基于智能甘薯貯藏庫(kù)的臭氧殺菌技術(shù)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張子琪 張娜 倪曉雪 齊成林

摘要? ? 本文以現(xiàn)有甘薯貯藏庫(kù)為基礎(chǔ)，從甘薯表面細(xì)菌控制的角度考慮，對(duì)現(xiàn)有甘薯庫(kù)進(jìn)行升級(jí)改造，即選用臭氧殺菌技術(shù)，并進(jìn)行管路改造。升級(jí)后的甘薯庫(kù)在控制貯藏環(huán)境的基礎(chǔ)上，有效抑制了甘薯腐爛病菌，更有利于甘薯的貯藏。

關(guān)鍵詞? ? 甘薯儲(chǔ)藏;臭氧;殺菌;管路改造

中圖分類號(hào)? ? S531? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2020）14-0143-02

Abstract? ? Based on the existing sweet potato storehouse， the existing sweet potato storehouse was upgraded from the perspective of bacteria control on the surface of sweet potato in this paper， including slecting the ozone sterilization technology and carrying out the pipeline reconstruction. On the basis of controlling the storage environment， the upgraded sweet potato storehouse effectively inhibited the sweet potato rot pathogens， which was more conducive to the storage of sweet potato.

Key words? ? sweet potato storage; ozone; sterilization; pipeline reconstruction

甘薯是一種高產(chǎn)且適應(yīng)性強(qiáng)的糧食作物，塊根除可作主糧外，也是食品加工、淀粉和酒精制造工業(yè)的重要原料，根、莖、葉又是優(yōu)良的飼料。甘薯是我國(guó)主要糧食作物之一，我國(guó)甘薯年產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)1億t。北京地區(qū)甘薯每年10月為收獲高峰期，甘薯在當(dāng)年10月至次年3月需求量較大，時(shí)間跨度大，甘薯出土后需要長(zhǎng)期保存以保證充足的供應(yīng)量，因而甘薯的貯藏方式是決定甘薯種植收益的重要因素之一。

甘薯貯存方法有很多，主要有室內(nèi)囤藏法、棚窖貯藏法、井窖貯藏法、保鮮冷庫(kù)貯藏等。紅薯貯藏溫度最佳為10～14 ℃，溫度過(guò)低會(huì)遭受冷害，使薯塊內(nèi)部變黑，后期極易腐爛[1-2]。溫度過(guò)高，則薯芽開始萌動(dòng)，易造成糠心、出芽、腐爛等現(xiàn)象。甘薯最佳貯存濕度為80%～90%，濕度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致病害發(fā)生，濕度過(guò)小導(dǎo)致甘薯失水，重量降低，口感老澀。同時(shí)空氣含氧量不得低于4.5%，否則易導(dǎo)致薯塊缺氧無(wú)法呼吸。

甘薯貯藏方式不當(dāng)或貯藏期間缺乏管理等問(wèn)題，易導(dǎo)致大量甘薯腐壞，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，智能甘薯庫(kù)的研發(fā)有利于甘薯貯藏工作的開展，可以科學(xué)并精準(zhǔn)地控制甘薯貯藏環(huán)境，節(jié)約人力成本。關(guān)于臭氧在果蔬表面殺菌的研究已有許多文獻(xiàn)報(bào)道，并且技術(shù)較為成熟[3-4]。本文主要研究臭氧對(duì)甘薯表面殺菌時(shí)的濃度、時(shí)間以及甘薯庫(kù)相應(yīng)管路改造。改造后的甘薯庫(kù)能夠延長(zhǎng)甘薯貯藏時(shí)間，減少腐壞率，實(shí)現(xiàn)減少損失、提高甘薯經(jīng)濟(jì)收益的目的。

