浅议果蔬差压预冷技术研究现状

高金龙 牛建会 李德英

1.北京建筑工程学院,环境与能源工程学院;2.张家口市建筑勘察设计院;3.河北建筑工程学院城市建设系

0 引 言

为了最大程度的保持果蔬的新鲜品质,去除果蔬采后的田间热及抑制果蔬呼吸热产生,利用低温处理方法将采收后的水果和蔬菜的温度迅速降低到规定温度.预冷是指食品从初始温度(25～30℃左右)迅速降至所需要的冷藏温度(0℃～15℃)的过程.它是迅速排除田间热,抑制其呼吸作用,保持水果蔬菜鲜度,延长储藏期的有效措施.

目前常用的几种预冷方法根据冷媒不同,大致可以分为真空预冷、冷水预冷和空气预冷[1].空气预冷也被称为冷风预冷,它利用制冷机产生的空气(冷风)作冷媒,在果蔬之间通过热传递进行冷却的方式.根据冷风的不同循环方式,分为强制通风预冷和差压通风预冷两种方式.差压通风预冷是对带有通风孔的包装箱进行特殊方式堆码,利用差压风机的抽吸作用,在包装箱的两侧造成压力差,使库内冷空气经包装箱上的通风孔强制通过包装箱内部,冷空气与果蔬表面直接接触进行冷却.由于差压预冷装置仅是在普通冷库基础上增加一个静压箱和一个差压风机而构成,结构简单并且易于应用.但其冷却速度迅速(预冷时间可降为3-4 h),且冷却均匀,适用于各种果蔬[2].本文对近年来果蔬差压预冷技术的研究现状进行综述.

1 差压预冷工艺研究

1.1 关于包装箱开孔的研究

包装箱外部开孔工艺研究包括:开孔形状、开孔型式、开孔面积、开孔大小、开孔数目对送风速度的影响,进而研究对差压预冷冷却速度和冷却均匀性的影响,这些研究目前多用实验的方法进行.

文献[3]对相同开孔面积下四种不同开孔形状的包装箱(圆形、椭圆形、两端为圆弧的矩形和矩形),在四种不同风速下的草莓冷却速度及压降进行了实验研究,在低风速工况下,孔形的不同对草莓冷却时间的影响较大.圆形孔的冷却速度明显快于矩形孔,V1=0.5 m/s时,圆形开孔较之矩形开孔,草莓的7/8冷却时间缩短20%以上.

文献[4]对一定位置圆形开孔的葡萄差压预冷包装箱在五种不同开孔面积、五种不同压差工况下的葡萄冷却速度分别进行了测试,结果表明:开孔面积主要影响冷风在葡萄箱内的纵向渗透性.开孔面积越大、压差越大、冷却越快、冷却越均匀.

文献[5]对包装箱内草莓进行了差压预冷实验,研究了三种新的开孔型式(三孔、五孔、七孔)对冷却速度的影响,得出新的开孔型式可以明显加快冷却速度,但新的开孔型式之间对冷却速度的影响不大.

文献[6]对黄金梨在不同开孔尺寸工况下的冷却过程进行了测试,结果表明:随着孔径的增大,冷却降温速度加快,但增到40 mm以后增幅减慢,40 mm开孔和50 mm开孔的7/8冷却时间比较接近.当孔径增加到45 mm时,进一步增大孔径反而均匀性降低.因此综合考虑冷却速度及冷却均匀性,黄金梨包装箱的开孔直径一般在45 mm左右为宜.

1.2 关于通风方式及通风阻力的研究

差压预冷的设计和实施最关键问题是为包装箱内果蔬合理组织气流,以保证箱内果蔬快速、均匀地得到冷却.

文献[7]对草莓在侧面送风、垂直送风两种方式下的差压通风预冷过程进行了实验测试分析.实验测试结果表明:垂直送风式具有冷却速度更快、冷却更均匀的特点.

文献[8]应用冷箱阻力特性测试装置,并对压差预冷过程中黄瓜的阻力特性进行实验研究,结果表明:空气流过黄瓜时产生的压降可看作与流量的二次方成正比.流过黄瓜的空气阻力系数,可用S= cLRb/ε0.007Aa的形式来表示.此外,在预冷箱长度相同的条件下,黄瓜顺排的阻力系数S小于横排的S,在相同压差条件下,流过黄瓜顺排时风量明显大于横排,故采用顺排有利于实现预冷过程的快速要求.

文献[9]认为空隙率在散堆情况下为39%～43%之间变化不大.只考虑开孔率、风速对压差的影响,认为产品箱装的通风阻力是开孔率与风速的函数,并对无箱装时产品(苹果、草莓、蜜桔)的通风阻力(压差)与空箱体的通风阻力(压差)进行了代数相加,最后得出包装箱内压差与包装箱外部开孔率和迎面风速之间的函数关系式.

