智能氣調(diào)保鮮實驗裝置研制與教學(xué)應(yīng)用

張潤光，張有林，韓軍岐，張邦勞

（陜西師范大學(xué) 食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710119）

“果蔬貯藏運銷學(xué)”、“食品保藏學(xué)”屬于食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全專業(yè)的必修課程，應(yīng)用性和實踐性很強。這兩門課程中介紹的氣調(diào)保鮮技術(shù)，其基本方式是通過控制貯藏環(huán)境中的氣體成分、溫度、相對濕度、甚至是氣壓等因素，來降低果蔬等生鮮食品的呼吸強度，減少物質(zhì)損耗，防止水分散失，延緩后熟衰老，抑制微生物生長，最大限度地延長貯藏期限，保持產(chǎn)品品質(zhì)，并具有優(yōu)越的食品安全性［1］。

為了保證“果蔬貯藏運銷學(xué)”、“食品保藏學(xué)”課程中氣調(diào)貯藏教學(xué)實驗的正常進行，依托陜西師范大學(xué)實驗技術(shù)研究項目，與西安市鐘華氣調(diào)保鮮技術(shù)研究所合作研發(fā)了智能氣調(diào)保鮮實驗裝置，且已通過產(chǎn)品質(zhì)量認證，在我校食品工程實驗室推廣應(yīng)用。結(jié)合食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全專業(yè)的教學(xué)計劃和培養(yǎng)目標，將智能氣調(diào)保鮮實驗裝置引入本科生課程實驗教學(xué)和開放性實驗項目中，獲得了良好的教學(xué)效果。

1 傳統(tǒng)保鮮方式的缺陷

食品保鮮實驗主要是確定溫度、相對濕度、氣體成分及微生物病害等參數(shù)對食品貯藏品質(zhì)的影響［2－3］。保鮮的傳統(tǒng)方式是利用機械冷庫或冰箱類保鮮柜來實施的，實驗一般是單純地依靠降低環(huán)境中的溫度來進行貯藏實驗，其缺陷主要如下：

（1）機械冷庫空間雖然符合現(xiàn)實的使用需求，但往往空間過大，實驗所需樣品太多，運行成本偏高，且冷庫的密封性能也達不到氣調(diào)要求；

（2）果蔬類生鮮食品的呼吸過程是吸收環(huán)境中的O2，釋放體內(nèi)的CO2，機械冷庫和冰箱類保鮮柜是通過降低溫度來抑制果蔬的呼吸作用，而沒有調(diào)控影響其呼吸的另一個重要因素——貯藏環(huán)境中的氣體成分，所以總體保鮮效果不夠理想［4］；

（3）機械冷庫和冰箱類保鮮柜，無法進行實時數(shù)據(jù)保存，查看歷史數(shù)據(jù)比較困難，歷史運行情況也不清楚，不能很好地分析保鮮環(huán)境數(shù)據(jù)，存在數(shù)據(jù)不準確、精確度不高等缺點；

（4）當前使用的機械冷庫和冰箱類保鮮柜，通常都不具備加濕裝置和殺菌裝置，在保鮮實驗過程中無法有效解決產(chǎn)品失水和腐爛等問題。

鑒于傳統(tǒng)保鮮設(shè)備應(yīng)用在氣調(diào)保鮮實驗中有較大的局限性，難以滿足此類實驗的需要。因此，研制了智能氣調(diào)保鮮實驗裝置，解決傳統(tǒng)保鮮實驗設(shè)備的不足。使用該裝置后，貯藏環(huán)境的溫度、相對濕度、各氣體成分濃度、殺菌時間等技術(shù)參數(shù)可以任意設(shè)定，并可對貯藏間內(nèi)的環(huán)境進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的即時保存，能隨時查看歷史數(shù)據(jù)，使氣調(diào)保鮮實驗變得簡單方便，而且穩(wěn)定可靠，大大降低人為因素的影響。

2 智能氣調(diào)保鮮實驗裝置基本構(gòu)成和主要特色

2.1 實驗裝置基本構(gòu)成

智能氣調(diào)保鮮實驗裝置（見圖1）于2012年初開始研發(fā)，其間開展了大量的信息調(diào)研、數(shù)據(jù)測算與分析，反復(fù)完善設(shè)計方案，認真采購、定制、加工主體材料及相關(guān)系統(tǒng)零配件，并由專業(yè)工程技術(shù)人員進行組裝、調(diào)試、運行，最終于2012年底研制成功。

