我国鲜活农产品冷链物流与纳米蓄冷材料的应用

朱志强 张小栓 于晋泽

（1.国家农产品保鲜工程技术研究中心天津市农产品采后生理与贮藏保鲜重点实验室，天津300000；

2.中国农业大学信息与电气工程学院，北京100000)

冷链物流（Cold chain logistics）是指蔬菜、水果、肉禽、水产、蛋等生鲜农产品从产地采收（或屠宰、捕捞）后，在产品加工、贮藏、运输、分销、零售等环节处于适宜的低温环境下，最大程度地保证产品品质和质量安全、减少损耗、防止污染的特殊供应链系统。冷链物流是商贸物流的一种，是商品流通的重要组成部分。

我国是鲜活农产品生产和消费大国，鲜活农产品采后由于贮藏不善、运输粗放或生理病害等原因，每年造成的损失巨大，蔬果类产品腐烂损失率25%～35%，水产品高达25%。近年来，鲜活农产品冷链物流发展迅速，比例逐年增加，但较之于工业产品物流，其总量和效率都较低。因此，发展冷链物流已成为公认的解决鲜活农产品采后物流的重要技术手段。

目前，冷链物流的能源消耗巨大。据统计，一台30吨规格的货车一个小时就要增加5到6升的油耗用于制冷；有些农产品冷链公司扣除成本后，盈利不足4%。新世纪以来，世界各国经济的快速增长，能源出现严重不足，电网负荷过重。相变蓄冷可作为一种有效地缓解峰谷电负荷、提高能源利用效率的技术，在发达国家已得到应用[1-3]。

1 我国鲜活农产品冷链流通的必要性和优越性

鲜活农产品是指与居民生活息息相关的新鲜蔬菜、水果、水产品、禽畜肉类产品，以及能及时到达餐桌上的农副产品，是新鲜的食品。农产品采后具有鲜活的生命特征，与其他工业产品等不同，不适宜的物流环境造成其外部特征和内在品质的急剧变化，最终导致产品损失、品质下降、物流失败。从植物类产品本身来看，其内部组织细胞具有生命特征，离开母体后仍具有呼吸和蒸腾作用，脱离了营养物质供应体后，自身“库源”关系发生改变，不再从植物根茎部吸收养分，靠消耗果实自身物质来维持生命。如果蔬产品，在一定范围内，随着温度的升高，呼吸强度增大，物质消耗增加，贮藏寿命缩短。且温度升高，空气的相对湿度减少，果蔬水分蒸发加快，容易发生失水萎蔫，降低耐贮运性。因此，降低贮藏环境的温度有利于保持果蔬的品质；但温度过低也容易造成果蔬果实的冷害和冻害；因此，温度要适宜。对新鲜的动物产品来说，自身机体已失去对外界微生物侵染或其他因素负面影响的防御能力，由于环境条件的控制不当，造成微生物浸染，产品腐烂，最终品质败坏，或组织冻结失去原有特征，失去食用价值。研究显示，4℃时大多数病原菌都不能生长，-18℃或更低温度下几乎所有微生物都不能生长和繁殖，因此，低温极大地抑制了微生物的生长与繁殖，也预防了微生物对农产品的侵染。

对鲜活农产品来说，冷链物流的应用，保证了鲜活农产品在全物流过程的环境条件，结合其他保鲜辅助措施，可使物流产品的感官品质得到保持。与其它物流方式相比，冷链物流具有无法比拟的优势。

我国商务部等部委还指出，到2015年，将初步建立一套与商贸服务业发展相适应的高效通畅、协调配套、绿色环保的现代商贸物流服务体系，使果蔬、肉类、水产品冷链运输率分别提高到20%、30%、36%，物流企业机械化、自动化、标准化、信息化水平显著提高；商品库存周转速度明显加快，流通环节物流费用占商品流通费用的比率显著下降。我国农业部和财政部在国内多省市进行了产地农产品如马铃薯、苹果等贮藏设施建设与技术培训惠民工程项目建设，加大了对冷链物流的宏观指导和政策扶持力度，为发展冷链物流设施设备、配套技术和开展相关材料研究明确了发展方向。

