艦船蔬果保鮮設(shè)計(jì)研究

龔 磊 王前進(jìn)

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

隨著我國(guó)海軍戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，艦船執(zhí)行護(hù)航、撤僑、巡視、救助等非戰(zhàn)爭(zhēng)性多樣化任務(wù)越發(fā)頻繁，航程越來越遠(yuǎn)，不間斷航行時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，艦船后勤保障工作中的食品保鮮問題隨之凸現(xiàn)出來。良好的膳食供應(yīng)、豐富均衡的食品補(bǔ)給不僅直接關(guān)系到艦員的身體健康和生活質(zhì)量，甚至還關(guān)系到任務(wù)能否圓滿完成。蔬菜和水果保鮮期短、保鮮難等已成為制約艦船遠(yuǎn)航飲食保障的瓶頸問題。近年來，為解決這一難題，我國(guó)海軍在各型艦船應(yīng)用乙烯脫除、臭氧保鮮、精確控溫、氣調(diào)包裝保鮮、氣調(diào)保鮮庫等多種保鮮措施，使蔬果保存時(shí)間顯著提高。艦船具有種類多、人員配置和任務(wù)需求多樣化、船型尺寸差別大等特點(diǎn)，如何選用合適的蔬果保鮮方案已成為艦船設(shè)計(jì)人員的困惑之一，因此有必要針對(duì)各型艦船所適用的蔬果保鮮方案進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 艦船蔬果保鮮技術(shù)現(xiàn)狀

伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和海軍戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的需求，艦船蔬果保鮮技術(shù)現(xiàn)階段已經(jīng)從傳統(tǒng)的物理領(lǐng)域向新型材料、生物技術(shù)、化學(xué)技術(shù)等諸多領(lǐng)域發(fā)展，由單一保鮮技術(shù)向綜合保鮮技術(shù)方向發(fā)展［1］。通過多年的科研和實(shí)船應(yīng)用，已形成了一系列安全、有效的蔬果保鮮技術(shù)，為艦船人員的飲食健康提供了有力保障。

1.1 普通冷藏保鮮

冷藏保鮮是目前蔬果保鮮的一種最普遍的方法，溫度是直接影響果蔬倉儲(chǔ)質(zhì)量的重要因素。冷藏保鮮通過低溫抑制果蔬的呼吸強(qiáng)度以及微生物的生長(zhǎng)繁殖，以減緩蔬果的后熟過程，達(dá)到延長(zhǎng)其儲(chǔ)存期的目的，但同時(shí)要注意控制儲(chǔ)存溫度應(yīng)高于蔬果冰害點(diǎn)溫度，以免出現(xiàn)凍傷變質(zhì)［2］。

普通冷藏保鮮技術(shù)的儲(chǔ)存溫度控制精度為±2℃，采用機(jī)械壓縮制冷，是艦船最廣泛采用的蔬果保鮮技術(shù)，對(duì)各型艦船普遍適用，也是以下多種蔬果保鮮新技術(shù)的基礎(chǔ)。根據(jù)實(shí)船應(yīng)用的結(jié)果，采用普通冷藏保鮮技術(shù)，一般能達(dá)到7～10天的蔬果保鮮期。

1.2 臭氧保鮮

臭氧具有較強(qiáng)的氧化能力，能殺菌、消毒，并降解蔬果在儲(chǔ)藏過程中產(chǎn)生的部分有害氣體，延緩蔬果腐敗速率。臭氧常溫常壓下可以自我分解為氧氣，不會(huì)造成環(huán)境污染。臭氧保鮮技術(shù)具有通用性強(qiáng)、安裝方便、占用空間小、濃度控制技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)，已在艦船上廣泛應(yīng)用。有研究表明，通過將臭氧保鮮技術(shù)與普通冷藏保鮮技術(shù)相結(jié)合，可使蔬果保鮮期延長(zhǎng)至12～15天［3-4］。艦船冷庫臭氧消毒保鮮裝置的組成如圖1所示。

圖1 臭氧消毒保鮮裝置組成示意圖

1.3 乙烯脫除保鮮

乙烯對(duì)于很多品種的蔬果具有催熟作用，即便存在千分之一濃度的乙烯，也足以誘發(fā)蔬果的成熟，加速腐爛變質(zhì)。乙烯脫除裝置通過消除蔬果儲(chǔ)藏環(huán)境中的乙烯氣體，可以有效減緩蔬果的成熟和變質(zhì)速度。為獲得更好的蔬果保鮮效果，乙烯脫除裝置經(jīng)常與臭氧保鮮裝置聯(lián)合使用。通過在各型艦船蔬果庫中加裝乙烯脫除裝置和臭氧保鮮裝置，在普通冷藏溫度條件下，蔬果的保鮮期可以從7～10天大幅提升至20天。

