几种物理量及场理论对果蔬保鲜的影响

(天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学 天津 300134)

几种物理量及场理论对果蔬保鲜的影响

段爱鹏 刘 斌 邸倩倩 关文强

(天津市制冷技术重点实验室天津商业大学天津300134)

保鲜是现代农业研究的重要组成部分，是提高果蔬“时空”价值的重要途径。随着物理技术的发展，各类物理保鲜技术也得到发展。本文结合现有的研究进展，总结了温度、光、电、磁对果蔬保鲜的影响，提出了果蔬物理保鲜技术的要点：1)控制温度场的均匀性和波动性，以减缓新陈代谢和水分流失；2)适当的光照强度、电场强度和磁场强度也能够提高果蔬的贮藏时间，减少营养物质的流失。

果蔬；保鲜；场理论；温度场

随着生活水平的不断提高，人们对果蔬质量的要求越来越高，促使保鲜技术不断发展。但在我国90%以上的果蔬为初级产品，采后损失率达25%～30%，甚至有的高达50%[1-2]。这就促使果蔬保鲜技术不断提高以降低损失率。果蔬保鲜技术分为化学保鲜和物理保鲜。由于化学保鲜技术中使用的化学剂在保鲜过程中存在二次转化，可能会产生二次污染，该过程及污染机理没有引起相关研究人员的重视。而物理保鲜技术不存在二次污染，是未来果蔬保鲜技术的发展方向之一。基于物理场保鲜的一些研究基础，本文重点介绍了场的基本概念，温度、光、电、磁及其场分布等对果蔬保鲜的影响和作用机理，为更好的推广物理保鲜技术提供了理论和应用基础。

1 场的基本概念

场是指物质在空间的分布情况，在数学上是指一个向量到另一个向量或数的映射，可以分为标量场和矢量场，如温度场为标量场，速度场为矢量场，是基于物质的粒子理论来表达物质的存在形式。

保鲜领域中常见的有温度、磁场、电场、光以及多物理耦合场等，处于场中的生物细胞会受到各物理量强度的影响。若能利用各物理量对生物细胞的不同作用，调节物理场到一个合适的范围，影响果蔬细胞及有害细菌的生理活动，从而延长果蔬的保存时间，减少营养物质含量的损失，增强果蔬的商品性，可避免不必要的浪费。

2 物理量对果蔬保鲜的影响

2.1温度及温度场对果蔬保鲜的影响

近代科学的发展发现食物的变质和腐烂与细菌等微生物的活性有很大关系，果蔬的细胞呼吸强度与相关酶的活性也有很大关系。酶作为一种特殊的蛋白质在生物生命活动中起催化作用，但自身的活性受到较为严苛的环境影响，温度是影响因素之一。在高温下酶会彻底失活，在较低温度下酶不会失活但活性降低，且温度越低，活性也越低，使催化反应减弱。低温下果蔬细胞内呼吸作用酶活性降低，使氧化还原反应减弱，减缓了有机物的分解，且丙二醛(MDA)保持较低的水平，有效的降低了膜脂的过氧化程度，较高的过氧化物(POD)活性保证了对有害自由基的清除能力，有利于延长贮藏时间。同时，微生物活动在低温下明显减弱，所以低温环境能够有效延长果蔬的保存时间。Wu Zhen等[3]调查分析现阶段的低温冷藏方法，得知果蔬冷冻冷藏成为最有效和最普遍的保存方法。朱东兴等[4]通过对比实验得出贮藏的环境温度成为影响叶菜呼吸作用的主要因素。果蔬在不同温度下保存，贮藏时间会有很大不同,部分果蔬贮藏时间随温度的变化如图1所示[5]。

不同温度对果蔬的呼吸强度影响不同，表现为温度系数Q，温度每上升10 ℃，呼吸强度增加的倍数一般为2～2.5，部分果蔬呼吸强度(温度系数Q)随温度的变化如表1所示[6]。

