不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)的熱特性參數(shù)變化

黃汝國，張 敏*，袁海濤，解 越，梁飛俠

（上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306）

不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)的熱特性參數(shù)變化

黃汝國，張 敏*，袁海濤，解 越，梁飛俠

（上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306）

探討低溫逆境條件下黃瓜貯藏過程中熱特性參數(shù)變化規(guī)律，對(duì)在2、5、8、11 ℃低溫條件下黃瓜果實(shí)的熱特性隨貯藏時(shí)間的變化進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：黃瓜在2、5、8 ℃條件下均有冷害發(fā)生，而在11 ℃條件下并未出現(xiàn)冷害；隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，黃瓜的質(zhì)量損失率會(huì)漸漸上升，而比熱容因失水而下降；黃瓜的熱導(dǎo)率在冷害發(fā)生前后出現(xiàn)拐點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，果實(shí)熱特性參數(shù)的變化與其生物組織冷害具有一定的相關(guān)性。

低溫逆境；熱特性；比熱容；熱導(dǎo)率；冰點(diǎn)

對(duì)果實(shí)在低溫等逆境條件下的生理研究一直是國內(nèi)外果實(shí)采后貯藏研究中的熱點(diǎn)。果實(shí)采后貯藏中溫度是影響其生理變化的其中一個(gè)重要的因素，低溫貯藏也被認(rèn)為是果實(shí)保鮮貯藏最有效的方法[1-2]，但冷敏型果實(shí)在冰點(diǎn)以上的低溫貯藏容易引起果實(shí)內(nèi)部的代謝失調(diào)和機(jī)體損傷[3-4]。黃瓜是一種典型的冷敏型果蔬，是全球十大蔬菜之一。黃瓜在低溫逆境條件下貯藏易造成生理代謝紊亂和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)損傷，亦即出現(xiàn)了冷害。黃瓜的冷害癥狀一 般表現(xiàn)為表皮凹陷、水漬狀斑點(diǎn)等[5-6]。前人對(duì)黃瓜在低溫逆境條件下貯藏過程，黃瓜的膜透性、酶蛋白活性等生理生化特性進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)于黃瓜在低溫逆境條件下的熱特性的變化規(guī)律研究較少。

本研究選取黃瓜為研究對(duì)象，以測(cè)定其冰點(diǎn)、可溶性固形物、熱導(dǎo)率、比熱容等特性參數(shù)為依據(jù)，旨在發(fā)現(xiàn)低溫逆境對(duì)冷敏果實(shí)熱特性參數(shù)影響，探明冷敏果實(shí)冷害發(fā)生過程中熱傳遞特性參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為下一步進(jìn)行冷敏果實(shí)冷害過程中熱特性參數(shù)與組織細(xì)胞膜透性和細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究以及冷敏果實(shí)低溫冷害指標(biāo)的研究提供理論和實(shí)驗(yàn)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料采用瑞青黃瓜（新一代全雌性華南系黃瓜品種，非嫁接栽種，果長(zhǎng)23 cm左右，單瓜質(zhì)量220 g左右），均選取新鮮成熟的作為研究對(duì)象，果實(shí)飽滿，無機(jī)械損傷，長(zhǎng)條H型，采自上海市浦東新區(qū)書院鎮(zhèn)大棚。

1.2 儀器與設(shè)備

DCS823e差示量熱掃描儀 瑞士梅特勒公司；BT224S型電子分析天平（精度0.1 mg）、MA100C鹵素水分測(cè)定儀 德國Sartorius公司；WYA-2S數(shù)字阿貝折射儀 上海儀電物理光學(xué)儀器公司；GY-1型硬度計(jì)杭州東邦科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)處理

采摘的黃瓜適當(dāng)沖洗拭干，每3 根一組，然后裝入帶孔的聚乙烯薄膜保鮮袋中，每個(gè)溫度7 組，其中1組作為第0天樣品，分別貯藏于2、5、8、11 ℃，相對(duì)濕度85%的恒溫、恒濕箱中。貯藏后的0.5、1、2、4、6、8、 10 d，分別取樣，置于20 ℃的室溫條件下，4 h后待黃瓜復(fù)溫至室溫條件下測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定

1.3.2.1 硬度的測(cè)定

使用果實(shí)硬度計(jì)測(cè)量黃瓜中段位置去皮后的硬度，探頭直徑為1 cm，測(cè)試壓入深度10 cm，每次測(cè)定3 個(gè)樣品。1.3.2.2 冷害指數(shù)的測(cè)定

