基于多要素控制及柔性分區(qū)的食品儲(chǔ)藏理念

馬堅(jiān) 朱小兵 李曉峰 黃東 曹建康 陳虹

1.海爾智家股份有限公司 山東青島 266000；2.西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系 陜西西安 710049；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院 北京 100083；4.清華大學(xué)微電子所/微納電子系 北京 100084

1 引言

隨著生活水平的提高，人們對(duì)家庭食材保鮮的要求越來越高。一方面，各類食材對(duì)儲(chǔ)藏環(huán)境的要求不同，保鮮不再局限于單一的溫度控制，而是同時(shí)考慮溫度、濕度、氧濃度的多要素精準(zhǔn)控制；另一方面，家庭食材的種類和數(shù)量需求不斷擴(kuò)大，需要針對(duì)不同類別食材提供個(gè)性化的保鮮環(huán)境以保證更佳的保鮮效果。

傳統(tǒng)冰箱在溫度、濕度、氣體成分控制上存在一定不足：在溫度控制上，普遍將多種食品放置在單一控溫區(qū)域，導(dǎo)致溫度波動(dòng)大、降溫速度慢；在濕度控制上，傳統(tǒng)果蔬區(qū)通常存在濕度波動(dòng)大，無法精準(zhǔn)控濕的問題；在氣體成分控制上，冰箱行業(yè)基本處于空白階段，氣調(diào)儲(chǔ)藏技術(shù)幾乎未在冰箱產(chǎn)品上使用過。

針對(duì)傳統(tǒng)冰箱將多種食品放置在單一控溫的冷藏區(qū)而導(dǎo)致大部分食品保鮮效果差的現(xiàn)狀，本文提出了多要素控制和柔性分區(qū)的理念，多要素控制保鮮指溫、溫/濕、溫/濕/氧三種組合及其濃度調(diào)控分別適宜何種食材，柔性分區(qū)指對(duì)冰箱間室進(jìn)行了大小、數(shù)量、溫/濕/氧可調(diào)的分區(qū)。并且建立了保鮮品質(zhì)及空間利用率雙因子數(shù)學(xué)模型，可用于指導(dǎo)冰箱分區(qū)設(shè)計(jì)，對(duì)保鮮效果的提升具有重要意義。

2 多要素控制和間室柔性分區(qū)食品存儲(chǔ)理念

2.1 柔性分區(qū)理念

傳統(tǒng)冰箱采用單一送風(fēng)控溫，不同食材存儲(chǔ)在一個(gè)類型的冷藏區(qū)域，而各類食材的最佳儲(chǔ)藏溫度有差異，單一控溫導(dǎo)致大部分食材的保鮮時(shí)間較短。為滿足不同食材的保鮮要求，可對(duì)冰箱進(jìn)行柔性分區(qū)，從而對(duì)各分區(qū)進(jìn)行溫、濕、氧多要素精準(zhǔn)控制。

對(duì)各分區(qū)進(jìn)行溫度、濕度、氧濃度三個(gè)要素的獨(dú)立控制，則環(huán)境要素的控制方式有7種組合，如表1所示。對(duì)大多數(shù)家庭食材，溫度占主導(dǎo)作用，蔬菜、水果等對(duì)濕度和氧濃度敏感，因此溫、溫/濕、溫/濕/氧三種環(huán)境要素控制方式能夠滿足家庭食材的儲(chǔ)藏需求。

以圖1所示的分區(qū)方案為例，ABC三個(gè)區(qū)可進(jìn)行溫度獨(dú)立控制，DE區(qū)控制溫度和相對(duì)濕度，F(xiàn)區(qū)控制溫度、濕度、氧濃度，相比于無分區(qū)的傳統(tǒng)冰箱，常見家庭食材的適宜存儲(chǔ)區(qū)如表2所示。分區(qū)冰箱通過多環(huán)境要素精準(zhǔn)控制，使得不同類別的食材有適宜的存儲(chǔ)區(qū)域，從而有針對(duì)性地提供個(gè)性化的保鮮環(huán)境；而僅有冷藏區(qū)的傳統(tǒng)冰箱只能將所有食材無差異存儲(chǔ)，保鮮效果不佳。

