移動式預冷設備在果蔬保鮮中的應用

王 倩,戴紹碧,鄧志坤

(廣東石油化工學院,茂名525000)

1 前 言

果蔬是人們日常生活中不可缺少的必需品,我國是果蔬生產大國,2008年,全國蔬菜總產量為59240.3萬噸,水果總產量達到11338.9萬噸[1],均居世界第一位。但是,我國果蔬產后損失嚴重,腐損率高達20%～30%,每年損失的果蔬價值達到1000億元以上[2]。果蔬保鮮中冷鏈流通是極其重要的,但目前我國果蔬冷鏈流通率僅為5%,遠低于歐美發(fā)達國家果蔬冷鏈流通率95%的水平,同時,由于冷鏈發(fā)展滯后,我國蔬菜、水果出口量僅占總產量的1%～2%,且其中80%是初級產品,在國際市場上缺乏競爭力。為加快發(fā)展農產品冷鏈物流,促進農民持續(xù)增收和保障消費安全,國家發(fā)改委于2011年7月發(fā)布了 《農產品冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》,規(guī)劃中明確指出,到2015年,我國果蔬冷鏈流通率要提高到20%以上,冷藏運輸率提高到30%左右,流通環(huán)節(jié)產品腐損率降至15%以下,這就要求整個冷鏈的所有環(huán)節(jié)都必須從技術和設備上予以保證并有新的發(fā)展。

冷鏈系統(tǒng)基本流程為產地采集及產后處理、預冷→冷加工→產地集貨、冷藏→產地批發(fā)→冷藏運輸→銷地集貨→銷地加工、批發(fā)、配送→零售、消費,對應的制冷設施主要有預冷設備、冷庫、冷藏車、超市冷柜及家庭消費冰箱等,其中,預冷技術是整個低溫冷藏鏈技術的前提。

預冷是指采收后的果蔬易腐產品,在運輸儲藏之前,迅速除去產地熱,使其溫度降低到規(guī)定溫度的操作過程。研究表明,經過預冷的產品可以迅速去除田間熱,減緩失水率,降低呼吸率,抑制病原菌繁殖,減少乙烯釋放量,降低營養(yǎng)成分的消耗,延長貯藏時間和貨架期,而且可以有效地降低冷藏庫和冷藏車船的冷負荷,實現(xiàn)冷藏貯運裝置的節(jié)能運行[3]。

目前常用的預冷方法有冰水預冷、冰預冷、冷庫空氣預冷、差壓預冷、真空預冷等。

雖然預冷的重要性已為國內外學者廣泛認識,且在發(fā)達國家預冷已成為采摘后必不可少的第一道工序得到了廣泛的使用[4],但在我國,預冷技術的應用還較少,預冷設備尤其是移動式預冷設備的研究開發(fā)有著廣闊的應用前景。

2 發(fā)展移動式預冷設備的必要性

我國地域遼闊,果蔬生產存在地區(qū)性不平衡,運輸量大、運輸時間長,因此果蔬預冷對延長保鮮期,減少損失尤為重要。預冷的關鍵在于一個“快”字,如果果蔬在采摘之后放置較長時間再進行預冷處理已無意義,因為此時蔬菜品質已經下降。有研究表明,黃瓜采收后經24小時再進行預冷貯藏基本起不到保鮮效果,菠菜在25℃環(huán)境下還原性維生素C含量一天就下降50%～60%,而在1℃環(huán)境下兩天下降不到10%[5]?？梢?要想實現(xiàn)從采收到銷售各環(huán)節(jié)果蔬的保鮮,就必須在產地及時、快速地進行預冷處理,但是,我國目前在產地擁有預冷設備的還很少,果蔬的生產方式主要是以單體農戶為主,同時伴有少數(shù)產業(yè)化生產企業(yè),針對這種狀況,預冷技術的推廣應用應和生產方式相結合。對單體農戶而言,小型的預冷設備較為適合,而對于產業(yè)化生產企業(yè)而言,生產產量大,質量要求高,一次處理量較大的預冷方式更為適用。由于果蔬生產季節(jié)性強,固定的預冷裝置利用率不高,而將預冷設備做成移動式,可以提高設備的使用效率,減少資源上的浪費,縮短投資回收期。因此,積極研究開發(fā)和推廣可移動的果蔬預冷設備對我國果蔬產品的保鮮具有重要的意義。