图1 部分果蔬贮藏时间随温度的变化Fig.1 Variation of storage time with storage temperature

贾欣娟[7]研究了东风菜的贮藏温度得出：较低的贮藏温度不仅有效的降低东风菜的生理代谢活动，保持其商品性，还可以使叶片中的丙二醛(MDA)含量较低，过氧化物(POD)的含量较高。周晓静等[8]通过苹果贮藏正交试验得出：相比湿度和风速，温度对苹果的失水率影响最大，合适的温度更易于延长苹果的保存时间，且不同温度范围的失水率有较大差异。

低温贮藏并非只研究不同温度下保存时间的长短，果蔬中一些营养物质的损失也应该尽量减少。同时，外观颜色、表面硬度、食用口感等方面由于能够较大的增加果蔬的商品价值，也逐渐成为学者们的研究方向。H. S. Helland等[9]将瑞典甘蓝和萝卜贮藏在-2～10 ℃范围内，得出较低的温度可以使这两种蔬菜保持较高的吲哚硫代葡萄糖苷含量，温度对萝卜颜色的影响较大，萝卜的松脆度和多汁程度随着温度的升高而下降，这两种蔬菜在不同温度下的酸度、硫含量、甜度及风味等都存在较大差异，在保证果蔬不被冻坏的前提下，尽量降低贮藏温度有利于减少营养物质的流失。

果蔬从采摘后到达到冷藏温度需要经历两个阶段，即快速冷却阶段和低温冷藏阶段，冷藏过程会使果蔬自身品质降低，研究表明快速冻结可以更好的保持果蔬的营养和味道，而每种果蔬的最佳快速凝固参数是由多种外界因素[10-13]和相关热力学性质决定的。果蔬冷藏过程中相关温度包括初始温度Tf、最终温度Tm及玻璃化温度Tg[14]。适宜的快速冻结可使冰晶生长过程中产生的冰晶尺寸不至于过大[15]，有效的控制降温速度可使冰晶趋于玻璃化，对细胞壁、细胞膜、线粒体等结构的影响降低，尽可能的降低果蔬损失。Wang Haiying等[16]对蘑菇、绿花椰菜、菜豆和豌豆荚进行了研究，将冻结速率从1 ℃/min增至10 ℃/min时，冷冻蔬菜汁液冰晶大小从26 μm减至3 μm，有效地减少了冰晶对细胞的伤害，较大限度的保证了细胞的完整性，菜豆冻结速率在6.3 ℃/min和1.2 ℃/min时形成的冰晶如图2所示。不同果蔬对应不同的最终温度Tm及玻璃化温度Tg，最佳的快速凝固速度也不相同，需要查询相关文献资料或实验研究得出。

图2 菜豆在冻结过程中形成的冰晶(冻结温度=-5 ℃)Fig.2 Ice-crystal in the bean under different freezing rate

温度场分布的均匀性对果蔬贮藏有重要影响。目前，冷库技术发展的一个重要方向是温度的精准控制，包括两个方面：

1)贮藏空间内温度场的均匀性：温度场的均匀性主要是指贮藏空间内温度最大值和最小值的差值大小。由于贮藏空间送风方式不同，温度场的均匀性也不同。图3所示为3种送风方式的温度场分布。由图3可知，采用静压送风方式的温度场均匀性最好，即目前冰温技术中采用的送风方式。

2)贮藏空间内温度场的波动性：温度场的波动性是指贮藏空间内温度与设定温度之间的差值。在贮藏过程中，由于电价的谷峰差，温度波动比较大，夜间将库温拉低，利用食品进行蓄冷；白天则停机运行，利用食品的蓄冷来吸收热量，认为这是冷库的一种经济运行方式，其实这是一种错误的认识。这种温度波动极易造成冻品的水分渗透、质量减少和品质降低。图4所示为温度波动对含湿量的影响。以温度波动5 ℃为例，贮藏温度为0 ℃时，绝对含湿量的变化值为1.05 g/kg干空气，表明每一立方米的空气在一个温度波动周期内将析出1 g水，这1 g水将以产品表面结露或结霜或是冷风机表面结露或结霜的形式从贮藏产品中蒸发。以1万吨冷库为例，体积约为4万立方米，容积率为65%，则空气的体积为14 000立方米，温度周期为1天1次，贮藏期为3个月，水分的流失为1 512 kg。水分的损失除了减少重量外，更重要的是贮藏食品品质的破坏。

