基于UVC LED系统的茂谷柑采后保鲜技术研究

工程学 光学 环境工程 物理学 生命科学 生物工程 植物学
UVC技术 果品保鲜 茂谷柑 光学系统 绿色霉菌

学术背景

柑橘类水果因其丰富的营养价值和独特的风味，长期以来深受消费者喜爱。然而，柑橘在采后储存过程中极易受到病害侵袭，尤其是由青霉菌（*Penicillium digitatum*）引起的绿霉病，这种病害会导致果实腐烂并显著缩短其储存寿命。传统上，化学杀菌剂被广泛用于控制绿霉病，但由于化学残留对健康和环境的潜在威胁，非化学替代方法逐渐成为研究热点。

近年来，物理处理技术因其无残留、环保的特点备受关注，其中紫外线C（UVC，波长200-280 nm）辐射被认为是一种有潜力的解决方案。UVC能够通过破坏病原体DNA来抑制病害发展，同时还能增强果实抗性并延缓成熟。然而，尽管已有研究表明UVC可有效减少柑橘绿霉病的发生，但其在商业化应用中仍面临诸多挑战，例如光照均匀性和剂量控制等问题。为了解决这些问题，本研究旨在设计一种基于UVC LED的光学系统，优化光分布均匀性，并评估其在Murcott柑橘保鲜中的实际效果。

论文来源

这篇论文由Le Thi-Thi-Ngoc及其团队撰写，作者来自台湾国立中央大学光电与光子学系、台中区农业改良场作物环境科以及国立阳明交通大学电子物理系。论文于2025年发表在《Optical and Quantum Electronics》期刊上，文章编号为57:161，DOI为10.1007/s11082-025-08071-w。

研究流程

a) 实验设计与工作流程

本研究主要包括以下几个步骤：

1. 光学建模与系统设计

研究首先选择了波长为275 nm的UVC LED作为光源，其输出功率在电流为0.350 A时达到50 mW。为了提高光分布的均匀性，研究团队为每个LED配备了穹顶透镜以缩小发散角。通过荧光膜实验结合蒙特卡罗光线追踪法（Monte-Carlo ray-tracing method），研究人员建立了精确的LED光学模型，并将其应用于系统设计。

最终设计的系统包含一个4×4阵列的UVC LED，每个LED对应一个Murcott柑橘。整个系统的光学模块位于目标区域上方23 cm处，目标区域大小为34×34 cm²。系统还配备了一个铝制腔体以减少热量问题，并确保光线集中照射到目标区域。

2. 辐照度监测与分析

为了验证系统的性能，研究人员分别在模拟和实验中测量了目标区域的辐照度分布。具体来说，他们使用功率计检测器记录了目标区域不同位置的辐照度值，并计算了均匀性和光学利用率（OUF）。结果显示，在模拟中，均匀性达到85.4%，OUF为80.2%；而在实验中，均匀性为77.2%，表明该系统具有较高的光学性能。

此外，研究还通过关闭特定位置的LED来测试系统的灵活性。结果表明，即使某些LED关闭，其余LED仍能确保目标区域内的均匀辐照。

3. UVC处理对青霉菌的影响（体外实验）

为了评估UVC对青霉菌的抑制效果，研究人员将*P. digitatum*孢子悬浮液暴露于不同剂量的UVC下（0.00至1.50 kJ/m²）。经过24小时培养后，观察孢子萌发情况；再经过72小时培养后，统计菌落形成数量。结果表明，当UVC剂量超过0.3 kJ/m²时，孢子生长受到显著抑制，抑制率超过90%。

4. UVC处理对Murcott柑橘的影响（体内实验）

研究人员选取了不同组别的Murcott柑橘，分别进行0至20分钟的UVC处理，对应的UVC剂量范围为0.00至6.00 kJ/m²。处理后的柑橘在室温条件下储存，并定期评估其病害严重指数（DSI）。结果显示，UVC剂量在0.9至4.5 kJ/m²范围内可有效维持柑橘品质长达四周，而最佳剂量为1.5 kJ/m²。

b) 主要结果

1. 光学性能

在目标区域内，系统的辐照度分布在3至5 W/m²之间，均匀性在模拟和实验中分别达到85.4%和77.2%。这表明该系统能够高效地将光线集中在目标区域，并保持较高的均匀性。

2. 青霉菌抑制效果

体外实验显示，当UVC剂量超过0.3 kJ/m²时，*P. digitatum*孢子的生长受到显著抑制，抑制率超过90%。这一结果验证了UVC对病原体的有效杀灭能力。

3. Murcott柑橘保鲜效果

体内实验表明，UVC处理可显著降低Murcott柑橘的绿霉病发生率。在0.9至4.5 kJ/m²的剂量范围内，柑橘的病害严重指数（DSI）在四周内保持低于10%。然而，过高的UVC剂量（如6.0 kJ/m²）并未进一步改善保鲜效果，反而可能导致能量浪费。

c) 结论与意义

本研究表明，基于UVC LED的光学系统能够有效延长Murcott柑橘的采后保鲜期。该系统不仅具有较高的光学性能，还可以灵活调整以适应不同的应用场景。此外，研究还揭示了UVC剂量与保鲜效果之间的关系，为未来优化UVC处理提供了重要参考。

从科学价值来看，这项研究填补了UVC技术在柑橘保鲜领域应用的空白，为后续研究奠定了基础。从应用价值来看，该系统具有成本低、操作简单、维护方便等优势，适合大规模商业化推广。

d) 研究亮点

  1. 创新的光学设计：通过穹顶透镜优化光分布，显著提高了辐照均匀性。
  2. 灵活的应用场景：系统可智能集成自动化控制，根据实际需求选择性开启或关闭LED。
  3. 明确的剂量指导：研究明确了UVC剂量与保鲜效果的关系，为实际应用提供了科学依据。
  4. 多维度验证：通过体外和体内实验全面验证了UVC的效果，增强了结论的可靠性。

e) 其他有价值的信息

研究团队还提出，未来应进一步探索UVC对其他水果的保鲜效果，以及长期储存过程中微生物耐药性和修复机制的变化。此外，结合其他保鲜技术（如低温储存）可能进一步提升保鲜效果。