生物质干燥过程中的微细结构演化.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：063318 生物质干燥过程中的微细结构演化 刘宁 王补宣 彭晓峰 相变与界面传递现象实验室，清。挣大学热能工程系北京100084 Tel：OIO E-mail：n-liu@mails．tsinghua．edu．ca 摘要： 奉文以洋葱根尖分生区组织为研究对象。进行十燥过程中的可视化观察分析。通过观察f：I【织细 胞的显微结构，发现细胞破裂可归纳为单裂和龟裂两种情况，细胞整体结构逐渐破坏，最终觚休，细 胞核则逐渐被拉K以致破裂；温度和水分梯度的存在，使洋葱根外表皮处剪应力值最大，细胞址先发 生破裂。 关键词：生物物料干燥洋葱根尖分生区组织细胞可视化破裂 一、引言 种种生物热科学技术，均涉及到大量的微米／纳米尺度传热传质问题。从本质上， 温度对生命系统的影响同时体现在分子及微米细胞水平上，这种影响又反映到组织的宏 观尺度上。在众多的物理因素(如电、磁、．声、光、热等)中，温度显著地影响着微尺度 水平上的生命行为。研究者们提出了一系列有效的微尺度热科学理论研究方法，包括从 量子分子动力学到连续介质模型，不少跨尺度研究也在逐步展开。实验技术方面，～些 特殊测量方法的空间、时间和／或能量的分辨率极限正被逐渐打破，新方法也层出不穷， 但具有良好适应性的微／纳米热测试技术仍亟待开展。已有的研究工作中，植物干燥传 热传质已经得到了系统和全面地宏观分析，能够准确地推导出传热传质模型，用米准确 预测干燥过程中物料内部的水分分布和温度分布。但在细胞层面上的传热传质问题的研 究还是十分匮乏，缺少定量的传热传质模型，以及实验观测结果的验证。本研究以植物 细胞的干燥过程为切入点，希望通过对～些常见的植物细胞的干燥过程特性的探索。为 细胞层面上干燥问题的深入认识和相关热物理问题研究积累一些实验事实。‘ 量度计 敏佯臻 ∑ 湖m夕 ／好 图i--t二燥实验台 图2观测实验台 二、实验原理和装置 实验装置和系统如图J、图2所示。 一统黼淼篇篙淼谢慨、?灌不滴引2妁 f仪器与设备：吸水纸、滴管、恒温水浴锅、定时器、显微镜 观测系统{ 数码相机、图像采集系统 ．I药品：解离液、蕃红染色剂，改良石碳酸品红染色剂 三、实验结果和简要分析 3．1干燥过程中的宏观特性 将洋葱根尖分生区组织在室外阳光充足处(～25℃)自然干燥，每隔5min取样观 察。实验观察到的宏观现象主要是褐变和应力裂纹。果蔬的褐变包括酶促褐变和非酶褐 变两大类，都会影响到果蔬的产品质量。在阳光下晒干的洋葱根，其过氧化酶(POD) 和多酚氧化酶(PPO)等保存率均较高。过氧化酶在众多种酶中耐热性最好，而多酚氧 化酶虽然耐热性低于过氧化酶，但本实验中自然干燥的温度还不能起到灭酶的作用。晒 干的时间较长，在这较长的干燥过程中酶促褐变的发生必然影响到材料的色泽。 洋葱根干燥过程中内部出现水分和温度梯度，产生不均匀膨胀或收缩，导致内部形 成应力，且内应力超过洋葱根的极限强度时就会产生裂纹；洋葱根表层失水速度快而产 生收缩，处于拉应力状态，相应地通过在中心形成压应力达至0平衡。此时应力状态为“内 压外拉”。洋葱根表皮比较脆弱，不能承受较大的拉应力，因此很容易产生应力裂纹。 干燥后，洋葱根会形成“内湿外干”的水分梯度：干燥结束后，洋葱根内部水分梯度在 冷却过程中进行重新分布。其内部水分逐渐向外扩散，表层吸水膨胀，对内部产生拉应 力。当拉应力达到极限时，洋葱根就会产生新的应力裂纹。 3．2干燥过程中的微观特性 自然晾晒过程会对洋葱根的内部结构产生影响，对洋葱根内部的显微组织进行分析 研究，有助于全面了解洋葱根的形态结构和力学特征，以及干燥对其产生的本质影响。 考虑干燥过程中洋葱根尖分生区组织单个细胞形态的改变，包括细胞核形态的变化和细 胞整体形态的变化两部分，如图3和图4所示，不考虑细胞间质。