二次冷凝融霜冷库预冷荔枝的降温特性研究

刘琼瑜，肖 波，吴耀森,*，涂桢楷，丘文杰，马道宽，龚 丽

（1.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东 广州 510555；2.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；3.农业农村部华南现代农业智能装备重点实验室，广东 广州 510630）

广东是我国的荔枝大省，2020 年产量居全国第一[1]。近年来，广东荔枝在国内外市场的销量大幅提高。据不完全统计，至2021 年6 月底，广东荔枝出口量超1.5 万t，是历史最好成绩[2]。新鲜荔枝外表鲜红或紫红，产量大、上市期集中、不易贮存，若采摘后不进行处理，1～2 d 即出现褐变腐败现象，贮藏期间损失可达20%～30%[3-4]。为延长贮藏时间，目前有采用二氧化氯、二氧化硫等抑制微生物生长及盐酸浸渍处理护色等方法[5]，但这些方法存在化学残留，有危害人体健康的风险。因此，采用高品质冷链贮运是延长荔枝保鲜期的主要途径。

预冷是荔枝采后冷链贮运的第一环节，对延长荔枝的贮藏期和保障品质具有重要的作用。常见的荔枝预冷方式包括冷库预冷[6-7]、差压预冷[8-11]、真空预冷[12-13]与冰水预冷[14-15]。冷库预冷具有工序简单、成本较低、环保安全的优点，因而是最为常见的荔枝预冷方式。王冠邦等[6]对果蔬冷库预冷传热流动物理场进行分析，得出了各物理场之间的相关关系。颜丽萍等[16]对比了包括冷库在内的不同预冷方式、包装及果实规格对番茄预冷效果的影响。刘霞等[17]研究了不同包装方式对黄瓜等果蔬冷库预冷效果的影响。此外，陈明林[18]对比分析了不同预冷方式下的荔枝降温特性，结果表明，冷库预冷时间最长，预冷均匀性差于浸泡和喷淋条件下的预冷均匀性。总体来说，荔枝冷库预冷的不足有：①荔枝果实对冷库温度波动敏感，在3 ℃以下预冷易发生冷害，导致果皮快速褐变，降低商品价值[4,19]；②存在冷库预冷均匀性问题，相对风机的不同位置处，荔枝的果温差异显著[18]，尤其是靠近冷风口处，温度最低，易受冷害[7]。

针对冷库预冷的上述问题，作者团队研发了基于制冷剂二次冷凝融霜技术的冷库，该冷库能够降低库温波动。本文采用带二次冷凝融霜功能的冷库对广东主要荔枝品种进行预冷试验，研究预冷库温和风速对荔枝降温特性及均匀性的影响，以期为荔枝冷库预冷工艺参数的设置提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料

试验荔枝品种为糯米糍、桂味与怀枝，从广州市增城区果园采摘后历经约3 h 运送到天河区实验室，人工去除枝叶、留蒂、拣去病果，每份20 kg，装于塑料网眼筐中，分组进行试验。

1.1.2 设备

除霜是冷库、冷藏车等农产品冷链装备必不可少的工作环节[20]。目前广泛使用电融霜、热气融霜等技术[21]，融霜时需要停止制冷并向冷库输入热量，造成冷库温升、制冷效率下降。本次试验冷库采用制冷剂二次冷凝融霜，实现融霜过程中仍然对降温环境净吸热，有效降低融霜温升，提升能效与品质（图1）。

图1 带有二次冷凝融霜模式的冷库制冷系统Fig. 1 Cold storage refrigeration system with secondary condensation and defrosting mode

使用规格为5.8 m×2.9 m×2.8 m（长×宽×高）的冷库对荔枝进行预冷。制冷机组为北京谷轮压缩机有限公司风冷机组（机头型号：ZB21KQE），制冷剂为浙江巨化股份有限公司R507 制冷剂，配有3 台浙江高翔工贸有限公司DD15 冷风机。将冷风机阶梯式悬挂于冷风机支架上，风机最低边缘分别垂直距离库内地面0.5、1.1、1.7 m，将装有荔枝的塑料网眼筐置于冷风机前方，位置如图2 所示。冷空气由冷风机出口吹过荔枝鲜果，在冷库内循环1 次后回到冷风机回风口。

图2 冷风机及荔枝位置Fig. 2 Locations of air cooler and litchi

试验使用的测量仪器为：RC-4 探针温度记录仪、RC-4HC 温湿度记录仪，江苏省精创电器股份有限公司；KANOMAX 智能型热式风速风量仪6036，日本加野麦克斯株式会社。使用的网眼筐为：聚乙烯网眼筐，长×宽×高为0.5 m×0.35 m×0.28 m。

