Хранение цветочной продукции в регулируемой и модифицированной газовой среде

Один из наиболее эффективных методов обеспечения стабильности качества растительной и цветочной продукции – хранение ее в условиях регулируемой газовой среды (РГС) в сочетании с холодом.

Регулируемая газовая среда, совершенствуя и дополняя условия обычного холодильного хранения, позволяет в 2-3 раза снизить потери, лучше сохранить товарное качество и продлить сроки хранения свежей растительной продукции. Способы хранения в условиях РГС основаны на регулировании искусственным или естественным путем содержания в камерах с продукцией основных газовых компонентов: кислорода, углекислого

газа и азота.

В практике хранения принято различать регулируемую газовую среду (РГС) и модифицированную газовую среду (МГС). РГС создают и поддерживают искусственным путем за счет сжигания природного газа, подачи его из баллонов или газогенераторов различного типа. МГС создается естественным путем самой заложенной на хранение продукцией в результате газообмена ее с атмосферой через газоселективные материалы и элементы упаковок или контейнеров, МГС можно считать разновидностью регулируемой газовой среды.

· Хранение цветочной продукции в регулируемой газовой среде (РГС)

Метод хранения в РГС разработан на основе изучения газообмена хранящейся продукции с окружающей средой. Известно, что в условиях холодильного хранения концентрация кислорода в межклеточном пространстве продукции всегда меньше, чем в окружающей среде, а углекислого газа – больше. Разность парциальных давлений вызывает диффузию газов через поверхностные ткани растительных объектов. С учетом этого обстоятельства при повышении концентрации углекислого газа в окружающей среде и снижении содержания кислорода можно соответственно увеличить концентрацию углекислого газа, а кислорода в межтканевом пространстве продукции уменьшить и тем самым снизить интенсивность ее дыхания (Метлицкий, 1976; Колесник, 1983).

Благодаря снижению интенсивности дыхания, а следовательно, и тепловыделения при хранении продукции в РГС температурный режим можно поддерживать на 2-5°С выше обычного. Это позволяет предупредить возникающие при низкой температуре заболевания и поражения продукции, а также снизить затраты на холод.

Успешное хранение в РГС во многом определяется правильным подбором газовой среды для каждого вида и сорта заложенной на хранение продукции. Часто для хранения применяют так называемые нормальные газовые смеси, в которых суммарная концентрация кислорода и углекислого газа составляет 21%. Наиболее распространены смеси этого типа с содержанием 5-10% углекислого газа, 16-11% кислорода и 73% азота. Тормозящее дыхание растений – действие, обеспечиваемое нормальными газовыми смесями, – основано на высокой концентрации углекислого газа, предельно рекомендуемое значение которой не превышает 10%.

Более эффективны субнормальные газовые смеси, где суммарная концентрация углекислого газа и кислорода ниже 21%. Наиболее часто используют субнормальные смеси, в которых содержится 3-5% кислорода, 0-5% углекислого газа и 90-97% азота. Подобные смеси задерживают созревание продукции и приостанавливают развитие функциональных расстройств в результате одновременного значительного обеднения среды кислородом и обогащения ее углекислым газом. Для хранения продукции, особенно чувствительной к углекислому газу, иногда применяют субнормальные газовые смеси с минимально допустимой концентрацией кислорода 2-3% (на грани анаэробного дыхания) при отсутствии углекислого газа или содержании его в очень небольшой концентрации (менее 1-2%). Эти смеси в меньшей степени замедляют дыхание продукции, чем указанные выше, их используют ограниченно. Подобные субнормальные смеси применяют обычно при температуре, близкой к 0°С, и относительной влажности воздуха 90-95%. Понижение температуры в условиях повышенной влажности увеличивает чувствительность продукции к углекислому газу.

В рекомендациях Международной организации по стандартизации (ИСО) приведены четыре наиболее характерных типа газовых смесей для хранения в условиях РГС (Янюк, 1984). Состав этих смесей дан в таблице 9. Газовые смеси I и III типов относятся к субнормальным, а II и IV типов – к нормальным.

Табл.9. Состав газовых сред для хранения растительной продукции, %

Следует отметить, что существуют определенные предельно допустимые значения концентраций кислорода и углекислого газа, обусловленные биохимическими особенностями хранения цветочной продукции. Для кислорода предельное значение – 2% (минимум), для углекислого газа – 10% (максимум). Технологическая схема хранения цветов в РГС представлена на рисунке 12.

На основе данных, полученных различными исследователями (Кельцев, 1984), установлен следующий оптимальный режим хранения срезанных цветов в РГС, создаваемой в стационарных камерах хранения: состав газовой среды – 2% углекислого газа, 1 % кислорода, 97% азота; температура хранения 0°С.

Рис.12. Схема хранения срезанных цветов в РГС:

1 – срезка цветов

2 – предварительное охлаждение

3 – размещение цветов в камере и хранение в РГС

Параметры хранения в РГС отдельных видов цветов сведены в таблице 10 (Семашко, 1984).

Табл.10. Режимы и сроки хранения срезанных цветов в РГС

Исследования зарубежных специалистов по хранению срезанных цветов гвоздики с применением РГС (Рrаtella, 1968) в широком диапазоне концентраций компонентов: углекислого газа от 0 до 20% и кислорода от 1 до 13% при температуре 0°С и относительной влажности воздуха более 90% показали, что оптимальные отношения концентраций углекислого газа к кислороду составляют: 5:3, 5:1, 20:3. При таких концентрациях газовой смеси после снятия с хранения цветочной срезки отмечена максимальная устойчивость ее в вазе в комнатных условиях. Лучшие результаты при длительном хранении получены для отношения углекислого газа к кислороду, равного 5:3. После длительного хранения (45 дней) цветы сохранялись в вазе 5-6 дней.

