2.2 冷加工

2.2.1 果蔬预冷

2.2.1.1 果蔬采后生理与预冷定义

1.果蔬采后生理

果蔬采收以后，失去了水和无机物的来源，同化作用基本停止，但仍然是活体，其主要代谢过程是呼吸作用。呼吸是呼吸底物在一系列酶参与的生物氧化下，经过许多中间环节，将生物体内复杂有机物分解为简单物质，并释放出化学键能的过程。呼吸底物在氧化分解中形成各种中间产物，其中一些是合成其他新物质的原料，而新物质的合成及细胞结构和功能维持所需要能量，可由呼吸作用中的高能化合物ATP随时提供。由于呼吸作用同各种果蔬的生理生化过程有着密切的联系，并制约着生理生化变化，因此必然会影响果蔬采后的品质、成熟、耐储性、抗病性以及整个流通寿命。呼吸作用越旺盛，各种生理生化过程进行得越快，采后商品寿命就越短，因此在果蔬采后流通过程中要设法抑制呼吸，但又不可过分抑制，应该在维持产品正常的生命过程前提下，尽量使呼吸作用进行得缓慢一些。

果蔬有两种呼吸类型，即有氧呼吸和无氧呼吸。以己糖作为呼吸底物时，两种呼吸的总化学反应式为：

不同品种果蔬，在不同温度时呼吸所产生的热量是不一样的。果蔬温度越高，呼吸强度越高，其呼吸所产生的热量就越高；反之，果蔬温度越低，呼吸强度越低，其呼吸所产生的热量就越低。到目前为止，还非常缺乏夏季不同品种的果蔬在实际流通过程中其品温升高的数据。流通包括如下环节：果蔬采收后的处理、装箱、集货、运输、批发市场批发、次日清晨整理及批发销售。日本的石井先生1975年曾报道，夏季采收27℃品温的豆角，没有预冷，经上述流通环节流通，20h后其品温升高到41℃。

果蔬品温为32～40℃的高温时，会使果蔬成熟和变软，质地和颜色发生变化，从而导致果蔬加速衰老，果蔬水分蒸发引起萎蔫，细菌、真菌和酵母菌浸染引起腐烂，产生异味异臭，风味丧失，营养物质大量损失并导致果蔬品质降低。

2.果蔬预冷定义

果蔬预冷也称为果蔬冷却，是在运输上市、贮藏或加工以前，将采收的新鲜果蔬尽可能早地迅速去除田间热，冷却到果蔬的中心温度接近于适宜贮藏温度的过程。大多数果蔬特别是易腐果蔬采后预冷非常重要，适当地预冷可以减少果蔬腐烂，保持其采前的新鲜度和品质。预冷是创造果蔬适宜保鲜温度环境的第一步，在高温下延长果蔬从采收到预冷的时间必定增加腐烂，及时将果蔬预冷到所需的温度，可以抑制腐败微生物的生长、酶的活性和呼吸作用，控制水分损失和减少果蔬释放的乙烯。

预冷工艺的主要应用对象是园艺农产品，特别是果蔬、花卉和菌类，是冷链物流的第一个环节，称为“最先一公里”，其突出特点是快速冷却。大多数果蔬冷库是专门设计用来贮藏果蔬商品，冷库的制冷量和空气流速均不足以快速预冷果蔬。因此，预冷通常需要独立进行操作，并需要专业预冷装备。

2.2.1.2 果蔬预冷方法

常用的预冷方法有以下几种：空气预冷（冷库预冷、压差预冷）、冷水预冷、蒸发预冷（真空预冷、水蒸发冷却）、冰或冰浆预冷，方法虽然不同，但都可以迅速将果蔬中的热量传递到冷却介质如空气、水或冰中，预冷所需要的时间一般为20min至24h。

果蔬的冷却速度取决于以下四个因素：

1）果蔬和冷却介质的对流换热，特别是围绕或通过果蔬或其包装容器的冷却介质流速和果蔬与冷却介质的接触程度。

2）果蔬和冷却介质的温差。

3）冷却介质的种类和热物性。

4）果蔬的热导率。

半冷却时间和八分之七冷却时间是将果蔬和冷却介质的温差分别降低一半和八分之七时所需要的时间，八分之七冷却时间相当于三个半冷却时间的总和。从理论上讲，半冷却时间和八分之七冷却时间是独立的，与果蔬的初温无关，而且在整个冷却过程中保持不变。因此，一旦测定出某一果蔬在某一冷却方式下的半冷却时间，就可以估算出冷却所需要的时间，而不用考虑果蔬和冷却介质的温度。对于非冷敏性果蔬，八分之七冷却时间得到的预冷温度结果更接近于果蔬贮藏和运输所需要的温度，因此常用于商业化果蔬预冷实践中。