1? ? 甘薯貯藏庫(kù)與殺菌技術(shù)概述

原甘薯庫(kù)的庫(kù)體采用聚氨酯作為冷庫(kù)板的內(nèi)心材料，冷庫(kù)板的外部由SII、PVC彩鋼板和不銹鋼板組成。通風(fēng)換氣設(shè)備采用雙流向新風(fēng)換氣系統(tǒng)，確保庫(kù)內(nèi)氧含量。每個(gè)薯庫(kù)都設(shè)置1個(gè)進(jìn)風(fēng)口和1個(gè)出風(fēng)口，出風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)機(jī)為外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機(jī)，通過(guò)通風(fēng)管路的進(jìn)風(fēng)排風(fēng)控制冷空氣流動(dòng)實(shí)現(xiàn)制冷和通風(fēng)換氣，形成冷空氣在庫(kù)體內(nèi)部的循環(huán)，從而達(dá)到薯堆內(nèi)部降溫除濕的效果。庫(kù)內(nèi)配備溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，從而通過(guò)控制硬件設(shè)備開關(guān)實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控甘薯貯藏環(huán)境[5-6]。制冷設(shè)備采用空調(diào)制冷，當(dāng)空調(diào)溫度設(shè)定到最低溫度16 ℃時(shí)，空調(diào)口溫度一般在10 ℃左右，利用出風(fēng)管道內(nèi)的風(fēng)機(jī)將高處的冷空氣吸進(jìn)管道，使冷空氣均勻流過(guò)薯堆內(nèi)部，并最終經(jīng)通風(fēng)系統(tǒng)的出風(fēng)口排出庫(kù)外。甘薯庫(kù)立體結(jié)構(gòu)效果如圖1所示。

原甘薯庫(kù)的設(shè)計(jì)主要是監(jiān)測(cè)和控制環(huán)境因素，在甘薯貯藏過(guò)程中始終提供適宜的溫度、濕度、氧氣等因素，為甘薯貯藏提供了良好的環(huán)境，但是在甘薯出土入庫(kù)后并未對(duì)甘薯本身進(jìn)行任何殺菌處理。甘薯的塊根是貯藏養(yǎng)分的器官，也是供食用的部分，分布在5～25 cm深的土層中，在生長(zhǎng)過(guò)程中，長(zhǎng)期被土壤包裹，以致甘薯表面帶有多種細(xì)菌。甘薯出土后未進(jìn)行殺菌處理，入庫(kù)后細(xì)菌保持活性，不利于甘薯貯藏。原甘薯庫(kù)可以有效抑制細(xì)菌生長(zhǎng)速度，但是并不能殺除細(xì)菌，長(zhǎng)時(shí)間貯藏后，甘薯表面細(xì)菌大量繁殖，易生病腐爛。因此，考慮對(duì)甘薯庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化，將甘薯表面殺菌技術(shù)與原甘薯庫(kù)相結(jié)合，控制甘薯發(fā)病源頭，更加有效地延長(zhǎng)甘薯貯藏時(shí)間。

現(xiàn)有的殺菌技術(shù)主要有紫外線殺菌技術(shù)、臭氧殺菌技術(shù)、電子射線殺菌技術(shù)、磁力殺菌技術(shù)、輻射滅菌技術(shù)等。紫外線殺菌技術(shù)輻射距離為1.5 m左右，需直接照射才能起到殺菌作用，對(duì)于甘薯密集堆積的庫(kù)體不適用。電子射線技術(shù)殺菌溫度為90 ℃左右，不適于甘薯殺菌。磁力殺菌技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)與成品設(shè)備較少，無(wú)法用于甘薯庫(kù)改建。輻射滅菌技術(shù)對(duì)庫(kù)體要求較高，庫(kù)體材質(zhì)需為阻隔輻射材料，不適用于本庫(kù)體。臭氧以氧原子的氧化作用破壞微生物膜的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)殺菌作用[7]。臭氧對(duì)細(xì)菌的滅活反應(yīng)非常迅速并且臭氧殺菌技術(shù)較成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于果蔬表面殺菌。臭氧的半衰期為20～50 min，最終分解物為氧氣，對(duì)食品不會(huì)有殘留污染。因此，對(duì)于現(xiàn)有甘薯庫(kù)，最適合做甘薯表面殺菌處理的是臭氧殺菌技術(shù)。

2? ? 臭氧殺菌技術(shù)

