現(xiàn)代果蔬氣調(diào)貯藏庫及其應(yīng)用現(xiàn)狀

丁樹東，李艷杰，孔瑞琪

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博 255000）

氣調(diào)貯藏是調(diào)節(jié)氣體貯藏的簡稱，是指在低溫貯藏的基礎(chǔ)上，通過改變密閉貯藏環(huán)境的氣體成分，使之不同于正?？諝庵袣怏w成分的一種貯藏方法[1]。根據(jù)包裝內(nèi)氣體調(diào)節(jié)原理的不同，氣調(diào)貯藏可分為人工氣調(diào)貯藏（controlled atmosphere storage，CA）和自發(fā)氣調(diào)貯藏（modified atmosphere storage，MA）兩大類[2]。而果蔬氣調(diào)保鮮技術(shù)主要分為氣調(diào)庫保鮮和氣調(diào)包裝保鮮[3]。氣調(diào)庫保鮮具有設(shè)施先進(jìn)、機械化程度高、儲存容量大、保鮮效果好等特點，可用于自動化的連續(xù)工作[4]。氣調(diào)貯藏庫可以在維持果蔬采后正常生理活動的前提下，準(zhǔn)確控制影響氣調(diào)貯藏的溫度、濕度、氣體成分等工作參數(shù)，最大限度地抑制果蔬的新陳代謝及微生物的活動，延緩果蔬的衰老進(jìn)程，從而有效地保持果蔬的品質(zhì)[5]。

目前，氣調(diào)庫已廣泛應(yīng)用于發(fā)達(dá)國家的果蔬采后貯藏，特別是美國、法國等國家，這些國家應(yīng)用氣調(diào)庫貯藏的果蔬可達(dá)貯藏總量的50%～70%。我國對氣調(diào)貯藏技術(shù)的研究與應(yīng)用相對較晚，山東龍口、新疆庫爾勒、陜西西安等地雖已有萬噸級大型機械氣調(diào)庫投入使用，但大部分商業(yè)氣調(diào)庫仍為小型庫、土建庫。另外，氣調(diào)庫貯藏技術(shù)仍未普及，據(jù)統(tǒng)計，只有5%～7%的生鮮農(nóng)產(chǎn)品使用了氣調(diào)貯藏技術(shù)，而每年由于采后貯藏不當(dāng)導(dǎo)致的經(jīng)濟損失高達(dá)750億元[6]。因此，應(yīng)用先進(jìn)的氣調(diào)庫果蔬貯藏保鮮手段是果蔬采后貯藏的發(fā)展趨勢。本文著重介紹了果蔬氣調(diào)貯藏庫的技術(shù)原理及設(shè)備組成，并結(jié)合國內(nèi)外氣調(diào)庫發(fā)展現(xiàn)狀，對我國果蔬氣調(diào)庫的應(yīng)用與推廣進(jìn)行了展望。

1 果蔬氣調(diào)貯藏的原理

采收后的果蔬仍進(jìn)行著呼吸作用與蒸騰作用，但此時果蔬無法再給自身提供水分與營養(yǎng)物質(zhì)，當(dāng)貯藏溫度較高，果實內(nèi)部酶的活性強，隨著貯藏時間的延長，果實內(nèi)部酶的活性也會增強，這些都會使呼吸速率加快，加劇果蔬體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的損耗，最終導(dǎo)致腐爛變質(zhì)，喪失商品價值。同時，乙烯的產(chǎn)生也會加速呼吸作用。而果蔬的呼吸需要氧氣參與完成，氣調(diào)貯藏是在保持適宜低溫條件的同時適當(dāng)減少貯藏環(huán)境中氧氣的含量、提高二氧化碳含量，以抑制果蔬的呼吸作用，達(dá)到減少營養(yǎng)物質(zhì)消耗的目的，并在某些方面抑制了微生物的生長繁殖，從而延長采后果蔬的貨架期，有效地保證其商品價值[7]。

2 果蔬氣調(diào)貯藏庫的設(shè)備組成

果蔬氣調(diào)貯藏庫通常由庫體、氣調(diào)系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、壓力平衡系統(tǒng)以及自動監(jiān)測控制系統(tǒng)構(gòu)成[8]。

