生鮮農(nóng)產(chǎn)品超級冷鏈應(yīng)用研究

◎張信榮 鄭秋云

我國是農(nóng)業(yè)大國，生鮮食用農(nóng)產(chǎn)品（簡稱生鮮農(nóng)產(chǎn)品）種類繁多，但是，由于存在區(qū)域性生產(chǎn)與普遍性供給矛盾，加之時間上和空間上的相對過剩，導(dǎo)致生鮮農(nóng)產(chǎn)品滯銷跌價、腐損率高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年我國因貯藏、物流等不當(dāng)造成的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量劣變和腐敗損耗導(dǎo)致的損失高達(dá)數(shù)千億元。此外，生鮮農(nóng)產(chǎn)品的貯藏物流，本質(zhì)上是配合生鮮農(nóng)產(chǎn)品對溫度、濕度、氣流和氣體成分的需求，創(chuàng)造人工控制的貯藏物流環(huán)境，從而防止其發(fā)生腐損、霉變等變質(zhì)現(xiàn)象的過程。在此過程中，需要消耗大量的能源。所以，如何減少貯藏物流過程中的能源消耗以及使用制冷劑等對環(huán)境、氣候的影響，同時保持生鮮農(nóng)產(chǎn)品的高品質(zhì)，是目前我國生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏物流發(fā)展亟需解決的關(guān)鍵問題。

必要性

超級冷鏈興起于人們對生鮮農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)保證的需求，同時其本身也有利于節(jié)約能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，這一新理論及其衍生的新工藝、新技術(shù)和新裝備，強(qiáng)調(diào)能量、質(zhì)量傳遞的微觀機(jī)理與農(nóng)產(chǎn)品宏觀品質(zhì)耦合作用，新興能源生產(chǎn)、利用與環(huán)境友好的協(xié)同作用，從長遠(yuǎn)來看具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

1.概念

超級冷鏈整體是指在傳統(tǒng)冷鏈的基礎(chǔ)上，從微觀機(jī)理入手，透徹研究生鮮農(nóng)產(chǎn)品在低溫作用下多種生理機(jī)制導(dǎo)致的分子形態(tài)、細(xì)胞活性、組織功能的改變，以及對其化學(xué)組成和營養(yǎng)成分的影響，從而保證農(nóng)產(chǎn)品的高質(zhì)量，并結(jié)合能量、質(zhì)量輸運(yùn)微觀機(jī)理，實(shí)現(xiàn)生鮮農(nóng)產(chǎn)品節(jié)能、環(huán)保、高品質(zhì)的全過程物流系統(tǒng)（見圖1）。

超級冷鏈?zhǔn)峭暾奈锪飨到y(tǒng)，其中采摘、生產(chǎn)、配送和銷售等任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)狀況，都會影響生鮮農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。這就要求超級冷鏈具有高度的組織和協(xié)調(diào)能力，以及極高的運(yùn)行效率。因此，必須把生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售和技術(shù)等所有要素有機(jī)地結(jié)合起來，并協(xié)調(diào)好相互之間的關(guān)系。最重要的是始終保持生鮮農(nóng)產(chǎn)品處于必要的環(huán)境中，以確保其從產(chǎn)地到餐桌整個過程中的高品質(zhì)和安全性。超級冷鏈通過建立精準(zhǔn)的多尺度模型，準(zhǔn)確模擬分子尺度、細(xì)胞尺度、組織尺度、個體尺度以及整個冷鏈中的非穩(wěn)態(tài)能量質(zhì)量傳遞，同時考慮生鮮農(nóng)產(chǎn)品多相的特點(diǎn)，和以水為溶劑的多組分體系，從而相比傳統(tǒng)冷鏈更為精準(zhǔn)地刻畫了農(nóng)產(chǎn)品的能量、質(zhì)量這一復(fù)雜傳遞過程。總之，超級冷鏈作為具有高科技含量的低溫系統(tǒng)科學(xué)，高效協(xié)調(diào)了各個過程和參數(shù)，能夠保證生鮮農(nóng)產(chǎn)品的高品質(zhì)，并達(dá)到節(jié)約能源、實(shí)現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的目的。

2.優(yōu)勢

超級冷鏈采用天然工質(zhì)或功能性流體工質(zhì)替代傳統(tǒng)的含氟制冷劑，實(shí)現(xiàn)了高效、環(huán)保、低碳的制冷。從經(jīng)濟(jì)意義上來看，該技術(shù)的發(fā)展必然有助于降低成本，提高收益。一方面，從能源利用角度，降低了能源的消耗和環(huán)境影響消費(fèi)；另一方面，減少了農(nóng)產(chǎn)品腐敗帶來的損耗和環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量帶來的高價值。從操作方面來看，其操控更為便捷和穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)各個環(huán)節(jié)的精確控制。此外，超級冷鏈對多尺度、多相、多組分的系統(tǒng)進(jìn)行了透徹研究，深入理解其機(jī)理，更具科學(xué)性（見圖2）。

