基于智能甘薯贮藏库的臭氧杀菌技术方案设计与实现

张子琪 张娜 倪晓雪 齐成林

摘要    本文以现有甘薯贮藏库为基础，从甘薯表面细菌控制的角度考虑，对现有甘薯库进行升级改造，即选用臭氧杀菌技术，并进行管路改造。升级后的甘薯库在控制贮藏环境的基础上，有效抑制了甘薯腐烂病菌，更有利于甘薯的贮藏。

关键词    甘薯储藏;臭氧;杀菌;管路改造

中图分类号    S531        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）14-0143-02

Abstract    Based on the existing sweet potato storehouse， the existing sweet potato storehouse was upgraded from the perspective of bacteria control on the surface of sweet potato in this paper， including slecting the ozone sterilization technology and carrying out the pipeline reconstruction. On the basis of controlling the storage environment， the upgraded sweet potato storehouse effectively inhibited the sweet potato rot pathogens， which was more conducive to the storage of sweet potato.

Key words    sweet potato storage; ozone; sterilization; pipeline reconstruction

甘薯是一种高产且适应性强的粮食作物，块根除可作主粮外，也是食品加工、淀粉和酒精制造工业的重要原料，根、茎、叶又是优良的饲料。甘薯是我国主要粮食作物之一，我国甘薯年产量已经超过1亿t。北京地区甘薯每年10月为收获高峰期，甘薯在当年10月至次年3月需求量较大，时间跨度大，甘薯出土后需要长期保存以保证充足的供应量，因而甘薯的贮藏方式是决定甘薯种植收益的重要因素之一。

甘薯贮存方法有很多，主要有室内囤藏法、棚窖贮藏法、井窖贮藏法、保鲜冷库贮藏等。红薯贮藏温度最佳为10～14 ℃，温度过低会遭受冷害，使薯块内部变黑，后期极易腐烂[1-2]。温度过高，则薯芽开始萌动，易造成糠心、出芽、腐烂等现象。甘薯最佳贮存湿度为80%～90%，湿度过大会导致病害发生，湿度过小导致甘薯失水，重量降低，口感老涩。同时空气含氧量不得低于4.5%，否则易导致薯块缺氧无法呼吸。

甘薯贮藏方式不当或贮藏期间缺乏管理等问题，易导致大量甘薯腐坏，带来巨大的经济损失。因此，智能甘薯库的研发有利于甘薯贮藏工作的开展，可以科学并精准地控制甘薯贮藏环境，节约人力成本。关于臭氧在果蔬表面杀菌的研究已有许多文献报道，并且技术较为成熟[3-4]。本文主要研究臭氧对甘薯表面杀菌时的浓度、时间以及甘薯库相应管路改造。改造后的甘薯库能够延长甘薯贮藏时间，减少腐坏率，实现减少损失、提高甘薯经济收益的目的。

1    甘薯贮藏库与杀菌技术概述

原甘薯库的库体采用聚氨酯作為冷库板的内心材料，冷库板的外部由SII、PVC彩钢板和不锈钢板组成。通风换气设备采用双流向新风换气系统，确保库内氧含量。每个薯库都设置1个进风口和1个出风口，出风管道内风机为外转子轴流风机，通过通风管路的进风排风控制冷空气流动实现制冷和通风换气，形成冷空气在库体内部的循环，从而达到薯堆内部降温除湿的效果。库内配备温湿度传感器、二氧化碳传感器，实时监测环境数据，从而通过控制硬件设备开关实现智能调控甘薯贮藏环境[5-6]。制冷设备采用空调制冷，当空调温度设定到最低温度16 ℃时，空调口温度一般在10 ℃左右，利用出风管道内的风机将高处的冷空气吸进管道，使冷空气均匀流过薯堆内部，并最终经通风系统的出风口排出库外。甘薯库立体结构效果如图1所示。

