孫 靜，陳 全，王 萍，王希卓，孫 潔，程勤陽，曹建康

（1. 農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)產(chǎn)品加工工程研究所，北京 100121；2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后處理重點實驗室 北京 100121；3. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

中國是水果蔬菜生產(chǎn)和消費大國，人均果品占有量約是每天2.75 kg[1]，為保障新鮮水果和蔬菜的穩(wěn)定供應(yīng)，果蔬冷鏈物流是重要的技術(shù)手段，它要求果蔬采后從生產(chǎn)加工、貯藏運輸?shù)较M前的各環(huán)節(jié)都應(yīng)處于適宜的低溫環(huán)境中。但目前中國果蔬的冷鏈流通率和冷藏運輸率分別是5%和15%，比起發(fā)達國家的95%以上差距顯著[2]。造成此現(xiàn)象的原因主要是冷藏設(shè)施能耗大，運行成本高，不僅增加果蔬保鮮的成本而且會加重用電高峰時的電網(wǎng)負荷，經(jīng)濟效益和社會效益均不理想，導(dǎo)致冷鏈物流在經(jīng)濟較為落后的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地發(fā)展受阻，冷鏈出現(xiàn)斷鏈[3]。在倡導(dǎo)綠色發(fā)展的今天，研究高效、節(jié)能的冷藏設(shè)施是促進我國果蔬冷鏈物流現(xiàn)代化發(fā)展的重要舉措。

蓄冷技術(shù)是利用某些工程材料的顯熱、潛熱或化學(xué)反應(yīng)熱的特性，貯藏冷能并加以合理使用的一種實用貯能技術(shù)[4]。實際應(yīng)用中是在夜間電力負荷低谷時，運行制冷設(shè)備并將其產(chǎn)生的冷量存儲在蓄冷介質(zhì)中，然后在白天電力負荷高峰時期釋放此冷量，滿足各種冷負荷需求[5－6]。70年代能源危機的出現(xiàn)，使蓄冷技術(shù)得到了快速發(fā)展，因其在節(jié)能、環(huán)保和降低制冷成本上的顯著優(yōu)勢[7]，蓄冷技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于暖通、食品、化工、醫(yī)療等許多領(lǐng)域[8-18]。

目前乙二醇做為載冷劑已被廣泛用于冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)[19]，能有效地削峰填谷、緩解用電高峰負荷；減少用電費用，降低運行成本。目前尚無該技術(shù)在果蔬貯藏保鮮設(shè)施方面應(yīng)用的報道。本研究以冷凝水蓄冷技術(shù)為基礎(chǔ)，采用乙二醇為載冷劑，研制了乙二醇蓄冷保鮮庫，該庫利用夜間波谷電給乙二醇蓄冷，在白天波峰時段將蓄好的冷能釋放用于果蔬保鮮。通過對冷庫性能、保鮮效果和運行成本的分析，探討了乙二醇蓄冷保鮮庫用于果品貯藏保鮮的可能性，為解決冷庫運行成本高、運行時電網(wǎng)負荷嚴重等問題提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

黃冠梨于2016年9月15日采自甘肅景泰條山農(nóng)場，采收后立即運往隴西縣文峰鎮(zhèn)“隴西縣豐碩農(nóng)民專業(yè)合作社”，挑選成熟度一致（八至九成熟）、新鮮、無病蟲害、無外傷的黃冠梨?zhèn)溆谩?/p>

1.2 貯藏保鮮設(shè)施

1.2.1 對照冷藏庫

研究用對照機械冷藏庫是簡易冷藏設(shè)施，保溫結(jié)構(gòu)是24 cm厚磚墻（一側(cè)墻面有窗，尺寸1.0 m×0.8 m，窗內(nèi)側(cè)用100 mm厚聚苯乙烯保溫板填實，密封），內(nèi)做聚氨酯整體發(fā)泡，聚氨酯厚度100 mm。冷庫外形尺寸為5 m× 8 m×3.5 m，容積約140 m3，容量約為30 t；庫門尺寸750 mm×1 800 mm。制冷系統(tǒng)主要設(shè)備：5HP渦旋制冷壓縮機組1臺（比澤爾機頭）和DD60/30蒸發(fā)器（冷風(fēng)機）1臺。