所謂柔性分區(qū)，是指冰箱在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)存儲(chǔ)食品的類別和數(shù)量確定分區(qū)的數(shù)量和各分區(qū)的大小，從而為用戶提供靈活可調(diào)的分區(qū)方案。所需存儲(chǔ)的食品種類越多，需要的分區(qū)越多；某類食品的存儲(chǔ)量越大，所對(duì)應(yīng)的分區(qū)體積越大。因此，多環(huán)境要素精準(zhǔn)控制能夠使食材保鮮品質(zhì)提升，間室柔性分區(qū)能夠?yàn)楦黝愂巢奶峁┽槍?duì)性環(huán)境并提升冰箱的空間利用率。

2.2 保鮮品質(zhì)及空間利用率雙因子數(shù)學(xué)模型

冰箱在進(jìn)行柔性分區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，需要從保鮮效果和空間利用率兩個(gè)方面綜合考慮。首先定義保鮮效率和空間利用率，然后構(gòu)建保鮮品質(zhì)及空間利用率雙因子數(shù)學(xué)模型，定量評(píng)價(jià)分區(qū)冰箱相比于傳統(tǒng)冰箱的優(yōu)勢(shì)大小。

2.2.1 保鮮效率

食品在不同的環(huán)境條件下存放時(shí)會(huì)發(fā)生劣變，食品劣變的快慢與環(huán)境參數(shù)及空氣成分等多種因素有關(guān)。對(duì)于大部分家庭食材，溫度、濕度、氧濃度是影響食品保鮮效果的主要因素，在此僅考慮這三個(gè)環(huán)境要素，食品的儲(chǔ)藏天數(shù)可通過測(cè)量在不同環(huán)境中存放時(shí)食品成分的變化得到。定義保鮮效率：

式中：

D0——基準(zhǔn)儲(chǔ)藏天數(shù)/天，可使用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的不同環(huán)境下的最大儲(chǔ)藏天數(shù)代替；

P——保鮮效率，是溫度、濕度、氧濃度的函數(shù)，取值為0～1。

2.2.2 空間利用率

食品在冰箱中存放時(shí)無法將所有空間占滿，主要原因有：食品量較少時(shí)冰箱空間空余；食品在堆放時(shí)存在間隙；冰箱的分區(qū)隔板等部件占用體積。定義空間利用率：

式中：Vf——冰箱中存儲(chǔ)的食品總體積/L；Vref——冰箱總?cè)莘e/L。

2.2.3 雙因子模型

冰箱柔性分區(qū)雙因子數(shù)學(xué)模型從保鮮效率和空間利用率兩個(gè)角度綜合評(píng)價(jià)冰箱的優(yōu)劣。由上述定義，分區(qū)冰箱的保鮮效率和空間利用率主要取決于三個(gè)方面：冰箱設(shè)計(jì)、用戶習(xí)慣、儲(chǔ)藏策略。

冰箱設(shè)計(jì)體現(xiàn)在分區(qū)的數(shù)量和各分區(qū)的體積。當(dāng)分區(qū)數(shù)量較少時(shí)，部分食品沒有合適的區(qū)域儲(chǔ)藏，或者只能在較低的保鮮效率下儲(chǔ)藏；當(dāng)分區(qū)數(shù)量較多時(shí)，各分區(qū)的空間較小，由于隔板數(shù)的增加和小空間內(nèi)食品堆放間隙的空間損失，使得有效儲(chǔ)藏空間減小，同時(shí)分區(qū)也增加了成本，因此需要確定合適的冰箱分區(qū)數(shù)量。當(dāng)各分區(qū)的體積與適宜存儲(chǔ)食品的體積相匹配時(shí)，各類食品保鮮效果最佳，因此需要確定合適的分區(qū)體積。

表1 環(huán)境要素控制方式

表2 各類食品的適宜存儲(chǔ)區(qū)

