臭氧气体技术在延长货架期及控制兰花与葡萄产业害虫中的应用

《Applied Sciences》：Application of Ozone Gas Technology for Extending Shelf Life and Controlling Pests in the Orchid and Grape Industries Supawud Nedphokaew, Pakawat Kerpasit, Poonsri Wannakarn, Natchapol Ruangsap and Nattachote Rugthaicharoencheep

　　

本文介绍了臭氧在大规模系统中用于害虫控制的应用，并显示出工业化实施的潜力。所设计的臭氧发生系统能够在受控腔室内于30 min内产生550 ppm的臭氧浓度。臭氧技术被应用于兰花出口产业中的昆虫害虫防治，既可满足当前使用需求，也具有未来推广应用价值。研究人员设计了一种可在30–35 °C条件下运行的高浓度臭氧发生器。该系统总运行时间为90 min，功耗为2647 W。实验结果表明，兰花在臭氧暴露后未受到不利影响，且处理后无化学残留。此外，研究还评估了臭氧熏蒸对常见兰花害虫——蚜虫和红蜘蛛的防治效果。当暴露于550–650 ppm臭氧浓度60 min时，该系统对两类害虫均实现了100%的清除率。这些结果表明，臭氧处理有望成为兰花产业中替代化学农药进行害虫防治的有效方案。

本文发表于《Applied Sciences》，围绕臭氧气体技术在兰花与葡萄产业中的采后应用展开，核心目标是开发一种可用于大规模场景的高浓度臭氧发生与熏蒸系统，以同时实现出口兰花害虫控制和鲜食葡萄货架期延长。研究背景在于，传统化学熏蒸和农药处理虽然具有一定防治效果，但容易带来化学残留、贸易合规风险以及环境负担，而国际市场对低残留乃至无残留农产品的要求日益严格。在此背景下，臭氧因具有强氧化性、可现场制备、处理后可自然分解为氧气且基本不留残留，被视为兼具食品安全性与绿色处理潜力的替代技术。论文指出，臭氧不仅可用于抑制微生物、降解部分残留物，还可通过影响乙烯水平而延缓果蔬衰败，因此在采后保鲜与综合病虫害管理（IPM）中具有重要应用前景。然而，实际工业应用仍面临若干问题，包括高浓度臭氧稳定生成困难、大体积密闭空间中的浓度分布与维持控制不足，以及有效杀虫浓度与作物耐受阈值之间需要精确平衡。因此，开展本研究具有明确的工程应用与产业转化意义。

研究人员基于臭氧电生成机理，构建了以介质阻挡放电（DBD，一种利用介质隔离电极并形成放电等离子体的臭氧生成技术）为核心的臭氧发生系统，并将其集成到大型熏蒸室中，用于兰花害虫防除；同时对葡萄贮藏过程中的外观变化进行了观察，以评估臭氧在延长货架期方面的表现。研究结果表明，该系统能够在15.625 m³熏蒸室内于30 min达到550 ppm臭氧浓度，在550–650 ppm、处理60 min条件下，可对兰花常见害虫实现100%死亡，同时兰花在该浓度范围内未见明显伤害，也不存在化学残留。对于葡萄，臭氧处理结合冷藏可在一定程度上延缓果实劣变，相较未处理组更有利于维持果皮坚实度与综合色泽。整体而言，该研究证明了高浓度臭氧在花卉出口害虫控制和果品采后保鲜中的可行性，为非化学熏蒸技术的产业化应用提供了依据。

本研究主要采用以下几类关键技术方法：首先，基于介质阻挡放电（DBD）原理设计高频高压臭氧发生器，结合半桥变换器、IGBT开关与高频高压变压器实现0–4500 V范围电压调节；其次，构建容积为15.625 m³的大型臭氧熏蒸室，设置进气、排气与通风系统以控制腔内臭氧分布；再次，通过调节气流量、供氧条件、工作频率及占空比评估发生器性能；最后，以出口兰花害虫和兰花切花、盆栽植株为对象开展臭氧暴露试验，并对葡萄在不同处理与贮藏条件下进行多时点外观观察。