原甘薯库的设计主要是监测和控制环境因素，在甘薯贮藏过程中始终提供适宜的温度、湿度、氧气等因素，为甘薯贮藏提供了良好的环境，但是在甘薯出土入库后并未对甘薯本身进行任何杀菌处理。甘薯的块根是贮藏养分的器官，也是供食用的部分，分布在5～25 cm深的土层中，在生长过程中，长期被土壤包裹，以致甘薯表面带有多种细菌。甘薯出土后未进行杀菌处理，入库后细菌保持活性，不利于甘薯贮藏。原甘薯库可以有效抑制细菌生长速度，但是并不能杀除细菌，长时间贮藏后，甘薯表面细菌大量繁殖，易生病腐烂。因此，考虑对甘薯库进行优化，将甘薯表面杀菌技术与原甘薯库相结合，控制甘薯发病源头，更加有效地延长甘薯贮藏时间。

现有的杀菌技术主要有紫外线杀菌技术、臭氧杀菌技术、电子射线杀菌技术、磁力杀菌技术、辐射灭菌技术等。紫外线杀菌技术辐射距离为1.5 m左右，需直接照射才能起到杀菌作用，对于甘薯密集堆积的库体不适用。电子射线技术杀菌温度为90 ℃左右，不适于甘薯杀菌。磁力杀菌技术相关文献与成品设备较少，无法用于甘薯库改建。辐射灭菌技术对库体要求较高，库体材质需为阻隔辐射材料，不适用于本库体。臭氧以氧原子的氧化作用破坏微生物膜的结构实现杀菌作用[7]。臭氧对细菌的灭活反应非常迅速并且臭氧杀菌技术较成熟，已经广泛应用于果蔬表面杀菌。臭氧的半衰期为20～50 min，最终分解物为氧气，对食品不会有残留污染。因此，对于现有甘薯库，最适合做甘薯表面杀菌处理的是臭氧杀菌技术。

2    臭氧杀菌技术

在实际应用甘薯表面杀菌技术时，需确定实际应用时适用于甘薯表面杀菌的浓度与处理时间。查阅文献可知，臭氧对甘薯表面杀菌效果在30 min时最弱，30 min前呈逐步下降趋势，30 min后呈逐步上升趋势。维持80 mg/m3的浓度处理40 min，在起到杀菌作用的同时基本不破坏甘薯的营养成分。80 mg/m3的浓度处理60 min，能够完全杀灭细菌。为验证上述问题，设计臭氧对甘薯表面杀菌效果试验。以80 mg/m3、处理60 min为参考，设计臭氧试验浓度为50、60、70、80、90、100 mg/m3，处理时间为0、20、40、60、80、100 min。每组试验选择大小不一的10个甘薯进行臭氧杀菌处理，另外选取未经任何处理的10个甘薯作为对照组（CK）。每组经臭氧杀菌后取其中2个切片作为样本进行病菌培养，对照组取2个甘薯切片进行细菌培养，培养时间为1周。其余甘薯做标记，留作后续观察。试验甘薯细菌培养结果如表1所示。

可知，臭氧浓度为50 mg/m3时，处理60 min效果最佳，菌落直径增长0.5 cm。臭氧浓度为60 mg/m3时，处理60 min效果最佳，菌落直径增长0.5 cm。臭氧浓度为70 mg/m3时，处理20 min效果最佳，菌落直径增长0.4 cm。臭氧浓度为80 mg/m3时，处理40 min效果最佳，菌落直径增长0.2 cm。臭氧浓度为90 mg/m3时，处理60～100 min效果相似，菌落直径均增长0.4 cm。臭氧浓度为100 mg/m3时，处理40 min效果最佳，菌落直径增长0.4 cm。结果表明，50～100 mg/m3浓度的臭氧对甘薯都有一定的抑菌效果，且随着浓度增大，抑菌效果越好。

