多功能果蔬保鮮裝置的研制及大白菜真空預冷實驗

申江張川劉升丁峰

（1天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134；2北京市農林科學院蔬菜研究中心國家蔬菜工程技術研究中心 北京 100097）

多功能果蔬保鮮裝置的研制及大白菜真空預冷實驗

申江1張川1劉升2丁峰1

（1天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134；2北京市農林科學院蔬菜研究中心國家蔬菜工程技術研究中心 北京 100097）

本文介紹了一種兼具“真空預冷、減壓貯藏、冰溫真空干燥”三個功能于一體的果蔬保鮮裝置及其工作原理，并對該裝置的真空系統、制冷系統、加濕換氣系統、控制系統的組成及工作過程進行了詳細介紹與分析。利用該裝置做了大白菜真空預冷及減壓貯藏實驗，結果表明，隨著艙內壓力的降低大白菜真空預冷過程可分為三個階段：溫度緩降、溫度驟降及溫度持平階段；以大白菜失水率3.34%等實驗數據分析了此裝置的技術特點和獨特優勢。該裝置可以從預冷、貯藏兩個階段縮短冷鏈物流的運轉周期，減少果蔬搬運造成的機械損傷，從而將在商業化普及應用中創造更多的經濟效益。

保鮮裝置；真空預冷與貯藏；大白菜；失水率

我國是農產品損耗大國，目前大部分果蔬等生鮮易腐農產品可冷藏期較短，遠遠滿足不了人們長期的大量需求，更無法滿足遠洋長途航行等特殊環境下人們對新鮮果蔬的超長貯藏期的要求，必須在現有冷藏的基礎上結合真空預冷（vacuum pre?cool?ing）及減壓貯藏（hypobaric storage or LP）技術，才可以非常有效地延長果蔬貯藏保鮮期及貨架期［1－2］。該技術作為食品安全不凍結保鮮的新型物理技術，在現代生鮮冷鏈物流包括處理、貯藏、運輸、配送、貨架等環節起著舉足輕重的作用［3－4］。該裝置兼具“真空預冷、減壓貯藏、冰溫真空干燥”為一體，是一多功能不凍結、無污染的保鮮裝置［5］，本文以大白菜的真空預冷及減壓貯藏實驗分析了該裝置的優越性能。

1 裝置簡介及系統介紹

1.1裝置系統圖

該裝置可簡單概括為“四大系統、兩大模塊”，即真空系統、制冷系統、加濕換氣系統、控制系統和艙內稱重模塊、艙內電加熱模塊。裝置的系統圖［5］及整體實物圖如圖1和圖2所示。

圖1 系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of system

圖1為多功能裝置的系統示意圖。由于各階段運行工況的差異，該裝置選用了兩臺真空泵及兩套制冷機組，以便達到節能的效果。在真空預冷及冰溫真空干燥階段，艙內高濕度空氣先經過捕水器24將水分捕集后再通過大真空泵17排出，并且采用大負荷制冷機組19為捕水器24供冷；在減壓貯藏階段，采用小真空泵15維持艙內壓力，以及采用小負荷制冷機組20為捕水器24和真空艙4供冷；在冰溫真空干燥階段，電加熱器35用于維持果蔬恒定的冰溫帶，稱重傳感器36用于顯示果蔬干燥過程中的質量。

圖2 裝置實物圖Fig.2 The photo of equipment

圖2為該實驗裝置保溫前后的實物圖。真空艙體為圓筒形，內徑為2 m，直段長3.2 m，有效容積為10 m3，兩端采用標準橢圓形封頭，筒體整體采用10 mm厚的碳鋼板折彎焊接而成，外部采用20 mm厚聚氨酯發泡保溫，最外層采用鍍鋅鋼板包裹。

1.2系統介紹

1）制冷系統

該裝置制冷系統包括大負荷水冷機組一臺（制冷量46.2 kW，可實現冷量三級調節）、小負荷風冷機組一臺（制冷量4.6 kW）、艙內冷風機一臺、艙外壁換熱盤管、捕水器以及各類閥件等。其中真空艙供冷可以開啟艙內冷風機或者艙體換熱盤管（二選一），這樣可將真空艙壁換熱管與真空艙內冷風機換熱效果進行對比，若冷風機換熱效果良好，則完全可替代真空艙壁換熱管，可大大簡化該類裝置的制造工序和難度，這也是該裝置的獨特之處［6］。

捕水器［7－9］即真空艙內高濕度水蒸氣的冷凝設備，主要用在真空預冷和冰溫真空干燥階段。減壓貯藏階段所用捕水器冷負荷較小，為了簡化裝置，三個階段共用一個捕水器，以真空預冷工況進行捕水器換熱面積的匹配，并采用供液電磁閥27電控切換。捕水器同樣采用聚氨酯發泡保溫，外層包裹鍍鋅鋼板。