2.2光对果蔬保鲜的影响

图4 温度波动对含湿量的影响Fig.4 Effect of temperature fluctuation on the humidity

图3 送风方式对温度均匀性的影响Fig.3 Effect of air supplying model on the temperature uniform

光照是植物生长发育的基本因素之一，光合作用是植物吸收太阳光，合成有机物的过程，但不同光照强度对植物的光合作用会产生不同的影响，合适的强度才能有效地促进生长，光照强度过低或过高都会对植物生长产生抑制作用，不同颜色和周期的光照对植物也有不同的影响[17-19]。自然光由7种单色光组成，不同强度和颜色的光对果蔬衰老的调控作用也不同，强光和紫外光可促进植物体内产生自由基，诱发衰老，这主要是由于光调节叶片上的气孔开度，进而影响植物的气体交换、光合作用、呼吸作用、水分及矿质地吸收和运输等主要生理过程。叶绿素分子主要吸收红光及蓝紫光进行光合作用，红光可阻止叶绿素和蛋白质降解，远红光可消除红光的作用，蓝光可延缓叶片衰老。当无光时叶片会因为光合作用关闭，而呼吸作用又消耗能量，一部分糖类被分解，之后会有一部分脂类和蛋白质类被分解以供呼吸作用，而叶绿素是双羧酸的酯，也会被分解，此时叶片的颜色将会发黄，颜色上造成衰老。光照可使光合作用仍能缓慢进行，减缓叶绿素分解。维生素C是一种抗氧化剂，能够有效抵抗自由基的威胁，人们对一些果蔬中维生素C的含量十分看重，它对人体的自身免疫系统有重要作用，缺乏维生素C会造成坏血病。M. A. Hossain等[20-21]和C. Miyake等[22]通过研究得出叶绿体中含有合成维生素C的酶，若叶绿素被分解，维生素C的含量也显著下降。S. Noichinda等[23]通过实验测定出芥蓝在无光1 ℃条件下和光强度为21.8 μmol/(m2·s)条件下存储10 d后质量分别下降1.8%和3.9%，这是由于在黑暗条件下1 d内芥蓝的气孔就会关闭，一定程度上减少了质量损失，蔗糖含量差距不大，但黑暗中总的叶绿素含量下降更为明显，光照条件下果糖的含量远大于暗黑条件下的含量，淀粉含量在光照条件下较高，同时维生素C含量的损失更小，营养价值相对更高。

王超等[24]将西芹置于温度为4 ℃、相对湿度为90%的环境中，在1∶1红蓝LED光总强度为10 μmol/(m2·s)和无光条件下进行实验，得出有光和无光处理对西芹失重率的影响差异不大，在适宜的相对湿度条件下，光照不会加大西芹的失重率；但在10 μmol/(m2·s)光强度下，迎光面西芹的叶绿素和维生素C含量显著高于背光面和无光处理组，背光面和无光处理组的叶绿素损失率分别是迎光面西芹的1.56倍和1.5倍，维生素C损失率分别是迎光面下的1.67倍和1.86倍，如图5所示。因此10 μmol/(m2·s)光处理可以显著保持采后西芹的营养，保存更多的商品价值。

