相溫子庫傳熱優(yōu)化及檸檬貯藏效果

馬笑巍，王曉冉，王曉東，劉岳，梁富浩，趙薇，李喜宏*，姜瑜倩*，李學進，2

（1.天津科技大學食品科學與工程學院，天津 300457；2.天津捷盛東輝保鮮科技有限公司，天津 300399）

相溫庫全稱為脈沖式防霉差壓相溫氣調保鮮庫，其中相就是介質，是指保鮮環(huán)境的溫度、濕度、氣體等因素，因溫度在果蔬保鮮過程中貢獻率最大[1-2]，為了突出溫度在果蔬保鮮中的核心作用，因此簡稱相溫庫。2011年李喜宏等[3]發(fā)明相溫庫。相溫庫主體結構見圖1。

圖1 相溫庫主體結構示意圖Fig.1 Main structure of the phase-temperature controlled freshkeeping storehouse

如圖1所示，相溫庫主體結構由母庫及子庫組成，母庫一般為聚氨酯板保溫層，子庫多為金屬薄層結構，氣密不保溫[3]。相溫子庫的主要作用是將子庫內果蔬產生的呼吸熱傳遞到子庫外的母庫內，被母庫內的冷風機吹出的冷風中和，為子庫內貯存的果蔬提供一個低溫且穩(wěn)定的貯藏環(huán)境。相溫子庫綜合傳熱性能越好，子庫內的熱量能更及時的傳遞到母庫，避免子庫內熱量聚集[4]，子庫內的實際溫度就越接近設定果蔬貯藏溫度且溫度波動越小，相溫貯藏溫度越精準。

相溫貯藏是指用相溫庫對果蔬進行貯藏的一種保鮮方法，相溫貯藏與普通冷庫冷藏的區(qū)別在于相溫貯藏的環(huán)境溫度更接近設定貯藏溫度且波動值較小，對貯藏果蔬的溫度控制更加精準，有利于維持果蔬在貯藏過程中的品質[5]。相溫子庫為氣密結構，為果蔬提供一個相對恒濕環(huán)境，對果蔬貯藏的效果也同樣具有重要作用[6-7]。康丹丹等[8]在研究蘭州百合采后冷藏品質變化時發(fā)現(xiàn)，相溫貯藏相比于普通冷庫貯藏能夠有效維持蘭州百合的貯藏品質。薛友林等[9]對藍莓保鮮的研究表明，精準溫度控制貯藏的藍莓硬度更高，花青素等營養(yǎng)物質消耗速度更慢。杜美軍等[10]對鮮食葡萄保鮮研究表明，連續(xù)變溫會使鮮食葡萄貨架期品質和營養(yǎng)成倍下降，反向證明相溫貯藏對果蔬保鮮的效果。以上研究表明相溫貯藏對多數(shù)果蔬的貯藏具有明顯效果。楊曉羽等[11]利用高濃度二氧化碳處理對檸檬保鮮取得明顯效果，但利用相溫貯藏方法對檸檬進行貯藏保鮮的研究鮮有報道。相溫貯藏具有更穩(wěn)定的低溫、恒濕環(huán)境，是果蔬貯藏保鮮最新方法之一[8]。本研究通過對相溫子庫傳熱優(yōu)化和檸檬保鮮試驗進行研究，以期為利用相溫庫對檸檬貯藏保鮮效果在檸檬保鮮領域應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

‘尤里克’綠檸檬：采自四川省安岳縣，采收一周后，冷鏈運輸至天津科技大學食品科學與工程學院農產品物流保鮮與加工實驗室；聚乙烯膜（厚度0.2 mm）、鋁皮（厚度0.2 mm）、鐵皮（厚度0.2 mm）：市售。

鹽酸：天津百奧泰科技發(fā)展有限公司；碘化鉀：上海源葉生物科技有限公司；碘酸鉀：上海麥克林生化科技股份有限公司。所用化學試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

