荔枝不同預冷方式降溫特性研究

呂盛坪，呂恩利，陸華忠，楊松夏，方思貞(南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室/華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣東廣州510642)

荔枝不同預冷方式降溫特性研究

呂盛坪，呂恩利，陸華忠，楊松夏，方思貞
(南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室/華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣東廣州510642)

摘要:【目的】研究荔枝不同預冷方式的降溫特性.【方法】建立差壓預冷試驗箱，以“淮枝”為材料，采用冰水(L1)、冷庫(L2)、差壓(L3)以及高濕差壓(L4)進行預冷試驗.【結(jié)果和結(jié)論】L1、L2、L3、L4分別需耗時35、55、64和345 min將平均果溫降至目標溫度(5℃).L1不同位置降溫無顯著差異.L2分別用195、258和228 min將左右側(cè)和上層果溫降至5℃，345 min后中下層和中間位置果溫仍分別高達5.37、6.16和7.37℃;左右與中間處降溫差異顯著.L3分別用39、52、42 min將左右側(cè)和上層果溫降至5℃，55 min后中下層和中間位置果溫仍分別高達6.03、5.67和9.03℃，上層與中下層果溫差異顯著; L4分別用39、41 min將左側(cè)和上層果溫降至5℃，64 min后中下層和中右位置果溫仍分別高達5.86、8.83、7.87和6.63℃，左側(cè)和中間處降溫差異顯著.L1預冷效率高、果溫均勻性好，是荔枝較適合的預冷方式.

關(guān)鍵詞:荔枝;預冷方式;降溫特性

呂盛坪，呂恩利，陸華忠，等.荔枝不同預冷方式降溫特性研究［J］.華南農(nóng)業(yè)大學學報，2015，36(3) : 114-119.

優(yōu)先出版時間:2015-04-14

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荔枝是我國南方亞熱帶名優(yōu)水果，采后急需進行預冷，一般要求在采收后6 h內(nèi)完成包裝、預冷、入冷庫貯藏［1］.預冷對降低荔枝采后呼吸強度和生理代謝頻率，抑制酶和乙烯釋放，減少生理病害，降低腐爛和貯運能耗具有重要意義.

荔枝常用的預冷方式有冰(冷)水預冷、冷庫預冷、差壓(加濕差壓)預冷等［2-3］.王倩等［4］設計開發(fā)了基于機械制冷冷風機組為冷源和以冰為冷源的荔枝產(chǎn)地復合預冷裝置.段潔利等［5］研究了荔枝差壓預冷溫變特性.楊洲等［6］對荔枝差壓預冷環(huán)境氣流場進行了研究.宋曉燕等［7］研究了上海青葉子表面溫度在真空預冷過程中的溫度變化規(guī)律.宋小勇等［8］對非洲菊真空預冷過程中舌狀花瓣、管狀花瓣和莖稈3個部位的降溫速度和均勻性進行了研究.對果蔬差壓預冷過程數(shù)學模型和降溫特性也有較多研究［9-11］，但針對荔枝不同預冷方式降溫特性的研究較少.本文研究冰水、冷庫、低濕差壓(簡稱差壓)和高濕差壓預冷荔枝果肉的降溫規(guī)律和溫度均勻性，為荔枝預冷方式的選擇提供參考.

1　材料與方法

1.1材料及預處理

試驗用荔枝品種為“淮枝”，于2013年7月23日清晨采自廣州市從化果園，果實成熟，著色充分.采后立即運回實驗室，剪去果枝、去除傷病果.為保證不同預冷方式荔枝后續(xù)儲藏品質(zhì)，調(diào)制φ為0.11%的施?？诉M行消毒處理.因冰水浸泡荔枝會清洗消毒液，并重新帶入病毒，所以冰水預冷完成后才進行消毒處理.

1.2主要儀器設備

冷庫預冷采用低溫冷庫;差壓和高濕差壓預冷需差壓裝置來實現(xiàn)冷風強迫對流.冰水預冷采用尺寸為530 mm×320 mm×400 mm的儲水水箱進行.

