劉瓊瑜，肖 波，吳耀森,*，涂楨楷，丘文杰，馬道寬，龔 麗

（1.廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備重點實驗室，廣東 廣州 510630）

廣東是我國的荔枝大省，2020 年產(chǎn)量居全國第一[1]。近年來，廣東荔枝在國內(nèi)外市場的銷量大幅提高。據(jù)不完全統(tǒng)計，至2021 年6 月底，廣東荔枝出口量超1.5 萬t，是歷史最好成績[2]。新鮮荔枝外表鮮紅或紫紅，產(chǎn)量大、上市期集中、不易貯存，若采摘后不進行處理，1～2 d 即出現(xiàn)褐變腐敗現(xiàn)象，貯藏期間損失可達20%～30%[3-4]。為延長貯藏時間，目前有采用二氧化氯、二氧化硫等抑制微生物生長及鹽酸浸漬處理護色等方法[5]，但這些方法存在化學(xué)殘留，有危害人體健康的風(fēng)險。因此，采用高品質(zhì)冷鏈貯運是延長荔枝保鮮期的主要途徑。

預(yù)冷是荔枝采后冷鏈貯運的第一環(huán)節(jié)，對延長荔枝的貯藏期和保障品質(zhì)具有重要的作用。常見的荔枝預(yù)冷方式包括冷庫預(yù)冷[6-7]、差壓預(yù)冷[8-11]、真空預(yù)冷[12-13]與冰水預(yù)冷[14-15]。冷庫預(yù)冷具有工序簡單、成本較低、環(huán)保安全的優(yōu)點，因而是最為常見的荔枝預(yù)冷方式。王冠邦等[6]對果蔬冷庫預(yù)冷傳熱流動物理場進行分析，得出了各物理場之間的相關(guān)關(guān)系。顏麗萍等[16]對比了包括冷庫在內(nèi)的不同預(yù)冷方式、包裝及果實規(guī)格對番茄預(yù)冷效果的影響。劉霞等[17]研究了不同包裝方式對黃瓜等果蔬冷庫預(yù)冷效果的影響。此外，陳明林[18]對比分析了不同預(yù)冷方式下的荔枝降溫特性，結(jié)果表明，冷庫預(yù)冷時間最長，預(yù)冷均勻性差于浸泡和噴淋條件下的預(yù)冷均勻性。總體來說，荔枝冷庫預(yù)冷的不足有：①荔枝果實對冷庫溫度波動敏感，在3 ℃以下預(yù)冷易發(fā)生冷害，導(dǎo)致果皮快速褐變，降低商品價值[4,19]；②存在冷庫預(yù)冷均勻性問題，相對風(fēng)機的不同位置處，荔枝的果溫差異顯著[18]，尤其是靠近冷風(fēng)口處，溫度最低，易受冷害[7]。

針對冷庫預(yù)冷的上述問題，作者團隊研發(fā)了基于制冷劑二次冷凝融霜技術(shù)的冷庫，該冷庫能夠降低庫溫波動。本文采用帶二次冷凝融霜功能的冷庫對廣東主要荔枝品種進行預(yù)冷試驗，研究預(yù)冷庫溫和風(fēng)速對荔枝降溫特性及均勻性的影響，以期為荔枝冷庫預(yù)冷工藝參數(shù)的設(shè)置提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料

試驗荔枝品種為糯米糍、桂味與懷枝，從廣州市增城區(qū)果園采摘后歷經(jīng)約3 h 運送到天河區(qū)實驗室，人工去除枝葉、留蒂、揀去病果，每份20 kg，裝于塑料網(wǎng)眼筐中，分組進行試驗。