К разновидности хранения цветочной продукции в искусственно создаваемой среде относится способ нагнетания необходимой газовой смеси в полимерные упаковки с продукцией, входные отверстия которых затем заваривают. За рубежом для такого хранения используют тару из пластика и сумки из фольги размером 800х470х500 мм. Необходимое условие – герметичность тары, в которую свободно умещается, например, до ста гвоздик. Цветы в этом случае хранят и транспортируют в условиях постоянной влажности, создаваемой внутри упаковки в процессе дыхания продукции, при этом тара обеспечивает сохранение физического состояния цветов, что дает возможность хранить в ней такие хрупкие цветы, как нарциссы, тюльпаны и др. (табл.11).

Табл.11. Показатели хранения срезанных цветов в фольгированных упаковках в РГС

В практике цветоводства в нашей стране была разработана модификация данного способа. Согласно этой технологии, срезанные цветы упаковывают в толстостенный (150-200 мкм) полиэтиленовый мешок, затем горловину мешка частично заваривают и в него через специально вмонтированный штуцер нагнетается необходимая газовая смесь, после чего мешок окончательно наглухо заваривается. Срезку цветов в такой упаковке хранят на стеллажах в горизонтальном положении при температуре окружающей среды не выше 0,5°С или в отсеках хранилища в вертикальном положении при той же температуре. Допускается штабельное хранение при предварительной укладке каждой упаковки в картонные коробки со стружкой либо мелконарезанной бумагой. Разнообразие режимов хранения в РГС некоторых видов цветочной продукции в сравнении с плодоовощной иллюстрирует рисунок 13.

Рис.13. Карта режимов хранения некоторых видов цветочной продукции в указанном диапазоне селективностей мембраны (для сравнения приведены режимы хранения некоторых видов плодоовощной продукции)

Хранение срезанных цветов в упаковках с искусственным наполнением газовой смесью показывает возможность сохранения высоких товарных качеств продукции цветоводства в течение периода от недель до нескольких месяцев в зависимости от вида и сорта цветочной культуры.

Известен также способ принудительного снижения концентрации кислорода путем подачи в камеру хранилища газообразного или жидкого азота. Концентрация углекислого газа повышается при этом естественным образом за счет дыхания заложенной на хранение продукции. Чтобы концентрация СО2 не превышала допустимых уровней (более 10%), газовую смесь периодически пропускают через скруббер – поглотитель избыточного количества СО2. Снижение концентрации кислорода в камере до 6% происходит за 3 ч, а достижение заданного режима хранения – за 5 суток при расходе на 1 м3 камеры от 1,7 до 1,8 л жидкого азота или 1,25 м3 газообразного. Срок хранения растительной продукции при этом составляет 2-2,5 месяца.

Хранение срезанных цветов в атмосфере чистого азота или в сочетании с малым количеством кислорода (до 1,5%), по данным В. Н. Нечипоренко, благоприятно сказывается на качестве продукции при хранении и транспортировке, увеличивает продолжительность жизни цветов в вазе на 3-4 дня. При этом азот может подаваться как в специальные камеры и рефрижераторные отсеки, так и толстостенные полимерные упаковки, хранение ведется на холоду. При температуре хранения 0-2°С для гвоздики рекомендуется газовая среда, состоящая из 0,5-1,2% кислорода, для гладиолусов – 1 % кислорода, остальной объем в обоих случаях занимает азот.

Все методы хранения в РГС растительной, в том числе и цветочной, продукции, несмотря на хорошие результаты, весьма сложны в реализации, требуют больших единовременных затрат на сооружение герметичных камер и сложной аппаратуры контроля и управления. В этой связи рассмотренные методы имеют пока ограниченное применение для хранения цветочной продукции.

· Газоселективные материалы для создания модифицированной газовой среды

Использование модифицированной газовой среды – самый доступный и в то же время эффективный для промышленного цветоводства метод хранения продукции из всех способов хранения в газовых средах. При создании и поддержании МГС используют свойства селективной проницаемости или самого материала упаковки (обычно тонкие полимерные пленки), или газоселективного элемента мембранного типа (ГСЭМТ) в виде вставки (окна) в боковые стенки контейнеров и упаковок, или специальных устройств, которыми оснащают газонепроницаемые контейнеры и упаковки для хранения.

Основной рабочий орган ГСЭМТ – мембрана. Обычно она представляет собой технологическую перегородку, обеспечивающую вследствие селективной проницаемости разделение газовых смесей без химических превращений. Разделение газовых смесей с использованием мембранной технологии происходит на основе диффузионного процесса, движущей силой которого могут быть перепад давлений и градиент концентрации. Для диффузионного разделения газов применяют мембраны, имеющие различную проницаемость по отношению к отдельным компонентам газовых смесей.

Высокоэффективны и перспективны для целей газодиффузионного разделения – асимметричные мембраны, представляющие собой материалы с анизотропной по толщине структурой. Асимметричные мембраны изготавливают, как правило, из одного полимера или смеси полимеров. Эти мембраны имеют плотный верхний слой и рыхлую структуру нижнего слоя. Плотный слой мембраны определяет ее селективность для того или иного компонента смеси, а пористая ее часть служит несущей подложкой.

Важнейшие требования, предъявляемые к мембранам, следующие: высокая разделяющая способность, высокая удельная производительность, инертность по отношению к компонентам разделяемой смеси, стабильность свойств во времени, низкая стоимость. Критерием соответствия мембран назначению служит оценка их при эксплуатации, однако обычно предварительно рассматривают такой важный показатель, как проницаемость мембран.