冷庫預冷采用華南農(nóng)業(yè)大學南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室自主開發(fā)的試驗廂作為平臺，結(jié)構(gòu)如圖1所示.該試驗平臺尺寸為2 380 mm×1 280 mm×1 400 mm，貯藏區(qū)尺寸為1 180 mm ×940 mm×1 340 mm.試驗平臺采用2匹制冷機組(四菱制冷設備有限公司)進行制冷，利用冷風機(KINGBO ZNF295-G 24V直流風機)實現(xiàn)氣流循環(huán)，超聲波霧化振子(JAS-20-B型，中山市紅星電子廠)進行加濕.可編程控制器(SIMENS S7-300型PLC)根據(jù)設置的初始參數(shù)值和傳感器采集的廂內(nèi)溫濕度，對制冷機組、加濕裝置、風機等進行控制，智能調(diào)控貯藏室內(nèi)保鮮環(huán)境.

圖1　試驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 A schematic diagram of the experimental platform

差壓和高濕差壓預冷采用自主建立的如圖2所示差壓箱實現(xiàn)差壓送風.預冷差壓箱采用8 mm厚的有機玻璃板制成.試驗區(qū)尺寸為422 mm×294 mm× 354 mm.根據(jù)前期針對番茄［12］和龍眼［13］研究所確定的開孔率，結(jié)合初步試驗，選擇開孔率為13.9%.根據(jù)開孔率在兩側(cè)開孔板上均勻設置25個直徑為15 mm的圓孔.利用DPT10-35B型圓型管道風機(佛山南海南洋電機電器有限公司)吸力在箱體內(nèi)外產(chǎn)生壓差，迫使冷空氣從箱內(nèi)快速通過.試驗時，差壓箱置于圖1所示平臺中，利用壓差抽取試驗平臺中冷風預冷荔枝.出口風速通過調(diào)速器(湘潭充暢電子電器廠生產(chǎn)的3000W可控無極調(diào)節(jié)王)實現(xiàn)，風速由AZ8901風速儀(臺灣衡欣科技股份有限公司)測定，誤差±2%.

圖2　預冷差壓試驗箱Fig.2 The forced-air precooling experimental box

試驗時，冷庫和差壓預冷采用同一冷庫平臺(編為1號試驗臺)，通過控制器開啟制冷機組，關(guān)閉加濕裝置;高濕差壓預冷在2號試驗臺中進行，同時開啟加濕和制冷功能.冰水預冷果溫和水溫采用Anymetre PT3002型探針式溫度計測量，測量誤差±(1 ～5)℃，測量范圍50～300℃.其他預冷方式果溫采用WRNT-02型K型熱電偶測定，測量誤差±(1～5)℃，測量范圍0～500℃.

1.3處理和測定方法

取60 kg荔枝均勻分裝在12個塑料筐中，隨機分成4組，每組3筐.從第1組中隨機選取9顆荔枝測定并記錄預冷前初始溫度，然后將3筐荔枝垂直堆垛放置于預冷水箱中，快速加入冰水覆蓋筐中荔枝.每隔5 min，從上中下每個筐的左中右分別隨機選擇1顆荔枝，快速測定荔枝果溫.同時測定冰水溫度;如果冰溫超過5℃，在預冷水箱中快速加入冰塊.當荔枝平均溫度降低至近5℃的目標溫度結(jié)束.

選第2組3筐荔枝作為冷庫預冷材料，將該組3筐荔枝垂直堆垛快速置于1號試驗臺中，保證筐的長度方向平行于1號試驗臺長度方向，筐的最左側(cè)靠近圖1所示開孔隔板右側(cè)30 mm.然后從3個筐中沿長度方向左中右位置各選1顆荔枝，分別插入1 個K型熱電偶.

項目建設目標和任務已經(jīng)明確，市場的大門也已經(jīng)打開，作為相關(guān)企業(yè)，應該從切實加強自身技術(shù)實力出發(fā)，努力提供符合相關(guān)標準和規(guī)范的產(chǎn)品設備和技術(shù)服務，積極參與項目建設中。