冷却方法、包装类型、包装和码垛方式都会影响果蔬的冷却速率。

1.空气预冷

空气冷却包括冷库通风预冷和压差通风冷却。空气冷却时容易造成水果和蔬菜失水，但在高湿空气条件下可以抑制失水，因此目前常使用95%或以上相对湿度的空气预冷。

（1）冷库通风预冷

冷库通风预冷又称普通冷却或冷库预冷，是将带有包装的果蔬放在冷库中进行冷却。像苹果、柑橘和梨就可以在做短期或长期贮藏的冷库中进行预冷，目前国内许多果蔬生产企业都是采用此方法进行果蔬预冷。使用此种方法时，配置足够制冷量，并保证库内各处冷却均匀，且空气以1～2m/s的流速在包装容器周围和包装容器间循环，这时冷却效果最好。必须注意包装箱要堆码合理，且留有风道，以保证气流能从包装箱外的风道穿过。冷却间每天或每隔一天进出货一次，高效冷却需要18～24h或更长的时间。冷库通风预冷的缺点是冷却速度及效率都低。

（2）压差通风预冷

压差通风预冷是通过风机在包装箱的两侧形成正压和负压所产生的压力差进行的冷却。使用此种方法时包装箱必须开孔，每侧开孔面积至少大于包装箱侧面积的5%，强制冷风穿过包装箱内流动，空气和果蔬直接强制对流换热来加速果蔬的冷却降温。如果需要快速冷却时须增大制冷系统的制冷量，并提高每个货堆的风速和流量。压差通风预冷比冷库通风预冷的预冷速度快2～10倍，虽然比冷水预冷和真空预冷的预冷速度慢，但是解决了不适于用冷水预冷和真空预冷的果蔬预冷问题。压差通风预冷几乎适用于所有的果蔬，对草莓、葡萄、甜瓜和番茄等果蔬预冷效果最好，也适用于黄瓜、青椒和菜花的预冷。

2.冷水预冷

水是一种优异的冷却介质，在同等条件下其冷却效果大大优于空气。果蔬冷水预冷是一种快速有效的预冷方法，但是果蔬的包装容器要耐湿。冷水预冷可用冷水冲、冷水喷淋或将果蔬浸泡在冷水中来进行冷却降温。尽管在水冷开始时由于果蔬的温度较高会使水温发生变化，但制冷系统只要具有足够的制冷能力就可将水温保持在1℃左右。目前通常使用的冷水预冷方式是喷淋式冷水预冷和沉浸式冷水预冷两种方式，两种方式都包含水流动系统和传送带传送果蔬系统。在传送带冷水预冷机中，果蔬产品经过预冷机时，用冷水喷淋或将产品浸泡在冷水中，可在包装箱中放一层或多层果蔬产品，预冷机可以400～600L/（m2·min）的水流量从顶部喷淋冷水，对装在托盘上盛满果蔬的塑料箱或包装箱进行冷却，托盘可码1～3层高，冷水从顶部的喷嘴中喷出。装在托盘板条箱中的芹菜和甜玉米及塑料箱中的青花菜常用这种方式进行冷水预冷。装在托盘板条箱中的果蔬冷水预冷速度比零散无包装的单体果蔬产品冷水预冷速度要慢，因为板条部分阻挡水穿过它直接接触包装箱内的果蔬产品。

冷水预冷常出现的问题是冷水预冷机中的冷水温度不够低、水流速度不合适和果蔬在水中冷却时间不足。直径7.6cm的桃子在1.6℃水中停留30min，可将其温度从32℃降到4℃，而同样条件下，直径为5.1cm的桃子在15min内可冷却到同样的温度。冷水预冷机使用的水通常是循环使用的，这样就会导致果蔬腐败微生物的积累，存在污染隐患，因此冷水预冷机中常加入次氯酸盐溶液作为杀菌剂，并且每天采用清水冲洗干净。

适用于冷水预冷的常见果蔬有萝卜、胡萝卜和马铃薯等根菜类蔬菜，还有网纹甜瓜、苹果、梨、樱桃、荔枝、龙眼、芦笋、青花菜、芹菜、菜豆、豌豆、甜玉米等果蔬。

3.真空预冷

真空预冷是一种蒸发式冷却，将果蔬放在气密的容器中，迅速抽出空气和水蒸气，使水分在真空容器的低压下蒸发，果蔬产品因表面水分的蒸发而冷却。当容器中的压力下降时，蒸发可以连续进行，如果压力下降到610.6Pa（或4.6mmHg），果蔬将蒸发冷却到0℃。在一个标准大气压101.325kPa（或760mmHg）下，水的沸点是100℃，蒸发潜热为2256.28kJ/kg；而当压力下降到610.6Pa（或4.6mmHg），水的沸点近0℃，蒸发潜热为2834.20kJ/kg。真空预冷过程中，温度每降低5℃，失水为重量的1%。因此在真空预冷过程中允许果蔬的失水范围为1.5%～5%，若失水超过5%，真空预冷装备应增设喷雾加湿功能。

