差壓預(yù)冷技術(shù)與裝備在果蔬冷鏈物流中的應(yīng)用

王 璇，陳愛強(qiáng)，劉昊東，關(guān)文強(qiáng)，劉 斌

（1.天津商業(yè)大學(xué)天津市食品與生物技術(shù)重點實驗室，天津 300134；2.天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津 300134）

新鮮果蔬富含多種維生素和礦物質(zhì)，具有豐富的營養(yǎng)價值，經(jīng)常食用可以提高人體免疫力。隨著我國人民生活水平的提高，人們的健康飲食觀念正在不斷增強(qiáng)，對果蔬的消費需求日益增長。我國2017 年蔬菜年產(chǎn)量達(dá)到8.17 億t[1]，水果年產(chǎn)量達(dá)到2.52 億t[2]，連續(xù)多年位居世界第一位。但我國果蔬運輸仍以常溫物流為主，未經(jīng)加工的鮮銷果蔬占了絕大部分。在流通過程中因交通狀況和產(chǎn)品保鮮條件的影響造成的果蔬損耗量達(dá)到20%～30%[3]，損失率為歐美發(fā)達(dá)國家的 4～5 倍[4]。

溫度是影響果蔬品質(zhì)的關(guān)鍵因素。預(yù)冷作為冷鏈物流的首要環(huán)節(jié)，對果蔬品質(zhì)、價值以及貯運過程都有重要意義。通過預(yù)冷處理迅速降低采摘后的果蔬溫度，去除果蔬攜帶的田間熱和呼吸熱，可有效降低冷藏貯運時的冷負(fù)荷，抑制果蔬的呼吸強(qiáng)度，減少微生物的生長繁殖，降低酶的活性，使果蔬在儲運中保持較好品質(zhì)，延長果蔬的貯藏期[5]。

1904 年，Powell 及其合作者首次提出預(yù)冷的概念，隨后，大批學(xué)者對果蔬預(yù)冷技術(shù)進(jìn)行了研究，開發(fā)出了多種預(yù)冷技術(shù)。根據(jù)預(yù)冷媒介的不同，預(yù)冷技術(shù)可分為空氣預(yù)冷、真空預(yù)冷、水預(yù)冷、冰預(yù)冷等。差壓預(yù)冷是空氣預(yù)冷的一種，具有預(yù)冷速度快、冷卻均勻、適用范圍廣等優(yōu)點[6]，是目前農(nóng)業(yè)物流鏈較為發(fā)達(dá)的國家采用較多的預(yù)冷方法[7]。我國對于差壓預(yù)冷技術(shù)的研究起步較晚，20 世紀(jì)90 年代末，果蔬預(yù)冷技術(shù)的研究被提上日程，天津商學(xué)院等院校開始對差壓預(yù)冷技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了一定研究成果。本文對差壓預(yù)冷技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，分析現(xiàn)有差壓預(yù)冷裝備的優(yōu)缺點，預(yù)測未來差壓預(yù)冷技術(shù)的研究方向。

1 差壓預(yù)冷技術(shù)的原理

差壓預(yù)冷技術(shù)是通過在果蔬表面進(jìn)行冷空氣對流換熱，從而達(dá)到減少果蔬攜帶熱量、降溫冷卻等目的的一種空氣預(yù)冷技術(shù)[8]。預(yù)冷前需要將果蔬按一定擺放方式放入具有通風(fēng)孔的包裝箱，將包裝箱碼垛后利用差壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽吸，從而在包裝箱兩側(cè)形成一定的壓力差，促使冷空氣通過通風(fēng)孔進(jìn)入到包裝箱內(nèi)部，與果蔬對流換熱，使果蔬快速冷卻[9]。

差壓預(yù)冷操作流程是，對采后果蔬進(jìn)行修剪，除去枝葉及存在病蟲害或遭受機(jī)械損傷的個體，對不同大小果蔬進(jìn)行分級，將不同級別果蔬分別放入不同包裝箱，包裝箱碼垛在差壓風(fēng)機(jī)兩側(cè)形成低壓通道，打開預(yù)冷設(shè)備進(jìn)行預(yù)冷處理。

