热激处理对苹果果实热导率的影响

张 敏,杨 乐,谈向东,万金庆,赵惠忠,钟志友

(1.上海海洋大学食品学院,上海 201306;2.上海理工大学环境与建筑学院,上海 200093)

果实采后热激处理是一种正在广泛研究而且较新的贮前预处理方法.它具有无菌、无残留、无污染等特点,是一种颇具前景的贮前处理手段.采用热处理时首先要考虑不能降低产品质量和产生热伤害,适当的温度和时间的热处理可保持果实的硬度,减缓冷害,抑制软化和采后的腐烂[1].目前,有研究人员研究了热激处理对果实生理及品质的影响、热激处理对果实温度耐受力的影响等,认为其可能与热激蛋白的合成有关[2,3].

果实的热导率标志着热扩散过程的能量传递速率,果实的热导率越大,则过程传递的热量越大[4].在相同条件下热导率低的果实,其自身保温效果要优于热导率高的果实,也更能抵御外界的低温逆境[5].经热激处理的果实可明显提高组织的抗冷害能力[6].目前还未见热激处理对果实的热导率产生影响的报道.为此,本研究采用热物理学的测试方法,初步探讨了热激处理对苹果果实组织热导率的影响,旨在研究果实热物性与其某些生理现象之间的相互关系并为果蔬抗逆性机理的研究和果蔬贮藏业提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料及处理

本试验供试苹果品种“首红”.选择成熟、果实饱满、色泽接近、无病虫害、无机械损伤,直径为(90±6)mm的苹果,共计 30个,随机分成 2组,每组 15个,热激处理组置于(38±0.5)℃,相对湿度85% ～90%的恒温恒湿箱中处理 72 h,然后用0.05 mm厚的聚乙烯薄膜包装贮藏于(3.0±0.5)℃,相对湿度 85%～90%的恒温恒湿箱中冷藏.对照组置于(20.0±0.5)℃(常温),相对湿度85%～90%的恒温恒湿箱中处理 72 h,然后冷藏处理方法同热处理组.果实运回的当天即开始试验,于第 15天对每个苹果果实热导率进行测试.

1.2 测试系统及方法

1.2.1 测试系统 本试验采用微热探针测量热导率系统,其测试原理图如图 1所示.

图1 测试原理示意图Fig.1 Schematic diagram of measurement system

微热探针法测试系统是基于线热源法瞬态模型[7,8],采用热探针中预设的热敏电阻丝作为加热元件和测温元件,通过微机控制对插入待测样品中的热探针施加一恒定电压,探针内部铜丝首先受热升温,外部不锈钢套管和待测样品也随着升温,热量向外传递,从而导致铜丝的温度变化,依据铜电阻与温度之间存在线性关系的特性,铜丝的电阻也随之发生变化,从而引起平衡电路的电压发生变化,测试平衡电路中输出一微弱电压差信号,经数据测试系统放大转换后,输入计算机处理,得到电压差随时间对数变化的斜率,来求得被测量样品的热导率,其测量关系为

式中:λm为待测样品的热导率,W◦ m-1◦K-1;为 探针的仪器常数,Ω◦ m-1◦K-1◦ s-1;L为铜丝长度,m;R0为 0℃时的铜丝的电阻,Ω;α0为 0℃时的铜丝温度系数;ΔV为电路输出电压差,V;t为加热时间,s;U为输入电压,V;Rb为探针的初始电阻,Ω.

采用微热探针法测试生物材料的热导率具有所需样品材料体积小、测量时间短、测量时材料受影响的区域小、环境的热扰动影响小、测试精度高、可以在线测量等优点.

1.2.2 测试方法 测试方法参照文献[9].首先对热探针进行标定,将热探针直接插入标准样品(选用分析纯丙三醇),由测试数据采集系统将采集到的输出电压信号 ΔV以及加热时间 t输入计算机,绘出 ΔV-ln t曲线,取线性段拟合进行回归分析,按相关度最大的原则,求出斜率 d(ΔV)/d(ln t),重复 6次,求其平均值,将其值和稳压电源提供的电压值 U以及热探针的初始电阻值 Rb代入测量关系式(1)中,得到仪器常数 C值;然后,根据得到的仪器常数 C的值,按上述步骤由式(1)求得 3～40℃纯水的热导率测试值,并与文献值进行对比来验证测量装置的精度;最后将热探针沿恒温恒湿箱中的待测苹果果实直径最大部位垂直插入距表面 2 mm深度以下,稳定 30 min后进行测试,根据热探针仪器常数值求出热激处理组和对照组苹果果实组织在 3℃下的热导率.每组试验材料同一条件下平行测试 3次,取平均值.

