不同冷凍介質與EPS泡沫箱在模擬冷藏運輸中的效果研究

胡 佳 ，李艷華 ，羅 杰

（1.銅仁職業技術學院，貴州銅仁 554300；2.銅仁市特種水產養殖發展與提升工程技術研究中心，貴州銅仁 554300）

聚苯乙烯泡沫塑料（EPS，Expandable Polystyrene）是一種熱塑性材料，經加熱發泡以后，每立方分米體積內含有300～600萬個獨立密閉蜂窩氣泡，平均密度在0.015～0.03 g/cm3，是目前使用最普遍的保溫隔熱材料之一[1]，具有易于溶解和粉碎、價格便宜、可回收利用等優點。EPS廣泛應用于各種生化試劑、錫膏、獸藥、血漿、疫苗、水產、觀賞魚、奶制品、肉制品、農產品、花卉、蔬菜、水果等長距離保活保鮮冷鏈運輸中。

蓄冷介質用途則更廣泛，除了配合泡沫箱實現上述功用外，還可以用于高燒退熱、消炎止痛、冷敷美容、扭傷、止血、化膿、護膚等輔助理療和食品及藥品保鮮。但是，目前蓄冷介質不斷推陳出新，對蓄冷介質冷藏效果的比較研究不多[2-5]，對商用冷凍介質的冷藏對比效果的研究更是寥寥，目前僅見于文遠蓉等人[6]在醫學上進行了簡單研究。雖然冷鏈運輸已蓬勃發展，但是基于泡沫箱結合冷凍介質的方便易得、低成本及環保特性，泡沫箱結合冷凍介質在農產品冷藏運輸的市場占有率上還是占有相對優勢[5，7-8]。基于此，選取泡沫箱運輸中常用的生物冰袋、注水冰袋、保鮮冰袋、干冰袋，結合自制的水冰袋、3%NaCl冰袋、1.5%NaCl冰袋比較其蓄冷性能，研究不同冰袋在特定條件下的冷凍保溫時間與能力，從而為各種物品，特別是水產品在特定情況下的泡沫箱冷藏保鮮運輸提供科學依據與指導。

1 材料與方法

1.1 材料

不同型號EPS保溫箱和生物冰袋、注水冰袋、保鮮冰袋、干冰袋等各類商用冷凍介質，均為網購；水冰瓶、3%NaCl冰瓶、1.5%NaCl冰瓶；瓶裝自來水，自制獲得。

1.2 儀器與設備

JBY型智能控溫加熱棒，中山市藍海電器有限公司產品；U23-001型HOBO ware溫度自動記錄儀，美國Onset公司產品；溫控保溫箱，自制。

1.3 試驗方法

試驗共有3個設計，試驗Ⅰ設置10，15，20，25，30，35℃和室溫7種不同溫度處理，研究同一冷凍介質（保鮮冰袋）在同一EPS保溫箱、不同溫度下的保溫效果。其中，室溫為環境氣溫，其他溫度組通過可調加熱泵加熱水浴箱來控制恒定溫度。

特定EPS保溫箱和特定冷凍介質在不同環境溫度下的保溫效果試驗設置見表1。

表1 特定EPS保溫箱和特定冷凍介質在不同環境溫度下的保溫效果試驗設置

試驗Ⅱ研究不同內表面積和厚度的EPS保溫箱，在同一溫度和同一干冰袋下的保溫效果，干冰袋總體積按照泡沫箱內表面大小同等比例放置，保證散熱速率和散熱表面積比例一致。各處理的環境氣溫、氣壓、泡沫箱材質相同。

不同EPS保溫箱在特定冷凍介質和特定環境溫度下的保溫效果試驗設置見表2。

表2 不同EPS保溫箱在特定冷凍介質和特定環境溫度下的保溫效果試驗設置

試驗Ⅲ研究6種不同冷凍介質在同一溫度、同一EPS保溫箱下的保溫效果。

不同冷凍介質在特定EPS保溫箱和特定環境溫度下的保溫效果試驗設置見表3，試驗用冷凍介質信息見表4。

表3 不同冷凍介質在特定EPS保溫箱和特定環境溫度下的保溫效果試驗設置

3組試驗中每個處理設置3個重復，每個重復的溫度采用HOBO ware溫度自動記錄儀記錄，設置記錄時間間隔為1 h，每個溫度記錄儀均用透明膠粘在泡沫箱蓋內面中部，每個EPS保溫箱用蓋子蓋好并用透明膠密封好。

