果蔬公路运输保鲜配套技术与装备研究①

2019-04-04杨松夏朱立学张耀国张日红

热带农业工程 2019年4期

杨松夏朱立学张耀国张日红

（1 仲恺农业工程学院机电工程学院广东广州510225；2 徐闻县农业技术推广中心广东湛江524100）

随着我国经济的发展和人民消费水平的提高，人们对新鲜果蔬的需求不断提高。中国果蔬产量丰富，但要满足巨大的果蔬消费需求尚需依托良好的果蔬保鲜运输业。然而，国内冷链运输设备相对不足，技术相对落后，果蔬冷链流通率仅为22%，果蔬腐烂损失率达到15%，而发达国家果蔬冷链流通率达95%以上，腐烂损耗率低于5%［1］。

我国果蔬具有品种多，分布广的特色，因而，运输适合采用“小批量、多频次、多品种”的形式。公路运输灵活快捷，可以实现“门到门”的服务，对于果蔬运输优势明显。据统计，我国公路运输生鲜货物所占的市场份额已上升至75%，短途运输几乎全部为公路运输［2～3］。为有效控制公路运输果蔬品质，国内外学者从减振包装、运输过程温度、湿度、气体成分等环境因素的控制、运输过程信息监控等方面进行了深入研究，并开发出了相应装备。

1 果蔬公路运输品质主要影响因素

公路运输是一个动态的过程，影响果蔬品质的因素主要有温度、湿度、气体成分和振动。

在运输过程中，温度是影响运输果蔬品质的主要影响因素，研究表明，在果蔬采后贮运保鲜中，低温占60%～70%的技术贡献率［4］。低温能够抑制呼吸作用，减少果蔬失水，抑制果蔬表面细菌生长。此外，环境温度波动会刺激果蔬中水解酶的活性，促进果蔬呼吸。采用冷藏运输技术与装备，可以保证果蔬在适宜的低温条件下运输。

采后的果蔬仍是鲜活的产品，对于多数果蔬品种而言，当环境相对湿度小于85%时，果蔬失水加剧。果蔬失水，一方面导致细胞膨压下降，造成机械结构特性改变；另一方面，加快呼吸作用，加速营养成分的分解［5］。因此，运输过程运用加湿技术和装备，控制运输环境处于适宜的湿度水平，可以有效抑制果蔬失水。

影响果蔬采后贮运生理活动的气体主要是O2和CO2。降低O2浓度，能够有效抑制呼吸作用和蒸腾作用。但是O2浓度应在果蔬承受范围以内，浓度过低则会导致无氧呼吸，产生乙醇、乙醛等物质。适当增加CO2浓度，不仅可以抑制果蔬的呼吸作用，还可以延缓内源乙烯的合成。采用气调技术，适当降低运输环境的O2浓度，提高CO2浓度，可以一定程度上抑制果蔬呼吸和失水。

在运输中，振动使果蔬发生碰撞、摩擦和挤压，易导致果蔬产生机械损伤。据统计，果蔬采后由于运输中的机械损伤所导致的损失达25%～45%［6］。在运输过程中，果蔬的振动主要与路面状况、车辆速度和载荷等有关［7］。为有效降低振动对果蔬影响，一方面要研究减振缓冲装置，一方面要研究不同果蔬的减振包装方式。

2 公路运输果蔬品质保鲜技术与装备

目前，应用于果蔬公路运输保鲜的技术与装备主要有减振包装、冷藏车、气调车、加湿及运输过程中的信息监控等。

2.1 减振包装

减振包装是降低果蔬机械损伤的重要措施。目前，对减振包装的研究主要是在包装材料和包装方式两个方面。Vursavus 等［8］研究了苹果纸浆托盘包装（paper pulp tray packaging）、波纹纤维板内规则摆放包装（pattern packaging）和木箱内杂乱摆放（volume packaging）包装等不同方式对苹果机械损伤的影响，结果发现波纹纤维板内规则摆放包装（pattern packaging）的苹果受到机械损伤程度最小。Lu 等［9］采用跌落试验研究了瓦楞纸箱包装的减振效果，发现双壁瓦楞纸板能量吸收显著大于单壁，双壁瓦楞纸板箱较单壁有利于减少蔬果的损伤率。李春飞等［10］研究了6种缓冲包装对苹果的损伤作用，发现瓦楞纸板衬垫、发泡塑料网做包装时可降低损伤程度，且发泡塑料网的缓冲效果更好。赵星星等［11］设计了纳米箱+内包装PE保鲜膜包装方式，可有效减小机械损伤且保鲜效果好。