在實(shí)際應(yīng)用甘薯表面殺菌技術(shù)時(shí)，需確定實(shí)際應(yīng)用時(shí)適用于甘薯表面殺菌的濃度與處理時(shí)間。查閱文獻(xiàn)可知，臭氧對(duì)甘薯表面殺菌效果在30 min時(shí)最弱，30 min前呈逐步下降趨勢(shì)，30 min后呈逐步上升趨勢(shì)。維持80 mg/m3的濃度處理40 min，在起到殺菌作用的同時(shí)基本不破壞甘薯的營(yíng)養(yǎng)成分。80 mg/m3的濃度處理60 min，能夠完全殺滅細(xì)菌。為驗(yàn)證上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)臭氧對(duì)甘薯表面殺菌效果試驗(yàn)。以80 mg/m3、處理60 min為參考，設(shè)計(jì)臭氧試驗(yàn)濃度為50、60、70、80、90、100 mg/m3，處理時(shí)間為0、20、40、60、80、100 min。每組試驗(yàn)選擇大小不一的10個(gè)甘薯進(jìn)行臭氧殺菌處理，另外選取未經(jīng)任何處理的10個(gè)甘薯作為對(duì)照組（CK）。每組經(jīng)臭氧殺菌后取其中2個(gè)切片作為樣本進(jìn)行病菌培養(yǎng)，對(duì)照組取2個(gè)甘薯切片進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)，培養(yǎng)時(shí)間為1周。其余甘薯做標(biāo)記，留作后續(xù)觀察。試驗(yàn)甘薯細(xì)菌培養(yǎng)結(jié)果如表1所示。

可知，臭氧濃度為50 mg/m3時(shí)，處理60 min效果最佳，菌落直徑增長(zhǎng)0.5 cm。臭氧濃度為60 mg/m3時(shí)，處理60 min效果最佳，菌落直徑增長(zhǎng)0.5 cm。臭氧濃度為70 mg/m3時(shí)，處理20 min效果最佳，菌落直徑增長(zhǎng)0.4 cm。臭氧濃度為80 mg/m3時(shí)，處理40 min效果最佳，菌落直徑增長(zhǎng)0.2 cm。臭氧濃度為90 mg/m3時(shí)，處理60～100 min效果相似，菌落直徑均增長(zhǎng)0.4 cm。臭氧濃度為100 mg/m3時(shí)，處理40 min效果最佳，菌落直徑增長(zhǎng)0.4 cm。結(jié)果表明，50～100 mg/m3濃度的臭氧對(duì)甘薯都有一定的抑菌效果，且隨著濃度增大，抑菌效果越好。

選擇適宜的臭氧殺菌處理濃度與時(shí)間時(shí)，考慮3個(gè)方面因素。一是臭氧對(duì)甘薯營(yíng)養(yǎng)成分的破壞程度隨濃度與處理時(shí)間的增加而加重。二是參考文獻(xiàn)表明，80 mg/m3濃度處理40 min效果較好。三是在本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，濃度為90 mg/m3和100 mg/m3時(shí)處理效果較好，二者效果差別不大。臭氧濃度為90 mg/m3，處理時(shí)間為60 min時(shí)殺菌效果較好，并且60 min后隨時(shí)間增加效果基本相同（表2）。因此，選定的適宜參數(shù)為臭氧濃度90 mg/m3、處理時(shí)間60 min。

3? ? 臭氧發(fā)生器選型

臭氧發(fā)生器的型號(hào)選擇需考慮多種因素。首先，因甘薯殺菌處理所需臭氧濃度較高，所以要求設(shè)備能夠提供所需臭氧濃度。其次，臭氧本身不穩(wěn)定，極易分解，在選擇臭氧發(fā)生器時(shí)應(yīng)充分考慮臭氧分解速率的問(wèn)題。最后，在對(duì)甘薯殺菌時(shí)，臭氧濃度隨時(shí)間逐漸升高，需要一段時(shí)間才能達(dá)到所需殺菌濃度[8]。因此，縮短殺菌時(shí)間就需要選擇性能高的臭氧發(fā)生器，投入成本較大。然而殺菌速度過(guò)慢會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間。

