（制冷及低温工程专业论文）新鲜果蔬低温贮藏失水机理研究.pdf

新鲜果蔬低温贮藏失水机理研究 r e s e a r c ho nm o i s t u r el o s so ff r e s h v e g e t a b l e a n df r u i ts t o r e di nc o l dc o n d i t i o n s 专业：制冷及低温工程 。一一。一一 研究生：王抱红 导师：塞9 邀副邀拯 天津商业大学机械工程学院 中文摘要 中文摘要 果蔬失水会影响果蔬的很多品质，对于果蔬低温保鲜而言，目标之一就是尽量减少果 蔬水分的流失。基于此，本文结合果蔬表皮特性研究了温度、湿度、风速对果蔬失水的影 向。 首先，利用生物显微镜对苹果、生菜、凤尾菇等果蔬组织进行了显微分析，发现不同 种类果蔬的细胞大小及排列不同，同一个体不同部位的也不同，从中部到表皮细胞越来越 小，排列越来越紧密；对表皮结构进行了简单的比较分析，可以将大多数的果蔬表皮分为 三类。然后，结合果蔬的表皮类型，建立了四种表皮模型，进行失水模型的推导建立。用 数学的方法推导出了温度，风速等因素与果蔬失水的关系：恒温下，失水平均值随风速的 增大而增大，但是对于表皮有多孔介质层覆盖的果蔬存在最大值。降温过程中，失水量与 温差近似成正比关系；对于表皮是水或者有饱和水蒸汽薄层覆盖的果蔬，风速和冷却时问 不决定失水量，对于表皮有多孔介质层覆盖的果蔬，冷却时间越短，失水越少，降温风速 越大，失水越少；并对失水模型进行了求解。 以苹果为实验对象进行了f 交实验及后续实验研究，正交实验研究发现温度、湿度、 风速三者对失水的影响存在交互作用，并且交互作用大于每一个因素单独的影响，湿度和 j x l 速搭配作用对失水的影响最大；降温实验研究发现，对于像苹果这类表皮失水阻力比较 大的果蔬，失水与温度梯度成正比；风速的影响与恒温过程相反，风速越大，失水越少。 实验的结果与由理论得出的结论相吻合。实验还发现在恒温与降温过程中湿度与失水的关 系都近似成j 下比。 关键词：果蔬失水；表皮组织结构；风速；温度；湿度； a b s ，l r a c t a b s t r a c t t h em o i s t u r el o s ew i l li n f l u e n c et h ef r u i tq u a l i t yo fm a n yf r u i t sa n dv e g e t a b l e s f o rl o w t e m p e r a t u r ep r e s e r v a t i o n ，o n eo fi t sg o a l si st r yt or e d u c ew a t e rl o s s c o m b i n e dw i t he p i d e r m i s ， t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , a i rv e l o c i t yo nm o i s t u r el o s so ff r u i t sa n dv e g e t a b l e sa r e r e s e a r c h e d f i r s t ，t h et i s s u e so fa p p l e ，l e t t u c e ，p l e u r o t u sp u l m o n a r i u sa r eo b s e r v e da n da n a l y z e db y b i o l o g i c a lm i c r o s c o p e t h ec e l ls i z ea n da r r a n g e m e n to fd i f f e r e n tk i n d so ff r u i t sa n dv e g e t a b l e s a r ed i f f e r e n t ，s oi st h es a m ei n d i v i d u a l ，f r o mc e n t r et oe p i d e r m i s ，c e l l sb e c o m es m a l l e ra n dc l o s e r t h r o u g ht h ee p i d e r m i ss t r u c t u r eo fc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，t h es k i no fm o s tf r u i t sa n dv e g e t a b l e s c a nb ed i v i d e di n t ot h r e