3 移動式果蔬預冷設備

3.1 冷水預冷設備

冷水預冷設備可分為浸泡式和噴淋式兩種。最簡單的浸泡式預冷就是將水和冰一起放置在一個大容器中,讓水和冰充分混合,得到溫度接近0℃的冰水混合物,直接將果蔬箱放入冰水中浸泡一段時間,待果蔬溫度降低后取出。浸泡式預冷也可采用圖1所示的裝置進行,在冰水槽中設有傳送帶,使果蔬在通過傳送帶的過程中被冷卻,傳送帶的速度可根據(jù)果蔬要求達到的預冷溫度決定。冰水槽內可設置制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器以對水進行冷卻,將產品熱負荷帶走,也可不設置蒸發(fā)器,通過加入冰塊保證冰水槽中的溫度。在實際操作中,經常在冰水中加入消毒殺菌劑或保鮮劑對果蔬進行化學處理以延長保鮮期。

圖1 冰水預冷裝置

噴淋式預冷設備則可分為連續(xù)式與批次式兩種。連續(xù)式噴淋預冷裝置主要由冷卻隧道、傳送帶、噴淋水系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)組成,在隧道內噴淋0～1℃的水,果蔬在隧道內的傳送帶上走25～30分鐘,溫度可從30℃降到5℃左右。傳送裝置可以選用不同的速率,以適應不同的冷卻需要。

在批次式水預冷裝置中,產品一批批地放入冷卻空間,大量的冷水連續(xù)噴淋到產品表面,然后匯集到底部的水箱,經過濾冷卻后循環(huán)使用。許多產品采用水預冷可以達到很好的冷卻效果,類似玉米、蘋果、哈密瓜和桃子等體積與表面比率大,并且表面無孔的產品非常適合這種預冷方法。

體積小的產品,如櫻桃,也可以很好地使用水預冷,但噴淋水的力度不應對產品造成物理傷害。產品裝箱的設計和堆放形式是提高水預冷系統(tǒng)運作效率的重要因素,會影響到冷卻過程中的熱交換,如果冷水只是流經包裝箱外部而無法進入包裝箱內,不僅耗費時間長而且冷卻效果不佳。在設備制造材料方面,與水接觸的裝置內表面最好全部以不銹鋼制成,以安全有效的保證保鮮期的延長。

3.2 注冰機

冰預冷是較容易實現(xiàn)的產地預冷方法之一,大多數(shù)果蔬產地都可以在附近方便地購買到冰塊,對于產量不是很大的果蔬,碎冰及加冰預冷可以由農民手動完成,對于處理量大的果蔬,冰預冷可以由可移動的注冰機來完成,注冰機如圖2所示。

圖2 注冰機

注冰預冷時必須要有碎冰設備,將塊冰或板狀冰研磨成直徑不大于5mm的冰粒,并與水混合成高濃度的冰水混合物,注冰機將冰水混合物通過軟管導入紙箱或其他容器內,直接覆蓋在產品表面。采取這種方法可以大大提高冷卻效率。堆積在貨盤上的貨物放置在艙門之間的導軌上,然后將艙門緊閉。使用泵將注冰機底部存儲箱中的冰水混合物吸至設備的頂部,通過門上的注冰管道并借助上部液壓夾具,從貨物四周流入包裝的開口,進入產品包裝箱內。目前在美國加利福尼亞州,超過90%的西蘭花使用這種冷卻方式。冰的熔解熱為355kJ/kg,而預冷果蔬所需的用冰量主要取決于預冷果蔬的量和果蔬預冷前后溫差以及設備與外部少量熱交換而引起的冷負荷,因此用冰量可以很容易計算出來。在美國容納一個貨盤的注冰機的注冰泵設計流量一般為24 m3/h,電機功率為1.50～2.25 kW。冰水混合物存儲箱的容積約為1.2 m,攪拌器轉速在300r/min左右,注冰倉液壓系統(tǒng)產生的壓力不大于200kPa[6]。

