移动式预冷设备在果蔬保鲜中的应用

王 倩,戴绍碧,邓志坤

(广东石油化工学院,茂名525000)

1 前 言

果蔬是人们日常生活中不可缺少的必需品,我国是果蔬生产大国,2008年,全国蔬菜总产量为59240.3万吨,水果总产量达到11338.9万吨[1],均居世界第一位。但是,我国果蔬产后损失严重,腐损率高达20%～30%,每年损失的果蔬价值达到1000亿元以上[2]。果蔬保鲜中冷链流通是极其重要的,但目前我国果蔬冷链流通率仅为5%,远低于欧美发达国家果蔬冷链流通率95%的水平,同时,由于冷链发展滞后,我国蔬菜、水果出口量仅占总产量的1%～2%,且其中80%是初级产品,在国际市场上缺乏竞争力。为加快发展农产品冷链物流,促进农民持续增收和保障消费安全,国家发改委于2011年7月发布了 《农产品冷链物流发展规划》,规划中明确指出,到2015年,我国果蔬冷链流通率要提高到20%以上,冷藏运输率提高到30%左右,流通环节产品腐损率降至15%以下,这就要求整个冷链的所有环节都必须从技术和设备上予以保证并有新的发展。

冷链系统基本流程为产地采集及产后处理、预冷→冷加工→产地集货、冷藏→产地批发→冷藏运输→销地集货→销地加工、批发、配送→零售、消费,对应的制冷设施主要有预冷设备、冷库、冷藏车、超市冷柜及家庭消费冰箱等,其中,预冷技术是整个低温冷藏链技术的前提。

预冷是指采收后的果蔬易腐产品,在运输储藏之前,迅速除去产地热,使其温度降低到规定温度的操作过程。研究表明,经过预冷的产品可以迅速去除田间热,减缓失水率,降低呼吸率,抑制病原菌繁殖,减少乙烯释放量,降低营养成分的消耗,延长贮藏时间和货架期,而且可以有效地降低冷藏库和冷藏车船的冷负荷,实现冷藏贮运装置的节能运行[3]。

目前常用的预冷方法有冰水预冷、冰预冷、冷库空气预冷、差压预冷、真空预冷等。

虽然预冷的重要性已为国内外学者广泛认识,且在发达国家预冷已成为采摘后必不可少的第一道工序得到了广泛的使用[4],但在我国,预冷技术的应用还较少,预冷设备尤其是移动式预冷设备的研究开发有着广阔的应用前景。

2 发展移动式预冷设备的必要性

我国地域辽阔,果蔬生产存在地区性不平衡,运输量大、运输时间长,因此果蔬预冷对延长保鲜期,减少损失尤为重要。预冷的关键在于一个“快”字,如果果蔬在采摘之后放置较长时间再进行预冷处理已无意义,因为此时蔬菜品质已经下降。有研究表明,黄瓜采收后经24小时再进行预冷贮藏基本起不到保鲜效果,菠菜在25℃环境下还原性维生素C含量一天就下降50%～60%,而在1℃环境下两天下降不到10%[5]。可见,要想实现从采收到销售各环节果蔬的保鲜,就必须在产地及时、快速地进行预冷处理,但是,我国目前在产地拥有预冷设备的还很少,果蔬的生产方式主要是以单体农户为主,同时伴有少数产业化生产企业,针对这种状况,预冷技术的推广应用应和生产方式相结合。对单体农户而言,小型的预冷设备较为适合,而对于产业化生产企业而言,生产产量大,质量要求高,一次处理量较大的预冷方式更为适用。由于果蔬生产季节性强,固定的预冷装置利用率不高,而将预冷设备做成移动式,可以提高设备的使用效率,减少资源上的浪费,缩短投资回收期。因此,积极研究开发和推广可移动的果蔬预冷设备对我国果蔬产品的保鲜具有重要的意义。

3 移动式果蔬预冷设备

3.1 冷水预冷设备

冷水预冷设备可分为浸泡式和喷淋式两种。最简单的浸泡式预冷就是将水和冰一起放置在一个大容器中,让水和冰充分混合,得到温度接近0℃的冰水混合物,直接将果蔬箱放入冰水中浸泡一段时间,待果蔬温度降低后取出。浸泡式预冷也可采用图1所示的装置进行,在冰水槽中设有传送带,使果蔬在通过传送带的过程中被冷却,传送带的速度可根据果蔬要求达到的预冷温度决定。冰水槽内可设置制冷系统的蒸发器以对水进行冷却,将产品热负荷带走,也可不设置蒸发器,通过加入冰块保证冰水槽中的温度。在实际操作中,经常在冰水中加入消毒杀菌剂或保鲜剂对果蔬进行化学处理以延长保鲜期。

