CC BY
1
УДК 633,11:631.53
DOI 10.24412/2311-6447-2022-4-171-177
Сохранение товарного качества плодов при использовании лазерной обработки яблони в продессе выращивания, уборки и закладки на хранение
Preservation of the marketable quality of fruits when using laser processing of apple trees in the process of growing,
harvesting and storing
Аспирант Ю.М. Аксеновская, доцент A.B. Аксеновский, доцент И.П, Криволапое, доцент C.IO. Щербаков
Мичуринский государственный аграрный университет, кафедра технологических процессов и техносферной безопасности, тел. 8-915-876-54-70, noky20022@mail.ru
Postgraduate student Yu.M. Aksenovskaya, Associate Professor A.V. Aksenovsky, Associate Professor LP, Krivolapov, Associate Professor S.Yu. Shcherbakov Michurinsk State Agrarian University, chair of Technological processes and technosphere safety, tel. 8-915-876-54-70, noky20022@mail.ru
Аннотация. Рассматривается существующий на настоящий момент весь спектр альтернативных экологически чистых способов, позволяющие повысить сохранность плодовой продукции, а также инновационные технологии применяемые в технологии храпения плодов. В ходе экспериментов установили, что воздействие инфракрасным лазерным излучением с длиной полны 890 им с целью повышения сохранности плодовой продукции является более дешевым, экологически чистым и доступным для практики приемом послеуборочной обработки; обработка лазерным излучением приводит к уменьшению потери массы продукдш! при хранении на 3-5 %, снижению повреждаемости физиологическими и микробиологическими заболеваниями в процессе хранения при воздействии в контейнерах и на дереве в саду на 12-14 и 13-15 % по сравнению с необработанными плодами соответственно, повышению активности фермента катал ала на различных этапах периода хранения от 50 до 90 %; 'экспериментально определены оптимальные параметры режима обработки инфракрасным лазерным излучением с длиной волны 890 им: время облучения - 10 с; плотность потока излучения - 0,25 Вт/м2.
Abstract The article examines the currently existing full range of alternative environ m en tally friendly methods that allow to increase the safety of fruit products, as well as innovative Technologies used in fruit storage technology. During the experiments, it was found that exposure to infrared laser radiation with a wavelength of 890 nm in order to increase the safety of fruit products is cheaper, environmentally friendly and affordable for post-harvest treatment; laser treatment results in a 3-5 % reduction in weight loss during storage, a 12-14 and 13-15 % reduction in damage to physiological and microbiological diseases during storage when exposed in containers and on a tree in the garden compared to untreated fruits, respectively, an increase in catalase enzyme activity at various stages of the storage period from 50 to 90 %; the optimal parameters of the infrared laser radiation treatment mode with a wavelength of 890 nm were experimentally determined; irradiation time - 10 s; radiation flux density - 0.25 W/mJ.
Ключевые слова: товарное качество плодов, потери продукции при хранения, лазерное излучение, плотность потока, технологические приемы
Keywords: commercial quality of fruits, product losses during storage, laser radiation, flow density, technological techniques
Как правило, товарное качество плодов обусловлено химическим составом, направленностью и интенсивностью обмена веществ. Устойчивость к физиологическим и микробиологическим заболеваниям формируется под влиянием ряда
©Аксеновская Ю.М., Аксеновский A.D., Криволапой И.П., Щербаков С.Ю., 2022
факторов: генотип сорта, экологические и агроклиматические условия выращивания, степень зрелости.
Рядом экспериментов подтверждено, что сохранность плодов при длительном хранении связана с биохимическими процессами, происходящими в них после снятия с дерева. Биохимическая природа старения растительных тканей на примере сочных плодов детально описывается в работах многих исследователей (Атаманчук и др., 1988; Макашвили, 1995; Гудковский, 1999; Озерецковская, 1999), в которых указано, что интенсивность возрастных изменений зависит от ряда факторов, связанных как с биологией плода, так и с внешними факторами.
Применение в сельскохозяйственном производстве химических реагентов с целью повышения лежко способности плодовой продукции в процессе хранения может со временем привести к нарушению экологического равновесия в биоцинозе (Алексеева, 1996).
