乙二醇蓄冷库性能及其在黄冠梨保鲜上的应用

孙 静，陈 全，王 萍，王希卓，孙 洁，程勤阳，曹建康

（1. 农业部规划设计研究院农产品加工工程研究所，北京 100121；2. 农业部农产品产后处理重点实验室 北京 100121；3. 中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083）

0 引 言

中国是水果蔬菜生产和消费大国，人均果品占有量约是每天2.75 kg[1]，为保障新鲜水果和蔬菜的稳定供应，果蔬冷链物流是重要的技术手段，它要求果蔬采后从生产加工、贮藏运输到消费前的各环节都应处于适宜的低温环境中。但目前中国果蔬的冷链流通率和冷藏运输率分别是5%和15%，比起发达国家的95%以上差距显著[2]。造成此现象的原因主要是冷藏设施能耗大，运行成本高，不仅增加果蔬保鲜的成本而且会加重用电高峰时的电网负荷，经济效益和社会效益均不理想，导致冷链物流在经济较为落后的农产品产地发展受阻，冷链出现断链[3]。在倡导绿色发展的今天，研究高效、节能的冷藏设施是促进我国果蔬冷链物流现代化发展的重要举措。

蓄冷技术是利用某些工程材料的显热、潜热或化学反应热的特性，贮藏冷能并加以合理使用的一种实用贮能技术[4]。实际应用中是在夜间电力负荷低谷时，运行制冷设备并将其产生的冷量存储在蓄冷介质中，然后在白天电力负荷高峰时期释放此冷量，满足各种冷负荷需求[5－6]。70年代能源危机的出现，使蓄冷技术得到了快速发展，因其在节能、环保和降低制冷成本上的显著优势[7]，蓄冷技术已被广泛应用于暖通、食品、化工、医疗等许多领域[8-18]。

目前乙二醇做为载冷剂已被广泛用于冰蓄冷空调系统[19]，能有效地削峰填谷、缓解用电高峰负荷；减少用电费用，降低运行成本。目前尚无该技术在果蔬贮藏保鲜设施方面应用的报道。本研究以冷凝水蓄冷技术为基础，采用乙二醇为载冷剂，研制了乙二醇蓄冷保鲜库，该库利用夜间波谷电给乙二醇蓄冷，在白天波峰时段将蓄好的冷能释放用于果蔬保鲜。通过对冷库性能、保鲜效果和运行成本的分析，探讨了乙二醇蓄冷保鲜库用于果品贮藏保鲜的可能性，为解决冷库运行成本高、运行时电网负荷严重等问题提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

黄冠梨于2016年9月15日采自甘肃景泰条山农场，采收后立即运往陇西县文峰镇“陇西县丰硕农民专业合作社”，挑选成熟度一致（八至九成熟）、新鲜、无病虫害、无外伤的黄冠梨备用。

1.2 贮藏保鲜设施

1.2.1 对照冷藏库

研究用对照机械冷藏库是简易冷藏设施，保温结构是24 cm厚砖墙（一侧墙面有窗，尺寸1.0 m×0.8 m，窗内侧用100 mm厚聚苯乙烯保温板填实，密封），内做聚氨酯整体发泡，聚氨酯厚度100 mm。冷库外形尺寸为5 m× 8 m×3.5 m，容积约140 m3，容量约为30 t；库门尺寸750 mm×1 800 mm。制冷系统主要设备：5HP涡旋制冷压缩机组1台（比泽尔机头）和DD60/30蒸发器（冷风机）1台。

1.2.2 乙二醇蓄冷库

研究用乙二醇蓄冷保鲜库由简易冷藏设施改造而成，通过制冷循环、蓄冷剂循环和保鲜库制冷循环 3个循环系统实现用载冷剂蓄冷为果蔬保鲜提供冷源（图1）。乙二醇蓄冷保鲜库的保温结构、冷库外形尺寸同1.2.1所述。制冷系统主要设备：8HP半封闭制冷压缩机组1台（基伊埃机头），B3-050-40板式换热器1台，FNH37.2/100蒸发器（冷风机）1台。乙二醇蓄冷箱材质为304不锈钢，外形尺寸为2.8 m×2 m×2.5 m，内置保温层为聚氨酯泡沫塑料，厚度为100 mm，乙二醇质量分数为37.8%，工作温度为-8～-12 ℃。改造后的乙二醇蓄冷保鲜设施如图2所示。

图1 乙二醇蓄冷库制冷系统原理图Fig.1 Schematic of refrigeration system for cold storage with ethylene glycol as secondary refrigerant