真空预冷所用真空罐的大小差异很大，小型移动真空预冷装置只能装几个托盘，而大型固定的真空预冷装置，一次可预冷数吨果蔬，通常是两个大型的真空罐交替使用或同时使用。目前真空预冷装置普遍使用旋转真空泵来减压。

真空预冷非常适用于表面积与体积之比较大的叶菜类蔬菜预冷，真空冷却速度和终温受蔬菜表面积和体积之比及蔬菜组织失水的难易度和容器抽真空速度的影响。蒸发面积大的叶菜类蔬菜如生菜、菠菜和欧芹预冷速度快，蔬菜温度从20℃降到0℃只需要30min左右的时间。如果真空预冷机装有预先加湿和喷雾装置，就能防止果蔬组织失水。还有一些蔬菜也可使用真空冷却，如芦笋、青花菜、花椰菜、甘蓝、芹菜、抱子甘蓝、葱、蘑菇。表面积与体积之比很小的产品如水果、果菜类和根茎类蔬菜不适于真空冷却，可选用其他冷却方法。采用真空预冷的适宜包装方式是能够适当通风、允许水分蒸发的纤维板箱或塑料薄膜。

4.加冰预冷和流态冰预冷

（1）加冰预冷

包装中加冰预冷是一种古老传统的预冷方法，就是在运输容器或包装箱中加入冰屑或细碎的冰块。加冰预冷适用于那些与冰接触不会产生伤害的水果和蔬菜，如菠菜、羽衣甘蓝、青花菜、花椰菜、抱子甘蓝、胡萝卜、甜玉米和网纹甜瓜。要将果蔬从35℃降到2℃，需要融化占果蔬产品重量38%的冰。雪花冰或碎冰一般加在包装箱的顶部，以降低果蔬温度和在运输过程中保证产品新鲜度。目前顶部加冰只是作为上述几项基本预冷方法（压差预冷、冷库通风预冷、冷水预冷水、真空预冷）的辅助措施，常用于木板箱包装的甜玉米、芹菜、其他叶菜和事先包装在薄膜袋中的萝卜和胡萝卜及聚苯乙烯泡沫箱包装的青花菜和芦笋。

（2）流态冰预冷

流态冰是一种特殊的冰水混合物，比热容大且流动性好，特别是流态冰中冰晶颗粒小、无尖锐表面，不损伤果蔬表面，果蔬外观保持好。因此，流态冰既可以直接对果蔬进行预冷又可以制取低温高湿空气对果蔬进行预冷，更多的用于青花菜、甜玉米、樱桃、芹菜等果蔬。根据果蔬与流态冰或与由流态冰降温处理的低温高湿空气间传热传质规律，得出流态冰的流速、含冰率、冰粒直径等参数对预冷空气的温度分布、湿度分布、流场分布等参数的影响，强化预冷过程的传热传质，提高果蔬预冷速度，降低流态冰消耗，降低预冷能耗。在保证实现果蔬预冷节能的同时，一方面通过流态冰蓄冷降低设备的装机容量、降低能耗、降低初始投资，另一方面通过流态冰蓄冷实现电网的“削峰填谷”，降低流态冰预冷装备的运行费用。

2.2.1.3 果蔬预冷的作用

果蔬预冷是使用设置在果蔬种植基地的果蔬预冷装备或设施来实现的。预冷为新鲜果蔬特别是易腐果蔬上市流通提供了保障，只有种植生产者得到了实惠，才能吸引种植生产者引入果蔬预冷装备和设施，果蔬产地预冷才能不断得到发展和完善。除了种植生产者，果蔬预冷对市场销售和消费者同样能带来益处。

1.种植生产者方面得到的益处

1）几乎没有不能销售的果蔬产品及质量不符合要求的退换商品。

2）销售的地域和范围扩大。

3）销售价格上升。

4）可以促进果蔬新品种引入。

2.市场销售方面得到的益处

1）根据销售能力，有计划地按需采购果蔬产品。

2）减少流通中需要处理的果蔬垃圾。

3.消费者方面得到的益处

1）可以吃到新鲜、味美、有营养的高品质果蔬。

2）保障果蔬品质安全，有利于消费者的身体健康。

2.2.1.4 果蔬预冷行业现状概述

我国是世界第一果蔬生产大国，2018年我国蔬菜和水果产量分别达7.03亿t和2.57亿t，由于采后处理和冷链装备及技术缺乏，特别是专业化预冷设施严重匮乏，大约80%的果蔬是未经预冷而在高温或常温状态下流通的，导致果蔬采后流通损失严重，目前水果流通腐损率为11%左右，蔬菜流通腐损率为20%以上，经济损失巨大，果蔬品质和安全得不到保证，有效供给不足，无效供给过剩。在占比20%的预冷果蔬中，大部分的预冷是采用普通冷藏库完成的，冷却效率低，速度慢，效果差，能耗高，无法达到果蔬预冷工艺的要求，严重影响了果蔬在流通过程中的品质。目前出口的生鲜果蔬，预冷率100%，采用全程冷链来满足出口果蔬品质要求。