对于体积较大的根茎类蔬菜,文献中一般偏重于研究其对气流的阻力.文献[10]研究了根茎类蔬菜对气流的阻力,确定了气流速0.04 m/s～0.3 m/s之间时,使气流穿过小堆的马铃薯、红甜菜、洋葱、胡萝卜所需的空气压力.同时分析了物堆深度、气流速度及蔬菜带有泥土或脏物时对气流阻力的影响.

1.3 关于送风速度的研究

文献[11]对5 kg葡萄在固定开孔方式、冷风温度为-4℃条件下,试验研究送风速度(1～2 m/s)对预冷速度的影响.研究表明,风速从1 m/s升高至2 m/s时,葡萄的半冷却时间减少21.8%,7/8预冷时间减少23.6%,说明冷风速度对预冷时间影响很大,提高速度可以减少预冷时间,提高预冷速度.

文献[12]针对间隔式包装的番茄进行了差压预冷实验,得出提高风速能缩短间隔式排列番茄的预冷时间,但是会增加包装箱两侧的压力差;在番茄的冰点温度以上,降低送风温度,缩短预冷时间,相对增加风速而言,包装箱两侧压力反而有减小的趋势.循环风差压预冷方式存在着最佳的预冷风速大约在1.1 m/s左右,此时降温速度和压力降从整体上看能有最佳效果.

1.4 关于果蔬堆码的研究

果蔬在包装箱内的排列方式不同,会形成不同的冷空气通道,造成不同的孔隙率,对冷空气速度及包装箱内部压差均有影响,果蔬预冷速度也会不同.目前常用的排列方式有:直排式、间隔式、平方间隔式和随机堆放式.

文献[13]针对不同的风速,对菱形排列的桔子的降温速度及重量损失进行实验研究,对不同码垛方式在不同的冷却时间里的冷却速度进行了研究.并绘出温度—时间降温曲线图.对不同码垛方式在不同的冷却时间里的冷却速度进行了研究.

文献[14]针对球形水果产品在包装箱内不同的摆放方式(立体格式、菱形格式、平方格式)的压力降进行了实验研究,拟合出了包装箱内部压差与冷空气风速和产品填充高度之间的数学公式.

1.5 关于果蔬包装的研究

文献[15]研究了差压预冷、发泡聚苯乙烯箱和纸箱包装、0℃贮藏10天、保温车运输和常温下销售等方法对青花菜质量的影响.结果表明:经差压预冷并用发泡聚苯乙烯箱包装的青花菜重量损失和保绿效果明显分别低于和好于纸箱包装的青花菜;常温下流通的青花菜颜色明显变黄;0℃条件下贮藏的青花菜与常温条件下运输和销售的青花菜相比,前者叶绿素和维生素C含量明显高于后者.

文献[16]研究了绿芦笋采后压差预冷和没预冷,用发泡聚苯乙烯箱和瓦楞纸箱包装,在2℃条件下冷藏10天、20天、30天、40天和50天的品质变化.结果表明:冷藏20天的绿芦笋新鲜并具有商品性.随着冷藏时间的延长,绿芦笋的失重率、腐烂率和顶端鳞片松散率逐渐增多,颜色变浅,可溶性固形物、维生素C和糖含量逐渐降低,叶绿素含量前期下降,中后期逐渐升高.压差预冷和包装方法对绿芦笋的保鲜效果影响较大.PC+EPS的保鲜效果最好,不但能减少绿芦笋的失重率、腐烂率和顶端鳞片松散率,而且能减少其可溶性固形物、维生素C和糖含量的损失.

1.6 关于预冷时间的研究

预冷时间是预冷处理工艺过程中的重要参数,适当的预冷时间能保证果蔬品质.

文献[17]在自行研制的差压预冷通风系统中,对茄子、番茄、青椒差压预冷方法进行了试验研究.研究结果表明,利用差压预冷通风系统预冷茄子、番茄36～13℃只需5～6 h,预冷青椒34～13℃只需3～4 h,达到了国外同类产品的先进水平.利用差压预冷可较冷库预冷提高预冷效率2～6倍,预冷时间仅为冷库预冷的1/4～1/10.

文献[18]指出果蔬的冷却时间受果蔬自身物理性质和对预冷温度要求的不同具有很大差别,总结了多种常见果蔬所需的预冷时间,如:一排堆码的茄子、结球白菜、番茄等果蔬的预冷时间为5 h,两排堆码时为6 h,而黄瓜、菜豆、青椒、油菜等则需要3～4 h.