參考喬勇進(jìn)等[7]方法，黃瓜的冷害癥狀為瓜面表皮凹陷，果皮出現(xiàn)水浸狀斑點(diǎn)，失水萎蔫。冷害分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下：Ⅰ級(jí)：0，正常果實(shí)，Ⅱ級(jí)：冷害斑在1%～25%，Ⅲ級(jí)：冷害斑在26%～50%，Ⅳ級(jí)：冷害斑在 50%～75%，Ⅴ級(jí)：冷害斑在76%～100%。按式（1）計(jì)算冷害指數(shù)。

1.3.2.3 含水量的測(cè)定

含水量的測(cè)定采用MA100C鹵素水分測(cè)定儀[8]，以百分含量計(jì)。

1.3.2.4 可溶性固形物含量的測(cè)定

根據(jù)文獻(xiàn)[9]采用WAY-2S數(shù)字阿貝折射儀測(cè)定，以百分含量計(jì)。

1.3.2.5 冰點(diǎn)的測(cè)定

使用DSC法測(cè)定冰點(diǎn)的過程是先使試樣凍結(jié)，再升溫使其熔化，測(cè)定熔融過程的熱效應(yīng)，通過熱流曲線顯示試樣的熔融過程。因此實(shí)驗(yàn)中只要記錄功率隨時(shí)間（溫度）的變化也就反映了試樣吸熱速 度隨時(shí)間（溫度）的變化[10-11]。

1.3.2.6 比熱容的測(cè)定

采用文獻(xiàn)[10]的方法測(cè)定黃瓜的比熱容，按式（2）計(jì)算：

式中：Cp為樣品的比熱/（J/（g·K））；Cpstd為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的比熱/（J/（g·K））；mstd為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的質(zhì)量/mg；ms為樣品的質(zhì)量/mg；DSCs為樣品的熱流信號(hào)/mW；DSCstd為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的熱流信號(hào)/mW；DSCb為空坩堝的熱流信號(hào)/mW。

1.3.2.7 熱導(dǎo)率的測(cè)定

熱導(dǎo)率測(cè)試采用張敏等[12-13]的測(cè)量果實(shí)熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)裝置的方法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)的冷害指數(shù)

圖1 不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)的冷害指數(shù)Fig.1 Chilling injury index of cucumber fruit under different low temperature stresses

黃瓜屬于冷敏果蔬，低溫條件下貯藏容易發(fā)生冷害[3-6]。由圖1可知，黃瓜在11 ℃的貯藏期間內(nèi)并未有冷害發(fā)生，2 ℃條件下黃瓜貯藏1 d后即發(fā)生冷害，5 ℃和8 ℃條件下分別貯藏4 d和8 d時(shí)也出現(xiàn)了冷害癥狀。

2.2 不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)質(zhì)量損失率的變化

圖2 不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)質(zhì)量損失率的變化Fig.2 Changes in weight loss in cucumber fruit under different low temperature stresses

在低溫逆境條件下，黃瓜果實(shí)內(nèi)部的水分運(yùn)動(dòng)會(huì)有所減緩，但仍會(huì)有水分散失存在[14]。由圖2所示，在實(shí)驗(yàn)過程中，各個(gè)實(shí)驗(yàn)組質(zhì)量損失率幾乎呈線性增長(zhǎng)。黃瓜在2 ℃的低溫逆境條件下，水分不斷散失，其質(zhì)量損失率逐漸提高，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，質(zhì)量損失率為3.17%。同樣地，5、8、11 ℃各組的質(zhì)量損失率分別為3.6%、4.26%、5.12%。11 ℃條件下的質(zhì)量損失率是2 ℃條件下的162%，可見在低溫逆境、相同濕度條件下，貯藏溫度的高低是影響黃瓜果實(shí)質(zhì)量損失率的關(guān)鍵因素。

2.3 不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)硬度的變化

硬度是衡量果實(shí)保鮮效果的其中一項(xiàng)重要指標(biāo)[15]。隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，由于黃瓜果實(shí)會(huì)漸漸失去水分而變得綿軟[16-17]，如圖3所示，各實(shí)驗(yàn)組黃瓜果實(shí)的硬度均隨時(shí)間延長(zhǎng)不斷下降，其中以2 ℃的低溫逆境時(shí)下降最快，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，其硬度為初始硬度的51%，而5、8、11 ℃各組的硬度最終分別下降為初始值的56%、64%、76%。2 ℃的低溫與5、8、11 ℃各組之間差異顯著（P＜0.05）。

圖3 不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)硬度的變化Fig.3 Changes in fi rmness in cucumber fruit under different low temperature stresses