图5 LED光场对西芹贮藏的影响Fig.5 Effect of LED on celery preservation

Y. Shinohara等[25]和D. J. Gillham等[26]通过实验也验证了光照对维生素C含量的影响，相比光照条件下，无光时维生素C的损失较多；光照不仅对果蔬的颜色和维生素C含量有较好的保持效果，且由于光合作用，会使有机物含量减少缓慢。M. E. A. Toledo等[27]对比研究了在弱白光(20～25 μmol/(m2·s))和黑暗条件下的菠菜，光照组叶片可溶性总糖和葡萄糖含量均高于黑暗条件下的叶片，持续的白光照射有效促进了菠菜采后贮藏期间的光合能力，提高了可利用的可溶性化合物含量，特别是葡萄糖含量，同时维生素C的含量在光照组也更高一些；U. C. Biswal等[28]通过调节光照颜色与周期得出光控制叶片的衰老主要是通过控制光敏色素，减少色素的分解量，控制激素和多胺类的含量，保留更多的营养，连续的弱红色光和每12 h间隔的红色脉冲光可以有效减缓叶绿素损失；姚笛等[29]用LED处理采摘后的青花菜，得出光照处理能够延长有机物硫代葡萄糖苷和萝卜硫素的降解，保持青花菜的营养保健价值。

光照影响的是含有叶绿素的植物，所以对于一些含有叶绿素的果蔬保鲜效果较好，而对其他的作用不大。陈存坤等[30]采用日光灯作为光源，平均强度为1 800 Lux，分别测量了光照条件和黑暗条件下红色番茄、绿色芦笋和西兰花及白色花椰菜在室温(15 ℃)、亚低温(8 ℃)和适宜贮温(0～2 ℃)时的呼吸强度，并进行了对比，得出在同一贮藏温度下，番茄、西兰花和芦笋置于光照条件下比黑暗条件下的呼吸强度低，光照降低呼吸代谢的效果明显；而花椰菜受光照的影响较小，光照抑制呼吸强度的效果不显著；同时，光照对呼吸代谢的影响还与温度有关，一般情况下，贮藏温度越低，光照对呼吸强度的影响越小。

2.3电场对果蔬保鲜的影响

地球自身就是一个巨大的静电场，地表附近电场强度约为130 V/m，地球上有许多生物都生活地表附近，所以大气电流和大气电场对动植物的生命活动有重要影响[30]。正常情况下，细胞膜内外存在约为70 mV的电势差，处于一个相对平衡的状态，当有较大的电势产生时，就会打破这一平衡，同时细胞内各组织由于强电势的作用，膜两边的带电粒子会定向移动，产生生物电流，带动生化反应，抑制ATP生成，延缓细胞的新陈代谢，从而达到保鲜的目的；呼吸系统的电子传递受电场影响，使生物体内氧化还原反应减缓；由于外加能量场使水发生了共鸣，引起水结构及水与酶的结合状态发生变化，使酶部分失活，减缓了有机物分解[31]。20世纪末，学者们越来越多的用实验研究静电场对果蔬采摘后的影响，刘随东[32]将四川红桔置于温度7 ℃、相对湿度75%条件下，用150 kV/m的电场强度每天进行30 min的处理，贮藏40 d的好果率高于对照组的14.7%；杨佩芳等[33]将红星苹果置于温度0 ℃、相对湿度90%条件下，用80 kV/m强度的电场处理，贮藏三个月后测得可溶性固形物含量分别比对照组高10%和1.8%，而呼吸强度降低约20%；学者们也逐渐发现适当强度的静电场对荔枝、西瓜、青椒、甜瓜等果蔬保鲜也有较大作用。T. R. Bajgai等[34]发现采用高压电场对菠菜叶处理时，可以保持物料的营养元素。A. O. Bio等[35]研究发现高压脉冲电场的预处理提高了辣椒膜的通透性，与传统的预处理方法相比，高压脉冲电场预处理不仅提高了传热传质系数，还影响了辣椒的干燥速率[36]。丹阳[37]通过研究指出合适的负电荷能够在一定程度上抑制番茄品质的下降，番茄接触负极板电荷能够抑制呼吸并降低乙烯的释放量，对保鲜有积极的影响，图6所示为电场对果蔬中物质保鲜的影响机理。