麦当劳、肯德基等美国在我国的快餐食品公司，是我国最主要结球生菜的采购集团，随着全球一体化，结球生菜的产品质量要求也与全球接轨。2002年开始，麦当劳的结球生菜鲜切加工供货商要求其中国结球生菜种植者，必须提供的是产地及时预冷、低温贮藏和低温冷藏车运输的冷链保鲜结球生菜，在鲜切蔬菜加工厂交货时的结球生菜内部中心温度低于4℃。在此背景下，北京市农林科学院蔬菜研究中心在张家口张北县主持设计和建造了30t/d结球生菜压差预冷库和恒温保鲜库，2003年7月15日上午9点以后采收结球生菜总量8.8t，结球生菜品温高达26～27℃，共504箱，平均每箱重约17.5kg，尽管结球生菜初始温度较高，但经过4.5h预冷降温，结球生菜品温均低于3℃，最低为1.5℃，完善了结球生菜产地压差预冷及冷链流通保鲜技术。北京结球生菜种植生产和流通企业提供品温4℃低温冷链物流结球生菜，冷链流通率达到100%，冷链流通腐损率低于3%，减少流通腐损率20%以上，年均提供冷链生菜2000t以上。并且，成功地采用压差预冷技术替代真空预冷技术在产地进行叶菜类蔬菜预冷，为企业节省投资70%。

江苏和天津产地预冷青花菜是在冷水池中加入大冰块，用冰将井水降温使其接近0℃，青花菜装入塑料筐中，人工将塑料筐浸入冰水池中预冷青花菜；海南也采用同样方法预冷豇豆。

自2013年到2015年，北京市农林科学院在“十二五”国家科技支撑计划课题支持下，研发了接触式冷水冷却装备，并在广州市对荔枝进行产地冷水预冷和冷链流通，将荔枝从品温21℃通过冷水预冷降至3℃，冷水预冷时间12min，预冷后的荔枝用冷藏集装箱运往全国各地销售和出口。通过冷水预冷保持了荔枝的新鲜品质，流通损耗低于5%。2013年山东省果树研究所等单位联合研制出1t/h喷淋式冷水预冷机，相继在山东烟台台上村和北京通州区沙古堆聚隆农业合作联合社进行了生产性实验验证，设备改进定型后在朝阳区张格庄镇批发市场、烟台芝罘区的蔚林农业、烟台栖霞恩然庄园进行了示范应用，并推广到五莲、厉家寨、泰安等樱桃产区，及河南、陕西、四川等省份的樱桃产区。

2.2.1.5 果蔬预冷装备现状

我国果蔬预冷技术研究始于20世纪80年代中期。1986年北京市农林科学院蔬菜研究中心依托日本无偿援助项目，建立了蔬菜采后示范体系，为在我国实现30种蔬菜周年供应提供配套的蔬菜采后处理分级、包装、预冷、冷藏、冷藏运输、中转分配及上市流通等蔬菜采后商品标准化技术措施，以减少采后流通损耗。

在果蔬压差预冷装备方面，北京市农林科学院从1988年开始引进日本集装箱式压差预冷装备至1998年，进行了蔬菜压差预冷工艺的研究，1998年至2007年是消化吸收阶段，1999年在北京市朝阳区王四营乡主持设计建造了国内首座40t/d果蔬压差预冷库和恒温保鲜库；2002年在张家口市张北县主持设计建造了30t/d结球生菜压差预冷库和恒温保鲜库；2007年在浙江省平湖市主持设计建造了20t/d芦笋压差预冷库和恒温保鲜库。2008年至2019年在消化吸收的基础上进入了集成创新阶段，将原来引进的果蔬压差预冷用通风装置，增加了喷雾加湿系统，创制出一种果蔬蒸发式压差预冷装置和果蔬高湿压差预冷用通风装置（ZL 200920317005.1）；在蒸发式压差预冷装置基础上配置蒸发器，创制出一种分体式果蔬高湿压差预冷装置（ZL 201020513098.8）；在分体式果蔬高湿压差预冷装置基础上配置制冷压缩冷凝机组，创制出一种一体机式果蔬压差预冷装置（ZL 201120203066.2）；通过对压差预冷通风装置的风机进行风速和风量调控，可以对果蔬压差预冷过程的各个阶段实现优化，提高预冷效率，降低压差预冷过程的能耗，由此创制出一种高效节能型果蔬高湿压差预冷用通风装置（ZL 201020513238.1）和可移动双壁面吸入式压差预冷通风装置（ZL 201320260024.1）。北京市农林科学院在压差预冷装置集成创新的基础上，与大连冷冻机股份有限公司合作，设计创制出40ft车载移动式果蔬集装箱压差预冷装置（ZL 201220426143.5）；与山东神州制冷设备有限公司、烟台万德嘉制冷空调设备有限公司合作，分别创制出20ft移动式果蔬集装箱高湿变风量压差预冷装置（ZL 201520763070.2）和7m移动式果蔬集装箱双温区压差预冷装备（ZL 201620578073.3）。