ek i n d s t h a n ，b a s e do ns k i nt y p e s ，f o u rs k i nm o d e l sa r eb u i l t t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo f m o i s t u r el o s si se s t a b l i s h e d u s i n gm a t h e m a t i c a lm e t h o d ，t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ee x t e r n a lf a c t o r ss u c ha st e m p e r a t u r e ，a i rv e l o c i t ya n ds p e c i f i cm o i s t u r el o s sh a sb e e n d e d u c e d u n d e rs t e a d yc o n d i t i o n ，s p e c if i cm o i s t u r el o s si n c r e a s e sa sl o n ga st h ea i rv e l o c i t y i n c r e a s e s w h e nt h es u r f a c ei sw e ts u r f a c ec o v e r e db yp o r o u sl a y e r , t h ev a l u eo fm o i s t u r el o s s h a sm a x i m u m t h em o i s t u r el o s sd u r i n gc o o l i n gp e r i o do faw e tb o d yi s p r o p o r t i o n a lt o t h e t e m p e r a t u r ed r o p f o rt h eb o d yw i t haw e ts u r f a c ed o e sn o td e p e n do nt h ea i rv e l o c i t ya n dt h e l e n g t ho ft h ec o o l i n gp e r i o d ；f o rt h eb o d yw i t hs u r f a c ec o v e r e db yp o r o u sl a y e r , t h em o i s t u r el o s e i ss m a l l e rw h e nt h ec o o l i n gp e r i o di ss h o r t e ra n dt h ea i rv e l o c i t yi sh i g h e r a n dt h em o i s t u r e m o d e li ss o l v e d t h eo r t h o g o n a la n ds u b s e q u e n te x p e r i m e n tw i t ha p p l ei sc o n d u c t e d t h e r ea r ei n t e r a c t i o n e f f e c t so nm o i s t u r el o s so ff r u i t sa n dv e g e t a b l e sb e t w e e nt e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n da i rv e l o c i t y , a n dt h e yp l a yab i g g e rr o l et h a ne a c hf a c t o ra l o n e t h eb i g g e s tr o l ei st h ei n t e r a c t i o ne f f e c to f h u m i d i t ya n da i rv e l o c i t y ；i ti sf o u n df r o mt h es u b s e q u e n te x p e r i m e n tt h a tf o rt h ef r u i t sa n d v e g e t a b l e ss u c ha sa p p l ew i t hh i g h e rd i f f u s i o n a lr e s i s t a n c e ，m o i s t u r el o s si sp r o p o