3.3 可移動式機械制冷冷庫

在普通小型保溫庫的基礎上加上機械制冷裝置也可以組成一移動式冷庫用于果蔬預冷,圖3是美國農業(yè)部一個研究團隊開發(fā)的移動式冷卻裝置,它使用了110V,制冷量為3.5kW的窗式空調器安裝在保溫庫側面的庫板上,設備投資為1200美元,對空調器的電氣控制系統(tǒng)進行了改裝,以達到15℃以下的溫度[7]。這種可移動的小型冷庫經過發(fā)展現(xiàn)在已開始實用化,用戶只需購買普通的窗式空調器和一個現(xiàn)成的CoolBot控制器連接上即可方便地進行溫度控制,控制溫度最低可達0℃,空氣的相對濕度也維持在一個較高的水平,自2006年以來CoolBot已售出了幾千套用于此類項目的建設與改造[8]。

圖3 移動式冷卻裝置

類似的小型可移動式機械制冷冷庫在我國也有應用,圖4和圖5所示為山東省果樹研究所和山東農業(yè)大學開發(fā)的移動式多功能智能化冷藏庫[9,10],制冷裝置由制冷機組、冷風機等組成,制冷機組固定在庫體的外側,冷風機設置在庫體內側壁上,制冷機組通過管道與冷風機連通。電氣自動控制裝置設置在庫體外側,其傳感器設置在庫體內。使用時,接通電源,由電氣自動控制裝置根據(jù)庫內的溫度自動調控制冷裝置運行,冷風機向庫內提供冷量,可通過電氣自動控制裝置實現(xiàn)高、低溫冷藏保鮮,預冷,速凍及化霜等功能,該裝置用于櫻桃的保鮮實驗研究取得了很好的效果。

圖4 移動式多功能智能化冷藏庫示意圖

圖5 移動式多功能智能化冷藏庫

3.4 移動式差壓預冷設備

移動式差壓預冷設備有兩類,一類不帶冷源,只是制造果蔬兩側的壓差,組織氣流流動,需放置在冷庫內,利用冷庫的冷量使產品冷卻;另一類是自帶冷源,利用冷藏集裝箱或類似的保溫箱體設計而成的移動式預冷設備,可以移動至果蔬產地使用。

由差壓通風預冷原理可以知道,在普通冷庫的基礎上增加一個靜壓箱和一個差壓風機即可實現(xiàn)差壓預冷,這種裝置結構簡單,由靜壓箱、風機和控制系統(tǒng)組成。我國不少果蔬主產區(qū)都建造了不同規(guī)模的保鮮冷庫。利用這些保鮮庫的冷源,結合移動式差壓預冷設備可對各種果蔬進行采后預冷,在技術、成本投入和經濟效益等方面都具有優(yōu)勢。北京市農林科學院蔬菜研究中心研制的移動式差壓預冷機機殼由鍍鋅鋼板焊接、鉚釘固定在鋼骨架上,重量約為300kg,外形尺寸2.4m×1.8m×0.5m。軸流風機安裝在上方中央部位,功率1.5～2kW,風量2000～2500m3/h,采用220V電源。機箱進風口為鋁合金百葉窗。碼垛頂部覆蓋材料為結實、不透氣、柔軟帆布。預冷時將差壓預冷機擺放在冷庫蒸發(fā)器下方。將裝好蔬菜的包裝箱橫向擺碼在機箱進風口百葉窗兩側,將覆蓋帆布放下,緊密覆蓋碼垛,只留碼垛兩側不覆蓋。風機運轉時在兩個包裝箱堆碼之間形成一個負壓通道,迫使冷空氣通過包裝箱進入此負壓通道,再通過風機送往冷庫蒸發(fā)器[11],見圖6。

圖6 移動式差壓預冷機示意圖

自帶冷源的移動式差壓預冷裝置的設計分為移動差壓預冷室和移動式冷源兩部分,移動差壓預冷室按差壓預冷的設計原理,結合貨架車尺寸進行平面布置;移動式冷源采用風冷式冷凝器,將機器、風冷式冷凝器及電控裝在一個車架上,這兩部分可以是獨立的兩部分,預冷時將冷源車拉到產地接上電源后與移動式差壓預冷室對接上進行制冷,也可以裝在一起,成為一個整體,如圖7所示[12]。

移動式差壓預冷設備中差壓系統(tǒng)密封問題是影響其能否有效工作的關鍵問題,當密封不嚴時,冷空氣就會從縫隙中直接穿過而不流經果蔬,使預冷速度大大降低。預冷設備送風氣流射流長度應滿足果蔬沿送風氣流方向的堆放長度要求,如果送風口風速太小,射流不能達到貨物堆放的尾端,則尾端的果蔬將很難得到冷卻。

