果蔬公路運(yùn)輸保鮮配套技術(shù)與裝備研究①

楊松夏 朱立學(xué) 張耀國(guó) 張日紅

（1 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 廣東廣州510225；2 徐聞縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 廣東湛江524100）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民消費(fèi)水平的提高，人們對(duì)新鮮果蔬的需求不斷提高。中國(guó)果蔬產(chǎn)量豐富，但要滿足巨大的果蔬消費(fèi)需求尚需依托良好的果蔬保鮮運(yùn)輸業(yè)。然而，國(guó)內(nèi)冷鏈運(yùn)輸設(shè)備相對(duì)不足，技術(shù)相對(duì)落后，果蔬冷鏈流通率僅為22%，果蔬腐爛損失率達(dá)到15%，而發(fā)達(dá)國(guó)家果蔬冷鏈流通率達(dá)95%以上，腐爛損耗率低于5%［1］。

我國(guó)果蔬具有品種多，分布廣的特色，因而，運(yùn)輸適合采用“小批量、多頻次、多品種”的形式。公路運(yùn)輸靈活快捷，可以實(shí)現(xiàn)“門到門”的服務(wù)，對(duì)于果蔬運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)公路運(yùn)輸生鮮貨物所占的市場(chǎng)份額已上升至75%，短途運(yùn)輸幾乎全部為公路運(yùn)輸［2～3］。為有效控制公路運(yùn)輸果蔬品質(zhì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從減振包裝、運(yùn)輸過(guò)程溫度、濕度、氣體成分等環(huán)境因素的控制、運(yùn)輸過(guò)程信息監(jiān)控等方面進(jìn)行了深入研究，并開發(fā)出了相應(yīng)裝備。

1 果蔬公路運(yùn)輸品質(zhì)主要影響因素

公路運(yùn)輸是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，影響果蔬品質(zhì)的因素主要有溫度、濕度、氣體成分和振動(dòng)。

在運(yùn)輸過(guò)程中，溫度是影響運(yùn)輸果蔬品質(zhì)的主要影響因素，研究表明，在果蔬采后貯運(yùn)保鮮中，低溫占60%～70%的技術(shù)貢獻(xiàn)率［4］。低溫能夠抑制呼吸作用，減少果蔬失水，抑制果蔬表面細(xì)菌生長(zhǎng)。此外，環(huán)境溫度波動(dòng)會(huì)刺激果蔬中水解酶的活性，促進(jìn)果蔬呼吸。采用冷藏運(yùn)輸技術(shù)與裝備，可以保證果蔬在適宜的低溫條件下運(yùn)輸。

采后的果蔬仍是鮮活的產(chǎn)品，對(duì)于多數(shù)果蔬品種而言，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度小于85%時(shí)，果蔬失水加劇。果蔬失水，一方面導(dǎo)致細(xì)胞膨壓下降，造成機(jī)械結(jié)構(gòu)特性改變；另一方面，加快呼吸作用，加速營(yíng)養(yǎng)成分的分解［5］。因此，運(yùn)輸過(guò)程運(yùn)用加濕技術(shù)和裝備，控制運(yùn)輸環(huán)境處于適宜的濕度水平，可以有效抑制果蔬失水。

影響果蔬采后貯運(yùn)生理活動(dòng)的氣體主要是O2和CO2。降低O2濃度，能夠有效抑制呼吸作用和蒸騰作用。但是O2濃度應(yīng)在果蔬承受范圍以內(nèi)，濃度過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致無(wú)氧呼吸，產(chǎn)生乙醇、乙醛等物質(zhì)。適當(dāng)增加CO2濃度，不僅可以抑制果蔬的呼吸作用，還可以延緩內(nèi)源乙烯的合成。采用氣調(diào)技術(shù)，適當(dāng)降低運(yùn)輸環(huán)境的O2濃度，提高CO2濃度，可以一定程度上抑制果蔬呼吸和失水。

在運(yùn)輸中，振動(dòng)使果蔬發(fā)生碰撞、摩擦和擠壓，易導(dǎo)致果蔬產(chǎn)生機(jī)械損傷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，果蔬采后由于運(yùn)輸中的機(jī)械損傷所導(dǎo)致的損失達(dá)25%～45%［6］。在運(yùn)輸過(guò)程中，果蔬的振動(dòng)主要與路面狀況、車輛速度和載荷等有關(guān)［7］。為有效降低振動(dòng)對(duì)果蔬影響，一方面要研究減振緩沖裝置，一方面要研究不同果蔬的減振包裝方式。