2 差压预冷数学模型研究

目前对包装箱内部冷空气温湿度的理论研究以能量守恒原理为指导,应用传热传质理论建立数学模型,采用有限差分或有限元法进行求解.同时采用计算机仿真技术,对包装箱内气流空间流场进行模拟,从而为包装箱内果蔬预冷均匀性提供了帮助.除此之外,将单体果蔬简化成球形或柱形进行研究,采用集中参数法或多孔介质原理等方法进行求解.

2.1 传热传质数学模型

文献[19]针对垂直通风差压预冷方式,以传热传质理论与能量守恒定律作为指导依据,建立了球形果蔬预冷过程的数学模型,该模型考虑了传热与传质过程相耦合的特点.采用有限差分法对该模型进行了数值求解.

文献[20]描述了单个球形果蔬冷却时传热传质的数学模型,同时考虑到了蒸发冷却效应、呼吸热和辐射热,并用有限差分求解此一维偏微分方程.

文献[21]用有限元法预测成熟番茄在冷却过程中的内部温度分布.

文献[22]建立了包装箱中樱桃预冷的传热传质模型,模型假定产品内部温度梯度可忽略,冷却空气为一维流动状态,仅适用于较低风速情况.

文献[23]建立了马铃薯散堆情况下预冷传热传质模型,假设产品内部温度分布均匀,并认为产品的呼吸热是温度的线性函数,模型全面考虑了马铃薯的水分蒸发、水分在表面的凝结以及凝结水分的蒸发情况.

文献[24]通过将表面蒸发、呼吸热作为内热源加入到传热数学模型中,对单体球形果蔬压差预冷过程建立数学模型,并且简化边界条件,提出一种计算预冷所需时间的简便方法.

2.2 多孔介质模型

文献[25]对箱中标准大小、平方间隔排列的桔子进行了压力与流速分布的数学模拟,并首次提出了评价压力与速度分布的客观标准-温度响应.将渗透介质流动分析首次运用到有限空间.但此模型对小型随机堆放的果蔬缺少普遍性.

文献[26]将番茄压差预冷箱内按一定摆放方式放置的番茄看作是多孔介质,运用多孔介质理论建立了番茄压差预冷箱内冷空气流动的数学模型,并采用有限元方法对其进行求解.

文献[27]假设蜜桔为多孔介质,提出以压力场、速度场的分布得出温度场响应.建立了多孔介质流动模型与传热模型并进行了数值计算.

文献[28]用渗透介质流动分析空气流过三维葡萄包装箱时压力和速度的分布,并利用有限差分法设计计算机程序对压力和速度分布求解.

2.3 流体网络模型

文献[29]针对在静压箱前每层排布MN个预冷箱的差压预冷系统建立了流体网路的数学模型,而且对其流动特性进行了求解.

2.4 集中参数法模型

文献[30]通过对巨峰葡萄在预冷时的传热分析,建立了集总参数法模型来估算葡萄中心温度达到冷库温度时所需要的时间,并通过实验进行了验证.结果表明当冷库内空气流速达到一定时(大于1.1 m/s),采用定性尺寸R,集总参数法能够很好地估算葡萄预冷时间.

以上学者所建立的预冷理论模型以及所采用的实验方法虽然存在一定的局限性,但是这些研究中所得出的大部分结论具有普遍的意义,因而也为我们提供了很有价值的参考资料.

3 结 语

果蔬采收后的预冷是食品冷链上的首要环节,因此要保持果蔬品质,必须重视果蔬采收后产地预冷保鲜工作,根据前面的分析提出目前差压预冷需要考虑和解决的问题:

(1)目前对包装箱外部开孔工艺研究、内部果蔬排列方式、风机选取及风机频率的确定和送风方式等的研究主要通过实验来完成,实验周期长,成本高,需要投入人力、物力和财力.除此之外差压通风预冷中差压风机的选择、包装箱开孔形状、开孔面积与通风量和压降之间的关系等,仍然需要深入的研究.

(2)目前对单个包装箱内果蔬预冷降温研究较多,但是对堆码状态下的包装箱群之间内部冷空气分布及对果蔬预冷效果影响的研究较少.另外研究中采用的果蔬一般为色泽光鲜,大小均匀,无病害虫害,但是和从产地直接采收下来的果蔬有出入,因此实际果蔬的预冷环节最好与分级、包装等环节相配合.

(3)目前部分成果采用计算机仿真方法得到,但是由于是在简化假设前提下进行研究的,因此现有研究成果还不能很好地反映实际实验中所涉及的内容,另外一般采用有限差分和有限元法,其计算量大,尤其在处理包装箱内果蔬之间空隙率时较困难.因此预冷过程中数学模型的建立及求解还需深入研究,使其求解结果与实际更接近.

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