图1 冰水预冷装置

喷淋式预冷设备则可分为连续式与批次式两种。连续式喷淋预冷装置主要由冷却隧道、传送带、喷淋水系统和制冷系统组成,在隧道内喷淋0～1℃的水,果蔬在隧道内的传送带上走25～30分钟,温度可从30℃降到5℃左右。传送装置可以选用不同的速率,以适应不同的冷却需要。

在批次式水预冷装置中,产品一批批地放入冷却空间,大量的冷水连续喷淋到产品表面,然后汇集到底部的水箱,经过滤冷却后循环使用。许多产品采用水预冷可以达到很好的冷却效果,类似玉米、苹果、哈密瓜和桃子等体积与表面比率大,并且表面无孔的产品非常适合这种预冷方法。

体积小的产品,如樱桃,也可以很好地使用水预冷,但喷淋水的力度不应对产品造成物理伤害。产品装箱的设计和堆放形式是提高水预冷系统运作效率的重要因素,会影响到冷却过程中的热交换,如果冷水只是流经包装箱外部而无法进入包装箱内,不仅耗费时间长而且冷却效果不佳。在设备制造材料方面,与水接触的装置内表面最好全部以不锈钢制成,以安全有效的保证保鲜期的延长。

3.2 注冰机

冰预冷是较容易实现的产地预冷方法之一,大多数果蔬产地都可以在附近方便地购买到冰块,对于产量不是很大的果蔬,碎冰及加冰预冷可以由农民手动完成,对于处理量大的果蔬,冰预冷可以由可移动的注冰机来完成,注冰机如图2所示。

图2 注冰机

注冰预冷时必须要有碎冰设备,将块冰或板状冰研磨成直径不大于5mm的冰粒,并与水混合成高浓度的冰水混合物,注冰机将冰水混合物通过软管导入纸箱或其他容器内,直接覆盖在产品表面。采取这种方法可以大大提高冷却效率。堆积在货盘上的货物放置在舱门之间的导轨上,然后将舱门紧闭。使用泵将注冰机底部存储箱中的冰水混合物吸至设备的顶部,通过门上的注冰管道并借助上部液压夹具,从货物四周流入包装的开口,进入产品包装箱内。目前在美国加利福尼亚州,超过90%的西兰花使用这种冷却方式。冰的熔解热为355kJ/kg,而预冷果蔬所需的用冰量主要取决于预冷果蔬的量和果蔬预冷前后温差以及设备与外部少量热交换而引起的冷负荷,因此用冰量可以很容易计算出来。在美国容纳一个货盘的注冰机的注冰泵设计流量一般为24 m3/h,电机功率为1.50～2.25 kW。冰水混合物存储箱的容积约为1.2 m,搅拌器转速在300r/min左右,注冰仓液压系统产生的压力不大于200kPa[6]。

3.3 可移动式机械制冷冷库

在普通小型保温库的基础上加上机械制冷装置也可以组成一移动式冷库用于果蔬预冷,图3是美国农业部一个研究团队开发的移动式冷却装置,它使用了110V,制冷量为3.5kW的窗式空调器安装在保温库侧面的库板上,设备投资为1200美元,对空调器的电气控制系统进行了改装,以达到15℃以下的温度[7]。这种可移动的小型冷库经过发展现在已开始实用化,用户只需购买普通的窗式空调器和一个现成的CoolBot控制器连接上即可方便地进行温度控制,控制温度最低可达0℃,空气的相对湿度也维持在一个较高的水平,自2006年以来CoolBot已售出了几千套用于此类项目的建设与改造[8]。

图3 移动式冷却装置

类似的小型可移动式机械制冷冷库在我国也有应用,图4和图5所示为山东省果树研究所和山东农业大学开发的移动式多功能智能化冷藏库[9,10],制冷装置由制冷机组、冷风机等组成,制冷机组固定在库体的外侧,冷风机设置在库体内侧壁上,制冷机组通过管道与冷风机连通。电气自动控制装置设置在库体外侧,其传感器设置在库体内。使用时,接通电源,由电气自动控制装置根据库内的温度自动调控制冷装置运行,冷风机向库内提供冷量,可通过电气自动控制装置实现高、低温冷藏保鲜,预冷,速冻及化霜等功能,该装置用于樱桃的保鲜实验研究取得了很好的效果。

