冷熱激黃瓜的保鮮效果對比及生物傳熱分析

尹海蛟， 楊 昭，陳愛強，張 娜

(天津大學熱能研究所，天津 300072)

果蔬的冷、熱激處理是指對采后果蔬進行不致發(fā)生冷害或高溫熱損傷的短時溫度逆境脅迫處理，具有無毒、無污染、無殘留等優(yōu)點，目前受到了國內外學者的廣泛關注．大量的研究表明，果蔬冷激及熱激處理均能不同程度地調節(jié)果蔬生理代謝，減輕果蔬冷害，延緩果蔬衰老并延長其貨架期[1-6]．Mccollum 等[1]指出熱激處理能夠減輕黃瓜的冷害，并降低呼吸速率．Wang[2]研究表明熱激處理可以提高果蔬體內活性氧清除酶的活性，抑制活性氧的積累和膜脂過氧化．Lurie 等[3]發(fā)現(xiàn)熱激處理時，果實的成熟基因mRNA 消失，而熱激蛋白(heat shock proteins，HSPs)不斷積累．與熱激相比，果蔬冷激研究相對較少，20世紀70 年代末，Ogata 等[4]最早發(fā)現(xiàn)用0 ℃冰水短時間處理冷敏感果實有助于延緩果實后熟．Makoto 等[5]研究指出冷激處理能夠顯著延長西紅柿的貨架期，并有效抑制其顏色變化．熊興淼等[6]發(fā)現(xiàn)冷激處理能夠推遲桃果實的乙烯釋放及呼吸高峰．

國內外有關果蔬采后溫度處理技術的研究大多著眼于冷熱激處理對果實保鮮效果的影響，而從熱物理角度分析其作用機理的較為罕見，并且研究多采用冷激或熱激處理中的一種，而同時對冷激與熱激處理對果實保鮮效果影響的對比研究鮮見報道．筆者以黃瓜為試材，對冷熱激處理黃瓜的保鮮效果進行對比試驗，并從生物傳熱學角度分析冷熱激黃瓜的組織傳熱規(guī)律及對溫度變化的動態(tài)響應，旨在為黃瓜采后溫度處理方法的選擇及工藝參數(shù)的確定提供指導．

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以 “津優(yōu)10”(Jinyou 10)黃瓜為試材．黃瓜產于天津薊縣，于2010 年9 月20 日清晨采收，采后立即運回實驗室．選擇大小均一、色澤飽滿、無病蟲害、無機械損傷、成熟度一致的黃瓜備用．

1.2 處理方法

將黃瓜隨機分為7 組，每組約15 kg．第1 組為冷藏對照組(CK)；第2 組在0,℃冰水混合物中冷激20,min(C1)；第3 組在0,℃冰水混合物中冷激40,min(C2)；第4 組在0,℃冰水混合物中冷激60,min(C3)；第5 組在40,℃的熱水中熱激20,min(H1)；第6 組在40,℃熱水中熱激40,min(H2)；第7 組在40,℃熱水中熱激60,min(H3)．處理完畢后，各組黃瓜均放置于溫度為8,℃、相對濕度為90%、風速為1.2,m/s 的冷庫內貯藏．

1.3 品質指標測定

1.3.1 失重率

以全重稱量法測量失重率．

1.3.2 硬 度

使用GY-3 型果蔬硬度計測量黃瓜中段位置去皮后的硬度．硬度計探頭直徑為1,cm，壓入深度為1,cm，下行速度為1.0,mm/s．每次測定3 個樣品，取平均值．

1.3.3 色 差

采用WSC-S 型色差計(上海精密儀器有限公司)測量黃瓜表面顏色，并選擇Hunter 表色空間(顏色指標包括亮度L、紅綠度a 和黃藍度b)．顏色測量在各處理組中固定的3 根黃瓜中段位置標記部位處進行，并根據(jù)式(1)計算色差值ΔEab，其中下標0 代表貯藏開始時的量．

1.3.4 POD 活性

采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(peroxidase，POD)的活性[7]．

1.3.5 腐爛指數(shù)

