现代果蔬气调贮藏库及其应用现状

丁树东，李艳杰，孔瑞琪

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255000）

气调贮藏是调节气体贮藏的简称，是指在低温贮藏的基础上，通过改变密闭贮藏环境的气体成分，使之不同于正常空气中气体成分的一种贮藏方法[1]。根据包装内气体调节原理的不同，气调贮藏可分为人工气调贮藏（controlled atmosphere storage，CA）和自发气调贮藏（modified atmosphere storage，MA）两大类[2]。而果蔬气调保鲜技术主要分为气调库保鲜和气调包装保鲜[3]。气调库保鲜具有设施先进、机械化程度高、储存容量大、保鲜效果好等特点，可用于自动化的连续工作[4]。气调贮藏库可以在维持果蔬采后正常生理活动的前提下，准确控制影响气调贮藏的温度、湿度、气体成分等工作参数，最大限度地抑制果蔬的新陈代谢及微生物的活动，延缓果蔬的衰老进程，从而有效地保持果蔬的品质[5]。

目前，气调库已广泛应用于发达国家的果蔬采后贮藏，特别是美国、法国等国家，这些国家应用气调库贮藏的果蔬可达贮藏总量的50%～70%。我国对气调贮藏技术的研究与应用相对较晚，山东龙口、新疆库尔勒、陕西西安等地虽已有万吨级大型机械气调库投入使用，但大部分商业气调库仍为小型库、土建库。另外，气调库贮藏技术仍未普及，据统计，只有5%～7%的生鲜农产品使用了气调贮藏技术，而每年由于采后贮藏不当导致的经济损失高达750亿元[6]。因此，应用先进的气调库果蔬贮藏保鲜手段是果蔬采后贮藏的发展趋势。本文着重介绍了果蔬气调贮藏库的技术原理及设备组成，并结合国内外气调库发展现状，对我国果蔬气调库的应用与推广进行了展望。

1 果蔬气调贮藏的原理

采收后的果蔬仍进行着呼吸作用与蒸腾作用，但此时果蔬无法再给自身提供水分与营养物质，当贮藏温度较高，果实内部酶的活性强，随着贮藏时间的延长，果实内部酶的活性也会增强，这些都会使呼吸速率加快，加剧果蔬体内营养物质的损耗，最终导致腐烂变质，丧失商品价值。同时，乙烯的产生也会加速呼吸作用。而果蔬的呼吸需要氧气参与完成，气调贮藏是在保持适宜低温条件的同时适当减少贮藏环境中氧气的含量、提高二氧化碳含量，以抑制果蔬的呼吸作用，达到减少营养物质消耗的目的，并在某些方面抑制了微生物的生长繁殖，从而延长采后果蔬的货架期，有效地保证其商品价值[7]。

2 果蔬气调贮藏库的设备组成

果蔬气调贮藏库通常由库体、气调系统、加湿系统、制冷系统、压力平衡系统以及自动监测控制系统构成[8]。

2.1 库体

常见的气调库库体有装配式、砖混式和夹套式三种[9]。装配式气调库的库体具有防潮、气密性能优越、外形美观等优点，且建造时间短，是目前国内外新建气调库最常用的类型。装配式库体通常以金属轧制卷板为面板，以硬质聚氨酯泡沫夹芯板作围护结构，经整体发泡或胶粘复合而成的隔热芯板组装而成[10]。砖混式和夹套式库体存在施工复杂、建筑周期长等缺点，逐步被装配式库体所替代。

气调库库体应具备良好的隔热性和气密性。库体一般在试验压力196 Pa条件下，半压降时间（压力下降到试验起始压力之一半所需要的时间）为20 min，检验结束压力不低于78 Pa为合格[11]。与此同时，为避免库温波动时产生的压强差对库体结构的破坏，气调库必须设置压力平衡系统[12]。

2.2 气调系统

气调系统是气调库的关键所在[13]，统通常由制氮设备、二氧化碳脱除设备、乙烯脱除设备、加湿设备、气体检测设备、压力平衡袋、安全阀等部分组成，如图1所示。当气调系统运行时，气调库内的气体通过管道被输送到气调设备中，经过检测和处理，再由管道排放到库内，反复循环，直至库内气体达到气调贮藏的要求[8]。