图4 移动式多功能智能化冷藏库示意图

图5 移动式多功能智能化冷藏库

3.4 移动式差压预冷设备

移动式差压预冷设备有两类,一类不带冷源,只是制造果蔬两侧的压差,组织气流流动,需放置在冷库内,利用冷库的冷量使产品冷却;另一类是自带冷源,利用冷藏集装箱或类似的保温箱体设计而成的移动式预冷设备,可以移动至果蔬产地使用。

由差压通风预冷原理可以知道,在普通冷库的基础上增加一个静压箱和一个差压风机即可实现差压预冷,这种装置结构简单,由静压箱、风机和控制系统组成。我国不少果蔬主产区都建造了不同规模的保鲜冷库。利用这些保鲜库的冷源,结合移动式差压预冷设备可对各种果蔬进行采后预冷,在技术、成本投入和经济效益等方面都具有优势。北京市农林科学院蔬菜研究中心研制的移动式差压预冷机机壳由镀锌钢板焊接、铆钉固定在钢骨架上,重量约为300kg,外形尺寸2.4m×1.8m×0.5m。轴流风机安装在上方中央部位,功率1.5～2kW,风量2000～2500m3/h,采用220V电源。机箱进风口为铝合金百叶窗。码垛顶部覆盖材料为结实、不透气、柔软帆布。预冷时将差压预冷机摆放在冷库蒸发器下方。将装好蔬菜的包装箱横向摆码在机箱进风口百叶窗两侧,将覆盖帆布放下,紧密覆盖码垛,只留码垛两侧不覆盖。风机运转时在两个包装箱堆码之间形成一个负压通道,迫使冷空气通过包装箱进入此负压通道,再通过风机送往冷库蒸发器[11],见图6。

图6 移动式差压预冷机示意图

自带冷源的移动式差压预冷装置的设计分为移动差压预冷室和移动式冷源两部分,移动差压预冷室按差压预冷的设计原理,结合货架车尺寸进行平面布置;移动式冷源采用风冷式冷凝器,将机器、风冷式冷凝器及电控装在一个车架上,这两部分可以是独立的两部分,预冷时将冷源车拉到产地接上电源后与移动式差压预冷室对接上进行制冷,也可以装在一起,成为一个整体,如图7所示[12]。

移动式差压预冷设备中差压系统密封问题是影响其能否有效工作的关键问题,当密封不严时,冷空气就会从缝隙中直接穿过而不流经果蔬,使预冷速度大大降低。预冷设备送风气流射流长度应满足果蔬沿送风气流方向的堆放长度要求,如果送风口风速太小,射流不能达到货物堆放的尾端,则尾端的果蔬将很难得到冷却。

预冷风机的压头主要由制冷系统蒸发盘管的空气阻力和空气穿过回风隧道两侧堆排的果蔬时所受阻力确定,制冷系统蒸发盘管的空气阻力可在设计蒸发盘管时计算得到,而空气穿过果蔬时所受阻力,可大概按空气沿垂直于回风隧道方向穿过1 mm长度果蔬所受阻力0.1 mmH20进行取值[13]。

图7 自带冷源的移动式差压预冷装置

对于自带冷源的移动式差压预冷机,因预冷设备一般不会只用来预冷固定品种和固定质量的果蔬,且随着预冷过程的进行,制冷负荷会越来越小,因此在设计时应考虑压缩机的能量调节方式。此外,差压预冷器中一般都配有加湿器以减少水果、蔬菜预冷时的水分蒸发,避免果蔬出现凋萎现象。加湿器通常可按加湿能力为果蔬在无加湿预冷过程中2%～3%的失水率进行选配[13]。

