差压预冷技术与装备在果蔬冷链物流中的应用

王 璇，陈爱强，刘昊东，关文强，刘 斌

（1.天津商业大学天津市食品与生物技术重点实验室，天津 300134；2.天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134）

新鲜果蔬富含多种维生素和矿物质，具有丰富的营养价值，经常食用可以提高人体免疫力。随着我国人民生活水平的提高，人们的健康饮食观念正在不断增强，对果蔬的消费需求日益增长。我国2017 年蔬菜年产量达到8.17 亿t[1]，水果年产量达到2.52 亿t[2]，连续多年位居世界第一位。但我国果蔬运输仍以常温物流为主，未经加工的鲜销果蔬占了绝大部分。在流通过程中因交通状况和产品保鲜条件的影响造成的果蔬损耗量达到20%～30%[3]，损失率为欧美发达国家的 4～5 倍[4]。

温度是影响果蔬品质的关键因素。预冷作为冷链物流的首要环节，对果蔬品质、价值以及贮运过程都有重要意义。通过预冷处理迅速降低采摘后的果蔬温度，去除果蔬携带的田间热和呼吸热，可有效降低冷藏贮运时的冷负荷，抑制果蔬的呼吸强度，减少微生物的生长繁殖，降低酶的活性，使果蔬在储运中保持较好品质，延长果蔬的贮藏期[5]。

1904 年，Powell 及其合作者首次提出预冷的概念，随后，大批学者对果蔬预冷技术进行了研究，开发出了多种预冷技术。根据预冷媒介的不同，预冷技术可分为空气预冷、真空预冷、水预冷、冰预冷等。差压预冷是空气预冷的一种，具有预冷速度快、冷却均匀、适用范围广等优点[6]，是目前农业物流链较为发达的国家采用较多的预冷方法[7]。我国对于差压预冷技术的研究起步较晚，20 世纪90 年代末，果蔬预冷技术的研究被提上日程，天津商学院等院校开始对差压预冷技术进行研究，并取得了一定研究成果。本文对差压预冷技术中的关键技术进行阐述，分析现有差压预冷装备的优缺点，预测未来差压预冷技术的研究方向。

1 差压预冷技术的原理

差压预冷技术是通过在果蔬表面进行冷空气对流换热，从而达到减少果蔬携带热量、降温冷却等目的的一种空气预冷技术[8]。预冷前需要将果蔬按一定摆放方式放入具有通风孔的包装箱，将包装箱码垛后利用差压风机进行抽吸，从而在包装箱两侧形成一定的压力差，促使冷空气通过通风孔进入到包装箱内部，与果蔬对流换热，使果蔬快速冷却[9]。

差压预冷操作流程是，对采后果蔬进行修剪，除去枝叶及存在病虫害或遭受机械损伤的个体，对不同大小果蔬进行分级，将不同级别果蔬分别放入不同包装箱，包装箱码垛在差压风机两侧形成低压通道，打开预冷设备进行预冷处理。

2 差压预冷关键技术

2.1 差压预冷的影响因素

2.1.1 送风参数

差压预冷送风参数主要包括送风温度、送风速度和送风方式，是预冷间内空气温度场和速度场分布的最主要因素，对预冷速度、预冷均匀性和差压风机能耗等诸多方面均产生显著影响。

一般认为，送风温度越低，送风速度越高，果蔬预冷速度也就越快。然而，降低送风温度会大大提高制冷系统压缩机的功耗，增加预冷的不均匀性，使果蔬更容易发生冷害[10]；提高送风速度虽然可以提高预冷速度和冷却的均匀性，但同时也会增加差压风机的功耗，果蔬的干耗也会相应提升[11]。因此，合理的送风参数对预冷效果和经济效益至关重要。郭亚丽[12]等以温度降的变化率、压力降的变化率及在4 h 内的温降值为考虑对象，认为当这三者达到某个值时预冷效果达到最优，即存在优化函数式（1），通过优化计算函数最大值，可确定合理的送风参数，并与试验结果保持较高的一致性。