預冷風機的壓頭主要由制冷系統(tǒng)蒸發(fā)盤管的空氣阻力和空氣穿過回風隧道兩側堆排的果蔬時所受阻力確定,制冷系統(tǒng)蒸發(fā)盤管的空氣阻力可在設計蒸發(fā)盤管時計算得到,而空氣穿過果蔬時所受阻力,可大概按空氣沿垂直于回風隧道方向穿過1 mm長度果蔬所受阻力0.1 mmH20進行取值[13]。

圖7 自帶冷源的移動式差壓預冷裝置

對于自帶冷源的移動式差壓預冷機,因預冷設備一般不會只用來預冷固定品種和固定質量的果蔬,且隨著預冷過程的進行,制冷負荷會越來越小,因此在設計時應考慮壓縮機的能量調節(jié)方式。此外,差壓預冷器中一般都配有加濕器以減少水果、蔬菜預冷時的水分蒸發(fā),避免果蔬出現(xiàn)凋萎現(xiàn)象。加濕器通?？砂醇訚衲芰楣咴跓o加濕預冷過程中2%～3%的失水率進行選配[13]。

3.5 采用蓄冷板的移動式預冷裝置

蓄冷板冷藏車是冷藏車輛發(fā)展的一種新的方式,具有運輸溫度恒定、運輸溫度較低、運輸成本較低的特點,在國外發(fā)達國家已普遍應用于冰淇淋冷飲行業(yè)[14],它是利用蓄冷板中的蓄冷劑液體冷卻凝固成共晶冰而蓄存大量冷量并用于貨物的冷卻。將蓄冷板與移動式差壓預冷車配套,可實現(xiàn)果蔬等易腐產品的產地預冷。蓄冷板一般用鋁合金做成50～100mm厚的中空殼體,內裝蓄冷劑,常用的蓄冷劑為低熔點的無機鹽混合溶液。在蓄冷板中設有制冷蒸發(fā)盤管,蓄冷劑直接與盤管接觸,借助制冷盤管內的制冷劑吸熱凍結而貯存冷量。通常蓄冷板安裝在保溫廂體的頂板內表面,蓄冷板的蓄冷能力根據(jù)預冷一箱果蔬所需制冷量的大小而定。預冷前,先用蓄冷制冷機組接通地面交流電源對蓄冷板中的蓄冷劑進行蓄冷,即冷卻凍結;預冷時,利用蓄冷劑的融化吸熱,對保溫廂體內不斷放冷。采用蓄冷板移動式預冷裝置的預冷方式容易實現(xiàn),可以在有電源供應的產地實現(xiàn)蓄冷放冷過程,而對于無電源供應的果蔬產地,可以先在產地外有電源的地方將蓄冷板蓄冷,再將裝置移動至產地對果蔬進行預冷,很好地解決了產地能源供應困難的問題。

3.6 移動式真空預冷設備

移動式真空預冷設備與固定式真空預冷設備的基本構成相同,主要包括真空貨倉、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng) (含捕水器)、水噴淋系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等。在電源易于獲得的場所使用的移動式真空預冷裝置可以直接接入電源,在無電力供應的場所需自配發(fā)電機。

真空系統(tǒng)是實現(xiàn)真空快速預冷的核心系統(tǒng),其關鍵部件為真空泵,需根據(jù)真空貨倉的容積、預冷果蔬的量以及貨倉漏風率等計算而定。從理論上說,蒸發(fā)的水蒸汽可全部由真空泵抽吸排空,但在常壓下1mL的水,當壓力變?yōu)?073Pa(8℃)時,體積要增大12萬倍,如果所有的水蒸汽只靠真空泵抽吸,不僅消耗很多電能,而且也不能使真空箱內壓力快速降下來,因此,在真空預冷設備中設置有制冷系統(tǒng),制冷系統(tǒng)不是用于直接冷卻果蔬的,而是將制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)盤管用作捕水器,使真空箱內蔬菜在減壓過程中產生的大量水蒸氣重新凝結成水,極大地減輕了真空系統(tǒng)抽氣負荷,使真空箱內快速達到所需的真空度并保持穩(wěn)定。捕水器可放置于真空箱內,也可外置于真空箱體,通過管道與真空箱體相連。