1.2 方法

采用带探针的RC-4 温度记录仪记录不同位置荔枝温度。对预处理后的荔枝，每筐取3 个荔枝将温度计探针插入果肉中（取样点距球心r=5 mm），做好编号，分别置于每筐前部的上层、中部中层与后部下层3 处，如图3 所示。启动记录仪，每1 min 记录1 次温度。将每筐荔枝置于冷库中预冷，待荔枝果肉降至目标温度时将荔枝取出转入5 ℃冷藏库中，隔一段时间后观察荔枝外表变化。

图3 取样点示意图Fig. 3 Schematic diagram of sampling points

研究荔枝不同预冷工艺的具体试验方案如表1所示。

表1 预冷工艺试验方案表Table 1 Experimental methods for different precooling processes

1.3 预冷降温模型

为预测荔枝预冷时长，详细了解荔枝降温特点，为实际预冷作业提供参考，建立了荔枝预冷降温模型。

1.3.1 物理模型与假设

根据荔枝果尺寸构建一维几何模型，并对荔枝果实预冷过程作出以下假设：

（1）荔枝果实为均质球体，内部热量传递为球对称非稳态导热。

（2）荔枝的导热系数、密度、比热、热扩散率等为常数。

（3）荔枝与空气对流换热，忽略辐射换热。

（4）冷库内空气为不可压缩流体。

（5）忽略墙体、支架、网眼筐等对流经荔枝的冷空气的影响。

1.3.2 数学模型

荔枝果实内部热量传递的球对称、常物性、有内热源的非稳定导热方程如下[22]：

式中：α 为荔枝热扩散率，m2/s；qv为荔枝果肉内热源，W/m3；T 为荔枝内某点某时刻温度，K；τ 为时间，s；r 为荔枝内某点半径，m；ρ 为荔枝果肉密度，kg/m3；c为荔枝果肉比热，J/（kg·K）。

初始条件：

边界条件：

式中：λ 为荔枝果肉导热系数，W/（m·K）；h 为荔枝对流换热系数，W/（m2·K）；Tw为荔枝最外层果肉温度，℃；T∞为周围空气环境温度，℃。

1.3.3 模型参数

采用流体外掠圆球的平均表面传热系数公式计算对流换热系数h[23]：

式中：Nu 为努塞尔数；Re 为雷诺数；Pr 为普朗特数；μ∞为外部流体的动力黏度；μw为圆球体表面流体的动力黏度；L 为球体的特征长度，此处取球体半径R，单位：m。

由于研究表明不同品种荔枝的物理特性相差不大[24-25]，为方便计算，假设本试验使用的桂味、怀枝与糯米糍荔枝果实传热参数相同，模型相关参数如表2。

表2 模型相关参数表Table 2 Model parameters table

1.4 数据处理

采用Comsol 软件建立传热仿真模型，模拟不同预冷工况下荔枝果实从常温降至5 ℃时的降温曲线，通过试验结果标定对流换热系数，修正荔枝果实降温模型。采用Origin 软件对模拟结果进行数据分析与绘图。

2 结果与分析

2.1 二次冷凝融霜冷库温度稳定性

预冷库温设定为2 ℃时，冷库开机至预冷结束过程中的回风口温度如图4 所示。由图4 可以看出，实测冷库温度有一定波动，但波动幅度低于5 ℃，这是由于融霜和定频压缩机启动停止造成的。然而，相比其他融霜方式（如常用的电除霜方式制冷环境温度波动可能超过10 ℃[29]），本试验所用带二次冷凝融霜功能的冷库库温波动显著减小。

图4 实测冷库温度Fig. 4 Measured cold storage temperatures

2.2 冷害温度

研究预冷库温对荔枝保鲜效果的影响。将带二次冷凝融霜功能的冷库设定为预冷模式，荔枝迎面风速2.3 m/s，库内相对湿度80%。将预处理后的荔枝分别置于设定库温为0、2、4 ℃的冷库中试验，荔枝初始平均温度为25 ℃。预冷过程中，记录每筐荔枝上中下3个取样点的温度。预冷结束后，将荔枝转入5 ℃冷藏库中贮藏22 h，然后取出置于常温中观察荔枝外表。试验发现，当荔枝果肉预冷至低于4 ℃时，贮藏过程中易出现冷害现象，荔枝表皮暗淡且出现褐斑（图5）。

图5 荔枝冷害现象Fig. 5 The phenomenon of chilling injury in litchi

2.3 模型验证

由于荔枝颗粒间孔隙结构复杂、其中风速也难测定，因而，无法直接计算对流换热系数。利用试验的荔枝降温曲线来标定对流换热系数，从而实现对荔枝预冷过程的预测。

为减少下层网眼筐荔枝和置物架的影响，选取置于上层网眼筐中荔枝（取样点1、2、3）的平均温度作为观测和模拟对象。荔枝传热过程近似于单球体强制对流换热，由于糯米糍荔枝与其他品种荔枝相比果径较大而果核较小，使用探针测量核侧果肉温度时受果实外空气影响较小，因此模拟糯米糍荔枝降温过程。