Оценка эксплуатационных свойств мембран, предназначенных для диффузионного разделения газов, в основном сводится к определению проницаемости для различных компонентов газовых смесей.

Для хранения цветочной продукции в МГС необходимо предварительно провести следующую работу:

§ исходя из параметров мембран (проницаемость, селективность и др.) и параметров закладываемой на хранение продукции (интенсивность дыхания, дыхательный коэффициент и т. д.) определить область принципиально возможных режимов хранения;

§ разработать методику определения параметров стационарного режима хранения и перехода на стационарный режим хранения;

§ на основе проведенных теоретических расчетов подобрать подходящие газоселективные мембраны;

§ сконструировать необходимые контейнеры с ГСЭМТ;

§ испытать контейнеры с ГСЭМТ в реальных условиях хранения.

Со значением общей проницаемости мембраны связаны значения безразмерного параметра ϭ – селективности, который представляет собой отношение фильтрации одного газа к величине фильтрации другого газа при одном и том же давлении и служит мерой избирательности мембраны по отношению к соответствующим газам. Для большинства полимерных материалов мембранного типа с уменьшением проницаемости возрастает селективность (СО2/О2), и наоборот.

В таблице 12 приведены данные характеристики проницаемости полимеров для некоторых газов при комнатной температуре (Дубяга, 1981). Обычно газоселекгивные мембраны классифицируют по методу их получения, геометрической форме, назначению, структурным особенностям и материалу, из которого они изготовлены.

Табл.12. Газопроницаемость различных материалов

· Основы создания модифицированной газовой среды для хранения цветочной продукции

Если в герметизированном контейнере с ГСЭМТ находится свежая цветочная продукция, то через некоторое время внутри контейнера вследствие дыхательных процессов и диффузии газов сквозь мембрану сформируется атмосфера, газовый состав которой можно регулировать, подбирая площадь мембраны, ее проницаемость и селективность.

Зная характеристики мембран и параметры дыхания цветочной продукции, можно рассчитать оптимальную для данного количества цветов упаковку или контейнер с ГСЭМТ.

Саморегулируемая МГС в загруженной продукцией упаковке или контейнере с пониженным по сравнению с атмосферным содержанием кислорода и повышенным – углекислого газа представляет собой сумму балансируемых концентраций кислорода и углекислого газа, проникающих как снаружи внутрь, так и изнутри наружу через газоселективную мембрану. Вследствие снижения давления кислорода внутри упаковки, вызываемого расходом его на дыхание продукции, создаются благоприятные условия дальнейшей диффузии кислорода из атмосферы внутрь упаковки. Это способствует поддержанию на заторможенном уровне метаболических процессов в цветочной продукции. Выделяемый при этом избыток углекислого газа диффундирует в атмосферу.

Положительный эффект действия модифицированной газовой среды на сохранность цветочной продукции обусловлен рядом факторов. Снижается интенсивность дыхания, замедляются биохимические процессы старения растительных клеток и тканей, повышается устойчивость против физиологических и фитопатогенных заболеваний, сокращаются расход питательных веществ и испарение влаги. В результате этого продлеваются сроки хранения, увеличивается выход качественной продукции после хранения, до минимума сокращаются потери массы цветов, лучше сохраняются в них биологически активные вещества.

Для стеблевых черенков сочетание благоприятных факторов хранения способствует образованию у них каллюса и корневых зачатков. Это, в свою очередь, приводит к активному укоренению черенков и сокращению их потерь после хранения (Рукавишников, 1982).

Процесс создания и поддержания модифицированной газовой среды описывается рядом уравнений, применение которых в практике позволяет значительно сократить время отработки оптимальных режимов и разработки новых средств хранения в МГС. В этой связи теоретическое обоснование метода хранения в МГС представляет практический интерес для цветоводства.

При хранении растительной, в том числе и цветочной, продукции в МГС уменьшение объема кислорода в контейнере или упаковке пропорционально массе заложенной на хранение продукции и интенсивности ее дыхания. Последняя, в свою очередь, будет пропорциональна произведению значения первоначальной интенсивности дыхания на концентрацию кислорода, выражаемую отношением текущего объема кислорода к первоначальному его объему. Поступление кислорода в контейнер извне пропорционально площади мембраны S, разности парциальных давлений этого газа вне и внутри контейнера и проницаемости мембраны по кислороду Р. Процессы поступления и поглощения кислорода в соответствии с этим определяются следующим образом:

где V – первоначальный объем кислорода, м3, m – масса цветочной продукции внутри контейнера, кг; p – парциальное начальное давление кислорода, Па; К – см. формулу (1).

Решением дифференциального уравнения (5) будет:

V1 = V(1 + mKe–t/τ/p1Р1S) (1 + mK/p1P1S). (6)

В выражении (6) τ – постоянная времени, характеризующая скорость установления стационарного режима:

τ = V/(p1P1S + mК). (7)

Если p1 = 0, то через время t = τ содержание кислорода в контейнере уменьшится в е раз, а через t ≈ 4τ упадет ниже предельно допустимого значения – 2%. Это справедливо для замкнутого герметичного объема в отсутствие мембраны, поскольку ее наличие обеспечивает возможность поступления определенного количества кислорода извне.