在果蔬冷水预冷装备方面，北京市农林科学院在“十二五”国家科技支撑计划课题支持下，与绍兴高金冷冻空调设备有限公司合作，创制出新型节能型接触式冷水冷却装置（ZL 201520763940.6），该装置采用隔热保温结构，自动控制水温和传送带速度，预冷效率高，节能效果显著，实现了用机械冷水预冷装置代替人工操作的传统冰水池冷水预冷果蔬，提高了生产效率，同时开发了果蔬喷淋式冷水冷却装置（ZL 201620269474.0）。

2013年，山东省果树研究所和山东龙口凯祥有限公司联合研制出1t/h喷淋式冷水预冷机（ZL201620929150.5、ZL201620929201.4），2014年在烟台市福山区张格庄镇台上村棒师傅樱桃合作社进行了实际生产性实验，冷水预冷装入塑料周转箱的樱桃，水温控制在5℃，顶层周转箱中樱桃果温从25℃降低到7℃，只需要2.5min，最底层周转箱果温从25℃降低到7℃，只需要3.5min。

在果蔬真空预冷装备方面，1990年广州制冷设备研究所设计出我国第一台真空冷却设备；上海锦立保鲜科技有限公司开发了一系列果蔬真空预冷装备，包括一体式真空预冷机、双槽双系统侧滑门真空预冷机、双槽双层真空预冷机、双槽真空预冷机、双门贯通式真空预冷机、电动侧滑单门真空预冷机、手动单门真空预冷机、双程控制真空预冷机、真空预冷实验机，形成了自主的知识产权和技术。

果蔬流态冰预冷装备是采用过冷水动态制冰技术，利用水过冷不结冰特性，并在过冷解除装置中消除过冷，不断产生细小的球状冰晶（直径通常只有0.2～0.8mm），由于其冰体可流动，且冰晶细小圆滑，因此其冰晶可迅速全方位包裹蔬菜，从而达到快速均匀降温的效果，预冷速率是普通冰的3～5倍，同时，由于其冰晶结构特性，填充蔬菜时可保护蔬菜免受机械损伤。现阶段研究表明，流态冰预冷技术可以快速将西兰花降温至0.4℃，降温时间缩短至4h，延长贮藏时间1～2d，同时有效延缓贮藏期间西兰花的叶绿素、VC、硫代葡萄糖苷和TSS含量的下降，提高CAT、POD和APX活性；延长甜玉米贮藏期至28d，缓解甜玉米TSS、可溶性蛋白、可溶性淀粉、可溶性总糖和VC含量的降解，减缓甜玉米气味和口感的变化，有效维持西兰花和甜玉米的品质，延长货架期。

2.2.1.6 果蔬预冷技术研究进展

1.不同规格对番茄预冷效果和失重率的影响

大、中、小三种不同规格番茄的压差预冷时间分别为160min、140min、120min（图2-2）。规格越小，预冷速度越快，预冷时间越短，失重率最少；规格越大，预冷时间越长，失重率越多（图2-3）。在实际预冷操作中，为使果蔬预冷均匀，最好将其按不同规格大小分级，并分别预冷。

2.不同外包装和预冷方式对结球生菜预冷效果和失重率的影响

塑料箱和纸箱外包装的结球生菜压差预冷时间分别为180min和210min，塑料箱和纸箱外包装的结球生菜冷库预冷时间分别为300min和390min（图2-4）。塑料箱外包装的结球生菜预冷速率明显快于纸箱外包装的结球生菜，压差预冷明显快于冷库预冷。塑料箱外包装并压差预冷的结球生菜失重率为0.82%，纸箱外包装并冷库预冷的结球生菜失重率为1.04%，前者失重率明显少于后者（图2-5）。预冷方式对结球生菜预冷效果的影响明显高于外包装箱的影响。塑料箱外包装结合压差预冷的预冷方法效果最好。

