草莓保鮮運輸中強制通風預冷與溫度分布的相關性

程麗麗

(山西交通職業技術學院，山西 太原 030031)

預冷是生鮮食品完成加工后進行冷鏈運輸的第一步，同時也是最關鍵的一步[1]。溫度是影響生鮮食品質量和安全性的最重要因素，預冷至最低安全溫度可延長食品的保質期，最大限度地減少新鮮農產品的呼吸活動和相關熱量的產生，防止常見病原體滋生[2-5]。草莓在收獲時已經成熟或接近成熟，必須在短期內預冷、運輸及銷售[6-8]。強制空氣預冷是在收獲水果蔬菜等生鮮食品后最常用的保鮮運輸方法[9]。根據食品、包裝和操作條件的不同，強制空氣預冷速度大約是室溫冷卻速度的5～10倍[10]。然而，使所有食品在預冷后達到同一溫度是一個重大挑戰。例如，運輸前單個冷藏拖車托盤之間的溫度差異為2 ℃，在運輸過程中，這一溫度差異增加為5.8 ℃[8]。導致這種不均勻預冷的原因比較復雜，通常由于收獲和運輸條件的不同，預冷開始時，與朝向風機的食物相比，外側面向進入空氣的食物冷卻更快，導致托盤周圍空氣的溫度不均勻；同時由于設計不當使氣流受阻也是導致不均勻預冷的原因[11-12]。

改善措施包括評估預冷設施內的產品和周圍空氣的溫度分布，對溫度條件的評估可以預知預冷期間和預冷之后的不均勻程度，提前識別冷卻室內的冷暖區域，并可用于驗證不同的溫度預測模型。在目前的文獻中，可以找到一些關于冷卻通道中溫度分布的試驗研究[13-15]，該通道由一個托盤或幾個托盤或容器組成，然而在初始溫度均勻的實驗室級冷卻通道上進行的測量與在大型商業設施進行的測量有很大的偏差。與實驗室的冷卻通道中平行于氣流的側壁相比，托盤中心的預冷速度更快。在實際生產中，由于溫度和氣流的不均勻性、頻繁的開關門，人員和鏟車在設施內的移動以及托盤運輸過程中的溫度不均勻，都會對實際結果造成重大影響。因此，商用強制空氣預冷是一個高度動態和復雜的過程，需要對托盤、通道、冷卻室和周圍環境條件之間的相互作用進行研究。試驗擬對工業條件下強制空氣預冷過程中的初始溫度分布、冷卻通道內不同位置的溫度變化、適當的預冷時間以及不同位置的溫度關系進行量化研究，評估預冷持續時間，以期為生鮮食品保鮮商用運輸期間的溫度分布研究提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

草莓：上海托特食品儲備與加工公司，并于該公司大型倉儲內完成該模擬試驗項目；

圖1為用于試驗的草莓盒(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)。每個包裝盒中放置有8個0.454 kg盒裝草莓。這些包裝盒堆疊在一起，置于托盤上，每個托盤放置18層或19層包裝盒。所有溫度測量均采用USB數據記錄器(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 試驗中的草莓盒、包裝盒和托盤示意圖

1.2 預冷設備

在設有多個冷卻通道的冷卻室內進行強制空氣預冷，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)。風機將室內空氣吸入通風室，通過管道將空氣噴射回房間，從而在托盤的內部通道側產生較低的壓力，壓力差迫使冷空氣通過托盤內部流動。冷卻室溫度控制系統的目標溫度設定為0 ℃。強制空氣預冷設施由兩個連接的冷卻室組成，每個冷卻室包含3個冷卻通道。右邊的冷卻室有一個滑動門，托盤通過滑動門進出外部裝卸平臺。在冷卻通道運行期間，滑動門通常是關閉的。兩個冷卻室由一個條形門隔開。每個冷卻室的長度、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

半冷卻時間(half cooling time，HCT)是通過計算通道內每個位置的測量溫度得到的[16-17]。在預冷開始之前，將帶有溫度傳感器探頭的數據記錄器放置在通道內。在冷卻通道左側3個托盤的中間點安裝了6個溫度記錄器，以測量通道內外表面附近的水果溫度。另外兩個數據記錄器連接到中間托盤的內外表面，以測量空氣溫度。在圖2中，將一個記錄器插入距離風機最近的托盤中部的草莓中心，第二個記錄器插入到距離風機最遠的托盤中部的草莓中心。測量環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 結果和討論

2.1 預冷溫度的時間控制

食品在預冷開始時的溫度受室外溫度、預冷延遲以及延遲期間的儲存和運輸條件等的影響。產品初始溫度的差異很大，因此有必要調整每批產品的預冷時間，對于初始溫度較低的批次，應避免過多的預冷時間，以降低凍傷風險和降低能源消耗，而對于初始溫度較高的批次，則需要足夠長的預冷時間[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號通道進行預冷時，觀察到最高溫度和最低溫度草莓之間的溫度差異高達8.1 ℃，可能是在預冷開始時，同一托盤兩側的溫度差異顯著，例如，面對進入空氣的中間托盤中的草莓比2號通道的相對側的草莓溫度高6.2 ℃。托盤的一側受到燈照輻射的影響而升溫。草莓達到所需溫度范圍的預冷時間取決于預冷開始時的熱穩定性。

