液氮充注氣調(diào)對(duì)馬鈴薯保鮮環(huán)境參數(shù)的影響

王廣海+陸華忠+呂恩利+侯可明+王飛仁+何偉寧

摘要：為研究液氮充注氣調(diào)對(duì)馬鈴薯貯藏溫度、相對(duì)濕度和氧氣體積分?jǐn)?shù)等保鮮環(huán)境參數(shù)的影響，搭建了液氮充注氣調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了液氮充注試驗(yàn)，對(duì)比翅片間距、通風(fēng)風(fēng)速和環(huán)境溫度3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)廂體后側(cè)溫度、相對(duì)濕度和氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：翅片間距越大，降氧和降溫速度越慢，相對(duì)濕度總體呈先降低后升高的變化規(guī)律；通風(fēng)風(fēng)速對(duì)氧氣體積分?jǐn)?shù)和溫度的影響顯著，通風(fēng)風(fēng)速越大，降氧速度越慢，降溫速度越快，相對(duì)濕度與溫度相互對(duì)應(yīng)；環(huán)境溫度對(duì)氧氣體積分?jǐn)?shù)、溫度和相對(duì)濕度的影響不顯著。試驗(yàn)結(jié)果可為氣調(diào)保鮮裝備的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：翅片間距；通風(fēng)風(fēng)速；環(huán)境溫度；保鮮環(huán)境；馬鈴薯；液氮

中圖分類號(hào)： TS205

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）04-0312-03

液氮充注氣調(diào)可綜合調(diào)控廂體內(nèi)溫度、濕度、氧氣和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)果蔬物理保鮮，提高貯運(yùn)品質(zhì)，有效減少損耗率[1-6]。液氮溫度低，冷能大，直接充注容易造成果蔬局部低溫凍傷，需加裝汽化器輔助汽化，汽化器翅片參數(shù)、通風(fēng)風(fēng)速和環(huán)境溫度等因素直接影響保鮮環(huán)境參數(shù)[7-9]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要集中于氣調(diào)保鮮技術(shù)、環(huán)境參數(shù)調(diào)控特性和控制策略等內(nèi)容，針對(duì)液氮充注氣調(diào)對(duì)果蔬保鮮環(huán)境參數(shù)影響的相關(guān)研究還比較少[10-15]。液氮充注氣調(diào)引起果蔬貯藏環(huán)境參數(shù)的變化程度直接影響保鮮品質(zhì)，是氣調(diào)環(huán)境調(diào)控技術(shù)不可忽視的重要環(huán)節(jié)，有必要進(jìn)行深入分析。本研究通過(guò)搭建液氮充注氣調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)，分析液氮充注氣調(diào)過(guò)程中汽化器翅片間距、通風(fēng)風(fēng)速和環(huán)境溫度等試驗(yàn)因素對(duì)馬鈴薯貯藏溫度、相對(duì)濕度和氧氣體積分?jǐn)?shù)等保鮮環(huán)境參數(shù)的影響，為果蔬氣調(diào)保鮮裝備的研究提供參考。

1 試驗(yàn)裝置與方法

液氮充注氣調(diào)試驗(yàn)裝置見圖1。試驗(yàn)廂體由12 mm厚有機(jī)玻璃板制成，長(zhǎng)×寬×高為2.38 m×1.28 m×1.40 m，廂體內(nèi)外壁均用50 mm厚保溫泡沫板覆蓋。試驗(yàn)初始環(huán)境溫度和濕度分別由制冷機(jī)組（自制，額定功率1 491 W）和超聲波加濕裝置（內(nèi)置24個(gè)超聲波加濕霧化頭，額定功率250 W）調(diào)節(jié)。自增壓液氮罐（型號(hào)YDZ-100，最大出液壓力0.09 MPa）開啟向廂體內(nèi)充注液氮，流經(jīng)汽化器形成低溫氮?dú)?，在風(fēng)機(jī)（型號(hào)YM2420AXB1，最大流量16.84 m3/min，并排2個(gè)）的壓差作用下使氣流從回風(fēng)道流經(jīng)開孔隔板（開孔率為4.03%）至馬鈴薯貯藏區(qū)，液氮充注時(shí)開啟電動(dòng)球閥（通徑50 mm，電壓24 V，廂體兩側(cè)各1個(gè)）泄壓，實(shí)現(xiàn)廂體內(nèi)外氣體交換，降低氧氣體積分?jǐn)?shù)。廂體后端布置1個(gè)溫度傳感器（測(cè)量范圍：-20～80 ℃，精度：±0.3 ℃）、1個(gè)濕度傳感器（測(cè)量范圍：0～99.9%，精度：±2%RH）和1個(gè)氧氣濃度傳感器（測(cè)量范圍：0～25%，精度±1%），用以測(cè)量廂體內(nèi)的溫度、濕度和氧氣體積分?jǐn)?shù)，開孔隔板內(nèi)側(cè)均勻布置5個(gè)溫度傳感器，用以測(cè)量隔板平均溫度。各傳感器數(shù)值通過(guò)無(wú)紙記錄儀實(shí)時(shí)記錄（記錄頻率1次/s），并儲(chǔ)存于電子計(jì)算機(jī)內(nèi)。