r t i o n a lt ot h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n t ；t h ee f f e c tf r o ma i rv e l o c i t yo nm o i s t u r el o s sd u r i n gc o o l i n gd o w ni s c o n t r a r yt ot h es t e a d yc o n d i t i o n ，w h e nt h ea i rv e l o c i t yi sh i g h e r ，t h em o i s t u r el o s ei ss m a l l e r ；i ti s a l s of o u n dt h a tm o i s t u r el o s si s p r o p o r t i o n a lt oh u m i d i t yd u r i n gb o t hs t e a d yc o n d i t i o na n d c o o l i n gd o w n t h et h e o r e t i c a lr e s u l t sw e r ev e r i f i e du s i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e y w o r d s ：f r u i t sa n dv e g e t a b l e sm o i s t u r el o s s ；s u r f a c et i s s u es t r u c t u r e ：a i rv e l o c i t y ； t e m p e r a t u r e ；h u m i d i t y i i 目录 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章前言1 1 1 选题的背景及意义1 1 2 国内外的研究现状3 1 2 1 内因3 1 2 2 外因5 1 3 问题的提出9 1 4 本课题研究的内容9 第二章果蔬组织和表皮结构的显微分析1 0 2 1 实验设备及实验对象1 0 2 2 组织结构1 1 2 2 1 果肉组织结构1l 2 2 2 表皮组织结构1 4 2 3 本章小结18 第三章结合果蔬表皮特性建立失水数学模型1 9 3 1 物理模型1 9 3 2 恒温下失水2 1 3 2 1 表皮模型i 2 l 3 2 2 表皮模型i i 2 2 3 2 3 表皮模型i i i 2 3 3 2 4 表皮模型2 3 3 3 降温过程中的失水2 5 3 3 1 表皮模型i 2 5 3 3 2 表皮模型l i 2 6 3 4 果蔬降温过程模型求解2 7 3 5 本章小结3 0 第四章果蔬低温贮藏失水实验研究3 1 4 1 币交实验法简介31 4 2 实验方案设计3l 4 2 1 定指标、选因素、选水平3l 4 2 2 选用j 下交表、排表头、排实验方案表3 3 4 3 实验设备和测试仪器一3 6 4 4 实验步骤3 7 4 5 实验结果分析3 8 4 5 1 表4 4 中的实验结果分析3 8 4 5 2 表4 9 中的实验结果分析4 5 i l l 目录 4 6 本章小结一4 9 第五章后续实验及理论验证5 0 5 1 实验方案及实验设备一5 0 5 1 1 降温过程5 0 5 1 2 恒温过程5 0 5 2 实验结果及理论验证一5 1 5 3 本章小结5 5 第六章总结与展望5 6 6 1 生物显微镜观测得出的结论一5 6 6 2 失水模型推导出的结论5 6 6 3 实验得出的结论5 7 6 4 结论与讨论5 7 6 5 将来工作的建议5 8 参考文献5 9 硕士期间发表的论文一6 3 学位论文独创性声明6 4 学位论文及研究成果使用授权声明一6 5 致谢6 6 i v 第一章前言 1 1 选题的背景及意义 第一章前言弟一早月| j 百 果蔬采摘以后，仍然是一个有生命的有机体，新陈代谢作用在不断进行。不i 刊的是它 们不能再从植株和树体上得到水分和其它物质的供给，而是不断地失去水分和分解在生长 过程中所积累的各种物质，以获得能量维持其生命活动。新鲜果蔬的含水量可达6 5 9 6 ， 植物细胞内水分充足，膨压大，才使组织呈现峰挺脆嫩状态，并呈现光泽、弹性。但采后 在贮藏和运输中水分逐渐减少而得不到补充，水分对果蔬品质的影响是通过水分活度( a 。) 来评价的。其定义式如下【i 】： 铲丢嘻2 等 m t ， 口。水分活度。咿果蔬组织中水的逸度；f o - 相同条件下纯水的逸度；p 一果蔬组织 中水的分压；p 。一同条件下蒸汽压；e r h ，果蔬组织的相对湿度) 。