相温子库传热优化及柠檬贮藏效果

马笑巍，王晓冉，王晓东，刘岳，梁富浩，赵薇，李喜宏*，姜瑜倩*，李学进，2

（1.天津科技大学食品科学与工程学院，天津 300457；2.天津捷盛东辉保鲜科技有限公司，天津 300399）

相温库全称为脉冲式防霉差压相温气调保鲜库，其中相就是介质，是指保鲜环境的温度、湿度、气体等因素，因温度在果蔬保鲜过程中贡献率最大[1-2]，为了突出温度在果蔬保鲜中的核心作用，因此简称相温库。2011年李喜宏等[3]发明相温库。相温库主体结构见图1。

图1 相温库主体结构示意图Fig.1 Main structure of the phase-temperature controlled freshkeeping storehouse

如图1所示，相温库主体结构由母库及子库组成，母库一般为聚氨酯板保温层，子库多为金属薄层结构，气密不保温[3]。相温子库的主要作用是将子库内果蔬产生的呼吸热传递到子库外的母库内，被母库内的冷风机吹出的冷风中和，为子库内贮存的果蔬提供一个低温且稳定的贮藏环境。相温子库综合传热性能越好，子库内的热量能更及时的传递到母库，避免子库内热量聚集[4]，子库内的实际温度就越接近设定果蔬贮藏温度且温度波动越小，相温贮藏温度越精准。

相温贮藏是指用相温库对果蔬进行贮藏的一种保鲜方法，相温贮藏与普通冷库冷藏的区别在于相温贮藏的环境温度更接近设定贮藏温度且波动值较小，对贮藏果蔬的温度控制更加精准，有利于维持果蔬在贮藏过程中的品质[5]。相温子库为气密结构，为果蔬提供一个相对恒湿环境，对果蔬贮藏的效果也同样具有重要作用[6-7]。康丹丹等[8]在研究兰州百合采后冷藏品质变化时发现，相温贮藏相比于普通冷库贮藏能够有效维持兰州百合的贮藏品质。薛友林等[9]对蓝莓保鲜的研究表明，精准温度控制贮藏的蓝莓硬度更高，花青素等营养物质消耗速度更慢。杜美军等[10]对鲜食葡萄保鲜研究表明，连续变温会使鲜食葡萄货架期品质和营养成倍下降，反向证明相温贮藏对果蔬保鲜的效果。以上研究表明相温贮藏对多数果蔬的贮藏具有明显效果。杨晓羽等[11]利用高浓度二氧化碳处理对柠檬保鲜取得明显效果，但利用相温贮藏方法对柠檬进行贮藏保鲜的研究鲜有报道。相温贮藏具有更稳定的低温、恒湿环境，是果蔬贮藏保鲜最新方法之一[8]。本研究通过对相温子库传热优化和柠檬保鲜试验进行研究，以期为利用相温库对柠檬贮藏保鲜效果在柠檬保鲜领域应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

‘尤里克’绿柠檬：采自四川省安岳县，采收一周后，冷链运输至天津科技大学食品科学与工程学院农产品物流保鲜与加工实验室；聚乙烯膜（厚度0.2 mm）、铝皮（厚度0.2 mm）、铁皮（厚度0.2 mm）：市售。

盐酸：天津百奥泰科技发展有限公司；碘化钾：上海源叶生物科技有限公司；碘酸钾：上海麦克林生化科技股份有限公司。所用化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TC-05B 智能温度控制仪：广州西法电子有限公司；10 A 品禾电力监测仪：宁波高新区新诚电子有限公司；25w JRD 铝合金加热器：上海长夏电气有限公司；QDF-6 型热球式风速仪：北京凯兴德茂仪器设备有限公司；FA214A 型电子分析天平：上海豪晟科学仪器有限公司；HP-200 精密色差仪：上海汉普光电科技有限公司；PAL-3 数字手持折光仪：日本ATAGO 株式会社；高速冷冻离心机（TGL-16）：四川蜀科仪器有限公司；恒温水油浴锅（GY-1/2L）、电子天平（TD10002A）：奥豪斯仪器（常州）有限公司；酶标仪（ST-360）：上海寰煕医疗器械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品前处理