对于果蔬运输减振包装技术，研究不同水果的力学特性，运用包装动力学分析、仿真模拟和物理试验相结合的方法，研究适合不同水果的减振包装材料和包装方式是未来的发展方向。此外，绿色环保、可循环利用的包装材料也是未来的研究重点。

2.2 冷藏车

冷藏车是公路运输易腐果蔬的重要工具，冷藏车主要由汽车底盘、制冷设备、冷藏车厢等构成。其中制冷设备和冷藏车厢是冷藏车两大专用设备。

2.2.1 制冷设备

目前，应用于冷藏车上的制冷设备按照制冷方式划分，主要有机械制冷、蓄冷板制冷和液态气体制冷3种制冷方式。

（1）机械制冷。机械制冷由于调温范围广、调温精确可靠，其应用最为广泛，也是技术最为成熟、普及最为广泛的制冷方式。机械制冷机组又可分为非独立式制冷机组和独立式制冷机组。非独立式制冷机组的压缩机由冷藏车发动机驱动，在发动机停车时无法制冷，且制冷量受发动机转速的影响；而独立式制冷机组配备有独立的内燃机或电动机，压缩机工作稳定，并且在停车时可以切换至外部电源驱动。

机械制冷机组固然有优势，但存在能耗较高，污染较大，故障率高的缺点。据统计，制冷机组每百公里油耗为2～4 L，同时汽车的尾气排放增加30%［12］。对于机械制冷，可以从提高压缩机效率、降低压缩机能耗方面做进一步研究。

（2）蓄冷板制冷。蓄冷板制冷利用共晶液的充冷和放冷实现温度调节。充冷过程消耗低价电能的，放冷过程传热面积大，有利于冷藏温度的均匀性。徐笑峰等［13］对蓄冷板冷藏车的制冷量和热负荷进行了研究，提出了蓄冷板和蓄冷制冷机组制冷量的计算方法。李春海等［14］设计了蓄冷保温集装箱，箱内温度最高为11.90 ℃，最低温度为4.58 ℃，温度波动较小，保鲜效果良好。

蓄冷板制冷由于制冷温度单一，制冷时间短，适合中短途冷藏运输。对于蓄冷板制冷，开发具有一定温度适应性的共晶液，优化制冷机组参数，延长制冷时间是未来可能发展方向。

（3）液态气体制冷。液态气体制冷利用物质相变吸热的原理进行降温，常用的相变工质有液氮、干冰、液化天然气。液态气体制冷装置一般包括储液罐、喷淋装置或换热器、温度控制系统，为防止液体气化引起车厢压力升高，还需配备安全排气阀门。图1 为一种液态气体冷藏车结构示意图。液态气体冷藏车降温过程环保无污染，并且降温速度快，降温均匀，国内外对其进行了大量研究。徐峰等［15］、张玉文［16］研究液氮冷藏车容量、冷负荷和液氮重注量的计算方法，以及喷淋液氮冷藏车内温度分布情况，为冷藏车的设计和使用提供了依据。

液态气体制冷具有液态工质成本较高，运输途中补给困难的缺点，目前在国内果蔬运输生产中应用较少。对于液态气体制冷，提高液态气体利用率，完善液态气体补给设施建设，加强液态气体制冷与机械制冷方式的联合应用是未来可能的重要研究方向。

图1 液氮冷藏车结构示意图

2.2.2 冷藏车厢

冷藏车厢可以保持车厢环境、保证车厢流场按照需求分布。国内外都对冷藏车厢的材料和车厢结构开展了研究。

冷藏车厢材料方面，国内外广泛采用传热系数低、强度高的聚氨酯泡沫作为冷藏车厢材料。部分企业也开始采用重量轻、隔热效果好的真空绝热板（Vacuum Insulation Panel，VIP）生产车厢。国外的DOW、ICI、ZAE Buyern 等公司的真空绝热板技术成熟，国内的上海交大、兰州物理研究所、扬州大学等也对真空绝热材料的特性和工艺开展了研究，上海夏普电器有限公司试制成功了真空绝热板［17］。

在车厢结构方面，郭嘉明等［18］运用数值模拟和试验的方法研究发现，“差压式”厢体结构、加装风道可以促进温度场的均匀性。“差压式”厢体结构有“上送下回”和“下送上回”两种送风方式。“上送下回”的结构技术成熟，但也存在一定的缺陷。“上送下回”结构自上而下强制送风，而冷空气受热上升，从而形成气流冲突。“下送上回”的结构，冷风从下部送出，不会形成气流冲突，但需要在车厢地板安装T型槽，以保证冷风可以顺畅送至车厢后部。