圖1 柔性分區(qū)示意圖

表3 各分區(qū)儲(chǔ)藏的食品體積

表4 各類食材的儲(chǔ)藏比例

表5 分區(qū)數(shù)量

用戶習(xí)慣體現(xiàn)在用戶日常儲(chǔ)藏的食品種類及各類食品的體積。針對(duì)不同的食品種類，各分區(qū)的溫/濕/氧最佳控制參數(shù)會(huì)有差異；針對(duì)不同的各類食品占比，相匹配的分區(qū)體積占比會(huì)有差異，因此在已設(shè)計(jì)好的冰箱中存儲(chǔ)食品時(shí)，用戶儲(chǔ)藏習(xí)慣將對(duì)保鮮效率和空間利用率產(chǎn)生影響。

儲(chǔ)藏策略體現(xiàn)在如何將固定的食品存儲(chǔ)在已設(shè)計(jì)好的冰箱的各個(gè)分區(qū)。某食品可以放在同一分區(qū)，也可以分為幾份放在不同分區(qū)，如何分配能夠達(dá)到保鮮要求并且盡可能利用儲(chǔ)藏空間，即是儲(chǔ)藏策略所決定的。儲(chǔ)藏時(shí)優(yōu)先將食品放在最適宜的分區(qū)，當(dāng)該分區(qū)放滿后依次向次適宜等分區(qū)存放。

設(shè)所需儲(chǔ)藏的食材包括蔬菜、水果等共m個(gè)類別，每個(gè)類別中包含的具體食品有ki種，i=1,2…m；用戶儲(chǔ)藏的各食品體積占比為fi；冰箱共有n個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)的體積占比為αj；第i種食品在第j個(gè)分區(qū)儲(chǔ)藏的體積為xi,j，如表3所示。

為構(gòu)建保鮮品質(zhì)及高效利用雙因子模型，定義如下綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)：

式中：β——權(quán)重系數(shù)，取值為0～1；若設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)冰箱保鮮效果要求較高，則β取較大值；若設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)空間利用率要求較高，則β取較小值。

由此可得雙因子模型如下：

式中：

Vref——冰箱總?cè)莘e/L；

Vf——食品總體積/L；

xi——食品i在冰箱中的儲(chǔ)藏情況，xi為空間位置的函數(shù)，若該空間存有食品i，則xi=1，否則xi=0；

Pi——食品i在冰箱中某區(qū)域的保鮮效率，Pi為空間位置的函數(shù)，不同位置的溫度、濕度、氧濃度決定了Pi；

fi——用戶需要儲(chǔ)藏的食品i占食品總體積的比例；

αi——分區(qū)j的體積占比；

(1-εn)Vref——將冰箱分為n個(gè)區(qū)域后的有效儲(chǔ)藏體積，其中ε為考慮隔板體積以及分區(qū)后小空間內(nèi)食品堆放間隙的空間損失系數(shù)。

公式（4）所示的規(guī)劃模型將保鮮效率和空間利用率通過加權(quán)得到了綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。若要計(jì)算在某個(gè)固定的空間利用率下保鮮效率的最大值，可令β=0，并將空間利用率作為約束條件加入即可；若要計(jì)算在某個(gè)保鮮效率下空間利用率的最大值，可令β=1，并將保鮮效率作為約束條件加入即可。

3 多要素控制和間室柔性分區(qū)方案

3.1 分區(qū)數(shù)量的確定

冰箱在進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮儲(chǔ)藏食品的種類，根據(jù)所需要的儲(chǔ)藏環(huán)境，將不同食品劃分為若干組，每組存儲(chǔ)在一個(gè)分區(qū)中。在8類家庭食材中選取了一些典型食品對(duì)用戶儲(chǔ)藏習(xí)慣進(jìn)行調(diào)研，得到各類食材儲(chǔ)藏占比如表4所示。

