艦船蔬果保鮮設計研究

2019-07-05 09:55:46王前進

船舶 2019年3期

龔磊王前進

（中國船舶及海洋工程設計研究院上海200011）

引言

隨著我國海軍戰略轉型，艦船執行護航、撤僑、巡視、救助等非戰爭性多樣化任務越發頻繁，航程越來越遠，不間斷航行時間逐漸變長，艦船后勤保障工作中的食品保鮮問題隨之凸現出來。良好的膳食供應、豐富均衡的食品補給不僅直接關系到艦員的身體健康和生活質量，甚至還關系到任務能否圓滿完成。蔬菜和水果保鮮期短、保鮮難等已成為制約艦船遠航飲食保障的瓶頸問題。近年來，為解決這一難題，我國海軍在各型艦船應用乙烯脫除、臭氧保鮮、精確控溫、氣調包裝保鮮、氣調保鮮庫等多種保鮮措施，使蔬果保存時間顯著提高。艦船具有種類多、人員配置和任務需求多樣化、船型尺寸差別大等特點，如何選用合適的蔬果保鮮方案已成為艦船設計人員的困惑之一，因此有必要針對各型艦船所適用的蔬果保鮮方案進行分析和總結。

1 艦船蔬果保鮮技術現狀

伴隨著科學技術的進步和海軍戰略轉型的需求，艦船蔬果保鮮技術現階段已經從傳統的物理領域向新型材料、生物技術、化學技術等諸多領域發展，由單一保鮮技術向綜合保鮮技術方向發展［1］。通過多年的科研和實船應用，已形成了一系列安全、有效的蔬果保鮮技術，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質量的重要因素。冷藏保鮮通過低溫抑制果蔬的呼吸強度以及微生物的生長繁殖，以減緩蔬果的后熟過程，達到延長其儲存期的目的，但同時要注意控制儲存溫度應高于蔬果冰害點溫度，以免出現凍傷變質［2］。

普通冷藏保鮮技術的儲存溫度控制精度為±2℃，采用機械壓縮制冷，是艦船最廣泛采用的蔬果保鮮技術，對各型艦船普遍適用，也是以下多種蔬果保鮮新技術的基礎。根據實船應用的結果，采用普通冷藏保鮮技術，一般能達到7～10天的蔬果保鮮期。

1.2 臭氧保鮮

臭氧具有較強的氧化能力，能殺菌、消毒，并降解蔬果在儲藏過程中產生的部分有害氣體，延緩蔬果腐敗速率。臭氧常溫常壓下可以自我分解為氧氣，不會造成環境污染。臭氧保鮮技術具有通用性強、安裝方便、占用空間小、濃度控制技術成熟的優點，已在艦船上廣泛應用。有研究表明，通過將臭氧保鮮技術與普通冷藏保鮮技術相結合，可使蔬果保鮮期延長至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，也足以誘發蔬果的成熟，加速腐爛變質。乙烯脫除裝置通過消除蔬果儲藏環境中的乙烯氣體，可以有效減緩蔬果的成熟和變質速度。為獲得更好的蔬果保鮮效果，乙烯脫除裝置經常與臭氧保鮮裝置聯合使用。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境中的乙烯氣體吸附去除（如下頁圖2所示）。其優點是效率高、安全、可靠；缺點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、金屬氧化物或無機酸催化乙烯的氧化分解（如圖3所示）。其優點是設備輕便、持久耐用、價格便宜，保存和更換觸媒比吸附劑便利；缺點是在氧化分解乙烯的同時會產生副產品氣體，易造成儲存環境中有異味，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 氣調包裝保鮮

氣調包裝保鮮技術通過改變蔬果密封小包裝中的氣體比例，抑制蔬果呼吸強度，控制其生理代謝活動，抑制微生物的生長，從而達到延長其保鮮期的目的。氣調包裝的原理是采用復合保鮮氣體，對已裝入蔬果的包裝內的空氣進行置換，改變包裝盒內的氣體配比，并在包裝內形成微型氣調環境，從而達到降低果蔬呼吸強度，延長蔬果保鮮期、延緩衰敗的目的。

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

遠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節包裝袋內氣體成分的條件，因此艦船環境的蔬果充氣包裝都采用MAP型。為驗證MAP氣調包裝保鮮在實船上的使用效果，海軍某型艦船在一次遠洋航行中，對油麥菜、紅圓椒、大蒜、小白菜、芥菜等進行了MAP氣調包裝保鮮試驗，試驗結果證明：蔬菜采用MAP保鮮技術貯藏30天后品質良好，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點，但也存在因包裝袋不透氣，致使植物產生的揮發性氣體集聚引起異味，以及包裝存儲過程繁瑣的問題。

1.5 氣調保鮮庫

氣調保鮮庫的保鮮原理與氣調包裝保鮮相似，主要是通過控制和調節冷庫內氣體的成分來抑制蔬果的呼吸作用，減少有機物質的消耗；抑制蔬果水分的蒸發，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生，降低腐爛率；抑制后熟酶的活性，抑制乙烯的產生，從而延緩蔬果的后熟和衰老過程。

氣調保鮮庫是以整個冷庫作為氣調對象，氣調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裝置調節庫內O2、N2比例，并降低乙烯和CO2濃度來達到蔬果保鮮的目的。氣調系統包括制氮系統、CO2脫除系統、乙烯脫除系統、溫濕度及氣體成分檢測控制系統，它與制冷系統分別為獨立的系統。