2.2 預冷過程的溫度變化

根據在實驗室冷卻通道測量的結果發現，面對進入空氣一側溫度的下降速度比面對風機一側的更快，當空氣流過托盤時，與草莓交換熱量，空氣溫度升高。因此，對流換熱的驅動力，即草莓表面的空氣溫度與果肉溫度之間的差，在面對進入空氣一側進行預冷時的溫差比靠近風機一側預冷時的高。由于驅動力更大，迎面進入空氣一側的溫度降低更多。因此，面對進入空氣一側的草莓的HCT平均在25～30 min，比風機附近一側的草莓的HCT顯著縮短(圖3)。隨著預冷過程中朝向進風側的草莓溫度的降低，空氣在流經托盤時不會變熱，在朝向風機側的預冷后段，熱傳遞的驅動力變大[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，風機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，強制空氣預冷主要是由從冷卻室到通道的氣流驅動，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。然而，這兩個通道彼此相鄰，并且距離較大，對于商業設施中通道間預冷溫度的變化則需要額外的全面評估。

對于環境溫度為0 ℃的冷卻室，將草莓溫度從20 ℃降低到10 ℃所需的時間與將溫度從10 ℃降低到5 ℃所需的時間相似。這種性質表明溫度下降遵循一階動力學，符合指數衰減的規律[20]。一階動力學還表明，非線性現象，如托盤和冷卻室之間的輻射能量交換，以及托盤周圍和內部空氣速度的不均勻性，不足以造成系統的偏差。

圖3 不同測量位置的半冷卻時間

2.3 最佳預冷時間

如前所述，收獲生鮮產品時溫度的異性非常顯著，預冷是減少這種異質性、保證食品質量的首要操作環節，可以大大提升并簡化后續的庫存管理。預冷時間應足夠長，以便通道內每個位置的食物達到所需的溫度范圍。預冷后草莓溫度的異質性在隨后的配送過程中可能還會增加，因為運輸系統的制冷能力和空氣流量不足，而理想運輸系統的設計只能維持最適宜的溫度。然而，在大量采購的季節，食品的進料量大于冷卻設施的容量時，有必要縮短冷卻過程以減少后續批次預冷的延遲。

此外，由強制空氣預冷引起的后果是造成草莓等易損傷產品的凍傷，因此，有效的強制空氣預冷要選擇合適的預冷時間和溫度，并設計一個良好的冷卻室，保持均勻的環境溫度。為了確定何時停止預冷，通常使用的方法是監測通道最熱區域(朝向風機的一側)的食品溫度，同時監測最冷位置(朝向進入空氣的一側)的食品溫度，以避免凍結產品。測量結果表明，利用通道內不同位置的溫度之間的相關性，可以確定適當的預冷時間。表1給出了試驗中各個位置的HCT之間的相關性系數。面對進入空氣(Fout、Mout和Lout)一側的托盤溫度變化不顯著。這種相關性的缺失可以解釋為冷卻室內的局部冷暖空氣流，影響了朝向進入空氣的通道一側特定位置的冷卻速度。然而，在M位置測得的HCT與朝向風機一側(Fin、Min和Lin)附近的草莓的HCT顯著相關[21]。通道Fin-Min-Lin-Mout區域內存在多個顯著相關性，并通過7次預冷試驗計算，有力地證明通道內不同位置的HCT是相關的，因此可以使用預測法估計。圖4為7次預冷試驗中Min和Mout位置處測得的HCT。HCT遵循線性模式，如果在預冷過程中測量在Mout位置溫度，可以將其轉換為數學模型，用于預測Min位置的HCT。通道內的溫度可以通過有限數量的溫度傳感器進行預測，并可以實時改進，以適應對預冷卻時間的選擇。

圖4 Min和Mout測量位置的半冷卻時間

表1 溫度測量位置的半冷卻時間HCT相關系數?

? *表示顯著(P=0.05)。

3 結論

預冷通道內部的半冷卻時間約為外部的2倍，通道外部的HCT與內部的HCT密切相關。使用傳感器進行溫度預測，預冷卻結束時檢測到7 ℃的溫度變化，表明在某些情況下應該延長預冷時間以提高冷卻溫度的均勻性。強制空氣預冷期間產品溫度的降低呈指數下降，在面向空氣的托盤側比靠近風機的一側預冷更快。但是，沿著通道中的托盤沒有觀察到溫度的明顯差異；通道內不同位置的HCT之間的相關性很大，包括面向進入空氣一側中間的HCT和面向風機一側附近的HCT，可以合理地調整每批食品的預冷卻持續時間。該模型可用于改進冷卻室的設計，操作條件和控制系統，以及研究適當預冷持續時間的問題。試驗擬研究工業條件下強制空氣預冷過程中的溫度初始分布、冷卻通道內不同位置的溫度變化、適當的預冷時間以及不同位置的溫度關系進行量化研究，并評估預冷卻持續時間，以期為生鮮食品保鮮商用運輸期間的溫度分布研究提供理論支持。