2 公路運(yùn)輸果蔬品質(zhì)保鮮技術(shù)與裝備

目前，應(yīng)用于果蔬公路運(yùn)輸保鮮的技術(shù)與裝備主要有減振包裝、冷藏車、氣調(diào)車、加濕及運(yùn)輸過(guò)程中的信息監(jiān)控等。

2.1 減振包裝

減振包裝是降低果蔬機(jī)械損傷的重要措施。目前，對(duì)減振包裝的研究主要是在包裝材料和包裝方式兩個(gè)方面。Vursavus 等［8］研究了蘋果紙漿托盤包裝（paper pulp tray packaging）、波紋纖維板內(nèi)規(guī)則擺放包裝（pattern packaging）和木箱內(nèi)雜亂擺放（volume packaging）包裝等不同方式對(duì)蘋果機(jī)械損傷的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)波紋纖維板內(nèi)規(guī)則擺放包裝（pattern packaging）的蘋果受到機(jī)械損傷程度最小。Lu 等［9］采用跌落試驗(yàn)研究了瓦楞紙箱包裝的減振效果，發(fā)現(xiàn)雙壁瓦楞紙板能量吸收顯著大于單壁，雙壁瓦楞紙板箱較單壁有利于減少蔬果的損傷率。李春飛等［10］研究了6種緩沖包裝對(duì)蘋果的損傷作用，發(fā)現(xiàn)瓦楞紙板襯墊、發(fā)泡塑料網(wǎng)做包裝時(shí)可降低損傷程度，且發(fā)泡塑料網(wǎng)的緩沖效果更好。趙星星等［11］設(shè)計(jì)了納米箱+內(nèi)包裝PE保鮮膜包裝方式，可有效減小機(jī)械損傷且保鮮效果好。

對(duì)于果蔬運(yùn)輸減振包裝技術(shù)，研究不同水果的力學(xué)特性，運(yùn)用包裝動(dòng)力學(xué)分析、仿真模擬和物理試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究適合不同水果的減振包裝材料和包裝方式是未來(lái)的發(fā)展方向。此外，綠色環(huán)保、可循環(huán)利用的包裝材料也是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

2.2 冷藏車

冷藏車是公路運(yùn)輸易腐果蔬的重要工具，冷藏車主要由汽車底盤、制冷設(shè)備、冷藏車廂等構(gòu)成。其中制冷設(shè)備和冷藏車廂是冷藏車兩大專用設(shè)備。

2.2.1 制冷設(shè)備

目前，應(yīng)用于冷藏車上的制冷設(shè)備按照制冷方式劃分，主要有機(jī)械制冷、蓄冷板制冷和液態(tài)氣體制冷3種制冷方式。

（1）機(jī)械制冷。機(jī)械制冷由于調(diào)溫范圍廣、調(diào)溫精確可靠，其應(yīng)用最為廣泛，也是技術(shù)最為成熟、普及最為廣泛的制冷方式。機(jī)械制冷機(jī)組又可分為非獨(dú)立式制冷機(jī)組和獨(dú)立式制冷機(jī)組。非獨(dú)立式制冷機(jī)組的壓縮機(jī)由冷藏車發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)無(wú)法制冷，且制冷量受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響；而獨(dú)立式制冷機(jī)組配備有獨(dú)立的內(nèi)燃機(jī)或電動(dòng)機(jī)，壓縮機(jī)工作穩(wěn)定，并且在停車時(shí)可以切換至外部電源驅(qū)動(dòng)。

機(jī)械制冷機(jī)組固然有優(yōu)勢(shì)，但存在能耗較高，污染較大，故障率高的缺點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，制冷機(jī)組每百公里油耗為2～4 L，同時(shí)汽車的尾氣排放增加30%［12］。對(duì)于機(jī)械制冷，可以從提高壓縮機(jī)效率、降低壓縮機(jī)能耗方面做進(jìn)一步研究。

（2）蓄冷板制冷。蓄冷板制冷利用共晶液的充冷和放冷實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。充冷過(guò)程消耗低價(jià)電能的，放冷過(guò)程傳熱面積大，有利于冷藏溫度的均勻性。徐笑峰等［13］對(duì)蓄冷板冷藏車的制冷量和熱負(fù)荷進(jìn)行了研究，提出了蓄冷板和蓄冷制冷機(jī)組制冷量的計(jì)算方法。李春海等［14］設(shè)計(jì)了蓄冷保溫集裝箱，箱內(nèi)溫度最高為11.90 ℃，最低溫度為4.58 ℃，溫度波動(dòng)較小，保鮮效果良好。