1.4 數據處理

所有試驗數據采用Excel 2010軟件進行統計，對處理Ⅲ的數據進行F檢驗，對比不同冷凍介質的保溫效果。

2 結果與分析

2.1 同一冷凍介質在相同EPS保溫箱、不同環境溫度下的保溫效果

同一冷凍介質在相同EPS保溫箱、不同環境溫度下的保溫時長見圖1。

由圖1可知，35℃外界溫度下，1 h后泡沫箱內溫度達到26.2℃，9 h后箱內外溫度達到一致；10℃外界溫度下，1 h后泡沫箱內溫度達到4.8℃，41 h后箱內外溫度達到一致；即外界溫度越高，EPS保溫箱升溫速度越快，達到和外界溫度一致的溫度所需時間越短。

表4 試驗用冷凍介質信息

對箱外溫度和對應保溫箱內達到外界溫度所需時間兩者之間的數據進行擬合發現，外界溫度和保溫時間兩者之間存在明顯的負相關。

環境溫度和保溫時長的關系見圖2。

由圖2可知，擬合方程為：Y=73.788e-0.299X，R2=0.997 3。

2.2 同一冷凍介質在同一溫度下、不同EPS保溫箱中的保溫效果

根據散熱速率和散熱表面積成正比的關系，冷凍介質體積按照EPS保溫箱內表面積的大小按比例放置，試驗的外界條件均保持一致。

同一冷凍介質在不同泡沫箱、同一環境溫度中的保溫效果見圖3。

由圖3可知，雖然冷凍介質是按照泡沫箱內表面積大小比例放置的，但是泡沫箱內起始溫度卻是不一致的，呈現內表面積越小，起始溫度越低的趨勢。并且隨著溫度的上升，內表面積越大的EPS泡沫箱，溫度上升得越快。從溫度的變化趨勢來看，1#，2#，3#的變化趨勢一致；6#，7#的變化趨勢一致；4#，5#，8#分別有各自的變化趨勢。1#，2#，3#泡沫箱的厚度相近，起始溫度隨內表面積的增大而增大；6#和7#泡沫箱的厚度相近，內表面積也相近，圖示2條曲線非常相似；4#和5#泡沫箱的內表面積相近，泡沫箱內起始溫度相近。但隨著時間的推移，5#比4#泡沫箱溫度上升快一些，推測與泡沫箱的厚度有關；8#內表面積最大，也是整個試驗中初始溫度最高且升溫速度最快的一個泡沫箱。

EPS泡沫塑料屬于高效保溫材料，導熱系數≤0.003 8 W/(m·k)[9-10]，根據傅力葉方程式：

式中：Q——熱量；

λ——導熱系數；

A——接觸面積；

△T——溫度差；

d——材料厚度；

R——熱阻值。

2個公式綜合后，得到λ=d/R。因為λ和材料的成分有關，是不變的，那么熱阻R與材料厚度d成正比。依據傅力葉方程式，散熱速率與散熱面積成正相關的關系，按內表面積大小確定EPS泡沫箱內冷凍介質的體積，按照此理論，8個泡沫箱的初始溫度或升溫曲線趨勢應該一致。但是，由于泡沫箱內表面積不同，溫度記錄初期的初始溫度并不一致，泡沫箱的厚度不一，各自冷耗也不一，以及溫度升高后期冷凍介質蓄冷能力下降，導致各泡沫箱內溫度變化趨勢并不和厚度呈現線性相關。表現為1#，2#，3#泡沫箱的溫度變化趨勢一致，3個泡沫箱的厚度分別為18，20，20 mm；6#，7#泡沫箱的溫度變化一致，2個泡沫箱的厚度分別為26，25 mm。在泡沫箱內溫度未達到7℃時，5個泡沫箱內溫度上升趨勢一致。在泡沫箱內溫度達到7℃時，6#、7#泡沫箱后期的溫度升高速率大于1#、2#和3#泡沫箱。說明在這2組的保溫試驗中，泡沫箱厚度不是影響溫度曲線的唯一因素，后期在接近室溫時，冷凍介質蓄冷能力下降，因為6#、7#泡沫箱內表面積顯著大于1#、2#和3#泡沫箱內表面積，導致溫度散失越快；4#和5#泡沫箱的內表面積相近，初始溫度相近；在升溫過程中，由于5#泡沫箱的厚度小于4#，所以5#泡沫箱溫度升高快一些；8#泡沫箱的內表面積最大，起始溫度最高，在接近室溫的情況下，雖然8#泡沫箱的厚度有30 mm，但是已不足以抵御內表面積大且初始溫度高帶來的溫度急劇升高。

