用于黄金莓（Physalis peruviana L.）采后保鲜的UV-C处理系统工程设计与性能评价：处理腔配置对真菌控制与品质保持的影响

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Engineering Design and Performance Evaluation of a UV-C Treatment System for Postharvest Preservation of Goldenberries (Physalis peruviana L.)

　　

黄金莓（Physalis peruviana L.）是一种商业需求日益增长的高值安第斯水果；然而，其高易腐性限制了采后处理与分销。紫外-C（UV-C）辐照已成为新鲜农产品微生物控制和货架期延长的一种有前景的非热技术（nonthermal technology）。然而，缺乏基于工程学的UV-C处理系统设计准则限制了其在采后加工中的有效和可扩展应用。该研究旨在设计和评价用于黄金莓采后保鲜的UV-C辐照系统，强调腔体配置对处理性能的影响。果实采用木质和不锈钢腔体暴露于UV-C辐射（6、8和10 min，分别对应3.30、4.17和5.15 kJ/m²），并于4°C贮藏35 d。监测微生物稳定性（真菌腐败（fungal decay）和微生物群动态（microbiota dynamics））及理化品质属性（失重（WL）、可溶性固形物（SS）、可滴定酸度（TA）、pH、颜色和质地）。结果表明，UV-C效能强烈依赖于系统设计。不锈钢腔体，尤其在5.15 kJ/m²暴露下，显著降低真菌感染并使可见腐败较未处理对照延迟至多14 d，同时保持关键品质参数。辐射分布改善与处理均匀性和有效性增强相关。基于这些发现，提出了两种可扩展的UV-C系统配置——移动式消毒单元（mobile disinfection unit）和带旋转辊的连续隧道系统（continuous tunnel system with rotating rollers）。此外，建立了整合物理剂量学（physical dosimetry）和生物效能（biological efficacy）的验证方案，以确保一致的杀菌性能。这些结果凸显了工程设计在优化UV-C处理中的关键作用，并证明该技术作为高值水果可持续和可扩展采后解决方案的潜力。

研究背景：黄金莓（Physalis peruviana L.）营养丰富、商业价值高，但采后易因水分损失、组织软化和微生物腐败而快速劣变，其中真菌污染尤其是Alternaria spp.、Botrytis cinerea和Cladosporium spp.是贮藏和运输中的主要腐败原因。冷藏和化学杀菌剂等传统方法效果有限或面临消费者与监管阻力。紫外-C（UV-C，ultraviolet-C）辐照通过形成嘧啶二聚体损伤微生物DNA，是非热、无废弃物残留的采后保鲜技术；但其效果不仅取决于强度和暴露时间，也取决于设备配置、辐射均匀性和产品几何形状。黄金莓相关研究少，且辐射腔设计对处理效能和工业放大的影响尚缺乏工程学依据，阴影和不均匀暴露会降低处理效果。因此，研究人员设计并评价两种UV-C腔体对黄金莓采后品质、真菌发生率和微生物稳定性的影响，并尝试将台架规模结果转化为可扩展工业系统的概念设计。

研究开展与总体结论：研究人员构建木质腔体（Model A，内衬铝箔）和不锈钢抛光腔体（Model B），以6、8和10 min暴露对应3.30 ± 0.10、4.17 ± 0.02和5.15 ± 0.03 kJ/m²，在4°C贮藏35 d，比较真菌感染、微生物群动态及理化品质。结果表明UV-C效能强依赖腔体设计；Model B在5.15 kJ/m²下真菌发生率最低，可见真菌腐败延迟至多14 d，且关键品质得以保持。研究据此提出移动式消毒单元和带旋转辊的连续隧道两种可扩展配置，并建立整合物理剂量学与生物效能的验证方案，意义在于将UV-C采后处理从剂量选择推进到工程设计与可扩展验证层面。

关键技术方法：样本黄金莓采自厄瓜多尔皮钦查省Mejía canton（0°30′36″S 78°34′11″W），于2024年8月至2025年2月以商业成熟度手工采收。采用完全随机4×2析因设计，比较4个暴露时间与两种UV-C腔体；以4°C贮藏35 d。监测真菌感染率、霉菌和酵母计数及属级形态鉴定，以及WL、SS、pH、TA、颜色和质地剖面分析（TPA）。统计采用双因素方差分析（ANOVA）和Tukey检验；颜色和质地采用多变量方差分析（MANOVA）、Hotelling检验及Bonferroni校正。

