减压贮藏在果蔬保鲜中的研究进展.doc

目 录1绪论：41. 1 国外减压保鲜技术应用与研究进展51.2 国内减压保鲜技术应用与研究进展62 减压贮藏理论72.1 原理和方法72.2 减压方式82.3 减压保鲜的技术特点93 减压冷却103.1 减压冷却的主要机理103.2真空预冷理论的研究进展104减压贮藏存在的问题和研究前景114.1 存在问题114.2 研究前景11参考文献：12减压贮藏在果蔬保鲜中的研究进展摘要：减压保鲜又称低压保鲜、真空保鲜，是在普通冷藏和气调贮藏技术的基础上进一步发展起来的以降低贮藏环境压力为特点的一种特殊的气调保鲜方法。减压冷却作为一种先进的冷却技术，目前对它的认识尚欠深入，对减压冷却技术机理分析还比较少，对冷却过程的失水控制、压力控制、温度控制以及系统优化节能分析还很有限。介绍了国内外减压贮藏保鲜和减压冷却的发展和在研课题现状，并提出后续研究工作应注意的问题和方向。关键词： 减压贮藏；减压冷却；传热传质Abstract：Hypobaric storage, also called low pressure storage and vacuum storage, is further developed on the base of general cooling storage and air conditioning storage technologies. It is a special method of keeping freshness by air conditioning that are distinguished by reducing the environment pressure. Reducing pressure cooling is one kind of advanced cooling technology. There are few of researches of analyzing its principle and the investigation on the losing water control, pressure control and temperature control during the cooling process. The optimization of energy saving in the storage system is needed to be improved. This paper summarize the researches on hypobaric storage and reducing pressure cooling both here and abroad, give some advice for the future.Keywords：Hypobaric Storage；Vacuum Cooling；Heat and Mass Transfer1绪论：我国果蔬生产有着悠久的历史，在生产活动中积累了丰富的种植经验。近年来，随着农业产业结构向优质、高产、高效方向发展，果蔬的产量有了大量的提高，果蔬的产销已由几年前供量偏紧转向常年总量有余的总体平衡。但由于果蔬生产有很强的季节性、区域性和易变性1，而且新鲜果蔬在采收以后仍然是“活”的有生命的有机体，会产生旺盛的呼吸和蒸发等各种生理代谢活动，从而分解和消耗自身的养分，并放出呼吸热，使新鲜果蔬变质、变味、干燥、腐败，造成损耗2。因此，仍然存在人们不能经常吃到新鲜果蔬的现象。另外，随着国民生活水平的不断提高，消费者对果蔬的要求也越来越高，希望能吃到更多的名、特、优新品种，并确保果蔬的新鲜、洁净安全、营养。这对蔬菜水果生产、储运提出了新的挑战。 现代果蔬保鲜技术始于 19 世纪，发展到今天已经历了三次飞跃3,4。这三个里程碑分别是：机械式冷藏、气调保鲜、减压贮藏。1851 年澳大利亚的现代制冷之父詹姆斯哈里逊(James Harrison)在维多利亚州季隆市设计并制造了世界上第一台制冷压缩机及其辅助设备，并用于果蔬保鲜，被认为是果蔬保鲜史上的第一次革命。