2 差壓預(yù)冷關(guān)鍵技術(shù)

2.1 差壓預(yù)冷的影響因素

2.1.1 送風(fēng)參數(shù)

差壓預(yù)冷送風(fēng)參數(shù)主要包括送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度和送風(fēng)方式，是預(yù)冷間內(nèi)空氣溫度場和速度場分布的最主要因素，對預(yù)冷速度、預(yù)冷均勻性和差壓風(fēng)機(jī)能耗等諸多方面均產(chǎn)生顯著影響。

一般認(rèn)為，送風(fēng)溫度越低，送風(fēng)速度越高，果蔬預(yù)冷速度也就越快。然而，降低送風(fēng)溫度會大大提高制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)的功耗，增加預(yù)冷的不均勻性，使果蔬更容易發(fā)生冷害[10]；提高送風(fēng)速度雖然可以提高預(yù)冷速度和冷卻的均勻性，但同時也會增加差壓風(fēng)機(jī)的功耗，果蔬的干耗也會相應(yīng)提升[11]。因此，合理的送風(fēng)參數(shù)對預(yù)冷效果和經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。郭亞麗[12]等以溫度降的變化率、壓力降的變化率及在4 h 內(nèi)的溫降值為考慮對象，認(rèn)為當(dāng)這三者達(dá)到某個值時預(yù)冷效果達(dá)到最優(yōu)，即存在優(yōu)化函數(shù)式（1），通過優(yōu)化計算函數(shù)最大值，可確定合理的送風(fēng)參數(shù)，并與試驗結(jié)果保持較高的一致性。

式中：Δθ 為果蔬 4 h 內(nèi)的溫降值；θ′為 4 h 后過余溫度的變化；θ 為果蔬預(yù)冷 4 h 后的過余溫度值；Δp′為送風(fēng)速度變化時壓力降的變化。

針對送風(fēng)方式的研究相對較少。目前，常見的送風(fēng)方式是水平側(cè)面送風(fēng)和垂直頂部送風(fēng)（圖1）[13]。水平側(cè)面送風(fēng)時，80%以上的風(fēng)量會通過果蔬頂部與包裝箱之間的間隙流過，只有不到20%的風(fēng)量流過果蔬表面，造成較大的風(fēng)量損失[14]。研究表明，垂直頂部送風(fēng)較水平側(cè)面送風(fēng)的預(yù)冷速度更快，冷卻均勻性更高[13,15]。

2.1.2 包裝箱參數(shù)

在差壓預(yù)冷過程中，包裝箱除了作為果蔬的載體，還能起到保證通過農(nóng)產(chǎn)品的氣流均勻[16]、提供合適的機(jī)械阻力[17]、維持包裝箱兩側(cè)壓差等作用[18-19]。包裝箱的開孔形狀、開孔大小、開孔率及密封性能等結(jié)構(gòu)形式均影響差壓預(yù)冷的均勻性和壓降等性能[20]。

目前，常用預(yù)冷包裝箱多為長方體或正方體的二層或三層瓦楞紙箱。與木質(zhì)包裝箱、塑料包裝箱相比，紙箱具有輕便、可回收、成本低等優(yōu)點[21]。紙箱三維尺寸常根據(jù)冷庫容積、風(fēng)機(jī)額定功率而定，多在長300～600 mm，寬 150～350 mm，高 100～300 mm。包裝箱兩側(cè)需設(shè)計一定形狀、大小、數(shù)量的開孔。目前，差壓預(yù)冷紙箱開孔多選用圓形。研究發(fā)現(xiàn)，圓形孔較方形、橢圓形孔和鍵槽形孔的冷卻均勻性更好[22]，且預(yù)冷速度明顯快于矩形孔紙箱[23]。開孔大小和數(shù)量直接決定了開孔率的大小，開孔率并非越大越好。開孔率過大會使箱內(nèi)氣流分布不均勻，風(fēng)機(jī)消耗能量增加[24]，開孔率過小則會影響預(yù)冷速度和冷卻均勻性[25]。王達(dá)等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在其他條件一致的前提下，隨著開孔直徑的增加，蘋果預(yù)冷時間逐漸減少，預(yù)冷能耗卻逐漸增加，開孔直徑在40 mm 左右為宜。申江等[27]則發(fā)現(xiàn)，不同開孔率對白蘿卜降溫速率和均勻度會產(chǎn)生不同影響，當(dāng)以提高預(yù)冷速率為目的時，開孔率較大為宜；當(dāng)以預(yù)冷更為均勻為目的時，可選擇較小開孔率。實際冷鏈運輸時包裝箱可能要被捆扎、壓實，因此開孔設(shè)計也不能破壞包裝箱的機(jī)械完整性，以避免因包裝箱破損對果蔬造成機(jī)械傷害[28]。

