论文部分内容阅读
摘要：本文以草莓、香蕉、圣女果为研究对象，改造密闭系统法测量条件，观测三种果蔬20℃条件下在密闭环境内气体氛围的变化，计算并对比三者的呼吸速率。结果表明：改造后的密闭系统适合进行气体浓度变化的连续测量。随着贮藏时间的增加，密闭容器内的氧气浓度降低，二氧化碳浓度增加。香蕉和圣女果的呼吸速率随贮藏时间逐渐减缓，其中香蕉的呼吸速率先高后低变化最大，圣女果的呼吸速率仅有轻微变化，草莓的呼吸较平缓。本研究为果蔬气调包装的进一步发展提供可借鉴方法和实验数据。
关键词：果蔬；气调保鲜；密闭系统法；呼吸速率
中图分类号：TB48；TS255.3 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 08-0029-04
基金项目：河南省重点研发与推广专项（果蔬采后呼吸速率和自发气调包装关键技术的研究212102110195）
Methods For Measuring Respiratory Rate of Three Kinds of Fruits and Vegetables
ZHANG Yan， ZHANG Hai-yan， GUAN Jing， TIAN Jun-shuai（College of Packaging and Printing Engineering， Henan University of Animal Husbandry Economics 450046， China）
Abstract： Taking strawberry， banana and cherry tomato as the objects of study， this paper remakes the measurement conditions of closed system method， observes the gas changes in a closed environment having these three objects at 20℃， calculates and compares the respiratory rates of them. The results show that： the transformed closed system is suitable for continuous measurement of change in gas concentration. With the increase of storage time， the oxygen concentration in the closed vessel decreases while the carbon dioxide concentration increases. The respiratory rates of banana and cheery tomato slow down gradually， of which the respiratory rate of banana changes from high to low with a large change， the respiratory rate of cherry tomato changes slightly and the respiratory rate of strawberry is gentle. This study provides reference method and experimental data for the further development of fruit and vegetable packaging.
Key words： fruits and vegetables； controlled atmosphere preservation； closed system method； respiratory rate
近年來果蔬业规模增大，但采后损失却非常严重，据统计，我国果蔬储运损耗高达30%[1]，已经成为制约果蔬业健康发展的瓶颈。气调包装可以有效延长果蔬保鲜期，它是通过改变包装内的气氛，使果蔬处在与空气组成不同的气氛环境中而延长储存期的一种保鲜技术[2]。通过低温下的气调保鲜技术，果蔬损耗率可降到5%以内。储存过程中气体氛围的调控是关键，而气体氛围与果蔬的呼吸速率密切相关。本文以人们日常喜爱的草莓、香蕉和圣女果为研究对象，改造密闭系统法呼吸速率测试条件，对比分析三种不同种类的果蔬呼吸速率的规律，为果蔬气调包装的研究提供可以借鉴的方法和实验数据。
1 呼吸速率的测量方法
呼吸速率即一定温度下单位时间单位质量的活细胞（组织）产生CO2或消耗O2的量。呼吸速率的表示方法一般采用O2消耗率或CO2生成率。测量呼吸速率的方法分为密闭系统法、流动系统法和渗透系统法[3]。