Использование лазерной обработки плодовых насаждений и урожая предусматривает применение селективных средств, позволяющих существенно сократить потери при храпении. Это связано с активацией естественных механизмов регуляции обмена веществ и повьппеиием сопротивляемости их к заболеваниям.
Эти свойства лазерного излучению дают возможность концентрировать энергию на чрезвычайно малой площади диаметром до длины волны. В то же время высокая когерентность светового потока позволяет создавать сверхкороткие импульсы излучения, тем самым вмешиваться в течение химических реакгщй так называемых переходных состояний молекул, время существования которых занимает доли секунды. Но именно переходные состояния молекул лежат в основе жизненных процессов. Лазерное излучение способно избирательно поглощаться определенными молекулами (Инюшин и др., 1981).
Применение лазерного излучения как стимулирующее воздействие на различные процессы в тканях растительных организмов нашло отражение во многих научных трудах A.B. Будаговского.
Так как воздействие лазерным излучением может осухцествляетъся на плоды на дереве, возможно предложить, что формирование лежкоспособности происходит уже в саду. Активированная каталаза (фермент класса оксидоредуктаз) посредством воздействия лазерного излучения оказъгвает влияние на протекание обмена веществ уже в плодах, находящихся на дереве и частично компенсирует процессы, связанные с перезреванием продукции и поражениями физиологическими заболеваниями при хранении.
С ослаблением апаболитических процессов в стареющем или перезревающем плоде активность фермента пируватдекарбоксилазы возрастает, синтетические процессы прекращаются, что способствует накоплению спирта и ацетальдегида и активных форм кислорода, повышение их приводит к гибели тканей вследствие токсического действия.
Группой ученых НИИФХБ им. A.M. Белозерского и МГУ установлено, что программированная гибель клеток (апоптоз) сопровождается образованием значительного количества активных форм кислорода (АФК). В то же время АФК способны инициировать апоптоз в различных типах клеток. Это позволяет заключить, что АФК могут служить для усиления апоптозньгх сигналов и их передачи. Пероксид водорода является наиболее подходящей формой АФК для выполнения этой функции: он относительно стабилен и способен проникать через биомембраны.
Окислительные повреждения плодов проявляются при их хранении. В результате чего плоды многих сортов яблони поражаются загаром, побурением сердцевины, мокрьгм ожогом и др. Активность ферментов в растениях непостоянна и зависит от вида и органа растений, времени суток, температуры и влажности, при которой выращиваются растения, условий питания и от ряда других факторов. В зависимости от изменения активности с|)ерментов изменяется и направленность биохимических процессов, что, в конечном счете, приводит к изменению величины урожая и химического состава растений (Плепжов, 1985).
К факторам, негативно влияющим на товарное качество плодов, следует отнести: экстремальные низкие и высокие температуры, переувлажнение почвы, засуху, повышенную солнечную радиацию и загрязнители окружающей среды, а также избыток или недостаток отдельных питательных веществ.
Исследованиями С.М. Зубковой и O.A. Крылова (1980) отмечено, что при изучении природы первичной реакции поиск мишени в биологическом объекте, помимо обычных сверхчувствительных пигментов типа родопсина, привели к выводу, что одной из мишеней для лазерного излучения является фермент каталаза. Один из максимумов резонансного поглощения каталазы находится в красной области спектра. Активация каталазы под действием лазера стимулирует усиление образования АТФ в митохондриях и снижение свободнорадикального (неферментативного) окисления.
Как показали опыты ряда авторов (Рашевская, Нилова, 1952; Meheriuk, 1990), активность каталазы легко изменяется с изменением условий внешней среды. Она чувствительна к изменению температуры и действию солнечного света.
Гипотезой возникновения ответной реакции при воздействии лазерного излучения является активизация защитных процессов, препятствующих старению и, как следствие этого, - повышение качества и продолжительности хранения (Инюшин и др., 1981; Петров, 1982; Басов, Афанасьев, 1984).
Одним из путей реализации рассматриваемого нами направления оптической обработки плодовых насаждений и плодов после съема может быть использование полупроводниковых инфракрасных лазерных излучателей.