1.1.2 設(shè)備

除霜是冷庫、冷藏車等農(nóng)產(chǎn)品冷鏈裝備必不可少的工作環(huán)節(jié)[20]。目前廣泛使用電融霜、熱氣融霜等技術(shù)[21]，融霜時需要停止制冷并向冷庫輸入熱量，造成冷庫溫升、制冷效率下降。本次試驗冷庫采用制冷劑二次冷凝融霜，實現(xiàn)融霜過程中仍然對降溫環(huán)境凈吸熱，有效降低融霜溫升，提升能效與品質(zhì)（圖1）。

圖1 帶有二次冷凝融霜模式的冷庫制冷系統(tǒng)Fig. 1 Cold storage refrigeration system with secondary condensation and defrosting mode

使用規(guī)格為5.8 m×2.9 m×2.8 m（長×寬×高）的冷庫對荔枝進行預(yù)冷。制冷機組為北京谷輪壓縮機有限公司風(fēng)冷機組（機頭型號：ZB21KQE），制冷劑為浙江巨化股份有限公司R507 制冷劑，配有3 臺浙江高翔工貿(mào)有限公司DD15 冷風(fēng)機。將冷風(fēng)機階梯式懸掛于冷風(fēng)機支架上，風(fēng)機最低邊緣分別垂直距離庫內(nèi)地面0.5、1.1、1.7 m，將裝有荔枝的塑料網(wǎng)眼筐置于冷風(fēng)機前方，位置如圖2 所示。冷空氣由冷風(fēng)機出口吹過荔枝鮮果，在冷庫內(nèi)循環(huán)1 次后回到冷風(fēng)機回風(fēng)口。

圖2 冷風(fēng)機及荔枝位置Fig. 2 Locations of air cooler and litchi

試驗使用的測量儀器為：RC-4 探針溫度記錄儀、RC-4HC 溫濕度記錄儀，江蘇省精創(chuàng)電器股份有限公司；KANOMAX 智能型熱式風(fēng)速風(fēng)量儀6036，日本加野麥克斯株式會社。使用的網(wǎng)眼筐為：聚乙烯網(wǎng)眼筐，長×寬×高為0.5 m×0.35 m×0.28 m。

1.2 方法

采用帶探針的RC-4 溫度記錄儀記錄不同位置荔枝溫度。對預(yù)處理后的荔枝，每筐取3 個荔枝將溫度計探針插入果肉中（取樣點距球心r=5 mm），做好編號，分別置于每筐前部的上層、中部中層與后部下層3 處，如圖3 所示。啟動記錄儀，每1 min 記錄1 次溫度。將每筐荔枝置于冷庫中預(yù)冷，待荔枝果肉降至目標溫度時將荔枝取出轉(zhuǎn)入5 ℃冷藏庫中，隔一段時間后觀察荔枝外表變化。

圖3 取樣點示意圖Fig. 3 Schematic diagram of sampling points

研究荔枝不同預(yù)冷工藝的具體試驗方案如表1所示。

表1 預(yù)冷工藝試驗方案表Table 1 Experimental methods for different precooling processes

1.3 預(yù)冷降溫模型

為預(yù)測荔枝預(yù)冷時長，詳細了解荔枝降溫特點，為實際預(yù)冷作業(yè)提供參考，建立了荔枝預(yù)冷降溫模型。

1.3.1 物理模型與假設(shè)

根據(jù)荔枝果尺寸構(gòu)建一維幾何模型，并對荔枝果實預(yù)冷過程作出以下假設(shè)：

（1）荔枝果實為均質(zhì)球體，內(nèi)部熱量傳遞為球?qū)ΨQ非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。

（2）荔枝的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱、熱擴散率等為常數(shù)。

（3）荔枝與空氣對流換熱，忽略輻射換熱。

（4）冷庫內(nèi)空氣為不可壓縮流體。

（5）忽略墻體、支架、網(wǎng)眼筐等對流經(jīng)荔枝的冷空氣的影響。

1.3.2 數(shù)學(xué)模型

荔枝果實內(nèi)部熱量傳遞的球?qū)ΨQ、常物性、有內(nèi)熱源的非穩(wěn)定導(dǎo)熱方程如下[22]：

式中：α 為荔枝熱擴散率，m2/s；qv為荔枝果肉內(nèi)熱源，W/m3；T 為荔枝內(nèi)某點某時刻溫度，K；τ 為時間，s；r 為荔枝內(nèi)某點半徑，m；ρ 為荔枝果肉密度，kg/m3；c為荔枝果肉比熱，J/（kg·K）。