蓄冷板制冷由于制冷溫度單一，制冷時(shí)間短，適合中短途冷藏運(yùn)輸。對(duì)于蓄冷板制冷，開發(fā)具有一定溫度適應(yīng)性的共晶液，優(yōu)化制冷機(jī)組參數(shù)，延長(zhǎng)制冷時(shí)間是未來(lái)可能發(fā)展方向。

（3）液態(tài)氣體制冷。液態(tài)氣體制冷利用物質(zhì)相變吸熱的原理進(jìn)行降溫，常用的相變工質(zhì)有液氮、干冰、液化天然氣。液態(tài)氣體制冷裝置一般包括儲(chǔ)液罐、噴淋裝置或換熱器、溫度控制系統(tǒng)，為防止液體氣化引起車廂壓力升高，還需配備安全排氣閥門。圖1 為一種液態(tài)氣體冷藏車結(jié)構(gòu)示意圖。液態(tài)氣體冷藏車降溫過(guò)程環(huán)保無(wú)污染，并且降溫速度快，降溫均勻，國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量研究。徐峰等［15］、張玉文［16］研究液氮冷藏車容量、冷負(fù)荷和液氮重注量的計(jì)算方法，以及噴淋液氮冷藏車內(nèi)溫度分布情況，為冷藏車的設(shè)計(jì)和使用提供了依據(jù)。

液態(tài)氣體制冷具有液態(tài)工質(zhì)成本較高，運(yùn)輸途中補(bǔ)給困難的缺點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)果蔬運(yùn)輸生產(chǎn)中應(yīng)用較少。對(duì)于液態(tài)氣體制冷，提高液態(tài)氣體利用率，完善液態(tài)氣體補(bǔ)給設(shè)施建設(shè)，加強(qiáng)液態(tài)氣體制冷與機(jī)械制冷方式的聯(lián)合應(yīng)用是未來(lái)可能的重要研究方向。

圖1 液氮冷藏車結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 冷藏車廂

冷藏車廂可以保持車廂環(huán)境、保證車廂流場(chǎng)按照需求分布。國(guó)內(nèi)外都對(duì)冷藏車廂的材料和車廂結(jié)構(gòu)開展了研究。

冷藏車廂材料方面，國(guó)內(nèi)外廣泛采用傳熱系數(shù)低、強(qiáng)度高的聚氨酯泡沫作為冷藏車廂材料。部分企業(yè)也開始采用重量輕、隔熱效果好的真空絕熱板（Vacuum Insulation Panel，VIP）生產(chǎn)車廂。國(guó)外的DOW、ICI、ZAE Buyern 等公司的真空絕熱板技術(shù)成熟，國(guó)內(nèi)的上海交大、蘭州物理研究所、揚(yáng)州大學(xué)等也對(duì)真空絕熱材料的特性和工藝開展了研究，上海夏普電器有限公司試制成功了真空絕熱板［17］。

在車廂結(jié)構(gòu)方面，郭嘉明等［18］運(yùn)用數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法研究發(fā)現(xiàn)，“差壓式”廂體結(jié)構(gòu)、加裝風(fēng)道可以促進(jìn)溫度場(chǎng)的均勻性?！安顗菏健睅w結(jié)構(gòu)有“上送下回”和“下送上回”兩種送風(fēng)方式。“上送下回”的結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟，但也存在一定的缺陷。“上送下回”結(jié)構(gòu)自上而下強(qiáng)制送風(fēng)，而冷空氣受熱上升，從而形成氣流沖突?！跋滤蜕匣亍钡慕Y(jié)構(gòu)，冷風(fēng)從下部送出，不會(huì)形成氣流沖突，但需要在車廂地板安裝T型槽，以保證冷風(fēng)可以順暢送至車廂后部。