水活度的高低对食品 的化学稳定性、物理稳定性和保存时间直接关联【2 ，3 ，4 1 。 1 、水分活度a w 能直接影响食品的“保质期、色泽、香味、风味和质感”。是食品安全， 食品研究，设计，开发，品质控制非常重要的指标； 2 、水分活度能影响食品中的微生物繁殖，把食品变坏； 3 、水分活度能影响化学及酶素的反应速度，对食品保质期、色泽、香味和组织结构 均有影响。食品褐变( 非酶褐变) ( n o n - e n z y m a t i c b r o w n i n g ) 、脂肪氧化( l i p i do x i d a t i o n ) 、 维生素破坏( d e g r a d a t i o no f v i t a m i n s ) 、酶素的活力( e n z y m a t i cr e a c t i o n s ) 、蛋白质变质 ( p r o t e i nd e n a t u r a t i o n ) 、淀粉变质( s t a r c hg e l a t i n i z a t i o n r e n og r a d a t i o n ) 。 4 、水分活度除了能预测化学及生物化学反应速度，水分活度也影响食品组织结构。 高a w 的果蔬结构通常比较湿润，多汁，鲜嫩及富有弹性。若把果蔬的a w 降低，会产j 卜不 理想食品结构变化，例如坚硬，干燥无味。低a w 的食品结构通常比较松脆，但当臼提高 后，这些食品就变得潮湿乏味；水分活度a w 还改变粉状及颗粒的流动性，产生结块现象等。 食品水分活度口w 、温度、酸值( p h ) 等均影响微生物的生长，但水分活度对食品包 第一章前言 装后的保质期有着至关重要的影响。水分活度( 不是水分含量) 足直接影响食品中细菌、 霉菌及酵母菌等繁殖的重要指标。 从上述可以看出高水分活度的果蔬保鲜，在很大程度上可以说是保持水分。果蔬采后 失水主要为呼吸作用和蒸腾作用。采后的果蔬是活体，在光合作用和物质供给停止的前提 下，呼吸作用就成为采后生命活动的主导过程，与采后果蔬的各种生理生化变化有着密切 的联系，也影h 向着果蔬的失水。呼吸代谢要消耗部分水分将有机物分解为二氧化碳和水， 并放出能量。但因呼吸而导致的失水失重较少，并随着贮藏温度的下降和气调环境的形成， 这种损失会越来越少【5 1 。蒸腾作用是其主要的失水途径【5 】，蒸腾作用基本上是一个水分蒸 发的过程，但与物理学中的概念又不完全相同，因为蒸腾作用还受植物组织结构和气孔行 为所调节。采摘前植物的蒸腾失去的水可以通过根系从土壤中的补充，采后果蔬蒸腾散失 的水通常再也得不到补充，而且整个器官都成为水分散失体。影响蒸腾作用的因素有以下 几种： ( 一) 内在的原副6 j 1 、比表面积比表面积就是物质单位重量( 或体积) 所占表面向积的比率( m 2 k g ) 称比表面积，或叫表面积比。比表面积越大，水分蒸腾作用越强，失水越快，所以叶菜类 ( 菠菜) 失水快，水果和果菜次之，根茎类蔬菜最弱。 2 、表面组织结构植物器官组织的水分蒸腾有两个途径，一是自然通道，即气孔和 皮孔；二是角质层。 3 、细胞的持力水原生质中有较多的亲水性强的胶体，可溶性固体物含量高，使细 胞的渗透压高，持水力强。细胞间隙越大，细胞失水速度越快。 4 、成熟度幼嫩果蔬的表面保护组织没有完全形成，干物质含量少，所以蒸腾失水 快。随着果蔬的生长发育，组织逐渐变得充实，蒸腾强度相对降低。 ( 二) 外界条件【5 j 1 、温度蒸腾作用随温度的降低而减弱，随温度升高而加快。 2 、湿度在一定温度下，空气中的湿度越小，果蔬的蒸腾作用越大，反之越小。 3 、空气流动空气流速愈大，蒸腾失水愈多。 4 、光线光线促进果蔬的蒸腾失水。 5 、气压果蔬通常是在正常大气压贮藏，气压一般对贮藏不造成影响，但是，在果 蔬采用真空预冷时，由于降压使果蔬蒸腾加快。 2 第一章前言 在果蔬保鲜技术的研究中，对失水研究是至关重要的部分，对果蔬贮藏和加工都将有 很大的意义。 1 2 国内外的研究现状 针对上述的影响因素目前国内外主要从以下两个方面进行研究。 1 2 1 内因 从果蔬自身的表皮组织进行，即研究水果的表皮组织、角质层、蜡质层的扩散系数。 依据菲克扩散定律，通过适当的假设建立理论模型，通过实验条件进行求解。 菲克定律是固体物理学中关于扩散宏观理论的基础，具体如下【7 】：设扩散沿x 方向进行， 单位时问内通过垂直于x 方向的单位面积扩散的量( 扩散流) 决定于物质浓度门的梯度， 即： ，：一d 竺( 1 - 2 ) 瓦o n = 面0 ( d 瓦o n ) ( 1 - 3 )一一j j 。一 8 ta x 、a x 式中：物质浓度以可以取为单位体积内的摩尔数，( j 为相应的扩散流) ，( 1 ) 式及( 2 ) 式分 别称为菲克第一定律和菲克第二定律，其中第一定律只适用于稳定扩散( 衫乞= o 的情况) 。 ( 1 ) 式和( 2 ) 式很容易推广到三维形式。菲克定律中的d 叫扩散系数，并且d 0 ，它一般与 物质的温度、浓度等因素有关。 对于扩散系数的确定，国内在果蔬方面的研究比较少。文献【8 】中介绍了冷冻蓝莓在不 同温度和不同渗透液处理下，其脱水率和固形物获取率的变化，计算其有效水分扩散率和 有效固形物散率以及蓝莓在渗透脱水过程的收缩和相对密度的变化。文中对蓝莓渗透脱水 过程有效水分扩散率和有效固形物扩散率的计算采用c r a n k 的球体公式，取其近似级数为一 级进行计算，得出蓝莓在渗透脱水的有效水分扩散率和有效吲体扩散率随温度升高而增 加。c r a n k 的球体公式【9 】： 耻器= 砉p h 4 ， 式中：m 出无量纲含水量； 3 第章d 订言 m 平均含水量，k g ； m o 初始含水量，k g ； m 。平衡含水量，k g ； 尺。，平均半径，m ； d 水分扩散系数，m 2 s ； f 时间，s 。 该公式在研究球形果蔬水分扩散中得到了广泛的应用。 董全等人( 2 0 0 5 ) 针对流化床干燥工艺进行了研究，得出：经渗透脱水处理的蓝莓在 流化床中用5 种不同的干燥温度( 5 0 v 、6 0 。c 、7 0 c 、8 0 。c 、9 0 4 c ) 进行干燥的有效水分扩散 率d 够分别为( o 7 5 32 - - - - 3 6 7 37 ) x1 0 1 0 m 2 s ，在干燥脱水处理过程中d 彬随处理温度升高而 增加【i o 】。 苏树强，肖洪海等人( 2 0 0 1 ) 对节果冻干过程斗j 的水蒸汽扩散系数进行了研究，发现 在冻干节果过程中冰升华界面至冷阱表面的摩尔质量扩散速率随物品中含水量的减少呈 二次曲线下降，水蒸汽的扩散系数随物品温度的j f l 高呈近似线性减小【。 国外针对不同的水果对此进行了比较多的研究，o t o n i e lc o r z o ，n e l s o nb r a c h o ，c a r l o s a l v a r e z ( 2 0 0 8 ) 对不同成熟期的芒果片在空气干燥下的水分扩散系数进行了研究，采用菲 克第二扩散定律模拟干燥过程，在假设芒果片样品平面几何尺寸下获得了解析解，通过降 低实验和模型预测干燥特性之1 1 自j 的平方差来进行非线性回归估测水的有效扩散系数，实验 的温度分别是5 0 * 0 、6 0 * c 、7 0 * c 、8 0 ，空气流速两个分别为1 8 m s 幂h 1 9 r n s 。得出青芒果 切片和半熟芒果切片的水分的有效应扩散系数变化范围分别是1 7 4 1 0 - 1 03 1 5 1 0 m m 2 s 和2 3 0 x1 0 - 1 03 2 8 1 0 圳m 2 s ，水分有效扩散系数随着温度和空气流速的增加而增加【12 1 。 采用了菲克定律c a n k 平板扩散方程【1 2 】： 脚= 糟= 砉薹由唧 _ 芈 5 ， 式中：m r 水分比； x ，时间t 的水分含量，k g ； x 。平衡水含量，k g ； 第一章前言 x o 初始水含量，k g ； d ，水分有效扩散系数，m 2 s ； 切片厚度的一半，m ； f 时间，s 。 ta n g u y e n 等人( 2 0 0 6 ) 通过一个数值的水分扩散模型对梨的组织、表皮扩散系数进 行了确定。对不同采摘期、不同贮藏时期和温度进行了研究。对不同组织，如外皮层、内 皮层、表皮的水分扩散估算得出：晚采摘梨的有效扩散系数较早采摘的大，贮藏时间的影 响不明显，生理变化很显著，温度对不同组织的影响不同，由实验数据显示贮藏温度对水 分扩散过程有很大的影响。当温度从1 升高至l j 2 0 ，内皮层组织扩撒实验显示内皮层扩 散系数增加大约3 6 倍；内皮外皮层兼有的组织扩撒实验中显示内皮层的扩散系数早摘的增 ) j 【1 9 6 倍，晚采摘的增加8 4 倍，但同时外皮层的只是1 时的2 倍，这显示了表皮避免环境 温度变化影响的固有性质。 文献 1 4 1 中研究了= i = 果的水蒸汽渗透率与表皮微细龟裂的关系，结果表明在高水蒸汽 渗透率组中的龟裂面积要远大于低水蒸汽渗透率组的面积；文献 1 5 o e 介绍了对苹果的组 织，表皮，蜡质的扩散系数等的研究。 通过合理的定义几何尺寸和实验条件，对固体食物的水分扩散的研究有很多种，都是 基于干燥动力学【1 6 ，1 7 】；吸收和解吸动力学和湿度分析方法。可以总结归纳为四种方法【1 引， 即，渗透法、吸收解吸和干燥的方法、浓度距离曲线法、核磁共振成像。其中前三种方 法的实验中样品都被破坏，核磁共振成像也即高分辨率磁共振成像n m r ( 核磁共振) 和 m r i ( 磁共振成像) 技术，它允许非破坏性测量水分概7 兄【1 8 1 9 】。