常用的乙烯脫除措施有：

（1）吸附型乙烯脫除裝置

該裝置通過吸附劑將環(huán)境中的乙烯氣體吸附去除（如下頁圖2所示）。其優(yōu)點(diǎn)是效率高、安全、可靠；缺點(diǎn)是需要定期更換吸附劑。

圖2 吸附型乙烯脫除裝置組成示意圖

（2）觸媒型乙烯脫除裝置

該裝置是用特定的有選擇性的金屬、金屬氧化物或無機(jī)酸催化乙烯的氧化分解（如圖3所示）。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備輕便、持久耐用、價(jià)格便宜，保存和更換觸媒比吸附劑便利；缺點(diǎn)是在氧化分解乙烯的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品氣體，易造成儲(chǔ)存環(huán)境中有異味，安全性低于吸附型乙烯脫除裝置。

圖3 光觸媒乙烯脫除裝置組成示意圖

1.4 氣調(diào)包裝保鮮

氣調(diào)包裝保鮮技術(shù)通過改變蔬果密封小包裝中的氣體比例，抑制蔬果呼吸強(qiáng)度，控制其生理代謝活動(dòng)，抑制微生物的生長(zhǎng)，從而達(dá)到延長(zhǎng)其保鮮期的目的。氣調(diào)包裝的原理是采用復(fù)合保鮮氣體，對(duì)已裝入蔬果的包裝內(nèi)的空氣進(jìn)行置換，改變包裝盒內(nèi)的氣體配比，并在包裝內(nèi)形成微型氣調(diào)環(huán)境，從而達(dá)到降低果蔬呼吸強(qiáng)度，延長(zhǎng)蔬果保鮮期、延緩衰敗的目的。

根據(jù)包裝材料包裝后內(nèi)部氣氛的控制程度不同，氣調(diào)包裝技術(shù)可分為CAP（Controlled Atmosphere Packaging）和 MAP（Modified Atmosphere Packaging）兩種。CAP指在蔬果保存期間，包裝內(nèi)的氣體濃度始終控制在恒定值或恒定范圍內(nèi)，其主要特征是包裝材料對(duì)包裝內(nèi)的氣氛狀態(tài)有自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，這要求包裝材料應(yīng)具有合適的氣體可選擇透過性，以適應(yīng)內(nèi)部蔬果的呼吸作用。MAP指在包裝袋內(nèi)預(yù)充注固定成分的混合氣體，在蔬果保存期間不再調(diào)整包裝袋內(nèi)的氣體，MAP適合于呼吸代謝強(qiáng)度較小的產(chǎn)品包裝。MAP的包裝材料必須能控制所選用混合氣體以及所產(chǎn)生水蒸氣的滲透速率。

遠(yuǎn)洋艦船的食品通常堆放密集，空間狹小且封閉，食品裝船后基本不具備重新調(diào)節(jié)包裝袋內(nèi)氣體成分的條件，因此艦船環(huán)境的蔬果充氣包裝都采用MAP型。為驗(yàn)證MAP氣調(diào)包裝保鮮在實(shí)船上的使用效果，海軍某型艦船在一次遠(yuǎn)洋航行中，對(duì)油麥菜、紅圓椒、大蒜、小白菜、芥菜等進(jìn)行了MAP氣調(diào)包裝保鮮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明：蔬菜采用MAP保鮮技術(shù)貯藏30天后品質(zhì)良好，幾乎無腐爛損失，顯著提高了艦船的蔬果保鮮期［5］。

氣調(diào)包裝保鮮具有保鮮效果好、使用安全性高、能有效防止病菌傳播的優(yōu)點(diǎn)，但也存在因包裝袋不透氣，致使植物產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體集聚引起異味，以及包裝存儲(chǔ)過程繁瑣的問題。

1.5 氣調(diào)保鮮庫

氣調(diào)保鮮庫的保鮮原理與氣調(diào)包裝保鮮相似，主要是通過控制和調(diào)節(jié)冷庫內(nèi)氣體的成分來抑制蔬果的呼吸作用，減少有機(jī)物質(zhì)的消耗；抑制蔬果水分的蒸發(fā)，保持新鮮度；抑制病原菌的滋生繁殖，控制某些生理病害的發(fā)生，降低腐爛率；抑制后熟酶的活性，抑制乙烯的產(chǎn)生，從而延緩蔬果的后熟和衰老過程。

氣調(diào)保鮮庫是以整個(gè)冷庫作為氣調(diào)對(duì)象，氣調(diào)保鮮庫的基本組成如圖4所示。其具體方法主要是通過氣調(diào)裝置調(diào)節(jié)庫內(nèi)O2、N2比例，并降低乙烯和CO2濃度來達(dá)到蔬果保鮮的目的。氣調(diào)系統(tǒng)包括制氮系統(tǒng)、CO2脫除系統(tǒng)、乙烯脫除系統(tǒng)、溫濕度及氣體成分檢測(cè)控制系統(tǒng)，它與制冷系統(tǒng)分別為獨(dú)立的系統(tǒng)。