其真正摆脱了利用自然冷源保鲜果蔬造成的季节性和地区性的限制，大大提高了贮藏温度控制的精确性，这就扩大了低温保鲜果蔬的地理和季节应用范围，大大改善了果蔬保鲜质量，并延长了贮藏期限，随之在商业上得到大量地应用。进入20 世纪后，工业化国家已广泛利用大型机械式冷库保鲜苹果、梨等果蔬5。1917 年英国的基德和韦斯特在前人研究的基础上，进一步探讨了大气成分对果蔬呼吸的影响及其保鲜作用。研究结果表明，在控制低温的基础上，降低空气中的O2浓度，提高空气中的 CO2浓度，在很大程度上比单纯冷藏能更进一步地降低果蔬的呼吸代谢，且比冷藏延长贮藏期 1 倍以上。他们于 1920 年正式提出气调贮藏理论。1928 年应用该理论在英国建造了世界上第一座气调库，用于保鲜苹果在商业上取得了成功。此后，发达国家的果蔬保鲜，在冷藏的基础上又开始采用气调保鲜技术。第二次世界大战后，气调技术得到了迅速发展，由自发气调到机械化气调，又到自动控制气调，并大量用于农产品贮藏6。现在发达国家农产品已基本实现了冷链、气调贮藏，像美国、日本等国 80的苹果都采用了气调保鲜贮藏技术。我国于 20 世纪 70 年代后期开始引进气调冷库、用于农产品贮藏。近年来，我国在气调库配套设备研究、制造方面有了长足的进步，目前，我国的气调库已发展到一百多座。以后对果蔬气调保鲜进行了更加广泛和深入的研究，发现果蔬气调保鲜尽管在质量上比普通冷藏有了很大改善，贮藏期限有了很大程度的延长，但也存在着局限性，表现为不易形成超低氧（0-2O2）和低CO2贮藏环境，不能加速果蔬组织内乙烯和其它挥发性气体向外扩散。要想进一步改善果蔬保鲜质量并延长其贮藏期限，必须采用更新的技术措施。1996年，美国迈阿密大学教授 Stanley Burg 等人提出了完整的减压贮藏理论和技术。此后，在Burg的倡导下，减压保鲜逐步走向了广泛研究的道路7。在许多国家相继开启了广泛的研究，试验范围也从最先试用的苹果迅速扩大到其它品种的果蔬；1975年起美国开始有供商业用的减压贮藏设备。但限于当时的制造水平，几十年来，在这项技术的推广和实施过程中，因没能很好地解决昂贵的罐体容器造价和耐压问题，一直停留在实验室阶段，没有形成大规模的商业化减压保鲜。但随着自动控制气调技术的弊端日益显露，如降氧缓慢，不能及时排除代谢有害气体，库内气体成分不均匀，降温速度慢等，从而使科学研究人员又重新对减压保鲜理论产生了兴趣8。由于减压保鲜技术具有“快速降氧、快速降压、快速降温”的特点9，可使采收后的果蔬尽快散掉田间热和呼吸热。因此，减压保鲜可不经预冷过程，直接进行贮藏；同时减压保鲜由于可形成 一个低氧或超低氧的贮藏环境，并且能及时排除原料的内源乙烯和代谢产生的乙醛、乙醇、-法尼烯等有害气体，因而能有效降低果蔬呼吸代谢、减少微生物危害及生理病害的发生，延长果蔬的保鲜期10。所以，真空减压保鲜技术被国际上称为21世纪的保鲜技术。1. 1 国外减压保鲜技术应用与研究进展减压保鲜技术首先是由 Workman 和 Hummel 于 1957 年开始研究的，先在几种果品上试验，发现保鲜效果明显好于气调保鲜。1963 年，美国的迈阿密大学教授 Stanley Burg建立了第一个减压保鲜设施，利用此减压保鲜设施最先在番茄、香蕉、莴苣、芹菜等果蔬上进行试验，尽管所用的减压程度很轻，一般绝对压力控制在 87.72694.526 kPa，即可使几种果蔬的贮藏期延长 20%92%11。1966 年 Burg 夫妇提出了完整的减压保鲜理论。该理论立刻引起了美国、英国、日本等发达国家的普遍关注，许多国家相继展开了广泛的研究, 试验范围逐渐由番茄、香蕉等扩大到苹果、桃、切花及其它果蔬品种12, 13。Wu(1972)14对绿熟的番茄进行试验，发现绿熟番茄在正常大气压下 35 天成熟；74.0kPa 和 43.6 kPa 下分别在 65 天和 87 天成熟；在16.2 kPa 下，100 天也不成熟；解除低压后，7 天就可成熟。Salunke 等(试验发现，梨在普通冷藏条件下贮藏期为3.5 个月；而在 61.9 kPa、37.5 kPa 和 13.59 kPa 下的贮藏期分别为 5 个月、7 月和 8个月。