基于氣調法與遠紅外陶瓷的可回收水果保鮮裝置

熊佳聰，錢意禎，涂雯雁

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

據統計，2016年全國水果產量達到2.75億噸，表觀消費量達到2.71億噸。由于我國果蔬生產的采收不當，采后商品化處理技術落后，保鮮條件不當等原因造成的腐爛損失率占總產量的20%～25%，遠高于國外成熟市場1.7%～5%的平均水平，造成了資源的嚴重浪費。因此，水果保鮮成為一個亟待解決的問題。

1 設計思路

現有的水果保鮮技術主要有自然冷源保鮮、冷庫保鮮、減壓保鮮、保鮮劑保鮮。各類保鮮方法的優缺點比較如表1所示。

表1 各類保鮮方法比較

在水果保鮮過程中，工人在搬運途中的不合理搬運導致水果組織產生物理損傷擠壓，進而使細胞中的酸類物質被擠壓出來，加速水果的氧化腐爛。現有的解決方法為使用一次性塑料網套、泡沫包裝盒、瓦楞紙箱。這些材料多為一次性材料，使用后處理困難，容易對環境造成白色污染，同時也浪費大量資源。基于以上問題，設計出一種基于氣調法與遠紅外陶瓷的新型可回收水果保鮮裝置，該裝置可以延長水果保鮮時間，并在運輸途中保護水果避免擠壓，同時裝置可以做到多次循環利用，減輕對環境的影響。

2 設計方案及擬采取研究方法和技術路線

2.1 設計原理

本裝置主要包括實體結構部分和控制部分，實體結構部分主要有儲氣模塊、水果儲藏模塊和氣囊密閉模塊、乙烯吸收模塊等，控制部分主要控制氣體的運輸和密封裝置的開關。整體工作流程圖如圖1所示。該裝置工作流程為：將水果放入四周為PEF材料保護的保鮮模塊，將氣囊密閉模塊密封好后，氣調模塊首先將裝置內氣調氣體通入主倉；當完成保鮮任務后，調氣裝置將裝置內的氣體抽回至儲氣裝置后人工將密封蓋打開，完成全部工作循環。

2.2 實體結構設計

2.2.1 整體結構

新型可循環防擠壓氣調水果保鮮裝置是在原有的冷藏水果裝置的基礎上進行優化的一種裝置，主要分為外部箱體模塊和內部的井字形隔間結構模塊。外部箱體結構包括聚氨酯硬泡材料外部殼體、密封氣囊、遠紅外陶瓷涂料，為水果提供一個密閉穩定的微環境，達到保鮮的效果；井字形隔間結構包括井字形格柵、乙烯吸收填料、PEF緩沖材料結構，起到抑制水果呼吸作用，同時減緩衰老速度，減小運輸或保鮮過程中沖擊和擠壓對水果造成的影響。裝置的整體結構如圖2所示。

圖1 裝置功能示意圖

2.2.2 外殼結構

箱體的外殼采用聚氨酯硬泡材料，可以滿足保鮮箱外殼承重防擠壓以及保溫的要求。聚氨酯硬泡材料是一種熱固性閉孔聚合物材料。具有不易變形、耐腐蝕且無毒無害的優點。在外殼的底部涂抹有遠紅外陶瓷材料。遠紅外陶瓷材料可以發射出遠紅外光線，由于水分和水果組織在遠紅外區域有很寬的吸收帶（或稱吸收峰），能吸收遠紅外線，產生共振現象，從而達到促進保鮮的效果。因為陶瓷涂料易脫落且紅外線具有穿透能力強的特點，將陶瓷涂料均勻置于箱體底部，通過輻射對每一個水果進行相同程度的保鮮。

圖2 整體結構圖

2.2.3 密封氣囊模塊

密封氣囊部分為一個頂端設計有密封條的可循環利用的密封氣囊，該氣囊在密封前將密封條閉合，從而形成一個密閉的空間，為水果保鮮所需要的氣調氣體提供密閉空間。在保鮮水果送達目的地后，將密封條拉開取出水果，操作簡單方便。

氣囊內部填充配制的氣調氣體，用于抑制水果呼吸作用，促進水果保鮮。各類水果所需要的氣調氣體的成分不同，因此每種水果和對應的保鮮裝置以及儲氣裝置內部的氣體也不同。針對不同的水果，可對保險箱進行調試為對應的水果，調控氣調氣體各成分的比例，適用性更廣。

2.2.4 井字形格柵結構

井字格柵由PEF材料制成。緩沖材料貼附于每個隔間的內壁上，為水果提供緩沖的作用，防止水果在運輸、保鮮的過程中因晃動而使水果碰撞、擠壓破壞水果的果皮及內部組織。硅土是一種多孔材料，具有較強的吸附能力和較大的內表面積，可以作為高錳酸鉀溶液的載體，并增強高錳酸鉀的吸收作用。用高錳酸鉀溶液浸泡過的硅土材料放置在隔間中部的空腔內部，高錳酸鉀具有氧化性，在中性的條件下吸收乙烯后生成乙醇和乙酸，可對乙醇與乙酸進行分離利用。裝置降低了內部的乙烯的含量，從而延緩水果的老化腐爛。

2.3 控制部分

硬件系統設計如圖3所示，采用AT89C51單片機為控制系統的核心，接收壓力傳感器模塊的壓力檢測信號與鍵盤輸入的控制信號。單片機根據其內部的信號處理，控制電磁閥的排氣過程，對水果存儲裝置內部的氣壓進行調節。

圖3 硬件系統設計框圖

3 項目的研究基礎

裝置參數表如表2所示。

表2 裝置參數表

傳統的水果保存方法一般為冷藏法，而本裝置可以在非冷藏條件下長時間保存水果，所有的保存過程均由箱體內氣調氣體和遠紅外陶瓷完成，整個過程可以減少冷藏所需的電量消耗以及運輸過程中的紙箱浪費。該裝置具有良好的節能減排效益及市場前景，初步驗證了保鮮盒結構設計的可行性，加工容易，可保證樣本成功制作。

4 結論

該裝置在實現高效保鮮的同時，對水果在運輸過程中進行保護，減少水果運輸的物理損傷。針對不同種類的水果，采用對應各自適應的方法，對水果進行保水保溫，使水果處于最適宜溫度，呼吸消耗較低的狀態，減慢氧化速度，從而達到減少浪費、循環利用水果箱的目的。