根據(jù)黃瓜的腐爛面積，對其腐爛程度進行分級(見表1)，每次統(tǒng)計10 根黃瓜的腐爛情況．

表1 腐爛分級與腐爛面積的關系Tab.1 Relationship between rot grade and rot area

腐爛指數(shù)的計算式[8]為

1.3.6 溫 度

使用經標準溫度計標定后的T 型熱電偶(天津中環(huán)儀表廠)測量黃瓜溫度．熱電偶探針直徑1,mm，測溫精度±0.1,℃．

1.4 黃瓜溫度的量化與表征

采用無因次過余溫度θ對冷熱激處理黃瓜的溫度進行量化．無因次過余溫度

式中：t為冷熱激處理時的黃瓜溫度，℃；tp為冷熱激處理工藝溫度，℃；t0為黃瓜的初始溫度(20 ℃)．

另外，以1/2、3/4 及7/8 處理時間對黃瓜的冷熱激處理傳熱進程進行表征，其對應的無因次過余溫度分別為θ＝0.5、θ＝0.25 及θ＝0.125．

1.5 數(shù)據(jù)處理

應用SPSS 軟件進行數(shù)據(jù)的單因素方差分析、Duncan 多重比較及聚類分析．

2 冷熱激黃瓜的保鮮效果對比及分析

2.1 失重率

黃瓜組織細嫩，含水率高達85%～95%，冷藏時極易失水．由圖1 可見，貯藏期內冷激組黃瓜的失重率明顯低于對照組及各熱激組．在各冷激組中以C2的失重率最小，貯藏第15 天時，其失重率為11.9%，分別為C1 及C3 失重率的85.6%及79.7%，是對照組(CK)的74.8%．熱激處理組中，以H1 的失重率最小，并低于CK，但H1 的失重率依舊高于各冷激組；H2 及H3 的失重率顯著高于CK 及各冷激組(顯著性概率P＜0.05)，且以H3 的失重率最大，貯藏第15,天時，H3 組黃瓜明顯萎蔫，失重率達19.6%，分別是CK 及C2 的1.23 及1.64 倍．

圖1 各組黃瓜的失重率對比Fig.1 Comparison of weight loss rate of different treated groups of cucumber

2.2 硬 度

硬度是黃瓜的重要品質指標．由圖2 可見，各試驗組黃瓜的硬度在貯藏期內均有不同程度的下降，但是熱激黃瓜的硬度下降較快，貯藏第3 天時，各熱激組黃瓜的硬度明顯低于冷激組及冷藏對照組(P＜0.05)；但隨著貯藏期的增加，熱激組黃瓜硬度的降低幅度有逐漸減小的趨勢．貯藏第15 天時，H1、H2 及H3 的硬度分別下降了26.9%、27.4%及28.5%，CK 組的硬度下降了27.9%，黃瓜疲軟嚴重．與各熱激組及對照組相比，各冷激組黃瓜的硬度下降相對緩慢，貯藏第15 天時，冷激組C1、C2 及C3 的硬度分別下降了25.2%、24.6%及22.8%．

圖2 各組黃瓜的硬度對比Fig.2 Comparison of firmness of different treated groups of cucumber

2.3 色 差

黃瓜的顏色直接影響著人們的消費心理，同時也是品質衰變的重要評價指標[9]．由圖3 可見，貯藏第3 天時，各處理組黃瓜的色差均不同程度地高于對照組CK．貯藏3,d 后，冷激組及熱激H1 組的黃瓜色差雖有增加，但增速較慢；對照組CK、熱激組H2 及H3 黃瓜的色差增加較快；貯藏第15 天時，H2、H3 組與各冷激組黃瓜的色差具有顯著差異(P＜0.05)．在整個貯藏過程中，H3 組黃瓜的色差值始終顯著(P＜0.05)高于其他各組，其在視覺上表現(xiàn)出明顯變暗，并失去原有的特征性綠色．喬勇進等[10]指出熱激處理能夠促進黃瓜體內葉綠素的代謝分解并破壞反應物的供求平衡關系，從而加速黃瓜的顏色變化．

2.4 POD活性

POD 是植物體內一類重要的膜脂保護酶，能夠及時清除細胞內的O2-和H2O2，對組織和細胞具有保護作用[11-12]．由表2 可見，貯藏初期，對照組和冷激處理組黃瓜的POD 活性均有一顯著的應激升高，并在貯藏第3 天達到峰值；之后開始呈現(xiàn)不同程度的降低．冷激處理能夠顯著抑制POD 活性的下降，貯藏期內C1 及C2 組的POD 活性顯著高于對照組．H3 組的POD 活性降低較快，貯藏第15 天時，與對照組CK 的差異顯著(P＜0.05)．