4.1. Performance of Ozone Generator
本节主要评估臭氧发生器的电学运行特性及其产臭氧性能。结果显示，系统主要在20.40–21.26 kHz和6.97 kHz两个频率范围内工作。随着占空比增加，高压变压器输出至电极负载的电压和功率升高，电场强度随之增强，臭氧产量也相应增加。研究人员进一步测定了不同电压条件下熏蒸室内臭氧浓度的变化，发现当变压器电压处于160–800 V范围时，腔体内臭氧浓度较低；电压升高后臭氧浓度开始显著增加。在高于1520 V以及3600–4240 V区间时，臭氧浓度最高可达500 ppm。虽然3920–4240 V较3600 V可产生略高的臭氧浓度，但其耗电量明显增加。由此说明，臭氧发生器的输出受电压、功率以及气流和氧气供给条件共同影响，电气参数优化对于兼顾产臭氧能力与能效具有关键作用。

4.2. Insect Mortality Rate Under Ozone Exposure
本节通过臭氧暴露试验考察兰花出口害虫的死亡率，研究对象为蓟马和蜘蛛螨。试验在450–1000 ppm臭氧浓度、32–37 °C温度范围下进行，并设置30 min和60 min两种处理时间以寻找最低有效杀虫条件。结果表明，较高臭氧浓度与较长暴露时间均可提升害虫死亡率。研究人员不仅在处理结束后立即观察，还在处理后5 h和8 h再次观察，以排除暂时麻痹而非真正死亡的情况。结果显示，在850–950 ppm处理60 min以及950–1000 ppm处理30 min和60 min时，害虫死亡率达到100%，且后续观察未见恢复。进一步地，551–650 ppm臭氧同样可实现100%死亡率。该部分结果说明，臭氧对目标害虫具有明确熏杀作用，且存在可满足完全防治要求的浓度—时间组合。

4.3. Experiment on Ozone Levels Affecting Orchid Flowers and Plants
本节关注臭氧处理对兰花品质安全性的影响，研究对象为拟出口的切花兰花和兰花植株，重点考察Dendrobium与Mokara等主要出口品种。研究人员采用与害虫处理相近的臭氧浓度进行暴露，并在处理后即时、1 d后和7 d后进行观察。结果显示，当臭氧浓度为450–650 ppm时，处理组兰花与未处理兰花相比总体保持正常性状，未见明显品质损伤。而当臭氧浓度超过650 ppm时，兰花开始出现轻度至中度伤害，主要表现为花朵萎蔫和白斑出现。该结果表明，臭氧处理虽具备良好杀虫潜力，但其施用浓度存在植物耐受上限，必须在杀虫效率与花卉品质保持之间寻求平衡。

4.4. Experiment Involving Orchids and Thrips in a Large-Scale System
本节在大规模系统中综合验证臭氧处理对兰花和害虫的实际效果。试验在大型熏蒸室内进行，腔室温度维持在30–32 °C，臭氧浓度控制于550–650 ppm。由于熏蒸室容积达到15.625 m³，系统需要30 min将臭氧浓度提升至550 ppm，随后继续升至650 ppm，并在实验结束前维持于600–650 ppm，因此总实验时长为90 min。该部分结果表明，所设计系统能够在大体积空间中建立并维持目标臭氧浓度，验证了其工程可操作性，也为将前述实验室尺度杀虫结果推广至产业化处理环境提供了支持。

4.5. Changes in Grapes After Being Stored for 3 Days
本节考察葡萄经不同臭氧处理后贮藏3 d的外观变化。结果显示，未进行臭氧处理的对照组以及接受0.375 g臭氧后于室温贮藏的葡萄均出现果皮皱缩和真菌污染，皱缩主要发生在果粒，真菌多见于果梗端，研究人员认为这可能与水分积聚或机械损伤有关。同时观察到，臭氧处理后的葡萄颜色较未处理组更深，且在较高臭氧处理条件下紫色加深更为明显。该结果提示，臭氧处理对果实外观变化具有一定影响，并且在短期贮藏阶段仍需结合具体贮藏条件综合评估其保鲜效果。

4.6. Changes in Grapes After Being Stored for 7 Days
在7 d贮藏后，约80%的室温未处理葡萄已腐败，其余未腐败样品亦表现出软化和皱缩；而冷藏未处理葡萄中约10%开始萎蔫和变软。经0.75 g臭氧处理并冷藏的葡萄虽出现一定皱缩，但果皮仍保持坚实且色泽鲜明。经0.375 g臭氧处理并室温贮藏的葡萄出现皱缩和霉菌生长，文中指出其可能与果梗端受潮及先前霉菌暴发、霉菌孢子存在有关。接受2340 g臭氧水混合处理的葡萄则出现果皮凹陷。该部分结果显示，臭氧结合冷藏较有利于维持葡萄品质，而不同处理方式对果皮形态可能产生差异化影响。