2 鲜活农产品的冷藏运输设施及方式

目前，国内外鲜活农产品的冷链运输方式主要为机械式冷藏运输、保冷式冷藏运输和蓄冷式冷藏运输3种。

2.1 机械式冷藏运输

通常，机械式冷藏运输有汽车冷藏车、铁路冷藏车和冷藏集装箱三种。汽车冷藏车利用汽车引擎的动力制冷，制冷能力一般为1～12kW。车厢温度可在-20～15℃范围内进行调节。随着现代高速公路的快速建设发展，汽车冷藏车可将鲜活农产品运输到众多消费地区，运作简单、方便。铁路冷藏车一般自带动力制冷机组，具有统一的生产标准，制冷速度快、温度调节范围大，车内温度分布均匀，适应性强，制冷、加热、通风换气、融霜自动化程度高等特点；新型机械冷藏车还设有温度自动检测、记录和安全报警装置。冷藏集装箱是一种具有良好隔热性，且能维持一定低温要求，适用于各类易腐食品的运送、贮存的特殊集装箱，具有装卸灵活、货物运输温度稳定，货物污染、损失低，使用于多种运载工具，装卸速度快，运输时间短，运输费用低等特点。冷藏集装箱使用温度范围为-30～12℃，具有国际统一的标准尺寸、制造参数以及使用技术，可安置于汽车、火车和船舶甲板上。目前，使用最多的是长度尺寸为20英尺和40英尺的集装箱。

2.2 保冷式冷藏运输

保冷式冷藏运输是利用保温车厢或采用保温覆盖材料等保温措施，将已预冷或冷藏状态的产品保冷运输的方式。例如，在鲜活农产品的生产地将鲜活农产品快速预冷降低产品品温后，或将冷藏的产品采用草席、棉被等保温材料将产品货物整车包裹严实，运送到批发市场，最终到消费者手中，实现运输过程中的低温保持。该方式在一些冷藏运输车较少地区应用较多。

2.3 蓄冷式冷藏运输

蓄冷式冷藏运输，是在保温车箱内或保温包装内放置利用相变潜热进行冷量贮存的蓄冷剂，通过蓄冷剂携带的冷量对车箱内的鲜活农产品进行保冷，维持其贮藏温度，可使用不同的蓄冷剂来满足各种冷藏温度，制冷能力应取决于放置的蓄冷剂量与冷却温度[4]。蓄冷介质应具有高效性、自重轻和所占体积小的特点。对蓄冷剂而言，虽然需要进行长时间的预冷，但可以集中充冷，如利用夜间低谷时段充冷，而不会影响第二天的日间运行，可以在货品运到后直接拆箱上架，使用方便[5]。常用的蓄冷剂有冰、干冰等，使用冰时，可使车厢温度保持5℃左右，使用范围有限，而使用干冰温度可达-20℃。但冰的相变潜热小，充冷过程制冷系统能耗大，蓄冷时间短。纳米蓄冷材料是一种新型、环保、优质的蓄冷材料，它克服了冰蓄冷材料的众多缺点，可作为冰蓄冷材料的替代品。其经济性、方便性决定了其必将成为冷链配送领域的最佳选择。