При дыхании продукции, заложенной на хранение, выделяется количество углекислого газа, пропорциональное объему поглощаемого кислорода (с поправкой на дыхательный коэффициент δ). Количество углекислого газа, проходящего через мембрану dV2, пропорционально площади мембраны S, парциальному давлению углекислого газа в контейнере (давлением углекислого газа во внешней среде вследствие его малости можно пренебречь), а также проницаемости мембраны по углекислому газу ϭР1. С учетом этого для баланса по углекислому газу получим

dV2 = δ(V1/V)mКdt – p1(V2/V)ϭP1Sdt. (8)

Решение уравнений (5) и (8) можно представить в следующем виде (Стрельцов, 1983):

ξ1 = ξ0/(1 + mК/pP0S); (9)

ξ2 = δξ0/(ϭ + p1Р2S/mК) = δ(ξ0 – ξ1)/ϭ, (10)

где ξ1 – концентрация кислорода; ξ2 – концентрация углекислого газа; ξ0 – начальная концентрация кислорода (21%); ϭ – селективность.

Рассмотрим некоторые частные случаи, характеризующиеся выражениями (6), (7), (9) и (10).

1. Начало закладки продукции на хранение соответствует значению t = 0. Очевидно, что концентрации кислорода и углекислого газа в контейнере находятся на уровне концентраций в окружающей среде.

2. Мембрана с дефектом (разрыв перфорация и т. п.). Внутреннее пространство контейнера сообщается с внешней средой. Этому соответствует Р → ∞ при времени выхода на стационарный режим t → ∞, и выражение e–t/τ → 0 соответствует ситуации, при которой концентрации кислорода и углекислого газа в контейнере совпадают с их концентрациями в окружающей среде.

3. Условиям сохранения герметичности контейнера с продукцией, снабженного ГСЭМТ, при достаточно большом времени с момента закладки на хранение (t > 3τ) соответствуют уравнения (9) и (10), которые справедливы для стационарного режима хранения.

На практике при известных характеристиках мембраны (проницаемости, селективности и площади), а также параметрах дыхания закладываемой на хранение продукции и ее массе, воспользовавшись уравнениями (9) и (10), можно определить режим хранения, обеспечиваемый той или иной мембраной. Обычно соотношение концентраций кислорода и углекислого газа для определенной продукции известно хотя бы по типу газовой смеси (нормальная, субнормальная и т. п.). Выражения (9) и (10) помогают рассчитать контейнеры с мембранами для хранения растительной продукции, что в значительной степени сокращает время на проведение поисковых экспериментов.

Для упрощения расчетных соотношений введем параметр «загрузки мембраны»: μ = m/S (кг/м²). Тогда с учетом (9)

μ = [(ξ0/ξ1) – 1]р1Р1/К. (11)

Следует отметить, что с помощью одной мембраны невозможна независимая регулировка концентраций кислорода и углекислого газа: если задана концентрация кислорода в стационарном режиме, то концентрация углекислого газа тем самым уже определена уравнением (10).

Представляет практический интерес рассмотрение вопросов возможности регулирования газового состава в контейнерах с ГСЭМТ при хранении цветочной продукции. Известно, что существуют экстремальные значения концентрации кислорода и углекислого газа, превышение которых в случае максимума или снижение ниже минимума недопустимо по биохимическим соображениям. Для кислорода такое экстремальное значение – 2, для углекислого газа – l0%. С учетом этого можно определить границы координатной сетки режимов хранения растительной продукции, а также оценить возможности регулирования газового состава в пределах указанных границ при использовании для хранения контейнеров с ГСЭМ Т (Корнилова, 1983).

Если отложить по координатным осям значения концентраций углекислого газа и кислорода, то нанесенные на плоскость с такими координатами точки и области возможных режимов хранения образуют четко выраженную тенденцию к группируемости в определенных зонах.

На рисунке 14 показаны возможности перемещения рабочей точки на карте режимов, определяемые координатами ξ1 и ξ2, в зависимости от относительной загрузки мембраны μ/μ0, причем μ0 = p1P1/K(кг/м₂).

Рис.14. Влияние разброса пара метров мембран на координаты области рабочего режима

Загрузка мембраны по желанию может варьировать в определенных пределах. Подбор оптимальных координат концентраций кислорода и углекислого газа можно осуществлять, изменяя относительную загрузку мембраны (соотношение μ/μ0, путем перемещения вдоль линии ϭ = const см. рис.13). В зависимости от относительной загрузки меняется концентрация кислорода и связанная с ней концентрация углекислого газа (табл.13).

Табл.13. Состав газовой среды (%) в зависимости от относительной загрузки мембраны

На практике значение относительной загрузки обычно не превышает 10, будучи ограниченным предельно допустимой концентрацией кислорода, равной 2%.

В настоящее время разработаны мембраны для хранения свежей растительной, в том числе и цветочной, продукции в МГС типа СИГМА, ПВТМС, МДО-АС и МД-К2, Карбосил-АС. Первая представляет собой текстильную основу, покрытую силиконовым эластомером, например вулканизатом полидиметилсилоксанового каучука. Остальные не имеют тканевой основы. Мембрана ПВТМС изготавливается из поливинилтриметилсилана, а мембраны типа МДО-АС и МД-К2 – на основе кремнийорганических полимеров. Основные характеристики мембран для создания МГС при хранении свежей растительной продукции приведены в таблице 14.

Табл.14. Параметры мембран для хранения растительной продукции

Мембраны часто имеют определенный разброс своих параметров, поэтому вместо рабочей точки на карте режимов в координатах концентраций СО2 и О2 существует некоторая вероятная рабочая область, размеры которой можно оценить расчетным путем.

Некоторые мембраны имеют коэффициент вариации CV по проницаемости около 40, а по селективности – 25%. Для оценки величины вероятной рабочей области на карте режимов (средняя селективность ϭ = 3,69 при CV=25% и CV=40% по проницаемости для кислорода) определим сектор рабочих режимов, задаваемый вариациями селективности ϭ = (3,69±0,25)•3,69=3,69±0,92, то есть значение селективности будет находиться между вероятными значениями ϭmin = 2,77 и ϭmах = 4,61. С учетом того что μ – пропорционально величине Р, коэффициент вариации значения μ будет соответствовать коэффициенту вариации для Р. В этом случае при среднем значении μ/μ0 = 6 возможны отклонения (μ/μ0)min = 6-(6•0,4) = 4,6 и (μ/μ0)mах = 6+(6•0,4) = 8,4.