式中：Δθ 为果蔬 4 h 内的温降值；θ′为 4 h 后过余温度的变化；θ 为果蔬预冷 4 h 后的过余温度值；Δp′为送风速度变化时压力降的变化。

针对送风方式的研究相对较少。目前，常见的送风方式是水平侧面送风和垂直顶部送风（图1）[13]。水平侧面送风时，80%以上的风量会通过果蔬顶部与包装箱之间的间隙流过，只有不到20%的风量流过果蔬表面，造成较大的风量损失[14]。研究表明，垂直顶部送风较水平侧面送风的预冷速度更快，冷却均匀性更高[13,15]。

2.1.2 包装箱参数

在差压预冷过程中，包装箱除了作为果蔬的载体，还能起到保证通过农产品的气流均匀[16]、提供合适的机械阻力[17]、维持包装箱两侧压差等作用[18-19]。包装箱的开孔形状、开孔大小、开孔率及密封性能等结构形式均影响差压预冷的均匀性和压降等性能[20]。

目前，常用预冷包装箱多为长方体或正方体的二层或三层瓦楞纸箱。与木质包装箱、塑料包装箱相比，纸箱具有轻便、可回收、成本低等优点[21]。纸箱三维尺寸常根据冷库容积、风机额定功率而定，多在长300～600 mm，宽 150～350 mm，高 100～300 mm。包装箱两侧需设计一定形状、大小、数量的开孔。目前，差压预冷纸箱开孔多选用圆形。研究发现，圆形孔较方形、椭圆形孔和键槽形孔的冷却均匀性更好[22]，且预冷速度明显快于矩形孔纸箱[23]。开孔大小和数量直接决定了开孔率的大小，开孔率并非越大越好。开孔率过大会使箱内气流分布不均匀，风机消耗能量增加[24]，开孔率过小则会影响预冷速度和冷却均匀性[25]。王达等[26]研究发现，在其他条件一致的前提下，随着开孔直径的增加，苹果预冷时间逐渐减少，预冷能耗却逐渐增加，开孔直径在40 mm 左右为宜。申江等[27]则发现，不同开孔率对白萝卜降温速率和均匀度会产生不同影响，当以提高预冷速率为目的时，开孔率较大为宜；当以预冷更为均匀为目的时，可选择较小开孔率。实际冷链运输时包装箱可能要被捆扎、压实，因此开孔设计也不能破坏包装箱的机械完整性，以避免因包装箱破损对果蔬造成机械伤害[28]。

2.1.3 堆码方式

果蔬不同的摆放方式会使包装箱内所形成的气流通道不同，从而影响包装箱内的温度和速度场的分布，造成预冷效果存在差异。王琪等[29]将苹果平行和交叉摆放后研究发现，平行排列降温均匀性好，流动阻力比较均匀，且平行摆放装箱量更大，更为经济。王军艳等[30]研究发现，黄瓜竖排摆放气流方向一致，预冷速度快于横排摆放。

包装箱码垛方式影响空气流程长度和空气阻力，进而对预冷速度、冷却均匀性和差压风机功耗等产生影响。王伟锋[31]研究了番茄差压预冷包装箱码垛不同层数、不同列数对番茄冷却时间、冷却均匀性以及失重率的影响，发现冷却均匀性随着层数、列数的增加而减小，而冷却时间、失重率却随之增加。胡云峰等[32]研究发现，冷墙式差压预冷中随着堆码层数的增加，预冷速度减慢。码垛层数、列数并不是越少越好，实际商业应用时需要综合考虑预冷系统可处理量、经济性及系统能耗。

3 差压预冷装备及应用

差压预冷技术是在冷库预冷的基础上发展起来的，在应用时可通过对冷库进行改装，如增加挡板、使用差压风机等形成差压预冷库。冷墙式差压预冷库（图2）具有投资少、结构简单等优点，适用于中小型农户[32]。但由于是利用冷库改装，往往所占空间大，预冷不均匀且耗能较大。