圖4 氣調庫保鮮原理圖

傳統的氣調庫庫容較大，各品種蔬菜和水果共同存放于同一庫中，在實船應用中能夠達到約30天的蔬果保鮮期［6］。但傳統的氣調庫由于需要經常進門取貨操作，導致庫內溫度和氣體成分波動較大，對蔬果的保存有不利影響；此外，不同品種的蔬菜和水果對冷藏溫度也有不同的要求，存放于同一個氣調庫中無法保證每種蔬果都能獲得最佳的冷藏溫度，而且大型氣調庫還存在人員入庫取貨時缺氧的風險。

針對傳統氣調庫所存在的缺陷，相關科研設計人員又提出了采用氣調保鮮單元的氣調保鮮方式作為傳統氣調庫的升級和替代（如圖5所示）。

圖5 保鮮單元典型結構圖

氣調保鮮單元可以由多個小型氣調庫組成，每艘船也可以設置多個保鮮單元，實現了果蔬的分類貯藏，可以獨立控制每一個保鮮庫內的溫濕度和氣體成分，最大程度地減小了混合貯藏對果蔬保存期的影響，也解決了以往船用氣調庫開庫頻繁，庫內氣體成分不穩定的難題；同時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，在氣調庫門口即可直接取貨，解決了人員的安全性問題，操作使用也更為簡單方便。氣調保鮮單元已在多型艦船成功應用，可以將蔬果的保鮮期延長至45天。

圖6 抽拉式貨架結構圖

氣調保鮮單元技術成熟，保鮮效果較好，但需要配置專門的氣調設備，初投資高，占用空間多，控制、操作、維護難度大；同時，氣調保鮮單元必須保證良好的氣密性，對施工安裝要求高，冷庫氣密性應能滿足：庫內充氣加壓至196 Pa，20 min后庫內壓力≥ 78 Pa［7］。

1.6 精確控溫冷藏保鮮

精確控溫冷藏保鮮技術是一種較為新穎的保鮮方法。精確控溫冷藏保鮮技術通過減少庫溫波動，降低植物的呼吸作用和水分蒸騰，減少蔬果表面的凝露，從而達到延長蔬果保鮮期的目的。傳統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到±1℃以內，有研究表明，采用精確控溫冷藏保鮮技術可以使蔬果保鮮期延長到45天［8］。

精確控溫冷藏保鮮設備組成與傳統冷藏相似，但為達到更高的溫度控制精度要求，需要運用高精度控制技術、改進庫內冷風機送風方式優化庫內氣流組織、改進冷藏裝置的制冷量供應技術，擴展制冷負荷調節范圍、提高制冷負荷調節精度等先進技術措施，對冷藏系統設計和設備能力的要求高，初投資較高；同時為保證庫內冷風機送風的均勻性，精確控溫冷藏庫采用頂部送風夾層的送風方式（如圖7所示），會導致冷庫內的凈層高降低。

圖7 精確控溫冷藏保鮮送風示意圖

1.7 精確控溫氣調包裝保鮮

為進一步將蔬果的保鮮期延長至60天，以滿足大型補給船對蔬果保鮮的要求，研究人員又提出了精確控溫氣調包裝保鮮技術，實現了精確控溫技術與氣調包裝保鮮技術的優勢互補，使艦船蔬果保鮮期又得到了一次飛躍，經陸上試驗檢驗，精確控溫氣調包裝保鮮技術可以將青菜、生菜、杭白菜、花菜、卷心菜等常見綠葉蔬菜的保存期延長到60天以上。精確控溫氣調包裝保鮮能夠有效延長蔬果的保鮮期，但存在設備復雜，投資高，對冷庫層高要求高的缺點。

2 各類艦船食品保存的需求

艦船包括各類戰斗艦和用于海上戰斗保障、技術保障、后勤保障的軍輔船，其中軍輔船種類和型號繁多，按用途主要可以分為：偵察船、測量船、防救船、工程船、試驗船、訓練船、補給船、醫院船、基地勤務船、運輸船、獵掃雷船、保障船等。各型艦船因任務、功能的不同，對食品儲存量和儲存時間的需求有很大差異。需要執行遠洋任務的艦船（如偵察船、大型測量船、大型試驗船、遠洋防救船、補給船、訓練船、醫院船、大型戰斗艦等）具有船上人員多、船體排水量大、自給力長的特點，通常要保障數百人30天以上的食品需求，尤其是補給船還需要擔負其他艦船的食品補給任務，專門設有大型補給冷庫，補給食品要求能達到45～60天的保鮮期；而對于小型測量船、工程船、基地勤務船、運輸船、獵掃雷船、近海搜救船、小型戰斗艦等主要進行近海作業的艦船，具有船上人員較少、任務周期短的特點，以保障數十人10～30天的食品自給力為主。由此可見，由于艦船種類多、各自特點鮮明、對食品的自給力需求各異，故有必要對各艦船所適用的食品保鮮方案進行分類總結。

3 艦船蔬果保鮮設計適用性分析

根據對不同艦船使命任務、規模及自給力的分析并結合各種保鮮技術的保鮮期，可以分別采用不同方案將保鮮時間分為短期、中期和長期三種。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針對不同自給力需求的艦船，從多方面對多種保鮮方案進行了分析比較。