差壓預冷技術與裝備在果蔬冷鏈物流中的應用

王 璇，陳愛強，劉昊東，關文強，劉 斌

（1.天津商業大學天津市食品與生物技術重點實驗室，天津 300134；2.天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134）

新鮮果蔬富含多種維生素和礦物質，具有豐富的營養價值，經常食用可以提高人體免疫力。隨著我國人民生活水平的提高，人們的健康飲食觀念正在不斷增強，對果蔬的消費需求日益增長。我國2017 年蔬菜年產量達到8.17 億t[1]，水果年產量達到2.52 億t[2]，連續多年位居世界第一位。但我國果蔬運輸仍以常溫物流為主，未經加工的鮮銷果蔬占了絕大部分。在流通過程中因交通狀況和產品保鮮條件的影響造成的果蔬損耗量達到20%～30%[3]，損失率為歐美發達國家的 4～5 倍[4]。

溫度是影響果蔬品質的關鍵因素。預冷作為冷鏈物流的首要環節，對果蔬品質、價值以及貯運過程都有重要意義。通過預冷處理迅速降低采摘后的果蔬溫度，去除果蔬攜帶的田間熱和呼吸熱，可有效降低冷藏貯運時的冷負荷，抑制果蔬的呼吸強度，減少微生物的生長繁殖，降低酶的活性，使果蔬在儲運中保持較好品質，延長果蔬的貯藏期[5]。

1904 年，Powell 及其合作者首次提出預冷的概念，隨后，大批學者對果蔬預冷技術進行了研究，開發出了多種預冷技術。根據預冷媒介的不同，預冷技術可分為空氣預冷、真空預冷、水預冷、冰預冷等。差壓預冷是空氣預冷的一種，具有預冷速度快、冷卻均勻、適用范圍廣等優點[6]，是目前農業物流鏈較為發達的國家采用較多的預冷方法[7]。我國對于差壓預冷技術的研究起步較晚，20 世紀90 年代末，果蔬預冷技術的研究被提上日程，天津商學院等院校開始對差壓預冷技術進行研究，并取得了一定研究成果。本文對差壓預冷技術中的關鍵技術進行闡述，分析現有差壓預冷裝備的優缺點，預測未來差壓預冷技術的研究方向。

1 差壓預冷技術的原理

差壓預冷技術是通過在果蔬表面進行冷空氣對流換熱，從而達到減少果蔬攜帶熱量、降溫冷卻等目的的一種空氣預冷技術[8]。預冷前需要將果蔬按一定擺放方式放入具有通風孔的包裝箱，將包裝箱碼垛后利用差壓風機進行抽吸，從而在包裝箱兩側形成一定的壓力差，促使冷空氣通過通風孔進入到包裝箱內部，與果蔬對流換熱，使果蔬快速冷卻[9]。

差壓預冷操作流程是，對采后果蔬進行修剪，除去枝葉及存在病蟲害或遭受機械損傷的個體，對不同大小果蔬進行分級，將不同級別果蔬分別放入不同包裝箱，包裝箱碼垛在差壓風機兩側形成低壓通道，打開預冷設備進行預冷處理。

2 差壓預冷關鍵技術

2.1 差壓預冷的影響因素

2.1.1 送風參數

差壓預冷送風參數主要包括送風溫度、送風速度和送風方式，是預冷間內空氣溫度場和速度場分布的最主要因素，對預冷速度、預冷均勻性和差壓風機能耗等諸多方面均產生顯著影響。

一般認為，送風溫度越低，送風速度越高，果蔬預冷速度也就越快。然而，降低送風溫度會大大提高制冷系統壓縮機的功耗，增加預冷的不均勻性，使果蔬更容易發生冷害[10]；提高送風速度雖然可以提高預冷速度和冷卻的均勻性，但同時也會增加差壓風機的功耗，果蔬的干耗也會相應提升[11]。因此，合理的送風參數對預冷效果和經濟效益至關重要。郭亞麗[12]等以溫度降的變化率、壓力降的變化率及在4 h 內的溫降值為考慮對象，認為當這三者達到某個值時預冷效果達到最優，即存在優化函數式（1），通過優化計算函數最大值，可確定合理的送風參數，并與試驗結果保持較高的一致性。