Этими координатами и ограничивается площадь возможных режимов, где должна находиться вероятная рабочая точка, соответствующая данной мембране (см. рис.14, заштрихованная область).

Однако даже в случае совершенно бездефектных мембран создание режима с заданной концентрацией кислорода ξ1 и углекислого газа ξ2 возможно отнюдь не во всех случаях.

Если имеется набор мембран с различной селективностью а, то газовый состав в упаковке, рассчитанной на определенную массу цветов, можно регулировать двумя путями: изменением площади мембраны S и выбором мембран с разной селективностью ϭ. Если приходится ограничиваться мембраной одного заданного типа, что часто бывает на практике, то единственной возможностью регулирования газового состава остается изменение площади мембраны, то есть изменение ее загрузки (количества продукции на единицу площади мембраны).

Изменяя загрузку мембраны (соотношение μ/μ0), можно перемещать рабочую точку вдоль линии ϭ = const. В зависимости от относительной загрузки меняются концентрация кислорода и связанная с ней концентрация углекислого газа, причем, как было указано выше, последняя не может быть установлена независимо от концентрации кислорода для данной мембраны с заданными свойствами. Вследствие этого приходится ограничиваться таким режимом хранения, который по своим параметрам лишь приближается к оптимальному, и, кроме того, может возникнуть дополнительная погрешность из-за неровности мембран.

Практика хранения цветочной продукции в полимерных упаковках с газоселективными мембранами показывает, что создаваемый режим по газовым компонентам нередко отличается от расчетного, что обусловливает необходимость определенной корректировки. Если для регулирования газовых компонентов использовать по крайней мере две разнотипные мембраны, то возможности корректировки режима МГС существенно расширятся.

При обозначении площадей мембран S1 и S2, значений их селективности ϭ1 и ϭ2 и проницаемости по кислороду Р1 и Р2 уравнения баланса по кислороду и углекислому газу, аналогичные (5) и (8), можно записать в виде

dV1 = – K(V1/V)mdt + pP1S1[1-(V1/V)]dt + pP2S2[1 – (V1/V)]dt; (12)

dV2 = δ(V1/V)mKdt – рPϭ1S1(V2/V)dt – рР2ϭ2S2(V2/V)dt. (13)

Решения этих уравнений в обозначениях концентрации будут иметь вид

ξ1 = ξ0/[1 + 1/(μ01/μ1 + μ1 + μ02/μ2)]; (14)

ξ2 = δξ1/[ϭ1 – (μ01/μ1) + ϭ2(μ02/μ2)] (15)

Здесь приняты следующие обозначения:

μoi = pPi/К; μi = m/Si (16)

С помощью соотношений (14-16) можно рассчитать площади мембран S1 и S2 для любого значения режима, задаваемого концентрациями ξ1 и ξ2. Получающиеся площади будут иметь неотрицательные значения для любой точки (ξ1; ξ2), лежащей внутри сектора, ограниченного прямыми ϭ1 = соnst и ϭ2 = const. На рисунке 13 видно, что практически вся область хранения как срезки, так и вегетативных органов и семян цветочно-декоративных культур лежит ниже линии ϭ = 1, поэтому материал с такой селективностью целесообразно использовать в качестве одной из мембран. Селективность, равную единице, то есть проницаемость, одинаковую как по кислороду, так и по углекислому газу, имеют любые пористые вещества, например бумага, ткани, нетканевые материалы.

В качестве другой мембраны, с бо́льшим значением селективности, целесообразно использовать мембрану, например, типа МДО = АС (ϭ = 4,5). В этом случае диапазон режимов будет достаточно широк, его границы находятся между прямыми ϭ = 4,5 и ϭ = 1 (см. рис.13).

Таким образом, применение двух разнотипных мембран лучше обеспечивает заданный режим хранения и, следовательно, более высокое качество цветочной продукции в конце периода хранения.

В практике применения контейнеров и упаковок с ГСЭМТ рекомендуется для предохранения газоселективной мембраны от механических повреждений использовать ограждающую прокладку с перфорацией, фиксируемую по периметру мембраны. В результате этого рабочая площадь мембраны уменьшается на величину коэффициента перфорации ограждающей прокладки. Коэффициент перфорации учитывает частичное перекрытие рабочей площади мембраны материалом прокладки. Это обстоятельство необходимо иметь в виду при практических расчетах контейнеров и упаковок.

Пусть радиус отверстий перфорации будет R, расстояние между центрами отверстий Н, тогда коэффициент перфорации определится соотношением

φ = πR2/Н2 = π(R/Н)2.

Очевидно, что полезная площадь мембраны Sм уменьшится пропорционально коэффициенту перфорации:

Sм = Sφ.

Максимально возможное значение коэффициента перфорации при H=R будет π/4 ≈ 0,785.

Для расчета упаковок и контейнеров с ГСЭМТ можно пользоваться соотношениями (9-11). Задавая концентрацию кислорода в упаковке с продукцией, с помощью этих выражений рассчитывают необходимую площадь газоселективной мембраны и ожидаемую концентрацию углекислого газа в упаковке с ГСЭМТ.