按控制的環(huán)境要素劃分，可分為溫、溫/濕、溫/濕/氧三個(gè)分區(qū)，對(duì)氧氣含量敏感的食品儲(chǔ)藏在溫/濕/氧分區(qū)，對(duì)水分含量敏感的食品儲(chǔ)藏在溫/濕分區(qū)，對(duì)氧氣和水分含量不敏感的食品儲(chǔ)藏在控溫分區(qū)。溫控區(qū)的控溫范圍為0～10℃，根據(jù)控溫區(qū)食品最適宜的儲(chǔ)藏溫度，將控溫區(qū)細(xì)分為高、中、低溫三個(gè)亞分區(qū)，分別對(duì)應(yīng)10℃/5℃/2℃；根據(jù)溫/濕區(qū)食品適宜的濕度，細(xì)分為干區(qū)、濕區(qū)兩個(gè)亞分區(qū)，分別對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度45%/90%；溫/濕/氧區(qū)不再細(xì)分，氧含量控制為18.5%。

根據(jù)食品所需的儲(chǔ)藏環(huán)境，將冰箱分為即食區(qū)、冷藏區(qū)、冰鮮區(qū)、干區(qū)、濕區(qū)、控氧區(qū)共6個(gè)分區(qū)，各區(qū)的控制參數(shù)如表5所示。盡管分區(qū)較多時(shí)，可以保證各類食品都存儲(chǔ)在各自最適宜的分區(qū)，但過多的分區(qū)會(huì)導(dǎo)致有效儲(chǔ)藏空間減小和成本增加，綜合考慮后將食品劃分為6組，并對(duì)應(yīng)6個(gè)分區(qū)，各分區(qū)的控制參數(shù)按食品適宜的環(huán)境條件確定。

3.2 各分區(qū)體積占比

各分區(qū)的體積占比與對(duì)應(yīng)的用戶儲(chǔ)藏食品占比相匹配時(shí)，可以達(dá)到最佳的保鮮效果。為了確定各類食品在不同分區(qū)中的保鮮效果，將其分別儲(chǔ)藏在6個(gè)分區(qū)中，得到各類食品在各個(gè)分區(qū)的儲(chǔ)藏天數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示，這里的儲(chǔ)藏天數(shù)是指食品在恒定環(huán)境下劣變指標(biāo)不超過限定值的最大保鮮天數(shù)。

根據(jù)表6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，各類食品最適宜的儲(chǔ)藏區(qū)即是6個(gè)區(qū)域中儲(chǔ)藏天數(shù)最多的分區(qū)。

考慮到一些食品的儲(chǔ)藏周期較短，短期內(nèi)即被食用，只需要放在次適宜的區(qū)域儲(chǔ)藏即可。根據(jù)表4的食品占比，可求出各分區(qū)的占比如表7所示。

3.3 分區(qū)冰箱與傳統(tǒng)冰箱的保鮮效果對(duì)比

考慮容積相同的分區(qū)冰箱與傳統(tǒng)冰箱，比較在相同的空間利用率下分區(qū)后保鮮效果的提升程度。假設(shè)食品總體積為1，各類食品占比如表4，冰箱分區(qū)方案如表7，傳統(tǒng)冰箱不分區(qū)，冷藏溫度為5℃。根據(jù)表6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和式（1）的定義，計(jì)算出每種食品在各分區(qū)的保鮮效率，然后按體積占比進(jìn)行加權(quán)平均得到總保鮮效率Ptot：

表6 不同食品在不同分區(qū)的儲(chǔ)藏天數(shù)（天）

表7 各分區(qū)占比

表8 保鮮效果對(duì)比

得到冰箱的總保鮮效率如表8，分區(qū)冰箱的保鮮效果相比于傳統(tǒng)冰箱提升了56%。

6 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)冰箱單一控溫存儲(chǔ)引起的保鮮效果差的問題，提出了基于多環(huán)境要素控制和間室柔性分區(qū)的食品存儲(chǔ)理念，定義了保鮮效率和空間利用率，建立了保鮮品質(zhì)及空間利用率雙因子數(shù)學(xué)模型，根據(jù)用戶調(diào)研數(shù)據(jù)和食品劣變實(shí)驗(yàn)確定了柔性分區(qū)方案，將冰箱劃分為6個(gè)分區(qū)，各分區(qū)體積占比與儲(chǔ)藏食品占比相匹配，各分區(qū)控制參數(shù)與食品最適環(huán)境相匹配，所得分區(qū)冰箱與傳統(tǒng)冰箱相比保鮮效果提升了56%。