غلظت بهینه برای فیلم محافظ تشکیل‌شده توسط PVP در حفظ میوه‌ها و سبزی‌ها چقدر است؟

ضخامت تشکیل فیلم PVP و اثر حفظ میوه‌ها و سبزیجات «هرچه ضخیم‌تر، بهتر» نیست، بلکه یک «محدوده ضخامت مناسب» وجود دارد - ضخامت باید بین «ویژگی‌های سد فیزیکی» و «نفوذپذیری فیلم» تعادل برقرار کند. فیلم‌هایی که خیلی نازک یا خیلی ضخیم باشند، هر دو می‌توانند اثر نگهداری را کاهش داده و حتی مشکلات منفی ایجاد کنند. رابطه خاص این موضوع را می‌توان از سه بعد «خیلی نازک، مناسب و خیلی ضخیم» تحلیل کرد و منطق اصلی را می‌توان با توجه به ویژگی‌های میوه‌ها و سبزیجات و همچنین سناریوهای کاربردی توضیح داد:

اصل اساسی: ضخامت باید بین «ویژگی سد» و «قابلیت تنفس» تعادل ایجاد کند

مبنای حفظ مواد با فیلم PVP، «حفاظت متعادل» است: این فیلم باید با ساختاری متراکم از دست‌دادن آب و نفوذ اکسیژن خارجی جلوگیری کند (که باعث تأخیر در تبخیر، تنفس و اکسیداسیون می‌شود)، در عین حال باید دارای درجه‌ای از نفوذپذیری هوا نیز باشد (به‌گونه‌ای که میوه‌ها و سبزیجات بتوانند به‌صورت طبیعی دی‌اکسید کربن را آزاد کنند و از تنفس بی‌هوازی جلوگیری شود). بنابراین، «ضخامت مناسب» کلید دستیابی به این تعادل است که معمولاً در محدوده میکرومتر (μm) قرار دارد (مقدار دقیق آن بسته به نوع میوه و سبزیجات متفاوت است و عموماً بین ۱ تا ۵ میکرومتر است).

ب- تأثیر فواصل ضخامت مختلف بر اثر حفاظت

۱. فیلم بسیار نازک (معمولاً < ۱ میکرومتر، یا لایه فیلم پیوسته نباشد): اثر حفاظتی به‌طور قابل‌توجهی ناکافی است

هنگامی که ضخامت غشای PVP به مقدار بحرانی «غشای متراکم پیوسته» نمی‌رسد، ساختار غشا مستعد تشکیل منافذ، ترک‌ها یا نقص‌های محلی است که منجر به شکست عملکرد حفاظت هسته می‌شود. به طور خاص این موضوع به شرح زیر نمایان می‌گردد:

· خواص سدی ضعیف، نفوذ آب و اکسیژن به راحتی انجام می‌شود:

منافذ فیلمباعث تبخیر سریع رطوبت داخلی میوه‌ها و سبزیجات می‌شود (برای مثال خیار و کاهو در عرض ۱ تا ۲ روز شل می‌شوند)، در همین حال مقدار زیادی اکسیژن خارجی وارد می‌شود که باعث تسریع تنفس (مصرف قند و ایجاد طعم ملایم) و واکنش‌های اکسیداسیون (از دست دادن ویتامین C و سیاه شدن پوست، مانند تغییر رنگ سریع سیب پس از برش) می‌گردد و به طور قابل توجهی ماندگاری محصول را کاهش می‌دهد.

چسبندگی فیلم ضعیف است و تمایل به جدایش و از کار افتادن دارد.

وقتی فیلم بسیار نازک باشد، سطح اتصال آن با پوست میوه‌ها و سبزیجات کوچک بوده و اثر پیوند هیدروژنی ضعیف است. در طول حمل‌ونقل، شست‌وشو یا انبساط و انقباض جزئی خود میوه‌ها و سبزیجات (مانند تغییر شکل پوست ناشی از نوسان دمای در طول نگهداری)، فیلم مستعد ترک خوردن و ریزش بوده و عملکرد محافظتی پیوسته خود را از دست می‌دهد.

برای سبزیجات برگی (مانند کاهو)، اگر ضخامت فیلم کمتر از 0.8μm باشد، نرخ از دست دادن وزن پس از 3 روز نگهداری می‌تواند به بیش از 15٪ برسد (حدود 20٪ در گروه بدون درمان و تنها 8٪ در گروه با ضخامت مناسب)، و مزیت نگهداری واضح نیست.