此外，欧美等国家提出了多温区厢体结构，并设计了多温区冷藏车。多温区冷藏车单次运输可同时装载多种不同温度要求的果蔬，且各自均保持在适宜的运输温度条件下，因此多温区冷藏运输技术改善了单次运输车厢温度单一的缺陷，降低了对运输果蔬种类的要求，提高了运输效率。国内李锦等［19］对多温区冷藏车降温数学模型和车厢内流场进行了研究，为多温区冷藏车的优化设计提供了理论依据。一般，低温区位于最前端，高温区位于最后端，每个温度配备单独蒸发器或所有温区共用一台蒸发器。自多温度厢体结构提出后，便引起了广泛关注。在多温区结构中，不同温区的容积分配是难点。温区容积可变式厢体，具有较高的灵活性，容积利用率较高，但是不同温区间的移动式隔板密封性差，温区间的环境易相互影响。温区容积固定式箱体的隔离效果较好，但容积利用率较低。

对于冷藏车厢，研究隔热性能优良、重量轻、无污染的车厢材料，分析车厢结构对厢体流场的影响，改善多温区冷藏车温区间的气密性以及优化多温区车厢空间布局是未来的发展方向。

2.3 气调车技术

气调车是一种先进的保鲜运输设备，可以同时调节运输厢体内的温度、湿度和气体成分。目前，气调主要有制氮气调、自发气调、充注气调和制臭氧气调4种形式。制氮气调、自发气调和制臭氧气调降氧时间长，适合长距离运输。充注气调系统，通过利用准备好的N2或N2、CO2混合气冲扫车厢实现降氧，降氧迅速，较适合中短途公路运输。

国外对气调运输技术的研究较早，并设计生产了气调保鲜集装箱。目前，国外技术比较成熟的气调系统有Ever～Fresh 制氮气调系统、AMAF+自发气调系统和TectrolCA 充注气调系统［20］。近年来，国内也加强了对气调运输技术的研究，华南农业大学吕恩利等［21］研究了液氮充注气调保鲜运输车车厢内温度、湿度、气体成分等环境因素间的耦合关系，设计了充注气调保鲜运输车，图2为所研制的液氮充注气调保鲜运输车结构示意图。此外，烟台冰轮、杭州希爱、天津森罗等企业也对基于制氮气调系统的气调集装箱进行了研究和生产。

对于气调车，优化气调降氧速率，加强车厢气密性，探索冷藏车改装气调车技术是气调车未来的发展方向。此外，研究与气调车运输相匹配的包装方式，完善气调用气的补给设施建设也是未来的工作重点。

图2 液氮充注气调保鲜运输车结构示意图

2.4 加湿技术

冷藏运输为保持一定湿度通常采取在车厢内洒水或对果蔬进行一定的保水包装来维持较高湿度水平，但加湿效果差。为提高加湿效果，可以在厢体内加装加湿装置。用于冷藏运输中的加湿装置主要有离心式加湿器和超声波加湿器。离心式加湿器通过高速旋转的雾化叶轮产生真空，水滴在大气压力的作用下撞击雾化叶轮，破碎成直径5～10 μm 的雾粒。超声波加湿器通过雾化片的高频谐振将水雾化为直径1～5 μm 的超微雾粒。离心式加湿器加湿雾滴大，容易造成车厢内积水，造成果蔬和纸类包装箱腐烂。相比于离心式加湿器，超声加湿机雾化颗粒小，消耗电能少。方思贞等［22］设计了基于超声波雾化加湿技术的管道式加湿装置，优化了水雾流动方式，提高了加湿效率和加湿均匀性，且不会在货物表面产生积水。

目前，中短途冷藏车较少具有加湿装置，而长途冷藏运输车中已经较多安装了雾化加湿装置。研制无需对车体进行改装即可有提高运输环境湿度的可移动式加湿设备，提高加湿设备雾化量是未来发展方向。

2.5 信息监测技术

信息监测系统对果蔬运输过程中的温度、湿度等环境参数以及果蔬品质进行记录和传输。系统工作时，冷藏车内的温度、湿度传感器检测环境数据，读取装置读取并记录传感器信息，传输装置将信息传至冷链数据库中。环境信息的检测和读取技术已经比较成熟，信息的实时传输成为研究的重点。目前，研究较多的是基于无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）的信息监测系统［23］。图3 为一典型的基于RFID/GPRS 技术的冷藏运输信息监测系统，RFID 技术通过无线射频方式对目标加以识别并获取相关数据，通过GPRS 无线传输技术将环境监测信息上传至后台的冷链信息系统。