TC-05B 智能溫度控制儀：廣州西法電子有限公司；10 A 品禾電力監(jiān)測儀：寧波高新區(qū)新誠電子有限公司；25w JRD 鋁合金加熱器：上海長夏電氣有限公司；QDF-6 型熱球式風速儀：北京凱興德茂儀器設備有限公司；FA214A 型電子分析天平：上海豪晟科學儀器有限公司；HP-200 精密色差儀：上海漢普光電科技有限公司；PAL-3 數(shù)字手持折光儀：日本ATAGO 株式會社；高速冷凍離心機（TGL-16）：四川蜀科儀器有限公司；恒溫水油浴鍋（GY-1/2L）、電子天平（TD10002A）：奧豪斯儀器（常州）有限公司；酶標儀（ST-360）：上海寰煕醫(yī)療器械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

挑選大小均勻（平均直徑為60 mm）、表面無損傷、色澤均勻、采收一周的‘尤里克’綠檸檬150 kg，平均分成3 組，每組50 kg 備用。

1.3.2 子庫傳熱性能

子庫傳熱性能研究的基礎試驗條件為子庫厚度0.2 mm、導熱系數(shù)為0.42 W/（m·K）、對流風速為3 m/s、傳熱面積為5 m2。各單因素變量設定為子庫厚度（0.2、0.4、0.8 mm）、導熱系數(shù)[0.42、80、237 W/（m·K）]、對流風速（2、3、4 m/s）、傳熱面積（5、6、7 m2）。通過比較在相同時間和相同溫度梯度下的傳熱量來研究子庫的傳熱性能，傳熱量越大說明子庫傳熱性能越好。

子庫傳熱試驗裝置見圖2。

圖2 子庫傳熱試驗裝置圖Fig.2 Experimental device for heat transfer in the interior storehouse

將圖2所示的子庫（1 m×1 m×1 m）傳熱試驗裝置放于冷庫內，底面用聚氨酯板和保溫棉密封保溫。設定冷庫溫度為0 ℃，溫控儀設定啟動加熱溫度3 ℃，停止加熱溫度5 ℃，記錄不同子庫厚度、材料、子庫外對流傳熱風速和傳熱面積下的24 h 加熱器耗電量，用加熱器產生的熱量模擬果蔬的呼吸熱，加熱器將電能全部轉化為焦耳熱且通過子庫壁面?zhèn)鬟f到子庫外的冷庫中，可認為該耗電量即為子庫傳熱量。

1.3.3 檸檬相溫貯藏保鮮效果

在a 組普通冷庫和b 組優(yōu)化傳熱前的子庫[導熱系數(shù)237 W/（m·K）]、厚度0.2 mm、風速3 m/s、傳熱面積5 m2）內以及c 組優(yōu)化傳熱性能后的子庫[導熱系數(shù)237 W/（m·k）、厚度0.2 mm、風速4 m/s、傳熱面積7 m2]內分別放置50 kg 綠檸檬，設定綠檸檬保綠貯藏溫度14 ℃下貯藏20 d[8]，每組內標記3 kg 綠檸檬且將其平均分為3 份用于測定貯藏期間失重率，在未標記的綠檸檬中每次隨機抽取3 個綠檸檬測定a*值、總可溶性固形物（total soluble solid，TSS）、維生素C（vitamin C，VC）含量，每隔5 d 測定一次相關指標。