3.不同的外包装和开孔面积对甜玉米预冷效果的影响

开孔面积分别为2.3%和4%塑料箱外包装的甜玉米半冷却时间分别为101min和95min，开孔面积分别2.3%和4%纸箱外包装的甜玉米半冷却时间分别为105min和98min（图2-6）。塑料箱外包装的预冷效果好于纸箱外包装，开孔面积较大的外包装半冷却时间短于开孔面积较小的外包装。

开孔面积分别为2.3%和4%塑料箱外包装的甜玉米八分之七冷却时间分别为191min和173min，开孔面积分别为2.3%和4%纸箱外包装的甜玉米八分之七冷却时间分别为204min和182min（图2-7）。塑料箱外包装的甜玉米八分之七冷却时间明显短于纸箱外包装，且外包装开孔面积越大八分之七冷却时间越短。

4.不同预冷方法对桃子预冷效果的影响

桃子由21℃初温预冷至4.9℃，冷水预冷、压差预冷和冷库预冷的预冷时间分别为37min、140min和215min（图2-8）。冷水预冷最快，压差预冷其次，冷库预冷最慢；冷水预冷预冷速度分别是压差预冷和冷库预冷的3.8倍和5.8倍，压差预冷预冷速度是冷库预冷的1.5倍。

5.不同预冷方法对青花菜和甜玉米预冷效果的影响

流态冰预冷青花菜时由25.6℃初温降至0.4℃只需4h，而冷库预冷青花菜10h后由25.6℃初温才降低至5.6℃（图2-9）。青花菜预冷过程中，流态冰预冷的效果远好于冷库预冷，既节省时间，又减少失重。

甜玉米经流态冰预冷，由初温26.9℃降为0℃需要5h，而冷库预冷16h后从初温26.9℃才降至10.1℃（图2-10）。因此，甜玉米流态冰预冷速率比冷库预冷快得多，流态冰预冷甜玉米是一个比较适合的预冷方法。

6.雪青梨预冷效果数值分析

采用计算流体力学（CFD）软件FLUENT，建立雪青梨的压差预冷、冷库预冷、冰水预冷仿真模型，并对其进行数值模拟，对比了三种预冷方式下冷却效果的差异，并进行了实验验证。

（1）预冷仿真模型的建立

雪青梨压差预冷和冷库预冷仿真物理模型如图2-11所示，冰水预冷仿真物理模型如图2-12所示。

（2）数值计算与结果分析

模型区域网格划分采用TGird非结构化网格，压差预冷和冷库预冷均采用κ-ε模型和SIMPLE算法，低湍流强度，冰水预冷采用导热模型。

雪青梨的温度从26℃初温降至3℃，冰水预冷、压差预冷、冷库预冷的八分之七冷却时间分别为1.33h、3.87h和6.8h，失重率分别为0%、0.25%和0.46%；冷却均匀性系数分别为0.08、0.21和0.54。图2-13所示的数值计算结果和试验结果相吻合，验证了理论模型的可靠性。

7.草莓压差预冷研究及对其品质影响分析

（1）模型的建立与求解

压差预冷CFD多尺度模拟仿真，针对草莓单体尺度，探讨不同预冷条件下的传热分析，确定掠过草莓单体表面最佳冷风温度、最佳冷风速度；针对外包装箱尺度，对压差预冷降温效果进行分析及对箱体结构进行优化，确定包装系统中的最佳开孔组合及开孔率和码垛方式；针对压差预冷箱体尺度，对温度场以及能耗进行比较分析，确定压差预冷最优箱体结构。

1）草莓压差预冷多尺度模型和草莓单体预冷模型。草莓压差预冷多尺度模型和草莓单体预冷模型如图2-14所示。

2）草莓外包装箱预冷模型。外包装箱形状为长方体，尺寸为400mm×250mm×200mm，标准托盘规格为1200mm×1000mm，每层可摆放12个外包装箱。草莓内包装塑料盒外形尺寸为190mm×110mm×90mm，每个外包装箱恰好放置8个草莓内包装塑料盒，草莓随机排列在内包装塑料盒内。外包装箱命名为Box，外包装箱开孔命名为B-vent，内包装塑料盒命名为Clamshell，编号为1～8，内包装塑料盒开孔命名为C-vent，单个草莓内包装塑料盒分矩形开孔（图2-15b）和圆形开孔（图2-15c），外包装箱内摆放8个内包装塑料盒，由此形成草莓的商业化内外包装体系，如图2-15所示。