蓄冷式冷藏运输作为机械式冷藏运输和保冷式冷藏运输的补充方式，具有节能环保、体积紧凑、控制灵活的特点，但也存在蓄冷时间短、蓄冷结构与冷藏箱匹配的问题。

3 纳米蓄冷材料在农产品冷链物流中的应用

3.1 我国鲜活农产品采后蓄冷冷链物流存在的问题

我国采用蓄冷材料进行冷链物流运输的产品较少，造成这种现象的原因很多。一是，我国蓄冷保冷运输车车少；二是，全国各产地蓄冷充冷系统不健全；三是，我国部分产地农产品生产经营者对冷链物流技术应用的意识还比较薄弱。这种观念导致我国蓄冷冷链运输发展缓慢，技术应用水平也不高。四是，纳米蓄冷材料及装置研究与应用不足。纳米流体作为一种新型技术材料，在我国蓄冷材料中的应用还比较少，对其蓄冷机理、蓄冷过程、充/放冷过程物质特性变化等的研究尚不成熟，尤其是其在生产实践应用方面的研究鲜有报道。纳米蓄冷材料对鲜活农产品产后物流过程中的产品蓄冷效果及对产品品质影响的研究较少。目前，在产地生产中，冰作为一种重要的蓄冷材料被广泛应用，但由于其相变潜热小，充冷过程制冷系统能耗大，蓄冷时间短，不能满足生产的需求。纳米蓄冷材料克服了冰蓄冷材料的众多缺点，可作为冰蓄冷材料的替代品。目前，我国在纳米蓄冷材料对鲜活农产品蓄冷效果的研究及其对产品影响作用的研究尚处于起步阶段。

3.2 纳米蓄冷材料的研究

近年来，人们注意到将直径在1～100nm尺度的颗粒悬置于一些传热普通流体如水、乙烯乙二醇或机油中时，液体的传热性能会得到增强，分析原因为大多数固体材料的热导率均大于液体，而颗粒、流体组成的混合物热导率又高于液体本身的热导率，这就成为配制具有高热导性的新型换热工质工业流体，把由此制成的流体称之为纳米流体。目前研究表明，纳米流体由于其高导热系数及流体中纳米粒子的特殊性质，预示着纳米流体在强化换热领域的广阔应用前景[6]。

关于纳米液体的首次报道源于1993年日本Tohoku大学的Masuda[7]的研究成果，即在水中分别添加了13nm的γ-A12O3和27nm的TiO2粒子，得到了不同体积浓度的纳米材料悬浮液，测试其导热系数。结果表明，水中加入4.5%体积比的γ-A12O3粒子的悬浮液的导热系数比水大近30%。1997年，美国Argonne国家实验室的Choi所首次提出了“纳米流体”这一概念之后，纳米技术日益深入人心，与此相关的各类研究逐渐成为热点[8]。

目前许多研究集中在对纳米流体导热系数的测量和预示上，与此同时，研究人员还发现了许多预测纳米流体有效导热系数的模型。在纳米流体热物理机制研究方面，研究人员在诸如纳米流体的自然对流和强制对流，纳米流体沸腾换热等方面取得了进展；而模拟方法则包括分子动力学，蒙特卡罗方法，格子玻尔兹曼流动与传热分析方法等[9]纳米流体研究的新动向。总体而言，纳米流体被提出后，关于纳米流体研究一直得到广大科研人员的青睐。在纳米流体的强化传热机理解释方面，多项研究成果表明纳米材料提高了其液体导热系统，并用实际测试验证了结论；在纳米流体的制备及应用处理技术方面，科研人员研究制备了CuO、TiO2等材料的纳米液体。随着纳米技术的飞速发展，越来越多的纳米材料被应用到了相变蓄冷领域。

刘静[10]认为由于纳米流体的有效导热系数高于相应纯流体，使得液体传热性明显增强，因而多用于芯片散热的液冷系统中。Eastman等[11]在液体中加入了制备的CuO-水、Cu-机油、A12O3-水等几种纳米流体后，显著增加了液体的导热系数。Patel等[12]研究了将Au和Ag纳米粒子添加到水和甲苯中的导热性能，温度变化为30～60℃；研究发现Au粒子体积比0.011%时，其纳米流体的导热系数提高了7%～14%；Ag粒子体积比0.26‰时，形成的纳米流体的导热系数提高了5%～21%。周乐平等[13]制备了粒径为50nm的CuO纳米颗粒悬浮液，常温下2%的CuO纳米颗粒悬浮液的有效导热系数约为纯水的1.08倍，比热容约为纯水的1.02倍。Wen等[14，15]研究了γ-Al2O3-水纳米流体在层流状态的对流换热和池内沸腾换热，发现纳米流体的对流换热和沸腾换热性能明显高于纯水。宣益民[16]和李强[17]利用瞬态热线法测量了Cu-水、Cu-变压器油纳米流体的导热系数，并测试了纳米流体在不同状态下的对流换热系数，实验结果显示颗粒体积浓度是影响导热系数增加的主要因素之一。谢华清等[18，19]研究了SiC-水纳米流体的导热系数，实验结果表明，在水中添加5%的SiC纳米粒子，形成纳米流体的导热系数比水提高了20%。何钦波[20]制作了TiO2-BaCl2-H2O纳米流体相变蓄冷材料，研究了热物性和蓄/释冷特性，大大降低了过冷度，导热系数显著的增加，相变温度在-8.5℃左右，相变潜热约为254.2～279.5kJ/kg，大约相当于冰蓄冷的72%～80%；在经过50次的蓄/释冰实验后，其相变潜热和相变温度基本都很稳定，说明其蓄冷材料热稳定性很好。Choi[21]研究表明，纳米流体换热工质，可显著提高热交换系统的传热性能，减小热交换设备的尺寸和质量，节约泵功率，降低运行成本，具有许多潜在的优势。