1.4 指標測定及計算

1.4.1 子庫傳熱量

子庫傳熱量的計算公式如下。

Q=Q2-Q1

式中：Q1為測定開始時表顯換算熱量值，kJ；Q2為測定結束時表顯換算熱量值，kJ；Q為試驗過程中子庫傳熱量，kJ。

1.4.2 失重率的測定

采用杜美軍等[10]的方法測定檸檬的失重率。

W=（W0-W1）/W0× 100

式中：W為失重率，%；W0樣品為初始質量，g；W1為樣品儲存期間測量的質量，g。

1.4.3a*值的測定

采用楊曉羽等[11]的方法測定檸檬的a*值，使用精密色差儀對綠檸檬色度進行測定。

1.4.4 TSS 含量的測定

采用王曉東等[12]的方法測定綠檸檬的TSS 含量，使用數(shù)字手持折光儀測定。

1.4.5 VC含量的測定

參考曹建康等[13]的方法，采用碘酸鉀滴定法測定VC含量。

作為和平時代環(huán)境下成長起來的優(yōu)秀高年級學生，特別是已經(jīng)接受過思政實踐課鍛煉，并認同實踐課的重要價值的高年級學生，也非常渴望在力所能及的范圍內奉獻自己的綿薄之力，盡自己所能盡快帶領低年級學生主動參與課程實踐，把學校生活與社會實踐相結合，理論聯(lián)系實際，使其順利地成長、成才，這種精神是非常難能可貴的。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

試驗各處理均重復3 次，結果以平均值±標準差表示。采用SPSS Statistics 26 軟件進行顯著性分析；采用Origin 2021 軟件分析作圖。

2 結果與分析

2.1 子庫傳熱優(yōu)化

子庫的傳熱過程見圖3。

圖3 相溫子庫傳熱示意圖Fig.3 Schematic diagram of heat transfer in the interior storehouse

由圖3 可知，子庫的傳熱過程屬傳熱學中的平壁傳熱過程[4]，冷庫內環(huán)境溫度較低，可忽略熱輻射影響[14]，影響子庫傳熱的因素主要是對流傳熱與熱傳導，其中對流換熱與傳熱面積與風速有關，熱傳導與子庫材料的導熱系數(shù)和厚度有關[4]，因此將子庫傳熱面積、子庫外風速、子庫導熱系數(shù)和厚度作為影響子庫傳熱研究對象。

2.1.1 子庫厚度對子庫傳熱性能的影響

結合圖1 可知，子庫為氣密不保溫的薄層結構[3]，子庫厚度越大，子庫整體結構剛性越強，但是在缺乏理論研究的情況下，通常認為子庫的厚度對子庫傳熱性能影響較大，為了避免影響子庫傳熱性能，在實際工程應用中子庫厚度通常選擇較小的厚度，因此就需要對子庫額外增加建筑成本。但常華偉等[15]通過對不同材料薄壁微球結構低溫冷卻特性研究發(fā)現(xiàn)在一定范圍內厚度對平壁傳熱的影響可以忽略。

子庫傳熱量隨子庫厚度的變化見圖4。

圖4 子庫傳熱量隨子庫厚度的變化Fig.4 Variations in heat transfer with changes in the wall thickness of the interior storehouse

如圖4所示，在子庫厚度分別為0.2、0.4、0.8 mm，導熱系數(shù)均為0.42 W/（m·K）、傳熱面積均為5 m2、子庫外風速為3 m/s 的情況下，24 h 子庫傳熱量分別為508.80、493.20、484.80 kJ。子庫厚度0.2 mm 與0.8 mm相比，子庫厚度增大4 倍，子庫傳熱量變化率僅為4.71%，子庫的厚度變化對子庫傳熱的影響較小。通過減小子庫厚度來增強的子庫傳熱沒有明顯效果，因此在合理范圍內，可以增加子庫厚度來減少子庫框架成本，從而在不影響子庫傳熱性能的情況下減少相溫庫建造成本。

2.1.2 不同對流風速對子庫傳熱性能的影響

對流傳熱系數(shù)與對流風速密切相關[16-17]，子庫傳熱量隨對流風速的變化見圖5。

圖5 子庫傳熱量隨對流風速的變化Fig.5 Variations in heat transfer with changes in the wind speed outside the interior storehouse

由圖5 可知，在對流風速分別為2、3、4 m/s，子庫厚度為0.2 mm、導熱系數(shù)為0.42 w/（m·K）、傳熱面積為5 m2情況下，子庫在24 h 的傳熱量分別為436.79、508.80、571.21 kJ。子庫外對流風速從2 m/s 增大到4 m/s，子庫的傳熱量增大30.78%，結果表明，子庫外的風速對子庫傳熱具有明顯影響。可以通過增強子庫外風速的方法提升子庫傳熱性能。除此之外，因子庫為氣密結構，子庫內濕度不會隨風速的增大而減小，因此還可通過在子庫內使用微流風機的形式增強子庫傳熱效率。