發(fā)展方向

冷鏈的發(fā)展與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程是一致的，發(fā)達(dá)的冷鏈物流已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要標(biāo)志之一。在能源匱乏、污染嚴(yán)重的當(dāng)下，傳統(tǒng)冷鏈亟須升級，超級冷鏈?zhǔn)潜厝坏陌l(fā)展趨勢。一方面，在超級冷鏈的研究過程中，必然會利用到物流學(xué)、熱科學(xué)、能源科學(xué)和生物學(xué)等多個學(xué)科的知識，這將促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的融合、交叉發(fā)展。另一方面，超級冷鏈作為傳統(tǒng)冷鏈的大跨步發(fā)展，其規(guī)范化建設(shè)需要通過制度完善、技術(shù)創(chuàng)新、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建和人才培養(yǎng)等途徑實(shí)現(xiàn)（見圖3）。

1.能質(zhì)輸運(yùn)

生鮮農(nóng)產(chǎn)品發(fā)生腐敗變質(zhì)的主要原因是在特定的溫度、水分等條件下，由于某些微生物和酶的作用所引起的一系列生化反應(yīng)。當(dāng)農(nóng)產(chǎn)品采摘或者捕撈后進(jìn)行快速預(yù)冷，并在低溫環(huán)境下保存時，微生物、酶和食物基質(zhì)的活性就會受到抑制，呼吸作用也會明顯減慢，從而防止生鮮農(nóng)產(chǎn)品腐敗變質(zhì)，保持其新鮮度和營養(yǎng)價值。

（1）生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏冷鏈物流過程的關(guān)鍵在于低溫的實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)生鮮農(nóng)產(chǎn)品的貯藏冷鏈物流，多關(guān)注宏觀情形下的降溫與保溫；而實(shí)際上，生鮮農(nóng)產(chǎn)品在低溫環(huán)境下，其能量及質(zhì)量傳遞是多尺度、多相、多組分耦合的，是非穩(wěn)態(tài)的非平衡態(tài)熱力學(xué)過程趨于穩(wěn)態(tài)、平衡的熱力學(xué)過程。因此，只有深入研究其機(jī)理，才能從根本上改善和優(yōu)化整個貯藏冷鏈物流系統(tǒng)。

圖1 超級冷鏈整體理論示意圖

圖2 超級冷鏈的優(yōu)勢

圖3 發(fā)展方向

從宏觀角度來看，能量和質(zhì)量傳遞發(fā)生于整個冷鏈系統(tǒng)中，作用于農(nóng)產(chǎn)品個體上。由于農(nóng)產(chǎn)品與環(huán)境之間的能質(zhì)輸運(yùn)，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品中水分、營養(yǎng)物質(zhì)等流失到環(huán)境中，降低農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)；由于環(huán)境中微生物等對農(nóng)產(chǎn)品的入侵，使得農(nóng)產(chǎn)品腐敗變質(zhì)；由于農(nóng)產(chǎn)品與環(huán)境之間的能量交換，使農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部的生物活性受到抑制或促進(jìn)。從微觀角度來看，農(nóng)產(chǎn)品能量和質(zhì)量傳遞發(fā)生在細(xì)胞以及組織之間。正是由于微觀上農(nóng)產(chǎn)品與環(huán)境的能量與質(zhì)量傳遞的積累，才導(dǎo)致宏觀上農(nóng)產(chǎn)品在外觀形狀、色澤以及營養(yǎng)物質(zhì)等方面發(fā)生變化。所以從微觀尺度研究農(nóng)產(chǎn)品對揭示其宏觀上的品質(zhì)變化是非常重要的，生鮮農(nóng)產(chǎn)品在貯藏冷鏈物流過程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，如被人們較為關(guān)注的一個重要變量——水分損失，都是從微觀積累逐步發(fā)展到宏觀變化上的。因此，要精確地掌握各種現(xiàn)象的變化規(guī)律，就需要從微觀-介觀-宏觀等多個尺度上研究農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部、農(nóng)產(chǎn)品與環(huán)境之間的能質(zhì)輸運(yùn)特性，其研究尺度可跨越數(shù)十個量級，研究范圍大到整個貯藏冷鏈物流系統(tǒng)，小到細(xì)胞以及組成物質(zhì)的生物大分子。在模型構(gòu)建方面，在非常小的尺度下，假設(shè)傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)將不再適用，則需要對離散、微納米尺度模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并且還要特別注意不同尺度間的聯(lián)系和耦合。