表2 冷熱激處理對黃瓜POD活性的影響Tab.2 Effects of cold and heat shock treatment on POD activities of cucumber

2.5 腐爛指數(shù)

黃瓜腐爛主要與其采后生理衰變及微生物浸染兩方面有關[13]．本試驗發(fā)現(xiàn)黃瓜腐爛最先在其頂部發(fā)生，并隨貯藏時間的增長不斷向其他部位擴展．由圖4 可見，冷激處理較熱激處理能夠顯著降低貯藏黃瓜的腐爛，貯藏前12,d 冷激組黃瓜均未有腐爛發(fā)生，C2 組黃瓜出現(xiàn)腐爛的時間最晚．貯藏第21 天時，C1、C2 及C3 的腐爛指數(shù)分別為對照組CK 的77.8%、22.2%及66.7%．熱激組中H3 出現(xiàn)腐爛的時間最早，并且腐爛指數(shù)較大，貯藏第18 天時，H3 組黃瓜已全部腐爛．H1 組腐爛指數(shù)顯著低于對照組CK(P＜0.05)，但H2 組與對照組CK 的腐爛指數(shù)無顯著差異(P＞0.05)．

圖4 冷熱激處理對黃瓜腐爛指數(shù)的影響Fig.4 Effects of cold and heat shock treatment on rot index of cucumber

3 黃瓜保鮮效果的聚類分析

為了量化比較各試驗組黃瓜的保鮮效果差異，以貯藏第15 天時黃瓜的理化指標(失重率、硬度、顏色、POD 活性及腐爛指數(shù))為度量值，采用分層聚類的統(tǒng)計學方法對各黃瓜組的保鮮效果進行分類．其中，樣本間距離采用歐氏距離(Euclide distance)，樣本聚類方法采用離差平方和法(Ward’s method)[14]．

聚類分析結果如圖5 所示，根據(jù)黃瓜的保鮮效果，各試驗組被分為兩類：第1 類包括C1、C2 及H1處理組，上述3 個處理組黃瓜貯藏過程中均表現(xiàn)出較理想的保鮮效果，其中以C2 組的保鮮效果最好，C1與H1 的保鮮效果相當；第2 類包括CK、H2、C3 及H3，此類黃瓜的綜合保鮮效果相對較差，并以H3 組的綜合保鮮效果最差，H2 與對照組CK 的效果接近．

圖5 各組黃瓜保鮮效果的聚類分析結果Fig.5 Cluster analysis results of freshness of different treated groups of cucumber

4 黃瓜冷熱激處理的生物傳熱分析

4.1 實際溫度變化對比與分析

黃瓜的冷熱激處理均屬于第3 類邊界條件下的換熱過程，但2 種處理方式下黃瓜的熱量轉移方式不同：冷激處理時，熱量由黃瓜傳遞至冷激介質，結果表現(xiàn)為黃瓜溫度的降低；熱激處理時，熱量由熱激介質傳遞至黃瓜，結果表現(xiàn)為黃瓜溫度的升高．由圖6可見(R為黃瓜半徑，R=1.9 cm)，黃瓜冷、熱激處理時，黃瓜表層溫度變化快于深層組織，且表層溫度變化較劇烈．冷熱激處理開始后的2～3,min 內，黃瓜中心溫度幾乎沒有變化，這說明黃瓜作為一種具有生命特征的生物體，其對外界溫度變化的響應具有生物學的時滯效應．時滯過后，冷熱激黃瓜均表現(xiàn)出較快的溫度變化及較大的溫度梯度；處理16,min 后，冷熱激黃瓜的溫度變化變得十分緩慢；處理45,min 后，黃瓜內外溫度梯度消失，黃瓜溫度基本上與處理介質溫度相等．