初始條件：

邊界條件：

式中：λ 為荔枝果肉導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；h 為荔枝對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Tw為荔枝最外層果肉溫度，℃；T∞為周圍空氣環(huán)境溫度，℃。

1.3.3 模型參數(shù)

采用流體外掠圓球的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)公式計算對流換熱系數(shù)h[23]：

式中：Nu 為努塞爾數(shù)；Re 為雷諾數(shù)；Pr 為普朗特數(shù)；μ∞為外部流體的動力黏度；μw為圓球體表面流體的動力黏度；L 為球體的特征長度，此處取球體半徑R，單位：m。

由于研究表明不同品種荔枝的物理特性相差不大[24-25]，為方便計算，假設(shè)本試驗使用的桂味、懷枝與糯米糍荔枝果實傳熱參數(shù)相同，模型相關(guān)參數(shù)如表2。

表2 模型相關(guān)參數(shù)表Table 2 Model parameters table

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Comsol 軟件建立傳熱仿真模型，模擬不同預(yù)冷工況下荔枝果實從常溫降至5 ℃時的降溫曲線，通過試驗結(jié)果標定對流換熱系數(shù)，修正荔枝果實降溫模型。采用Origin 軟件對模擬結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 二次冷凝融霜冷庫溫度穩(wěn)定性

預(yù)冷庫溫設(shè)定為2 ℃時，冷庫開機至預(yù)冷結(jié)束過程中的回風(fēng)口溫度如圖4 所示。由圖4 可以看出，實測冷庫溫度有一定波動，但波動幅度低于5 ℃，這是由于融霜和定頻壓縮機啟動停止造成的。然而，相比其他融霜方式（如常用的電除霜方式制冷環(huán)境溫度波動可能超過10 ℃[29]），本試驗所用帶二次冷凝融霜功能的冷庫庫溫波動顯著減小。

圖4 實測冷庫溫度Fig. 4 Measured cold storage temperatures

2.2 冷害溫度

研究預(yù)冷庫溫對荔枝保鮮效果的影響。將帶二次冷凝融霜功能的冷庫設(shè)定為預(yù)冷模式，荔枝迎面風(fēng)速2.3 m/s，庫內(nèi)相對濕度80%。將預(yù)處理后的荔枝分別置于設(shè)定庫溫為0、2、4 ℃的冷庫中試驗，荔枝初始平均溫度為25 ℃。預(yù)冷過程中，記錄每筐荔枝上中下3個取樣點的溫度。預(yù)冷結(jié)束后，將荔枝轉(zhuǎn)入5 ℃冷藏庫中貯藏22 h，然后取出置于常溫中觀察荔枝外表。試驗發(fā)現(xiàn)，當荔枝果肉預(yù)冷至低于4 ℃時，貯藏過程中易出現(xiàn)冷害現(xiàn)象，荔枝表皮暗淡且出現(xiàn)褐斑（圖5）。

圖5 荔枝冷害現(xiàn)象Fig. 5 The phenomenon of chilling injury in litchi

2.3 模型驗證

由于荔枝顆粒間孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、其中風(fēng)速也難測定，因而，無法直接計算對流換熱系數(shù)。利用試驗的荔枝降溫曲線來標定對流換熱系數(shù)，從而實現(xiàn)對荔枝預(yù)冷過程的預(yù)測。