图1 气调库结构简图Fig.1 Schematic diagram of controlled atmosphere storage

2.2.1 制氮

气调库的气体调节一般通过充氮置换的方法降低库内氧气的浓度。气调系统工作时，一方面将制氮机制取的高浓度氮气充入库内，另一方面将高氧气浓度的库内气体排出库外，反复充放，直至库内的氧含量降至5%左右，最后通过果蔬自身的呼吸作用继续降低氧气浓度，以达到调节库内气体成分、抑制果蔬呼吸强度的目的[14]。

目前在气调库上采用的制氮机主要包括吸附分离式的碳分子筛制氮机[15]和膜分离式的中空纤维膜制氮机[16-17]。制氮机的选型可以根据果蔬贮藏品种及其所需气调参数的不同和库房大小来确定。除了制氮机外，完整的制氮系统还需要配套空气压缩机、空气缓冲罐。空气压缩机起到压缩空气的作用，而空气缓冲罐可以为压缩机供应的气体提供缓冲，起到稳定和贮存空气的作用，并可降低气体温度。

2.2.2 二氧化碳脱除机

由于过高的二氧化碳会导致果蔬二氧化碳中毒，因此气调库内二氧化碳的含量必须控制在一定范围内。二氧化碳脱除机是气调库的重要组成部分，其在运行时可以交替地吸附和脱附二氧化碳浓度高的气体[12]：库内二氧化碳浓度较高时，库内气体被抽到吸附装置中，经活性炭吸附后，再将吸附后的气体充入库房，达到脱除二氧化碳的目的。二氧化碳脱除机中活性炭吸附二氧化碳的量与温度相关，并与二氧化碳的浓度成正比[18]。当二氧化碳脱除机中活性炭吸附二氧化碳的量达到一定程度时，需用外界的新鲜空气脱附二氧化碳后再继续工作。

2.2.3 乙烯脱除机

乙烯是一种在果蔬发育、成熟过程中持续不断合成并释放的植物激素和信号分子，对果蔬的成熟、衰老等生命活动具有促进作用。因此，贮藏苹果、桃子、番茄、香蕉等呼吸跃变型果蔬时，必须采取抑制乙烯生成并消除其在库内累积的措施。目前常用的脱除乙烯的方法有氧化分解法[19]和物理吸附法[20]两种。

2.2.4 压力平衡系统

气调库具有良好的气密性，当库内温度波动时会引起库内外压力的变化，继而对整个库体的结构带来冲击。因此，气调系统必须设置压力平衡系统，以平衡库内外压力差[21]。同时，为了减少安全阀与库外的气体交换次数，每个库房均设一个压力平衡袋[22]。当库温升高，平衡袋膨胀，库内部分气体流入平衡袋；当温度降低，库内气体收缩，袋内气体自动流入库内，从而减轻或消除压差对库体的冲击、破坏作用。

2.2.5 制冷系统

制冷系统是机械气调库必须具备的系统[23]。气调库的制冷系统根据制冷方式的不同，可分为直接蒸发冷却系统和载冷剂间接冷却系统。其中，直接蒸发式系统的能效更高，有利于节能；载冷剂间接冷却系统由于载冷剂温度与库温之间温差小，因此库内温湿度更稳定[24]。

2.3 辅助系统

2.3.1 加湿系统

为保证气调库内果蔬的品质，气调库内应配备加湿系统以维持合适的相对湿度。一般要求，气调库内的相对湿度应维持在90%～95%[25]。常用的加湿方法包括地面充水加湿、喷雾加湿、离心雾化加湿、超声雾化加湿、高压微雾加湿等[26]。

2.3.2 自动监测系统

气调库自动监测系统的主要作用是根据贮藏果蔬的特性，实时监测并控制库内温度、湿度以及气体浓度等气调贮藏参数，以达到最佳气调参数状态[27]。现代气调库大多使用自动监测控制设备，通过一台中央控制计算机对气调库进行远程监控，实时查询库内的各项气调参数及设备运行状态，同时根据参数及运行情况的变化对气调库进行实时地远程控制，以维持气调库的稳定运行。

3 国内外气调贮藏库的应用现状

3.1 国外气调贮藏库的应用

国外对气调贮藏库的研究起步较早，1819年法国科学家Black发现减少空气含量可以延缓水果成熟，由此奠定了气调贮藏的原理基础。1927年，英国建成了第一座用于商业化的果蔬气调贮藏库。此后，发达国家开始进一步研究气调库在农产品贮藏与运输中的应用。目前，发达国家在果蔬贮藏销售过程中广泛应用气调库贮藏，据统计，在发达国家采后应用气调库贮藏的果蔬达到果蔬产量的50%以上[6]，多数果蔬在采收后可以做到立即预冷，然后挑选、分级进入气调库贮藏，最后通过冷链气调集装箱进行运输和销售，这种模式下的果蔬贮运有效地延缓了采后果蔬的成熟与衰老，极大程度地保证了采后果蔬的品质与新鲜度。