1975 年美国研制并生产出第一套商业上应用的减压保鲜系统设备，用于保鲜苹果获得成功。Apelbaum 15对鳄梨在 6和8 kPa下进行保鲜试验，发现鳄梨可保持 70 天而不完熟，回复到常压后能正常完熟。随后试验范围逐步由少数几种果蔬迅速扩大到其它水果、蔬菜、花卉、苗木、切花以及禽、肉、水产等易腐农产品，结果表明减压保鲜不但可延长香蕉、芒果、酸橙、苹果、梨、桃、鳄梨、樱桃、草莓、番茄、莴苣、芹菜、番茄、蘑菇、菠菜等果蔬的贮藏寿命，延缓绿色果蔬叶绿素的降解，推迟软化，减缓糖的转化和酸的消耗16, 17，而且还明显延长了香石竹、菊花、月季、金鱼草、唐菖蒲等切花和鱼、肉、禽产品的贮藏寿命，抑制了微生物的生长18, 19。另有试验发现，减压保鲜技术还有减轻冷害和一些贮藏病害的效应，例如：减压保鲜技术可减缓樱桃表面凹陷的发生，抑制苹果虎皮病，防止褐变；减少甘蓝黑斑症状和番木瓜炭疽病的发生等20, 21。在随后几十年里，国外科研人员对减压保鲜技术进行了广泛的试验研究。Jose 等对黑豆在4.5和 16.5 kPa 下进行贮藏试验，发现减压贮藏可提高黑豆的贮藏品质；Wang 等 22对日灼伤苹果在 5 kPa 和 1条件下试验，结果表明减压贮藏可延缓灼伤处的扩展；Gianfranco 等23对用壳聚糖涂膜的樱桃进行 4h 低真空处理，发现能明显降低樱桃腐烂，提高保鲜效果；Simcha等24对可可豆在 30和 67 kPa 下，三种主要虫害的卵进行不同时间处理的比较试验，发现减压条件下均可显著提高三种虫卵的至死率。减压保鲜技术发展到今天，已取得了很大进展，但由于减压贮藏罐体容器的造价和罐体材料的耐压问题，障碍了此项技术的推广和应用。1.2 国内减压保鲜技术应用与研究进展我国果蔬保鲜技术研究起步较晚，从 1968 年第一座水果专用机械冷藏库在北京建成，到 1979年第一座气调保鲜库的出现，标志着我国果蔬保鲜技术也进入了新的发展阶段。进入 90 年代，随着气调保鲜技术若干弊端的显露，各国纷纷对减压保鲜“罐体容器造价与耐压”、“易造成果蔬失水”和“易使果蔬风味变淡”三大经典问题进行重点攻关。在解决这些问题方面，我国在此领域做出了重大贡献。1991 年内蒙古包头市农业新技术研究所科研人员通过多年的研究，采取在罐体截面内增加系列抗压措施而获得了关键性的减压贮藏罐壁生产的突破，使得罐体容器的造价大幅度下降，自重也大大减轻26。1997年世界上第一座千吨级JBXK-2000 型减压贮藏库在包头市建成投产，它标志着我国的减压贮藏保鲜技术已达到了世界领先水平27。鲁墨深28等自 1999 年开始对“负压气调”保鲜进行研究，并设计建造了试验型“负压气调保鲜库”，该保鲜装置集“气调”和“减压”两种贮藏效应于一体，技术参数比单一的气调或负压都容易达到，虽然降压幅度较小，但保鲜效果仍比较明显。刘传林等29从 1996 年开始，在CA(Controlled storage Atmosphere) 库的基础上，运用 MA(Modified storage Atmosphere)保鲜技术的原理，设计了“分装式低温等离子体减压保鲜果蔬设施”，1998-2001 年应用该设施分别对苹果（红富士、元帅等）、鸭梨、崂山恩梨、鲜枣、荔枝、龙眼、猕猴桃、青椒、桃、蕃茄、西兰花、黄瓜、茄子、菠菜、韭菜、芹菜等近 20 个品种进行了试验，结果表明该设施可大大延长果蔬的保鲜期。在此基础上，国家农产品保鲜工程技术研究中心，针对生产急需的减压贮藏设施和技术进行了广泛深入研究，利用结构力学和气密性原理，采用耐压的有机合成塑料管，研制出一种体积小，造价低的微型减压保鲜自控装置，用于冬枣、甜樱桃、青州蜜桃等一系列特色果蔬的保鲜试验，均取得良好的效果，该装置的研制于2003年获国家实用新型专利（专利号:CN01279629.840，这标志着我国的减压保鲜技术已迈进工业化运营的道路。2 减压贮藏理论2.1 原理和方法减压贮藏集真空冷却、气调贮藏、低温保存和减压技术于一体的贮藏方法。按食品在贮藏中的温度变化可分为减压冷却和低压贮藏两个阶段。果蔬首先在减压低温条件下冷却，在这一过程中，果蔬通过水分蒸发与环境进行热、湿交换，温度迅速降低。