1.2.2 乙二醇蓄冷庫

研究用乙二醇蓄冷保鮮庫由簡易冷藏設(shè)施改造而成，通過制冷循環(huán)、蓄冷劑循環(huán)和保鮮庫制冷循環(huán) 3個循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)用載冷劑蓄冷為果蔬保鮮提供冷源（圖1）。乙二醇蓄冷保鮮庫的保溫結(jié)構(gòu)、冷庫外形尺寸同1.2.1所述。制冷系統(tǒng)主要設(shè)備：8HP半封閉制冷壓縮機組1臺（基伊埃機頭），B3-050-40板式換熱器1臺，F(xiàn)NH37.2/100蒸發(fā)器（冷風(fēng)機）1臺。乙二醇蓄冷箱材質(zhì)為304不銹鋼，外形尺寸為2.8 m×2 m×2.5 m，內(nèi)置保溫層為聚氨酯泡沫塑料，厚度為100 mm，乙二醇質(zhì)量分數(shù)為37.8%，工作溫度為-8～-12 ℃。改造后的乙二醇蓄冷保鮮設(shè)施如圖2所示。

圖1 乙二醇蓄冷庫制冷系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of refrigeration system for cold storage with ethylene glycol as secondary refrigerant

圖2 乙二醇蓄冷庫Fig.2 Cold storage with ethylene glycol as secondary refrigerant

1.3 主要儀器

Testo174H溫濕度記錄儀，德國德圖有限公司；GY-1手持果實硬度計，杭州托普儀器有限公司；PAL-1手持糖度計，日本 ATAGO有限責(zé)任公司；GMK-835N手持酸度計，韓國G-WON有限責(zé)任公司。

1.4 方法

1.4.1 試驗處理

將挑選好的黃冠梨放入內(nèi)襯無紡布袋的塑料筐（尺寸為60 cm×42 cm×32 cm）中，將無紡布袋口扎緊。將包裝好的黃冠梨置于機械冷庫，經(jīng)過2～3 d將庫溫降到15℃，再每1～2d將庫溫降低2 ℃，直到庫溫降到1℃的方法進行梯度降溫預(yù)冷。預(yù)冷結(jié)束后，將黃冠梨轉(zhuǎn)移到對照機械冷藏庫和乙二醇蓄冷保鮮庫中進行貯藏，貯藏時溫度均設(shè)定為-0.5～1 ℃。

1.4.2 冷庫性能測試方法

1）冷庫溫度穩(wěn)定性和均勻性

空庫條件下，對照機械冷藏庫和乙二醇蓄冷保鮮庫的溫度均設(shè)定為0～1 ℃，待二者庫溫穩(wěn)定后，采用溫濕度記錄儀監(jiān)測庫內(nèi)測溫點溫度，每小時監(jiān)測 1次，監(jiān)測時間為24 h，測溫點分布如圖3所示，每個測溫點距地面高度均為 0.5 m。相關(guān)計算公式如式（1）與式（2）所示。

式中Tlkc為庫內(nèi)第k小時測溫點l的溫度與庫內(nèi)平均溫度的差值，℃；Tlk為冷庫內(nèi)第k小時測溫點l的溫度，℃；Tak為庫內(nèi)第k小時的平均溫度，℃。

圖3 測溫點分布Fig.3 Distribution of temperature measurement point

2）蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度

空庫條件下，對照機械冷藏庫和乙二醇蓄冷保鮮庫的溫度均設(shè)定為0～1 ℃，待二者庫溫穩(wěn)定后，采用溫濕度記錄儀監(jiān)測蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度，每小時監(jiān)測 1次，監(jiān)測時間為24 h。