Они являются технологичными источниками лазерного излучения, обладающими достаточной возможностью использования в существующих схемах технологического процесса уборки урожая, надежностью, ремонтопригодностью, простотой эксплуатации и управления. Для изучения влияния лазерного излучения на лежкоспо-собность плодовой продукции был осуществлен ряд экспериментов, цель которых -выявление оптимальных параметров лазерной обработки плодовых насаждений во время вегетации и плодов перед закладкой на хранение.
Для осуществления эксперимента использовали лаб оратор но-полевую установку матричный облучатель плодов МОП - 15. На рис. 1 изображена зависимость изменение активности фермента каталаза в плодах от плотности потока лазерного излучения. Экспериментально установлено, что для плотности излучения оптимумом является интервал значений от 0,21 до 0,26 Вт/м2.
Следует отметить, что экспозиция обработки лазерным излучением плодов перед закладкой на хранение также существенно влияет на активность каталазы. Наибольший эффект наблюдался при воздействии на плоды лазерным излучением с экспозицией 10 с (рис. 2).
3,6 ■
.1,4 ■
3.2 ■
3 ■
2,8 •
16 ■
2,4 •
2.2 ■
2 ■
1.8 ■
1.6 ■
1.4 •
1.2 ■
I ■
0,8 ■ 0.6*
0.4 ■
аг ■ о ■
0,07 0,1 0,13 0,16 0.19 0,22 <123 0,2Я 0,31 0..34 0,3?
Рис. 1. Зависимость активность каталазы от плотности потока лазерного излучения при обработке плодов на дереве
А С
/
/ Л
Л л
J t l
v
V \
w V
Л \
L
bf
= -866. fljjfi ! R+fffi? -724; >7 т' ■; 1019.1* ■- 121" Iii14 V Ux-
7 '.411
Rr 0.Ш'
3.5
2,9
2.6
2.3 2
и
1.4 1,1 0,8 0,5
гЧ i i
>
""-i V
i L "i
> S "V,
N 1
s 1
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 продолжительность хранения, дни
■кокгро.чь
•время обработки №
"время обработки 10 —время обработки 120
Рис. 2. Зависимость активности каталазы в плодах от экспозиции обработки лазерным излучением
•х =
£
j
-
9
О
0.9
= 0.75
i) 6
0,45
0,3
0,15
Ileo бра бот, IHH ле \
/ ' ~j i,
Об >1Ю1 »i ai II ы
Л=0,28
5 15 25 35 45 55 65 75 S5 95 105 115 125 Продолжительность хранения, дни
Рис. 3. Зависимость повреждаемости заболеваниями у необработанных и плодов, обработанных лазерным излучением с экспозицией 10 с
На рис. 3 показана зависимость повреждаемости плодов физиологическими и микробиологическими заболеваниями в процессе хранения от применения обработки лазерным излучением. Повреждение заболеваниями в процессе хранения у партий облученных плодов наблюдается меньше, чем у необлученных.
Возможность регулирования качества плодов перед съемом путем лазерного облучения с целью их лучшей сохранности может быть реализована в создании оборудования с лазерными излучателями, устанавливаемом на транспортном средстве, движущемся в междурядье сада и действующем одновременно на два ряда деревьев. Схематическое изображение обработки плодов в кроне дерева приведено на рис. 4. Ниже приведен расчет отдельных элементов технологического процесса уборки и
закладки плодов на хранение. Для расчета принимаем расстояние между штамбами деревьев в ряду сада - С, м; расстояние от высота древа - Нс1, м; расстояние между кронами - к, м.
Принимаем, что величина кроны равна просвету между деревьями 2В = к, а расстояние между штамбами деревьев С = 2В+ к. Тогда скорость движения агрегата составит:
2 В
V-—-(
где I - время облучения плодов в кроне, с.
Экспериментально известно оптимальное время обработки плодов I = 10-12 с и плотность потока излучения Р - 0,25 Вт/м2, а схема посадки сада 6><4, тогда скорость перемещения объекта относительно кроны будет равна 1,2-1,4 км/ч: Схема движения агрегата в междурядьях сада приведена на рис. 5. Если принять что за один проход обрабатываются 2 ряда - по обе стороны облучателя, то производительность агрегата состоящего из сдвоенного прибора МОП -15 и минитрактора (рис. 5).