这种方法很昂贵，但是其显 著的优点被越来越多研究者所应用。 1 2 2 外因 对外因研究较多的是温度、湿度、气压。质量传递的基本方式可分为分子扩散和对流 传质二种，浓度差的存在是质量传递的推动力，三者的作用最终是产生浓度差的。通常是 假定其中两个一定研究另一个因素的影响。 韩耀明，林志强( 2 0 0 7 ) 通过模拟稳定温度场和周期波动的非稳定温度场，分析了不 同稳定温度场和周期波动的非稳定温度场对速冻白芦笋水分迁移的理论，得出温度场的存 在是造成冻藏局部小环境水分浓度不平衡而引发速冻白芦笋脱水危害的根本原因【2 0 】。 5 第一章前言 胡建人( 2 0 0 2 ) 根据热力学原理及冷冻期问食品包装的小环境内低温冷冻过程分析所 得的结果如图1 一l 、图1 2 所示【2 l 】 i ，t 芦值上卜 升华速率t ，值t ，r ho 卜一，j r 矿值r h t i t i l 凝结放汽化满热q ，p 上，r h 。0 0 图1 - i 温度波动对包装内部小环境变动的影响( p 饱和水蒸汽密度) 图1 - 2 容器内由温差引起的水分迁移输运过程1 2 l 】 p v m a h a j a n ，a r o l i v e i r a ，i m a c e d o ( 2 0 0 8 ) 研究了温度和湿度对整个蘑菇的水分 传输速率( r t ) 的影响，研究表明二者对r t 影响是1 同的，湿度对水分传输的影响比温 度明显，温度和湿度的相互作用对r t 影响也是很大的，随着温度的增高r t 增加，随着湿 度的增加r t 降低。湿度对r t 的影响随着温度的增高而增大，尤其是在1 0 - 1 6 c 范围内。在 高湿度下，温度对r t 几乎没有影响，但是在相对湿度为7 6 时影h 向比较明显。最佳的包装 贮藏相对湿度是8 7 9 0 。并在山牛顿定律：了d v = 一k ，彳5 g 州一以。) ( 式中：v 蒸发 a l 出的水容积m 3 ；k ，- 质量传输系数；4 - 扩散表面积m 2 ；a w 外界水分活度；口“- 物料内的 水分活度) 推导出的水分传输速率的皋础模型的基础上考虑温度埘质量传递系数的影响， 修正了基础模型得到：t r = p x k ，0 衍一a w ) ( 1 - p 1 7 2 2 o 气压的影响如表1 1 所示，在温度和湿度相同的条件下，贮藏环境压力越低，减压冷却 后产品的失水率就越大。这是因为压力越低，使得果蔬与贮藏环境之间水分蒸发的势差越 f ； 第一章前亩 大，促使水分蒸发速率越快，在与环境温度达到平衡后，失水率也就越大。 表1 1 不同压力。卜果蔬火重率比较2 3 1 在食品的冷冻冷臧及干燥等工艺中失水是个表面和内部的传热传质的比较复杂的过 程，从传热角度讲遵循能量守恒定律，在内部可以视为导热，与环境接触的表面为对流。 从传质上讲形式有分子扩散和对流扩散，符合质量守恒定律。很多研究者结合这两大定律 来建立物理数学模型来进行研究。 王俊、张京平、张京平( 1 9 9 8 ) 对热风干燥蘑菇从气液不同的相推导出了水分扩散模 型。是基于如下的原理：蘑菇属多孔介质物料，在干燥前物料内水分以液态形式存在，在 干燥过程中由液态迁移和水蒸汽扩散防个过程组成，且两者的总交换量相等。 d s a l v a t o r i ，a a n d r e s 等人( 1 9 9 9 ) 研究了苹果渗透脱水过程中其组织内水分和其他 物质含量的分布情况【2 5 2 6 1 。 贺素艳、云飞( 2 0 0 3 ) 针对果蔬真空预冷过程中热质传递进行了理论分析，从基本理 论和基本定义出发建立了描述球形果蔬在真空冷却中传热、传质的数学模型。并将所建模 型应用到描述h a a s 年l l g u t 真空冷却生菜的过程中，得到比较好的验证【2 7 】。 周国勇、刘海鑫( 2 0 0 4 ) 建立了减压冷藏的传热传质的模型，并在去皮马铃薯片实验 中得到了验证【2 8 1 。 m l h o a n g ，p v e r b o v e n ，m b a e l m a n s 等人( 2 0 0 4 ) 研究了大批量的菊苣根在冷藏处 理及参数温度等对其质量损失的灵敏度，发现工艺处理过程中的产品质量变化敏感性最小 的条件是在低速( 0 1m ：s - t ) ，低温( 1 ) 和高湿度( 9 5 ) 。但是这些条件的小偏差仍然 会增加体重的损失，存储3 个月后损失高达4 。变化的孔隙率对大量呼吸速率的变化影响 很显掣2 9 1 。 m e a g n e l l i ，c m m a r a n i ，r h m a s c h e r o n i ( 2 0 0 5 ) 模拟了果蔬( 渗透) 脱水速冻过 程中的传热传剧3 0 1 。