草莓保鮮運(yùn)輸中強(qiáng)制通風(fēng)預(yù)冷與溫度分布的相關(guān)性

程麗麗

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031)

預(yù)冷是生鮮食品完成加工后進(jìn)行冷鏈運(yùn)輸?shù)牡谝徊剑瑫r(shí)也是最關(guān)鍵的一步[1]。溫度是影響生鮮食品質(zhì)量和安全性的最重要因素，預(yù)冷至最低安全溫度可延長食品的保質(zhì)期，最大限度地減少新鮮農(nóng)產(chǎn)品的呼吸活動(dòng)和相關(guān)熱量的產(chǎn)生，防止常見病原體滋生[2-5]。草莓在收獲時(shí)已經(jīng)成熟或接近成熟，必須在短期內(nèi)預(yù)冷、運(yùn)輸及銷售[6-8]。強(qiáng)制空氣預(yù)冷是在收獲水果蔬菜等生鮮食品后最常用的保鮮運(yùn)輸方法[9]。根據(jù)食品、包裝和操作條件的不同，強(qiáng)制空氣預(yù)冷速度大約是室溫冷卻速度的5～10倍[10]。然而，使所有食品在預(yù)冷后達(dá)到同一溫度是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。例如，運(yùn)輸前單個(gè)冷藏拖車托盤之間的溫度差異為2 ℃，在運(yùn)輸過程中，這一溫度差異增加為5.8 ℃[8]。導(dǎo)致這種不均勻預(yù)冷的原因比較復(fù)雜，通常由于收獲和運(yùn)輸條件的不同，預(yù)冷開始時(shí)，與朝向風(fēng)機(jī)的食物相比，外側(cè)面向進(jìn)入空氣的食物冷卻更快，導(dǎo)致托盤周圍空氣的溫度不均勻；同時(shí)由于設(shè)計(jì)不當(dāng)使氣流受阻也是導(dǎo)致不均勻預(yù)冷的原因[11-12]。

改善措施包括評估預(yù)冷設(shè)施內(nèi)的產(chǎn)品和周圍空氣的溫度分布，對溫度條件的評估可以預(yù)知預(yù)冷期間和預(yù)冷之后的不均勻程度，提前識(shí)別冷卻室內(nèi)的冷暖區(qū)域，并可用于驗(yàn)證不同的溫度預(yù)測模型。在目前的文獻(xiàn)中，可以找到一些關(guān)于冷卻通道中溫度分布的試驗(yàn)研究[13-15]，該通道由一個(gè)托盤或幾個(gè)托盤或容器組成，然而在初始溫度均勻的實(shí)驗(yàn)室級冷卻通道上進(jìn)行的測量與在大型商業(yè)設(shè)施進(jìn)行的測量有很大的偏差。與實(shí)驗(yàn)室的冷卻通道中平行于氣流的側(cè)壁相比，托盤中心的預(yù)冷速度更快。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于溫度和氣流的不均勻性、頻繁的開關(guān)門，人員和鏟車在設(shè)施內(nèi)的移動(dòng)以及托盤運(yùn)輸過程中的溫度不均勻，都會(huì)對實(shí)際結(jié)果造成重大影響。因此，商用強(qiáng)制空氣預(yù)冷是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)和復(fù)雜的過程，需要對托盤、通道、冷卻室和周圍環(huán)境條件之間的相互作用進(jìn)行研究。試驗(yàn)擬對工業(yè)條件下強(qiáng)制空氣預(yù)冷過程中的初始溫度分布、冷卻通道內(nèi)不同位置的溫度變化、適當(dāng)?shù)念A(yù)冷時(shí)間以及不同位置的溫度關(guān)系進(jìn)行量化研究，評估預(yù)冷持續(xù)時(shí)間，以期為生鮮食品保鮮商用運(yùn)輸期間的溫度分布研究提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