在后一阶段中，当食品与环境的温度、湿度达到平衡后，就处在一个低压低温的环境中贮藏。在低温低压环境中，氧气、二氧化碳等气体的含量相应减少，对果蔬而言，能够降低呼吸强度，并抑制乙烯生物合成，延缓叶绿素分解，抑制类胡萝卜素和蕃茄红素合成，减缓淀粉水解，糖分增加与酸的消耗等过程，从而延缓果蔬的成熟和衰老。通过与外界气体交换，还能迅速排除贮藏环境中的有害气体，如乙烯、乙醇、乙醛、乙酸等;防止和减少各种贮藏生理病害，如酒精中毒等。而对于动物性食品而言，氧气浓度的减少，可以防止脂肪氧化。低温有降低果蔬的呼吸作用，推迟后熟，降低水分蒸发；低温还能够抑止微生物的生存、发育和繁殖，降低酶的活性，阻止寄生虫的繁殖或者使之死亡。因此减压冷藏不仅可以保持新鲜水果和蔬菜的品质、硬度、色泽等，也能很好地对肉类、花卉等进行保鲜。果蔬的减压贮藏是将果蔬置于密闭容器内，抽出容器内部分空气，使压力降到规定要求，整个系统不断地进行气体交换，以维持贮藏容器内压力的动态恒定和保持一定的湿度环境)。同时，利用人工制冷降低贮藏环境的温度，带走食品本身的显热、呼吸热及漏热。它的技术原理是在普通冷藏的基础上引入减压技术，并在冷藏期间保持恒定的低压、低温。2.2 减压方式减压贮藏(Hypobaric Storage)又称为低气压贮藏(LPS)，真空贮藏等。技术关键是产品在密闭室内，抽出环境中部分空气，使室内气压降到一定程度，并在贮藏期间保持恒定的低压水平。按减压运行方式的不同，主要分两种工作方式即:定期抽气式(静止式)和连续抽气式(连续式)两种，前者是从减压室内抽气达到要求的真空度后即停止抽气，然后，适时补充空气并适当抽空，以维持规定的低压。这种方式虽可促进食品内部的挥发性成分向外扩散，却不能使这些物质不间断地排到减压室外。而连续抽气式减压冷藏能较好的解决了这一问题。把减压室抽空到要求的低压，新鲜空气经过加湿器提高湿度(85%-100%RH)后，再经压力调节器输入减压室。整个系统不间断地连续运转，即等量地不断抽气和输入空气，保持压力恒定。所以产品始终处于恒定的低压、低温和湿润新鲜的气体之中。2.3 减压保鲜的技术特点减压保鲜技术是在真空技术发展的基础上，将常压贮藏替换为真空环境下的气体置换贮存方式。此方式能迅速改变贮存容器内的空气压力，并且能够精确地控制气体成分。2.3.1 达到低O2和超低O2效果将果蔬置于密闭容器内，抽出容器内部分空气，使内部气压降到一定程度，空气中各种气体组分的分压都相应降低，O2浓度也相应降低。例如，当把气压降至正常的 1/10-1/20，空气中各组分的相对比例并未改变，但它们的绝对含量则降为原来的1/10-1/20，此时 O2的含量只相当于正常气压的 1.1-2.1%了。所以，减压贮藏能创造出一个低 O2或超低 O2的条件，从而起到类似气调贮藏的作用，在超低 O2的条件下更易于气调贮藏。2.3.2 促进果蔬组织内挥发性气体向外扩散减压贮藏可以促进果蔬组织挥发性气体向外扩散，这是减压贮藏明显优于冷藏和气调贮藏最重要的原因。减压处理能够大大加速组织内乙烯以及其它挥发性产物如乙醛、乙醇、-法呢烯等向外扩散，因而可以减少由这些物质引起的衰老和生理病害。2.3.3 从根本上消除CO2中毒的可能性，抑制微生物的生长发育减压贮藏很易造成一个低 CO2的贮藏环境，因而可从根本上消除了CO2中毒的可能性。另外，减压贮藏由于可造成超低O2条件，所以可抑制微生物的生长发育和孢子形成，由此减轻某些侵染性病害，并且可使无残毒高效杀菌气体由表及里，高强度地渗入果蔬组织内部，成功地解决了高湿与腐烂这一矛盾。从使用效果看，减压保鲜则具有贮藏期延长，能够快速减压降温、快速降氧、快速脱除有害气体成分，贮量大、可多品种混放，可随时出库和入库，延长货架期，节能、经济等特点。这是因为减压贮藏除具有冷藏和类似气调贮藏的效果外，还有利于组织细胞中有害物质如乙烯、乙醇等挥发性气体的排出。3 减压冷却减压保鲜贮藏可以分为两个阶段，即减压冷却和减压贮藏。在前一个过程中果蔬通过真空冷却使自身温度下降；在后一阶段中，食品与环境的温度和湿度达到平衡，食品在低压低温的环境中保存。3.1 减压冷却的主要机理减压冷却，又称真空冷却，是目前一种比较理想的预冷技术。