由于带二次冷凝融霜功能的冷库设定库温为2 ℃后，系统稳定运行时冷库冷风机回风温度在2～6.5 ℃范围内周期性波动（图4）。测得实际出风温度比回风温度低3 ℃，使用出风温度作为实际冷却荔枝的冷空气温度。如图6 所示，实测荔枝果肉的温度接近模拟曲线，有个别实测果肉温度值与模拟数值偏差稍大，原因可能为：一是冷风机除霜引起库温回升影响预冷；二是实际荔枝堆积在长方体网眼筐中，相邻荔枝会互相影响，并非是单纯冷风外掠球体。该结果表明，本文模型可以预测整筐荔枝的预冷降温过程，但需要对对流换热系数做准确的测定或标定。利用在冷库设定库温2 ℃、风速2.3 m/s 下预冷测得的荔枝温度，取糯米糍平均果径为0.03 m，其他参数见表1，标定模型对流换热系数为28 W/（m2·K）。

图6 2 ℃下荔枝实测温度与固定温度模拟曲线Fig. 6 Simulation curves of measured and fixed litchi temperatures at 2 ℃

图7 为计算得到的糯米糍荔枝内层与外层果肉温差在预冷过程中的变化。由图7 可知，荔枝内层与外层果肉温差先增大后逐渐减少，降至0.5 ℃需110 min。预冷时长为8 min 时，温差达到峰值（5.13 ℃）。

图7 荔枝果肉内层与外层温度差变化曲线Fig. 7 Variation curve of temperature difference between inner layer and outer layer of litchi pulp

2.4 荔枝预冷特性分析

2.4.1 不同品种荔枝预冷时长

设置预冷库温为2 ℃，网眼筐迎面风速为2.3 m/s，相对湿度为80%。将新鲜糯米糍、桂味与怀枝荔枝预处理后，放入预冷库，荔枝初始平均温度分别为25.4、25.5、25.6 ℃。测量取样点1～6 的荔枝温度并取平均值得到图8。总体来看，不同品种荔枝降温过程相似。桂味降温最快，而糯米糍降温最慢，这是因为桂味荔枝的果实体积最小，怀枝次之，糯米糍体积最大。不同品种荔枝预冷降至5 ℃所需时长见表3。如表3 所示，桂味荔枝预冷降至5 ℃所需时间最短，为98 min，其次是怀枝，糯米滋用时最长。

图8 不同品种荔枝在2 ℃设定库温下温度变化Fig. 8 Temperature changes of different litchi varieties at 2 ℃

表3 设定库温2 ℃下不同品种荔枝预冷降至5 ℃所需时间Table 3 The duration of pre-cooling from 2 ℃to 5 ℃for different litchi varieties

2.4.2 不同预冷库温条件下荔枝预冷时长

图9 为在库温0、2、4 ℃下预冷荔枝的果肉温度变化情况。可以看出，预冷库温越低，荔枝果肉降温速率越快。由于桂味果径稍小，预冷时长受库温影响较糯米糍与怀枝明显，故此处选桂味进行讨论。网眼筐迎面风速为2.3 m/s 时，在不同预冷库温下，桂味果肉从常温预冷至5 ℃所需时长如表4 所示。可以看出，桂味在预冷库温为0 ℃时降温最快，降至5 ℃仅需93 min，而在预冷库温为2 ℃和4 ℃时降温时长分别为218 min 和290 min。

图9 桂味在不同预冷库温下的果肉温度变化曲线图Fig. 9 Variation curves of pulp temperatures of Guiwei under different pre-cooling storage temperatures

表4 不同库温下桂味荔枝预冷降至5 ℃所需时长Table 4 The time required for Guiwei pre-cooling to 5 ℃at different temperatures