2. ضخامت مناسب فیلم (معمولاً 1-5μm، پیوسته، متراکم و با قابلیت تنفس کنترل‌شده): بیشترین اثر نگهداری را به ارمغان می‌آورد

فیلم PVP در این محدوده ضخامت به‌طور همزمان می‌تواند نیازهای «سده مؤثر» و «نفوذپذیری ایمن» را برآورده کند، که حالت بهینه اثر حفاظتی محسوب می‌شود. مزایای خاص شامل:

· حفظ بسیار کارآمد آب، با حفظ تردی و آبداری میوه‌ها و سبزیجات:

فیلم پیوسته و متراکم می‌تواند نرخ تبخیر آب را به‌طور چشمگیری کاهش دهد. به عنوان مثال، پرتقال‌های نارنجی که با فیلم 2 میکرومتری PVP پوشش داده شده‌اند، پس از 20 روز نگهداری (دمای محیط) تنها 5 تا 8 درصد از وزن خود را از دست می‌دهند (در حالی که گروه بدون پوشش 15 تا 20 درصد کاهش وزن دارند) و می‌توانند مدت طولانی‌ای پوستی پرچین و گوشتی آبدار حفظ کنند.

· جداسازی متوسط اکسیژن برای تأخیر در تنفس و اکسیداسیون:

لایه فیلم می‌تواند غلظت اکسیژن در اطراف اپیدرم را کاهش دهد (از ۲۱٪ در هوا به ۵ تا ۱۰٪)، که نه تنها مصرف قند و اسیدهای آلی را از طریق تنفس کند می‌کند (برای مثال، گوجه‌فرنگی پس از نگهداری همچنان طعم شیرین و ترش خود را حفظ می‌کند)، بلکه از دست‌دادن اکسیداتیو ویتامین ث و کاروتنوئیدها را نیز کاهش می‌دهد (به عنوان مثال، میزان حفظ ویتامین ث در فلفل سبز ۱۵ تا ۲۵٪ بالاتر از گروه بدون درمان است).

· قابلیت تنفس و کنترل، جلوگیری از خطر تنفس بی‌هوازی:

اگرچه غشای میکرونی متراکم است، اما همچنان دارای منافذ ناچیز (یا شکاف‌های ریز در زنجیره مولکولی PVP) می‌باشد که اجازه می‌دهد دی‌اکسید کربن تولید شده در اثر تنفس میوه‌ها و سبزیجات به آرامی دفع شود و از تنفس بی‌هوازی ناشی از «درزگیری کامل» جلوگیری کند (که منجر به تولید الکل و استالدئید شده و باعث بوی نامطبوع در میوه‌ها و سبزیجات و پوسیدگی گوشت میوه می‌شود). برای مثال، تنفس بی‌هوازی در توت‌فرنگی می‌تواند باعث ایجاد بوی «شبیه به شراب» شود و رشد کپک را تسریع کند.

پس از پوشش‌دهی سیب با فیلم PVP به ضخامت 3 میکرومتر، نرخ حفظ سفتی آن پس از 30 روز نگهداری به 80 درصد رسید (در حالی که در گروه بدون پوشش این مقدار تنها 60 درصد بود) و هیچ طعم الکلی نداشت و بافتی نزدیک به سیب تازه برداشت شده داشت.

3. ضخامت بیش از حد فیلم (معمولاً > 5 میکرومتر، یا انباشت لایه‌های فیلم): اثر نگهدارندگی کاهش یافته و ممکن است حتی منجر به بدتر شدن کیفیت شود

هنگامی که ضخامت فیلم PVP از محدوده مناسب فراتر رود، «عیب نفوذپذیری هوا» در فیلم تبدیل به مشکل اصلی شده و به جای بهبود، کیفیت میوه‌ها و سبزیجات را خراب می‌کند. مشکلات خاص شامل:

· کاهش ناگهانی نفوذپذیری هوا و ایجاد تنفس بی‌هوازی:

ضخامت بیش از حد فیلم به‌طور قابل توجهی مسیرهای تهویه را مسدود می‌کند و باعث می‌شود اکسیژن نتواند وارد شود و دی‌اکسید کربن نیز نتواند خارج شود. در نتیجه، محیطی «کم‌اکسیژن و پر از دی‌اکسید کربن» درون میوه‌ها و سبزیجات ایجاد می‌شود که منجر به تنفس بی‌هوازی می‌گردد. برای مثال، اگر ضخامت فیلم روی توت‌فرنگی بیشتر از 6 میکرومتر باشد، محتوای محصولات تنفس بی‌هوازی (الکل) پس از 5 روز نگهداری به بیش از 0.3 درصد می‌رسد (در حالی که در گروه با ضخامت مناسب کمتر از 0.1 درصد است)، که با بوی قوی الکلی، بافت نرم و افزایش نرخ فساد همراه است.