2）真空系統

該實驗裝置真空系統包括真空艙體、兩臺真空泵［8－9］及各管路閥件等。經實驗測試，艙體裝載時（300 kg白菜），歷經10 h，艙內壓力由650 Pa升高到2 508 Pa，由此簡單估算艙體泄漏率為185.8 Pa／h，滿足S.P.Burg［1］提出的壓力在1 kPa之內時泄漏率應小于500 Pa／h的要求［1］。

3）加濕換氣系統

該部分系統主要有加濕水箱、小真空泵、壓力伺服閥及空氣流量計等。減壓貯藏過程中，加濕水箱通過截止閥及電磁閥與艙體直接相同，加濕水箱內焊接有空氣吸氣管及液位控制浮球閥，水箱外部纏繞自限溫伴熱帶［3］（由電控箱控制，水箱溫度低于20℃時自動加熱，高于40℃時停止加熱），以便進入艙內濕空氣飽和程度更高。外部空氣依靠壓力差首先經過減壓閥之后進入水箱，經過充分洗滌之后進入艙內，以實現連續加濕的過程。為了保證艙內具有良好的貯藏環境，換氣率取1次／h，在1～10 kPa下換算成大氣壓下為0.1～1 m3／h，通過手動微調閥控制進氣量，并顯示在空氣流量計上。

4）控制系統

控制系統［10］的功能是對實驗的各個重要參數進行測量、顯示和記錄。本裝置采用觸控式LED顯示屏與PLC進行數據交換，實時顯示設備運行狀態和參數，并按程序控制設備運行。

5）艙內稱重裝置及電加熱板

艙內稱重傳感器及電加熱板如圖3所示。稱重傳感器的量程為80 kg，精度為±0.1 kg，主要用于冰溫真空干燥階段。根據果蔬干燥后要求的含水率設定果蔬干燥完成后的重量，并有控制系統顯示，從而完成干燥過程。加熱功率可調節的電加熱板主要用于冰溫真空干燥階段，以維持環境溫度恒定于果蔬的冰溫帶，防止果蔬細胞內水分氣化過程帶走自身過多熱量而凍傷損壞果蔬組織細胞［11］。

圖3 稱重傳感器（上）、電加熱板（下）Fig.3 Weighting sensor and electric boiling plate

2 大白菜真空預冷實驗

2.1 真空預冷工作原理

由水的沸點T和汽化潛熱r與壓力p的關系可知，隨著壓力的降低，水的沸點降低而汽化潛熱增加。當艙內壓力降到一定值時，果蔬表面水分將快速蒸發，蒸發所需的熱量如不能從環境中汲取，那么只能由果蔬自身提供，從而使果蔬溫度降低，達到預冷效果。一般來說，果蔬自身水分每蒸發1%時，果蔬自身溫度降低6～7℃［11－12］。

2.2 實驗說明

本實驗是在4月份室內運行測試，室內環境溫度15～20℃，實驗用農產品原料為大白菜（白菜直徑20 cm）。本實驗艙體內裝入300 kg大白菜，其中39.80 kg置于艙內稱重傳感器上，用于測試白菜預冷過程中的失水情況，如圖4所示。

圖4 預冷前白菜入庫Fig.4 The cabbage of vacuum precooling

2.3實驗測試

緊閉艙門，檢查管路上手動截止閥的開啟情況。在真空預冷模式的控制界面輸入預冷參數（捕水器捕水溫度、預冷最終壓力、果蔬預冷終溫），之后在操作界面開啟大真空泵，隨后開啟大負荷水冷機組，真空預冷模式開始，并由數據采集系統記錄實驗數據。

2.4數據處理及分析

整個預冷階段歷經80 min，白菜由初始的17.2℃降到5℃，艙內壓力由100 kPa降到650 Pa，每隔5 min記錄一次實驗數據，數據處理如圖5、圖6所示。

分析圖5，從艙內壓力曲線變化的趨勢可得：在預冷前10 min，艙內壓力發生驟降，隨后壓力下降緩慢，尤其在預冷50 min艙內壓力降到830 Pa后，壓力下降極為緩慢，直到預冷80 min艙內壓力降到650 Pa預冷結束。

從貨物內部溫度曲線變化的趨勢可得：預冷過程大致分為三個階段，溫度緩降（0～30 min）、溫度驟降（30～55 min）、溫度持平（55～80 min）。在30～55 min，艙內壓力降到1.79 kPa，完全達到白菜自身水分蒸發溫度所對應的壓力值，因此白菜溫度發生驟降；55～80 min，白菜溫度下降趨于持平，直到白菜內部溫度5℃預冷結束。（注：該預冷曲線圖是在預冷終溫為5℃，裝載量為300 kg時的預冷狀況。）