4 2 3 1
Рис. 4. Движение трактора агрегатироваиного с установкой МОП-15 по междурядью сада: 1 - трактор; 2 - лазерный излучатель; 3- матричный облучатель плодов МОП - 15; 4 - крона плодового дерева
Время, затраченное на обработку участка равно: ,„ _ О-с-Ы-а ~ е•V - 3 ООО
!
где О - площадь участка, га; с - расстояние между деревьями, м; N - количество деревьев на 1 га, шт.; а = 1,3 - коэффициент, учитывающий время на повороты и техническое обслуживание; е - количество одновременно обрабатываемых рядов; V - скорость агрегата, км/ч;
Производительность агрегата равна g, га/ч:
О-е-у-ЮОО
с-N-а
Или можно выразить производительность по массе через урожайность т, т/ч:
у ■ е•V■1 ООО /» = ------ =
с- N -а
где у - урожайность, т / га.
Масса обработанных плодов равна, т:
ЬА - т-С
Масса дополнительно сохраненной продукции с 1 га, т:
тд = т • ц
где с{ - доля дополнительно сохраненной продукции после обработки.
Количество сборщиков, осуществляющих затаривание плодов в контейнеры при съеме, равно:
1Т 3600-Мк-Ио N =■--
р-т-и
где N - количество сборщиков, чел; Мк. - масса плодов в контейнере, кг; Ьо - глубина проникновения излучения по высоте слоя, мм; Р - производительность при затаривании, кг/ч; Нк - высота плодов в контейнере, мм; 1о - оптимальное время обработки слоя, с.
В ходе опытов пришли к следующим выводам:
1. Воздействие инфракрасным лазерным излучением с длиной волны 890 нм с целью повышения сохранности плодовой продукции является более дешевым, экологически чистым и доступным для практики приемом послеубо-рочной обработки.
2. Обработка лазерным излучением приводит:
- к уменьшению потери массы продукции при хранении на 3-5 %;
- к снижению повреждаемости физиологическими и микробиологическими заболеваниями в процессе хранения при воздействии в контейнерах и на дереве в саду на 12-14 и 13-15 % по сравнению с необработанными плодами соответственно;
- к повышению активности фермента каталаза на различных этапах периода хранения от 50 до 90 %.
3. Экспериментально определены оптимальные параметры режима обработки инфракрасным лазерным излучением с длиной волны 890 нм:
- время облучения - 10 с;
- плотность потока излучения - 0,25 Вт/м2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Будаговекий, Л.В. О способности клеток различать когерентность оптического излучения / Л.В. Будаговекий // Квантовая электроника,-2005. № 4,- С.369-374,
2. Будаговекий, А.В. Совершенствование электротехнологических методов лазерной обработки растений и плодов: Автореферат дис. ... канд. техн. наук / А.В. Будаговекий.-Москва, 2006- 26 с.
3. Гордеев, Л.С. Использование солнечной энергии в технологии обработки плодов лазерным излучением / А.С. Гордеев, В.П. Меншиков, М.А. Шукралиев / Высокие технологии энергосбережения // Труды международной школы-конференции,-Воронеж: Издательский дом «Кварта», 2005.-188 с. ISBN 5-89609-077-3.
REFERENCES
1. Budagovsky, A.V. On the ability of cells to distinguish the cohercnce of optical radiation / A.V. Budagovsky // Quantum Electronics,-2005. No. 4 - pp.369-374.
2. Budagovsky, A.V. Improvement of electrotechnological methods of laser treatment of plants and fruits: Abstract of dis. ... Candidate of Technical Sciences / A.V. Budagovsky-Moscow, 2006 - 26s.
5. Gordeev, A.S. The use of solar energy in the technology of fruit processing by laser radiation / A.S. Gordeev, V.P. Mcnshchikov, M.A. Shukraliev / High energy saving technologies // Proceedings of the International school-conference.- Voronezh: Publishing House "Kvart", 2005.-188 p. ISBN 5-89609-077-3.