挑选大小均匀（平均直径为60 mm）、表面无损伤、色泽均匀、采收一周的‘尤里克’绿柠檬150 kg，平均分成3 组，每组50 kg 备用。

1.3.2 子库传热性能

子库传热性能研究的基础试验条件为子库厚度0.2 mm、导热系数为0.42 W/（m·K）、对流风速为3 m/s、传热面积为5 m2。各单因素变量设定为子库厚度（0.2、0.4、0.8 mm）、导热系数[0.42、80、237 W/（m·K）]、对流风速（2、3、4 m/s）、传热面积（5、6、7 m2）。通过比较在相同时间和相同温度梯度下的传热量来研究子库的传热性能，传热量越大说明子库传热性能越好。

子库传热试验装置见图2。

图2 子库传热试验装置图Fig.2 Experimental device for heat transfer in the interior storehouse

将图2所示的子库（1 m×1 m×1 m）传热试验装置放于冷库内，底面用聚氨酯板和保温棉密封保温。设定冷库温度为0 ℃，温控仪设定启动加热温度3 ℃，停止加热温度5 ℃，记录不同子库厚度、材料、子库外对流传热风速和传热面积下的24 h 加热器耗电量，用加热器产生的热量模拟果蔬的呼吸热，加热器将电能全部转化为焦耳热且通过子库壁面传递到子库外的冷库中，可认为该耗电量即为子库传热量。

1.3.3 柠檬相温贮藏保鲜效果

在a 组普通冷库和b 组优化传热前的子库[导热系数237 W/（m·K）]、厚度0.2 mm、风速3 m/s、传热面积5 m2）内以及c 组优化传热性能后的子库[导热系数237 W/（m·k）、厚度0.2 mm、风速4 m/s、传热面积7 m2]内分别放置50 kg 绿柠檬，设定绿柠檬保绿贮藏温度14 ℃下贮藏20 d[8]，每组内标记3 kg 绿柠檬且将其平均分为3 份用于测定贮藏期间失重率，在未标记的绿柠檬中每次随机抽取3 个绿柠檬测定a*值、总可溶性固形物（total soluble solid，TSS）、维生素C（vitamin C，VC）含量，每隔5 d 测定一次相关指标。

1.4 指标测定及计算

1.4.1 子库传热量

子库传热量的计算公式如下。

Q=Q2-Q1

式中：Q1为测定开始时表显换算热量值，kJ；Q2为测定结束时表显换算热量值，kJ；Q为试验过程中子库传热量，kJ。

1.4.2 失重率的测定

采用杜美军等[10]的方法测定柠檬的失重率。

W=（W0-W1）/W0× 100

式中：W为失重率，%；W0样品为初始质量，g；W1为样品储存期间测量的质量，g。

1.4.3a*值的测定

采用杨晓羽等[11]的方法测定柠檬的a*值，使用精密色差仪对绿柠檬色度进行测定。

1.4.4 TSS 含量的测定

采用王晓东等[12]的方法测定绿柠檬的TSS 含量，使用数字手持折光仪测定。

1.4.5 VC含量的测定

参考曹建康等[13]的方法，采用碘酸钾滴定法测定VC含量。

作为和平时代环境下成长起来的优秀高年级学生，特别是已经接受过思政实践课锻炼，并认同实践课的重要价值的高年级学生，也非常渴望在力所能及的范围内奉献自己的绵薄之力，尽自己所能尽快带领低年级学生主动参与课程实践，把学校生活与社会实践相结合，理论联系实际，使其顺利地成长、成才，这种精神是非常难能可贵的。

1.5 数据分析与处理

试验各处理均重复3 次，结果以平均值±标准差表示。采用SPSS Statistics 26 软件进行显著性分析；采用Origin 2021 软件分析作图。

2 结果与分析

2.1 子库传热优化

子库的传热过程见图3。

图3 相温子库传热示意图Fig.3 Schematic diagram of heat transfer in the interior storehouse

由图3 可知，子库的传热过程属传热学中的平壁传热过程[4]，冷库内环境温度较低，可忽略热辐射影响[14]，影响子库传热的因素主要是对流传热与热传导，其中对流换热与传热面积与风速有关，热传导与子库材料的导热系数和厚度有关[4]，因此将子库传热面积、子库外风速、子库导热系数和厚度作为影响子库传热研究对象。

2.1.1 子库厚度对子库传热性能的影响

结合图1 可知，子库为气密不保温的薄层结构[3]，子库厚度越大，子库整体结构刚性越强，但是在缺乏理论研究的情况下，通常认为子库的厚度对子库传热性能影响较大，为了避免影响子库传热性能，在实际工程应用中子库厚度通常选择较小的厚度，因此就需要对子库额外增加建筑成本。但常华伟等[15]通过对不同材料薄壁微球结构低温冷却特性研究发现在一定范围内厚度对平壁传热的影响可以忽略。