m k c h o u r a s i a l ，t k g o s w a m i ( 2 0 0 6 ) 用c f d 仿真模拟了袋装土豆 在冷库自然对流冷却中的输运现象【3 1 , 3 2 】。a d e r o s s ia ，t d ep i l l i ( 2 0 0 8 ) 研究了苹果渗透 7 第一章前言 脱水过程中的水分迁移3 引。h a k a nf o z t o p ，e b r uk a v a ka k p i n a r ( 2 0 0 8 ) 通过数值和实验 分析了对流干燥苹果和土豆片的水分迁移，对下燥中的热量和质量的分析采用了二维模 型，用有限体方法解质量和能量方程，得出了不同时问样品内部水分分布的状况【3 4 1 。a h m e t k a y aa ，o r h a na y d m 等人( 2 0 0 8 ) 对海沃奇异果干燥过程中的热质传输进行了实验和数值 研究【35 1 。 也有学者试图找出适合各种工艺过程中热质传输的理论模型或通用的方法，a k d a t t a ( 2 0 0 7 ) 总结了很多前人的研究结论，提出了一种普遍性比较强的用于c f d 模拟食品加工 过程中的热质传送现象的多孔介质模型，此模型在食品对流加热、烘烤、油煎和微波加热 等工艺研究中得到了验i i e , n 应用3 6 , 3 7 】，但是对于低温下的工艺具有局限性。 上述是针对食品的某种加工工艺进行的研究，重点是此种加工工艺，对于其中失水的 研究不够深入或者特殊性比较强。以下是针对果蔬低温贮藏下的失水的研究： b e c k e r ，m i s r a 幂h f r i c k e ( 19 9 6 ) 研究了空气流速、相对湿度和表皮的质量传输系数对 果蔬冷却时i 日j 和失水的影响，发现j x l 速越高降温越快；在降温和贮藏期相对湿度高会减少 失重，增大表皮质量传输系数会导致失重增加【38 1 。在这篇文章中对失重的研究是降温过程 中湿度和表皮传质系数对失重的影响，对于恒温过程和其他因素的影响没有过多的提到。 e r y a nr b e c k e r ( 1 9 9 7 ) 为很多物质堆码可以看作多孔介质的处理过程( 宏观) 提供了 利于计算机计算的传热传质模型，他将外界与多孔介质内的水蒸汽压力差看作水分传递的 驱动力，并且模型中传质系数由物质表层传质系数和空气中传质系数两部分组成【3 9 1 。 b t a s h t o u s h ( 2 0 0 0 ) 通过一个数学模型对果蔬低温环境下的热质传输进行了分析，主 要研究了果蔬堆码和通过果蔬的风速以及其与相对湿度的关系和对低温贮藏过程中温度 变化和失重的影n 向。得出：果蔬堆码深度增加为4 2 m 时，通过的空气的相对湿度达到稳定 值；在贮藏时期，当相对湿度比达到平衡相对湿度高的时候，通风空气流速的增加会减少 产品的失重，当相对湿度值小于平衡时的值失重会增加【4 0 1 。 e l sa v e r a v e r b e k e ，p i e t e rv e r b o v e n ，p a t r i c kv a no o s t v e l d t 等人( 2 0 0 3 ) 对节果的表皮进 行了微观的观察模拟分析，从微观的角度利用菲克定律分析研究表皮的组织，角质层、蜡 质层的传质系数，然后过渡到宏观个体，实现预测果蔬在低温贮藏过程中水分从表皮迁移 情况 4 1 , 4 2 】。主要是针对节果表皮组织进行的，对于贮藏环境的因素影响没有考虑，其他果 蔬的情况也是未知的。 t a n g u y e n ，p v e r b o v e n ，a s c h e n k 等人( 2 0 0 7 ) 研究了梨在气调储藏下湿度对失水 的影响。用能够区分梨的不同组织水分传输模型模拟了气调环境( 2 5 0 2 ，0 7 c 0 2 ， 8 第一章前言 1 ，9 5 r h ) 下整个梨的水分传输【4 3 】。对于其他的果蔬和外界因素没有涉及。 1 3 问题的提出 从目前的研究现状可以看出针对果蔬失水的研究很少，很多是对于内因，即其组织的 扩散系数的研究。对于外因的研究只是针对某种贮藏或加工工艺中进行，也是把失水作为 评定这种贮藏和加工工艺的优缺的标准，为这种工艺技术提供理论基础。但是对于产生这 种现象产生的原因尚不清楚，或者仅仅知道由某种因素造成的，其影响程度也并未进行深 入的研究。国外对低温环境下果蔬失水的研究相对于国内多一些，不过也是对某种因素或 者某种果蔬进行的。基于在前面所述的水分对于果蔬的重要性和失水所造成的危害以及目 前的研究现状提出了本课题，即新鲜果蔬在低温贮藏下的失水机理研究。 