基于多要素控制及柔性分区的食品储藏理念

马坚 朱小兵 李晓峰 黄东 曹建康 陈虹

1.海尔智家股份有限公司 山东青岛 266000；2.西安交通大学制冷与低温工程系 陕西西安 710049；3.中国农业大学食品科学与营养工程学院 北京 100083；4.清华大学微电子所/微纳电子系 北京 100084

1 引言

随着生活水平的提高，人们对家庭食材保鲜的要求越来越高。一方面，各类食材对储藏环境的要求不同，保鲜不再局限于单一的温度控制，而是同时考虑温度、湿度、氧浓度的多要素精准控制；另一方面，家庭食材的种类和数量需求不断扩大，需要针对不同类别食材提供个性化的保鲜环境以保证更佳的保鲜效果。

传统冰箱在温度、湿度、气体成分控制上存在一定不足：在温度控制上，普遍将多种食品放置在单一控温区域，导致温度波动大、降温速度慢；在湿度控制上，传统果蔬区通常存在湿度波动大，无法精准控湿的问题；在气体成分控制上，冰箱行业基本处于空白阶段，气调储藏技术几乎未在冰箱产品上使用过。

针对传统冰箱将多种食品放置在单一控温的冷藏区而导致大部分食品保鲜效果差的现状，本文提出了多要素控制和柔性分区的理念，多要素控制保鲜指温、温/湿、温/湿/氧三种组合及其浓度调控分别适宜何种食材，柔性分区指对冰箱间室进行了大小、数量、温/湿/氧可调的分区。并且建立了保鲜品质及空间利用率双因子数学模型，可用于指导冰箱分区设计，对保鲜效果的提升具有重要意义。

2 多要素控制和间室柔性分区食品存储理念

2.1 柔性分区理念

传统冰箱采用单一送风控温，不同食材存储在一个类型的冷藏区域，而各类食材的最佳储藏温度有差异，单一控温导致大部分食材的保鲜时间较短。为满足不同食材的保鲜要求，可对冰箱进行柔性分区，从而对各分区进行温、湿、氧多要素精准控制。

对各分区进行温度、湿度、氧浓度三个要素的独立控制，则环境要素的控制方式有7种组合，如表1所示。对大多数家庭食材，温度占主导作用，蔬菜、水果等对湿度和氧浓度敏感，因此温、温/湿、温/湿/氧三种环境要素控制方式能够满足家庭食材的储藏需求。

以图1所示的分区方案为例，ABC三个区可进行温度独立控制，DE区控制温度和相对湿度，F区控制温度、湿度、氧浓度，相比于无分区的传统冰箱，常见家庭食材的适宜存储区如表2所示。分区冰箱通过多环境要素精准控制，使得不同类别的食材有适宜的存储区域，从而有针对性地提供个性化的保鲜环境；而仅有冷藏区的传统冰箱只能将所有食材无差异存储，保鲜效果不佳。

所谓柔性分区，是指冰箱在设计时可以根据存储食品的类别和数量确定分区的数量和各分区的大小，从而为用户提供灵活可调的分区方案。所需存储的食品种类越多，需要的分区越多；某类食品的存储量越大，所对应的分区体积越大。因此，多环境要素精准控制能够使食材保鲜品质提升，间室柔性分区能够为各类食材提供针对性环境并提升冰箱的空间利用率。

2.2 保鲜品质及空间利用率双因子数学模型

冰箱在进行柔性分区设计时，需要从保鲜效果和空间利用率两个方面综合考虑。首先定义保鲜效率和空间利用率，然后构建保鲜品质及空间利用率双因子数学模型，定量评价分区冰箱相比于传统冰箱的优势大小。

2.2.1 保鲜效率

食品在不同的环境条件下存放时会发生劣变，食品劣变的快慢与环境参数及空气成分等多种因素有关。对于大部分家庭食材，温度、湿度、氧浓度是影响食品保鲜效果的主要因素，在此仅考虑这三个环境要素，食品的储藏天数可通过测量在不同环境中存放时食品成分的变化得到。定义保鲜效率：

式中：

D0——基准储藏天数/天，可使用实验测量的不同环境下的最大储藏天数代替；

P——保鲜效率，是温度、湿度、氧浓度的函数，取值为0～1。

2.2.2 空间利用率

食品在冰箱中存放时无法将所有空间占满，主要原因有：食品量较少时冰箱空间空余；食品在堆放时存在间隙；冰箱的分区隔板等部件占用体积。定义空间利用率：

式中：Vf——冰箱中存储的食品总体积/L；Vref——冰箱总容积/L。

2.2.3 双因子模型

冰箱柔性分区双因子数学模型从保鲜效率和空间利用率两个角度综合评价冰箱的优劣。由上述定义，分区冰箱的保鲜效率和空间利用率主要取决于三个方面：冰箱设计、用户习惯、储藏策略。

冰箱设计体现在分区的数量和各分区的体积。当分区数量较少时，部分食品没有合适的区域储藏，或者只能在较低的保鲜效率下储藏；当分区数量较多时，各分区的空间较小，由于隔板数的增加和小空间内食品堆放间隙的空间损失，使得有效储藏空间减小，同时分区也增加了成本，因此需要确定合适的冰箱分区数量。当各分区的体积与适宜存储食品的体积相匹配时，各类食品保鲜效果最佳，因此需要确定合适的分区体积。