2.1.3 堆碼方式

果蔬不同的擺放方式會使包裝箱內(nèi)所形成的氣流通道不同，從而影響包裝箱內(nèi)的溫度和速度場的分布，造成預(yù)冷效果存在差異。王琪等[29]將蘋果平行和交叉擺放后研究發(fā)現(xiàn)，平行排列降溫均勻性好，流動阻力比較均勻，且平行擺放裝箱量更大，更為經(jīng)濟(jì)。王軍艷等[30]研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜豎排擺放氣流方向一致，預(yù)冷速度快于橫排擺放。

包裝箱碼垛方式影響空氣流程長度和空氣阻力，進(jìn)而對預(yù)冷速度、冷卻均勻性和差壓風(fēng)機(jī)功耗等產(chǎn)生影響。王偉鋒[31]研究了番茄差壓預(yù)冷包裝箱碼垛不同層數(shù)、不同列數(shù)對番茄冷卻時間、冷卻均勻性以及失重率的影響，發(fā)現(xiàn)冷卻均勻性隨著層數(shù)、列數(shù)的增加而減小，而冷卻時間、失重率卻隨之增加。胡云峰等[32]研究發(fā)現(xiàn)，冷墻式差壓預(yù)冷中隨著堆碼層數(shù)的增加，預(yù)冷速度減慢。碼垛層數(shù)、列數(shù)并不是越少越好，實際商業(yè)應(yīng)用時需要綜合考慮預(yù)冷系統(tǒng)可處理量、經(jīng)濟(jì)性及系統(tǒng)能耗。

3 差壓預(yù)冷裝備及應(yīng)用

差壓預(yù)冷技術(shù)是在冷庫預(yù)冷的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在應(yīng)用時可通過對冷庫進(jìn)行改裝，如增加擋板、使用差壓風(fēng)機(jī)等形成差壓預(yù)冷庫。冷墻式差壓預(yù)冷庫（圖2）具有投資少、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，適用于中小型農(nóng)戶[32]。但由于是利用冷庫改裝，往往所占空間大，預(yù)冷不均勻且耗能較大。

冷空氣流經(jīng)包裝箱的壓力降較大，而普通的冷風(fēng)機(jī)風(fēng)壓又較小，當(dāng)果蔬碼堆較厚時，冷風(fēng)就不能正常的通過設(shè)計的既定氣流通道，預(yù)冷效果較差。因此，在普通差壓預(yù)冷庫中通常要設(shè)置一個靜壓箱，圖3 為帶靜壓箱的差壓預(yù)冷庫[33]。

為提高冷庫使用率，景君等[34]研制出一種可拆裝差壓預(yù)冷器，該裝置可在冷庫現(xiàn)場進(jìn)行拼裝。差壓預(yù)冷器相對于差壓預(yù)冷庫空間較小，冷卻更為均勻。但拼裝后密封性能不佳，預(yù)冷所需時間較長。

為滿足單體農(nóng)戶在分散的果園和菜地中進(jìn)行預(yù)冷的需求，出現(xiàn)了小型移動式果蔬產(chǎn)地差壓預(yù)冷機(jī)。劉向東等[35]研制出的5TYY-40 型田間移動式瓜果差壓預(yù)冷機(jī)（圖4）可移動作業(yè)，在田間采摘后能夠即時預(yù)冷，效能高。申江等[36]公開的果蔬垂直通風(fēng)差壓預(yù)冷裝置，可移動至田間即時預(yù)冷，也可在果蔬運輸途中進(jìn)行預(yù)冷，提高了預(yù)冷效率與預(yù)冷均勻性。

