LED可调光源果蔬保鲜系统的设计

王美霞，刘斌，王超，吴子健（.天津商业大学机械工程学院，天津市制冷技术重点实验室，天津30034；.天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津市食品生物技术重点实验室，天津30034）

LED可调光源果蔬保鲜系统的设计

王美霞1，刘斌1，王超1，吴子健2
（1.天津商业大学机械工程学院，天津市制冷技术重点实验室，天津300134；2.天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津市食品生物技术重点实验室，天津300134）

为探究冰温条件下不同果蔬贮藏保鲜所需的最佳光强、光配比及其理论分析等提供有力保障，基于光学原理进行了发光二极管（light-emitting diode，LED）可调光源果蔬保鲜系统的设计。详细叙述LED红蓝科研模组的光输出情况，分析不同光接收平面（分别距光源30、40、50 cm处）内的光强分布均匀性，结果表明：系统的光照均匀性随与光源距离的增加而逐步改善，在距离光源30 cm处光照均匀性最差，距光源50 cm处最好；系统箱体内的温度随库温波动而波动，当冷库温度维持在4℃时，距光源50 cm的光接收平面内温度分布均匀一致；确定距离红蓝光源50 cm的光接收平面为该系统的贮藏果蔬放置平面，能够实现对光质、光强、光配比、光分布均匀性等光照参数的精确控制。

发光二极管（LED）红蓝组合光；光均匀性；温度均匀性；光配比

果蔬保鲜是活体保鲜贮存，除了必须的物理保鲜技术、化学保鲜技术或者生物保鲜技术，还应给予一定的光照环境，才能保证贮存果蔬具有必要的、较为缓慢的新陈代谢，利于有色果蔬（特别是绿色或红色果蔬等）维持较长时间的新鲜色泽，保持其良好的品质和商品性。近年来国内外学者已从短波辐射[1]、光照波长[2]、光配比[3]、光强度[4]及光均匀性[5]等方面对果蔬保鲜过程中的光照条件进行了大量研究，有些结果已得到成功应用并取得显著经济效益。

其中，发光二极管（light-emitting diode，LED）具有发光效率高、光源温度低、单色性好等优点[6-8]，并且能够实现对光质、光强、光配比、光分布均匀性等参数的精确控制[9-10]，因而在果蔬保鲜领域备受关注。刘晓英等[11]设计LED光源系统的软件和硬件，光源系统实现光配比可调、光强可调等要求；刘彤等[12]利用红蓝光波段的光谱特性，以LED光谱密度为基础计算数据提出一种可连续调节红蓝光比例的配光方法，实现在红蓝成分有效光子数维持一定要求下，红光与蓝光光子数比在指定区间（4 ∶1～9 ∶1）连续可调；陈风等[5]提出一种可以调节不同光谱分布的光源设计，该光源由不同波段LED积分球组成，可在可见波段产生不同光谱曲线，并模拟多种不同光源的光谱分布，然而专用LED可调光源果蔬保鲜系统尚未见报道。基于这一技术背景和科研需求，本文根据光学原理设计并建立具有较宽的可调光强区间、可进行不同红蓝光配比调节的LED光源照射果蔬保鲜系统，对所建系统的光强均匀性和温度均匀性进行试验测定，满足提高光输出参数和果蔬接收面光照均匀性的需求，有助于寻找不同蔬菜贮藏保鲜的最佳光配比。

1 保鲜系统装置设计

LED可调光源果蔬保鲜系统主要包括箱体、LED红蓝组合光源系统、参数检测系统三部分，系统装置示意图如图1所示。

图1 LED果蔬保鲜系统装置示意图Fig.1 The equipment diagram of LED fruits and vegetables freshkeeping test box

1.1 箱体

LED果蔬保鲜系统中箱体分上、下两层，分别为样品冷藏区域和光强检测区域。

光照均匀度与光源距光接收平面的距离密切相关，为保证光照均匀度此距离通常大于40 cm。为确保实验果蔬的足够数量，箱体冷藏室设计：长×宽×高=80 cm×60 cm×66 cm，光照射至其底面的可用辐射面积为0.48 m2。冷藏室采用亚克力材料，箱体四周采用锡箔纸密封以避免外界光对冷藏室内测试区的干扰；下层采用铁架结构以支撑LED光强检测仪。箱体右侧设有排风口以及时排除果蔬呼吸作用产生的有害气体，内部布置温湿度传感器以实时调控和检测冷藏室内的温度和湿度变化。