选择适宜的臭氧杀菌处理浓度与时间时，考虑3个方面因素。一是臭氧对甘薯营养成分的破坏程度随浓度与处理时间的增加而加重。二是参考文献表明，80 mg/m3浓度处理40 min效果较好。三是在本次试验数据中，浓度为90 mg/m3和100 mg/m3时处理效果较好，二者效果差别不大。臭氧浓度为90 mg/m3，处理时间为60 min时杀菌效果较好，并且60 min后随时间增加效果基本相同（表2）。因此，选定的适宜参数为臭氧浓度90 mg/m3、处理时间60 min。

3    臭氧发生器选型

臭氧发生器的型号选择需考虑多种因素。首先，因甘薯杀菌处理所需臭氧浓度较高，所以要求设备能够提供所需臭氧浓度。其次，臭氧本身不稳定，极易分解，在选择臭氧发生器时应充分考虑臭氧分解速率的问题。最后，在对甘薯杀菌时，臭氧浓度随时间逐渐升高，需要一段时间才能达到所需杀菌浓度[8]。因此，缩短杀菌时间就需要选择性能高的臭氧发生器，投入成本较大。然而杀菌速度过慢会浪费大量时间。

因此，根据臭氧发生器运行1 h达到臭氧浓度≥90 mg/m3来选择设备。计算公式如下：

W=C×V/（1-S）

式中，W表示臭氧产量，C表示臭氧杀菌所需浓度，V表示杀菌空间的体积，S为臭氧的自然半衰期，1 h衰退率约为62.25%。现有甘薯库体积为27 m3，臭氧浓度为90 mg/m3。经计算，W=6.4 g/h。因此，选择1 h至少产生6.4 g臭氧的臭氧发生器。

4    配合臭氧杀菌技术的管路改造方案

臭氧属于有害气体，浓度为0.3 mg/m3时，对眼、鼻、喉有刺激的感觉;浓度为3～30 mg/m3时，出现头疼及呼吸器官局部麻痹等症状。因此，在甘薯库改造时应将臭氧发生器放置于库体外部，通过管路将产生的臭氧气体通入库内进行杀菌。因为臭氧杀菌需持续一段时间，所以将臭氧管路改造为库内气体循环模式。甘薯库管路改造方案如图2所示。

4.1    臭氧管路设计

因为臭氧的密度大于氧气的密度，所以考虑将臭氧气体接入管路放置于库体上方。臭氧因密度大会自主下沉，配合（下转第146页）

通风管路的风机抽风可以更好地使臭氧均匀通过薯堆。库体内臭氧管路设计打7个臭氧出气孔洞，因压强随气体量减少而降低，因而在设计时第1个出气孔洞至最后1个出气孔洞的直径呈线性增大。

4.2    通风管路改造

在原有管路基础上增加1个三通，三通上方出口连接管路直接通入库体内部。需要为库体通风、降温、除湿时，关闭阀门1，打开阀门2，实现气体外循环。需要对甘薯进行杀菌处理时，关闭阀门2，打开阀门1，实现气体内循环[9-10]。

5    研究遇到的问题及未来研究方向

首先，甘薯杀菌试验验证了杀菌浓度、时间对细菌生长的影响，但本次试验并未验证臭氧对甘薯营养成分造成的影响。臭氧对甘薯的营养成分破坏程度是选择适宜臭氧杀菌浓度、时间的标准之一。本次试验不够全面，选择的结果有一定的局限性[11-12]。今后可进行臭氧杀菌的不同浓度与时间对甘薯的糖分、維生素、淀粉等成分影响的试验，综合分析臭氧杀菌的最适宜参数。其次，本甘薯库设计改造方案不适用于甘薯堆积过于密集或甘薯堆积高度过高的库体。在实际生活中，为了节约空间，常常会在库内大量堆积甘薯，堆积密度大、过高的情况经常发生。今后，笔者需对设计方案进行优化，以适应实际状况，有利于技术推广工作的展开[13-15]。

6    参考文献

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