2.1.3 不同傳熱面積對子庫傳熱性能的影響

平壁傳熱過程中，傳熱面積與平壁傳熱性能呈正相關[18-19]，本研究中通過采用瓦楞結構增大試驗子庫傳熱面積。不同傳熱面積下，子庫的傳熱量變化見圖6。

圖6 子庫傳熱量隨子庫傳熱面積的變化Fig.6 Variations in heat transfer with changes in the heat transfer area of the interior storehouse

由圖6 可知，在子庫傳熱面積分別為5、6、7 m2時，子庫厚度為0.2 mm、導熱系數(shù)為0.42 W/（m·K）、子庫外對流風速為3 m/s 的情況下，24 h 子庫傳熱量分別為508.80、600.00、681.59 kJ。當子庫傳熱面積從5 m2增大到7 m2時，子庫的傳熱功率增大了33.96%，結果表明增大子庫傳熱面積能夠有效優(yōu)化子庫的傳熱性能。在相溫庫實際建造中，增大子庫傳熱面積為一次性投入成本，相較于增大子庫外風速可獲得持續(xù)的節(jié)能與傳熱性能優(yōu)化。

2.1.4 不同導熱系數(shù)對子庫傳熱性能的影響

導熱系數(shù)跟子庫材料種類密切相關[4]，因此，本研究實驗子庫分別采用3 種子庫材料來探究子庫導熱系數(shù)的變化對子庫傳熱過程的影響，子庫傳熱量隨子庫導熱系數(shù)的變化見圖7。

圖7 子庫傳熱量隨子庫導熱系數(shù)的變化Fig.7 Variations in heat transfer with changes in the thermal conductivity of the interior storehouse

如圖7所示，子庫材料分別使用聚乙烯膜、鐵皮、鋁皮，材料導熱系數(shù)分別為0.42、80、237 W/（m·K），在子庫厚度為0.2 mm、傳熱面積為5 m2、子庫外對流風速為3 m/s 的情況下，子庫24 h 內的傳熱量分別為471.70、492.00、508.80 kJ。從結果來看子庫的導熱系數(shù)從0.42 W/（m·K）增大到237 W/（m·K），增大564.29 倍，子庫傳熱功率僅增大7.87%。結果表明子庫導熱系數(shù)對子庫傳熱性能的影響較小，通過增大子庫導熱系數(shù)的方式無法有效增大子庫傳熱性能，因此可以采用價格較為便宜的非金屬有機高分子材料替代金屬作為子庫材料。

2.2 檸檬相溫貯藏保鮮研究

2.2.1 不同貯藏環(huán)境對檸檬a*值變化的影響

a*值的變化能夠代表檸檬表皮顏色由綠到黃的變化過程，a*值數(shù)值越小表示檸檬的顏色越綠。數(shù)值越大表示檸檬的顏色黃色越深，a*值能夠客觀反映檸檬的保鮮情況[11]。在14 ℃下，檸檬表皮a*值的變化見圖8。

圖8 檸檬a*值在不同貯藏條件下的變化Fig.8 Variations in a*value of lemons under different storage conditions

由圖8 可知，隨著貯藏時間的延長，各處理組a*值均呈上升趨勢，其中a*值變化率由低到高依次為c 組、b 組、a 組，貯藏20 d 時a 組、b 組、c 組a*值分別為-2.20、-4.13、-5.28。其中c 組a*值上升速率最低，顏色變化最小，保鮮效果最好，其次為b 組，a 組保鮮效果最差。因此表明相溫貯藏對檸檬保鮮具有一定的效果，并且優(yōu)化子庫傳熱性能后能夠進一步提升檸檬保鮮效果。

2.2.2 不同貯藏環(huán)境對檸檬TSS 含量的影響

總可溶性固形物含量能夠反映果實品質狀況，其含量越高，說明果實中維生素、氨基酸、可溶性糖等營養(yǎng)物質含量越高[11]，通過對總可溶性固形物的測定可以衡量水果的成熟、衰老情況。綠檸檬果肉的TSS 含量變化見圖9。

