果蔬导热系数的实验研究.pdf

eEJun.2023Journal oflScienceormalatuira2023年6 月Vol.36 No.2海南师范大学学报（自然科学版）第36 卷第2 期Doi:10.12051/j.issn.1674-4942.2023.02.015果蔬导热系数的实验研究张哲*，解传有，张治权，法静秀，李昌宁，计宏伟，田津津，许世龙（天津商业大学机械工程学院/天津市制冷技术重点实验室，天津300314)摘要：利用HotDisk测定了9种不同种类果蔬在不同低温条件下的导热系数，分析不同可溶性固形物(SSC)含量、含水率（MC)以及不同温度条件对果蔬导热系数的影响。研究发现，在不同温度条件下果蔬的导热系数呈现先下降后上升的趋势；SSC含量越高，导热系数越小，而MC含量越高，导热系数越大。通过研究不同影响因素对果蔬导热系数的影响，可以优化果蔬保鲜过程中的热管理，为成熟果蔬的储存和运输提供理论支撑。关键词：导热系数；温度；可溶性固形物；含水率中图分类号：TS255.3文献标志码：A文章编号：16 7 4-4942(2 0 2 3)0 2-0 2 12-0 5xperimental Studof Fruit and VegetablermaonductiifZHANG Zhe,XIEChuanyou,ZHANG Zhiquan,FA Jingxiu,LI Changning,JI Hongwei,TIAN Jinjin,XU Shilong(Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology,Institute of Mechanical Engineering,Tianjin University ofCommerce,Tianjin 300134,China)Abstract:Hot Disk was used to measure the thermal conductivity of 9 kinds of fruits and vegetables under different low-temperature conditions,and the influences of different soluble solid content(SSC),moisture conten(MC),and different tem-perature conditions on the thermal conductivity of fruits and vegetables were analyzed.The results showed that the thermalconductivity of fruits and vegetables decreased first and then increased under different temperature conditions.The higherthe SSC content,the lower the thermal conductivity,while the higher the MC,the higher the thermal conductivity.By study-ing the influence of different factors on the thermal conductivity of fruits and vegetables,the thermal management in the pro-cess of fruit and vegetable preservation can be optimized and the theoretical support can be provided for the storage andtransportation of mature fruits and vegetables.Keywords:thermal conductivity;temperature;soluble solid content;moisture content果蔬中含有丰富的营养元素，有助于提高人体免疫力11-2 1,因此日摄人果蔬量成为WTO衡量居民健康水平的重要指标3)。