4 差壓預(yù)冷技術(shù)的應(yīng)用

以西紅柿、生菜、蘋果、梨等為代表的球形果蔬和以茄子、蘿卜、西葫蘆、青椒等為代表的類圓柱形果蔬是我國人民餐桌上常見的果蔬種類。目前，差壓預(yù)冷技術(shù)在球形果蔬、類圓柱形果蔬的預(yù)冷上應(yīng)用較為廣泛。通過差壓預(yù)冷技術(shù)預(yù)冷球形果蔬番茄和類圓柱形果蔬茄子、青椒等，預(yù)冷效率較冷庫預(yù)冷可提高2～6倍[37]。在西紅柿的差壓預(yù)冷應(yīng)用中，當(dāng)包裝箱碼垛不超過四層四列，送風(fēng)溫度在27 ℃降到10 ℃階段設(shè)置為4 ℃，在10 ℃降到5 ℃階段設(shè)置為2 ℃，送風(fēng)速度在27 ℃降到15 ℃階段采用0.9 m/s，在15 ℃降到5 ℃階段采用0.57 m/s 時，預(yù)冷效果較好，能耗相對較低[38]。差壓預(yù)冷球型果蔬生菜時，當(dāng)回風(fēng)通道間距為300 mm 時送風(fēng)速度及壓力較大。預(yù)冷終溫為5 ℃，半冷卻溫度前送風(fēng)溫度選擇4 ℃，半冷卻溫度后送風(fēng)溫度選擇2 ℃，預(yù)冷效率較高[39]。在類圓柱形果蔬白蘿卜的差壓預(yù)冷中，使用包裝箱開孔率在0.08 左右、箱內(nèi)蘿卜孔隙率在0.46 左右、送風(fēng)溫度為3 ℃、送風(fēng)速度為0.32 m/s 時，預(yù)冷均勻性最佳[40]。在其他形狀果蔬如芒果的預(yù)冷中，差壓預(yù)冷也有較好的預(yù)冷效果。研究表明，與將芒果直接放置在13 ℃的環(huán)境里貯藏相比，將芒果以0 ℃的送風(fēng)溫度、1 m/s 的送風(fēng)速度差壓預(yù)冷至13 ℃后再在此溫度下貯藏可以增強(qiáng)芒果的抗氧化活性，有利于維持果實品質(zhì)[41]。

5 結(jié)論與展望

差壓預(yù)冷設(shè)備簡單，在現(xiàn)有冷庫基礎(chǔ)上僅需增加1 個靜壓箱、1 個差壓風(fēng)機(jī)即可，應(yīng)用前景十分廣闊。本文主要分析了送風(fēng)參數(shù)、包裝箱參數(shù)、堆碼方式對差壓預(yù)冷效果的影響，并結(jié)合球形果蔬、類圓柱形果蔬等不同形狀果蔬對預(yù)冷效果進(jìn)行分析。目前，受行業(yè)發(fā)展的影響，我國果蔬差壓預(yù)冷技術(shù)雖得到了推廣，但在實際應(yīng)用中還存在許多亟待解決的問題。未來差壓預(yù)冷技術(shù)研究的主要方向為：①拓寬果蔬研究種類，建立較為完善的差壓預(yù)冷標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，為實際生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐；②推進(jìn)差壓預(yù)冷物聯(lián)網(wǎng)云平臺控制，實現(xiàn)設(shè)備故障提前預(yù)測、專家在線技術(shù)支持，提高預(yù)冷效果及經(jīng)濟(jì)效益；③加大差壓預(yù)冷裝備研發(fā)力度，優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵部件、空間布局，提高裝備效率，另外，可將新能源應(yīng)用于預(yù)冷裝備，以便因地制宜，減少傳統(tǒng)能源消耗；④加快新型差壓預(yù)冷裝備的產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)果蔬冷鏈物流進(jìn)一步發(fā)展。