表1 环境要素控制方式

表2 各类食品的适宜存储区

图1 柔性分区示意图

表3 各分区储藏的食品体积

表4 各类食材的储藏比例

表5 分区数量

用户习惯体现在用户日常储藏的食品种类及各类食品的体积。针对不同的食品种类，各分区的温/湿/氧最佳控制参数会有差异；针对不同的各类食品占比，相匹配的分区体积占比会有差异，因此在已设计好的冰箱中存储食品时，用户储藏习惯将对保鲜效率和空间利用率产生影响。

储藏策略体现在如何将固定的食品存储在已设计好的冰箱的各个分区。某食品可以放在同一分区，也可以分为几份放在不同分区，如何分配能够达到保鲜要求并且尽可能利用储藏空间，即是储藏策略所决定的。储藏时优先将食品放在最适宜的分区，当该分区放满后依次向次适宜等分区存放。

设所需储藏的食材包括蔬菜、水果等共m个类别，每个类别中包含的具体食品有ki种，i=1,2…m；用户储藏的各食品体积占比为fi；冰箱共有n个分区，每个分区的体积占比为αj；第i种食品在第j个分区储藏的体积为xi,j，如表3所示。

为构建保鲜品质及高效利用双因子模型，定义如下综合评价指标：

式中：β——权重系数，取值为0～1；若设计时对冰箱保鲜效果要求较高，则β取较大值；若设计时对空间利用率要求较高，则β取较小值。

由此可得双因子模型如下：

式中：

Vref——冰箱总容积/L；

Vf——食品总体积/L；

xi——食品i在冰箱中的储藏情况，xi为空间位置的函数，若该空间存有食品i，则xi=1，否则xi=0；

Pi——食品i在冰箱中某区域的保鲜效率，Pi为空间位置的函数，不同位置的温度、湿度、氧浓度决定了Pi；

fi——用户需要储藏的食品i占食品总体积的比例；

αi——分区j的体积占比；

(1-εn)Vref——将冰箱分为n个区域后的有效储藏体积，其中ε为考虑隔板体积以及分区后小空间内食品堆放间隙的空间损失系数。

公式（4）所示的规划模型将保鲜效率和空间利用率通过加权得到了综合评价指标。若要计算在某个固定的空间利用率下保鲜效率的最大值，可令β=0，并将空间利用率作为约束条件加入即可；若要计算在某个保鲜效率下空间利用率的最大值，可令β=1，并将保鲜效率作为约束条件加入即可。

3 多要素控制和间室柔性分区方案

3.1 分区数量的确定

冰箱在进行分区设计时需要考虑储藏食品的种类，根据所需要的储藏环境，将不同食品划分为若干组，每组存储在一个分区中。在8类家庭食材中选取了一些典型食品对用户储藏习惯进行调研，得到各类食材储藏占比如表4所示。

按控制的环境要素划分，可分为温、温/湿、温/湿/氧三个分区，对氧气含量敏感的食品储藏在温/湿/氧分区，对水分含量敏感的食品储藏在温/湿分区，对氧气和水分含量不敏感的食品储藏在控温分区。温控区的控温范围为0～10℃，根据控温区食品最适宜的储藏温度，将控温区细分为高、中、低温三个亚分区，分别对应10℃/5℃/2℃；根据温/湿区食品适宜的湿度，细分为干区、湿区两个亚分区，分别对应相对湿度45%/90%；温/湿/氧区不再细分，氧含量控制为18.5%。

根据食品所需的储藏环境，将冰箱分为即食区、冷藏区、冰鲜区、干区、湿区、控氧区共6个分区，各区的控制参数如表5所示。尽管分区较多时，可以保证各类食品都存储在各自最适宜的分区，但过多的分区会导致有效储藏空间减小和成本增加，综合考虑后将食品划分为6组，并对应6个分区，各分区的控制参数按食品适宜的环境条件确定。

3.2 各分区体积占比

各分区的体积占比与对应的用户储藏食品占比相匹配时，可以达到最佳的保鲜效果。为了确定各类食品在不同分区中的保鲜效果，将其分别储藏在6个分区中，得到各类食品在各个分区的储藏天数，实验结果如表6所示，这里的储藏天数是指食品在恒定环境下劣变指标不超过限定值的最大保鲜天数。

根据表6的实验数据，各类食品最适宜的储藏区即是6个区域中储藏天数最多的分区。

考虑到一些食品的储藏周期较短，短期内即被食用，只需要放在次适宜的区域储藏即可。根据表4的食品占比，可求出各分区的占比如表7所示。

3.3 分区冰箱与传统冰箱的保鲜效果对比

考虑容积相同的分区冰箱与传统冰箱，比较在相同的空间利用率下分区后保鲜效果的提升程度。假设食品总体积为1，各类食品占比如表4，冰箱分区方案如表7，传统冰箱不分区，冷藏温度为5℃。根据表6的实验数据和式（1）的定义，计算出每种食品在各分区的保鲜效率，然后按体积占比进行加权平均得到总保鲜效率Ptot：

表6 不同食品在不同分区的储藏天数（天）

表7 各分区占比

表8 保鲜效果对比

得到冰箱的总保鲜效率如表8，分区冰箱的保鲜效果相比于传统冰箱提升了56%。

6 结论

本文针对传统冰箱单一控温存储引起的保鲜效果差的问题，提出了基于多环境要素控制和间室柔性分区的食品存储理念，定义了保鲜效率和空间利用率，建立了保鲜品质及空间利用率双因子数学模型，根据用户调研数据和食品劣变实验确定了柔性分区方案，将冰箱划分为6个分区，各分区体积占比与储藏食品占比相匹配，各分区控制参数与食品最适环境相匹配，所得分区冰箱与传统冰箱相比保鲜效果提升了56%。