試驗(yàn)材料選用馬鈴薯，總質(zhì)量 250 kg，購(gòu)于廣州市白云農(nóng)副產(chǎn)品批發(fā)市場(chǎng)，形狀規(guī)則，無(wú)病蟲害，無(wú)機(jī)械損傷，表皮呈淡黃色。馬鈴薯經(jīng)過(guò)預(yù)冷后裝入塑料筐內(nèi)，塑料筐規(guī)格（長(zhǎng)×寬×高）為495 mm×355 mm×255 mm，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，開孔率為38.5%，堆垛方式為中間、兩側(cè)留空，堆垛左、右間距為 55 mm，前、后間距為135 mm。

以汽化器翅片間距、通風(fēng)風(fēng)速和初始環(huán)境溫度為試驗(yàn)因素，結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[16-20]選取試驗(yàn)因素水平值，如表1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 翅片間距對(duì)馬鈴薯保鮮環(huán)境參數(shù)的影響

調(diào)節(jié)廂體內(nèi)初始環(huán)境溫度為（5±0.2） ℃，相對(duì)濕度為（85±5）%，氧氣體積分?jǐn)?shù)為（20.5±0.5）%，通風(fēng)風(fēng)速為6 m/s，分別選用翅片間距為4、5、6、7 mm的汽化器進(jìn)行液氮充注試驗(yàn)，分析汽化器翅片間距對(duì)馬鈴薯保鮮環(huán)境參數(shù)的影響情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

由圖2可知，翅片間距越大，降氧速度越慢。原因是汽化器翅片間距大，翅片表面結(jié)霜量較小，結(jié)霜產(chǎn)生的空氣流動(dòng)阻力及熱阻相對(duì)較小，汽化器管內(nèi)液氮流動(dòng)過(guò)程中氣相增加，管內(nèi)壓降增大，使液氮流動(dòng)阻力增大，流量減小，從而降低了降氧速度。

由圖3可知，翅片間距越大，降溫速度越慢。原因是汽化器翅片間距大，空氣流動(dòng)阻力及熱阻小，換熱效果好，汽化器管內(nèi)液氮流動(dòng)阻力增大，流量減小，液氮出氣溫度高，從而降溫速度慢。從總體上看，溫度呈先略升后急降的降溫規(guī)律，原因是液氮充注初始階段，液氮罐處于自增壓過(guò)程，出液流量小，汽化器出氣溫度較高，致使廂體后側(cè)溫度略微升高后再迅速降低。

由圖4可以看出，翅片間距對(duì)廂體后側(cè)相對(duì)濕度的影響不顯著，相對(duì)濕度總體呈先降低后升高的變化規(guī)律。原因是廂體后側(cè)溫度呈先略升后急降的降溫規(guī)律，在密閉的貯藏空間里，溫度升高時(shí)，濕度值會(huì)偏離飽和值，使相對(duì)濕度降低，而降溫過(guò)程使?jié)穸戎蹈咏柡椭?，提高了相?duì)濕度，即廂體內(nèi)相對(duì)濕度總體也呈先降低后升高的變化規(guī)律。液氮充注初始階段，當(dāng)翅片間距為4 mm時(shí)，汽化器換熱表面積最大，出氣溫度最高，使廂體后側(cè)溫度升高幅度最大，從而致使相對(duì)濕度呈先迅速下降后上升的規(guī)律。

2.2 通風(fēng)風(fēng)速對(duì)馬鈴薯保鮮環(huán)境參數(shù)的影響

調(diào)節(jié)廂體內(nèi)初始環(huán)境溫度為（5±0.2） ℃，相對(duì)濕度為（85±5）%，氧氣體積分?jǐn)?shù)為（20.5±0.5）%，汽化器翅片間距選用4 mm，分別在0、2、4、6 m/s的通風(fēng)風(fēng)速下進(jìn)行液氮充注試驗(yàn)，分析通風(fēng)風(fēng)速對(duì)馬鈴薯保鮮環(huán)境參數(shù)的影響情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。