1.2 LED红蓝组合光源系统

LED红蓝组合光源系统是LED可调光源果蔬保鲜系统的核心部分。为提供优良的可调光照，采用飞利浦GreenPower LED科研模组为红蓝组合光源，每一个LED科研模块长、宽和高分别为485、33、20 mm。LED光源系统共包括5支LED红光模组和4支LED蓝光模组，两者相间均匀分布，其排列方式如图2所示。每支LED红光模组的设计光输出为10 μmol/s，每支LED蓝光科研模组的设计光输出为14 μmol/s，光源设计总光输出为106 μmol/s。

图2 LED科研模组排列方式Fig.2 LED module arrangement

箱体冷藏室面积为0.48 m2，当调节至最大光输出量（106 μmol/s）时最大光量子密度（即光强）预计约220 μmol/（m2·s），此光强范围（0～220 μmol/（m2·s））可满足不同果蔬的保鲜需求。LED科研模组的光输出量调节通过专业控制装置实现（图3），该控制装置输出电压为24 V，通过调节控制装置的外置旋钮来改变输出电流，进而改变LED科研模组的输出功率以调节光输出量大小。单个红光模组和单个蓝光模组的设计光输出比例等于1∶1.4，同时，LED红光模组和LED蓝光模组各配有一个控制装置，可在不同光强下调节出多个不同红蓝配比的光照处理。

图3 LED科研模组控制装置Fig.3 LED module control device

1.3 参数监测系统

参数监测系统主要由Chame-IH100 LED光强测量仪（北京卓立汉光有限公司）、GLZ-C光合有效辐射计（浙江托普仪器有限公司）、WT310功率计（YOKOGAWA）、温湿度检测仪组成，分别用于测量冷藏室内红蓝光光谱、光量子密度、输出功率和温湿度等参数。冷藏室内温度分布通过红外热像仪测量，系统主要仪器如图4所示。

图4 系统主要仪器图Fig.4 Laboratory instruments physical map

2 系统光均匀性研究

2.1 光强测点分布

为探究距光源不同距离处平面的光照射特性，调节LED红蓝光模组光输出量，当红蓝光比例相同而光强不同时，分别测定距离光源30、40、50 cm处的光接收平面的光强分布，光接收平面如图5所示，每个光接收平面上12个光强测点均匀布置，如图6所示。

图5 光接收平面示意图Fig.5 Schematic view of the light receiving plane

图6 光强测点分布Fig.6 Distribution of light intensity measuring point

2.2 光强均匀性随照射距离的变化

以LED红蓝组合光配比为1∶1、光强设定为30 μmol/（m2·s）为例，3种光接收平面上不同测点处光强强度如表1所示。

表1 不同光接收平面内光强分布Table 1 The light intensity distribution in different light receiving planes

由表1看出，随光照距离增加，光强度呈现逐渐减小趋势，且距离越大减小幅度越小；3种光接收平面内监测点5～8区域处光强略高于同一平面内其余监测点光强值，这是由于LED红蓝组合光在此区域内受光源散射角的影响较小。当距离光源30 cm时，最大与最小光强值相差7 μmol/（m2·s）且在整个平面内分布不均匀，光均匀性最差；距离光源40 cm的光接收平面内光强分布略好于30 cm处，其光强最大差值为3 μmol/（m2·s），出现最大差值的点数有3个；距离光源50 cm的光接收平面内光均匀性分布最好，仅有1个监测点差值为2 μmol/（m2·s），4个监测点差值为1 μmol/（m2·s），整体光强分布均匀性较为理想。总体而言，光接收平面内光强随着距LED红蓝光光源距离的增加而衰减，但距离光源越近，光强分布越不均匀，即系统的光照均匀性随与光源距离的增加而逐步改善，在距离光源30 cm处光照均匀性最差，距光源50 cm处最好。

2.3 不同光强下红蓝光光输出参数

当LED红蓝组合光配比为1∶1，通过LED模组分别调节至10、20、30 μmol/（m2·s）光强时，对应的电流、电压和功率如表2所示。同时，通过LED光强测定仪分别获得10、20、30 μmol/（m2·s）光强下的红蓝光谱图，如图7、图8所示中峰值由小到大分别依次对应10、20、30 μmol/（m2·s）光强值）。可知3种光强下红光波峰对应的波长均为660 nm，蓝光波峰对应的波长均为450 nm，其中，660 nm和450 nm均为理想红蓝光照射的波长。