圖4 氣調(diào)庫保鮮原理圖

傳統(tǒng)的氣調(diào)庫庫容較大，各品種蔬菜和水果共同存放于同一庫中，在實(shí)船應(yīng)用中能夠達(dá)到約30天的蔬果保鮮期［6］。但傳統(tǒng)的氣調(diào)庫由于需要經(jīng)常進(jìn)門取貨操作，導(dǎo)致庫內(nèi)溫度和氣體成分波動(dòng)較大，對(duì)蔬果的保存有不利影響；此外，不同品種的蔬菜和水果對(duì)冷藏溫度也有不同的要求，存放于同一個(gè)氣調(diào)庫中無法保證每種蔬果都能獲得最佳的冷藏溫度，而且大型氣調(diào)庫還存在人員入庫取貨時(shí)缺氧的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)傳統(tǒng)氣調(diào)庫所存在的缺陷，相關(guān)科研設(shè)計(jì)人員又提出了采用氣調(diào)保鮮單元的氣調(diào)保鮮方式作為傳統(tǒng)氣調(diào)庫的升級(jí)和替代（如圖5所示）。

圖5 保鮮單元典型結(jié)構(gòu)圖

氣調(diào)保鮮單元可以由多個(gè)小型氣調(diào)庫組成，每艘船也可以設(shè)置多個(gè)保鮮單元，實(shí)現(xiàn)了果蔬的分類貯藏，可以獨(dú)立控制每一個(gè)保鮮庫內(nèi)的溫濕度和氣體成分，最大程度地減小了混合貯藏對(duì)果蔬保存期的影響，也解決了以往船用氣調(diào)庫開庫頻繁，庫內(nèi)氣體成分不穩(wěn)定的難題；同時(shí)通過采用抽拉式貨架（見圖6），不僅提高了庫容利用率 ，而且人員無需入庫作業(yè)，在氣調(diào)庫門口即可直接取貨，解決了人員的安全性問題，操作使用也更為簡(jiǎn)單方便。氣調(diào)保鮮單元已在多型艦船成功應(yīng)用，可以將蔬果的保鮮期延長(zhǎng)至45天。

圖6 抽拉式貨架結(jié)構(gòu)圖

氣調(diào)保鮮單元技術(shù)成熟，保鮮效果較好，但需要配置專門的氣調(diào)設(shè)備，初投資高，占用空間多，控制、操作、維護(hù)難度大；同時(shí)，氣調(diào)保鮮單元必須保證良好的氣密性，對(duì)施工安裝要求高，冷庫氣密性應(yīng)能滿足：庫內(nèi)充氣加壓至196 Pa，20 min后庫內(nèi)壓力≥ 78 Pa［7］。

1.6 精確控溫冷藏保鮮

精確控溫冷藏保鮮技術(shù)是一種較為新穎的保鮮方法。精確控溫冷藏保鮮技術(shù)通過減少庫溫波動(dòng)，降低植物的呼吸作用和水分蒸騰，減少蔬果表面的凝露，從而達(dá)到延長(zhǎng)蔬果保鮮期的目的。傳統(tǒng)冷庫庫溫控制精度為±2℃，精確控溫冷藏保鮮要求冷庫庫溫控制精度達(dá)到±1℃以內(nèi)，有研究表明，采用精確控溫冷藏保鮮技術(shù)可以使蔬果保鮮期延長(zhǎng)到45天［8］。

精確控溫冷藏保鮮設(shè)備組成與傳統(tǒng)冷藏相似，但為達(dá)到更高的溫度控制精度要求，需要運(yùn)用高精度控制技術(shù)、改進(jìn)庫內(nèi)冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)方式優(yōu)化庫內(nèi)氣流組織、改進(jìn)冷藏裝置的制冷量供應(yīng)技術(shù)，擴(kuò)展制冷負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍、提高制冷負(fù)荷調(diào)節(jié)精度等先進(jìn)技術(shù)措施，對(duì)冷藏系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備能力的要求高，初投資較高；同時(shí)為保證庫內(nèi)冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)的均勻性，精確控溫冷藏庫采用頂部送風(fēng)夾層的送風(fēng)方式（如圖7所示），會(huì)導(dǎo)致冷庫內(nèi)的凈層高降低。