圖5 艙內壓力與白菜中心溫度隨預冷時間的變化情況Fig.5 Variation of vacuum pressure and cabbage temperature with pre?cooling time

圖6 大白菜失水率隨預冷時間的變化情況Fig.6 Relations with rate of water loss and pre?cooling time

圖6為在整個預冷階段大白菜的失水率隨預冷時間的變化曲線圖。由圖可知：隨著艙內壓力不斷降低，在預冷的30～55 min階段，大白菜的失水率驟升至3.25%，在預冷的55～80 min階段，白菜的水分蒸發量不再增加，失水率曲線趨于持平，直到失水率為3.34%預冷結束。這一實驗結果與圖6中大白菜的溫度曲線相符。

3 大白菜減壓貯藏實驗

3.1 實驗說明

該裝置減壓貯藏實驗在真空預冷的基礎上進行，即大白菜真空預冷到終溫結束后由控制系統手動切換到減壓貯藏模式。由于此階段實驗目的在于測試該多功能裝置在減壓貯藏階段的性能，而非對果蔬貯藏品質的研究，因此實驗時間較短，從中截取了各系統穩定運行時3個小時的數據進行處理分析。

3.2 數據處理及分析

由圖7可知，通過真空泵的連續抽氣和加濕系統的不斷進氣，艙內壓力基本維持在（1±0.04）kPa，其壓力波動范圍滿足約束性指標中壓力控制精度± 0.5%，因此得出本系統可以長時間穩定地維持較高的真空度。

圖7 貯藏壓力隨貯藏時間的變化情況Fig7 Relations with storage pressure and storage time

圖8為艙內相對濕度的直接測量值與間接計算值，兩者的變化趨勢基本一致。艙內相對濕度值維持在90%±3%，滿足約束性指標中相對濕度控制精度±3%。當貯藏時間在50 min左右時，相對濕度有較大下降趨勢，原因在于進氣閥開度太大。因此可以通過將進氣微調閥的開度減小，并將加濕水箱內的水溫升高來加大進氣的含濕量，實現95%以上的相對濕度值。

圖8 艙內相對濕度隨貯藏時間的變化情況Fig.8 Relations with RH and storage time

圖9為艙內各測量溫度隨貯藏時間的變化情況。在本次實驗過程中，大白菜內部溫度相當穩定，維持在6.7℃±0.2℃，艙體內部空氣溫度基本維持在5.5℃±0.4℃，滿足約束性指標中要求的溫度控制精度±0.5℃。

圖9 艙內各貯藏溫度隨貯藏時間的變化情況Fig.9 Relations with varying storage temperature and storage time

圖10為裝置在貯藏階段運行時，大白菜的失水情況。由圖10可知：大白菜失水率隨貯藏時間有升高的趨勢，但總體上較為緩慢；當進氣量與排氣量達到動態平衡，維持艙內壓力穩定且相對濕度達到90%以上時，失水率基本維持不變。反之，當艙體泄漏較大致使艙內相對濕度較低時，失水率顯著升高。

圖10 大白菜失水率隨貯藏時間的變化情況Fig.10 Relations with rate of water loss and storage time

4 結論及展望

4.1結論

1）在室內環境平均溫度18.5℃、裝載率為60%的條件下，大白菜由初溫17.2℃預冷到5℃歷經80 min，且整個階段隨著艙內壓力的降低，大白菜的真空預冷過程可以分為“溫度緩降、溫度驟降、溫度持平”三個階段，預冷速度快、大白菜失水率僅為3.34%。

2）根據物料的降溫趨勢調節捕水器的供冷量，以達到節能的目的；在減壓貯藏階段，裝置各系統運行穩定，艙內相對濕度基本維持在90%以上，具有潛在的商業化應用價值。

4.2展望

1）今后應對真空艙內果蔬的換熱機理以及真空環境下捕水器的捕集效率方面進行深入研究，以便優化此類裝置。

2）對真空艙體優化改進，在艙體內設置真空套間，以實現在不破壞減壓貯藏大環境下對果蔬的品質進行階段性的測試。

［1］ Burg S P.Postharvest physiology and hypobaric storage of fresh produce［M］.CABI Publishing，Wallingford，Oxford?Shire，UK，2004.