果蔬产业也逐步成为我国农村经济发展的主导产业1。然而，我国健全的果蔬采后冷链尚未形成，每年贮存及运输过程中造成的经济损失约占行业总损失的30%5-6 。基于此，利用先进的技术，尽可能长时间地保持果蔬品质和特性已经成为食品冷藏领域中一项重点课题，其中导热系数是有助于提高果蔬保鲜水平的重要参数。测量导热系数的方法包括稳态法和瞬态法17。稳态法是根据材料内部温度分布再结合傅里叶定律变换的原理以计算出导热系数的大小。常用的稳态导热系数测量方法有3种：热流计法、防护热流计法、防护热板收稿日期:2 0 2 3-0 3-15基金项目：国家自然科学基金项目（12 17 2 2 54)；天津市自然科学基金项目（2 1YDTPJC00300），天津市研究生科研创新项目（2 0 2 2 SKY327)*通信作者：张哲（197 5一），天津人，教授，研究方向为食品冷链。Email：z h a n g z h e t j c u.e d u.c n213第2 期张哲，等：果蔬导热系数的实验研究法18-)。瞬态法是根据材料表面温度变化、热扩散系数、导热系数三者之间的关系，通过测量材料表面温度变化计算求得样品的导热系数()。Lisowa等研究了温度、含水率(MC)和孔隙率对果蔬导热系数的影响。Sweat等通过实验测试发现了可溶性固形物(SSC)对果蔬导热系数的影响 2 1,但实验时间较早，预测模型覆盖面较小，存在参考值偏差明显等问题。又由于果蔬材料的特性,所以本次实验采用实际测量的方法来获得其导热系数5。本文实验共选择了9种已达到成熟期且外表没有任何机械损伤的果蔬，并利用HotDisk热常数分析仪测量9种果蔬在-50 2 0 温度变化范围内的导热系数，讨论导热系数随温度的变化关系。对同种果蔬不同含水率（MC）、不同可溶性固形物（SSC)含量用HotDisk对其导热系数进行测定，分析MC以及SSC含量对其导热系数的影响1材料与方法1.1材料将选取9种具有代表性的果蔬（红富士苹果、黄瓜、胡萝卜、皇冠梨、西洲蜜瓜、茄子、紫薯、土豆、冬瓜)作为本次实验的材料，且都为当季新鲜果实。果蔬都为成熟期且果蔬表面没有任何机械损坏，于采购当天进行实验1.2实验设备实验中测量的热物性参数为导热系数，由HotDisk法测量求得。大量研究人员根据测试的不同要求，陆续研发各种板块，使得HotDisk法在各类任何状态材料的导热系数测量中都能很好地进行应用3,其次利用HotDisk法测导热系数可以大幅度减弱对流换热对测量的影响14。HotDisk的探头是由镍制作而成，它属于双螺旋结构的一类传感器15。其原理是将一个可同时作为加热源和温度传感器的HotDisk探头固定在两块固体样品之间，在试样和探头温度恒定后，根据温度变化曲线即可计算出被测样品的热物性参数6 。优势如下17)：（1)直接测量瞬态热传递，测试时间从几秒到几分钟不等，可以节省大量时间；（2)同静态法相比，接触热阻对它不会造成干扰；（3)优异的机械强度使它在测试过程中很难轻易地损坏；（4)不需要样品做特别的制备，只需样品表面相对地平整；（5要测试的样品的长度和宽度不小于探针直径的两倍，并且厚度须大于探针的半径。1.3实验方法选取成熟且表面无任何机械损坏的果蔬，洗净放置于室内2 4h，使其内部达到温度均匀，将所测果蔬切成不小于2.5cm的切片，放人恒温恒湿箱的内部。实验前，打开HotDisk提前进行预热，将果蔬制作成大小分别为2、2、1.5cm的长方块，再将其切成大小相同的2 个长方体。把探头固定在样品架上，将果蔬分别放于探头的两侧，然后用自带的夹具进行稳固，果蔬需要紧紧地贴于探头两侧。设置HotDisk的软件实验参数，开始进行实验，实验结束，对数据进行分析。实验选取半径为3.18 9mm的546 5型探头。实验设定的温度为-50 2 0。中间每隔10 测一次数据，由于-10 到0 会出现果蔬的冻结点，所以这中间间隔变为5,为了试验结果的准确性，每个温度都测量3次果蔬的导热系数，最终取3次的平均值作为结果。实验共测量了9种果蔬的导热系数，每种果蔬的实验间隔0.5h。2结果与分析2.1温度对果蔬导热系数的影响在食品科学研究中，导热系数是一个重要的热物理参数,在果蔬的热物性中占据关键地位。