图2 乙二醇蓄冷库Fig.2 Cold storage with ethylene glycol as secondary refrigerant

1.3 主要仪器

Testo174H温湿度记录仪，德国德图有限公司；GY-1手持果实硬度计，杭州托普仪器有限公司；PAL-1手持糖度计，日本 ATAGO有限责任公司；GMK-835N手持酸度计，韩国G-WON有限责任公司。

1.4 方法

1.4.1 试验处理

将挑选好的黄冠梨放入内衬无纺布袋的塑料筐（尺寸为60 cm×42 cm×32 cm）中，将无纺布袋口扎紧。将包装好的黄冠梨置于机械冷库，经过2～3 d将库温降到15℃，再每1～2d将库温降低2 ℃，直到库温降到1℃的方法进行梯度降温预冷。预冷结束后，将黄冠梨转移到对照机械冷藏库和乙二醇蓄冷保鲜库中进行贮藏，贮藏时温度均设定为-0.5～1 ℃。

1.4.2 冷库性能测试方法

1）冷库温度稳定性和均匀性

空库条件下，对照机械冷藏库和乙二醇蓄冷保鲜库的温度均设定为0～1 ℃，待二者库温稳定后，采用温湿度记录仪监测库内测温点温度，每小时监测 1次，监测时间为24 h，测温点分布如图3所示，每个测温点距地面高度均为 0.5 m。相关计算公式如式（1）与式（2）所示。

式中Tlkc为库内第k小时测温点l的温度与库内平均温度的差值，℃；Tlk为冷库内第k小时测温点l的温度，℃；Tak为库内第k小时的平均温度，℃。

图3 测温点分布Fig.3 Distribution of temperature measurement point

2）蒸发器出风口温度

空库条件下，对照机械冷藏库和乙二醇蓄冷保鲜库的温度均设定为0～1 ℃，待二者库温稳定后，采用温湿度记录仪监测蒸发器出风口温度，每小时监测 1次，监测时间为24 h。

1.4.3 梨贮藏品质测定方法

1）质量损失率

参考Cao等[20]的质量测定法。每个处理100个黄冠梨果实。重复3次。

式中W为质量损失率，%；W0为贮藏前果实的质量，kg；Wi为贮藏第i天果实的质量，kg。

2）硬度

参考Pan等[21]的方法，采用GY-1型果实硬度计（测头直径为1cm），围绕果实中部，削去果皮后均匀取3个点测定。每个处理10个果实。重复3次。

3）可溶性固形物含量

果实可溶性固形物含量参考Wang等[22]的方法，采用手持糖度计测定。每个处理10个果实。重复3次。

4）可滴定酸含量

果实可滴定酸含量采用手持酸度计测定。每个处理10个果实。重复3次。

5）腐烂率

定期统计贮藏过程中果实自然腐烂情况并计算果实腐烂率。每个处理100个果实。重复3次。

式中F为腐烂率，%；Fi为贮藏第i天腐烂果实数量，个；N0为贮藏前果实数量，个。

6）褐心率

参考Li等黑心率统计方法[23]，略有改动。将果实纵切成两半，统计褐心率。每个处理10个果实。重复3次。

式中B为褐心率，%；Bi为贮藏第i天褐心果实数量，个；N0为贮藏前果实数量，个。

1.5 数据处理

参考张娜等[24]方法，略做改动。采用Excel2010对试验数据进行统计和单因素方差分析。采用无重复双因素分析法分析处理间的差异显著性（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 冷库性能

2.1.1 温度稳定性

冷藏设施温度的稳定性直接影响库内货物贮藏质量[25-26]。研究采用库内各测温点的平均温度随时间的变化表示贮藏设施的温度稳定性。结果如图 4所示，乙二醇蓄冷库测温点的平均温度在 0.18～0.32 ℃，而对照冷藏库测温点的平均温度为-0.10～1.00 ℃，可见，乙二醇蓄冷库的温度稳定性更好。

图4 不同贮藏设施的温度稳定性Fig.4 Temperature stability of different storage installations

2.1.2 温度均匀性

冷藏设施的温度均匀性影响库温控制精度和货物贮藏质量[26-27]。研究采用各测温点距库内平均温度的差值表示库内温度的均匀性。如图5a所示，乙二醇蓄冷库测温点2和点3的温度基本一致，点1、点4和点5这3个测温点的温度虽不相同，但差异也不大，最大差温仅为0.6 ℃（第7个小时），5个测温点间温差最大为0.8℃（第7个小时）。对照冷藏库5个测温点的温度波动都比较大（图5b），测温点之间的最大温差为1.5 ℃，约是乙二醇蓄冷库的1.9倍。可见乙二醇蓄冷库的温度均匀性好于对照冷藏库。