1.1 密闭系统法
密闭系统法是将果蔬放入可开闭的密闭容器中，在恒定温度下密闭一段时间后，根据容器中O2或CO2体积分数（浓度）的变化来计算呼吸速率[4]。
1.2 流动系统法
流动系统法就是让拥有恒定流速的已知比例的气体通过装有果蔬的容器，由于流速的作用，会将容器内的CO2和O2带出，经过测量流动气体进、出口气流中O2和CO2体积分数的差异，就可计算出呼吸速率[5]。
1.3 渗透系统法
渗透系统法就是用已知气体透过率的薄膜将果蔬包装起来，然后不断的测量包装内部O2和CO2含量的变化，用外界O2透过薄膜进入包装内部或CO2透过薄膜进入外界环境的量来计算呼吸速率[6]。渗透系统法的采用是基于果蔬的呼吸达到了动态平衡，即果蔬消耗的O2与外界透过薄膜进入的O2的量是相等的，同理，CO2产生的量与渗透出去的相等。 1.4 三种测量方法分析
几种测量方法都存在一定局限性。密闭系统法中，氧气的消耗和二氧化碳的累积会影响果蔬呼吸速率。流动系统法需要测量进、出口气体微小差别，对仪器的精度提出很高的要求[7]。渗透系统法影响呼吸速率的因素太多（薄膜表面积、膜的厚度、膜的材料等），达到动态平衡的时间长，且不能反映出非稳态时气调包装果蔬的呼吸速率。综合分析三种测量方法的优缺点后，本实验选用相对方便且效果较稳定的密闭系统法，并结合测量仪器对密闭系统及气体循环回路进行改造，减小误差，实现连续测量。
2 材料与方法
2.1 仪器与原料
实验主要仪器包括美国摩康公司（MOCON）出品的CheckMate 3顶空气体分析仪和苏州乐扣日用品有限公司出品的PP保鲜盒。
首先將PP保鲜盒顶盖上开出两个圆形孔洞，孔上粘贴密封胶垫。其中一孔刺入气体分析仪探针，可以使用胶带固定探针，使探针保持垂直状态。使用软管将另外一孔与气体分析仪后面的小孔连接，这样就构成了气体循环回路，测量过的部分气体通过软管回到保鲜盒，减少气体损耗，提高测量精度。将气体分析仪设置成一定间隔时间自动测量，即可实现密闭容器内气体含量的连续测量。改造后的测量系统如图1所示。
实验使用的主要材料包括草莓、香蕉、圣女果，定点购于附近农贸市场，挑选形状、颜色、成熟度一致的果实进行实验。
2.2 试验方法
打开气体分析仪，预热10分钟。将待测的水果称重后放入保鲜盒内，扣紧盒盖，使用前面组装好的密闭测量系统，采用间歇式自动测量模式，直到CO2或O2的体积分数连续几次不再发生明显变化。一种水果的测试一般要一周左右，最后分别得到三种水果的CO2和O2的体积分数数据，使用公式（1）和（2）得出呼吸速率数值。
3 结果与分析
3.1 气体浓度的变化
图2和图3分别展示了三种果蔬在20℃条件下氧气和二氧化碳浓度的变化。
由图2、图3可知，随着贮藏时间的延长，保鲜盒内的气体组分发生了显著变化，氧气浓度逐渐减少，二氧化碳浓度逐渐增加。变化过程分为两个阶段，第一阶段氧气下降和二氧化碳浓度上升呈直线，呼吸速率较为稳定，有氧呼吸占主导。第二阶段氧气下降和二氧化碳浓度上升趋于平缓，香蕉的氧气下降到零点，这部分无氧呼吸占主导，且呼吸速率低于有氧呼吸过程[8]。
香蕉的气体组分变化最快，在贮藏40h后，氧气浓度接近于0%，在贮藏60h后，二氧化碳浓度达到 17.9%；圣女果的气体组分变化较平稳，在贮藏120h后，氧气、二氧化碳浓度分别约为9.51%和9.80%。草莓在实验过程中氧气下降和二氧化碳浓度上升均呈直线，说明其呼吸速率稳定，未出现第二阶段是因为草莓比其他两种果蔬更容易腐败，在70h后出现发霉现象，提前终止实验。
3.2 呼吸速率的变化
对三种果蔬气体组分测量后，用公式（1）和（2）进行呼吸速率的计算，得到20℃条件下三种果蔬呼吸速率的变化，结果如图4和图5所示。
随着贮藏时间的延长，香蕉的O2消耗速率和CO2生成速率都在快速下降，随后逐渐减缓；而圣女果的O2消耗速率和CO2生成速率有轻微减缓趋势。这主要是由于在保鲜盒中，环境密闭，果蔬的呼吸作用消耗盒内的O2，产生CO2。研究表明大多数果蔬的呼吸作用会随着环境中氧气浓度的下降而减弱，低氧高二氧化碳的气体环境会对果蔬的呼吸起抑制作用[9]，这也是气调包装保鲜的依据。随着贮藏时间的延长，香蕉和圣女果的呼吸速率逐渐降低，这说明呼吸作用受到了有效的抑制。而草莓属于非呼吸跃变型果蔬[10]，没有呼吸高峰，呈现出稳定的呼吸速率。
4 结论
在密闭环境中，随着贮藏时间的增加，保鲜盒内的氧气浓度降低，二氧化碳浓度增加；香蕉和圣女果的呼吸速率随贮藏时间延长逐渐减缓，其中香蕉的呼吸速率减缓较为明显，最终趋于平衡，圣女果的呼吸速率仅有轻微变化。对比可以看出香蕉更适合使用气调包装进行保鲜，而草莓的呼吸平缓，呼吸速率受环境中氧气和二氧化碳浓度变化影响很小，通过气调进行保鲜的难度较大。
参考文献：
[1] 王静宇，赵薇，马孟雨等.草莓采后生理变化及其保鲜技术研究进展[J].安徽农业科学，2021，49（06）：39-42.