為減少下層網(wǎng)眼筐荔枝和置物架的影響，選取置于上層網(wǎng)眼筐中荔枝（取樣點1、2、3）的平均溫度作為觀測和模擬對象。荔枝傳熱過程近似于單球體強制對流換熱，由于糯米糍荔枝與其他品種荔枝相比果徑較大而果核較小，使用探針測量核側(cè)果肉溫度時受果實外空氣影響較小，因此模擬糯米糍荔枝降溫過程。

由于帶二次冷凝融霜功能的冷庫設(shè)定庫溫為2 ℃后，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時冷庫冷風(fēng)機回風(fēng)溫度在2～6.5 ℃范圍內(nèi)周期性波動（圖4）。測得實際出風(fēng)溫度比回風(fēng)溫度低3 ℃，使用出風(fēng)溫度作為實際冷卻荔枝的冷空氣溫度。如圖6 所示，實測荔枝果肉的溫度接近模擬曲線，有個別實測果肉溫度值與模擬數(shù)值偏差稍大，原因可能為：一是冷風(fēng)機除霜引起庫溫回升影響預(yù)冷；二是實際荔枝堆積在長方體網(wǎng)眼筐中，相鄰荔枝會互相影響，并非是單純冷風(fēng)外掠球體。該結(jié)果表明，本文模型可以預(yù)測整筐荔枝的預(yù)冷降溫過程，但需要對對流換熱系數(shù)做準確的測定或標定。利用在冷庫設(shè)定庫溫2 ℃、風(fēng)速2.3 m/s 下預(yù)冷測得的荔枝溫度，取糯米糍平均果徑為0.03 m，其他參數(shù)見表1，標定模型對流換熱系數(shù)為28 W/（m2·K）。

圖6 2 ℃下荔枝實測溫度與固定溫度模擬曲線Fig. 6 Simulation curves of measured and fixed litchi temperatures at 2 ℃

圖7 為計算得到的糯米糍荔枝內(nèi)層與外層果肉溫差在預(yù)冷過程中的變化。由圖7 可知，荔枝內(nèi)層與外層果肉溫差先增大后逐漸減少，降至0.5 ℃需110 min。預(yù)冷時長為8 min 時，溫差達到峰值（5.13 ℃）。

圖7 荔枝果肉內(nèi)層與外層溫度差變化曲線Fig. 7 Variation curve of temperature difference between inner layer and outer layer of litchi pulp

2.4 荔枝預(yù)冷特性分析

2.4.1 不同品種荔枝預(yù)冷時長

設(shè)置預(yù)冷庫溫為2 ℃，網(wǎng)眼筐迎面風(fēng)速為2.3 m/s，相對濕度為80%。將新鮮糯米糍、桂味與懷枝荔枝預(yù)處理后，放入預(yù)冷庫，荔枝初始平均溫度分別為25.4、25.5、25.6 ℃。測量取樣點1～6 的荔枝溫度并取平均值得到圖8?？傮w來看，不同品種荔枝降溫過程相似。桂味降溫最快，而糯米糍降溫最慢，這是因為桂味荔枝的果實體積最小，懷枝次之，糯米糍體積最大。不同品種荔枝預(yù)冷降至5 ℃所需時長見表3。如表3 所示，桂味荔枝預(yù)冷降至5 ℃所需時間最短，為98 min，其次是懷枝，糯米滋用時最長。

圖8 不同品種荔枝在2 ℃設(shè)定庫溫下溫度變化Fig. 8 Temperature changes of different litchi varieties at 2 ℃

表3 設(shè)定庫溫2 ℃下不同品種荔枝預(yù)冷降至5 ℃所需時間Table 3 The duration of pre-cooling from 2 ℃to 5 ℃for different litchi varieties