图5 不同贮藏设施的温度均匀性Fig.5 Temperature uniformity of different storage installations

冷藏设施温度均匀性及其波动受围护结构厚度、库温控制方式、货物堆积方式等因素影响[25]。试验用乙二醇蓄冷库和对照冷藏库在围护结构厚度、货物堆积方式、冷藏间内蒸发器位置等方面完全相同，乙二醇蓄冷库温度均匀性好于对照冷藏库可能是因为乙二醇蓄冷库由压缩机制冷系统、蓄冷剂循环系统和冷藏间制冷系统 3个循环系统构成，与冷藏间空气进行热交换的是储存了冷能的乙二醇溶液，而对照冷藏库与冷藏间空气进行热交换的是氟利昂（R22），温度更低，与冷藏间设定温度的差距更大，使冷藏间的温度波动更剧烈，温度稳定性较差。

2.1.3 出风口温度

一位纪检干部曾讲过这样一个故事：在查阅一名违纪干部的履历表时，他发现该干部曾有多次参加党校学习和理论培训的经历，并且几乎每次考核都为“优秀”。为此，该纪检干部一时困惑：“这位履历表堪称完美的领导，为何竟会违纪？”学风不正、教育培训走过场是症结所在。

冷藏间蒸发器出风口的温度与冷藏间温度越接近，冷库的库温越稳定。库温波动越小。如图 6所示，乙二醇蓄冷库的蒸发器出风口温度更加稳定，温度波动范围为-0.8～-0.2 ℃，最大温差为 0.6 ℃，对照冷藏库蒸发器出风口温度波动范围为-1.4～0 ℃，最大温差1.4 ℃，高于乙二醇蓄冷库。与乙二醇蓄冷库冷藏间空气进行热交换的是储存了冷能的乙二醇溶液，与对照冷藏库的R22相比，乙二醇溶液的蒸发温度更接近冷藏间设计温度，使得出风口温度更接近库温，而且变化幅度较小，更加稳定。

2.2 保鲜效果

2.2.1 质量损失率

质量损失率是影响梨果实商品价值和品质价值的重要指标，质量损失率过高，直接影响果品经销商的收入。采用乙二醇蓄冷库和对照冷藏库贮藏黄冠梨，贮藏期间黄冠梨质量损失率如图7a所示。在贮藏前100 d，乙二醇蓄冷库和对照冷藏库贮藏的黄冠梨都未发生质量损失现象，贮藏 100 d以后，逐步开始出现质量损失，贮藏第210天，对照冷藏库黄冠梨的质量损失率为2.38%，乙二醇蓄冷库的质量损失率为1.23%，显著优于对照冷库。已有研究表明，减少贮藏设施温度波动，可有效降低其质量损失率[28]，乙二醇蓄冷库的出风口温度更接近果蔬贮藏温度，库内温度更波动较小，这可能是乙二醇蓄冷库贮藏的黄冠梨在贮藏后期质量损失率较低的原因。

图6 蒸发器出风口温度Fig.6 Temperature of evaporator output draught

图7 贮藏设施对贮藏期间黄冠梨贮藏品质的影响Fig.7 Effect of storage installations on storage quality of‘Huangguan’ pear during storage

2.2.2 硬度

硬度是衡量黄冠梨果实采后生理变化的重要指标之一[29]。从图7b可以看出，随贮藏时间的延长，黄冠梨的果实硬度总体呈下降趋势，蓄冷库贮藏和对照冷库贮藏对贮藏期黄冠梨硬度下降趋势没有显著影响。

2.2.3 可溶性固形物含量

由图7c可知，黄冠梨果实可溶性固形物含量在贮藏过程中呈先上升后下降的趋势。主要是因为果实在贮藏前期淀粉等多糖类物质向可溶性糖的转化从而使可溶性固形物含量有所增加，之后随果实呼吸作用的增强逐渐降低[30]。蓄冷库和对照冷库贮藏的黄冠梨在可溶性固形物含量变化上没有显著差异。