[2] 潘松年.包装工艺学[M].北京：文化发展出版社，2011，100.
[3] 张长峰.MA包装中薄膜透气性与香蕉呼吸强度的测算[D].广州：华南农业大学，2002.
[4] 李继兰，宋建新，贾晓昱等.不同保鲜膜气调保鲜技术对圣女果贮藏品质的影响[J].中国果菜，2020，40（06）：35-40.
[5] 朱孝扬，李雪萍，单伟等.香蕉贮运保鲜技术研究进展[J].热带作物学报，2020，41（10）：2013-2021.
[6] 王羽.适用于圣女果的自发气调保鲜膜制备及保鲜效果的研究[D].内蒙古农业大学，2016.
[7] Phuc L. Ho， Dinh T. Tran， Maarten L.A.T.M. Hertog， Modelling respiration rate of dragon fruit as a function of gas composition and temperatures[J]. Scientia Horticulturae，2020，263：1-10.
[8] 沈莲清，黄光荣，沈报恩.果蔬呼吸反应动力学研究进展及其在MAP保鲜中的应用[J].浙江大学学报，2005，31（6）：671-676.
[9] Talasila P.C， Cameron A C， Prediction equations for gasses in flexible modified atmosphere packaging of respiring produce are different than hose for rigid packages[J]. Journal of Food Seience，1997，62（5）：926-930.
[10] 刘晓辉，杨明，华一帆.不同类型水果保鲜基础研究[J].佛山科学技术学院学报（自然科学版），2010，28（03）：52-54.
关键词：果蔬；气调保鲜；密闭系统法；呼吸速率
中图分类号：TB48；TS255.3 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 08-0029-04
基金项目：河南省重点研发与推广专项（果蔬采后呼吸速率和自发气调包装关键技术的研究212102110195）
Methods For Measuring Respiratory Rate of Three Kinds of Fruits and Vegetables
ZHANG Yan， ZHANG Hai-yan， GUAN Jing， TIAN Jun-shuai（College of Packaging and Printing Engineering， Henan University of Animal Husbandry Economics 450046， China）
Abstract： Taking strawberry， banana and cherry tomato as the objects of study， this paper remakes the measurement conditions of closed system method， observes the gas changes in a closed environment having these three objects at 20℃， calculates and compares the respiratory rates of them. The results show that： the transformed closed system is suitable for continuous measurement of change in gas concentration. With the increase of storage time， the oxygen concentration in the closed vessel decreases while the carbon dioxide concentration increases. The respiratory rates of banana and cheery tomato slow down gradually， of which the respiratory rate of banana changes from high to low with a large change， the respiratory rate of cherry tomato changes slightly and the respiratory rate of strawberry is gentle. This study provides reference method and experimental data for the further development of fruit and vegetable packaging.