此外，生鮮農(nóng)產(chǎn)品本身是多組分、多相的。以水分為例，水分是生鮮農(nóng)產(chǎn)品中最常見也是含量最大的組分，占比高達(dá)60%-95%，生物中的大量營養(yǎng)物質(zhì)都溶解在其中。對于貯藏與冷鏈物流過程中的農(nóng)產(chǎn)品，水分會以固相、液相和氣相的形式存在，并隨著外界環(huán)境溫度與濕度等的變化發(fā)生轉(zhuǎn)化。當(dāng)溫度過低的時候，農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部的水分會結(jié)晶形成固態(tài)；當(dāng)貯藏和物流過程中溫降較慢的時候，形成的微小、尖銳冰晶會破壞農(nóng)產(chǎn)品細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致復(fù)溫過程營養(yǎng)物質(zhì)的流失；當(dāng)溫度超過適宜的貯藏、物流溫度要求時，水分會形成氣態(tài)蒸發(fā)，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品水分損失。因此，在現(xiàn)代農(nóng)產(chǎn)品的貯藏和冷鏈物流過程中，明確各組分的特點(diǎn)，以及其在貯藏物流過程中發(fā)生的物態(tài)變化規(guī)律非常有必要，要建立切合實(shí)際的模型，為現(xiàn)代化農(nóng)產(chǎn)品的貯藏與物流提供科學(xué)依據(jù)。

（2）對能量質(zhì)量傳遞機(jī)理深入透徹的研究是最有效、最核心的工作。對于生鮮農(nóng)產(chǎn)品在貯藏、冷鏈過程中能量質(zhì)量傳遞機(jī)理的研究，傳統(tǒng)單純的宏觀模型已經(jīng)不再適用，尤其是對于質(zhì)外體途徑、跨膜運(yùn)輸、細(xì)胞內(nèi)組分的尺度，傳統(tǒng)模型太籠統(tǒng)以至于無法準(zhǔn)確模擬。為了精準(zhǔn)控制農(nóng)產(chǎn)品在貯藏、物流過程中的溫度與濕度等，需要精確了解能量與質(zhì)量每時每刻的傳遞情況，這需要從非穩(wěn)態(tài)、非平衡態(tài)熱力學(xué)角度來解決。于冷鏈系統(tǒng)而言，應(yīng)利用非平衡態(tài)熱力學(xué)來建立非穩(wěn)態(tài)的多尺度微觀—宏觀耦合模型，從最小、最基本的單元入手進(jìn)行研究。

2.能耗優(yōu)化

在超級冷鏈中從微觀機(jī)理著手研究生鮮農(nóng)產(chǎn)品在整個貯藏物流過程的能量、質(zhì)量輸運(yùn)特性，為提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)奠定了理論基礎(chǔ)。但是隨著人們對物質(zhì)品質(zhì)需求的提升與需求量的增加，其中需要的冷量就會愈漸增長，這勢必對能源的消耗以及環(huán)境的變化造成越來越大的影響。因此，如何優(yōu)化超級冷鏈中的各個傳熱、傳質(zhì)過程，如何采用天然環(huán)保型工質(zhì)替代即將淘汰的制冷劑，避免氟利昂類工質(zhì)對環(huán)境的污染，從而綠色、環(huán)保提供冷量，高效利用冷量，減少對環(huán)境的影響也是超級冷鏈理論中的一個重要環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的冷鏈，無論是貯藏過程還是物流過程，強(qiáng)調(diào)的都是快速將生鮮農(nóng)產(chǎn)品整體冷卻到適宜的溫度，但整體的冷卻效果均勻性較差，從而導(dǎo)致部分農(nóng)產(chǎn)品處于過冷狀態(tài)，造成冷害；部分農(nóng)產(chǎn)品溫降很難達(dá)到所需溫度的要求，這不僅降低了農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，而且導(dǎo)致整個農(nóng)產(chǎn)品的貯藏、物流系統(tǒng)能耗增加。超級冷鏈從新的傳熱優(yōu)化、傳熱強(qiáng)化以及場協(xié)同原理等熱力學(xué)和傳熱學(xué)理論出發(fā)，從全局考慮系統(tǒng)的能量利用情況，不僅減少了農(nóng)產(chǎn)品在預(yù)冷、貯藏和物流過程中的能量消耗，而且使得農(nóng)產(chǎn)品在這一過程中的溫度、濕度等分布更加均勻、穩(wěn)定，減少其冷害以及溫度波動造成的品質(zhì)降低。具體來說，以系統(tǒng)的溫度分布均勻性、冷卻速度及能耗指標(biāo)等為優(yōu)化條件，結(jié)合農(nóng)產(chǎn)品在預(yù)冷、貯藏和物流過程中的溫度、濕度及流場等約束條件，通過對系統(tǒng)的全流場流體動力學(xué)數(shù)值進(jìn)行模擬，獲得系統(tǒng)優(yōu)化的能量場和流場等參數(shù)。借助于模擬結(jié)果，采用局部擾流等方法，改變局部能量、流場分布不合理的地方，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品在預(yù)冷、貯藏和物流過程的冷量高效利用，并保證農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。經(jīng)過優(yōu)化后，農(nóng)產(chǎn)品在整個冷鏈過程中能耗可以降低20%以上。