表2 不同光强下的光输出参数Table 2 Power parameters under different light intensity

图7 不同光强下红光光谱图Fig.7 Red spectra of different light intensity

图8 不同光强下蓝光光谱图Fig.8 Blue spectra of different light intensity

3 箱体温度场均匀性分析

3.1 温度场分布

为了保证系统箱体内具有相同的温度环境，通过测试红蓝配比为1∶1、光强为20 μmol/（m2·s）时距离光源50 cm的平面内温度场，探究LED红蓝光光源发出的热量对其温度场波动的影响。将系统箱体置于冰温库内，同时将LED红蓝组合光光源调至光强为20 μmol/（m2·s）处，待库内温度降至4℃并稳定时，利用红外热像仪测量该平面内温度场，结果如图9所示。

图9 温度场Fig.9 Temperature field

3.2 温度均匀性分析

整个平面内温度测点随库温波动而呈现整体波动趋势。当库温稳定时，所测平面温度基本一致，这是因为LED红蓝光光源是冷光源，本身散发的热量较小，散发微小的热量后周围空气会比箱体下部温度略高，由于热空气密度比冷空气小，热空气会上升至箱体顶部，在热传导和箱体外冷空气的对流作用下，热量逐渐散失，因此没有对箱体底部温度场产生影响。这表明加装LED红蓝组合光源系统后的试验系统能够为果蔬贮藏弱光照射试验提供均匀温度场。

4 结论

以光学原理为基础建立可调光参数果蔬保鲜系统装置，优化设计装置箱箱底平面的LED红蓝光波长和光量子均匀性分布，所得结论如下：

1）LED可调红蓝组合光果蔬保鲜系统的光照均匀性与光源距光接收平面的距离密切相关，其随距离增加而逐步改善，在距离光源30 cm处光照均匀性最差，距光源50 cm处最好。

2）系统箱体内的温度随库温的波动而波动，当冷库温度维持在4℃时，距光源50 cm的光接收平面内温度分布均匀一致，LED红蓝光源所散热量对箱体底部温度均匀性无明显影响，故确定距离红蓝光源50 cm的光接收平面为该系统的贮藏果蔬放置平面。

3）LED可调红蓝组合光果蔬保鲜系统主要包括箱体、LED红蓝组合光源系统、参数检测系统三部分，能够实现对光质、光强、光配比等光照参数的精确控制，为探究不同果蔬贮藏所需的最佳光强、红蓝光配比及其理论分析提供有力保障。

4）系统光强分别调至10、20、30 μmol/（m2·s）时，红光波峰对应的波长均为660 nm，蓝光波峰对应的波长均为450 nm，两者均为理想红蓝光照射的波长，良好的单色性可有效避免试验过程中其他光质对果蔬贮藏品质的影响。

[1]Aiamla-Or S,Yamauchi N,Takino S,et al.Effect of UV-A and UV-B irradiation on broccoli(Brassica oleracea,L.Italica Group)floret yellowing during storage[J].Postharvest Biology&Technology,2009,54(3):177-179

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Design of Adjustable LED Light for Fruits and Vegetables Fresh-keeping System

WANG Mei-xia1，LIU Bin1，WANG Chao1，WU Zi-jian2
（1.College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Commerce，Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin 300134，China；2.College of Biotechnology and Food Science，Tianjin University of Commerce，Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology，Tianjin 300134，China）

In order to evaluate the optimal light intensity，light ratio and its theoretical analysis for fruits and vegetables fresh-keeping under the cold-storage condition，adjustable LED light for fruits and vegetables freshkeeping system was carried out based on the optical principle.Light output from LED red and blue module is described in detail，and the uniformity of light intensity distribution in different light receiving planes（30 cm，40 cm and 50 cm away from the light source，respectively）is analyzed.Results show that：the illumination uniformity is gradually improved with the increase of the distance from the light source，and the illumination uniformity is the worst（best）at 30 cm （50 cm）away from the light source；when the cold storage temperature is maintained at 4℃，the temperature distribution in the light receiving plane of 50 cm away from the light source is uniform；to determine the light receiving plane of that for the storage of fruits and vegetables，and it is effective to achieve precise control of the light quality，light intensity，light ratio，light distribution uniformity and other lighting parameters.

red and blue light-emitting diode（LED）light irradiation；light uniformity；temperature uniformity；light ratio

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.21.038

武清区科技发展项目——蔬菜预冷和贮藏保鲜设施改良与先进技术集成示范工程（WQKJ201633）

王美霞（1992—），女（汉），在读硕士研究生，主要从事制冷系统优化及节能技术的研究。

2017-09-03