由圖5可知，通風(fēng)風(fēng)速對(duì)氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響顯著，通風(fēng)風(fēng)速越大，降氧速度越慢。首先，通風(fēng)風(fēng)速大，汽化器換熱效果好，汽化器管內(nèi)壓降增大，使液氮流動(dòng)阻力增大，流量減小，降低了降氧速度。其次，液氮充注時(shí)開啟電動(dòng)球閥進(jìn)行泄壓，通風(fēng)風(fēng)速大，加快了廂內(nèi)氣流循環(huán)，使電動(dòng)球閥附近單位體積內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)下降，泄壓換氣的排氧比例減少，從而降低了降氧速度。

由圖6可知，通風(fēng)風(fēng)速對(duì)廂體后側(cè)溫度的影響顯著，通風(fēng)風(fēng)速越大，降溫速度越快。原因是通風(fēng)風(fēng)速大，氣流循環(huán)的速度加快，液氮釋放的冷能迅速與廂體后側(cè)進(jìn)行熱交換，提高了降溫速度。當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為0m/s時(shí)，汽化器換熱效果較差，結(jié)霜嚴(yán)重，且?guī)w內(nèi)的氣流無(wú)法進(jìn)行循環(huán)，使得液氮釋放的冷能都在廂體前端聚集，致使廂體后側(cè)溫度出現(xiàn)不降反升的情況。

由圖7可以看出，通風(fēng)風(fēng)速對(duì)廂體后側(cè)相對(duì)濕度的影響顯著，相對(duì)濕度與溫度相互對(duì)應(yīng)，當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速大使得降溫速度快時(shí)，相對(duì)濕度上升的速度也快。當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為0 m/s時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)隔板平均溫度為-2.78 ℃，廂體后側(cè)溫度為 6.7 ℃，前后溫差為9.48 ℃，試驗(yàn)過(guò)程廂體后側(cè)相對(duì)濕度從80%降至39%。

2.3 環(huán)境溫度對(duì)馬鈴薯保鮮環(huán)境參數(shù)的影響

調(diào)節(jié)廂體內(nèi)初始環(huán)境相對(duì)濕度為（85±5）%，氧氣體積分?jǐn)?shù)為（20.5±0.5）%，汽化器翅片間距選用4 mm，通風(fēng)風(fēng)速設(shè)定為6 m/s，分別在5、10、15、20 ℃的初始環(huán)境溫度下進(jìn)行液氮充注試驗(yàn)，分析環(huán)境溫度對(duì)馬鈴薯保鮮環(huán)境參數(shù)的影響情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9和圖10所示。

由圖8可知，環(huán)境溫度對(duì)氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響不顯著，不同初始環(huán)境溫度下的降氧速度差別不大。原因是液氮溫度約為-196 ℃，廂體環(huán)境溫度的變化對(duì)汽化器管內(nèi)外溫差的影響較小，換熱系數(shù)差別不大，所以環(huán)境溫度對(duì)降氧速度的影響程度較小。

由圖9可知，環(huán)境溫度對(duì)廂體后側(cè)溫度的影響不顯著，不同初始環(huán)境溫度下的降溫速度差別不大，原因是廂體環(huán)境溫度的變化對(duì)汽化器換熱系數(shù)的影響較小。當(dāng)廂體初始環(huán)境溫度為5 ℃時(shí)進(jìn)行液氮充注試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)廂體后側(cè)溫度降至0 ℃，容易引起馬鈴薯低溫凍傷。

由圖10可以看出，環(huán)境溫度對(duì)廂體后側(cè)相對(duì)濕度的影響不顯著，相對(duì)濕度總體呈先降低后升高的變化規(guī)律，與降溫過(guò)程相互對(duì)應(yīng)。

3 結(jié)論與討論

為研究液氮充注氣調(diào)對(duì)馬鈴薯保鮮環(huán)境參數(shù)的影響，搭建了液氮充注氣調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了液氮充注試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）翅片間距越大，降氧和降溫速度越慢，翅片間距對(duì)相對(duì)濕度的影響不顯著，相對(duì)濕度總體呈先降低后升高的變化規(guī)律；（2）通風(fēng)風(fēng)速對(duì)氧氣體積分?jǐn)?shù)和廂體后側(cè)溫度的影響顯著，通風(fēng)風(fēng)速越大，降氧速度越慢，而降溫速度則越快，廂體后側(cè)相對(duì)濕度與溫度相互對(duì)應(yīng)；（3）環(huán)境溫度對(duì)氧氣體積分?jǐn)?shù)、廂體后側(cè)溫度和相對(duì)濕度的影響不顯著。

值得討論的是，液氮充注氣調(diào)馬鈴薯保鮮環(huán)境參數(shù)的影響還應(yīng)考慮初始環(huán)境相對(duì)濕度水平值和物料貯藏區(qū)域的流場(chǎng)均勻性等因素，本課題組正在對(duì)此相關(guān)影響因素進(jìn)行深入研究。

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