3.2 国内气调贮藏库的应用

我国气调贮藏起步较晚，20世纪80年代曾引进过示范性气调库，并且于1994年在北京建成我国第一座百吨级果蔬气调库，其后也有各种类型的商业性气调库建成，并在山东、新疆、陕西等果蔬主产地建有万吨级大型机械气调库。但气调贮藏库发展相对缓慢，且普及率极低，且仅在苹果、库尔勒香梨、猕猴桃等少数品种上应用，据统计，只有5%～7%的生鲜农产品使用了气调技术[6]，与国外气调库差距较大。所以，我国果蔬气调库贮藏在应用方面依然处于初级阶段。周博等[40]采用k-ε 紊流模型建立了气调库内气体流动、传热与传质的三维数学求解模型，并通过编写UDF程序获得苹果呼吸强度和冷风机送风口O2、CO2质量分数的变化规律。杨巧银等[25]采用CFD软件模拟苹果气调库内的热质传递现象，并研究了库内相对湿度的分布，得出了改善库内湿环境的方案。胡浩等[41]用k-ε 紊流模型建立了水果气调库内气体流动、传热与传质的三维数学模型，建立了货物区的热质传递控制方程，并采用simple算法和整体求解法，编制了通用的计算程序，对气调库的降温、降氧过程进行了数值计算。

3.3 气调贮藏在采后果蔬贮藏保鲜中的研究

3.3.1 气调贮藏对采后果蔬生理品质的影响

采后果蔬的生理品质可以直观地反映果蔬的商品价值与食用价值。马佳佳等[28]研究表明，适宜的气调处理可以抑制金针菜叶绿素、可溶性蛋白、VC等营养物质的降解。刘柳[29]研究了气调贮藏对不同品种柿果实耐贮性的影响，结果表明，气调处理有效地提高了果实的耐贮性与品质，显著延缓了果实硬度的下降与色泽的加深，同时在一定程度上抑制了可溶性糖含量的上升与可滴定酸含量的下降。吉鹏等[30]以奥尼尔蓝莓为研究材料，探究低温条件下不同气体成分组成对其气调保鲜效果的影响，结果表明，5%O2+20%CO2气调处理能有效维持蓝莓的感官品质，并能降低失重率、呼吸强度和腐烂率，对蓝莓有显著的保鲜效果。由此可见，气调贮藏可以有效地维持果蔬采后的生理品质，延缓其成熟与衰老的进程。

3.3.2 气调贮藏对采后果蔬呼吸作用的影响

气调贮藏是通过调节贮藏环境的气体组成来抑制果蔬的呼吸作用，从而推迟呼吸跃变的启动，最终抑制果蔬的成熟与衰老。叶妞等[31]研究了不同气体组分气调贮藏对青皮核桃的保鲜效果，发现5%O2+9%CO2气体条件下气调处理可抑制青皮核桃的呼吸强度，并延缓呼吸高峰的出现。曹冬洁等[32]通过探讨低温贮藏条件下CO2含量对双孢蘑菇品质的影响，结果发现CO2体积分数为20%时，能有效抑制双孢蘑菇呼吸速率，并推迟呼吸高峰的出现。王志华等[33]研究了0 ℃、相对湿度80%～85%、O2体积分数为3%条件下，不同CO2体积分数的气调贮藏对黄金梨采后贮藏品质的影响，结果表明CO2体积分数为0%时，气调贮藏能明显降低黄金梨的呼吸强度。