子库传热量随子库厚度的变化见图4。

图4 子库传热量随子库厚度的变化Fig.4 Variations in heat transfer with changes in the wall thickness of the interior storehouse

如图4所示，在子库厚度分别为0.2、0.4、0.8 mm，导热系数均为0.42 W/（m·K）、传热面积均为5 m2、子库外风速为3 m/s 的情况下，24 h 子库传热量分别为508.80、493.20、484.80 kJ。子库厚度0.2 mm 与0.8 mm相比，子库厚度增大4 倍，子库传热量变化率仅为4.71%，子库的厚度变化对子库传热的影响较小。通过减小子库厚度来增强的子库传热没有明显效果，因此在合理范围内，可以增加子库厚度来减少子库框架成本，从而在不影响子库传热性能的情况下减少相温库建造成本。

2.1.2 不同对流风速对子库传热性能的影响

对流传热系数与对流风速密切相关[16-17]，子库传热量随对流风速的变化见图5。

图5 子库传热量随对流风速的变化Fig.5 Variations in heat transfer with changes in the wind speed outside the interior storehouse

由图5 可知，在对流风速分别为2、3、4 m/s，子库厚度为0.2 mm、导热系数为0.42 w/（m·K）、传热面积为5 m2情况下，子库在24 h 的传热量分别为436.79、508.80、571.21 kJ。子库外对流风速从2 m/s 增大到4 m/s，子库的传热量增大30.78%，结果表明，子库外的风速对子库传热具有明显影响。可以通过增强子库外风速的方法提升子库传热性能。除此之外，因子库为气密结构，子库内湿度不会随风速的增大而减小，因此还可通过在子库内使用微流风机的形式增强子库传热效率。

2.1.3 不同传热面积对子库传热性能的影响

平壁传热过程中，传热面积与平壁传热性能呈正相关[18-19]，本研究中通过采用瓦楞结构增大试验子库传热面积。不同传热面积下，子库的传热量变化见图6。

图6 子库传热量随子库传热面积的变化Fig.6 Variations in heat transfer with changes in the heat transfer area of the interior storehouse

由图6 可知，在子库传热面积分别为5、6、7 m2时，子库厚度为0.2 mm、导热系数为0.42 W/（m·K）、子库外对流风速为3 m/s 的情况下，24 h 子库传热量分别为508.80、600.00、681.59 kJ。当子库传热面积从5 m2增大到7 m2时，子库的传热功率增大了33.96%，结果表明增大子库传热面积能够有效优化子库的传热性能。在相温库实际建造中，增大子库传热面积为一次性投入成本，相较于增大子库外风速可获得持续的节能与传热性能优化。

2.1.4 不同导热系数对子库传热性能的影响

导热系数跟子库材料种类密切相关[4]，因此，本研究实验子库分别采用3 种子库材料来探究子库导热系数的变化对子库传热过程的影响，子库传热量随子库导热系数的变化见图7。

图7 子库传热量随子库导热系数的变化Fig.7 Variations in heat transfer with changes in the thermal conductivity of the interior storehouse

如图7所示，子库材料分别使用聚乙烯膜、铁皮、铝皮，材料导热系数分别为0.42、80、237 W/（m·K），在子库厚度为0.2 mm、传热面积为5 m2、子库外对流风速为3 m/s 的情况下，子库24 h 内的传热量分别为471.70、492.00、508.80 kJ。从结果来看子库的导热系数从0.42 W/（m·K）增大到237 W/（m·K），增大564.29 倍，子库传热功率仅增大7.87%。结果表明子库导热系数对子库传热性能的影响较小，通过增大子库导热系数的方式无法有效增大子库传热性能，因此可以采用价格较为便宜的非金属有机高分子材料替代金属作为子库材料。

2.2 柠檬相温贮藏保鲜研究

2.2.1 不同贮藏环境对柠檬a*值变化的影响

a*值的变化能够代表柠檬表皮颜色由绿到黄的变化过程，a*值数值越小表示柠檬的颜色越绿。数值越大表示柠檬的颜色黄色越深，a*值能够客观反映柠檬的保鲜情况[11]。在14 ℃下，柠檬表皮a*值的变化见图8。