式中：Δθ 為果蔬 4 h 內的溫降值；θ′為 4 h 后過余溫度的變化；θ 為果蔬預冷 4 h 后的過余溫度值；Δp′為送風速度變化時壓力降的變化。

針對送風方式的研究相對較少。目前，常見的送風方式是水平側面送風和垂直頂部送風（圖1）[13]。水平側面送風時，80%以上的風量會通過果蔬頂部與包裝箱之間的間隙流過，只有不到20%的風量流過果蔬表面，造成較大的風量損失[14]。研究表明，垂直頂部送風較水平側面送風的預冷速度更快，冷卻均勻性更高[13,15]。

2.1.2 包裝箱參數

在差壓預冷過程中，包裝箱除了作為果蔬的載體，還能起到保證通過農產品的氣流均勻[16]、提供合適的機械阻力[17]、維持包裝箱兩側壓差等作用[18-19]。包裝箱的開孔形狀、開孔大小、開孔率及密封性能等結構形式均影響差壓預冷的均勻性和壓降等性能[20]。

目前，常用預冷包裝箱多為長方體或正方體的二層或三層瓦楞紙箱。與木質包裝箱、塑料包裝箱相比，紙箱具有輕便、可回收、成本低等優點[21]。紙箱三維尺寸常根據冷庫容積、風機額定功率而定，多在長300～600 mm，寬 150～350 mm，高 100～300 mm。包裝箱兩側需設計一定形狀、大小、數量的開孔。目前，差壓預冷紙箱開孔多選用圓形。研究發現，圓形孔較方形、橢圓形孔和鍵槽形孔的冷卻均勻性更好[22]，且預冷速度明顯快于矩形孔紙箱[23]。開孔大小和數量直接決定了開孔率的大小，開孔率并非越大越好。開孔率過大會使箱內氣流分布不均勻，風機消耗能量增加[24]，開孔率過小則會影響預冷速度和冷卻均勻性[25]。王達等[26]研究發現，在其他條件一致的前提下，隨著開孔直徑的增加，蘋果預冷時間逐漸減少，預冷能耗卻逐漸增加，開孔直徑在40 mm 左右為宜。申江等[27]則發現，不同開孔率對白蘿卜降溫速率和均勻度會產生不同影響，當以提高預冷速率為目的時，開孔率較大為宜；當以預冷更為均勻為目的時，可選擇較小開孔率。實際冷鏈運輸時包裝箱可能要被捆扎、壓實，因此開孔設計也不能破壞包裝箱的機械完整性，以避免因包裝箱破損對果蔬造成機械傷害[28]。

2.1.3 堆碼方式

果蔬不同的擺放方式會使包裝箱內所形成的氣流通道不同，從而影響包裝箱內的溫度和速度場的分布，造成預冷效果存在差異。王琪等[29]將蘋果平行和交叉擺放后研究發現，平行排列降溫均勻性好，流動阻力比較均勻，且平行擺放裝箱量更大，更為經濟。王軍艷等[30]研究發現，黃瓜豎排擺放氣流方向一致，預冷速度快于橫排擺放。

包裝箱碼垛方式影響空氣流程長度和空氣阻力，進而對預冷速度、冷卻均勻性和差壓風機功耗等產生影響。王偉鋒[31]研究了番茄差壓預冷包裝箱碼垛不同層數、不同列數對番茄冷卻時間、冷卻均勻性以及失重率的影響，發現冷卻均勻性隨著層數、列數的增加而減小，而冷卻時間、失重率卻隨之增加。胡云峰等[32]研究發現，冷墻式差壓預冷中隨著堆碼層數的增加，預冷速度減慢。碼垛層數、列數并不是越少越好，實際商業應用時需要綜合考慮預冷系統可處理量、經濟性及系統能耗。

3 差壓預冷裝備及應用

差壓預冷技術是在冷庫預冷的基礎上發展起來的，在應用時可通過對冷庫進行改裝，如增加擋板、使用差壓風機等形成差壓預冷庫。冷墻式差壓預冷庫（圖2）具有投資少、結構簡單等優點，適用于中小型農戶[32]。但由于是利用冷庫改裝，往往所占空間大，預冷不均勻且耗能較大。