4.7. Changes in Grapes After Being Stored for 11 Days
在11 d时，室温未处理葡萄已完全腐败，腐坏从果梗扩展至果肉；冷藏未处理葡萄开始萎蔫、软化，约10%出现腐烂。经0.75 g臭氧处理并冷藏的葡萄开始皱缩，但果皮仍坚实、颜色仍较鲜明，不过果梗周围开始出现霉菌。臭氧水混合处理组出现严重形变和腐烂，约10%的样品受影响。经0.375 g臭氧处理并室温贮藏的葡萄则发生霉变并完全腐烂，表现出与潮湿相关的灰色菌丝。对于2340 g臭氧水混合处理组，果皮凹陷仍然存在，但未进一步引发腐烂或霉菌扩展。该结果进一步说明，不同臭氧施用形式和贮藏温度对葡萄贮后性状影响明显。

4.8. Changes in Grapes After Being Stored for 17 Days
在17 d贮藏后，冷藏未处理葡萄开始明显萎蔫和软化，约70%出现腐烂。经0.75 g臭氧处理并冷藏的葡萄虽然开始皱缩，但果皮仍较坚实、色泽仍较鲜明，约30%发生腐烂，且大多始于果梗，少量发生于果粒本身；约10%出现霉菌，亦主要始于果梗。在臭氧水混合处理组中，约10%的葡萄发生腐烂，且腐烂全部位于果梗。该部分结果表明，在较长贮藏期内，臭氧处理结合冷藏较未处理冷藏组在外观保持方面表现更好，但仍不能完全阻止果梗部位腐烂和霉菌发生。

综合讨论部分，论文围绕“高效杀虫”与“作物品质安全”两项核心目标展开。研究表明，臭氧发生器的电学设计、供氧与气流控制决定了系统能否在大容积密闭空间中形成足够且稳定的臭氧浓度；而臭氧浓度与处理时间则共同决定害虫死亡率。结果清楚显示，较高浓度和较长暴露时间可提高蓟马和蜘蛛螨的死亡率，但过高浓度又会对兰花造成花朵萎蔫和白斑等伤害。因此，550–650 ppm、60 min的处理条件构成了较为合适的操作窗口，既实现了100%害虫清除，也避免了明显花卉损伤。另一方面，葡萄试验显示臭氧对延缓劣变具有一定积极作用，尤其在冷藏条件下更有助于保持果皮坚实度和色泽，但不同处理方式并非均有利，臭氧水混合处理还可能带来果皮凹陷等问题。总体而言，论文强调臭氧作为无残留、可替代化学熏蒸的绿色技术，在兰花出口害虫防控和葡萄采后保鲜方面具有应用价值，但应用效果取决于工艺参数的合理优化。

研究结论部分可译为：本文介绍了用于兰花出口产业害虫防治的高浓度臭氧发生系统的设计与构建。臭氧生成过程基于电离原理，即将净化空气或氧气通入电场，使氧分子解离为不稳定的原子氧，这些原子随后重新结合形成臭氧。根据对臭氧生成所需电能水平和电场构型的理论分析及既往研究，研究人员选择介质阻挡放电（DBD）方法作为最适宜的技术。该方法能够产生高浓度臭氧，同时有助于散热以防止电场击穿，从而支持系统连续运行。研究还对臭氧熏蒸室进行了设计，以分析封闭空间内的臭氧分布。既往研究表明，臭氧可有效清除昆虫害虫，而害虫死亡率取决于臭氧浓度和暴露时间。因此，在大型密闭空间中设计能够产生足够臭氧浓度的臭氧发生器至关重要。该发生器必须能够为电极对提供可调电压，以控制直接影响臭氧产量的电场强度。此外，还必须控制作为主要反应物的气流量和供氧速率，因为这些参数会影响最终臭氧浓度。实验结果证实，随着臭氧浓度升高和暴露时间延长，害虫死亡率增加。然而，过高浓度可能损害兰花品质。因此，确定臭氧浓度与暴露时间之间的最佳平衡，对于在不损害出口产品质量的前提下实现有效害虫防治至关重要。