导热系数的变化受到多种因素的影响，包括果蔬的形状、结构、组成成分以及果实的均匀性等。文献中显示果蔬的导热系数主要与温度变化、其自身SSC含量以及MC有关。低温有利于果蔬储存，而温度过高时会对果蔬造成热损伤18-19,目前对果蔬导热系数的研究都比较粗略，且多集中于0 以上导热系数的测定。本实验测试了9种不同种类果蔬在-50、-40、-30、-2 0、-10、-5、0、10、2 0 时的导热系数，针对导热系数随温度的变化进行了具体的分析，并对同种果蔬不同温度时的导热系数进行了相关性分析。2142023年海南师范然科学版）图1-A表示出了红富士苹果、皇冠梨和西洲蜜瓜3种水果导热系数在不同温度下的变化。如图1-A所示,三者都呈现先下降后上升的变化趋势，且都在-10 到0 之间有较明显的变化,三者下降的峰形也基本相同,这是因为水和冰在冻结点的转化而造成的结果。水的导热系数随温度降低而减小；但当水变成冰之后，冰的导热系数远远超过了水,其导热系数却随温度的降低而变大。同时食品的孔隙率也是影响食品导热系数的又一主要因素,冻结过程可能会很大程度上改变食品的孔隙率。所以3种水果冻结后导热系数会有明显的改变。实验还发现由于皇冠梨和西洲蜜瓜的MC相近，变化结果趋于一致，红富士苹果由于MC相对较小，导热系数对温度的反应相对迟缓，整体数值也较其他2 种偏低。皇冠梨导热系数从0.52 0 W/mK变化到了2.10 5W/mK，西洲蜜瓜从0.548 W/mK增加至2.347 W/mK，两者的增加率分别为7 5.3%和76.7%。而红富士苹果的导热系数增加率最小，为6 4.8%图1-B表示出了黄瓜、胡萝卜、茄子、紫薯、土豆、冬瓜6 种蔬菜导热系数在不同温度下的变化。如图1-B所示六者都呈现先下降后上升的变化趋势，且都在-10 到0 之间有明显的变化。这同样是由于水和冰在冻结点的转化而造成的结果,所以蔬菜的导热系数在冻结点以上时随温度的降低而下降,在冻结点以下，随温度的降低上升。同时也因为冻结之后的蔬菜孔隙率改变,所以导热系数变化明显。茄子的导热系数较其他5种蔬菜偏低是因为茄子的密度较小,而密度也是影响果蔬导热系数的一个重要因素。通过计算发现，在6 种蔬菜中,导热系数增加率最大的是胡萝卜，增加了7 8.2%，而增加最小的是黄瓜，增加了58.2%。A2.5B2.5红富士苹果皇冠梨下2.0(Y.U/M)/兰洋古西洲蜜瓜(Y.U/M)/兰洋吉2.01.51.5冬瓜1.01.00.50.50.00.060-50-40-30-20-100102030-60-50-40-30-20-10010 2030温度/温度/图13种水果和6 种蔬菜导热系数随温度的变化曲线Figure1Changes of thermal conductivity of 3 fruits and 6 vegetables in different temperature2.2SSC对果蔬导热系数的影响果蔬SSC的含量是果蔬中所有的糖类和可溶性成分的含量，可以通过测量果蔬的SSC含量来判断其是否成熟，以便于进行采摘食用2 0 。实验以处于各个时期的茄子和红富士苹果为果蔬代表，分别测量出它们的SSC含量以及在不同温度下的导热系数，通过实验结果分析SSC含量对果蔬导热系数的影响。不同成熟时期的红富士苹果SSC的含量也有差别。处于成熟期的苹果SSC含量相对最高，过于成熟时期次之，初果期的含量最低。这与还未成熟的苹果物质累积少，而消耗有机酸含量多有关，过于成熟期由于呼吸作用过于剧烈，所以SSC的含量又下降。图2-A显示的是3种不同时期SSC含量分别为10.2、12.4、13.5的红富士苹果在-50 到2 0 下导热系数的变化。从图2-A中可以看出，在同一温度下，随着苹果SSC含量的增加,其导热系数逐渐减小。对于MC相近的红富士苹果,SSC含量越少,其细胞内汁液的浓度就越低，导热系数也就越大。也就是说成熟时期苹果的导热系数最小，而初果期苹果的导热系数最大。3种时期苹果导热系数的变化率分别为6 3.9%、6 4.8%以及6 4.3%，整体的变化趋势比较平稳。不同成熟时期的茄子SSC的含量同样存在差别。处于成熟期的茄子SSC含量相对最高，过于成熟时期次之，成熟初期的含量最低。这与还未成熟的茄子物质累积少，淀粉水解不高有关，过于成熟期由于呼吸作用过于剧烈，所以SSC的含量又下降。