圖6 冷熱激處理黃瓜的溫度變化Fig.6 Temperature changes of cold and heat shock treated cucumber

4.2 無因次過余溫度變化對比與分析

由圖7 可見，在黃瓜初始溫度相同(20,℃)、初始傳熱溫差相等(20,℃)的條件下，冷激與熱激處理黃瓜的無因次過余溫度變化大體一致．這說明雖然冷激與熱激處理是黃瓜能量傳出與傳入的正逆過程，但是黃瓜溫度變化的動態(tài)特征卻基本一致．7/8 處理時間(θ＝0.125)以后，黃瓜的溫度變化越來越慢；處理45,min 后，黃瓜與處理介質溫度基本平衡．根據(jù)過余溫度的動態(tài)變化特征，將7/8 處理時間(約16,min)及45,min 作為分界閾值，分別將黃瓜的冷熱激處理過程劃分為“發(fā)生區(qū)”、“過渡區(qū)” 及“平衡區(qū)” 3 個階段．發(fā)生區(qū)內黃瓜溫度變化劇烈，且內外溫度梯度較大；過渡區(qū)內黃瓜內外仍存在一定的溫差，但是傳熱速率已有所降低；平衡區(qū)內黃瓜與處理介質間傳熱溫差消失，傳熱過程基本結束．根據(jù)上文的聚類分析結果，綜合保鮮效果較好的幾個處理組(H1、C1 及C2)均位于過渡區(qū)內，而處于平衡區(qū)的C3 及H3 的綜合保鮮效果相對較差．

圖7 冷熱激黃瓜的無因次過余溫度變化Fig.7 Dimensionless temperature changes of cold and heat shock treated cucumber

4.3 傳熱速率對比及分析

由圖8 可見，冷、熱激處理黃瓜中心位置的傳熱速率大小及動態(tài)變化特征基本吻合．由于黃瓜的生物時滯效應，外界溫度變化傳入到黃瓜中心位置需要一定的時間，因此，發(fā)生區(qū)內開始階段的黃瓜的傳熱速率急劇上升．但隨著黃瓜溫度的變化，黃瓜與處理介質間的傳熱溫差逐漸降低，使得傳熱速率增加到一個峰值后(約為2.5,℃/min)開始下降．位于發(fā)生區(qū)內的這種劇烈溫度變化及組織間較大的溫度梯度可能是黃瓜對冷熱激處理產生生物學應激效應的根本原因．因此，黃瓜理想的冷熱激處理時間應保證大于發(fā)生區(qū)時段(即大于7/8 處理時間)，以保證黃瓜完全吸收冷熱處理時的溫度“激” 化效果．

圖8 冷熱激黃瓜中心位置的傳熱速率變化Fig.8 Heat transfer rate changes in central position of cold and heat shock treated cucumber

5 結 語

能量過程是生命系統(tǒng)中的基本過程，黃瓜冷激與熱激處理的實質是熱量快速轉移的過程，冷激處理時黃瓜釋放熱量，熱激處理時黃瓜吸收熱量．根據(jù)冷熱激黃瓜的溫度變化特征，將處理過程劃分為發(fā)生區(qū)(0～16,min)、過渡區(qū)(16～45,min)及平衡區(qū)(45,min以后)，冷、熱激作用主要在發(fā)生區(qū)內完成，表現(xiàn)為黃瓜溫度的劇烈變化及組織間較大的溫度梯度．過渡區(qū)內黃瓜已經充分累積了發(fā)生區(qū)的激化效應，并對黃瓜的生物節(jié)律產生了影響．平衡區(qū)內黃瓜與處理介質間已無能量交換，黃瓜溫度基本穩(wěn)定．試驗發(fā)現(xiàn)處理時間位于過渡區(qū)的冷熱激黃瓜組C1(0,℃冷激20,min) 、C2(0,℃冷 激40,min) 及H1(40,℃熱 激20,min)均取得了較好的保鮮效果，但是位于過渡區(qū)的H2(40,℃熱激40,min)保鮮效果相對較差，說明冷激與熱激這2種不同的溫度處理方式對黃瓜生物學的影響具有一定差異．長時間的冷熱激處理C3(0,℃冷激60,min)與H3(40,℃熱激60,min)的保鮮效果相對較差，這可能與黃瓜處于溫度逆境的時間過長有關．

總體來看，冷激處理較熱激處理更有利于黃瓜的采后保鮮．在各冷激組中，以0,℃冰水混合物冷激處理40,min 黃瓜的保鮮效果最佳．該處理方式能夠有效降低黃瓜貯藏期間的失重，維持較好的顏色與硬度，并明顯延緩黃瓜的采后衰老與腐爛．

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