第3、4組各3筐荔枝分別用于差壓和高濕差壓預冷.將差壓預冷3筐荔枝分批倒入圖2所示差壓箱，每倒入1筐作為1層(共包括上中下3層)，并從每層的左中右位置分別選擇1顆荔枝，各插入1個K型熱電偶，完成后將差壓箱置于1號試驗臺(差壓箱長度方向與冷庫預冷組塑料筐長度平行，最右側(cè)離試驗臺開孔隔板30 mm).并將冷庫和差壓預冷熱電偶數(shù)據(jù)線一并連接到數(shù)字記錄儀上，利用電腦保存數(shù)據(jù).調(diào)整變頻開關(guān)使差壓箱出口風速為4 m·s－1，相應差壓箱橫截面上風速約1 m·s－1(等于出口處所測風速乘以截面比，截面比為風機出口與差壓箱橫截面面積比值，約為0.27).開啟1號試驗臺電源和差壓箱風機電源，設置制冷溫度為0℃后進行差壓和冷庫預冷試驗.差壓預冷熱電偶均溫降到5℃時，打開平臺1取出差壓箱關(guān)閉庫門繼續(xù)進行冷庫預冷.高濕差壓預冷在2號試驗臺進行，試驗時同時開啟制冷和加濕(制冷溫度0℃，濕度85%～95%)，待熱電偶所測溫度平均值降低到5℃關(guān)閉2號試驗臺，其他操作與差壓預冷過程類似.

1.4數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)處理軟件為Excel和SPSS(16.0).

2　結(jié)果與分析

不同預冷方式荔枝溫變從上中下3層和左中右3個不同位置處果肉降溫過程進行分析;溫度均勻性通過不同層和位置處溫度的差異性和溫度標準差反應.其中每一層果溫為同一層左中右3顆荔枝同翌測定所得溫度的均值，左中右不同位置的溫度為同一位置上中下不同層3顆荔枝同一次測定所得結(jié)果的均值.

2.1冰水預冷荔枝降溫過程和溫度均勻性分析

圖3、4分別給出了冰水預冷過程不同層(包含整體均溫降溫)和左中右不同位置處果肉平均溫變過程.可以看出，平均果溫從27.3℃降至5.06℃只需35 min，降溫迅速;且左中右不同位置處果溫降溫曲線非常接近.同時可以看出，預冷過程中，上層荔枝果溫較中層低，下層果溫最高.可能是預冷過程冰浮于水上，上層荔枝與冰接觸多，降溫快;越到下層，荔枝接觸冰的機率越小，降溫越慢.但同一時期，上中下、左中右不同位置處荔枝果溫均無顯著性差異.分析不同層處左中右不同位置溫度標準差發(fā)現(xiàn):越到下面荔枝果溫越均勻.可能原因是中下層水溫較一致，被冷水包圍的荔枝溫度一致性好;而上層荔枝與浮于水面冰塊或碎冰接觸不均勻，預冷過程溫差較大.

圖3　冰水預冷不同層處果肉溫度變化過程Fig.3　 The fruit flesh temperature changes of different layers for ice precooling

圖4　冰水預冷不同位置處平均溫度變化過程Fig.4　 The fruit flesh temperature changes of different positions for ice precooling

2.2冷庫預冷荔枝降溫過程和溫度均勻性分析

冷庫預冷耗時345 min才將荔枝均溫從24.74 ℃(消毒處理后荔枝表面攜帶水分蒸發(fā)降溫導致荔枝初始溫度稍低于冰水預冷荔枝初溫)降到5.02℃.圖5、6給出了冷庫預冷上中下不同層和左中右不同位置處果肉均溫變化過程.

圖5　冷庫預冷不同層處果肉溫度變化過程Fig.5　 The fruit flesh temperature changes of different layers for room precooling

圖6　冷庫預冷不同位置處荔枝果肉溫度變化過程Fig.6　 The fruit flesh temperature changes of different positions for room precooling

每隔50 min選取1個時間點，對不同層和位置處荔枝果溫均勻性分析發(fā)現(xiàn):同一時期，上中下層荔枝果溫無顯著性差異;左側(cè)荔枝均溫最低，左右兩側(cè)荔枝均溫無顯著性差異，但左右位置與中間位置處荔枝果溫差異顯著.可能原因是左右兩側(cè)荔枝與冷空氣接觸較充分，溫度變化較一致;但中間位置處荔枝較難與冷空氣接觸，降溫慢，溫度較高.冷庫預冷靠近冷風口處易發(fā)生凍害.所以，最好將荔枝置于遠離冷風出口處，并盡量置于溫度均勻的預冷區(qū)域.