Рассмотрим возможность расчета контейнеров с ГСЭМТ для хранения в МГС срезанных цветов и стеблевых черенков на примере гвоздики ремонтантной. В результате предварительных экспериментов (Стрельцов, 1982) было установлено, что срезанные цветы и стеблевые черенки хорошо сохраняются в МГС при содержании кислорода около 12-18%. Определение параметров дыхания срезанных цветов и стеблевых черенков гвоздики показало, что для них характерны значения начальной интенсивности дыхания К0 3,34•10–8 и 1,74•10–8 м3/с•кг соответственно, а дыхательного коэффициента δ 1,3.

Воспользовавшись выражением (10), можно определить оптимальное для этого случая содержание углекислого газа в МГС при ГСЭМТ, например, из поливинилтриметилсилана (ПВТМС) с селективностью δ = 3. Подставив в формулу (10) известные значения, получим для углекислого газа значения концентрации от 1,3 до 4%. С учетом того что проницаемость мембраны ПВТМС по кислороду P1 = 5•10–10 м3/с, на основе выражения (11) для загрузки мембраны в случае хранения цветочной срезки получим значения μ ≈ 200, а стеблевых черенков μ ≈ 450 кг/м.

Практически при длительном хранении срезанных цветов и стеблевых черенков гвоздики ремонтантной в мягких полиэтиленовых пленочных контейнерах-упаковках с ГСЭМТ площадью 4 см2 до 10 цветов (80-100 г) или 200 г черенков в каждом контейнере в условиях стационарного режима устанавливался следующий состав МГС. Для цветов содержание углекислого газа составляло 1-5, кислорода 14-18%, для черенков 2-5 и 12-15% соответственно, что согласуется с расчетными данными.

Цветочная срезка гвоздики в таких условиях сохраняет свои качественные показатели при температуре хранения 3-6°С в течение 10-12 недель, а стеблевые черенки – 16-20 недель. Причем снятые с хранения и поставленные в воду в комнатных условиях цветы полностью распускаются через 3-4 дня, а черенки сохраняют тургор и свежесть, имеют каллюс и частично корневые зачатки, хорошо укореняются и развиваются. При хранении в тех же температурных условиях в холодильной камере (контроль) цветы и черенки теряли товарное качество на третью и пятую неделю соответственно.

Рассмотренный способ хранения цветов и черенков в малогабаритных полимерных пакетах с ГСЭМТ наиболее приемлем для цветоводческих хозяйств с небольшим объемом производства цветочной срезки и черенков.

Технология хранения цветов и черенков в модифицированной газовой среде с ГСЭМТ предусматривает срезку, например гвоздики первого сорта и экстра в полуроспуске без следов обработки химическими препаратами, без капельной влаги и механических повреждений. В прохладном помещении (6-10°С) формируют букеты по 10-20 цветов. Лучшие результаты дает последующая упаковка букетов цветов в полимерную рукавную сетку (см. главу 2).

Перед закладкой цветов в пленочную упаковку с ГСЭМТ тщательно проверяют целостность материала упаковки и мембраны, а также мест сопряжения ее с упаковкой. При обнаружении проколов и небольших порезов упаковки их герметизируют полимерной липкой лентой, а нарушенную целостность швов упаковки устраняют термосвариванием.

Затем цветы, количество которых зависит от параметров мембраны, помещают в упаковку стеблями вниз и выдерживают в течение 2-3 ч пакеты с открытой горловиной в условиях холода (при 1-4°С) во избежание образования конденсата, после чего герметизируют и устанавливают в вертикальном положении в коробчатую тару или в ящики на хранение, следя за тем, чтобы площадь ГСЭМТ не перекрывалась соседними упаковками. При герметизации упаковок термосваркой рекомендуется проводить ее в условиях прохладного помещения с последующим переносом цветов в хранилище и постепенным понижением температуры до рекомендуемых пределов. Герметизацию механическим способом проводят с помощью профильного полиэтиленового замка или путем сбора горловины упаковки в жгут с последующим его перегибом в продольном направлении и перевязкой.

Хранение цветов проводят на стеллажах в холодильных камерах. К упаковкам с цветами должен быть обеспечен доступ, так как их необходимо систематически осматривать (2 раза в неделю) и отбирать пробы газового состава (не реже одного раза в месяц). Для анализа газового состава проб, отбираемых из упаковок с хранимой продукцией, рекомендуется применять переносные газоанализаторы типа ГХП-3М и ВТИ-2 (см. главу 8).

При обнаружении видимого ухудшения качества цветов, а также сильного отклонения режима хранения по газовому составу (углекислого газа более 10, кислорода около 2%) в какой-либо упаковке ее снимают с хранения. В результате товароведной экспертизы устанавливают причины нарушения режима хранения и снижения качества продукции, после чего стандартные цветы отправляют в реализацию, а утратившие товарный вид списывают.

Сроки хранения увеличиваются на 5-10 дней при добавлении в упаковку с цветами активированного угля (одна таблетка на 20-30 цветов), который способствует поглощению этилена и снижению избыточной влажности.

Снятие цветов с хранения для реализации проводят в обратном порядке. Разгерметизированные цветы выдерживают 2-3 ч в упаковках с открытой горловиной, затем переносят в сортировочное помещение с температурой 10-15°С, где после осмотра и отбраковки упаковывают и отправляют в реализацию. Один из вариантов технологии хранения срезанных цветов в МГС представлен на рисунке 15.