2.1 庫體

常見的氣調(diào)庫庫體有裝配式、磚混式和夾套式三種[9]。裝配式氣調(diào)庫的庫體具有防潮、氣密性能優(yōu)越、外形美觀等優(yōu)點，且建造時間短，是目前國內(nèi)外新建氣調(diào)庫最常用的類型。裝配式庫體通常以金屬軋制卷板為面板，以硬質(zhì)聚氨酯泡沫夾芯板作圍護結(jié)構(gòu)，經(jīng)整體發(fā)泡或膠粘復(fù)合而成的隔熱芯板組裝而成[10]。磚混式和夾套式庫體存在施工復(fù)雜、建筑周期長等缺點，逐步被裝配式庫體所替代。

氣調(diào)庫庫體應(yīng)具備良好的隔熱性和氣密性。庫體一般在試驗壓力196 Pa條件下，半壓降時間（壓力下降到試驗起始壓力之一半所需要的時間）為20 min，檢驗結(jié)束壓力不低于78 Pa為合格[11]。與此同時，為避免庫溫波動時產(chǎn)生的壓強差對庫體結(jié)構(gòu)的破壞，氣調(diào)庫必須設(shè)置壓力平衡系統(tǒng)[12]。

2.2 氣調(diào)系統(tǒng)

氣調(diào)系統(tǒng)是氣調(diào)庫的關(guān)鍵所在[13]，統(tǒng)通常由制氮設(shè)備、二氧化碳脫除設(shè)備、乙烯脫除設(shè)備、加濕設(shè)備、氣體檢測設(shè)備、壓力平衡袋、安全閥等部分組成，如圖1所示。當(dāng)氣調(diào)系統(tǒng)運行時，氣調(diào)庫內(nèi)的氣體通過管道被輸送到氣調(diào)設(shè)備中，經(jīng)過檢測和處理，再由管道排放到庫內(nèi)，反復(fù)循環(huán)，直至庫內(nèi)氣體達(dá)到氣調(diào)貯藏的要求[8]。

圖1 氣調(diào)庫結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of controlled atmosphere storage

2.2.1 制氮

氣調(diào)庫的氣體調(diào)節(jié)一般通過充氮置換的方法降低庫內(nèi)氧氣的濃度。氣調(diào)系統(tǒng)工作時，一方面將制氮機制取的高濃度氮氣充入庫內(nèi)，另一方面將高氧氣濃度的庫內(nèi)氣體排出庫外，反復(fù)充放，直至庫內(nèi)的氧含量降至5%左右，最后通過果蔬自身的呼吸作用繼續(xù)降低氧氣濃度，以達(dá)到調(diào)節(jié)庫內(nèi)氣體成分、抑制果蔬呼吸強度的目的[14]。

目前在氣調(diào)庫上采用的制氮機主要包括吸附分離式的碳分子篩制氮機[15]和膜分離式的中空纖維膜制氮機[16-17]。制氮機的選型可以根據(jù)果蔬貯藏品種及其所需氣調(diào)參數(shù)的不同和庫房大小來確定。除了制氮機外，完整的制氮系統(tǒng)還需要配套空氣壓縮機、空氣緩沖罐?？諝鈮嚎s機起到壓縮空氣的作用，而空氣緩沖罐可以為壓縮機供應(yīng)的氣體提供緩沖，起到穩(wěn)定和貯存空氣的作用，并可降低氣體溫度。

2.2.2 二氧化碳脫除機

由于過高的二氧化碳會導(dǎo)致果蔬二氧化碳中毒，因此氣調(diào)庫內(nèi)二氧化碳的含量必須控制在一定范圍內(nèi)。二氧化碳脫除機是氣調(diào)庫的重要組成部分，其在運行時可以交替地吸附和脫附二氧化碳濃度高的氣體[12]：庫內(nèi)二氧化碳濃度較高時，庫內(nèi)氣體被抽到吸附裝置中，經(jīng)活性炭吸附后，再將吸附后的氣體充入庫房，達(dá)到脫除二氧化碳的目的。二氧化碳脫除機中活性炭吸附二氧化碳的量與溫度相關(guān)，并與二氧化碳的濃度成正比[18]。當(dāng)二氧化碳脫除機中活性炭吸附二氧化碳的量達(dá)到一定程度時，需用外界的新鮮空氣脫附二氧化碳后再繼續(xù)工作。