2.3差壓和高濕差壓預冷荔枝降溫過程和溫度均勻性分析

差壓預冷過程將荔枝均溫從22.1℃降到5.08℃約55 min;高濕差壓預冷速度較差壓預冷降溫速度慢，將荔枝果肉均溫從22.7℃降到5.01℃需64 min.圖7、8(圖9、10)給出了差壓(高濕差壓)預冷不同層和不同位置處果肉溫度變化過程.

圖7　差壓預冷不同層處荔枝果肉溫度變化過程Fig.7　 The fruit flesh temperature changes of different layers for forced-air precooling

圖8　差壓預冷不同位置處荔枝果肉平均溫度變化過程Fig.8　 The fruit flesh temperature changes of different positions for forced-air precooling

圖9　高濕差壓預冷不同層處果肉溫度變化過程Fig.9　 The fruit flesh temperature changes of different layers for forced-air precooling with high humidity

圖10　高濕差壓預冷不同位置處荔枝果肉平均溫度變化過程Fig.10　 The fruit flesh temperature changes of different positions for forced-air precooling with high humidity

由圖7～10可以看出，2種預冷方式降溫過程非常相似.15 min前，2種預冷方式荔枝不同層和不同位置處果溫變化不大.不同層比，2種預冷方式均表現(xiàn)為上層降溫速度最快(差壓預冷和高濕差壓預冷將上層果溫降至近5℃分別耗時42和41 min;預冷結(jié)束時2種預冷方式中下層果溫仍分別高達6.03、5.67和5.86、8.83℃).不同位置比，中間位置荔枝均溫降速最慢(預冷結(jié)束時2種預冷方式中間層果溫仍分別高達9.03、7.87℃)，右側(cè)次之，左側(cè)最快(差壓和高濕度差壓均使用39 min將左側(cè)果溫降至近5℃).2種預冷方式上層降溫最快的可能原因是荔枝并未填滿差壓箱試驗區(qū)形成空穴，上層空穴通風阻力小，冷風快速流過，加速了上層荔枝降溫.越到下層和中間，越難接觸冷空氣，降溫越慢;左側(cè)因靠近冷氣出口，降溫較快.

每隔10 min取1個預冷時間點，對差壓和高濕差壓預冷不同層和不同位置處荔枝果溫均勻性進行分析發(fā)現(xiàn):在溫度開始穩(wěn)定下降后(15 min后)，差壓和高濕差壓預冷上層荔枝果溫明顯低于中下層荔枝果溫.前20 min，左中右不同位置處溫度無顯著性差異; 20 min后，左側(cè)與右側(cè)、中間與右側(cè)位置處荔枝果溫各無顯著性差異，但左側(cè)溫度最低，且與中間位置處果溫差異顯著(其中差壓預冷最大平均溫差達8.8℃，高濕差壓預冷最大平均溫差達9.1℃).為實現(xiàn)荔枝完全預冷，2種預冷方式上層和靠近冷風口處荔枝往往易受凍害.

2.4不同預冷方式降溫過程與均勻性對比分析

圖11給出了不同預冷方式荔枝平均溫度變化過程.總體看，冰水、差壓、高濕差壓預冷和冷庫預冷果溫降速依次減緩;并一致表現(xiàn)出溫度越低，降溫速率越慢.冰水預冷主要通過熱傳導降溫，水的熱流密度大，所以降溫迅速.而其他預冷主要通過空氣(自然和強迫)對流降溫，空氣的熱對流系數(shù)遠小于水的熱對流系數(shù)(200～1 000 W/m2·℃)，所以降溫相對慢.同時，由于空氣差壓強迫對流時熱對流系數(shù)(20～100W/m2·℃)大于自然對流的(5～25 W/m2·℃)的換熱系數(shù)，所以冷庫預冷果肉降溫較差壓和高濕差壓預冷慢.且高濕環(huán)境影響荔枝熱交換，高濕差壓降溫速度較差壓預冷慢.