2.4.2 不同預(yù)冷庫溫條件下荔枝預(yù)冷時長

圖9 為在庫溫0、2、4 ℃下預(yù)冷荔枝的果肉溫度變化情況?？梢钥闯?，預(yù)冷庫溫越低，荔枝果肉降溫速率越快。由于桂味果徑稍小，預(yù)冷時長受庫溫影響較糯米糍與懷枝明顯，故此處選桂味進行討論。網(wǎng)眼筐迎面風(fēng)速為2.3 m/s 時，在不同預(yù)冷庫溫下，桂味果肉從常溫預(yù)冷至5 ℃所需時長如表4 所示?？梢钥闯?，桂味在預(yù)冷庫溫為0 ℃時降溫最快，降至5 ℃僅需93 min，而在預(yù)冷庫溫為2 ℃和4 ℃時降溫時長分別為218 min 和290 min。

圖9 桂味在不同預(yù)冷庫溫下的果肉溫度變化曲線圖Fig. 9 Variation curves of pulp temperatures of Guiwei under different pre-cooling storage temperatures

表4 不同庫溫下桂味荔枝預(yù)冷降至5 ℃所需時長Table 4 The time required for Guiwei pre-cooling to 5 ℃at different temperatures

2.4.3 不同預(yù)冷風(fēng)速條件下荔枝預(yù)冷時長

研究荔枝在不同預(yù)冷風(fēng)速下的預(yù)冷效果，由于糯米糍荔枝果實表面較為平滑，不同風(fēng)速下預(yù)冷時受相鄰荔枝的影響較小，故選擇糯米糍為討論對象。將糯米糍荔枝做好預(yù)處理，置于預(yù)冷庫中，設(shè)定庫溫為2 ℃。兩組荔枝分別距離中層冷風(fēng)機出風(fēng)口0.8 m 和1.2 m，測得網(wǎng)眼筐迎面風(fēng)速分別為2.9 m/s 與2.3 m/s。荔枝平均初始溫度分別為26.0 ℃和25.7 ℃。取樣點1、2、3測得溫度的平均值及模擬值結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可見，風(fēng)速增大可加快降溫速率，但整體影響不大。迎面風(fēng)速為2.9 m/s 與2.3 m/s 時荔枝從常溫降至5 ℃的時長分別為110 min 和123 min。預(yù)冷20～40 min 時間段，迎面風(fēng)速為2.9 m/s 的荔枝果肉溫度與模擬值相差較大，原因可能是：由于相鄰荔枝的互相影響，預(yù)冷模型并非是單純冷風(fēng)外掠球體，且風(fēng)速較高時受相鄰荔枝影響較大，故擬合結(jié)果不如迎面風(fēng)速2.3 m/s。迎面風(fēng)速為2.9 m/s 與2.3 m/s 時對流換熱系數(shù)標定后分別為32 W/（m2·K）和28 W/（m2·K）。

圖10 不同預(yù)冷風(fēng)速下的荔枝果肉溫度變化曲線Fig. 10 Temperature change curves of litchi pulp under different pre-cooling wind speeds

2.4.4 荔枝預(yù)冷不均勻性

由于網(wǎng)眼筐周圍流場不均勻、筐中不同位置荔枝距網(wǎng)眼筐表面距離不同、通風(fēng)條件不同，筐中各位置荔枝溫度存在差異，易導(dǎo)致過度預(yù)冷與欠預(yù)冷。圖11為預(yù)冷庫溫2 ℃、迎面風(fēng)速2.3 m/s 時，網(wǎng)眼筐的上（取樣點1、4）、中（取樣點2、5）、下（取樣點3、6）3 層取樣點的桂味荔枝果肉溫度隨時間的變化?？梢钥闯觯煌鹬型晃恢美笾夭钶^小。從預(yù)冷開始至結(jié)束，網(wǎng)眼筐中心即取樣點2、5 處的荔枝溫度始終高于其他位置，迎風(fēng)面上層荔枝預(yù)冷速率最快，背風(fēng)面下層荔枝預(yù)冷速率次之，中心荔枝預(yù)冷速率最慢。預(yù)冷125 min 后，荔枝溫度出現(xiàn)波動，這是受庫溫波動（圖4）的影響，但該波動明顯小于庫溫波動。