草莓：上海托特食品儲(chǔ)備與加工公司，并于該公司大型倉儲(chǔ)內(nèi)完成該模擬試驗(yàn)項(xiàng)目；

圖1為用于試驗(yàn)的草莓盒(0.220 m×0.100 m×0.080 m)、包裝盒(0.495 m×0.394 m×0.070 m)和波紋托盤(1.500 m×1.000 m×2.500 m)。每個(gè)包裝盒中放置有8個(gè)0.454 kg盒裝草莓。這些包裝盒堆疊在一起，置于托盤上，每個(gè)托盤放置18層或19層包裝盒。所有溫度測量均采用USB數(shù)據(jù)記錄器(測量精度±0.5 ℃)，記錄器配備有外部探針，其尖頭能夠穿透食物并測量食物中心的溫度，以1 min的采樣間隔記錄溫度。

圖1 試驗(yàn)中的草莓盒、包裝盒和托盤示意圖

1.2 預(yù)冷設(shè)備

在設(shè)有多個(gè)冷卻通道的冷卻室內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制空氣預(yù)冷，冷卻通道由平行排列的托盤組成，兩排托盤之間的空間由防水布覆蓋(見圖2)。風(fēng)機(jī)將室內(nèi)空氣吸入通風(fēng)室，通過管道將空氣噴射回房間，從而在托盤的內(nèi)部通道側(cè)產(chǎn)生較低的壓力，壓力差迫使冷空氣通過托盤內(nèi)部流動(dòng)。冷卻室溫度控制系統(tǒng)的目標(biāo)溫度設(shè)定為0 ℃。強(qiáng)制空氣預(yù)冷設(shè)施由兩個(gè)連接的冷卻室組成，每個(gè)冷卻室包含3個(gè)冷卻通道。右邊的冷卻室有一個(gè)滑動(dòng)門，托盤通過滑動(dòng)門進(jìn)出外部裝卸平臺(tái)。在冷卻通道運(yùn)行期間，滑動(dòng)門通常是關(guān)閉的。兩個(gè)冷卻室由一個(gè)條形門隔開。每個(gè)冷卻室的長度、寬度和高度為13.4 m×9.2 m×3.0 m。兩排貨盤之間的通道寬度和相鄰冷卻通道之間的距離約為1 m。

1.3 傳感器的位置

半冷卻時(shí)間(half cooling time，HCT)是通過計(jì)算通道內(nèi)每個(gè)位置的測量溫度得到的[16-17]。在預(yù)冷開始之前，將帶有溫度傳感器探頭的數(shù)據(jù)記錄器放置在通道內(nèi)。在冷卻通道左側(cè)3個(gè)托盤的中間點(diǎn)安裝了6個(gè)溫度記錄器，以測量通道內(nèi)外表面附近的水果溫度。另外兩個(gè)數(shù)據(jù)記錄器連接到中間托盤的內(nèi)外表面，以測量空氣溫度。在圖2中，將一個(gè)記錄器插入距離風(fēng)機(jī)最近的托盤中部的草莓中心，第二個(gè)記錄器插入到距離風(fēng)機(jī)最遠(yuǎn)的托盤中部的草莓中心。測量環(huán)境溫度的記錄器放置在每行中間，懸掛測量空氣溫度，探頭離托盤表面0.5～1.0 cm。

2 結(jié)果和討論

2.1 預(yù)冷溫度的時(shí)間控制

食品在預(yù)冷開始時(shí)的溫度受室外溫度、預(yù)冷延遲以及延遲期間的儲(chǔ)存和運(yùn)輸條件等的影響。產(chǎn)品初始溫度的差異很大，因此有必要調(diào)整每批產(chǎn)品的預(yù)冷時(shí)間，對于初始溫度較低的批次，應(yīng)避免過多的預(yù)冷時(shí)間，以降低凍傷風(fēng)險(xiǎn)和降低能源消耗，而對于初始溫度較高的批次，則需要足夠長的預(yù)冷時(shí)間[18]。

圖2 冷卻室和冷卻通道示意圖

在同一批草莓中觀察到溫度存在顯著變化，如在對6號通道進(jìn)行預(yù)冷時(shí)，觀察到最高溫度和最低溫度草莓之間的溫度差異高達(dá)8.1 ℃，可能是在預(yù)冷開始時(shí)，同一托盤兩側(cè)的溫度差異顯著，例如，面對進(jìn)入空氣的中間托盤中的草莓比2號通道的相對側(cè)的草莓溫度高6.2 ℃。托盤的一側(cè)受到燈照輻射的影響而升溫。草莓達(dá)到所需溫度范圍的預(yù)冷時(shí)間取決于預(yù)冷開始時(shí)的熱穩(wěn)定性。