图2-B显示的是3种不同时期SSC分别为3.2、3.7、4.2 的茄子在-50 到2 0 下导热系数的变化。从图中可以明显看到,在同一温度下，随着茄子SSC含量的增加，其导热系数逐渐减小。对于MC相近的茄子,SSC的含量越小,其细胞内汁液的浓度越低，导热系数也越大。3种时期茄子215第2 期张哲，等：果蔬导热系数的实验研究导热系数的变化率分别为6 7.9%、6 7.4%以及6 9.9%，整体的变化趋势比较平稳。A1.6BSSC:10.21.4SSC:3.7(Y.U/M)/深兰洋古凿森SSC:12.41.4SSC:4.3SSC:13.51.2SSC:3.21.21.01.00.80.80.60.60.40.40.2-60-50-40-30-20-10010203060-50-40-30-20-1001020 30温度/温度/图2不同SSC苹果和茄子导热系数随温度的变化曲线Figure 2Curves of thermal conductivity of apples and eggplants with different ssC with temperature2.3MC对果蔬导热系数的影响MC直接影响着果蔬内部生化反应，整个食品系统在冻结之前是由固体材料及水分组成，MC对果蔬导热系数有明显影响。实验前期，把新鲜的茄子以及红富士苹果放入烘干箱内，设置好烘干时间，然后再放人恒温恒湿箱进行平衡，以得到不同MC的茄子与苹果。实验设定的温度和时间如下：烘干箱温度设置为50，烘干时间分别为6 h和10 h，然后放入恒温恒湿箱里平衡1d，得到MC分别为6 2.13%和49.6 5%的茄子，新鲜茄子的MC为94.8 6%；同时得到MC分别为53.2 4%和2 8.39%的茄子，新鲜苹果的MC为8 6.57%。图3-A所示为3种不同MC红富士苹果导热系数随温度变化的关系图。可以看出，如果温度不变，红富士苹果的导热系数随着MC的降低而减小,这是因为水或冰的导热系数比苹果中其它成分（如维生素、纤维素等)的导热系数大,所以MC越小,苹果的导热系数也越小。同时也可以发现在同一水分含量下,苹果的导热系数在冻结点时出现了突然的变化，冻结点以上随着温度的升高而增大，而在冻结点以下,随着温度的升高而降低。3种MC的苹果导热系数变化率分别为6 4.8%、6 3.2%以及6 2.5%。图3-B所示为3种不同MC的茄子导热系数随温度变化的关系图。由图3-B可知，在同一温度下茄子的导热系数随着水分含量的增加而增大，这也是因为与茄子中其他成分相比,水的导热系数要更大，从而水分含量越大，茄子的导热系数也越大。3种MC的茄子导热系数变化率分别为6 7.9%、6 6.0%以及6 4.9%。A1.4B1.2MC:86.57%1.1MC:94.86%MC:53.24%(YU/M)/深当洋古凿李(y.U/M)/深兰洋吉士孚1.2MC:62.13%MC:28.39%1.0MC:49.65%0.91.00.80.80.70.60.60.50.40.40.3-60-50-40-30-20-100102030-60-50 40-30-20-100102030温度/温度/图3不同MC苹果和茄子导热系数随温度的变化曲线Figure3Curves of thermal conductivity of apples and eggplants with different MC with temperature3结论实验研究了不同种类果蔬的导热系数，通过上述的实验发现：(1)同种果蔬的导热系数在不同温度下并不相同，呈现出先下降后上升的变化趋势，,在-10 到02162023年海南师范大学学报（自然科学版）间有较明显的变化(2)同种果蔬，在相同的温度下,果蔬的SSC含量越高，其导热系数越小;随SSC含量增加，导热系数呈现出递减的趋势。(3)同种果蔬，在相同的温度下，果蔬的MC越高，导热系数越大；随MC的增加，导热系数呈递增趋势。参考文献：1叶兴乾，任艳明，陈健乐，等.果蔬营养新功能：益生元J.中国食品学报,2 0 2 1,2 1(6)1-10.2 MAINVIL L A,HORWATH C C,MCKENZIE J 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