Key words： fruits and vegetables； controlled atmosphere preservation； closed system method； respiratory rate
近年來果蔬业规模增大，但采后损失却非常严重，据统计，我国果蔬储运损耗高达30%[1]，已经成为制约果蔬业健康发展的瓶颈。气调包装可以有效延长果蔬保鲜期，它是通过改变包装内的气氛，使果蔬处在与空气组成不同的气氛环境中而延长储存期的一种保鲜技术[2]。通过低温下的气调保鲜技术，果蔬损耗率可降到5%以内。储存过程中气体氛围的调控是关键，而气体氛围与果蔬的呼吸速率密切相关。本文以人们日常喜爱的草莓、香蕉和圣女果为研究对象，改造密闭系统法呼吸速率测试条件，对比分析三种不同种类的果蔬呼吸速率的规律，为果蔬气调包装的研究提供可以借鉴的方法和实验数据。
1 呼吸速率的测量方法
呼吸速率即一定温度下单位时间单位质量的活细胞（组织）产生CO2或消耗O2的量。呼吸速率的表示方法一般采用O2消耗率或CO2生成率。测量呼吸速率的方法分为密闭系统法、流动系统法和渗透系统法[3]。
1.1 密闭系统法
密闭系统法是将果蔬放入可开闭的密闭容器中，在恒定温度下密闭一段时间后，根据容器中O2或CO2体积分数（浓度）的变化来计算呼吸速率[4]。
1.2 流动系统法
流动系统法就是让拥有恒定流速的已知比例的气体通过装有果蔬的容器，由于流速的作用，会将容器内的CO2和O2带出，经过测量流动气体进、出口气流中O2和CO2体积分数的差异，就可计算出呼吸速率[5]。
1.3 渗透系统法
渗透系统法就是用已知气体透过率的薄膜将果蔬包装起来，然后不断的测量包装内部O2和CO2含量的变化，用外界O2透过薄膜进入包装内部或CO2透过薄膜进入外界环境的量来计算呼吸速率[6]。渗透系统法的采用是基于果蔬的呼吸达到了动态平衡，即果蔬消耗的O2与外界透过薄膜进入的O2的量是相等的，同理，CO2产生的量与渗透出去的相等。 1.4 三种测量方法分析
几种测量方法都存在一定局限性。密闭系统法中，氧气的消耗和二氧化碳的累积会影响果蔬呼吸速率。流动系统法需要测量进、出口气体微小差别，对仪器的精度提出很高的要求[7]。渗透系统法影响呼吸速率的因素太多（薄膜表面积、膜的厚度、膜的材料等），达到动态平衡的时间长，且不能反映出非稳态时气调包装果蔬的呼吸速率。综合分析三种测量方法的优缺点后，本实验选用相对方便且效果较稳定的密闭系统法，并结合测量仪器对密闭系统及气体循环回路进行改造，减小误差，实现连续测量。
2 材料与方法
2.1 仪器与原料
实验主要仪器包括美国摩康公司（MOCON）出品的CheckMate 3顶空气体分析仪和苏州乐扣日用品有限公司出品的PP保鲜盒。
首先將PP保鲜盒顶盖上开出两个圆形孔洞，孔上粘贴密封胶垫。其中一孔刺入气体分析仪探针，可以使用胶带固定探针，使探针保持垂直状态。使用软管将另外一孔与气体分析仪后面的小孔连接，这样就构成了气体循环回路，测量过的部分气体通过软管回到保鲜盒，减少气体损耗，提高测量精度。将气体分析仪设置成一定间隔时间自动测量，即可实现密闭容器内气体含量的连续测量。改造后的测量系统如图1所示。
实验使用的主要材料包括草莓、香蕉、圣女果，定点购于附近农贸市场，挑选形状、颜色、成熟度一致的果实进行实验。
2.2 试验方法
打开气体分析仪，预热10分钟。将待测的水果称重后放入保鲜盒内，扣紧盒盖，使用前面组装好的密闭测量系统，采用间歇式自动测量模式，直到CO2或O2的体积分数连续几次不再发生明显变化。一种水果的测试一般要一周左右，最后分别得到三种水果的CO2和O2的体积分数数据，使用公式（1）和（2）得出呼吸速率数值。
3 结果与分析
3.1 气体浓度的变化
图2和图3分别展示了三种果蔬在20℃条件下氧气和二氧化碳浓度的变化。