Рис.15. Схема хранения срезанных цветов с применением контейнеров с ГСЭМТ:

1 – срезка цветов

2 – предварительное охлаждение

3 – упаковка в мягкий контейнер с ГСЭМТ и коробчатую тару

4 – хранение в холодильной камере

Технология хранения стеблевых черенков гвоздики ремонтантной в МГС близка к технологии хранения цветов. Она предусматривает заготовку черенков в зрелом состоянии, здоровых, без следов повреждений и поражения микрофлорой, чистых и без следов капельной влаги. Свеже заготовленные черенки переносят в сортировочно-упаковочное помещение с температурой 10-15°С, где затаривают в полимерные пленочные упаковки с ГСЭМТ. Количество черенков в каждой упаковке зависит от ее пара метров, а также параметров мембраны. Следует отметить, что как для цветов, так и для черенков эффективность хранения в МГС тем выше, чем меньше период времени между срезкой и размещением на хранение. Черенки помещают в упаковки основанием стеблей вниз и переносят в холодильную камеру на 2-3 ч в пакетах с открытой горловиной. Порядок герметизации, хранения, контроля качества, а также снятия с хранения такой же, как и для срезанных цветов. Введение в упаковку с черенками перед ее герметизацией 1-2 таблеток активированного угля на 0,5-1 кг черенков позволяет увеличить срок хранения на 1-2 недели. Лучшие результаты получают при хранении с температурным режимом 1-4°С.

При хранении цветов и черенков в упаковках с ГСЭМТ следует обратить особое внимание на стабильность температуры в камерах хранения. Ее суточные колебания не должны быть более ±1°С. В противном случае, особенно при резком скачке температуры, неизбежно появление в упаковках с продукцией конденсата, который способствует спонтанному развитию микрофлоры (обычно плесени). Хранение цветов и черенков в МГС с использованием пленочных упаковок с ГСЭМТ можно проводить и в бытовых холодильниках. При этом если не всю партию цветов одновременно снимают с хранения, то для поддержания температуры на постоянном уровне в месте помещения упаковок с продукцией следует предусмотреть термоизоляцию (лист полипропилена или аналогичного материала) со стороны открываемой двери холодильника.

Кроме того, на уровне полки с заложенной на хранение продукцией необходимо установить или положить термометр. Возможно хранение цветочной продукции в упаковках с ГСЭМТ при более высоких (до 11°С) температурах, однако и в этом случае резких колебаний не должно быть, максимальный же срок хранения при таких температурах заметно сокращается.

Более экономично и результативно для цветоводческих хозяйств хранение цветов и черенков в укрупненных мягких контейнерах в виде отдельных мешков (мягких контейнеров) или полиэтиленовых накидок с ГСЭМТ. Подобный способ хранения значительно сокращает затраты материалов на единицу массы продукции, снижает трудоемкость и эксплуатационные расходы.

Технология хранения цветов и черенков в укрупненных упаковках близка к методу хранения в малогабаритных пленочных упаковках с ГСЭМТ. Срезанные цветы и черенки одного вида и сорта закладывают без сдавливания в полимерные ящики или короба. Перед закладкой продукции ящики следует обработать дезинфицирующим раствором с последующим ополаскиванием чистой водой. Стеблевые черенки (1000 и более) в зависимости от габаритов тары и параметров контейнера с ГСЭМТ ставят вертикально в ящики срезом вниз (рис.16). После этого ящики с черенками в прохладном помещении затаривают в полимерный или пленочный контейнер так, чтобы мембрана располагалась над черенками, и переносят в хранилища, где выдерживают с открытой горловиной для температурной адаптации 2-3 ч. Затем горловину контейнера герметизируют.

Рис.16. Ящик с черенками

Сформированные в букеты цветы ставят вертикально в глубокий ящик из полимерного материала срезами вниз. При отсутствии специальной глубокой тары цветы можно размещать горизонтально в стандартных ящиках и коробках с водоотталкивающим покрытием. Однако при этом перед закладкой цветов следует на дно тары положить решетчатую прокладку во избежание прямого контакта цветов с капельным конденсатом, который в некоторых случаях может образовываться на дне ящика. Ящики с цветами размещают в мягких контейнерах с ГСЭМТ.

Хранение, контроль качества, снятие с хранения для реализации цветов и черенков в крупномерных контейнерах-упаковках проводят аналогично хранению в малогабаритных пленочных упаковках. В единичную укрупненную упаковку можно размещать не один, а группу ящиков или штабель с цветами и черенками, тогда укрупненной упаковкой служит полимерная пленочная накидка, герметизируемая у пола тем или иным способом: присыпкой закраин валиком песка, погружением в канавку с водой по периметру штабеля, свариванием с подложенным под штабель листом полиэтилена и т. д. При соблюдении технологии закладки на хранение, поддержании стабильного температурного режима (1-4°С) черенки в ящиках, помещаемые в мягкие пленочные контейнеры с ГСЭМТ, хранятся до 25-26, а цветы гвоздики – 13-14 недель.

Закладка и хранение цветов и черенков в единичную укрупненную упаковку-контейнер без дополнительных мероприятий по сохранности продукции может привести к частичной порче ее из-за продолжительного времени перехода к режиму хранения (от нескольких дней до нескольких недель в зависимости от массы продукции в контейнере).

Для устранения этих недостатков необходимо ускорять вытеснение избыточного кислорода из загруженного продукцией объема при одновременном увеличении в нем концентрации углекислого газа и улучшении режима охлаждения.

Эту универсальную задачу можно решить следующим образом. Перед герметизацией в нижнюю часть контейнера или под накидку с цветами и черенками помещают твердую углекислоту «сухой лед» (Рукавишников, 1982). Сухой лед, обладая способностью сублимироваться при температуре -78,9°С, не только вытесняет из контейнера избыток кислорода, но и обеспечивает увеличение концентрации углекислого газа, а также предварительное охлаждение заложенной на хранение продукции, поглощая 640 кДж/кг теплоты, что соответствует двукратной холодопроизводительности водного льда. В результате резко ускоряется достижение стационарного режима хранения и сводится до минимума вероятность появления на цветах и черенках конденсата. При сублимации твердой углекислоты отсутствует влага, вызывающая коррозию конструктивных материалов и ухудшающая прочность клеевых соединений. Кроме того, твердая углекислота нейтральна к металлам, а ее газовая атмосфера обладает бактерицидным действием.