由此可見，內表面積影響泡沫箱初始溫度，內表面積越大，初始溫度越高。泡沫箱厚度影響溫度上升的速率，泡沫箱越厚，保溫能力越強。值得強調的是，冷凍介質的蓄冷能力在一定程度上可以抵消泡沫箱內表面積的影響，但是在泡沫箱內溫度上升的中后期，由于冰袋的蓄冷能力下降，對泡沫箱內溫度調控的主要因素還是內表面積。因此，泡沫箱的內表面積、泡沫箱厚度及冰袋的蓄冷能力均能綜合影響保溫時長。

2.3 不同冷凍介質在同一EPS保溫箱、同一溫度下的保溫效果

不同冷凍介質在同一EPS保溫箱、同一環境溫度下的保溫效果見圖4。

由圖4可知，不同類型冷凍介質在試驗初期階段的降溫能力是不同的，3%NaCl冰瓶效果最好，可達到4℃以下；其次是保鮮冰袋、1.5%NaCl冰瓶，最后是干冰袋。從保溫時長來看，3%NaCl冰瓶在經過大約32 h后喪失保溫能力，1.5%NaCl冰瓶在36 h后喪失保溫能力，其余冰袋在40～43 h喪失保溫能力。每條曲線和室溫曲線圍成的面積反映的是蓄冷介質的持續釋冷能力，從這一角度來看，保鮮冰袋釋冷能力最優，達203.4 h·℃；水冰瓶釋冷能力次之，達166.8 h·℃；隨后依次是1.5%NaCl冰瓶、3%NaCl冰瓶、注水冰袋、生物冰袋、干冰袋，分別達到162.9，159，146.1，133.9，117.5 h·℃。對各組溫度數據進行F檢驗，得到p=0.006 7（p＜0.01），新復極SSR法多重比較顯示，3%NaCl冰瓶組和1.5%NaCl冰瓶組與其余各組呈極顯著差異，其余各組之間無差異。

3 結論

研究表明，特定冷凍介質在特定EPS泡沫箱和的保溫效果（時長）與外界溫度存在明顯的負相關，其擬合方程為：Y=73.788e-0.299X（X為箱外溫度/℃，Y為保溫時長/h；R2=0.997 3）。外界溫度越高，EPS保溫箱的起始保溫作用越弱，升溫過程越快，升溫時長與外界溫度呈明顯的負相關。因此，無論使用何種冷凍介質或者EPS泡沫箱，在長距離保鮮運輸中，應盡量避開高溫天氣。如果無法避開高溫天氣，對運輸物品進行冷藏后再包裝運輸，并加大冷凍介質的使用是提高運輸距離與保鮮時間的較好辦法[11]。

同一冷凍介質在特定溫度和不同EPS保溫箱中的保溫效果受EPS保溫箱的表面積、厚度的綜合影響，符合傅立葉方程式，但是保溫時長與二者并不成簡單的線性關系，保溫過程中冷損的存在使得其線性關系并不明朗，這與王剛[5]對不同體積的蓄冷劑的保溫研究結果有相似之處。

綜合初始降溫效果、保溫時長、溫度上升趨勢3個條件來看，保鮮冰袋的綜合蓄冷能力最強，其次為水冰瓶和注水冰袋，3%NaCl冰瓶和干冰袋的綜合蓄冷能力相對較差。保鮮冰袋在初始降溫和保溫前期的蓄冷效果較好，注水冰袋在保溫后期的蓄冷效果較好。故推薦冷凍介質首選保鮮冰袋，其次為水冰瓶和注水冰袋。

因此，在進行生物制品及鮮活農產品等的保鮮保活運輸當中，需要綜合考慮季節、運輸距離與時間、冷凍介質的蓄冷能力、泡沫箱表面積和厚度。根據試驗結果，建議盡量選擇厚度大、表面積小的泡沫箱在陰冷天進行運輸，冷凍介質推薦保鮮冰袋和注水冰袋混合搭配使用，冷凍介質不易獲取或者環境溫度較低情況下，推薦直接使用水冰瓶。在運輸前最好對運輸物品進行預冷處理，運輸包裝中還可以覆蓋一層保溫棉，減少溫度的散失。值得一提的是，針對非即食水產品的活體運輸，除了可以在運輸過程中適當降溫以降低魚體應激和新陳代謝，保證存活率之外，也可使用MS-222和丁香酚這2種效果和安全性都較好的麻醉劑來減少水產品的基礎代謝，提高水產品的保活率與毛色[12-15]。另外，還有研究表明，在活體水產品運輸過程中加入一定量的氯化鈉、抗生素、益生菌、抗菌劑等添加劑，可以維持水產品皮膚黏膜的穩態和水質清新，對提高運輸存活率大有裨益[16-17]。