外包装箱开孔（B-vent）形状为圆形孔，前后各开六个孔，分别开30mm、40mm、50mm、60mm四种直径规格的圆孔，开孔率分别为5.3%、9.4%、14.7%和21.2%。草莓内包装塑料盒形状为目前已商业化的翻盖塑料盒形状，塑料盒开孔（C-vent）有矩形和圆形两种形状，矩形孔尺寸长宽分别为15mm×12mm、20mm×15mm、30mm×15mm三种规格，前后各开三个孔；圆形孔尺寸直径分别为15mm、20mm、25mm三种规格，前后各开三个孔。其中矩形的三种规格和圆形的三种规格分别对应的开孔率相同，开孔率分别为4.8%、8.5%和13.3%，如图2-16所示。

（2）数值模拟

1）不同外包装箱开孔（B-vent）面积对草莓预冷效果的影响。开孔率越大，降温速度越快，当开孔率增加到一定值时，降温速度的加快不太明显，开孔过大，预冷后的草莓回升温度更快，包装箱强度也受到影响，需要优化最佳的开孔直径和面积。草莓从25℃初温预冷至3℃、外包装箱开孔（B-vent）直径分别为30mm、40mm、50mm和60mm时的草莓八分之七冷却时间分别为180min、135min、108min和97min；开孔直径从30mm增加到40mm，八分之七预冷时间缩短了45min，从40mm增加到50mm，八分之七预冷时间缩短了17min，从50mm增加到60mm，八分之七预冷时间缩短了11min；60mm比30mm开孔直径的八分之七冷却时间缩短了83min（图2-17）。

2）不同内包装塑料盒开孔（C-vent）面积对草莓预冷效果的影响。在外包装箱开孔直径40mm前提下，模拟了不同内包装塑料盒开孔（C-vent）的开孔率分别为4.8%、8.5%和13.3%时的预冷效果。每种开孔率对应圆形和矩形两种形状，降温曲线如图2-18所示。

在外包装箱开孔（B-vent）直径确定为40mm的前提下，内包装箱塑料盒开孔（C-vent）率越大，降温速度越快，且在预冷初期降温曲线比较陡，预冷的后期降温曲线都趋于平缓。

（3）内外包装开孔设计及结果分析

1）草莓纸箱的开孔设计。草莓纸箱尺寸为400mm×250mm×200mm，纸箱开孔形状为圆形孔，前后各开六个孔，分别为30mm、40mm、50mm和60mm四种直径规格的圆形孔，开孔率分别为5.3%、9.4%、14.7%、21.2%，具体如图2-19所示。

2）草莓内包装塑料盒的开孔设计。内包装塑料盒开孔有矩形和圆形两种形状，矩形外形尺寸长宽为15mm×12mm、20mm×15mm、30mm×15mm三种规格，前后各开三个孔；圆形有直径15mm、20mm、25mm三种规格，前后各开三个孔。其中矩形的三种规格和圆形的三种规格分别对应的开孔率相同，开孔率分别为4.8%、8.5%和13.3%，如图2-20所示。

3）不同外包装箱开孔（B-vent）直径条件下的预冷效果。预冷前，将整个外包装箱的环境温度降温至0℃，外包装箱进风口侧风速为1.5m/s，风温为0℃；在草莓内包装塑料盒开孔（C-vent）固定的情况下，当外包装箱开孔（B-vent）直径分别为30mm、40mm、50mm、60mm时的草莓预冷降温曲线如图2-21所示。

从图2-21可知，开孔越大预冷降温效果越好，当外包装箱开孔（B-vent）直径分别为30mm、40mm、50mm、60mm时的八分之七冷却时间分别为190min、136min、120min和92min，外包装箱开孔直径60mm比开孔直径30mm的预冷时间缩短了一半。

2.2.1.7 果蔬预冷行业发展存在的问题

1.缺乏科学合理的产地预冷统一规划布局

果蔬产地预冷体系建设是一项涉及果蔬生物学、制冷技术、工程热物理、自动控制等跨学科、技术复杂的系统工程，尤其面对我国果蔬产量巨大、品种繁多、预冷率很低等的具体情况，亟须有一个全国统一的科学合理的产地预冷规划布局。

虽然国务院办公厅的发文《国务院办公厅关于加快发展冷链物流保障食品安全促进消费升级的意见》即国办发〔2017〕29号中重点强调了聚焦农产品产地“最先一公里”等突出问题，但还缺少实施落地的具体法规和政策，短期内还无法突破产地预冷的瓶颈。

2.产地专业化预冷装备与设施严重不足，自动化程度低

我国产地专业化预冷装备与设施严重不足。国内果蔬预冷率约为20%，但是其中大部分果蔬预冷是通过普通冷库实施的。比如海南省果蔬预冷都是冷库预冷，所用冷库基本都是氨制冷系统冷库，设备陈旧老化，许多冷库还是国内20世纪七八十年代的水平。冷库的配置没有按预冷库的设计配置制冷系统，基本是按照普通果蔬冷库建造，没有专业化预冷设施。大多数冷库建在批发市场内，需要一定的时间集货，预冷不及时，预冷时间长达24h，预冷效率低，果蔬生产收获旺季不能达到快速预冷及周转目的，预冷果蔬质量不高。目前我国无论产地预冷装备专业化程度还是数量都远远不能满足果蔬产地预冷生产的需求。

