去皮新鲜莲子的保鲜包装与呼吸速率研究

汪国超，徐伟民

(武汉工业学院机械工程学院湖北武汉430023)

新鲜莲子不仅口感甜嫩鲜美而且还具有较高的药用价值，中医认为，莲子有益心、补肾、健脾、止泻和安神之效，食用后可轻身益气，令人强健［1］。然而莲子的地域生长性很强，主要集中在江南地区，尤其是浙江、江西和湖北等地。莲子采摘后仍然是有生命的机体，并且细胞的有氧呼吸速率很快，大量消耗细胞中的糖分和水分。这也是莲子采摘后在常温下放置一段时间后没有新鲜莲子甜嫩可口的原因。莲子采摘季节在炎热的夏季，生理和代谢都处在较高的水平，耐储存性较差［2］，很大程度地影响了产品的货架期以及产品的长途运输。对浙江杭州和湖北武汉新鲜莲子市场调查发现，市场上新鲜莲子的货架期在3到5天，新鲜莲子的市场很难满足人们的需求。为了满足市场需求以及莲农利益的最大化，新鲜莲子的保鲜就显得特别重要。

1 材料和方法

1.1 实验材料和仪器

莲子:采摘于武汉鑫农湖公司莲子实验基地，采后置于冷库预冷12 h，手工去皮(不能伤及果肉)备用;包装袋:采用厚度为0.1 mm的PE/PA材料(复合尼龙)［3］，制成150 ×200(mm ×mm)包装袋;壳聚糖:粘度为 50.0 ～800.0 MPa·s，脱乙酰度≥90.0%，国药集团化学试剂有限公司;苯甲酸钠:食品级，天津市福晨化学试剂厂;柠檬酸钠:食品级，国药集团化学试剂有限公司;塑料薄膜封口机:温州市鼎立包装机械制造有限公司;O2/CO2体积分数测试仪:美国mocon公司顶空分析仪，BS224S电子天平。

1.2 试验方法

设置无保鲜剂处理的对照组Ⅰ、用2.5%的苯甲酸钠处理的试验组Ⅱ、用0.5%的壳聚糖处理的试验组Ⅲ以及用1.0%的柠檬酸钠处理的试验组Ⅳ。保鲜液浸泡后均自然风干，将处理的去皮新鲜莲子装入包装袋称重封口。为避免试验的偶然性，每组试验样品为5袋，每袋试样质量均为(60±4)g。在每袋包装袋上贴上有粘性的橡胶垫片(封闭针孔)，真空顶针仪针头插入垫片进入包装袋约0.5 cm即可，测量每袋样品中的氧气和二氧化碳体积分数的初始值，并且记录。每次测量尽量避免针头插入同一针孔，每隔2 h对试验样品进行测试，记录每袋试验样品中氧气和二氧化碳体积分数的变化。

1.3 实验数据

莲子的呼吸强度是其新陈代谢的重要度量。本文只给出16 h内各试验组包装袋中的氧气和二氧化碳体积分数对应时间的实测值，如表1、表2所示。

表1 包装内氧气的体积分数实测值 /%

表2 包装内二氧化碳的体积分数实测值 /%

2 果蔬呼吸数学模型的建立

2.1 果蔬呼吸模型的理论基础

根据果蔬的呼吸作用和薄膜透气特性的相互关系，果蔬在密闭包装薄膜内进行呼吸作用消耗氧气，释放二氧化碳，造成包装薄膜内部低氧气高二氧化碳浓度的环境。包装薄膜外的氧气渗透到包装薄膜内部，而包装薄膜内部的二氧化碳也会渗出到包装薄膜外部。当果蔬在单位时间内消耗的氧气和释放二氧化碳的量等于单位时间内渗透过包装薄膜的氧气和二氧化碳的量时，果蔬包装系统达到一个动态平衡，气体在均质膜的渗透符合菲克(Fick)定律。平衡式如下。

式(1)和式(2)分别是氧气平衡式和二氧化碳平衡式。

K1，K2:包装薄膜对氧气和二氧化碳的透气系数mL·m/(m2·h·Pa);A:包装薄膜的表面积 m2;δ:包装薄膜的厚度m;xO，xC:包装薄膜外氧气和二氧化碳的体积分数;yO，yC:包装薄膜内氧气和二氧化碳的体积分数;P，P1:包装薄膜外部和内部大气压，由于包装薄膜是柔性材料，可以认为薄膜内外大气压相等(P=P1=1.01 ×105 Pa);rO，rC:果蔬氧气的吸收速率和二氧化碳释放速率mL/(kg·h);W:果蔬质量kg。

