基于多要素控制及柔性分區的食品儲藏理念

馬堅 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.西安交通大學制冷與低溫工程系 陜西西安 710049；3.中國農業大學食品科學與營養工程學院 北京 100083；4.清華大學微電子所/微納電子系 北京 100084

1 引言

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

傳統冰箱在溫度、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域，導致溫度波動大、降溫速度慢；在濕度控制上，傳統果蔬區通常存在濕度波動大，無法精準控濕的問題；在氣體成分控制上，冰箱行業基本處于空白階段，氣調儲藏技術幾乎未在冰箱產品上使用過。

針對傳統冰箱將多種食品放置在單一控溫的冷藏區而導致大部分食品保鮮效果差的現狀，本文提出了多要素控制和柔性分區的理念，多要素控制保鮮指溫、溫/濕、溫/濕/氧三種組合及其濃度調控分別適宜何種食材，柔性分區指對冰箱間室進行了大小、數量、溫/濕/氧可調的分區。并且建立了保鮮品質及空間利用率雙因子數學模型，可用于指導冰箱分區設計，對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食品存儲理念

2.1 柔性分區理念

傳統冰箱采用單一送風控溫，不同食材存儲在一個類型的冷藏區域，而各類食材的最佳儲藏溫度有差異，單一控溫導致大部分食材的保鮮時間較短。為滿足不同食材的保鮮要求，可對冰箱進行柔性分區，從而對各分區進行溫、濕、氧多要素精準控制。

對各分區進行溫度、濕度、氧濃度三個要素的獨立控制，則環境要素的控制方式有7種組合，如表1所示。對大多數家庭食材，溫度占主導作用，蔬菜、水果等對濕度和氧濃度敏感，因此溫、溫/濕、溫/濕/氧三種環境要素控制方式能夠滿足家庭食材的儲藏需求。

以圖1所示的分區方案為例，ABC三個區可進行溫度獨立控制，DE區控制溫度和相對濕度，F區控制溫度、濕度、氧濃度，相比于無分區的傳統冰箱，常見家庭食材的適宜存儲區如表2所示。分區冰箱通過多環境要素精準控制，使得不同類別的食材有適宜的存儲區域，從而有針對性地提供個性化的保鮮環境；而僅有冷藏區的傳統冰箱只能將所有食材無差異存儲，保鮮效果不佳。

所謂柔性分區，是指冰箱在設計時可以根據存儲食品的類別和數量確定分區的數量和各分區的大小，從而為用戶提供靈活可調的分區方案。所需存儲的食品種類越多，需要的分區越多；某類食品的存儲量越大，所對應的分區體積越大。因此，多環境要素精準控制能夠使食材保鮮品質提升，間室柔性分區能夠為各類食材提供針對性環境并提升冰箱的空間利用率。

2.2 保鮮品質及空間利用率雙因子數學模型

冰箱在進行柔性分區設計時，需要從保鮮效果和空間利用率兩個方面綜合考慮。首先定義保鮮效率和空間利用率，然后構建保鮮品質及空間利用率雙因子數學模型，定量評價分區冰箱相比于傳統冰箱的優勢大小。

2.2.1 保鮮效率

食品在不同的環境條件下存放時會發生劣變，食品劣變的快慢與環境參數及空氣成分等多種因素有關。對于大部分家庭食材，溫度、濕度、氧濃度是影響食品保鮮效果的主要因素，在此僅考慮這三個環境要素，食品的儲藏天數可通過測量在不同環境中存放時食品成分的變化得到。定義保鮮效率：

式中：

D0——基準儲藏天數/天，可使用實驗測量的不同環境下的最大儲藏天數代替；

P——保鮮效率，是溫度、濕度、氧濃度的函數，取值為0～1。

2.2.2 空間利用率

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

式中：Vf——冰箱中存儲的食品總體積/L；Vref——冰箱總容積/L。

2.2.3 雙因子模型

冰箱柔性分區雙因子數學模型從保鮮效率和空間利用率兩個角度綜合評價冰箱的優劣。由上述定義，分區冰箱的保鮮效率和空間利用率主要取決于三個方面：冰箱設計、用戶習慣、儲藏策略。

冰箱設計體現在分區的數量和各分區的體積。當分區數量較少時，部分食品沒有合適的區域儲藏，或者只能在較低的保鮮效率下儲藏；當分區數量較多時，各分區的空間較小，由于隔板數的增加和小空間內食品堆放間隙的空間損失，使得有效儲藏空間減小，同時分區也增加了成本，因此需要確定合適的冰箱分區數量。當各分區的體積與適宜存儲食品的體積相匹配時，各類食品保鮮效果最佳，因此需要確定合適的分區體積。