3.3.3 气调贮藏对采后果蔬活性氧代谢的影响

正常情况下，采后果蔬体内自由基的产生与清除处于动态平衡状态，但在机体衰老或遭受逆境时，自由基产生与清除的动态平衡就会被打破，从而引发膜脂过氧化，最终导致细胞膜系统受损，导致细胞乃至整个机体死亡。王利斌等[34]以四季豆为材料，探究了不同气体组分对四季豆生理生化特性的影响，结果发现气调处理可以保持较高的过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶的活性，并有效地减少超氧阴离子自由基、过氧化氢和MDA等活性氧代谢中有害物质的积累，延长四季豆的货架期。姜爱丽等[35]以鲜切富士苹果为材料，研究发现箱式气调处理可以提高SOD、POD、CAT等抗氧化酶的活性。胡花丽等[36]研究发现低氧气调处理可提高猕猴桃的谷胱甘肽和抗坏血酸含量，减缓果实自由基清除能力和抗坏血酸-谷胱甘肽循环相关酶活性的下降，她还认为低氧气调处理对猕猴桃衰老的抑制作用与果实中较高的谷胱甘肽和抗坏血酸含量有关。一般来说，气调贮藏处理可以通过抑制果实的呼吸作用，使得POD、SOD、CAT、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和谷胱甘肽循环相关酶等抗氧化酶的活性维持在较高水平，从而延缓机体自由基的积累，减少活性氧对果蔬机体的毒害作用。

3.3.4 气调贮藏对采后果蔬质地及细胞壁代谢的影响

果蔬的质地与果蔬的品质密切相关。在采后不同时期，果蔬的质地随细胞壁结构与成分的改变而变化。何双等[37]研究了气调贮藏对黄桃软化相关酶活性的影响，结果发现气调贮藏能够抑制多聚半乳糖醛酸酶和内切-β-1,4-葡聚糖酶这两种软化相关酶活性的升高，并且可以抑制黄桃硬度的降低。孙涵等[38]研究了高氧动态气调对双孢蘑菇木质化进程的影响，结果表明高氧动态气调处理可以抑制双孢蘑菇4-香豆酸-辅酶A连接酶和肉桂醇脱氢酶的活性，从而能抑制木质素的积累，延缓其木质化进程。李春媛等[39]以巨峰葡萄为材料，采用质构仪质地多面分析法研究了箱式气调处理对葡萄果实品质的影响，结果发现10%CO2处理可以保持贮藏期间果实的硬度，并有效地延缓葡萄果实弹性、凝聚性、咀嚼性、回复性和黏着性的下降。总的来说，气调贮藏处理可以维持果蔬良好的质地品质，抑制采后贮藏过程中软化、木质化等劣变现象。

4 展望

4.1 从果蔬生理特征角度出发研究适宜贮藏条件

气调库贮藏作为一种能够有效地保障产品品质、延长产品货架期的方法，可以广泛、更加深入地运用到各类果蔬采后贮运过程中。然而，我国气调贮藏库发展较为缓慢，只有5%～7%的生鲜农产品使用，且气调库在我国分布不均、规模较小。究其原因，除设备一次性投资高、工艺设备复杂等外部因素外，缺乏针对不同果蔬气调条件的研究也是影响气调库发展的重要原因。因此，需要从果蔬生理特征角度出发，研究最适合气调贮藏的温度、湿度、气体浓度、通风情况及果蔬呼吸强度等参数条件，并引入反应上述因素对系统动态过程影响的数学模型，动态地、综合地根据果蔬的需求调整气调贮藏库的参数。

4.2 不同保鲜措施的结合使用

气调库贮藏优势明显，但高二氧化碳和低氧分压可能促进果实代谢失常而使组织受到伤害，有些伤害表现为果肉褐变，组织解体和积累某些有机酸，氧浓度过低，由于无氧呼吸，很多果实产生异味或腐烂。而且气调贮藏库一次性投资高，由于不同果实要求气体条件和温度条件不同，故需结合其他保鲜手段，如化学处理、超声处理、辐照处理等新兴的非热加工方法，从而最大程度的减少果蔬在贮运过程中的品质下降。

总而言之，气调库贮藏是一种极有潜力和前景的果蔬贮藏保鲜的手段，具有容量大、适用范围广、贮藏时间长等优点。目前国内在气调贮藏的技术、装备、人员培训等方面存在不足，且在库体材料与结构设计等方面与先进水平存在差距，因此需要发挥政府的主观能动性，主动向国外先进贮藏技术学习，解决技术、装备等外部干扰因素的影响。此外，从气调贮藏的技术角度出发，在研发复合气调贮藏技术的同时，还需要根据不同果蔬的气调特点，研究出更多果蔬品种，特别是新品种的最适气调参数，建立合适的数学模型以动态、综合地保持果蔬采后品质，这仍将是今后果蔬气调贮藏领域一个重要的研究思路，也是加快果蔬气体贮藏保鲜技术应用和发展的必要措施。