Для определения необходимого количества твердой углекислоты нужно знать объем выделяющегося углекислого газа (Тезиков, 1952)

(17)

где V – объем углекислого газа, выделившегося из 1 кг твердой углекислоты, м3/кг; R – газовая постоянная, равная для углекислого газа 19,7 кгс•м/кг•К°; Т – абсолютная температура, °К; Р – давление, кг/м2; А – дополнительный член, характеризующий отклонение от уравнения состояния идеального газа.

При комнатной или пониженной положительной температуре (6-10°С), которая обычно бывает при закладке продукции на хранение, и нормальном атмосферном давлении значением дополнительного члена А можно. пренебречь вследствие его малости. Тогда при 20°С и давлении 101,3 кПа объем выделяющегося углекислого газа равен 0,55 м3/кг, а для условий охлаждаемого помещения (1-6°C; 101,3 кПа) – 0,5 м3/кг.

Большое значение при обеспечении режима хранения с помощью твердой углекислоты имеет также скорость достижения оптимальной для хранения концентрации углекислого газа. Она определяется скоростью сублимации твердой углекислоты и для нормальных условий близка к 6•10–6 кг/с, а для охлаждаемого помещения составляет 1,5•10–6 кг/с. Расчеты показывают, что для создания оптимальной МГС при содержании СО2 1-5% и О2 12-18% на 1 кг цветочной продукции достаточно около 0,5 г твердой углекислоты. С учетом потерь на сублимацию в окружающее пространство при укрытии и герметизации продукции, а также в зависимости от вида и сорта ее реальное значение расхода твердой углекислоты может доходить до 1 г на 1 кг цветочного материала.

Применение твердой углекислоты позволяет сократить достижение режима хранения по газовому составу до 3-5 ч вместо нескольких дней при традиционном способе создания МГС. Одновременно с этим срок хранения цветочной продукции увеличивается на 2-3 недели. Следует отметить, что кратковременное превышение (ударная обработка) оптимального состава МГС по углекислому газу (свыше 10%) благотворно сказывается на результатах хранения цветочной продукции.

Стабильность газового состава в крупномерном пленочном контейнере-накидке с заложенной на хранение продукцией зависит от герметичности получаемой емкости. В этом отношении решающую роль играет проницаемость ограждающих конструкций и в особенности закраины пленки внизу штабеля. Для оценки степени герметичности внутри емкости создают избыточное давление и определяют скорость его падения. При этом газоселективные мембраны, вмонтированные в боковые стенки накидки, необходимо «заглушить».

При недостаточной герметизации емкости газовая среда, образующаяся в процессе дыхания цветов и черенков и диффузии газовых компонентов сквозь газоселективную мембрану, будет существенно отличаться от расчетной, особенно если из-за перепада давления внутри емкости по отношению к наружной среде конвекционный газообмен будет превышать диффузионный.

При начальном перепаде давлений между внутренним объемом емкости и наружной атмосферой, равном р0, зависимость перепада давлений р от времени t определяется соотношением (Метлицкий, 1972)

р(t) = p0e–λt = p0e–t/t0 (18)

где λ – коэффициент падения давления, c–1; t0 – постоянная времени, с.

Емкость для хранения обладает достаточной степенью герметичности, если перепад давления снижается с 245 до 25,5 кПа. Пользуясь соотношением (18), получим выражение для λ в виде

(19)

При подстановке в формулу (19) указанных значений получим λ = 1,5•10–3 c–1, чему соответствует постоянная времени t0 = 666 с.

Реальные данные, характеризующие требования к герметичности камер холодильного хранения, отличаются от приведенных выше величин в сторону больших допусков на негерметичность. В частности, для субнормального и нормального газового режимов хранения они имеют следующие значения: нормальный режим λ1 = 0,1 c–1, субнормальный режим λ2 = 0,04 c–1.

Экспериментально установлено, что при герметизации штабеля с цветочной продукцией под накидкой с газоселективной мембраной (с присыпкой закраины у пола песчаным валиком) коэффициент падения давления λ при t0 = 1200 с в случае применения сухого песка составляет 1,33•10–3 с–1, а увлажненного (влажность = 13,6%) – 7,25•10–4 с–1. Эти значения соответствуют требованиям, которые предъявляются к степени герметизации емкости для хранения.

Хранение цветочной продукции в укрупненных упаковках – мягких контейнерах и под накидками с ГСЭМТ с использованием твердой углекислоты для ускорения перехода к режиму хранения и предварительного охлаждения позволяет сохранять срезанные цветы гвоздики в течение 14-16, а стеблевые черенки – до 29 недель.

Максимального срока хранения срезанных цветов и стеблевых черенков гвоздики – 20-22 и 30-34 недели соответственно – достигают при использовании МГС в сочетании с твердой углекислотой с условием предварительной выдержки цветочной продукции в водной среде, насыщенной озоном (см. главу 3).

Результаты наблюдений за состоянием продукции в процессе хранения следует заносить в журнал учета. Рекомендуемая форма регистрации наблюдений приведена ниже.

Результаты хранения цветов (черенков)

Отделение ________, камера ________

Все виды упаковок с ГСЭМТ можно использовать повторно. Для этого необходимо изнутри тщательно протереть или ополоснуть упаковку дезинфицирующим раствором с последующей ее просушкой и контролем целостности перед очередной закладкой цветочной продукции.