［2］ 申江，丁峰.減壓貯藏裝置，ZL201420500656.5［P］. 2015?01?14.（SHEN Jiang，DING Feng.Hypobaric stor?age device，ZL201420500656.5［P］.2015?01?14.）

［3］ 伍培，鄭潔，張衛華，等.一種簡單有效的減壓保鮮貯藏實驗裝置［J］.制冷與空調（四川），2009，23（3）：1?5. （WU Pei，ZHENG Jie，ZHANG Weihua，et al.A simple and effective decompression preservation of storage devices ［J］.Refrigeration and Air Conditioning，2009，23（3）：1?5.）

［4］ 鄭先章，蔣立軍，熊偉勇.減壓不凍結保鮮技術研究與應用［C］／／中國農業工程學會2011年學術年會論文集.上海：上海善如水保鮮科技有限公司，2011：1688?1698. （ZHENG Xianzhang，JIANG Lijun，XIONG Weiyong.The technology research and application of hypobaric storage without freezing［C］／／The Chinese Society of Agricultural Engineering in 2011 Academic Essays.Shanghai：Shang?hai Kind?water Preservation Fresh Tech Co.，Ltd.，2011：1688?1698.）

［5］ Burg S P，鄭先章.中西方減壓貯藏研究概述［J］.制冷學報，2007，28（2）：1?7.（Burg S P，ZHENG Xianzhang. Summary of hypobaric research in china and the west［J］. Journal of Refrigeration，2007，28（2）：1?7.）

［6］ 丁峰.低壓冷卻儲藏設備性能研究［D］.天津：天津商業大學，2015.（DING Feng.Research on the performance of low pressure cooling and storage equipment［D］.Tian?jin：Tianjin University of Commerce，2015.）

［7］ 鄭先章，鄭郤.一種多功能減壓貯藏裝置，ZL200910051025.3［P］.2009?10?14.（ZHENG Xian?zhang，ZHENG Xi.Multifunctional decompressing storage device，ZL200910051025.3［P］.2009?10?14.）

［8］ 嚴雷，劉斌，鄒同華.真空預冷中捕水器與真空泵的優化匹配研究［J］.制冷學報，2006，27（1）：49?52.（YAN Lei，LIU Bin，ZOU Tonghua.Study on optimization matc?hing of catcher and vacuum pump in vacuum cooling［J］. Journal of Refrigeration，2006，27（1）：49?52.）

［9］ 劉洋，申江，鄒同華.真空預冷中捕水器的理論研究［J］.真空與低溫，2004，10（4）：230?234.（LIU Yang，SHEN Jiang，ZOU Tonghua.The oretical research on va?por condenser of vacuum pre?cooling［J］.Vacuum and Cry?ogenics，2004，10（4）：230?234.）

［10］閆靜文，王雪芹，劉寶林.基于S7?300PLC果蔬真空預冷機控制系統的設計［J］.食品工業科技，2010，31（3）：320?324.（YAN Jingwen，WANG Xueqin，LIU Baolin.De?sign of the control systemof avacuum cooler based on S7?300 PLC［J］.Science and Technology of Food Industry，2010，31（3）：320?324.）

［11］王雪芹，劉寶林.果蔬真空預冷中降低失水率的方法研究［J］.制冷學報，2013，34（2）：81?84.（WANG Xueqin，LIU Baolin.Study of methods to reduce water loss rate for vegetables in vacuum cooling［J］.Journal of Refrigeration，2013，34（2）：81?84.）

［12］Hayakawa A，Kawano S，Iwamoto M，et al.Vacuum cool?ing characteristics of fruit vegetables and root vegetables ［C］／／Report of the National Food Research Institute，Ja?pan，1983：109?115.

Development of Multi?functional Fresh?keeping Device and Experiment of Cabbage Vacuum Pre?cooling

Shen Jiang1Zhang Chuan1Liu Sheng2Ding Feng1

（1.Tianjin Key Lab of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin，300134，China；2.Beijing Vegetable Research Center Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences，National Engineering Research Center for Vegetables，Beijing，100097，China）

This study introduced a kind of fresh preserving device with three key functions：vacuum pre?cooling，hypobaric storage and controlled freezing?point vacuum drying，and its working principle.The vacuum system，refrigeration system，humidifying and ventilation system of this device were described，and the construction of control system and working process were also introduced in detail.The exper?iments of vacuum pre?cooling and hypobaric storage had done with cabbages.The experimental results show that the decreasing internal pressure in cabin could result in the process of vacuum pre?cooling divided into three phases：gradual decrease，rapid decrease and con?stant in temperature.The unique technical feature and advantage of the device were analyzed with the experiment data such as 3.34% water loss rate of cabbage，and it can be seen that the cold chain logistics cycle of both pre?cooling and storage were shorted，the fruits and vegetables mechanical damage were reduced with the device，which shows the economic potential in the real application.

fresh?keeping device；vacuum pre?cooling and hypobaric storage；cabbage；rate of water loss

TB61＋1；TB79；TS255.3

A

0253－4339（2017）01－0107－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.01.107

2016年7月25日

張川，男，碩士研究生，天津商業大學機械工程學院，18222560310，E?mail：867097520＠qq.com。研究方向：食品冷鏈技術。

About the corresponding author

Zhang Chuan，male，master candidate，School of Mechanical Engi?neering，Tianjin University of Commerce，＋86 18222560310，E?mail：867097520＠qq.com.Research fields：food cold chain tech?nology.