，是判断适时采收和耐贮的一个重要指标。果实中糖分的组成与其种类和品种有关。葡萄以含果糖为主，葡萄糖次之，几乎不含蔗糖［3］。

图2 贮藏过程中各组糖度的变化Fig.2 The curve of sugar content changing

如图2所示，葡萄在贮藏过程中，4个处理组糖量，随着贮藏期的延长，均呈下降趋势。处理组4即臭氧浓度相对较小的1组，糖度的含量相对于其他组，变化缓慢;组2及组3相对于对比组糖度下降得更快，但其相互之间的差异并不明显。

2.2 有机酸

水果均含有机酸，如桔子和柠檬的柠檬酸、苹果的苹果酸以及葡萄的酒石酸，这些酸赋予水果酸味，并可缓解细菌败坏。果蔬中所含的有机酸和糖一样，是果蔬呼吸基质之一。在果蔬贮藏中酸的消耗更快，经较长时间贮藏后，酸味变淡，甚至消失。为保持果蔬原有的品质和风味，要创造适宜的贮藏条件，延缓酸的分解速度。葡萄贮藏过程中，可滴定酸含量的变化也是衡量其生理过程和保鲜质量的指标之一［3］。

如图3所示，葡萄在贮藏过程中，4个处理可滴定酸含量，随着贮藏期的延长，均呈下降趋势，差异显著。入贮时可滴定酸含量为0.4788%，对照组1在贮藏92天时，可滴定酸含量下降到0.4174%;组2，3，4贮藏90天后可滴定酸含量分别下降到0.3392%，0.4737%和0.4489%，处理组2和对比组1之间差异显著。使用低浓度臭氧，果肉可滴定酸含量高于对照组，可能说明低浓度臭氧对可滴定酸的消耗有一定的延缓作用，也有可能是由于臭氧进入浆果内部与水结合，降低了果肉细胞质中的pH值。

图3 贮藏过程中各组含酸量的变化Fig.3 The curve of organic acids changing

组2的处理加快了可滴定酸的消耗，究其原因，可能是过度的臭氧进入组织内部，分解为O2，促进了呼吸作用，加快了有机酸的消耗。

2.3 维生素C

维生素C(也称抗坏血酸)是果蔬中所特有的，它对维持人体的生理机能起着重要的作用。维生素C是一类水溶性的活性物质，有4种异构体，L－抗坏血酸为维生素C的代表，有较强的还原作用，它能维持细胞的正常代谢，能使果蔬中—些酶分子维持还原状态，保护酶的活性，维持细胞代谢的平衡。维生素C的含量对于评价果蔬质量具有重要意义［3］。

从图4可看到，葡萄在贮藏过程中，维生素C的含量逐渐降低。入贮时果实的维生素C含量为4.382 mg/100g果肉。贮藏90天以后，对比组的维生素C含量下降到3.001 mg/100g果肉，组2的果实维生素C含量下降到2.912 mg/100g果肉，是组4中下降幅度最大的1组;从图4还可以看到，在贮藏前期，放电处理组下降速度比对比组快，而在后期，则比对比组慢。

图4 贮藏过程中各组维生素C含量的变化Fig.4 The curve of vitamin C changing

这说明放电对葡萄的维生素C有明显的影响，在前期有可能会氧化破坏部分维生素C，加速维生素C的消耗，但是在后期能延缓维生素C的消耗;而且低浓度臭氧比高浓度臭氧对维生素C的影响要小，在贮藏后期可以得到相对对比组较好的效果。

2.4 脱粒率

葡萄采摘后果粒脱落是贮藏过程中的常见现象，严重影响其观感和食用价值。葡萄采摘后脱粒主要有4种原因:一是由于果梗组织结构脆弱，容易折断;二是果刷纤细易从果粒中脱出，脱粒后果柄端连有果刷;三是由于果梗失水衰老，果粒和果柄之间形成离层而脱落，四是由于微生物侵染、穗梗、果梗腐烂造成的散穗和脱粒［3］。

表1 贮藏过程中各组脱粒率对比Tab.1 The loss-fruit rate in the storage

可见二号柜脱粒率最大，分析其原因，可能是过大的臭氧浓度对果蒂和果刷产生了严重的伤害导致;三号柜脱粒率略有降低。

2.5 灰霉葡萄孢霉

引起葡萄采摘后贮藏过程中腐烂的常见病原菌有灰霉葡萄孢霉(Botrytiscinerea)、根霉(Rhizopusstolonifer)等。其中灰霉葡萄孢霉引起的灰霉病(graymold disease)是鲜食葡萄的毁灭性病害，因为该菌在低温条件下(－0.5℃)仍能生长繁殖，而葡萄对其的抵抗较弱。它也是许多经济植物的病原体，寄生于茄科、瓜类、甘蓝、菜豆、莴苣、洋葱、苹果等植物;侵害多种果实和其他一些柔软的器官或幼嫩的枝叶，在叶上引起褐色斑点，在幼嫩器官或果实上引起腐烂［4］。图5是灰霉葡萄孢霉生长曲线。

图5 各组菌落生长曲线图Fig.5 The curve of bacteria colony growth

如图5所示，在低温时，空气放电的抑菌作用非常明显。随着放电后臭氧浓度的增加，细菌的生长速率随之降低，其中400 ppm/每天组的抑菌效果最好，在处理后的第7天，对比组菌落直径达到了90 mm，而400 ppm/d组的菌落直径仅为38 mm。