2.2 預(yù)冷過程的溫度變化

根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室冷卻通道測量的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，面對進(jìn)入空氣一側(cè)溫度的下降速度比面對風(fēng)機(jī)一側(cè)的更快，當(dāng)空氣流過托盤時(shí)，與草莓交換熱量，空氣溫度升高。因此，對流換熱的驅(qū)動(dòng)力，即草莓表面的空氣溫度與果肉溫度之間的差，在面對進(jìn)入空氣一側(cè)進(jìn)行預(yù)冷時(shí)的溫差比靠近風(fēng)機(jī)一側(cè)預(yù)冷時(shí)的高。由于驅(qū)動(dòng)力更大，迎面進(jìn)入空氣一側(cè)的溫度降低更多。因此，面對進(jìn)入空氣一側(cè)的草莓的HCT平均在25～30 min，比風(fēng)機(jī)附近一側(cè)的草莓的HCT顯著縮短(圖3)。隨著預(yù)冷過程中朝向進(jìn)風(fēng)側(cè)的草莓溫度的降低，空氣在流經(jīng)托盤時(shí)不會(huì)變熱，在朝向風(fēng)機(jī)側(cè)的預(yù)冷后段，熱傳遞的驅(qū)動(dòng)力變大[19]。

在通道中沿托盤一排的草莓HCT之間未觀察到顯著差異(圖3)。在兩排貨盤之間通道寬度過窄的情況下，風(fēng)機(jī)附近托盤的氣流可能更高。同一排托盤上的HCT無顯著差異，表明通道非常寬，強(qiáng)制空氣預(yù)冷主要是由從冷卻室到通道的氣流驅(qū)動(dòng)，而不是從通道后部到前部。第一條通道測得的平均HCT(39.2 min)與第二條通道的(40.6 min)相似，表明兩條通道的冷卻性能相當(dāng)。然而，這兩個(gè)通道彼此相鄰，并且距離較大，對于商業(yè)設(shè)施中通道間預(yù)冷溫度的變化則需要額外的全面評估。

對于環(huán)境溫度為0 ℃的冷卻室，將草莓溫度從20 ℃降低到10 ℃所需的時(shí)間與將溫度從10 ℃降低到5 ℃所需的時(shí)間相似。這種性質(zhì)表明溫度下降遵循一階動(dòng)力學(xué)，符合指數(shù)衰減的規(guī)律[20]。一階動(dòng)力學(xué)還表明，非線性現(xiàn)象，如托盤和冷卻室之間的輻射能量交換，以及托盤周圍和內(nèi)部空氣速度的不均勻性，不足以造成系統(tǒng)的偏差。

圖3 不同測量位置的半冷卻時(shí)間

2.3 最佳預(yù)冷時(shí)間

如前所述，收獲生鮮產(chǎn)品時(shí)溫度的異性非常顯著，預(yù)冷是減少這種異質(zhì)性、保證食品質(zhì)量的首要操作環(huán)節(jié)，可以大大提升并簡化后續(xù)的庫存管理。預(yù)冷時(shí)間應(yīng)足夠長，以便通道內(nèi)每個(gè)位置的食物達(dá)到所需的溫度范圍。預(yù)冷后草莓溫度的異質(zhì)性在隨后的配送過程中可能還會(huì)增加，因?yàn)檫\(yùn)輸系統(tǒng)的制冷能力和空氣流量不足，而理想運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只能維持最適宜的溫度。然而，在大量采購的季節(jié)，食品的進(jìn)料量大于冷卻設(shè)施的容量時(shí)，有必要縮短冷卻過程以減少后續(xù)批次預(yù)冷的延遲。