图6 高压静电场果蔬保鲜作用机理Fig.6 Mechanism of high voltage electrostatic field on preservation

2.4磁场对果蔬保鲜的影响

我们生活的空间都是具有磁性和磁场的，生物体内含有大量的水，水分子是反磁性的，由于水分子和缔合水处于不断的热运动之中，故氢键总是不断地断裂和形成，水分子团的这种构造是一种动态结合，其稳定存在时间只有10-12s左右，不断有水分子加入某个水分子团，又有水分子离开水分子团，而水分子团的大小只是个平均数。在室温中，一般水的分子团大小约为30到40个水分子。水中存在许多水分子团，它们是磁场作用的耙点，它们之间存在磁的相互作用，而外加磁场、环境磁场和生物体内的磁场都会对生物组织和生命活动产生影响，即磁场的生物效应。不仅对水有影响，细胞内的其他物质，细胞的新陈代谢即为内部的氧化还原反应，本质过程就是带电粒子和电子的运动，在外加较强磁场下，一定程度上抑制了新陈代谢；在生物活动中会产生自由基，而自由基的化学活性高，自身带有部分电荷，存在自旋磁矩，在电磁场中必然会受到转矩的作用，也会使自由基的作用减弱；生物膜两侧的离子由于受到磁场作用，离子传输会受到磁场的影响；另外，由于部分蛋白质中含有金属离子，也会受到磁场作用而使部分性质发生变化，一些酶的催化作用减弱，使细胞的呼吸及代谢减慢。由于这些原因，在磁场中的果蔬细胞会表现出与无外加磁场不同的保鲜效果。

磁场在很宽的范围内(10～104 GS)均可产生生物学效应，不同剂量的磁场对生物体也会产生不同效应[38]；金江涛等[39]通过实验研究表明：在较高的磁感应强度下，钝酶总体上随磁感应强度的增强而增强，随脉冲数的增加而增强，较高的磁感应强度可以延长草莓的保存时间。高梦祥等[40]将鲜切的莲藕片经不同强度的磁场处理后，测得各项生理生化指标随着贮藏时间的增加发生了显著变化，强度不同贮藏的效果也不同；磁场强度为1.2 A/m的交变磁场处理的鲜切莲藕片与对照组相比，保鲜贮藏效果明显占优，此强度的磁场能够抑制多酚氧化酶活性，减慢莲藕切片褐变速度，延长其贮藏时间，最大程度的保持莲藕切片的新鲜度，鲜切莲藕切片中还原糖含量比对照组的消耗量要少；高梦祥等[41]的研究结果表明：用磁场强度为0.87 A/m和1.79 A/m 的交变磁场处理葡萄，得到腐烂率、脱果率、出糖率均明显降低，果实的外观较好；其可溶性糖含量相比对照组的降幅小；细胞膜的通透性降低，多酚氧化酶活性受到抑制，从而有效延长了葡萄的贮藏时间。磁场除了能影响果蔬细胞营养物质外，还由于水的分子特性，影响细胞的冻结过程，王鹏飞[42]用洋葱、胡萝卜、黄瓜及西葫芦作为实验材料，无磁场作用下，细胞相变过程产生的冰晶较大，呈现刀片状，冰晶长度基本和显微图像上细胞的宽度相当；在磁场作用下产生的冰晶大小普遍比无磁场作用下要小，直流磁场作用下多呈现轻薄繁密且很小的鳞片状；而交流磁场作用下冰晶多呈现雾状、沙粒状，冰晶尺寸最小；随着场强的增大，鳞片状和雾化状态的程度更明显，且鳞片尺寸减小。说明在细胞冻结过程中，磁场具有能够抑制核化过程中冰晶生长的作用，相对于无磁场作用避免了形成过大的冰晶。在果蔬冷藏保鲜过程中，磁场表现出来的抑制冰晶生长的作用能够保护细胞膜不被破坏，有利于保持果蔬营养成分和水分，保持果蔬新鲜感和高品质，图7所示为洋葱细胞在不同磁场作用下终了冻结时的显微图像。