圖11　不同預冷方式果肉平均溫度變化過程Fig.11　 The fruit fresh temperature changes of different precooling methods

從各預冷方式降溫過程中果溫標準差(圖12)可以看出冰水預冷不同位置和層處總體溫度最均勻，冷庫預冷次之，差壓預冷較高濕差壓預冷均勻.同時可以看出，冷庫、差壓和高濕差壓預冷方式溫度標準差均表現(xiàn)出先增加、后下降的趨勢.可能原因是開始降溫時，荔枝初始溫度較高，堆垛筐不同位置和層處荔枝接觸冷源機會不同，上層和左側(cè)荔枝熱對流降溫迅速，不同位置荔枝逐漸形成較大溫度梯度，并不斷增大;當預冷一段時間果溫降到一定程度后，溫度低處荔枝降溫速度減緩，且較高溫度差荔枝逐層接觸亦發(fā)生熱傳導降溫，不同層和位置處荔枝溫度梯度逐漸縮小.因差壓和高濕差壓機理基本一致，溫度不均勻特性相似.

圖12　不同預冷方式果肉溫度標準差Fig.12　 Standard deviations of the rfuit flesh temperature for different precooling methods

3　結(jié)論

建立了差壓預冷試驗裝置，采用冰水、冷庫、差壓以及高濕差壓方式對荔枝預冷的降溫規(guī)律和溫度均勻性進行了對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn):

1)冰水預冷降溫最快、差壓次之、高濕差壓更慢、冷庫預冷最慢;且溫度越低，降溫速率越慢.

2)同一預冷時期，冰水預冷不同位置處、不同層處荔枝果溫均無顯著性差異.冷庫預冷左右與中間位置處荔枝果溫差異顯著，左側(cè)靠近冷風口溫度最低，左側(cè)荔枝易受凍害.差壓和高濕差壓預冷上層荔枝降溫過程明顯快于中下層降溫過程;左側(cè)荔枝降溫較中右位置快，且與中間位置處荔枝果溫差異顯著;上層和左側(cè)靠近冷風口的荔枝易受凍害.

3)溫度標準差反應的溫度均勻性顯示冰水預冷溫度最均勻，冷庫預冷次之，差壓預冷較高濕差壓預冷均勻.

從預冷效率、均勻性和防冷凍害角度看，冰水預冷是較合適的預冷方式.

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【責任編輯霍歡】

Cooling characteristics of different precooling methods for litchi

LüShengping，LüEnli，LU Huazhong，YANG Songxia，F(xiàn)ANG Sizhen
(Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment/College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

Abstract:【Objective】To study the cooling characteristics of different precooling methods for litchi.【Method】A pressure-difference precooling test chamber was established.Four precooling methods，including ice water(L1)，cold storage(L2)，pressure-difference(L3) and forced-air pressure-difference with high humidity (L4)，were adopted for“Huaizhi”litchi.【Result and conclusion】The results showed that L1，L2，L3 and L4 spent 35，55，64 and 345 min respectively to precool the litchi down to the target temperature (5℃).The cooling procedure of litchi fruit at different positions for L1 performed no significant difference.L2 took 195，258 and 228 min to precool litchi at left and right positions and top layer respectively.However，the fruit temperature at middle and bottom layer and middle position were still up to 5.37，6.16 and 7.37℃respectively after 345 min precooling; and the cooling procedure of litchi fruit showed significant differences between the left，right position and its middle position.L3 took 39，52，42 min to precool litchi at the left and right positions and top layer respectively.However，the fruit temperature at middle and bottom layers and middle position were still up to 6.03，5.67 and 9.03℃respectively after 55 min precooling.The cooling procedure of litchi fruit showed significant difference among the top layer，left position and its middle and bottom layers.L4 spent 39 and 41 min to precool litchi at the left position and top layer respectively.However，the fruit temperature at the middlebook=115,ebook=119and bottom layers，middle and right positions were still respectively up to 5.86，8.83，7.87 and 6.63℃after 64 min precooling.The cooling procedure of litchi fruit showed a significant difference between the left position and its middle position.L1 has high cooling efficiency and good fruit temperature uniformity，which is suitable for cooling litchi.

Key words:litchi; precooling methods; cooling characteristics

基金項目:國家自然科學基金(31101363) ;國家科技支撐計劃項目子課題(2013BAD19B01-1-3) ;廣東省自然科學基金(S2012010010388) ;廣東省科技計劃項目(2012B020313007) ;廣東省高等學校學科與專業(yè)建設專項資金項目(2013LYM_0001)

作者簡介:呂盛坪(1982—)，男，講師，博士，E-mail: lvshengping@ scau.edu.cn

收稿日期:2014-03-18

文章編號:1001-411X(2015) 03-0114-06

文獻標志碼:A

中圖分類號:S379.1