由于預冷產品多樣,使用地點變化,移動式真空預冷裝置一般配有水噴淋系統(tǒng),一方面可以保證溫度要求,另一方面也可以使果蔬保持更好的新鮮度和良好的外觀色澤。由于移動式真空預冷設備所有部件都做在一個底板上,而底板的大小是固定的,如果其他部件加大將減小真空室的容積,從而減少有效裝貨量,影響經濟效益,因此,在設計移動式真空預冷設備的時候,要充分考慮各部件能力的優(yōu)化,合理匹配各主要部件。

3.7 蒸發(fā)冷卻預冷設備

在干燥地區(qū),也可以采用水蒸發(fā)冷卻的方法來進行預冷,圖8是蒸發(fā)冷卻預冷設備的示意圖[15],將水供到多孔的濕簾材料上,水潤濕了整個濕簾,空氣在風機的作用下橫向流過濕簾,與水進行熱濕交換,進行熱濕交換后,空氣的溫度約比當?shù)乜諝獾臐袂驕囟雀?～2℃,由于干燥地區(qū)空氣的干濕球溫差很大,用這種方法可以獲得較低溫的空氣對果蔬產品實現(xiàn)預冷。

蒸發(fā)冷卻預冷設備簡單,初投資小,使用方便,但在我國預冷領域暫未得到應用。由于蒸發(fā)冷卻技術已廣泛應用于空調行業(yè),有關濕簾材料的特性、空氣—水流量比對冷卻效果的影響等相關研究也非常多,可以參考借鑒用以開發(fā)該類預冷設備。

圖8 蒸發(fā)冷卻預冷設備

4 結語

預冷是果蔬保鮮極為重要的環(huán)節(jié),但在我國果蔬預冷的應用還很少,加強研究開發(fā)果蔬預冷設備并大力推廣使用對增加農民收入,促進我國果蔬生產的可持續(xù)發(fā)展和提高國際競爭力是非常必要的。在各種預冷設備中,移動式預冷設備因具有可在果蔬產地對產品進行及時冷卻、能在不同地點使用而提高設備利用率、能保證預冷后果蔬進入后續(xù)冷鏈環(huán)節(jié)所需的低溫貯運條件等特點有著廣闊的應用前景,我們應在國內外已有的研究應用工作基礎上,根據(jù)不同種類果蔬的特點對各種移動式預冷設備進行深入研究和開發(fā)應用,不斷推進我國果蔬保鮮技術水平的進步與提高。

[1]中國農業(yè)年鑒編輯部.中國農業(yè)年鑒2009[M].北京:中國農業(yè)出版社,2010

[2]國家發(fā)改委.農產品冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃.發(fā)改經貿[2010]1304號.2010.7

[3]Brosnan T,Sun D.Precooling techniques and applications for horticultural products--a review[J].International Journal of Refrigeration,2001,24(2):154-170

[4]丁志華,蘇樹強,李保國等.移動式真空預冷裝置設計中幾個問題的探討 [C].發(fā)展上海食品冷藏鏈研討會論文集,2002:92-96

[5]王強,劉曉東.實施蔬菜產地預冷,完善低溫冷藏鏈[J].制冷,2001,20(1):40-44

[6]沈煒.果蔬采摘后預冷保鮮方法及實用設備[J].現(xiàn)代農業(yè)科技,2010(1):345-349

[7]Kitinoja L,Thompson J F.Pre-cooling systems for small-scale producers[J].Stewart Postharvest Review,2010,6(2):1-14

[8]CoolBot unit:www.storeitcold.com

[9]山東省果樹研究所.移動式多功能智能化冷藏庫[P].實用新型專利,ZL 200520079899.7

[10]張靜.甜櫻桃冷鏈物流設施及貯藏保鮮技術研究[D];山東農業(yè)大學,2008

[11]鄭淑芳,高麗樸,李武.移動式差壓預冷機的研制與示范初報[J].中國農學通報,2005,21(10):389-392

[12]煙臺冰輪股份有限公司.一種可移動的節(jié)能型差壓預冷裝置[P].發(fā)明專利,200910018928.1

[13]沈煒.果蔬差壓預冷保鮮設備的設計探討[J].江西農業(yè)學報,2009,21(9):128-130

[14]任俊生,李愛民.蓄冷板冷藏車的特點與制冷量計算[J].專用汽車,2010(8):47-49

[15]Kitinoja L,Kader A A.Small-scale postharvest handling practices:a manual for horticultural crops[M].Dept.of Pomology,University of California,1995