2.2.4 可滴定酸含量

随着贮藏时间的延长，黄冠梨果实可滴定酸含量呈先上升后下降趋势（图7d）。在贮藏第60天达到最高，此时，蓄冷库贮藏的黄冠梨果实可滴定酸含量略高，但差异不显著。

2.2.5 腐烂率

腐烂率不仅影响已腐烂果实的销售，决定农民收益，而且腐烂果实中病源菌的侵染会使原本未腐烂的果实也发生腐烂变质，影响整体贮藏效果。采用乙二醇蓄冷库和对照冷藏库贮藏黄冠梨，贮藏前期果实均未发生腐烂（图8），贮藏到第210天时，出现果实腐烂现象，此时，乙二醇蓄冷库和对照冷藏库贮藏的黄冠梨的腐烂率分别是1.20%±0.84%和1.80%±0.84%，采用2种冷藏设施贮存黄冠梨，其腐烂率没有显著差别。

图8 贮藏设施对贮藏期间黄冠梨腐烂率的影响Fig.8 Effect of storage installations on rot rate of‘Huangguan’ pear during storage

2.2.6 褐心率

由图 9可知，贮藏条件下，黄冠梨采收后褐心率随贮藏时间的延长显著升高，在贮藏后期，乙二醇蓄冷库贮藏的黄冠梨的褐心发生率低于对照冷藏库。在贮藏第210天，对照冷藏库褐心发生率约为26%，而乙二醇蓄冷库贮藏的黄冠梨褐心发生率仅为18%，差异显著。

2.3 运行成本

冷藏设施的主要运行成本是其运行时的能耗，即耗电量。为研究乙二醇蓄冷库运行时的耗电量，分别给乙二醇蓄冷库和对照冷藏库安装了波峰、波谷电表。结果发现，乙二醇蓄冷库利用晚间波谷电价期间给蓄冷剂降温，将蓄好的冷用于白天用电高峰期间冷藏设施降温。而对照冷藏库因外界环境气温在每天下午达到最高，其压缩机主要在白天波峰电时段运行，夜间波谷电时段极少运行。根据电表读数，计算乙二醇蓄冷库和对照冷藏库的运行电费（表1），一个贮藏周期（上一年的9月底到第二年的5月初）一间30 t左右的乙二醇蓄冷库的耗电总数为7 523.12 kW·h，是对照冷藏库的1.05倍，乙二醇蓄冷库电费为3 936.1元，是对照冷藏库的75%，节约电费1 331.0元。

图9 贮藏设施对贮藏期间黄冠梨褐心率的影响Fig.9 Effect of storage installations on brown heart rate of‘Huangguan’ pear during storage

此外，对照冷藏库的冷却排管上会结霜，使蒸发器传热效率下降，形成反复停机、开机、结霜、除霜的循环过程，导致库温波动，不利于果蔬的贮藏保鲜。而研发的乙二醇蓄冷库增加了载冷剂的循环过程，缩小了蒸发器排管和冷藏间湿空气的传热温差，蒸发器上不易结霜，减少除霜作业费用，也避免了温度波动对果蔬贮藏品质的影响。

表1 不同贮藏设施的电费Table1 Electricity bill of different storage installation

3 结 论

1）乙二醇蓄冷库5个测温点的平均温度为0.18～0.32℃，5个测温点间最大温差为0.8 ℃，蒸发器出风口温度-0.8～-0.2 ℃，最大温差仅 0.6 ℃，乙二醇蓄冷库的温度稳定性、均匀性好于对照冷藏库，有利于保障果品贮藏品质。

2）乙二醇蓄冷库和对照冷藏库贮藏的黄冠梨在贮藏期间，腐烂率、硬度、可溶性固形物含量和可滴定酸含量变化情况没有显著差异，硬度逐渐下降，可溶性固形物和可滴定酸含量呈先上升后下降趋势。乙二醇蓄冷库贮藏的黄冠梨的质量损失率和褐心率均低于对照冷库。总体来说，乙二醇蓄冷库贮藏黄冠梨的贮藏效果与普通冷库的贮藏效果差异不大。

3）一个贮藏周期（上一年的9月底到第二年的5月初）一间30 t的乙二醇蓄冷库的耗电量为7 523.12 kW·h，是对照冷藏库的1.06倍。但在实行峰谷电价地区，由于其利用波谷电进行蓄冷，乙二醇蓄冷库的电费是3 936.1元，仅对照冷藏库的75%。

通过对乙二醇蓄冷库的性能及其对黄冠梨保鲜效果和运行电费等方面的研究，发现乙二醇蓄冷库果品保鲜效果优良，而且在实行峰谷电价地区其运行电费更低，能有效降低运行成本、减少用电高峰时的电网负荷，是实行峰谷电价地区适宜的果品贮藏保鲜设施。

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