1.4.3 梨貯藏品質(zhì)測定方法

1）質(zhì)量損失率

參考Cao等[20]的質(zhì)量測定法。每個處理100個黃冠梨果實。重復(fù)3次。

式中W為質(zhì)量損失率，%；W0為貯藏前果實的質(zhì)量，kg；Wi為貯藏第i天果實的質(zhì)量，kg。

2）硬度

參考Pan等[21]的方法，采用GY-1型果實硬度計（測頭直徑為1cm），圍繞果實中部，削去果皮后均勻取3個點測定。每個處理10個果實。重復(fù)3次。

3）可溶性固形物含量

果實可溶性固形物含量參考Wang等[22]的方法，采用手持糖度計測定。每個處理10個果實。重復(fù)3次。

4）可滴定酸含量

果實可滴定酸含量采用手持酸度計測定。每個處理10個果實。重復(fù)3次。

5）腐爛率

定期統(tǒng)計貯藏過程中果實自然腐爛情況并計算果實腐爛率。每個處理100個果實。重復(fù)3次。

式中F為腐爛率，%；Fi為貯藏第i天腐爛果實數(shù)量，個；N0為貯藏前果實數(shù)量，個。

6）褐心率

參考Li等黑心率統(tǒng)計方法[23]，略有改動。將果實縱切成兩半，統(tǒng)計褐心率。每個處理10個果實。重復(fù)3次。

式中B為褐心率，%；Bi為貯藏第i天褐心果實數(shù)量，個；N0為貯藏前果實數(shù)量，個。

1.5 數(shù)據(jù)處理

參考張娜等[24]方法，略做改動。采用Excel2010對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和單因素方差分析。采用無重復(fù)雙因素分析法分析處理間的差異顯著性（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 冷庫性能

2.1.1 溫度穩(wěn)定性

冷藏設(shè)施溫度的穩(wěn)定性直接影響庫內(nèi)貨物貯藏質(zhì)量[25-26]。研究采用庫內(nèi)各測溫點的平均溫度隨時間的變化表示貯藏設(shè)施的溫度穩(wěn)定性。結(jié)果如圖 4所示，乙二醇蓄冷庫測溫點的平均溫度在 0.18～0.32 ℃，而對照冷藏庫測溫點的平均溫度為-0.10～1.00 ℃，可見，乙二醇蓄冷庫的溫度穩(wěn)定性更好。

圖4 不同貯藏設(shè)施的溫度穩(wěn)定性Fig.4 Temperature stability of different storage installations

2.1.2 溫度均勻性

冷藏設(shè)施的溫度均勻性影響庫溫控制精度和貨物貯藏質(zhì)量[26-27]。研究采用各測溫點距庫內(nèi)平均溫度的差值表示庫內(nèi)溫度的均勻性。如圖5a所示，乙二醇蓄冷庫測溫點2和點3的溫度基本一致，點1、點4和點5這3個測溫點的溫度雖不相同，但差異也不大，最大差溫僅為0.6 ℃（第7個小時），5個測溫點間溫差最大為0.8℃（第7個小時）。對照冷藏庫5個測溫點的溫度波動都比較大（圖5b），測溫點之間的最大溫差為1.5 ℃，約是乙二醇蓄冷庫的1.9倍。可見乙二醇蓄冷庫的溫度均勻性好于對照冷藏庫。

圖5 不同貯藏設(shè)施的溫度均勻性Fig.5 Temperature uniformity of different storage installations