2.6 葡萄外观观察

在贮藏初期，果实结实而饱满，果皮无损伤，果柄仍然呈青绿色，只是与果粒相接处已有松动现象，可能是在运输过程中受振动导致。如图6所示。

图6 贮藏初期葡萄外观Fig.6 Grape appearance of at initial stage storage

处理后45天各柜贮藏情况如图7～图10所示(葡萄上的白色亮点为吸附在葡萄上的水珠)。处理后45天，对比各组，经过空气放电处理的葡萄从外观上都显示出比较好的效果。1柜对比组中，细菌生长比较严重，果梗上有大量白毛生长，已经不能看出果梗的颜色;2～4柜果梗仍保持青绿，4柜臭氧浓度较低，果蒂处有少量白毛生长。可以看出，其中2组的臭氧浓度最大，灭菌效果最好，说明随着加入臭氧浓度的增大，杀菌的效果增强，放电处理对葡萄贮藏的外观有着明显的效果。

图7 处理后45天组1葡萄外观Fig.7 Grape appearance of 45 days after air discharge

3 空气放电保鲜技术理论研究

空气放电的最基本过程是电子在电场中加速引起电离，形成电子崩和电子崩的增殖，通过一系列复杂的电离和结合过程，使流经放电保鲜机的空气源变成具有臭氧、负离子、臭氧离子、自由基等一系列活性物质的新气体。利用这种混合气体处理果蔬以取得保鲜的目的。

3.1 臭氧保鲜原理

臭氧在一定的浓度下能与细菌、病毒产生生物化学氧化反应。臭氧有很高的能量，所以很不稳定，在常温、常压下分子结构易变，很快自行分解为氧O2和单个氧原子O。单个氧具有很强的活性，能氧化分解细菌内部氧化所必须的葡萄糖氧化酶，并直接与细菌、病毒发生作用，破坏其细胞器和核糖核酸，分解DNA、RNA、蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，使细菌的物质代谢生长和繁殖过程遇到破坏［5］。其保鲜作用主要体现在以下几个方面:① 杀菌作用;②诱导抗病性;③对有害气体的降解作用［6］。

3.2 负离子保鲜原理

空气放电过程中的负离子具有较高的活性，有很强的氧化还原作用，能破坏细菌的细胞膜或细胞原生质活性酶的活性，在果蔬保鲜中可以起到抗菌杀菌的目的。负离子还能中和正电荷，分解内源乙烯浓度，纯化酶活性，降低呼吸强度，从而减缓营养物质在贮藏期间的转化。负离子可抑制水果进行代谢过程中的酶的活力，降低水果内部具有催熟作用的乙烯的生成量［7］。

3.3 臭氧与负离子共同作用

低浓度臭氧不能杀菌，但加上负离子后杀菌能力就有了明显提高，对水果也不会产生不良影响。这就克服了臭氧浓度过低对贮藏无明显效果，浓度过高则对产品有副作用之间的矛盾［7］。

3.4 高压脉冲电场保鲜原理

高压脉冲电场对水果可以起到一定的保鲜效果，其原理目前尚在研究。比较经典的理论认为［8］，高压电脉冲处理能破坏细菌的细胞膜，改变其通透性。每个细菌细胞内外都有一自然电位差，外加电场时使得这一膜内外位差(称为穿透膜电位，简称TMP)增大。当TMP高于－1 V(生物细胞膜自然电位差)时，细胞破裂就发生了。这种破裂导致了细胞膜结构紊乱、极的形成和通透性的提高。通透性的改变可能是可逆的，也可能是不可逆的，这主要取决于电场强度、脉冲宽度和脉冲次数(即处理时间)。受到电场处理后，细胞膜等离子体变得有穿透性，水分子渗入导致细胞膜膨胀，最后细胞膜破裂。如图11所示。

图11 细胞的失活性机理Fig.11 The mechanism of cell inactivation

4 结语

用空气放电进行果蔬保鲜是利用了放电产生的臭氧、负离子、自由基等活性物质，改变果蔬的贮藏环境，起到杀菌、诱导抗病性、降解有害气体、诱导果实进入休眠状态等作用。经过试验证明，放电处理可以延缓贮藏过程中葡萄可滴定酸、抗坏血酸的消耗;对脱粒率也有一定的降低;低温下，对葡萄主要致病病菌生长的抑制作用非常明显。

但是，该技术距离船舶实际使用还有一定的差距。主要表现在:

1)空气放电对各种果蔬的保鲜效果不同，使用浓度不当时还会引起果蔬表面质膜损害，使其透性增大，细胞内物质外渗，从而品质下降，如果臭氧浓度过大还会加速果蔬的衰老和腐败。

2)空气放电产生的臭氧、各种离子具有强氧化性，如何保证船用环境条件下各种放电产物的浓度在安全范围内仍需要进一步研究。

3)空气放电保鲜技术需要可靠的高压电源，海洋性环境对电源提出了更高的要求。

总之，这一新技术对以葡萄为代表的果蔬保鲜确实有良好的效果。一旦机理和工艺参数研究成熟，将在船舶果蔬保鲜方面具有广阔的应用前景。

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