表1 環境要素控制方式

表2 各類食品的適宜存儲區

圖1 柔性分區示意圖

表3 各分區儲藏的食品體積

表4 各類食材的儲藏比例

表5 分區數量

用戶習慣體現在用戶日常儲藏的食品種類及各類食品的體積。針對不同的食品種類，各分區的溫/濕/氧最佳控制參數會有差異；針對不同的各類食品占比，相匹配的分區體積占比會有差異，因此在已設計好的冰箱中存儲食品時，用戶儲藏習慣將對保鮮效率和空間利用率產生影響。

儲藏策略體現在如何將固定的食品存儲在已設計好的冰箱的各個分區。某食品可以放在同一分區，也可以分為幾份放在不同分區，如何分配能夠達到保鮮要求并且盡可能利用儲藏空間，即是儲藏策略所決定的。儲藏時優先將食品放在最適宜的分區，當該分區放滿后依次向次適宜等分區存放。

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

為構建保鮮品質及高效利用雙因子模型，定義如下綜合評價指標：

式中：β——權重系數，取值為0～1；若設計時對冰箱保鮮效果要求較高，則β取較大值；若設計時對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——冰箱總容積/L；

Vf——食品總體積/L；

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

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

fi——用戶需要儲藏的食品i占食品總體積的比例；

αi——分區j的體積占比；

(1-εn)Vref——將冰箱分為n個區域后的有效儲藏體積，其中ε為考慮隔板體積以及分區后小空間內食品堆放間隙的空間損失系數。

公式（4）所示的規劃模型將保鮮效率和空間利用率通過加權得到了綜合評價指標。若要計算在某個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；若要計算在某個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方案

3.1 分區數量的確定

冰箱在進行分區設計時需要考慮儲藏食品的種類，根據所需要的儲藏環境，將不同食品劃分為若干組，每組存儲在一個分區中。在8類家庭食材中選取了一些典型食品對用戶儲藏習慣進行調研，得到各類食材儲藏占比如表4所示。

按控制的環境要素劃分，可分為溫、溫/濕、溫/濕/氧三個分區，對氧氣含量敏感的食品儲藏在溫/濕/氧分區，對水分含量敏感的食品儲藏在溫/濕分區，對氧氣和水分含量不敏感的食品儲藏在控溫分區。溫控區的控溫范圍為0～10℃，根據控溫區食品最適宜的儲藏溫度，將控溫區細分為高、中、低溫三個亞分區，分別對應10℃/5℃/2℃；根據溫/濕區食品適宜的濕度，細分為干區、濕區兩個亞分區，分別對應相對濕度45%/90%；溫/濕/氧區不再細分，氧含量控制為18.5%。

根據食品所需的儲藏環境，將冰箱分為即食區、冷藏區、冰鮮區、干區、濕區、控氧區共6個分區，各區的控制參數如表5所示。盡管分區較多時，可以保證各類食品都存儲在各自最適宜的分區，但過多的分區會導致有效儲藏空間減小和成本增加，綜合考慮后將食品劃分為6組，并對應6個分區，各分區的控制參數按食品適宜的環境條件確定。

3.2 各分區體積占比

各分區的體積占比與對應的用戶儲藏食品占比相匹配時，可以達到最佳的保鮮效果。為了確定各類食品在不同分區中的保鮮效果，將其分別儲藏在6個分區中，得到各類食品在各個分區的儲藏天數，實驗結果如表6所示，這里的儲藏天數是指食品在恒定環境下劣變指標不超過限定值的最大保鮮天數。

根據表6的實驗數據，各類食品最適宜的儲藏區即是6個區域中儲藏天數最多的分區。

考慮到一些食品的儲藏周期較短，短期內即被食用，只需要放在次適宜的區域儲藏即可。根據表4的食品占比，可求出各分區的占比如表7所示。

3.3 分區冰箱與傳統冰箱的保鮮效果對比

考慮容積相同的分區冰箱與傳統冰箱，比較在相同的空間利用率下分區后保鮮效果的提升程度。假設食品總體積為1，各類食品占比如表4，冰箱分區方案如表7，傳統冰箱不分區，冷藏溫度為5℃。根據表6的實驗數據和式（1）的定義，計算出每種食品在各分區的保鮮效率，然后按體積占比進行加權平均得到總保鮮效率Ptot：

表6 不同食品在不同分區的儲藏天數（天）

表7 各分區占比

表8 保鮮效果對比

得到冰箱的總保鮮效率如表8，分區冰箱的保鮮效果相比于傳統冰箱提升了56%。

6 結論

本文針對傳統冰箱單一控溫存儲引起的保鮮效果差的問題，提出了基于多環境要素控制和間室柔性分區的食品存儲理念，定義了保鮮效率和空間利用率，建立了保鮮品質及空間利用率雙因子數學模型，根據用戶調研數據和食品劣變實驗確定了柔性分區方案，將冰箱劃分為6個分區，各分區體積占比與儲藏食品占比相匹配，各分區控制參數與食品最適環境相匹配，所得分區冰箱與傳統冰箱相比保鮮效果提升了56%。