由图2、图3可知，随着贮藏时间的延长，保鲜盒内的气体组分发生了显著变化，氧气浓度逐渐减少，二氧化碳浓度逐渐增加。变化过程分为两个阶段，第一阶段氧气下降和二氧化碳浓度上升呈直线，呼吸速率较为稳定，有氧呼吸占主导。第二阶段氧气下降和二氧化碳浓度上升趋于平缓，香蕉的氧气下降到零点，这部分无氧呼吸占主导，且呼吸速率低于有氧呼吸过程[8]。
香蕉的气体组分变化最快，在贮藏40h后，氧气浓度接近于0%，在贮藏60h后，二氧化碳浓度达到 17.9%；圣女果的气体组分变化较平稳，在贮藏120h后，氧气、二氧化碳浓度分别约为9.51%和9.80%。草莓在实验过程中氧气下降和二氧化碳浓度上升均呈直线，说明其呼吸速率稳定，未出现第二阶段是因为草莓比其他两种果蔬更容易腐败，在70h后出现发霉现象，提前终止实验。
3.2 呼吸速率的变化
对三种果蔬气体组分测量后，用公式（1）和（2）进行呼吸速率的计算，得到20℃条件下三种果蔬呼吸速率的变化，结果如图4和图5所示。
随着贮藏时间的延长，香蕉的O2消耗速率和CO2生成速率都在快速下降，随后逐渐减缓；而圣女果的O2消耗速率和CO2生成速率有轻微减缓趋势。这主要是由于在保鲜盒中，环境密闭，果蔬的呼吸作用消耗盒内的O2，产生CO2。研究表明大多数果蔬的呼吸作用会随着环境中氧气浓度的下降而减弱，低氧高二氧化碳的气体环境会对果蔬的呼吸起抑制作用[9]，这也是气调包装保鲜的依据。随着贮藏时间的延长，香蕉和圣女果的呼吸速率逐渐降低，这说明呼吸作用受到了有效的抑制。而草莓属于非呼吸跃变型果蔬[10]，没有呼吸高峰，呈现出稳定的呼吸速率。
4 结论
在密闭环境中，随着贮藏时间的增加，保鲜盒内的氧气浓度降低，二氧化碳浓度增加；香蕉和圣女果的呼吸速率随贮藏时间延长逐渐减缓，其中香蕉的呼吸速率减缓较为明显，最终趋于平衡，圣女果的呼吸速率仅有轻微变化。对比可以看出香蕉更适合使用气调包装进行保鲜，而草莓的呼吸平缓，呼吸速率受环境中氧气和二氧化碳浓度变化影响很小，通过气调进行保鲜的难度较大。
参考文献：
[1] 王静宇，赵薇，马孟雨等.草莓采后生理变化及其保鲜技术研究进展[J].安徽农业科学，2021，49（06）：39-42.
[2] 潘松年.包装工艺学[M].北京：文化发展出版社，2011，100.
[3] 张长峰.MA包装中薄膜透气性与香蕉呼吸强度的测算[D].广州：华南农业大学，2002.
[4] 李继兰，宋建新，贾晓昱等.不同保鲜膜气调保鲜技术对圣女果贮藏品质的影响[J].中国果菜，2020，40（06）：35-40.
[5] 朱孝扬，李雪萍，单伟等.香蕉贮运保鲜技术研究进展[J].热带作物学报，2020，41（10）：2013-2021.
[6] 王羽.适用于圣女果的自发气调保鲜膜制备及保鲜效果的研究[D].内蒙古农业大学，2016.
[7] Phuc L. Ho， Dinh T. Tran， Maarten L.A.T.M. Hertog， Modelling respiration rate of dragon fruit as a function of gas composition and temperatures[J]. Scientia Horticulturae，2020，263：1-10.
[8] 沈莲清，黄光荣，沈报恩.果蔬呼吸反应动力学研究进展及其在MAP保鲜中的应用[J].浙江大学学报，2005，31（6）：671-676.
[9] Talasila P.C， Cameron A C， Prediction equations for gasses in flexible modified atmosphere packaging of respiring produce are different than hose for rigid packages[J]. Journal of Food Seience，1997，62（5）：926-930.
[10] 刘晓辉，杨明，华一帆.不同类型水果保鲜基础研究[J].佛山科学技术学院学报（自然科学版），2010，28（03）：52-54.