综上所述，纳米流体是一项新型的强化传热技术，已成为最有吸引力的传热介质[22]，其导热系统的提高得到了众多科研人员的证实，表现出了导热系数与温度的强烈依赖关系，在20～50℃范围内，导热系数增加幅度在1～3倍之间变化。因此纳米流体可以应用于相变储能、食品冷链物流、空调蓄冷等领域，可成为理想的散热剂或制冷剂，具有十分广阔的前景。

3.3 纳米流体相变蓄冷的特点

3.3.1 纳米流体相变蓄冷技术优势

大量研究表明，在部分传统介质中添加纳米材料后，介质的蓄/释冷特性和热物性特性发生了较大的变化。具体表现为：相变潜热和相变温度基本稳定，蓄冷和释冷过程中流动性保持良好；纳米流体中的粒子比表面积较大，促进相变材料的非均匀成核，可降低基液的过冷度；蓄/释冷量和换热系数比基液大，导热系数得到提高，传热系统发生变化；蓄冷密度比较大，蓄冷温度与空调工况基本吻合。可以说，这种潜在的新型相变蓄冷介质具有其他蓄冷方式所没有的技术优势和经济优势。

鉴于以上特性，蓄冷材料的导热速度增加，蓄冷过程时间缩短，即与基液相比，在单位时间内单位体积蓄冷材料中的蓄冷量增加，携带更多的冷量可供冷链物流中释冷。而蓄冷材料携带的冷量与释放过程的特征与鲜活农产品（食品）冷链物流运输技术环节中的低温需求相吻合，释放的冷量可满足鲜活农产品保持低温降低品温需要的冷量，即将该介质应用于鲜活农产品采后冷链物流过程中，为降低产品品温、保持产品品质、延长产品货架和储藏期提供了技术基础条件。

3.3.2 纳米蓄冷材料的应用意义

纳米蓄冷材料作为一种新型、环保、优质的蓄冷材料具有重要的应用意义。该材料的应用降低了基液的冰点，改变了其导热系数、过冷度等物理特性，使其具有较大的相变潜热，释放冷量时间延长，满足了鲜活农产品冷藏运输时对温度的需求。同时，制冷系统在制冷充冷过程中的蒸发温度提高，提高了设备的运行效率，节约了能源。

4 结束语

鲜活农产品一类具有鲜活生命的特殊产品，具有种类多、易腐烂、贮运条件难掌握、较难运输等特点，寻求针对性强的物流贮运设施、材料和条件是解决其采后物流品质下降的重要技术手段。多项研究结果表明，选择适宜的冷链物流方式、技术，可促进鲜活农产品有效流通，改变我国鲜活农产品贮运物流落后的局面。纳米流体相变蓄冷材料是一种全新、环保、低碳、节能的新型能源利用材料，蓄冷系统结构简单，具有优异的蓄/释冷特性和热物性特性，相变潜热大，释放冷量时间延长，制作成蓄冷物流环节中的蓄冷介质，应用到鲜活农产品采后的贮运物流过程中，具有巨大的应用价值。纳米蓄冷材料配套蓄冷贮运技术是我国目前鲜活农产品全程冷链物流的有效方法。

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