冷藏設(shè)施溫度均勻性及其波動受圍護結(jié)構(gòu)厚度、庫溫控制方式、貨物堆積方式等因素影響[25]。試驗用乙二醇蓄冷庫和對照冷藏庫在圍護結(jié)構(gòu)厚度、貨物堆積方式、冷藏間內(nèi)蒸發(fā)器位置等方面完全相同，乙二醇蓄冷庫溫度均勻性好于對照冷藏庫可能是因為乙二醇蓄冷庫由壓縮機制冷系統(tǒng)、蓄冷劑循環(huán)系統(tǒng)和冷藏間制冷系統(tǒng) 3個循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，與冷藏間空氣進行熱交換的是儲存了冷能的乙二醇溶液，而對照冷藏庫與冷藏間空氣進行熱交換的是氟利昂（R22），溫度更低，與冷藏間設(shè)定溫度的差距更大，使冷藏間的溫度波動更劇烈，溫度穩(wěn)定性較差。

2.1.3 出風(fēng)口溫度

一位紀檢干部曾講過這樣一個故事：在查閱一名違紀干部的履歷表時，他發(fā)現(xiàn)該干部曾有多次參加黨校學(xué)習(xí)和理論培訓(xùn)的經(jīng)歷，并且?guī)缀趺看慰己硕紴椤皟?yōu)秀”。為此，該紀檢干部一時困惑：“這位履歷表堪稱完美的領(lǐng)導(dǎo)，為何竟會違紀？”學(xué)風(fēng)不正、教育培訓(xùn)走過場是癥結(jié)所在。

冷藏間蒸發(fā)器出風(fēng)口的溫度與冷藏間溫度越接近，冷庫的庫溫越穩(wěn)定。庫溫波動越小。如圖 6所示，乙二醇蓄冷庫的蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度更加穩(wěn)定，溫度波動范圍為-0.8～-0.2 ℃，最大溫差為 0.6 ℃，對照冷藏庫蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度波動范圍為-1.4～0 ℃，最大溫差1.4 ℃，高于乙二醇蓄冷庫。與乙二醇蓄冷庫冷藏間空氣進行熱交換的是儲存了冷能的乙二醇溶液，與對照冷藏庫的R22相比，乙二醇溶液的蒸發(fā)溫度更接近冷藏間設(shè)計溫度，使得出風(fēng)口溫度更接近庫溫，而且變化幅度較小，更加穩(wěn)定。

2.2 保鮮效果

2.2.1 質(zhì)量損失率

質(zhì)量損失率是影響梨果實商品價值和品質(zhì)價值的重要指標，質(zhì)量損失率過高，直接影響果品經(jīng)銷商的收入。采用乙二醇蓄冷庫和對照冷藏庫貯藏黃冠梨，貯藏期間黃冠梨質(zhì)量損失率如圖7a所示。在貯藏前100 d，乙二醇蓄冷庫和對照冷藏庫貯藏的黃冠梨都未發(fā)生質(zhì)量損失現(xiàn)象，貯藏 100 d以后，逐步開始出現(xiàn)質(zhì)量損失，貯藏第210天，對照冷藏庫黃冠梨的質(zhì)量損失率為2.38%，乙二醇蓄冷庫的質(zhì)量損失率為1.23%，顯著優(yōu)于對照冷庫。已有研究表明，減少貯藏設(shè)施溫度波動，可有效降低其質(zhì)量損失率[28]，乙二醇蓄冷庫的出風(fēng)口溫度更接近果蔬貯藏溫度，庫內(nèi)溫度更波動較小，這可能是乙二醇蓄冷庫貯藏的黃冠梨在貯藏后期質(zhì)量損失率較低的原因。

圖6 蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度Fig.6 Temperature of evaporator output draught

圖7 貯藏設(shè)施對貯藏期間黃冠梨貯藏品質(zhì)的影響Fig.7 Effect of storage installations on storage quality of‘Huangguan’ pear during storage

2.2.2 硬度

硬度是衡量黃冠梨果實采后生理變化的重要指標之一[29]。從圖7b可以看出，隨貯藏時間的延長，黃冠梨的果實硬度總體呈下降趨勢，蓄冷庫貯藏和對照冷庫貯藏對貯藏期黃冠梨硬度下降趨勢沒有顯著影響。