冷空气流经包装箱的压力降较大，而普通的冷风机风压又较小，当果蔬码堆较厚时，冷风就不能正常的通过设计的既定气流通道，预冷效果较差。因此，在普通差压预冷库中通常要设置一个静压箱，图3 为带静压箱的差压预冷库[33]。

为提高冷库使用率，景君等[34]研制出一种可拆装差压预冷器，该装置可在冷库现场进行拼装。差压预冷器相对于差压预冷库空间较小，冷却更为均匀。但拼装后密封性能不佳，预冷所需时间较长。

为满足单体农户在分散的果园和菜地中进行预冷的需求，出现了小型移动式果蔬产地差压预冷机。刘向东等[35]研制出的5TYY-40 型田间移动式瓜果差压预冷机（图4）可移动作业，在田间采摘后能够即时预冷，效能高。申江等[36]公开的果蔬垂直通风差压预冷装置，可移动至田间即时预冷，也可在果蔬运输途中进行预冷，提高了预冷效率与预冷均匀性。

4 差压预冷技术的应用

以西红柿、生菜、苹果、梨等为代表的球形果蔬和以茄子、萝卜、西葫芦、青椒等为代表的类圆柱形果蔬是我国人民餐桌上常见的果蔬种类。目前，差压预冷技术在球形果蔬、类圆柱形果蔬的预冷上应用较为广泛。通过差压预冷技术预冷球形果蔬番茄和类圆柱形果蔬茄子、青椒等，预冷效率较冷库预冷可提高2～6倍[37]。在西红柿的差压预冷应用中，当包装箱码垛不超过四层四列，送风温度在27 ℃降到10 ℃阶段设置为4 ℃，在10 ℃降到5 ℃阶段设置为2 ℃，送风速度在27 ℃降到15 ℃阶段采用0.9 m/s，在15 ℃降到5 ℃阶段采用0.57 m/s 时，预冷效果较好，能耗相对较低[38]。差压预冷球型果蔬生菜时，当回风通道间距为300 mm 时送风速度及压力较大。预冷终温为5 ℃，半冷却温度前送风温度选择4 ℃，半冷却温度后送风温度选择2 ℃，预冷效率较高[39]。在类圆柱形果蔬白萝卜的差压预冷中，使用包装箱开孔率在0.08 左右、箱内萝卜孔隙率在0.46 左右、送风温度为3 ℃、送风速度为0.32 m/s 时，预冷均匀性最佳[40]。在其他形状果蔬如芒果的预冷中，差压预冷也有较好的预冷效果。研究表明，与将芒果直接放置在13 ℃的环境里贮藏相比，将芒果以0 ℃的送风温度、1 m/s 的送风速度差压预冷至13 ℃后再在此温度下贮藏可以增强芒果的抗氧化活性，有利于维持果实品质[41]。

5 结论与展望

差压预冷设备简单，在现有冷库基础上仅需增加1 个静压箱、1 个差压风机即可，应用前景十分广阔。本文主要分析了送风参数、包装箱参数、堆码方式对差压预冷效果的影响，并结合球形果蔬、类圆柱形果蔬等不同形状果蔬对预冷效果进行分析。目前，受行业发展的影响，我国果蔬差压预冷技术虽得到了推广，但在实际应用中还存在许多亟待解决的问题。未来差压预冷技术研究的主要方向为：①拓宽果蔬研究种类，建立较为完善的差压预冷标准数据库，为实际生产提供可靠的数据支撑；②推进差压预冷物联网云平台控制，实现设备故障提前预测、专家在线技术支持，提高预冷效果及经济效益；③加大差压预冷装备研发力度，优化设计关键部件、空间布局，提高装备效率，另外，可将新能源应用于预冷装备，以便因地制宜，减少传统能源消耗；④加快新型差压预冷装备的产业化，促进果蔬冷链物流进一步发展。