2.4 不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)可溶性固形物含量的變化

圖4 不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)可溶性固形物含量的變化Fig.4 Changes in soluble solids content in cucumber under different low temperature stresses

可溶性固形物含量可以在一定程度上反映果實(shí)的成熟度，并和其成熟度呈反比，隨著貯藏時(shí)間延長(zhǎng)，果實(shí)呼吸衰老，果實(shí)果肉的可溶性固形物會(huì)有所下降[9]。如圖4所示，在不同低溫逆境條件下，黃瓜隨著時(shí)間的延長(zhǎng)其可溶性固形物含量會(huì)逐漸降低，新鮮黃瓜的可溶性固形物含量為7.2%，到第10天后，2、5、8、11℃貯藏下的可溶性固形物含量分別為4.2%、4.4%、5.2%、5.8%，其中2 ℃條件下降低的幅度最大為41.7%，貯藏溫度越高降低的幅度越小。這可能是因?yàn)榭扇苄怨绦挝锏闹饕煞质翘?，果蔬機(jī)體在遇到低溫逆境時(shí)，會(huì)在一定程度上以糖為原料進(jìn)行聚合反應(yīng)，使自由水向結(jié)合水轉(zhuǎn)變，釋放出能量來抵御低溫逆境。

2.5 不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)冰點(diǎn)的變化

圖5 不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)冰點(diǎn)的變化Fig.5 Changes in freezing point of cucumber fruit under different low temperature stresses

如圖5所示，不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)冰點(diǎn)隨著貯藏時(shí)間延長(zhǎng)呈逐漸上升的趨勢(shì)，并且在不同的低溫逆境條件下，冰點(diǎn)上升的幅度并不相同。新鮮黃瓜的冰點(diǎn)為-1.3 ℃，到第10天后，2、5、8、11 ℃貯藏條件下的冰點(diǎn)分別為-0.35、-0.57、-0.59 ℃和-0.76 ℃，各組之間差異顯著（P＜0.05）。黃瓜果實(shí)冰點(diǎn)的升高是由于隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)其可溶性固形物含量下降所致，這也與前人的研究[18-19]結(jié)論相一致。

2.6 不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)比熱容的變化

圖6 不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)20 ℃時(shí)的比熱容變化Fig.6 Changes in specifi c heat capacity at 20 ℃ in cucumber fruit under different low temperature stresses

由圖6可以看出，在4 種低溫逆境條件下，黃瓜的比熱容都是呈不斷下降的趨勢(shì)，2 ℃條件下貯藏的黃瓜的比熱容由初始的3.93 kJ/（kg·K）下降到最終的3.81 kJ/（kg·K），下降的比例為3.05%。5、8、11 ℃貯藏條件下，黃瓜的比熱容分別下降到3.79、3.76、3.73 kJ/（kg·K），下降的比例分別為3.56%、4.32%和5.09%，貯藏的溫度越低下降的幅度越小。由于含水量較高的食品材料的比熱容基本上由其含水量確定[20-21]，黃瓜果實(shí)貯藏過程中水分的散失可能是造成黃瓜比熱容下降的主要原因。這與圖1所示的質(zhì)量損失率上升的比例比較吻合，并且也與果蔬比熱容隨其含水率的增大而呈增大趨勢(shì)的報(bào)道[22]一致。

2.7 不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)熱導(dǎo)率的變化

圖7 11 ℃低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)熱導(dǎo)率的變化Fig.7 Changes in thermal conductivity in cucumber fruit under different low temperature stresses

由圖7可知，不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)熱導(dǎo)率隨貯藏時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生變 化，2、5、8 ℃各組的熱導(dǎo)率在隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)都發(fā)生了波動(dòng)，且最后維持在一個(gè)比較低的值上，而11 ℃貯藏條件下的黃瓜熱導(dǎo)率值變化并不明顯。新鮮黃瓜的熱導(dǎo)率為0.53 W/（m·K），至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，2、5、8、11 ℃貯藏條件下的黃瓜熱導(dǎo)率分別為0.45、0.46、0.45、0.54 W/（m·K）。結(jié)合圖1，可發(fā)現(xiàn)黃瓜熱導(dǎo)率出現(xiàn)波動(dòng)和拐點(diǎn)的時(shí)間與初次冷害出現(xiàn)的時(shí)間較為一致，究其原因可能是黃瓜果實(shí)在受到冷害前后，組織細(xì)胞的生物膜發(fā)生了相變，膜脂由液晶態(tài)向凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變，同時(shí)膜脂相變還導(dǎo)致了原生質(zhì)流動(dòng)的停止[23]，從而導(dǎo)致黃瓜的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，引起了熱導(dǎo)率發(fā)生了變化。