圖7 精確控溫冷藏保鮮送風(fēng)示意圖

1.7 精確控溫氣調(diào)包裝保鮮

為進(jìn)一步將蔬果的保鮮期延長(zhǎng)至60天，以滿足大型補(bǔ)給船對(duì)蔬果保鮮的要求，研究人員又提出了精確控溫氣調(diào)包裝保鮮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精確控溫技術(shù)與氣調(diào)包裝保鮮技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使艦船蔬果保鮮期又得到了一次飛躍，經(jīng)陸上試驗(yàn)檢驗(yàn)，精確控溫氣調(diào)包裝保鮮技術(shù)可以將青菜、生菜、杭白菜、花菜、卷心菜等常見綠葉蔬菜的保存期延長(zhǎng)到60天以上。精確控溫氣調(diào)包裝保鮮能夠有效延長(zhǎng)蔬果的保鮮期，但存在設(shè)備復(fù)雜，投資高，對(duì)冷庫層高要求高的缺點(diǎn)。

2 各類艦船食品保存的需求

艦船包括各類戰(zhàn)斗艦和用于海上戰(zhàn)斗保障、技術(shù)保障、后勤保障的軍輔船，其中軍輔船種類和型號(hào)繁多，按用途主要可以分為：偵察船、測(cè)量船、防救船、工程船、試驗(yàn)船、訓(xùn)練船、補(bǔ)給船、醫(yī)院船、基地勤務(wù)船、運(yùn)輸船、獵掃雷船、保障船等。各型艦船因任務(wù)、功能的不同，對(duì)食品儲(chǔ)存量和儲(chǔ)存時(shí)間的需求有很大差異。需要執(zhí)行遠(yuǎn)洋任務(wù)的艦船（如偵察船、大型測(cè)量船、大型試驗(yàn)船、遠(yuǎn)洋防救船、補(bǔ)給船、訓(xùn)練船、醫(yī)院船、大型戰(zhàn)斗艦等）具有船上人員多、船體排水量大、自給力長(zhǎng)的特點(diǎn)，通常要保障數(shù)百人30天以上的食品需求，尤其是補(bǔ)給船還需要擔(dān)負(fù)其他艦船的食品補(bǔ)給任務(wù)，專門設(shè)有大型補(bǔ)給冷庫，補(bǔ)給食品要求能達(dá)到45～60天的保鮮期；而對(duì)于小型測(cè)量船、工程船、基地勤務(wù)船、運(yùn)輸船、獵掃雷船、近海搜救船、小型戰(zhàn)斗艦等主要進(jìn)行近海作業(yè)的艦船，具有船上人員較少、任務(wù)周期短的特點(diǎn)，以保障數(shù)十人10～30天的食品自給力為主。由此可見，由于艦船種類多、各自特點(diǎn)鮮明、對(duì)食品的自給力需求各異，故有必要對(duì)各艦船所適用的食品保鮮方案進(jìn)行分類總結(jié)。

3 艦船蔬果保鮮設(shè)計(jì)適用性分析

根據(jù)對(duì)不同艦船使命任務(wù)、規(guī)模及自給力的分析并結(jié)合各種保鮮技術(shù)的保鮮期，可以分別采用不同方案將保鮮時(shí)間分為短期、中期和長(zhǎng)期三種。短期的蔬果保鮮方案適用于自給力不超過20天的艦船，中期的蔬果保鮮方案適用于自給力在20～30天的艦船，長(zhǎng)期的蔬果保鮮方案適用于自給力在30天以上的艦船。表1針對(duì)不同自給力需求的艦船，從多方面對(duì)多種保鮮方案進(jìn)行了分析比較。

表1 蔬果保鮮方法比較

4 結(jié) 語

通過對(duì)以上艦船保鮮技術(shù)和各類艦船特點(diǎn)的總結(jié)分析，現(xiàn)有的艦船蔬果保鮮技術(shù)已基本能夠涵蓋各類艦船的需求，從實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和可行性出發(fā)，可以對(duì)各型艦船所適用的蔬果保鮮方案總結(jié)如下：

（1）運(yùn)輸船（油水船）、小型測(cè)量船、近海搜救船、基地勤務(wù)船、工程船、小型戰(zhàn)斗艦等自給力在20天以內(nèi)的艦船，宜采用短期的保鮮方案，使用普通冷藏并設(shè)置乙烯脫除和臭氧保鮮裝置；

（2）保障船、獵掃雷船、試驗(yàn)船等自給力在20～30天的艦船，宜采用中期的保鮮方案，可以采取氣調(diào)包裝保鮮或氣調(diào)庫保鮮；

（3）補(bǔ)給船、偵察船、大型測(cè)量船、遠(yuǎn)洋救援船、醫(yī)院船、訓(xùn)練船、大型戰(zhàn)斗艦等自給力在30天以上的中大型艦船，宜采用長(zhǎng)期的保鮮方案，可以采取氣調(diào)保鮮單元保鮮、精確控溫冷藏保鮮或精確控溫氣調(diào)包裝保鮮的方式。

因艦船結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和總體布局的限制，往往無法實(shí)現(xiàn)蔬果保鮮方案的最優(yōu)化，具體方案需設(shè)計(jì)人員靈活選取。