预冷装备与设施自动化程度低，导致不能精准控制预冷装备或预冷库内的温度，也不能自动显示库内温度和预冷蔬菜的中心温度。预冷装备与设施机械化程度低，预冷冷库内搭架堆放蔬菜，且大多数冷库蔬菜进出靠人工搬运，效率低。

3.预冷配套工艺不完善

预冷工艺不合理，同一间冷库内蔬菜预冷和冷藏功能并用。由于大量蔬菜采收上市且周转率低，前面预冷的蔬菜还没有及时出库运销，后面急需预冷的蔬菜又进入冷库预冷，从而导致预冷过的低温蔬菜和刚采收的高温蔬菜冷热交换，造成已预冷过的蔬菜重新升温。

蔬菜预冷周转率低，例如海南省蔬菜预冷和冷藏周转率平均为9天。由于蔬菜属于高度易腐的鲜活农产品，加之海南气温高，因为采后不能及时预冷，预冷时间长等原因，严重影响蔬菜的新鲜品质。像欧洲、美国、日本等发达地区和国家的蔬菜基本是夏季当天采收，当天分级、包装、预冷，预冷后直接用冷藏车运输上市销售，冷库只是冷藏暂存，这样就很好地保证了蔬菜品质。

不同品种的果蔬，对于具体的预冷方式、预冷速率、包装以及码垛方式等配套工艺有不同的要求，预冷后的品质也会受到上述因素的影响。国内虽然已有部分针对果蔬预冷工艺方面的研究，但是仍然缺乏预冷机理及预冷工艺等方面的系统性研究。

4.能耗大、成本高

首先，目前的果蔬预冷多采用冷库预冷，能耗高，运行成本较高，不利于市场竞争和我国节约型社会的发展。其次，预冷设备末期由于冷却介质温度和被冷却产品之间温差已经很小，继续大功率运行对于预冷效果改善不大，而且大大增加了能耗，然而现有的预冷设备大都是定频，还不能很好地解决此问题。第三，预冷装备的设计阶段对于气流组织、温度控制、多温区、变频等技术的重视程度不够，使得果蔬预冷装备在能源利用率方面表现较差。

5.若干果蔬预冷关键技术需要完善

（1）预冷工艺研究

预冷工艺的研究，其目的是为了保证果蔬的品质和取得最大的经济效益，这就要求预冷过程应满足尽可能快地去除果蔬田间热，从而有效降低果蔬的呼吸作用和新陈代谢，降低果蔬乙烯的释放量，尽量满足果蔬的自然属性以及市场供需的要求，综合考虑技术、成本、质量和能耗等因素，研究适宜的预冷工艺，以实现经济效益的最大化。

（2）真空预冷

虽然我国真空预冷技术已有一定的研究基础，能够自主设计并制造真空预冷装备，但是仍然有一些应用和研究的难题需要攻克。例如在应用方面，对于不同种类的果蔬，预冷目标温度不同，蒸发特性要求也不同，选择最佳的蒸发压力、真空持续时间和预冷目标温度是合理使用真空预冷技术的关键。在技术研究方面，果蔬内部的传热传质规律是实现真空预冷装备自动控制的基础，需要对温度随时间的变化以及水分随时间的变化进行深入研究。

（3）压差预冷

对于压差预冷风机风压和风量的选择、包装箱开孔形状和开孔面积优化、包装箱的码放方式、空气温度和风速、半冷却时间和八分之七冷却时间的影响因素、最优风量控制等压差预冷技术，仍然需要系统深入的研究。

（4）流态冰预冷

通过典型果蔬的流态冰预冷研究，探索果蔬与流态冰或者低温高湿空气间的传热传质规律及流态冰的流速、含冰率、冰粒直径等参数对预冷空气的温度分布、湿度分布、流场分布等参数的影响，强化预冷过程的传热传质，提高果蔬预冷速度，降低流态冰消耗，降低预冷过程的能耗。

6.果蔬产地预冷的信息化和标准化建设滞后

由于我国果蔬产地预冷装备与基础设施的缺失和技术薄弱，果蔬产地预冷的信息化建设几乎是空白。产地预冷的标准化建设也刚刚起步，到目前为止只有真空预冷机的行业标准，其他果蔬专业化预冷装备和操作规程都还是空白，无法满足果蔬产地预冷的市场化要求。