3 展望

物理贮藏技术消除了化学保鲜的二次污染，是保鲜技术未来的重要发展方向之一，未来的发展方向主要集中在以下几个方面：

1)各物理量强度对贮藏果蔬品质及寿命影响的机理研究。包括有生命特征和无生命特征两类产品，这两类产品品质及寿命变化的规律和影响因素是完全不一致的。对具有生命特征的产品而言，以影响呼吸作用的酶化反应因素为主；而对无生命特征的产品而言，以影响细胞破坏的因素为主。目前，各类物理量对酶化反应和细胞破坏的影响规律不明确，需要跨学科进行研究。

2)在不同物理场下，保鲜过程中果蔬的热、质、力、流动及形变行为研究。贮藏过程中的果蔬大多数类似于多孔介质材料，在物理保鲜中最易发生果蔬的物理表面变化，如水分损失、溶质迁移、形状变化等，这与当前工程热物理研究热点“介观体系内热质传递”密切相关，需要研究不同物理场及多物理场对果蔬传热传质的影响。

3)大型物理场的均匀化设计及建造。目前一些物理场的保鲜技术还集中在小型装置内的机理性研究，大型物理场设备的直接运营成本还很高，并且物理场在空间内有衰减(除温度场外)，其均匀性很难保证，而贮藏中的果蔬对场的强度等选择有特定性，这对物理场的保鲜技术是一个重大的技术挑战。

4 结论

不同的果蔬由于自身生长环境和所含营养物质不同，最佳的贮藏环境也有差异,物理保鲜方式可以最大可能的保证食品品质和延长贮藏期，通过以上分析和讨论，可得到以下结论：

1)温度场的均匀性和波动性是保鲜的基础，合适的温度场和较小的波动能够减少营养物质的分解及水分的流失。

2)光的适当利用要与合适的温度相结合，才能达到最好的贮藏效果。

3)电场和磁场的运用要合适的强度均匀性，并且大型冷库需要开发大型装置。

本文受天津市科技支撑项目(14ZCZDNC00016),四川省科技支撑(2015NZ0071)和天津市自然科学基金项目(15JCTPJC64300)资助。(The project was supported by the Science and Technology of Tianjin(No.14ZCZDNC00016), the Science and Technology of Sichuan Province(No.2015NZ0071) and the Natural Science Foundation of Tianjin(No.15JCTPJC64300).).

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Aboutthecorrespondingauthor

Liu Bin, male, professor, Laboratory of Refrigeration, Tianjin University of Commerce, +86 15822518582, E-mail:lbtjcu@tjcu.edu.cn. Research fields:food cold chain.

EffectsofSeveralPhysicalQuantitiesandFieldTheoryonthePreservationofFruitsandVegetables

Duan Aipeng Liu Bin Di Qianqian Guan Wenqiang

(Tianjin Key Lab of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin, 300134，China)

Preservation is an important part of modern agriculture, and is an important way to improving the "time and space" value of fruits and vegetables. With the development of physical technologies, many types of physical preservation methods have been developed. Based on existing research, the effects of temperature, light, electricity, and magnetism on the preservation of fruits and vegetables are summarized. Firstly, controlling the temperature field uniformity and volatility slows down the metabolism and water loss. Secondly, the appropriate light intensity, electric field intensity, and magnetic field strength can also improve the storage time of fruits and vegetables, thereby reducing a loss of nutrients.

fruits and vegetables; fresh; field theory; temperature field

0253- 4339(2017) 04- 0110- 09

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.04.110

2016年10月6日

TS255.3; TM15

： A

刘斌，男，教授，天津商业大学制冷实验室，15822518582，E-mail：lbtjcu@tjcu.edu.cn。研究方向：食品冷链。