2.4.3 不同预冷风速条件下荔枝预冷时长

研究荔枝在不同预冷风速下的预冷效果，由于糯米糍荔枝果实表面较为平滑，不同风速下预冷时受相邻荔枝的影响较小，故选择糯米糍为讨论对象。将糯米糍荔枝做好预处理，置于预冷库中，设定库温为2 ℃。两组荔枝分别距离中层冷风机出风口0.8 m 和1.2 m，测得网眼筐迎面风速分别为2.9 m/s 与2.3 m/s。荔枝平均初始温度分别为26.0 ℃和25.7 ℃。取样点1、2、3测得温度的平均值及模拟值结果如图10 所示。由图10 可见，风速增大可加快降温速率，但整体影响不大。迎面风速为2.9 m/s 与2.3 m/s 时荔枝从常温降至5 ℃的时长分别为110 min 和123 min。预冷20～40 min 时间段，迎面风速为2.9 m/s 的荔枝果肉温度与模拟值相差较大，原因可能是：由于相邻荔枝的互相影响，预冷模型并非是单纯冷风外掠球体，且风速较高时受相邻荔枝影响较大，故拟合结果不如迎面风速2.3 m/s。迎面风速为2.9 m/s 与2.3 m/s 时对流换热系数标定后分别为32 W/（m2·K）和28 W/（m2·K）。

图10 不同预冷风速下的荔枝果肉温度变化曲线Fig. 10 Temperature change curves of litchi pulp under different pre-cooling wind speeds

2.4.4 荔枝预冷不均匀性

由于网眼筐周围流场不均匀、筐中不同位置荔枝距网眼筐表面距离不同、通风条件不同，筐中各位置荔枝温度存在差异，易导致过度预冷与欠预冷。图11为预冷库温2 ℃、迎面风速2.3 m/s 时，网眼筐的上（取样点1、4）、中（取样点2、5）、下（取样点3、6）3 层取样点的桂味荔枝果肉温度随时间的变化。可以看出，不同筐中同一位置荔枝温差较小。从预冷开始至结束，网眼筐中心即取样点2、5 处的荔枝温度始终高于其他位置，迎风面上层荔枝预冷速率最快，背风面下层荔枝预冷速率次之，中心荔枝预冷速率最慢。预冷125 min 后，荔枝温度出现波动，这是受库温波动（图4）的影响，但该波动明显小于库温波动。

图11 网眼筐中不同位置果肉温度变化Fig. 11 The changes of pulp temperatures at different positions in mesh basket

荔枝预冷程度可采用荔枝平均温度衡量，而预冷均匀性可采用样本标准差σ 来评价[9]。采用平均温度可避免荔枝的过冷和欠冷，因为预冷结束后，荔枝会趋于平均温度。采用标准差而不是变异系数衡量预冷均匀性，可避免荔枝平均温度接近于0 的问题。图12分别为2 ℃和0 ℃预冷库温下荔枝样本平均温度和标准偏差随预冷时长的变化。可见，2 ℃预冷时样本平均温度与背风面平均温度几乎一样。荔枝预冷不均匀性随预冷时长的增加先增大再减小，在中间某一阶段达到最大。当荔枝平均温度达到11.75 ℃时，在2σ的置信区间内，温度下限为4.91 ℃，上限为18.59 ℃，实测温度均落在此范围内。当预冷库温为0 ℃时，荔枝温度的不均匀性更大，再加上冷库温度的波动，当平均温度低于4 ℃时，则很可能出现部分荔枝果肉温度低于冰点的情况，这导致荔枝预冷有可能出现冷害。试验中发现，0 ℃预冷，当中心部分荔枝降温到5 ℃时，迎风面部分荔枝温度已经降至0.2 ℃。

图12 荔枝预冷不均匀性Fig. 12 Pre-cooling inhomogeneity of litchi

根据以上试验结果，综合考虑温度波动，带二次冷凝融霜功能的冷库预冷荔枝时，荔枝平均温度不应低于5 ℃，以防止冷害的发生。

3 结论

本文研究了网眼筐装荔枝在带二次冷凝融霜功能冷库中的预冷特性，建立了荔枝在预冷过程中的传热模型并进行了验证。结果表明：

（1）本试验所用带二次冷凝融霜功能的冷库融霜过程库温波动幅度低于5 ℃，显著小于采用其他常用融霜方式的冷库。

（2）本次模型结果与实测荔枝果肉降温过程相近，可以作为预测荔枝降温的参考。在同一预冷风速下，预冷库温越低，降温速度越快，但若荔枝果肉平均温度低于5 ℃，则易出现冷害现象。不同品种的荔枝在同一条件下降温速率由大到小分别为桂味、怀枝、糯米糍，主要由鲜果球径不同导致。

（3）网眼筐中荔枝预冷程度可采用荔枝平均温度衡量，而预冷均匀性可采用样本标准差来评价。综合考虑预冷不均匀性和冷库温度波动，带二次冷凝融霜功能的冷库预冷荔枝的过程中荔枝平均温度不应低于5 ℃。

（3）建议实际预冷时，果径大的荔枝靠近出风口摆放，果径小的距离稍远；同一品种荔枝预冷时，将小果置于中下层，大果置于上层，有利于加速预冷；选取不同位置荔枝的平均温度至5 ℃时即可停止预冷，防止荔枝出现冷害。