لایه فیزیکی فیلم به وضوح حس می‌شود و تجربه خوردن را تحت تأثیر قرار می‌دهد:

ضخامت بیش از حد لایه PVP (به ویژه هنگامی که بیشتر از 8 میکرومتر باشد) می‌تواند باعث ایجاد بافتی کمی «چسبنده» یا «مانند موم» روی سطح میوه‌ها و سبزیجات شود (هرچند خود PVP بویی ندارد، اما در صورت تجمع ضخامت، از طریق لمس قابل احساس است)، که این امر باعث از بین رفتن بافت اولیه پوست میوه‌ها و سبزیجات می‌شود (مانند حس صاف پوست مرکبات و تجربه ترد بودن پوست سیب).

· افزایش هزینه + کارایی پایین خشک‌کردن، عدم عملی‌بودن:

لایه‌های ضخیم به مواد اولیه بیشتری از PVP نیاز دارند (هنگامی که ضخامت لایه دو برابر می‌شود، مصرف PVP حدوداً ۱٫۸ تا ۲٫۲ برابر افزایش می‌یابد)، و زمان خشک‌کردن به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد (برای مثال، لایه‌های 5 میکرومتری که با روش غوطه‌وری تهیه می‌شوند، به 2 تا 3 ساعت خشک‌کردن نیاز دارند و لایه‌های 10 میکرومتری به 5 تا 6 ساعت نیاز دارند)، که این امر زمان تولید و هزینه‌ها را افزایش می‌دهد. در عین حال، خشک‌کردن طولانی‌مدت ممکن است باعث از دست دادن رطوبت طبیعی میوه‌ها و سبزیجات شود (که در نتیجه اثر قفل کردن آب توسط لایه را خنثی می‌کند).

پس از اینکه هلوها با فیلم PVP به ضخامت 8 میکرومتر پوشش داده شدند و به مدت 10 روز نگهداری شدند، نرخ پوسیدگی به 20 درصد رسید (در حالی که در گروه ضخامت مناسب فقط 5 درصد بود) و سطح پوست حس چسبندگی مشخصی داشت که منجر به کاهش پذیرش مصرف‌کننده شد.

III. عوامل کلیدی مؤثر بر «ضخامت مناسب» (نیازمند تنظیم پویا)

ضخامت «مناسب» فیلم PVP یک مقدار ثابت نیست و باید با توجه به ویژگی‌های میوه‌ها و سبزیجات و فرآیند کاربرد آن تنظیم شود. عوامل اصلی مؤثر شامل:

1. ویژگی‌های پوست میوه‌ها و سبزیجات:

میوه‌ها و سبزیجات با پوست ضخیم و دهانه‌های ریز (مانند سیب و مرکبات): آن‌ها می‌توانند فیلم‌های کمی ضخیم‌تر (3 تا 5 میکرومتر) را تحمل کنند. با توجه به تراوایی هوا در پوست آن‌ها که از خود پایین است، فیلم‌های ضخیم نباید تأثیر زیادی بر تراوایی کلی داشته باشند.

برای میوه‌ها و سبزیجات با پوست نازک، دهانه‌های ریز زیاد یا موی پرزدار (مانند توت فرنگی و هلو): لایه نازک‌تری (۱-۲ میکرومتر) مورد نیاز است تا از مسدود شدن دهانه‌ها یا فشرده شدن پرزها توسط فیلم جلوگیری شود که ممکن است به آسیب به پوست و در نهایت فساد منجر شود.

۲. فرآیند کاربرد:

o روش غوطه‌وری: کنترل دقیق ضخامت فیلم دشوار است. ممکن است فیلم به دلیل زمان طولانی‌تر غوطه‌وری (مانند بیش از ۱۰ دقیقه) یا غلظت بیش از حد PVP (مانند بیش از ۰٫۵٪) خیلی ضخیم شود. برای اصلاح این موضوع باید زمان غوطه‌وری (۵-۸ دقیقه) را کوتاه‌تر یا غلظت را کم‌تر (۰٫۱-۰٫۳٪) کرد.

o روش پاشش (مانند پاشش اولتراسونیک): ضخامت فیلم را می‌توان با تنظیم فشار پاشش (۰٫۲-۰٫۴ مگاپاسکال) و فاصله نازل (۱۵-۲۰ سانتی‌متر) به‌طور دقیق کنترل کرد که انجام دادن محدوده مناسب ۱-۳ میکرومتر را آسان‌تر می‌سازد.