3.5 采用蓄冷板的移动式预冷装置

蓄冷板冷藏车是冷藏车辆发展的一种新的方式,具有运输温度恒定、运输温度较低、运输成本较低的特点,在国外发达国家已普遍应用于冰淇淋冷饮行业[14],它是利用蓄冷板中的蓄冷剂液体冷却凝固成共晶冰而蓄存大量冷量并用于货物的冷却。将蓄冷板与移动式差压预冷车配套,可实现果蔬等易腐产品的产地预冷。蓄冷板一般用铝合金做成50～100mm厚的中空壳体,内装蓄冷剂,常用的蓄冷剂为低熔点的无机盐混合溶液。在蓄冷板中设有制冷蒸发盘管,蓄冷剂直接与盘管接触,借助制冷盘管内的制冷剂吸热冻结而贮存冷量。通常蓄冷板安装在保温厢体的顶板内表面,蓄冷板的蓄冷能力根据预冷一箱果蔬所需制冷量的大小而定。预冷前,先用蓄冷制冷机组接通地面交流电源对蓄冷板中的蓄冷剂进行蓄冷,即冷却冻结;预冷时,利用蓄冷剂的融化吸热,对保温厢体内不断放冷。采用蓄冷板移动式预冷装置的预冷方式容易实现,可以在有电源供应的产地实现蓄冷放冷过程,而对于无电源供应的果蔬产地,可以先在产地外有电源的地方将蓄冷板蓄冷,再将装置移动至产地对果蔬进行预冷,很好地解决了产地能源供应困难的问题。

3.6 移动式真空预冷设备

移动式真空预冷设备与固定式真空预冷设备的基本构成相同,主要包括真空货仓、真空系统、制冷系统 (含捕水器)、水喷淋系统和电气控制系统等。在电源易于获得的场所使用的移动式真空预冷装置可以直接接入电源,在无电力供应的场所需自配发电机。

真空系统是实现真空快速预冷的核心系统,其关键部件为真空泵,需根据真空货仓的容积、预冷果蔬的量以及货仓漏风率等计算而定。从理论上说,蒸发的水蒸汽可全部由真空泵抽吸排空,但在常压下1mL的水,当压力变为1073Pa(8℃)时,体积要增大12万倍,如果所有的水蒸汽只靠真空泵抽吸,不仅消耗很多电能,而且也不能使真空箱内压力快速降下来,因此,在真空预冷设备中设置有制冷系统,制冷系统不是用于直接冷却果蔬的,而是将制冷系统中的蒸发盘管用作捕水器,使真空箱内蔬菜在减压过程中产生的大量水蒸气重新凝结成水,极大地减轻了真空系统抽气负荷,使真空箱内快速达到所需的真空度并保持稳定。捕水器可放置于真空箱内,也可外置于真空箱体,通过管道与真空箱体相连。

由于预冷产品多样,使用地点变化,移动式真空预冷装置一般配有水喷淋系统,一方面可以保证温度要求,另一方面也可以使果蔬保持更好的新鲜度和良好的外观色泽。由于移动式真空预冷设备所有部件都做在一个底板上,而底板的大小是固定的,如果其他部件加大将减小真空室的容积,从而减少有效装货量,影响经济效益,因此,在设计移动式真空预冷设备的时候,要充分考虑各部件能力的优化,合理匹配各主要部件。

3.7 蒸发冷却预冷设备

在干燥地区,也可以采用水蒸发冷却的方法来进行预冷,图8是蒸发冷却预冷设备的示意图[15],将水供到多孔的湿帘材料上,水润湿了整个湿帘,空气在风机的作用下横向流过湿帘,与水进行热湿交换,进行热湿交换后,空气的温度约比当地空气的湿球温度高1～2℃,由于干燥地区空气的干湿球温差很大,用这种方法可以获得较低温的空气对果蔬产品实现预冷。

蒸发冷却预冷设备简单,初投资小,使用方便,但在我国预冷领域暂未得到应用。由于蒸发冷却技术已广泛应用于空调行业,有关湿帘材料的特性、空气—水流量比对冷却效果的影响等相关研究也非常多,可以参考借鉴用以开发该类预冷设备。

图8 蒸发冷却预冷设备

4 结语

预冷是果蔬保鲜极为重要的环节,但在我国果蔬预冷的应用还很少,加强研究开发果蔬预冷设备并大力推广使用对增加农民收入,促进我国果蔬生产的可持续发展和提高国际竞争力是非常必要的。在各种预冷设备中,移动式预冷设备因具有可在果蔬产地对产品进行及时冷却、能在不同地点使用而提高设备利用率、能保证预冷后果蔬进入后续冷链环节所需的低温贮运条件等特点有着广阔的应用前景,我们应在国内外已有的研究应用工作基础上,根据不同种类果蔬的特点对各种移动式预冷设备进行深入研究和开发应用,不断推进我国果蔬保鲜技术水平的进步与提高。

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