因此，根據(jù)臭氧發(fā)生器運(yùn)行1 h達(dá)到臭氧濃度≥90 mg/m3來(lái)選擇設(shè)備。計(jì)算公式如下：

W=C×V/（1-S）

式中，W表示臭氧產(chǎn)量，C表示臭氧殺菌所需濃度，V表示殺菌空間的體積，S為臭氧的自然半衰期，1 h衰退率約為62.25%?，F(xiàn)有甘薯庫(kù)體積為27 m3，臭氧濃度為90 mg/m3。經(jīng)計(jì)算，W=6.4 g/h。因此，選擇1 h至少產(chǎn)生6.4 g臭氧的臭氧發(fā)生器。

4? ? 配合臭氧殺菌技術(shù)的管路改造方案

臭氧屬于有害氣體，濃度為0.3 mg/m3時(shí)，對(duì)眼、鼻、喉有刺激的感覺(jué);濃度為3～30 mg/m3時(shí)，出現(xiàn)頭疼及呼吸器官局部麻痹等癥狀。因此，在甘薯庫(kù)改造時(shí)應(yīng)將臭氧發(fā)生器放置于庫(kù)體外部，通過(guò)管路將產(chǎn)生的臭氧氣體通入庫(kù)內(nèi)進(jìn)行殺菌。因?yàn)槌粞鯕⒕璩掷m(xù)一段時(shí)間，所以將臭氧管路改造為庫(kù)內(nèi)氣體循環(huán)模式。甘薯庫(kù)管路改造方案如圖2所示。

4.1? ? 臭氧管路設(shè)計(jì)

因?yàn)槌粞醯拿芏却笥谘鯕獾拿芏?，所以考慮將臭氧氣體接入管路放置于庫(kù)體上方。臭氧因密度大會(huì)自主下沉，配合（下轉(zhuǎn)第146頁(yè)）

通風(fēng)管路的風(fēng)機(jī)抽風(fēng)可以更好地使臭氧均勻通過(guò)薯堆。庫(kù)體內(nèi)臭氧管路設(shè)計(jì)打7個(gè)臭氧出氣孔洞，因壓強(qiáng)隨氣體量減少而降低，因而在設(shè)計(jì)時(shí)第1個(gè)出氣孔洞至最后1個(gè)出氣孔洞的直徑呈線性增大。

4.2? ? 通風(fēng)管路改造

在原有管路基礎(chǔ)上增加1個(gè)三通，三通上方出口連接管路直接通入庫(kù)體內(nèi)部。需要為庫(kù)體通風(fēng)、降溫、除濕時(shí)，關(guān)閉閥門1，打開閥門2，實(shí)現(xiàn)氣體外循環(huán)。需要對(duì)甘薯進(jìn)行殺菌處理時(shí)，關(guān)閉閥門2，打開閥門1，實(shí)現(xiàn)氣體內(nèi)循環(huán)[9-10]。

5? ? 研究遇到的問(wèn)題及未來(lái)研究方向

首先，甘薯殺菌試驗(yàn)驗(yàn)證了殺菌濃度、時(shí)間對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的影響，但本次試驗(yàn)并未驗(yàn)證臭氧對(duì)甘薯營(yíng)養(yǎng)成分造成的影響。臭氧對(duì)甘薯的營(yíng)養(yǎng)成分破壞程度是選擇適宜臭氧殺菌濃度、時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)之一。本次試驗(yàn)不夠全面，選擇的結(jié)果有一定的局限性[11-12]。今后可進(jìn)行臭氧殺菌的不同濃度與時(shí)間對(duì)甘薯的糖分、維生素、淀粉等成分影響的試驗(yàn)，綜合分析臭氧殺菌的最適宜參數(shù)。其次，本甘薯庫(kù)設(shè)計(jì)改造方案不適用于甘薯堆積過(guò)于密集或甘薯堆積高度過(guò)高的庫(kù)體。在實(shí)際生活中，為了節(jié)約空間，常常會(huì)在庫(kù)內(nèi)大量堆積甘薯，堆積密度大、過(guò)高的情況經(jīng)常發(fā)生。今后，筆者需對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)實(shí)際狀況，有利于技術(shù)推廣工作的展開[13-15]。

6? ? 參考文獻(xiàn)

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