2.2.3 乙烯脫除機

乙烯是一種在果蔬發(fā)育、成熟過程中持續(xù)不斷合成并釋放的植物激素和信號分子，對果蔬的成熟、衰老等生命活動具有促進(jìn)作用。因此，貯藏蘋果、桃子、番茄、香蕉等呼吸躍變型果蔬時，必須采取抑制乙烯生成并消除其在庫內(nèi)累積的措施。目前常用的脫除乙烯的方法有氧化分解法[19]和物理吸附法[20]兩種。

2.2.4 壓力平衡系統(tǒng)

氣調(diào)庫具有良好的氣密性，當(dāng)庫內(nèi)溫度波動時會引起庫內(nèi)外壓力的變化，繼而對整個庫體的結(jié)構(gòu)帶來沖擊。因此，氣調(diào)系統(tǒng)必須設(shè)置壓力平衡系統(tǒng)，以平衡庫內(nèi)外壓力差[21]。同時，為了減少安全閥與庫外的氣體交換次數(shù)，每個庫房均設(shè)一個壓力平衡袋[22]。當(dāng)庫溫升高，平衡袋膨脹，庫內(nèi)部分氣體流入平衡袋；當(dāng)溫度降低，庫內(nèi)氣體收縮，袋內(nèi)氣體自動流入庫內(nèi)，從而減輕或消除壓差對庫體的沖擊、破壞作用。

2.2.5 制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)是機械氣調(diào)庫必須具備的系統(tǒng)[23]。氣調(diào)庫的制冷系統(tǒng)根據(jù)制冷方式的不同，可分為直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)和載冷劑間接冷卻系統(tǒng)。其中，直接蒸發(fā)式系統(tǒng)的能效更高，有利于節(jié)能；載冷劑間接冷卻系統(tǒng)由于載冷劑溫度與庫溫之間溫差小，因此庫內(nèi)溫濕度更穩(wěn)定[24]。

2.3 輔助系統(tǒng)

2.3.1 加濕系統(tǒng)

為保證氣調(diào)庫內(nèi)果蔬的品質(zhì)，氣調(diào)庫內(nèi)應(yīng)配備加濕系統(tǒng)以維持合適的相對濕度。一般要求，氣調(diào)庫內(nèi)的相對濕度應(yīng)維持在90%～95%[25]。常用的加濕方法包括地面充水加濕、噴霧加濕、離心霧化加濕、超聲霧化加濕、高壓微霧加濕等[26]。

2.3.2 自動監(jiān)測系統(tǒng)

氣調(diào)庫自動監(jiān)測系統(tǒng)的主要作用是根據(jù)貯藏果蔬的特性，實時監(jiān)測并控制庫內(nèi)溫度、濕度以及氣體濃度等氣調(diào)貯藏參數(shù)，以達(dá)到最佳氣調(diào)參數(shù)狀態(tài)[27]?，F(xiàn)代氣調(diào)庫大多使用自動監(jiān)測控制設(shè)備，通過一臺中央控制計算機對氣調(diào)庫進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實時查詢庫內(nèi)的各項氣調(diào)參數(shù)及設(shè)備運行狀態(tài)，同時根據(jù)參數(shù)及運行情況的變化對氣調(diào)庫進(jìn)行實時地遠(yuǎn)程控制，以維持氣調(diào)庫的穩(wěn)定運行。

3 國內(nèi)外氣調(diào)貯藏庫的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 國外氣調(diào)貯藏庫的應(yīng)用