圖9 檸檬TSS 含量在不同貯藏條件下的變化Fig.9 Variations in TSS value of lemons under different storage conditions

由圖9 可知，綠檸檬TSS 初始含量為8.1%，在14 ℃貯藏條件下，隨著貯藏時間的延長，各實驗處理組的綠檸檬TSS 含量均呈下降趨勢，這是因為綠檸檬的呼吸作用消耗了可溶性固形物，但是下降速率不同，TSS 含量下降速率由低到高分別為c 組、b 組、a 組，在貯藏至20 d 時，各組的TSS 含量分別為6.3%、6.9%、7.2%。c 組綠檸檬TSS 含量下降最少，為0.9%，而a 組、b 組分別降低1.8%、1.2%。結果表明，在14 ℃下，優(yōu)化子庫傳熱后的貯藏條件下檸檬總可溶性固形物消耗最少，營養(yǎng)損失最少，并且優(yōu)化子庫傳熱性能能夠進一步提升綠檸檬的相溫貯藏效果。

2.2.3 不同貯藏環(huán)境對檸檬失重率變化的影響

檸檬采后仍然是一個活的有機生命體，由于隔離了母體的水分和營養(yǎng)供給，果實在貯藏過程中會出現(xiàn)常見的失重現(xiàn)象。果實的失重主要由蒸騰失水和干物質損耗引起，分別各占3/4 和1/4[20]。由于相溫子庫氣密的特性，子庫內相比于冷庫有更高的濕度，有助于減緩果蔬失水。不同貯藏條件下綠檸檬的失重率見圖10。

圖10 檸檬失重率在不同貯藏條件下的變化Fig.10 Variations in weight loss rate of lemons under different storage conditions

由圖10 可知，各組的綠檸檬失重率不斷升高，在不同貯藏條件下的失重變化各有差異，綠檸檬果實失重率由低到高分別為c 組、b 組、a 組，在貯藏至20 d時，a 組、b 組、c 組的失重率分別為8.45%、5.37%、4.41%。結果表明，相溫貯藏能夠明顯降低檸檬的失重率，改善相溫子庫傳熱后，能夠進一步提升相溫貯藏效果，減緩綠檸檬的失重情況。

2.2.4 不同貯藏環(huán)境對檸檬VC含量的影響

VC含量是評判檸檬商品品質和貯藏品質的一個重要指標[11]。不同貯藏環(huán)境對檸檬VC含量的影響見圖11。

圖11 VC 含量在不同貯藏條件下的變化Fig.11 Variations in VC content in lemons under different storage conditions

如圖11所示，VC含量下降速率為a 組＞b 組＞c組，在20 d 貯藏期內，a 組、b 組、c 組檸檬VC含量分別降低4.98、3.35、2.39 mg/100 g，c 組檸檬在貯藏20 d 后損耗最低，含量最高，說明貯藏效果最好。試驗結果表明，相溫貯藏有利于延緩檸檬衰老，通過提升相溫貯藏效果能進一步維持檸檬中VC含量。

3 結論

通過對子庫傳熱優(yōu)化試驗可知，增加子庫傳熱面積和增強子庫對流風速是進一步優(yōu)化子庫的傳熱性能的重要途徑，檸檬貯藏保鮮試驗結果表明，相溫貯藏對保持檸檬色澤、減緩檸檬失重以及抑制TSS 含量和VC含量的降低具有明顯效果，而且證明了子庫傳熱優(yōu)化能夠進一步提升相溫貯藏效果，為相溫貯藏效果的改進提供有效的措施和研究方向，綜上所述，增大子庫面積和子庫對流風速能夠明顯優(yōu)化子庫的傳熱性能，相溫貯藏對檸檬保鮮具有明顯效果，并且隨子庫傳熱性能的優(yōu)化相溫貯藏效果也隨即得到提升，為相溫貯藏效果的提升措施提供了新的研究方向。