冷空氣流經包裝箱的壓力降較大，而普通的冷風機風壓又較小，當果蔬碼堆較厚時，冷風就不能正常的通過設計的既定氣流通道，預冷效果較差。因此，在普通差壓預冷庫中通常要設置一個靜壓箱，圖3 為帶靜壓箱的差壓預冷庫[33]。

為提高冷庫使用率，景君等[34]研制出一種可拆裝差壓預冷器，該裝置可在冷庫現場進行拼裝。差壓預冷器相對于差壓預冷庫空間較小，冷卻更為均勻。但拼裝后密封性能不佳，預冷所需時間較長。

為滿足單體農戶在分散的果園和菜地中進行預冷的需求，出現了小型移動式果蔬產地差壓預冷機。劉向東等[35]研制出的5TYY-40 型田間移動式瓜果差壓預冷機（圖4）可移動作業，在田間采摘后能夠即時預冷，效能高。申江等[36]公開的果蔬垂直通風差壓預冷裝置，可移動至田間即時預冷，也可在果蔬運輸途中進行預冷，提高了預冷效率與預冷均勻性。

4 差壓預冷技術的應用

以西紅柿、生菜、蘋果、梨等為代表的球形果蔬和以茄子、蘿卜、西葫蘆、青椒等為代表的類圓柱形果蔬是我國人民餐桌上常見的果蔬種類。目前，差壓預冷技術在球形果蔬、類圓柱形果蔬的預冷上應用較為廣泛。通過差壓預冷技術預冷球形果蔬番茄和類圓柱形果蔬茄子、青椒等，預冷效率較冷庫預冷可提高2～6倍[37]。在西紅柿的差壓預冷應用中，當包裝箱碼垛不超過四層四列，送風溫度在27 ℃降到10 ℃階段設置為4 ℃，在10 ℃降到5 ℃階段設置為2 ℃，送風速度在27 ℃降到15 ℃階段采用0.9 m/s，在15 ℃降到5 ℃階段采用0.57 m/s 時，預冷效果較好，能耗相對較低[38]。差壓預冷球型果蔬生菜時，當回風通道間距為300 mm 時送風速度及壓力較大。預冷終溫為5 ℃，半冷卻溫度前送風溫度選擇4 ℃，半冷卻溫度后送風溫度選擇2 ℃，預冷效率較高[39]。在類圓柱形果蔬白蘿卜的差壓預冷中，使用包裝箱開孔率在0.08 左右、箱內蘿卜孔隙率在0.46 左右、送風溫度為3 ℃、送風速度為0.32 m/s 時，預冷均勻性最佳[40]。在其他形狀果蔬如芒果的預冷中，差壓預冷也有較好的預冷效果。研究表明，與將芒果直接放置在13 ℃的環境里貯藏相比，將芒果以0 ℃的送風溫度、1 m/s 的送風速度差壓預冷至13 ℃后再在此溫度下貯藏可以增強芒果的抗氧化活性，有利于維持果實品質[41]。

5 結論與展望

差壓預冷設備簡單，在現有冷庫基礎上僅需增加1 個靜壓箱、1 個差壓風機即可，應用前景十分廣闊。本文主要分析了送風參數、包裝箱參數、堆碼方式對差壓預冷效果的影響，并結合球形果蔬、類圓柱形果蔬等不同形狀果蔬對預冷效果進行分析。目前，受行業發展的影響，我國果蔬差壓預冷技術雖得到了推廣，但在實際應用中還存在許多亟待解決的問題。未來差壓預冷技術研究的主要方向為：①拓寬果蔬研究種類，建立較為完善的差壓預冷標準數據庫，為實際生產提供可靠的數據支撐；②推進差壓預冷物聯網云平臺控制，實現設備故障提前預測、專家在線技術支持，提高預冷效果及經濟效益；③加大差壓預冷裝備研發力度，優化設計關鍵部件、空間布局，提高裝備效率，另外，可將新能源應用于預冷裝備，以便因地制宜，減少傳統能源消耗；④加快新型差壓預冷裝備的產業化，促進果蔬冷鏈物流進一步發展。