國外對氣調(diào)貯藏庫的研究起步較早，1819年法國科學(xué)家Black發(fā)現(xiàn)減少空氣含量可以延緩水果成熟，由此奠定了氣調(diào)貯藏的原理基礎(chǔ)。1927年，英國建成了第一座用于商業(yè)化的果蔬氣調(diào)貯藏庫。此后，發(fā)達(dá)國家開始進(jìn)一步研究氣調(diào)庫在農(nóng)產(chǎn)品貯藏與運輸中的應(yīng)用。目前，發(fā)達(dá)國家在果蔬貯藏銷售過程中廣泛應(yīng)用氣調(diào)庫貯藏，據(jù)統(tǒng)計，在發(fā)達(dá)國家采后應(yīng)用氣調(diào)庫貯藏的果蔬達(dá)到果蔬產(chǎn)量的50%以上[6]，多數(shù)果蔬在采收后可以做到立即預(yù)冷，然后挑選、分級進(jìn)入氣調(diào)庫貯藏，最后通過冷鏈氣調(diào)集裝箱進(jìn)行運輸和銷售，這種模式下的果蔬貯運有效地延緩了采后果蔬的成熟與衰老，極大程度地保證了采后果蔬的品質(zhì)與新鮮度。

3.2 國內(nèi)氣調(diào)貯藏庫的應(yīng)用

我國氣調(diào)貯藏起步較晚，20世紀(jì)80年代曾引進(jìn)過示范性氣調(diào)庫，并且于1994年在北京建成我國第一座百噸級果蔬氣調(diào)庫，其后也有各種類型的商業(yè)性氣調(diào)庫建成，并在山東、新疆、陜西等果蔬主產(chǎn)地建有萬噸級大型機械氣調(diào)庫。但氣調(diào)貯藏庫發(fā)展相對緩慢，且普及率極低，且僅在蘋果、庫爾勒香梨、獼猴桃等少數(shù)品種上應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計，只有5%～7%的生鮮農(nóng)產(chǎn)品使用了氣調(diào)技術(shù)[6]，與國外氣調(diào)庫差距較大。所以，我國果蔬氣調(diào)庫貯藏在應(yīng)用方面依然處于初級階段。周博等[40]采用k-ε 紊流模型建立了氣調(diào)庫內(nèi)氣體流動、傳熱與傳質(zhì)的三維數(shù)學(xué)求解模型，并通過編寫UDF程序獲得蘋果呼吸強度和冷風(fēng)機送風(fēng)口O2、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。楊巧銀等[25]采用CFD軟件模擬蘋果氣調(diào)庫內(nèi)的熱質(zhì)傳遞現(xiàn)象，并研究了庫內(nèi)相對濕度的分布，得出了改善庫內(nèi)濕環(huán)境的方案。胡浩等[41]用k-ε 紊流模型建立了水果氣調(diào)庫內(nèi)氣體流動、傳熱與傳質(zhì)的三維數(shù)學(xué)模型，建立了貨物區(qū)的熱質(zhì)傳遞控制方程，并采用simple算法和整體求解法，編制了通用的計算程序，對氣調(diào)庫的降溫、降氧過程進(jìn)行了數(shù)值計算。

3.3 氣調(diào)貯藏在采后果蔬貯藏保鮮中的研究

3.3.1 氣調(diào)貯藏對采后果蔬生理品質(zhì)的影響

采后果蔬的生理品質(zhì)可以直觀地反映果蔬的商品價值與食用價值。馬佳佳等[28]研究表明，適宜的氣調(diào)處理可以抑制金針菜葉綠素、可溶性蛋白、VC等營養(yǎng)物質(zhì)的降解。劉柳[29]研究了氣調(diào)貯藏對不同品種柿果實耐貯性的影響，結(jié)果表明，氣調(diào)處理有效地提高了果實的耐貯性與品質(zhì)，顯著延緩了果實硬度的下降與色澤的加深，同時在一定程度上抑制了可溶性糖含量的上升與可滴定酸含量的下降。吉鵬等[30]以奧尼爾藍(lán)莓為研究材料，探究低溫條件下不同氣體成分組成對其氣調(diào)保鮮效果的影響，結(jié)果表明，5%O2+20%CO2氣調(diào)處理能有效維持藍(lán)莓的感官品質(zhì)，并能降低失重率、呼吸強度和腐爛率，對藍(lán)莓有顯著的保鮮效果。由此可見，氣調(diào)貯藏可以有效地維持果蔬采后的生理品質(zhì)，延緩其成熟與衰老的進(jìn)程。