۳. محیط نگهداری:

در محیط‌های با دمای بالا و رطوبت زیاد (مانند نگهداری در دمای معمولی در تابستان): نیاز به یک لایه کمی نازک‌تر (۱-۲ میکرومتر) است تا نفوذپذیری هوا افزایش یابد و انباشت دی‌اکسید کربن جلوگیری شود.

در محیط‌های سرد و کم‌رطوبت (مانند نگهداری در زنجیره سرد در دمای ۰-۴ درجه سانتی‌گراد): می‌تواند کمی ضخیم‌تر باشد (۳-۴ میکرومتر)، زیرا دمای پایین موجب کاهش تنفس شده و یک لایه ضخیم‌تر می‌تواند بهتر آب را حفظ کند (در محیط‌های کم‌رطوبت، از دست دادن آب سریع‌تر است).

چهارم. نحوه کنترل "ضخامت مناسب" در کاربردهای عملی

۱. تنظیم از طریق ارتباط غلظت PVP و پارامترهای فرآیند:

غلظت o عامل اساسی است: محلول PVP با غلظت ۰٫۱ تا ۰٫۴ درصد (متناظر با غلظت بهینه ذکرشده در بالا)، همراه با غوطه‌وری معمولی (۵ تا ۸ دقیقه) یا پاشش (فشار ۰٫۳ مگاپاسکال)، معمولاً می‌تواند لایه‌ای با ضخامت مناسب ۱ تا ۳ میکرومتر ایجاد کند. اگر لایه ضخیم‌تری (مانند مرکبات) مورد نیاز باشد، می‌توان غلظت را به ۰٫۳ تا ۰٫۵ درصد افزایش داد، اما باید زمان غوطه‌وری به‌طور همزمان کاهش یابد.

۲. بررسی ضخامت به کمک روش‌های اندازه‌گیری

در صنعت، از «دستگاه‌های اندازه‌گیری ضخامت فیلم» (مانند دستگاه‌های لیزری ضخامت‌سنج) معمولاً برای اندازه‌گیری مستقیم ضخامت فیلم استفاده می‌شود، یا از طریق «آزمایش‌های پیشین نرخ کاهش وزن» به‌صورت غیرمستقیم تعیین می‌شود — اگر نرخ کاهش وزن اولیه در طی نگهداری کمتر از ۱ درصد در روز باشد و علائمی از تنفس بی‌هوازی (بوی الکل) مشاهده نشود، ضخامت در حد کافی مناسب است.

۳. انجام آزمایش‌های گرادیانی برای میوه‌ها و سبزیجات خاص:

برای ارقام جدید میوه‌ها و سبزیجات (مانند توت آبی و گیلاس)، ابتدا باید سه شیب ضخامت ۱ میکرومتر، ۲ میکرومتر و ۳ میکرومتر را آزمایش کرد. نرخ کاهش وزن، شدت تنفس و نرخ پوسیدگی در بازه زمانی ۷ تا ۱۰ روز باید پایش شود و ضخامتی که بهترین شاخص‌های ترکیبی را داشته باشد، انتخاب گردد.

خلاصه

رابطه اصلی بین ضخامت فیلم تشکیل‌شده از PVP و اثر حفظ میوه‌ها و سبزیجات، «تعادل بین عایق‌بودن و نفوذپذیری هوا» است:

· خیلی نازک → شکست در عایق‌بودن، عمر انبارمانی کوتاه؛

· مناسب (۱-۵ میکرومتر) → ترکیبی از حفظ رطوبت، جداسازی اکسیژن و تهویه را فراهم می‌کند و اثر نگهداری را به حداکثر می‌رساند؛

· ضخامت بیش از حد → نفوذپذیری هوا ناکافی، ایجاد تنفس بی‌هوازی و بدتر شدن کیفیت.

در کاربردهای عملی، لازم است نوع میوه‌ها و سبزیجات، فرآیند و محیط نگهداری را ترکیب کرد و ضخامت را از طریق "غلظت + فرآیند" تنظیم نموده و آن را از طریق آزمایش‌های پیشین تأیید کنیم تا بهترین اثر حفظ‌کنندگی حاصل شود.