圖11 網(wǎng)眼筐中不同位置果肉溫度變化Fig. 11 The changes of pulp temperatures at different positions in mesh basket

荔枝預(yù)冷程度可采用荔枝平均溫度衡量，而預(yù)冷均勻性可采用樣本標準差σ 來評價[9]。采用平均溫度可避免荔枝的過冷和欠冷，因為預(yù)冷結(jié)束后，荔枝會趨于平均溫度。采用標準差而不是變異系數(shù)衡量預(yù)冷均勻性，可避免荔枝平均溫度接近于0 的問題。圖12分別為2 ℃和0 ℃預(yù)冷庫溫下荔枝樣本平均溫度和標準偏差隨預(yù)冷時長的變化。可見，2 ℃預(yù)冷時樣本平均溫度與背風(fēng)面平均溫度幾乎一樣。荔枝預(yù)冷不均勻性隨預(yù)冷時長的增加先增大再減小，在中間某一階段達到最大。當荔枝平均溫度達到11.75 ℃時，在2σ的置信區(qū)間內(nèi)，溫度下限為4.91 ℃，上限為18.59 ℃，實測溫度均落在此范圍內(nèi)。當預(yù)冷庫溫為0 ℃時，荔枝溫度的不均勻性更大，再加上冷庫溫度的波動，當平均溫度低于4 ℃時，則很可能出現(xiàn)部分荔枝果肉溫度低于冰點的情況，這導(dǎo)致荔枝預(yù)冷有可能出現(xiàn)冷害。試驗中發(fā)現(xiàn)，0 ℃預(yù)冷，當中心部分荔枝降溫到5 ℃時，迎風(fēng)面部分荔枝溫度已經(jīng)降至0.2 ℃。

圖12 荔枝預(yù)冷不均勻性Fig. 12 Pre-cooling inhomogeneity of litchi

根據(jù)以上試驗結(jié)果，綜合考慮溫度波動，帶二次冷凝融霜功能的冷庫預(yù)冷荔枝時，荔枝平均溫度不應(yīng)低于5 ℃，以防止冷害的發(fā)生。

3 結(jié)論

本文研究了網(wǎng)眼筐裝荔枝在帶二次冷凝融霜功能冷庫中的預(yù)冷特性，建立了荔枝在預(yù)冷過程中的傳熱模型并進行了驗證。結(jié)果表明：

（1）本試驗所用帶二次冷凝融霜功能的冷庫融霜過程庫溫波動幅度低于5 ℃，顯著小于采用其他常用融霜方式的冷庫。

（2）本次模型結(jié)果與實測荔枝果肉降溫過程相近，可以作為預(yù)測荔枝降溫的參考。在同一預(yù)冷風(fēng)速下，預(yù)冷庫溫越低，降溫速度越快，但若荔枝果肉平均溫度低于5 ℃，則易出現(xiàn)冷害現(xiàn)象。不同品種的荔枝在同一條件下降溫速率由大到小分別為桂味、懷枝、糯米糍，主要由鮮果球徑不同導(dǎo)致。

（3）網(wǎng)眼筐中荔枝預(yù)冷程度可采用荔枝平均溫度衡量，而預(yù)冷均勻性可采用樣本標準差來評價。綜合考慮預(yù)冷不均勻性和冷庫溫度波動，帶二次冷凝融霜功能的冷庫預(yù)冷荔枝的過程中荔枝平均溫度不應(yīng)低于5 ℃。

（3）建議實際預(yù)冷時，果徑大的荔枝靠近出風(fēng)口擺放，果徑小的距離稍遠；同一品種荔枝預(yù)冷時，將小果置于中下層，大果置于上層，有利于加速預(yù)冷；選取不同位置荔枝的平均溫度至5 ℃時即可停止預(yù)冷，防止荔枝出現(xiàn)冷害。