2 结果与分析

2.1 探针的标定

选用分析纯丙三醇作为探针仪器常数标定的标准样品,是由于丙三醇具有粘度大,且在 3～40℃范围内热导率变化小的特点.表 1列出了丙三醇在 3～40℃范围内热导率文献值[10];表 2是探针在 20℃条件下,进行仪器常数标定的具体试验数据;表 3是在 3～40℃温度范围内探针的标定仪器常数值.

表1 丙三醇热导率文献值Table1 Reference values of thermal conductivity of Glycerin

从表 2可以看出,在相同温度下,6次测试丙三醇的探针仪器常数平均值为 0.035 3Ω◦ m-1◦K-1◦ s-1,最大相对偏差为 0.76%,而在 3～40℃不同温度条件下,测试丙三醇得到的探针仪器常数值接近于固定值,变化不大,本试验中热探针的仪器常数 C=0.035 3Ω◦ m-1◦K-1◦ s-1,相对偏差为 0.28%,在实际测量中可忽略不计(表 3),由此该探针装置具有较好的可重复性和测量精度.

2.2 纯水的热导率测试

表2 探针 20℃标定试验数据Table2 Experimental demarcation data of probe at 20℃

表3 探针不同温度下的仪器常数Table3 Apparatus constant of probe at different temperature

在测试苹果果实组织热导率之前,选取已知热导率的标准物质对探针标定所得到的仪器常数进行检验.由于所测苹果样品组织含水率高,故选用纯水(美国 Millipore公司,电阻率为 18.4 MΩ◦cm,电导率为 0.055μs◦cm-1)作为标定仪器的检验物质,对置于恒温箱中分别控制在 3,7,10,20,30,40℃条件下的纯水的热导率进行测试,每种温度下分别测试 3次,取平均值.将实际测试数据与文献推荐值[10]相比较,其测量结果如表 4所示.测量的最大误差为 1.11%,平均误差为0.72%,由此可以看出,该装置能应用于实际样品的测试.

表4 纯水热导率测试值与文献值的比较Table4 Comparison of measured and reference values of pure water

2.3 热激处理对苹果果实组织热导率的影响

通过上述标定检验后的测试装置,对 2组苹果果实组织的热导率测试结果如图 2所示.其中 1个组是 15个经过 38℃热激处理后的苹果果实,另外1个组是 15个常温 20℃未经热激处理的对照组果实,每组热导率测试值是经过 3次测试的平均值.热激处理的苹果果实热导率均小于对照组果实的热导率(图 2).对照组的热导率平均值为0.373 W◦ m-1◦K-1,热激处理的苹果热导率平均值为0.330 W◦ m-1◦K-1,比对照组下降 11%.说明苹果经适当的热激处理后可以降低其热导率,因此在低温冷藏过程中有利于保持自身体温,从而提高果实对低温的自我保护能力.

图2 热激处理与对照组热导率的变化Fig.2 Thermal conductivities between heat shock treatment group and normal group

3 结论

本研究采用微热探针测量热导率系统对热激处理苹果果实组织与未经热激处理苹果果实组织的热导率进行了测试.试验结果表明,热激处理的苹果热导率平均值为 0.330 W◦m-1◦K-1,未经热激处理对照组的热导率平均值为 0.373 W◦m-1◦K-1,经热激处理的苹果果实热导率小于对照组果实的热导率,下降 11%.在冷藏过程中,由于其热导率较低,自体热量向外散发相对较慢,对外界环境温度的变化的响应在时间上出现较长的滞后现象,即在相同条件下热导率低的果实,其自身保温效果要优于热导率高的果实,从而可减轻冷害的发生.

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