圖1 智能氣調(diào)保鮮實驗裝置

智能氣調(diào)保鮮實驗裝置由貯藏間和設(shè)備部兩大部分構(gòu)成。貯藏間包含一個密閉空間，上部帶有機玻璃箱蓋，周邊箱槽內(nèi)注水密封，該部分用于存放實驗原料，實現(xiàn)氣調(diào)環(huán)境；設(shè)備部位于裝置底部，用于對貯藏間進行氣體濃度調(diào)節(jié)、控溫、殺菌和控濕。設(shè)備部含有制冷系統(tǒng)、氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、殺菌系統(tǒng)、相對濕度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)，其中，制冷系統(tǒng)用于根據(jù)數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)的命令對貯藏間進行制冷；氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于根據(jù)數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)的命令控制貯藏間的氣體成分，使其保持在設(shè)定的數(shù)值；檢測系統(tǒng)用于檢測貯藏間的氣體成分，并將檢測信號發(fā)送給數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)；殺菌系統(tǒng)用于根據(jù)數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)的命令對貯藏間進行殺菌；相對濕度控制系統(tǒng)用于根據(jù)數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)的命令來控制貯藏間的相對濕度；數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)用于對制冷系統(tǒng)、氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)、殺菌系統(tǒng)、相對濕度控制系統(tǒng)進行控制及存儲數(shù)據(jù)。

2.2 實驗裝置主要特色

本裝置將影響食品保鮮效果的O2濃度、CO2濃度、溫度、相對濕度及殺菌消毒等功能有機地結(jié)合在一起，模擬貯藏環(huán)境進行保鮮實驗。裝置運行時可根據(jù)生鮮食品的呼吸特點，通過設(shè)置適宜的氣調(diào)保鮮技術(shù)參數(shù)，有效地控制食品貯藏環(huán)境的氣體成分、溫度和相對濕度，使產(chǎn)品細胞處于近似休眠的低生理代謝狀態(tài)，既抑制了呼吸作用，又保持了細胞活性，延緩了組織衰老。同時，由于降低了貯藏環(huán)境中O2濃度，因此在一定程度上能夠減輕冷害，對其他病原微生物的生長繁殖也有抑制作用，有效地防止了腐爛病害，保證了產(chǎn)品品質(zhì)，延長了貯藏期限［5－6］。

智能氣調(diào)保鮮實驗裝置的特點包括以下幾個方面：（1）精確控制貯藏間內(nèi)部的氣體狀態(tài)和參數(shù)，通過優(yōu)化的氣體循環(huán)使用方式，為食品保鮮提供最佳條件，有效控制產(chǎn)品呼吸速度，延長貯藏時間；（2）采用智能化嵌入式技術(shù)存儲數(shù)據(jù)，能夠在食品貯藏過程中實施監(jiān)控，使保鮮實驗變得簡單、方便、穩(wěn)定，降低人為因素的影響；（3）檢測系統(tǒng)安裝時把探頭放在貯藏室內(nèi)，傳感變送器置于貯藏室外，使其不受貯藏環(huán)境的影響，檢測起來更準確，不易出故障；（4）貯藏間為較大的獨立空間，使一次實驗處理量增加，可以獲取更多的數(shù)據(jù)和技術(shù)參數(shù)，減少人力物耗，降低實驗成本。

3 教學(xué)應(yīng)用

兩年來，先后研發(fā)出多個智能氣調(diào)保鮮實驗裝置，為陜西師范大學(xué)食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全專業(yè)本科生開設(shè)了“果蔬貯藏運銷學(xué)”、“食品保藏學(xué)”等課程的部分實驗。按目前每個專業(yè)本科生年招生量60名計算，實驗分5批進行，每批12人，每2人1個小組，學(xué)生可完成課程實驗6個（見表1），實驗開出率100%，實驗人時數(shù)達到1440人時/年，此外再加上本科生參與的各類開放性實驗項目，該裝置的使用率已超過2 000人時/年。