液体蒸发时需要吸收自身和周围环境的热量即蒸发潜热，使自身温度和环境温度降低.水在一个标准大气压下的沸点是100，蒸发潜热为2256 kJ/Kg，当压力下降到611Pa时，水的沸点是0，蒸发潜热为2500kJ/Kg。随着压力的降低，水的沸点随温度降低，蒸发单位质量水所需的热量反而增加。真空预冷就是在真空条件下，让水迅速在真空室内以较低的温度蒸发，吸收自身及环境热量而产生制冷效果。产品的蒸发面积与体积之比、表面水分蒸发的阻力决定真空预冷的效果，对于冷却效果不佳的产品可通过预先湿润或蒸发过程中的喷淋加水达到冷却效果。3.2真空预冷理论的研究进展国内，已先后有多所大学对真空预冷技术的理论和设备开展研究。郭爱民研制了一套适用于监测真空预冷过程中蔬菜各部分温度及真空室内真空度的计算机测试系统，该系统具有可连续多点记录数据的功能，应用该系统测定了菜心、芥蓝真空预冷过程的各项参数，并记录了冷却速率曲线、茎叶冷却温差。陈羽白等采用实际生产中使用的真空预冷设备对菜心进行了小批量的真空预冷试验，研究了预冷过程中菜心的质量损失和温度随时间的变化情况及相互关系，结果表明菜心质量损失率w与冷却时间:呈正相关，与菜叶温度T呈负相关。在欧美日等发达国家，真空冷却技术已广泛应用于预处理生菜，可在30min内使生菜的温度由25降低至1。同时，真空冷却技术在蘑菇上也有很广泛的应用，其研究表明真空预冷可以使贮藏102小时的蘑菇延长24小时的货架期，并能使大量蘑菇均匀地降温。该技术已在美国、英国、爱尔兰和欧洲的部分地区用于蘑菇的预冷并进行商业应用。国内，陶菲就不同贮藏条件下，白蘑菇品质的变化进行了研究，结果表明白蘑菇真空预冷至5后气调包装的贮藏效果最佳。国内外对真空预冷技术在其它果蔬上的应用也开展了广泛研究，例如花椰菜、菠菜、茄子一项快速有效的冷却技术。果蔬表面积与体积之比、果蔬自身组织构造的粗密、自由水含量的多少均决定了其真空预冷的效果，即表面积与体积比越大，组织构造越粗糙、自由水含量越高，就越适合于利用真空预冷。因此，叶菜类蔬菜的冷却速率要高于非叶菜类的蔬菜和水果。真空冷却的大部分水分是从果蔬外表面蒸发的，但也有一部分水分是在细胞之间蒸发的。当果蔬水分蒸发量占自身鲜重的5%以上时，商品价值便会下降，因此在真空预冷过程中必须对真空度加以控制，以避免因压力过低而引起果蔬的冻伤。为防止水分的过多损失，提高冷却效率，可在真空预冷前湿润果蔬表面，或在抽真空时喷水加湿。4减压贮藏存在的问题和研究前景4.1 存在问题4.1.1 减压贮藏的建筑要求，比普通冷库高得多，甚至比气调贮藏库还要高，因此费用也高。到目前为止，这种方法还处于试验研究阶段，在实践中推广还有一定困难。4.1.2库内换气频繁，产品易失水萎蔫，故特别要注意减压贮藏中的湿度控制，最好在流通的气体中增设加湿装置。4.1.3 产品香味降低。减压贮藏后，产品芳香物质损失较大，很容易损失原有的香气和风味。但有些产品在常压下放置一段时间后，风味又有所恢复。这只有在贮藏后期稍提高一点压力或适当进行催熟，才能得到解决4.2 研究前景减压贮藏的这些不足之处，有经济原因，也有技术原因。随着经济的发展，人民生活水平的提高及对果蔬品质的高要求，经济问题可以得到解决。目前，筛选适宜低压库库体的材料，确定减压贮藏设施的技术参数、建造工艺，在保证耐压的情况下降低减压库的建筑费用等，是将减压贮藏技术推向大规模商业性运行过程中亟待解决的问题。如果能够取得突破性进展，必将对果蔬贮藏造成深远的影响，很有可能彻底解决珍稀果蔬季产年销、长期供应中存在的问题。我国相关的科研院所和高校应加强这方面的研究，国家应适当增加科研经费，相信在不久的将来，这些技术难题会被解决。减压贮藏在果蔬保鲜领域将会有更广阔的应用前景。参考文献：1 张瑞宁. 现代物流中果蔬保鲜包装技术及其研究进展J. 包装工程，2003.1: 71-76.2 李喜宏，陈丽. 实用果蔬保鲜技术M. 科学技术文献出版社，2000.3 J L Cheverry, J Pouliquen, H L E Guvader. 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