研究结果：
3.1.1 感染果实百分比：通过35 d冷藏期间定期视觉检查感染果实并作双因素ANOVA，发现“处理”和“贮藏时间”主效应显著而交互不显著；低剂量在Model A及Model B 3.30 kJ/m²下与对照无显著差异，Model B 5.15 kJ/m²真菌发生率最低且显著低于其他处理，并较对照延迟可见真菌发展14 d，说明有效阈值具有腔体依赖性。
3.1.2 失重：通过定期称量计算WL，处理与时间无显著交互但二者独立显著；Model A 5.15 kJ/m²的WL略高于对照和Model B，Model B与对照无显著差异；所有样品WL随贮藏增加，28和35 d超过5%并影响商业可接受性。原文提出差异可能与UV-C影响角质层和表皮蜡质、腔体气流、温度分布和辐射空间分布等多因素有关，但未评价角质层完整性和蜡质组成。
3.1.3 总SS、pH、TA和比值：通过化学与仪器分析，处理和时间对所有参数存在交互；pH和TA仅轻微波动且无清晰时间趋势，SS和比值在同日处理与对照间无显著差异，但贮藏期增加。UV-C穿透能力低、主要作用于外层，可能是内部理化组成未出现一致变化的原因；总体表明所施UV-C条件保持了理化稳定性。
3.1.4 颜色：通过CIE L^*a^*b^*及C^*、h^*监测，0至21 d处理与对照无显著差异；28和35 d出现L^*下降及b^*、C^*下降，且对照与UV-C处理均出现，说明更可能与自然衰老有关而非UV-C处理本身；总体保持自然颜色演变。
3.1.5 TPA：通过质地剖面分析测定凝聚力、胶黏性、咀嚼性、弹性、回复性和硬度，质地参数随35 d贮藏变化，但UV-C响应不一致；硬度在贮藏早期处理组多低于对照，第21 d Model B最高且显著高于对照，第28 d Model A和B数值较高但不显著，末期为Model B低于对照和Model A；未发现一致处理效应，原文建议未来评估酚类、细胞壁相关酶活性和组织微结构。
3.2 所选设计下真菌发展动态：通过倾注平板计数和显微形态鉴定，至第21 d分析。Model B 5.15 kJ/m²处理初期显著降低真菌负荷并维持至14 d，21 d虽升高但仍低于对照；对照与辐照样品差异显著，贮藏时间对计数无显著影响，辐照果实真菌负荷约低1 log₁₀CFU/g。鉴定到Alternaria、Cladosporium、Botrytis、Penicillium、Aspergillus和Trichoderma等属，B. cinerea为主要采后损失菌。
3.3 工业意义与未来展望：讨论表明腔体设计是UV-C处理效能关键，Model B不锈钢构造增强内部反射、改善辐射均匀性并减少阴影；高反射材料和动态处理系统对工业放大重要。提出移动式消毒头和连续隧道旋转辊概念，验证应聚焦真菌污染和生物效能，未来需在工业条件下验证均匀性、效率及长期稳定性。

讨论与结论：讨论部分强调UV-C腔体的结构与功能设计是有效且安全采后处理的关键，涉及内部几何、辐照源分布、材料反射率、热管理和操作者安全；Model B的较优表现可归因于增强反射、更均匀辐射分布和有效辐照度差异。两种概念设计为放大提供理论框架，但原文明确其仅为概念，不构成运行或经济可行性证明。研究还指出缺乏直接剂量学校验、某些处理下WL增加等局限，需要优化并平衡微生物控制与品质保持。研究结论翻译如下：该研究表明，UV-C辐射腔的结构与功能设计是确保黄金莓等果实有效且安全采后处理的关键组成部分。该过程的成功远不限于剂量或暴露时间的选择，而取决于考虑内部几何、辐照源分布、材料反射率、热管理和操作者安全等因素的工程设计。这些方面的整合使研究人员能够识别出一种腔体设计，在评估的贮藏条件下，该设计延迟了可见真菌腐败的发生、降低了感染果实发生率，并保持了关键理化品质属性。两种概念模型（移动式消毒单元和连续辐照隧道）的开发为UV-C技术在采后系统中的潜在放大提供了理论框架。这些概念设计说明了本研究中识别的关键工程原理——如增强反射率和改善暴露均匀性——可如何在实践应用中实施。然而，这些模型代表概念性方法，并不构成运行或经济可行性的证明。结果还揭示了未来研究必须考虑的重要局限。特别是缺乏直接剂量学校验以及在某些处理条件下观察到的WL增加，凸显了进一步优化UV-C系统的必要性。这些发现强调了在采后应用中平衡微生物控制与品质保持的重要性。总体而言，UV-C腔体设计代表了一种有前景且可适应的采后水果处理策略。未来研究应聚焦于在工业条件下验证这些系统，包括全面的剂量学评估、工艺参数优化以及长期运行和经济可行性评价。