1 4 本课题研究的内容 本课题研究的主要内容是在低温条件下外界条件对果蔬的失水的影响，也即湿度、空 气流速等如何影响果蔬失水的。 1 、分析果蔬内部及表皮细胞组织结构，结合果蔬的表皮特性通过能量和质量平衡方 程的分析，推到和建立果蔬失水模型方程，通过模型方程分析外界因素对失水的影响，并 进行数值求解。 2 、以节果为实验对象，利用j 下交实验法进行实验研究及后续实验验证，呈现不同外 界因素对失水的影响。 3 、结合实验结果和对所建立的失水理论模型分析的结果归纳果蔬在低温贮藏下外界 条件所造成的失水机理。 9 第一二章果蔬组织利表皮结构的丝微分析 第二章果蔬组织和表皮结构的显微分析 由于采摘后的果蔬是有生命的有机体，可以视为多孔介质，但是与很多结构可视为多 孔介质的食品相比，因为是有生命的活体，结构上又有很大的不同。本章选择比较常见的 果蔬苹果、生菜、甘蓝、凤尾菇为对象对其内部和表皮结构进行微观观察分析。 2 1 实验设备及实验对象 利用北京福凯仪器有限公司生产的k 系列型号为x s z m i 的生物显微镜对其结构进行 观察分析，下图为本实验使用的生物显微镜设备。 其参数如下： 图2 - 1 生物显微镜及配套设备 表2 - 1 生物显微镜的参数 放火倍数计算公式：总放大倍数= 电脑显示器尺寸x 2 5 4 - - c c d 的版面物镜倍数适配 镜倍数显微镜系统放大倍数 实验对象是购买于天津农贸市场的新鲜富士节果、生菜、甘蓝、风尾菇。选择个体鲜 亮硬实的节果，生菜、甘蓝及肥硕的风尾菇进行观测。 1 0 第一二章果蔬组织和表皮结构的显微分析 2 2 组织结构 2 2 1 果肉组织结构 图2 3 苹果近表皮细胞果肉组织结构 图2 2 是苹果果实中部果肉的细胞，图2 3 是靠近表皮果肉的细胞，两图都是在1 6 1 9 2 5 第二章果蔬组织和表皮结构的显微分析 的放大倍数下得到的，可以看出中部果肉细胞比较大，直径约为2 0 0 3 0 0 p m ，越靠近表皮 细胞越小，从表皮到第5 层处细胞的卣径不到5 0 m ，细胞的排列也越紧密。从图2 2 和图2 - 3 的下部可以看出远离细胞皮的细胞形状是圆形或者近圆形，图2 3 e e 靠近表皮的细胞形状为 椭圆形或者近方形。不仅尽苹果的果肉细胞组织结构的结构如此，很多的果蔬都有类似的 细胞组织结构。 瓯。渤。一。蝴艄麟绷鬻嘲嬲阚霸嘲 徽矿：矿哆，影赣鬻。翅z 一簟tf f 善主 0 ，镪囊，黔! 猫彰嚣聱。7 爹 篡0 ”猢 图2 _ 4 生菜叶横切面细胞组织结构 图2 5 甘蓝叶横切面细胞组织结构 1 2 第二章果蔬组织和表皮结构的硅微分析 图2 4 、图2 5 分别是生菜和甘蓝的叶横切面细胞组织，放火1 6 1 9 2 5 倍得到的。可以看 出从中部到表皮细胞是越来越小，细胞直径从中部的1 0 0 1 a m 逐渐减少到表皮附近的2 5 1 t m 左右，排列也越来越紧密，从图2 4 可以明显看出最p l - 3 层细胞的排列严密无隙。此种果肉 细胞组织结构不利于果实内部水分向外迁移。对于很多的果蔬的内部组织细胞的排列与上 述果蔬有类似的结构，即从中部到表皮细胞是越来越小，排列越来越紧密，但是菌类除外。 图2 6 近菌盖面切面细胞组织结构 图2 7 菌褶基部的切面组织结构 1 3 第二章果蔬组织和表皮结构的显微分析 图2 - 6 和图2 7 是放大6 4 7 7 倍的风尾菇的组织结构。可以看出不同于前面节果及生菜 等的细胞组织结构，是由菌丝构成。由于菌丝排列的疏密不同，组织各部分分界比较明显。 两图中灰色部分是菌肉，图2 - 6 中的浅色部分是菌盖部分，从图中很明显可以看出菌盖皮 层部分的菌丝排列紧密，菌肉部分的比较松软。从图2 7 中很明显看出由三部分组成，灰 色的是菌肉，最下层的是菌褶，中问部分因为与菌褶像连接，在此称之为菌褶基，其组织 结构类似于菌盖部分的。由此可以看出对于菇类真菌的各部分组织不存在细胞大小的不 同，只有菌丝的稀疏不同，并且分界比较明显。 通过上述各图我们很容易得出，不同果蔬的组织结构是不同的，同种果蔬不同个体也 是不同的，即使是同一个体不同部位细胞的大小和排列也是不同的。 2 2 2 表皮组织结构 果蔬的表皮即是果蔬的组成部分，又是其保护组织，对于果蔬的贮藏保鲜，减少水分 向外迁移具有很大的作用。果蔬表皮特性包括表面的致密度、表皮的光滑性( 粗糙度) 、 表皮的厚薄、表皮的软硬、表皮的结构等方面f 4 4 1 。不同的果蔬其表皮性状是不同的，对失 水的影响也是不同的，此节针对不同果蔬的表皮结构进行对比分析，观测的对象是从果蔬 表面揭下的一层薄薄的膜状皮。 图2 8 苹果表皮内侧 1 4 第一：章果蔬组织和表皮结构的显微分析 图2 - 9 苹果表皮外侧 图2 8 和图2 9 是新鲜= l ；= 果表皮内外侧在放大1 6 1 9 2 5 倍下的微观结构图，很明显的可 以看出