此外，由強(qiáng)制空氣預(yù)冷引起的后果是造成草莓等易損傷產(chǎn)品的凍傷，因此，有效的強(qiáng)制空氣預(yù)冷要選擇合適的預(yù)冷時(shí)間和溫度，并設(shè)計(jì)一個(gè)良好的冷卻室，保持均勻的環(huán)境溫度。為了確定何時(shí)停止預(yù)冷，通常使用的方法是監(jiān)測通道最熱區(qū)域(朝向風(fēng)機(jī)的一側(cè))的食品溫度，同時(shí)監(jiān)測最冷位置(朝向進(jìn)入空氣的一側(cè))的食品溫度，以避免凍結(jié)產(chǎn)品。測量結(jié)果表明，利用通道內(nèi)不同位置的溫度之間的相關(guān)性，可以確定適當(dāng)?shù)念A(yù)冷時(shí)間。表1給出了試驗(yàn)中各個(gè)位置的HCT之間的相關(guān)性系數(shù)。面對進(jìn)入空氣(Fout、Mout和Lout)一側(cè)的托盤溫度變化不顯著。這種相關(guān)性的缺失可以解釋為冷卻室內(nèi)的局部冷暖空氣流，影響了朝向進(jìn)入空氣的通道一側(cè)特定位置的冷卻速度。然而，在M位置測得的HCT與朝向風(fēng)機(jī)一側(cè)(Fin、Min和Lin)附近的草莓的HCT顯著相關(guān)[21]。通道Fin-Min-Lin-Mout區(qū)域內(nèi)存在多個(gè)顯著相關(guān)性，并通過7次預(yù)冷試驗(yàn)計(jì)算，有力地證明通道內(nèi)不同位置的HCT是相關(guān)的，因此可以使用預(yù)測法估計(jì)。圖4為7次預(yù)冷試驗(yàn)中Min和Mout位置處測得的HCT。HCT遵循線性模式，如果在預(yù)冷過程中測量在Mout位置溫度，可以將其轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，用于預(yù)測Min位置的HCT。通道內(nèi)的溫度可以通過有限數(shù)量的溫度傳感器進(jìn)行預(yù)測，并可以實(shí)時(shí)改進(jìn)，以適應(yīng)對預(yù)冷卻時(shí)間的選擇。

圖4 Min和Mout測量位置的半冷卻時(shí)間

表1 溫度測量位置的半冷卻時(shí)間HCT相關(guān)系數(shù)?

? *表示顯著(P=0.05)。

3 結(jié)論

預(yù)冷通道內(nèi)部的半冷卻時(shí)間約為外部的2倍，通道外部的HCT與內(nèi)部的HCT密切相關(guān)。使用傳感器進(jìn)行溫度預(yù)測，預(yù)冷卻結(jié)束時(shí)檢測到7 ℃的溫度變化，表明在某些情況下應(yīng)該延長預(yù)冷時(shí)間以提高冷卻溫度的均勻性。強(qiáng)制空氣預(yù)冷期間產(chǎn)品溫度的降低呈指數(shù)下降，在面向空氣的托盤側(cè)比靠近風(fēng)機(jī)的一側(cè)預(yù)冷更快。但是，沿著通道中的托盤沒有觀察到溫度的明顯差異；通道內(nèi)不同位置的HCT之間的相關(guān)性很大，包括面向進(jìn)入空氣一側(cè)中間的HCT和面向風(fēng)機(jī)一側(cè)附近的HCT，可以合理地調(diào)整每批食品的預(yù)冷卻持續(xù)時(shí)間。該模型可用于改進(jìn)冷卻室的設(shè)計(jì)，操作條件和控制系統(tǒng)，以及研究適當(dāng)預(yù)冷持續(xù)時(shí)間的問題。試驗(yàn)擬研究工業(yè)條件下強(qiáng)制空氣預(yù)冷過程中的溫度初始分布、冷卻通道內(nèi)不同位置的溫度變化、適當(dāng)?shù)念A(yù)冷時(shí)間以及不同位置的溫度關(guān)系進(jìn)行量化研究，并評估預(yù)冷卻持續(xù)時(shí)間，以期為生鮮食品保鮮商用運(yùn)輸期間的溫度分布研究提供理論支持。