3.3.2 氣調(diào)貯藏對采后果蔬呼吸作用的影響

氣調(diào)貯藏是通過調(diào)節(jié)貯藏環(huán)境的氣體組成來抑制果蔬的呼吸作用，從而推遲呼吸躍變的啟動，最終抑制果蔬的成熟與衰老。葉妞等[31]研究了不同氣體組分氣調(diào)貯藏對青皮核桃的保鮮效果，發(fā)現(xiàn)5%O2+9%CO2氣體條件下氣調(diào)處理可抑制青皮核桃的呼吸強度，并延緩呼吸高峰的出現(xiàn)。曹冬潔等[32]通過探討低溫貯藏條件下CO2含量對雙孢蘑菇品質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CO2體積分?jǐn)?shù)為20%時，能有效抑制雙孢蘑菇呼吸速率，并推遲呼吸高峰的出現(xiàn)。王志華等[33]研究了0 ℃、相對濕度80%～85%、O2體積分?jǐn)?shù)為3%條件下，不同CO2體積分?jǐn)?shù)的氣調(diào)貯藏對黃金梨采后貯藏品質(zhì)的影響，結(jié)果表明CO2體積分?jǐn)?shù)為0%時，氣調(diào)貯藏能明顯降低黃金梨的呼吸強度。

3.3.3 氣調(diào)貯藏對采后果蔬活性氧代謝的影響

正常情況下，采后果蔬體內(nèi)自由基的產(chǎn)生與清除處于動態(tài)平衡狀態(tài)，但在機體衰老或遭受逆境時，自由基產(chǎn)生與清除的動態(tài)平衡就會被打破，從而引發(fā)膜脂過氧化，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜系統(tǒng)受損，導(dǎo)致細(xì)胞乃至整個機體死亡。王利斌等[34]以四季豆為材料，探究了不同氣體組分對四季豆生理生化特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣調(diào)處理可以保持較高的過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）等抗氧化酶的活性，并有效地減少超氧陰離子自由基、過氧化氫和MDA等活性氧代謝中有害物質(zhì)的積累，延長四季豆的貨架期。姜愛麗等[35]以鮮切富士蘋果為材料，研究發(fā)現(xiàn)箱式氣調(diào)處理可以提高SOD、POD、CAT等抗氧化酶的活性。胡花麗等[36]研究發(fā)現(xiàn)低氧氣調(diào)處理可提高獼猴桃的谷胱甘肽和抗壞血酸含量，減緩果實自由基清除能力和抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)相關(guān)酶活性的下降，她還認(rèn)為低氧氣調(diào)處理對獼猴桃衰老的抑制作用與果實中較高的谷胱甘肽和抗壞血酸含量有關(guān)。一般來說，氣調(diào)貯藏處理可以通過抑制果實的呼吸作用，使得POD、SOD、CAT、抗壞血酸過氧化物酶（APX）和谷胱甘肽循環(huán)相關(guān)酶等抗氧化酶的活性維持在較高水平，從而延緩機體自由基的積累，減少活性氧對果蔬機體的毒害作用。