表1 利用智能氣調(diào)保鮮實驗裝置開設(shè)的課程實驗

為了調(diào)動學(xué)生從事科研探索的積極性，培養(yǎng)學(xué)生勤于思考和解決問題的能力，利用智能氣調(diào)保鮮裝置開展了一系列開放性實驗項目（見表2）。此類實驗項目從課題選擇到方案確定，比較靈活，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣和專長選擇實驗內(nèi)容。項目實施過程中，教師只講授裝置的使用方法和注意事項，不提供具體的實驗方法，讓學(xué)生自己查閱資料、提出所要研究的課題、設(shè)計實驗方案，經(jīng)教師審閱完善后，學(xué)生自行分工、合作進行實驗，測定不同指標，記錄分析數(shù)據(jù)，最后總結(jié)實驗結(jié)果，提交實驗報告［7－8］。例如，食品科學(xué)與工程專業(yè)2011級的5名學(xué)生利用智能氣調(diào)保鮮實驗裝置進行開放性實驗，他們根據(jù)自己制定的實驗方案，對“石榴采后氣調(diào)保鮮技術(shù)優(yōu)化與工藝設(shè)計”開展了深入研究，具體實驗過程如下：

表2 利用智能氣調(diào)保鮮實驗裝置完成的開放性實驗項目

以陜西臨潼“凈皮甜”品種石榴為試材，將采收的石榴在5℃下預(yù)冷3d，分別放入5個氣調(diào)實驗箱中（箱體體積57cm×57cm×58cm），每箱各放石榴20 kg，抽去箱內(nèi)空氣，按表3中5種氣體配比充氣，充氣后密封箱體，每隔10d再按表3氣體配比換氣1次。同時設(shè)計對照處理（記作CK，石榴預(yù)冷后直接放于氣調(diào)實驗箱中貯藏，每天用庫內(nèi)自然空氣換氣1次）。所有處理貯藏溫度均為（4.0±0.5）℃，相對濕度90%～95%，貯藏期間每隔30d隨機取樣，測定石榴籽?？扇苄怨绦挝锖?、總糖含量和總酸含量，統(tǒng)計果皮褐變指數(shù)及果實腐爛率，貯藏120d時作感官評定［9－10］。

表3 石榴氣調(diào)保鮮實驗氣體配比表

實驗結(jié)果表明，高濃度O2增強石榴呼吸強度，高濃度CO2引起石榴生理病害，二者均加速果實褐變和腐爛，所以石榴不宜在高濃度O2或高濃度CO2下貯藏。綜合比較各項指標得出石榴采后的氣調(diào)保鮮技術(shù)最佳工藝參數(shù)：溫度（4.0±0.5）℃、相對濕度90%～95%、氣體體積分數(shù)O2為3%和CO2為3%的條件下貯藏效果為好，貯藏120d時，石榴籽?？扇苄怨绦挝锖?4.2%，總糖含量12.8%，總酸含量0.384%，果皮褐變指數(shù)0.12，果實腐爛率3.5%，貯后石榴外觀和內(nèi)部籽粒品質(zhì)俱佳，具有很高的商品價值。

學(xué)生通過參加上述開放性實驗項目，增強了實驗技能，激發(fā)了創(chuàng)新思維，強化了團隊精神，培養(yǎng)了科研素養(yǎng)。同時，在完成項目的過程中，積極探索鉆研，主動交流討論，互相學(xué)習(xí)，互相促進，既鞏固了課堂上學(xué)習(xí)的專業(yè)知識，又了解到其他學(xué)科的相關(guān)技術(shù)，有助于全面提高他們的整體素質(zhì)和綜合能力［11－12］。

4 結(jié)束語

研制的智能氣調(diào)保鮮實驗裝置，克服了傳統(tǒng)保鮮方式的不足，實現(xiàn)了氣調(diào)保鮮實驗的模型多元化、參數(shù)可控化、操作簡單化、教學(xué)直觀化，使氣調(diào)保鮮實驗變得簡單、方便，而且性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠，降低了人為因素的影響。將該裝置引入食品本科專業(yè)相關(guān)課程實驗教學(xué)和開放性實驗項目中，教學(xué)效果良好，不僅提高了學(xué)生實驗技能和科研創(chuàng)新能力，而且使培養(yǎng)出來的學(xué)生畢業(yè)后能滿足食品企業(yè)、科研院所等用人單位的需要，有利于促進我國食品保鮮行業(yè)的發(fā)展。

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