2.2 包装袋内气体体积的瞬时变化量

由平衡式可以得到包装袋内任意时刻氧气和二氧化碳体积变化量:

d VO，d VC:某一时间间隔后氧气和二氧化碳体积变化量m3;d V某一时间间隔后表示总体积变化量;d t表示任意时刻，其他符号同前面一致［4］。

由式(3)和(4)可以得到任意时刻包装袋内氧气和二氧化碳体积分数:

3 去皮新鲜莲子呼吸模型的参数识别

由于果蔬的呼吸作用和气体透过包装薄膜，袋内各气体体积和总体积在变化，因此不能简单的用式(1)和式(2)来计算果蔬的呼吸作用非平衡状态，为了更好的反映果蔬在保鲜过程中呼吸速率的变化，需要引入新方法。假定某一时刻rO和rC的值，代入式(3)和式(4)，并且联立式(3)～(5)代入式(6)～(7)算出各气体体积分数的计算值。将计算值与实际测量值进行对比，求出两者之差的平方，重新设置假定值，利用最小二乘法反复迭代，使差值逐步减小，当差值达到最小值的时候，假定值即为果蔬的真实呼吸速率［5］。目标函数:

式中i=1表示氧气的理论计算值，i=2表示二氧化碳的理论计算值，j=1，…，n试验时间内的不同时间点;tyij表示氧气和二氧化碳的实测值。

本文采用最小二乘法对模型中参数进行优化识别。将已知参数W=6×10－2kg;A=6×10－2m2;xO=0.21;xC=0.03，P=P1=1.01 × 105Pa;δ=2 ×10－5m;K1=2.625 ×10－7［mL·m/(m2·h·Pa)］;K2=3.716 ×10－7［mL·m/(m2·h·Pa)］分别代入式(3)、式(4)求得莲子呼吸速率，如图1所示;代入式(6)、式(7)求得袋内氧气和二氧化碳体积分数值，如图2所示。

4 结果和讨论

4.1 氧气吸收速率和二氧化碳释放速率变化模拟

图1 氧气和二氧化碳呼吸速率实测值和计算值比较

图2 包装袋内O2和CO2体积分数实测值和预测值的比较

由表1和表2可知壳聚糖溶液能有效减弱莲子呼吸强度，本文只给出壳聚糖溶液处理的去皮莲子包装袋中氧气和二氧化碳变化模拟。由图1可知，模型中预测值与试验实测值比较接近。利用模型可以预测不同时间下氧气和二氧化碳的速率。

4.2 氧气和二氧化碳气体浓度变化模拟

本文给出壳聚糖溶液处理的试验组中氧气和二氧化碳浓度变化模拟，由图二可知模型中预测值与试验实测值比较吻合。利用模型可以预测不同时间下包装袋内氧气和二氧化碳的浓度。

5 结论

5.1 研究了三种保鲜剂在20℃时，对去皮新鲜莲子保鲜效果的试验，试验证明壳聚糖溶液对去皮新鲜莲子的保鲜有较好的保鲜效果，能有效抑制它的有氧呼吸速率，并且维持在一个较低的水平;苯甲酸钠溶液对其也有一定保鲜效果，但效果不明显;柠檬酸钠溶液对去皮新鲜莲子无保鲜效果。

5.2 呼吸模型能很好的预测莲子在不同时间内的呼吸速率，预测值与实测值基本吻合，模型中氧气和二氧化碳浓度的预测值与实测值也能较好的吻合。

［1］赵文亚.莲子的营养保健功能及开发利用［J］.食品工程，2007(3):37－39.

［2］吴少福，蒋艳，沈勇根，等.壳聚糖低温保鲜去壳青稞莲子的研究［J］.江西农业大学学报，2004，26(2):259 －262.

［3］郝玉龙，徐伟民.切片莲藕臭氧保鲜呼吸模型的研究［J］.农业工程学报，2009(10):324－327.

［4］田平海.黄桃冷藏气调小包装呼吸速率模型与品质变化实验研究［D］.上海，上海交通大学，2003.

［5］徐步前，余小林.薄膜包装中果蔬呼吸强度的测定［J］.农业工程学报，2000，16(5):110 －113.