3.3.4 氣調(diào)貯藏對采后果蔬質(zhì)地及細(xì)胞壁代謝的影響

果蔬的質(zhì)地與果蔬的品質(zhì)密切相關(guān)。在采后不同時期，果蔬的質(zhì)地隨細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與成分的改變而變化。何雙等[37]研究了氣調(diào)貯藏對黃桃軟化相關(guān)酶活性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣調(diào)貯藏能夠抑制多聚半乳糖醛酸酶和內(nèi)切-β-1,4-葡聚糖酶這兩種軟化相關(guān)酶活性的升高，并且可以抑制黃桃硬度的降低。孫涵等[38]研究了高氧動態(tài)氣調(diào)對雙孢蘑菇木質(zhì)化進(jìn)程的影響，結(jié)果表明高氧動態(tài)氣調(diào)處理可以抑制雙孢蘑菇4-香豆酸-輔酶A連接酶和肉桂醇脫氫酶的活性，從而能抑制木質(zhì)素的積累，延緩其木質(zhì)化進(jìn)程。李春媛等[39]以巨峰葡萄為材料，采用質(zhì)構(gòu)儀質(zhì)地多面分析法研究了箱式氣調(diào)處理對葡萄果實品質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)10%CO2處理可以保持貯藏期間果實的硬度，并有效地延緩葡萄果實彈性、凝聚性、咀嚼性、回復(fù)性和黏著性的下降?？偟膩碚f，氣調(diào)貯藏處理可以維持果蔬良好的質(zhì)地品質(zhì)，抑制采后貯藏過程中軟化、木質(zhì)化等劣變現(xiàn)象。

4 展望

4.1 從果蔬生理特征角度出發(fā)研究適宜貯藏條件

氣調(diào)庫貯藏作為一種能夠有效地保障產(chǎn)品品質(zhì)、延長產(chǎn)品貨架期的方法，可以廣泛、更加深入地運用到各類果蔬采后貯運過程中。然而，我國氣調(diào)貯藏庫發(fā)展較為緩慢，只有5%～7%的生鮮農(nóng)產(chǎn)品使用，且氣調(diào)庫在我國分布不均、規(guī)模較小。究其原因，除設(shè)備一次性投資高、工藝設(shè)備復(fù)雜等外部因素外，缺乏針對不同果蔬氣調(diào)條件的研究也是影響氣調(diào)庫發(fā)展的重要原因。因此，需要從果蔬生理特征角度出發(fā)，研究最適合氣調(diào)貯藏的溫度、濕度、氣體濃度、通風(fēng)情況及果蔬呼吸強度等參數(shù)條件，并引入反應(yīng)上述因素對系統(tǒng)動態(tài)過程影響的數(shù)學(xué)模型，動態(tài)地、綜合地根據(jù)果蔬的需求調(diào)整氣調(diào)貯藏庫的參數(shù)。

4.2 不同保鮮措施的結(jié)合使用

氣調(diào)庫貯藏優(yōu)勢明顯，但高二氧化碳和低氧分壓可能促進(jìn)果實代謝失常而使組織受到傷害，有些傷害表現(xiàn)為果肉褐變，組織解體和積累某些有機酸，氧濃度過低，由于無氧呼吸，很多果實產(chǎn)生異味或腐爛。而且氣調(diào)貯藏庫一次性投資高，由于不同果實要求氣體條件和溫度條件不同，故需結(jié)合其他保鮮手段，如化學(xué)處理、超聲處理、輻照處理等新興的非熱加工方法，從而最大程度的減少果蔬在貯運過程中的品質(zhì)下降。

總而言之，氣調(diào)庫貯藏是一種極有潛力和前景的果蔬貯藏保鮮的手段，具有容量大、適用范圍廣、貯藏時間長等優(yōu)點。目前國內(nèi)在氣調(diào)貯藏的技術(shù)、裝備、人員培訓(xùn)等方面存在不足，且在庫體材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面與先進(jìn)水平存在差距，因此需要發(fā)揮政府的主觀能動性，主動向國外先進(jìn)貯藏技術(shù)學(xué)習(xí)，解決技術(shù)、裝備等外部干擾因素的影響。此外，從氣調(diào)貯藏的技術(shù)角度出發(fā)，在研發(fā)復(fù)合氣調(diào)貯藏技術(shù)的同時，還需要根據(jù)不同果蔬的氣調(diào)特點，研究出更多果蔬品種，特別是新品種的最適氣調(diào)參數(shù)，建立合適的數(shù)學(xué)模型以動態(tài)、綜合地保持果蔬采后品質(zhì)，這仍將是今后果蔬氣調(diào)貯藏領(lǐng)域一個重要的研究思路，也是加快果蔬氣體貯藏保鮮技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的必要措施。