图8 柠檬a*值在不同贮藏条件下的变化Fig.8 Variations in a*value of lemons under different storage conditions

由图8 可知，随着贮藏时间的延长，各处理组a*值均呈上升趋势，其中a*值变化率由低到高依次为c 组、b 组、a 组，贮藏20 d 时a 组、b 组、c 组a*值分别为-2.20、-4.13、-5.28。其中c 组a*值上升速率最低，颜色变化最小，保鲜效果最好，其次为b 组，a 组保鲜效果最差。因此表明相温贮藏对柠檬保鲜具有一定的效果，并且优化子库传热性能后能够进一步提升柠檬保鲜效果。

2.2.2 不同贮藏环境对柠檬TSS 含量的影响

总可溶性固形物含量能够反映果实品质状况，其含量越高，说明果实中维生素、氨基酸、可溶性糖等营养物质含量越高[11]，通过对总可溶性固形物的测定可以衡量水果的成熟、衰老情况。绿柠檬果肉的TSS 含量变化见图9。

图9 柠檬TSS 含量在不同贮藏条件下的变化Fig.9 Variations in TSS value of lemons under different storage conditions

由图9 可知，绿柠檬TSS 初始含量为8.1%，在14 ℃贮藏条件下，随着贮藏时间的延长，各实验处理组的绿柠檬TSS 含量均呈下降趋势，这是因为绿柠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别为c 组、b 组、a 组，在贮藏至20 d 时，各组的TSS 含量分别为6.3%、6.9%、7.2%。c 组绿柠檬TSS 含量下降最少，为0.9%，而a 组、b 组分别降低1.8%、1.2%。结果表明，在14 ℃下，优化子库传热后的贮藏条件下柠檬总可溶性固形物消耗最少，营养损失最少，并且优化子库传热性能能够进一步提升绿柠檬的相温贮藏效果。

2.2.3 不同贮藏环境对柠檬失重率变化的影响

柠檬采后仍然是一个活的有机生命体，由于隔离了母体的水分和营养供给，果实在贮藏过程中会出现常见的失重现象。果实的失重主要由蒸腾失水和干物质损耗引起，分别各占3/4 和1/4[20]。由于相温子库气密的特性，子库内相比于冷库有更高的湿度，有助于减缓果蔬失水。不同贮藏条件下绿柠檬的失重率见图10。

图10 柠檬失重率在不同贮藏条件下的变化Fig.10 Variations in weight loss rate of lemons under different storage conditions

由图10 可知，各组的绿柠檬失重率不断升高，在不同贮藏条件下的失重变化各有差异，绿柠檬果实失重率由低到高分别为c 组、b 组、a 组，在贮藏至20 d时，a 组、b 组、c 组的失重率分别为8.45%、5.37%、4.41%。结果表明，相温贮藏能够明显降低柠檬的失重率，改善相温子库传热后，能够进一步提升相温贮藏效果，减缓绿柠檬的失重情况。

2.2.4 不同贮藏环境对柠檬VC含量的影响

VC含量是评判柠檬商品品质和贮藏品质的一个重要指标[11]。不同贮藏环境对柠檬VC含量的影响见图11。

图11 VC 含量在不同贮藏条件下的变化Fig.11 Variations in VC content in lemons under different storage conditions

如图11所示，VC含量下降速率为a 组＞b 组＞c组，在20 d 贮藏期内，a 组、b 组、c 组柠檬VC含量分别降低4.98、3.35、2.39 mg/100 g，c 组柠檬在贮藏20 d 后损耗最低，含量最高，说明贮藏效果最好。试验结果表明，相温贮藏有利于延缓柠檬衰老，通过提升相温贮藏效果能进一步维持柠檬中VC含量。

3 结论

通过对子库传热优化试验可知，增加子库传热面积和增强子库对流风速是进一步优化子库的传热性能的重要途径，柠檬贮藏保鲜试验结果表明，相温贮藏对保持柠檬色泽、减缓柠檬失重以及抑制TSS 含量和VC含量的降低具有明显效果，而且证明了子库传热优化能够进一步提升相温贮藏效果，为相温贮藏效果的改进提供有效的措施和研究方向，综上所述，增大子库面积和子库对流风速能够明显优化子库的传热性能，相温贮藏对柠檬保鲜具有明显效果，并且随子库传热性能的优化相温贮藏效果也随即得到提升，为相温贮藏效果的提升措施提供了新的研究方向。