此外，歐美等國(guó)家提出了多溫區(qū)廂體結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了多溫區(qū)冷藏車。多溫區(qū)冷藏車單次運(yùn)輸可同時(shí)裝載多種不同溫度要求的果蔬，且各自均保持在適宜的運(yùn)輸溫度條件下，因此多溫區(qū)冷藏運(yùn)輸技術(shù)改善了單次運(yùn)輸車廂溫度單一的缺陷，降低了對(duì)運(yùn)輸果蔬種類的要求，提高了運(yùn)輸效率。國(guó)內(nèi)李錦等［19］對(duì)多溫區(qū)冷藏車降溫?cái)?shù)學(xué)模型和車廂內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了研究，為多溫區(qū)冷藏車的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。一般，低溫區(qū)位于最前端，高溫區(qū)位于最后端，每個(gè)溫度配備單獨(dú)蒸發(fā)器或所有溫區(qū)共用一臺(tái)蒸發(fā)器。自多溫度廂體結(jié)構(gòu)提出后，便引起了廣泛關(guān)注。在多溫區(qū)結(jié)構(gòu)中，不同溫區(qū)的容積分配是難點(diǎn)。溫區(qū)容積可變式廂體，具有較高的靈活性，容積利用率較高，但是不同溫區(qū)間的移動(dòng)式隔板密封性差，溫區(qū)間的環(huán)境易相互影響。溫區(qū)容積固定式箱體的隔離效果較好，但容積利用率較低。

對(duì)于冷藏車廂，研究隔熱性能優(yōu)良、重量輕、無(wú)污染的車廂材料，分析車廂結(jié)構(gòu)對(duì)廂體流場(chǎng)的影響，改善多溫區(qū)冷藏車溫區(qū)間的氣密性以及優(yōu)化多溫區(qū)車廂空間布局是未來(lái)的發(fā)展方向。

2.3 氣調(diào)車技術(shù)

氣調(diào)車是一種先進(jìn)的保鮮運(yùn)輸設(shè)備，可以同時(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)輸廂體內(nèi)的溫度、濕度和氣體成分。目前，氣調(diào)主要有制氮?dú)庹{(diào)、自發(fā)氣調(diào)、充注氣調(diào)和制臭氧氣調(diào)4種形式。制氮?dú)庹{(diào)、自發(fā)氣調(diào)和制臭氧氣調(diào)降氧時(shí)間長(zhǎng)，適合長(zhǎng)距離運(yùn)輸。充注氣調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)利用準(zhǔn)備好的N2或N2、CO2混合氣沖掃車廂實(shí)現(xiàn)降氧，降氧迅速，較適合中短途公路運(yùn)輸。

國(guó)外對(duì)氣調(diào)運(yùn)輸技術(shù)的研究較早，并設(shè)計(jì)生產(chǎn)了氣調(diào)保鮮集裝箱。目前，國(guó)外技術(shù)比較成熟的氣調(diào)系統(tǒng)有Ever～Fresh 制氮?dú)庹{(diào)系統(tǒng)、AMAF+自發(fā)氣調(diào)系統(tǒng)和TectrolCA 充注氣調(diào)系統(tǒng)［20］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也加強(qiáng)了對(duì)氣調(diào)運(yùn)輸技術(shù)的研究，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)呂恩利等［21］研究了液氮充注氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車車廂內(nèi)溫度、濕度、氣體成分等環(huán)境因素間的耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)了充注氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車，圖2為所研制的液氮充注氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)示意圖。此外，煙臺(tái)冰輪、杭州希愛、天津森羅等企業(yè)也對(duì)基于制氮?dú)庹{(diào)系統(tǒng)的氣調(diào)集裝箱進(jìn)行了研究和生產(chǎn)。

對(duì)于氣調(diào)車，優(yōu)化氣調(diào)降氧速率，加強(qiáng)車廂氣密性，探索冷藏車改裝氣調(diào)車技術(shù)是氣調(diào)車未來(lái)的發(fā)展方向。此外，研究與氣調(diào)車運(yùn)輸相匹配的包裝方式，完善氣調(diào)用氣的補(bǔ)給設(shè)施建設(shè)也是未來(lái)的工作重點(diǎn)。

圖2 液氮充注氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 加濕技術(shù)

冷藏運(yùn)輸為保持一定濕度通常采取在車廂內(nèi)灑水或?qū)哌M(jìn)行一定的保水包裝來(lái)維持較高濕度水平，但加濕效果差。為提高加濕效果，可以在廂體內(nèi)加裝加濕裝置。用于冷藏運(yùn)輸中的加濕裝置主要有離心式加濕器和超聲波加濕器。離心式加濕器通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的霧化葉輪產(chǎn)生真空，水滴在大氣壓力的作用下撞擊霧化葉輪，破碎成直徑5～10 μm 的霧粒。超聲波加濕器通過(guò)霧化片的高頻諧振將水霧化為直徑1～5 μm 的超微霧粒。離心式加濕器加濕霧滴大，容易造成車廂內(nèi)積水，造成果蔬和紙類包裝箱腐爛。相比于離心式加濕器，超聲加濕機(jī)霧化顆粒小，消耗電能少。方思貞等［22］設(shè)計(jì)了基于超聲波霧化加濕技術(shù)的管道式加濕裝置，優(yōu)化了水霧流動(dòng)方式，提高了加濕效率和加濕均勻性，且不會(huì)在貨物表面產(chǎn)生積水。