3 討論與結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，黃瓜在2、5、8 ℃低溫逆境條件下貯藏均有冷害發(fā)生，初次出現(xiàn)冷害的時(shí)間分別為1、4、8 d，而在臨界溫度11 ℃條件下，黃瓜并未出現(xiàn)冷害。在不同低溫逆境條件下，黃瓜隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)其可溶性固形物會(huì)逐漸降低，因果蔬冰點(diǎn)與其可溶性固形物含量呈正相關(guān)[19]，所以可能導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)中黃瓜果實(shí)的冰點(diǎn)隨著貯藏時(shí)間而升高。

在低溫逆境條件下，黃瓜貯藏過程中的質(zhì)量損失主要是由其呼吸作用和蒸騰作用導(dǎo)致了水分損失所致[14,24-25]，因?yàn)橘A藏溫度低能有效抑制黃瓜的內(nèi)源酶活性，降低酶促反應(yīng)并抑制黃瓜的生命活動(dòng)，其呼吸作用和蒸騰作用也相應(yīng)降低[26]。這也是在同一相對(duì)濕度，造成不同低溫逆境條件下的質(zhì)量損失率隨著貯藏溫度的升高和貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而升高的原因，2、5、8、 11 ℃各組的質(zhì)量損失率分別為3.17%、3.6%、4.26%、5.12%。新鮮黃瓜的比熱容為3.93 kJ/（kg·K），由于受到貯藏期間黃瓜不斷失水的影響，黃瓜的比熱容有漸漸降低的趨勢(shì)，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)2、5、8、 11 ℃各組的比熱容分別為3.81、3.79、3.76 kJ/（kg·K）和3.73 kJ/（kg·K），貯藏溫度越低比熱容下降的幅度越小，這與含水量的變化相一致。

不同低溫逆境條件下黃瓜果實(shí)熱導(dǎo)率會(huì)隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而變化，新鮮黃瓜的熱導(dǎo)率為0.53 W/（m·K），至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，2、5、8、11 ℃貯藏條件下的黃瓜熱導(dǎo)率分別為0.45、0.46、0.45、0.54 W/（m·K）。黃瓜熱導(dǎo)率的拐點(diǎn)與其初次冷害出現(xiàn)的時(shí)間較為一致，原因可能是黃瓜果實(shí)在受到冷害前 后，組織細(xì)胞的生物膜發(fā)生了相變，膜脂由液晶態(tài)向凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變，同時(shí)膜脂相變還導(dǎo)致了原生質(zhì)的流動(dòng)停止，從而導(dǎo)致黃瓜的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，引起傳熱能力發(fā)生了變化。這將為下一步進(jìn)行冷敏果實(shí)冷害過程中熱特性參數(shù)與組織細(xì)胞膜透性和細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究，以及冷敏果實(shí)低溫冷害指標(biāo)的研究提供理論和實(shí)驗(yàn)參考。

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Variations of Thermophysical Properties of Cucumber Fruit under Different Low Temperature Stresses

HUANG Ruguo, ZHANG Min*, YUAN Haitao, XIE Yue, LIANG Feixia
(College of Food Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

Ιn order to estimate the thermal properties of cucumber under low temperature stress, we measured the thermal properties of cucumber fruit stored for varying times at 2, 5, 8 and 11 ℃, respectively. The experimental results indicated that chilling injury appeared in the cucumbers when they were stored at 2, 5 and 8 ℃, but not at 11 ℃. The mass loss of cucumbers gradually increased during storage, while the specifi c heat capacity decreased due to the water loss. The infl ection point of thermal conductivity in cucumbers appeared around the storage time when its chilling injury occurred for the fi rst time. This study showed that there were some correlations between the changes in the thermal properties of fruit and its biological tissue injuries.

low temperature stress; thermophysical properties; specifi c heat capacity; thermal conductivity; ice point

TS255.1

A

1002-6630（2015）22-0177-04

10.7506/spkx1002-6630-201522034

2015-01-27

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31371526）；上海海洋大學(xué)研究生科研基金項(xiàng)目

黃汝國（1987—），男，碩士研究生，主要從事果蔬冷藏保鮮研究。E-mail：macao2047@126.com

*通信作者：張敏（1969—），女，教授，博士，主要從事生物傳熱及食品冷藏保鮮研究。E-mail：zhangm@shou.edu.cn