目前，中短途冷藏車較少具有加濕裝置，而長(zhǎng)途冷藏運(yùn)輸車中已經(jīng)較多安裝了霧化加濕裝置。研制無(wú)需對(duì)車體進(jìn)行改裝即可有提高運(yùn)輸環(huán)境濕度的可移動(dòng)式加濕設(shè)備，提高加濕設(shè)備霧化量是未來(lái)發(fā)展方向。

2.5 信息監(jiān)測(cè)技術(shù)

信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)果蔬運(yùn)輸過(guò)程中的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)以及果蔬品質(zhì)進(jìn)行記錄和傳輸。系統(tǒng)工作時(shí)，冷藏車內(nèi)的溫度、濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，讀取裝置讀取并記錄傳感器信息，傳輸裝置將信息傳至冷鏈數(shù)據(jù)庫(kù)中。環(huán)境信息的檢測(cè)和讀取技術(shù)已經(jīng)比較成熟，信息的實(shí)時(shí)傳輸成為研究的重點(diǎn)。目前，研究較多的是基于無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）的信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［23］。圖3 為一典型的基于RFID/GPRS 技術(shù)的冷藏運(yùn)輸信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，RFID 技術(shù)通過(guò)無(wú)線射頻方式對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS 無(wú)線傳輸技術(shù)將環(huán)境監(jiān)測(cè)信息上傳至后臺(tái)的冷鏈信息系統(tǒng)。

圖3 基于RFID/GPRS技術(shù)的冷藏運(yùn)輸信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

目前，隨著物流網(wǎng)技術(shù)及配套技術(shù)的進(jìn)步，基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的智能冷鏈運(yùn)輸安全監(jiān)控技術(shù)成為農(nóng)場(chǎng)品冷鏈物流全過(guò)程信息監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)可實(shí)現(xiàn)從初加工、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、配送、銷售的全供應(yīng)鏈實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、跟蹤與管理，確保食品供應(yīng)鏈的安全。

3 結(jié)論與展望

環(huán)境溫度、濕度、氣體成分、振動(dòng)等因素是影響果蔬公路運(yùn)輸?shù)闹匾蛩?，針?duì)上述因素從冷藏、加濕、氣調(diào)、包裝等方面已經(jīng)開展了大量研究，有效控制了上述影響因素，保證了果蔬公路運(yùn)輸品質(zhì)。但相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)果蔬公路運(yùn)輸保鮮技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后。下面幾個(gè)方面是未來(lái)可能重點(diǎn)研究的方向：

（1） 我國(guó)地域廣闊，運(yùn)輸距離長(zhǎng)短不一，不僅需要發(fā)展適合中短途運(yùn)輸、配送的公路運(yùn)輸品質(zhì)控制技術(shù)和設(shè)備，同時(shí)應(yīng)發(fā)展適合長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)拇笮凸繁ｕr運(yùn)輸技術(shù)與裝備。

（2） 不同果蔬保鮮要求不一，研發(fā)適合多品種果蔬運(yùn)輸通用的品質(zhì)保鮮技術(shù)和裝備，開發(fā)多溫區(qū)結(jié)構(gòu)的冷藏運(yùn)輸車，提高運(yùn)輸靈活性和空間利用效率。

（3） 注重節(jié)能減排，走綠色保鮮運(yùn)輸之路。蓄冷板制冷、液態(tài)氣體制冷可以降低能源消耗和尾氣排放，氣調(diào)保鮮技術(shù)可以抑制果蔬呼吸，是保證果蔬高品質(zhì)運(yùn)輸?shù)南冗M(jìn)技術(shù)。所以，發(fā)展蓄冷板冷藏車、液態(tài)氣體冷藏車、氣調(diào)車等低能耗保鮮運(yùn)輸技術(shù)與裝備。

（4） 運(yùn)輸全程冷鏈監(jiān)控，保證食品安全。加強(qiáng)保鮮運(yùn)輸技術(shù)、傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合，對(duì)果蔬運(yùn)輸環(huán)境和果蔬品質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

（5） 研究不同果蔬的力學(xué)特性，確定適宜的包裝減振方式，開發(fā)節(jié)能環(huán)保的包裝材料。