2.2.3 可溶性固形物含量

由圖7c可知，黃冠梨果實可溶性固形物含量在貯藏過程中呈先上升后下降的趨勢。主要是因為果實在貯藏前期淀粉等多糖類物質(zhì)向可溶性糖的轉(zhuǎn)化從而使可溶性固形物含量有所增加，之后隨果實呼吸作用的增強逐漸降低[30]。蓄冷庫和對照冷庫貯藏的黃冠梨在可溶性固形物含量變化上沒有顯著差異。

2.2.4 可滴定酸含量

隨著貯藏時間的延長，黃冠梨果實可滴定酸含量呈先上升后下降趨勢（圖7d）。在貯藏第60天達到最高，此時，蓄冷庫貯藏的黃冠梨果實可滴定酸含量略高，但差異不顯著。

2.2.5 腐爛率

腐爛率不僅影響已腐爛果實的銷售，決定農(nóng)民收益，而且腐爛果實中病源菌的侵染會使原本未腐爛的果實也發(fā)生腐爛變質(zhì)，影響整體貯藏效果。采用乙二醇蓄冷庫和對照冷藏庫貯藏黃冠梨，貯藏前期果實均未發(fā)生腐爛（圖8），貯藏到第210天時，出現(xiàn)果實腐爛現(xiàn)象，此時，乙二醇蓄冷庫和對照冷藏庫貯藏的黃冠梨的腐爛率分別是1.20%±0.84%和1.80%±0.84%，采用2種冷藏設(shè)施貯存黃冠梨，其腐爛率沒有顯著差別。

圖8 貯藏設(shè)施對貯藏期間黃冠梨腐爛率的影響Fig.8 Effect of storage installations on rot rate of‘Huangguan’ pear during storage

2.2.6 褐心率

由圖 9可知，貯藏條件下，黃冠梨采收后褐心率隨貯藏時間的延長顯著升高，在貯藏后期，乙二醇蓄冷庫貯藏的黃冠梨的褐心發(fā)生率低于對照冷藏庫。在貯藏第210天，對照冷藏庫褐心發(fā)生率約為26%，而乙二醇蓄冷庫貯藏的黃冠梨褐心發(fā)生率僅為18%，差異顯著。

2.3 運行成本

冷藏設(shè)施的主要運行成本是其運行時的能耗，即耗電量。為研究乙二醇蓄冷庫運行時的耗電量，分別給乙二醇蓄冷庫和對照冷藏庫安裝了波峰、波谷電表。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，乙二醇蓄冷庫利用晚間波谷電價期間給蓄冷劑降溫，將蓄好的冷用于白天用電高峰期間冷藏設(shè)施降溫。而對照冷藏庫因外界環(huán)境氣溫在每天下午達到最高，其壓縮機主要在白天波峰電時段運行，夜間波谷電時段極少運行。根據(jù)電表讀數(shù)，計算乙二醇蓄冷庫和對照冷藏庫的運行電費（表1），一個貯藏周期（上一年的9月底到第二年的5月初）一間30 t左右的乙二醇蓄冷庫的耗電總數(shù)為7 523.12 kW·h，是對照冷藏庫的1.05倍，乙二醇蓄冷庫電費為3 936.1元，是對照冷藏庫的75%，節(jié)約電費1 331.0元。

圖9 貯藏設(shè)施對貯藏期間黃冠梨褐心率的影響Fig.9 Effect of storage installations on brown heart rate of‘Huangguan’ pear during storage

此外，對照冷藏庫的冷卻排管上會結(jié)霜，使蒸發(fā)器傳熱效率下降，形成反復(fù)停機、開機、結(jié)霜、除霜的循環(huán)過程，導(dǎo)致庫溫波動，不利于果蔬的貯藏保鮮。而研發(fā)的乙二醇蓄冷庫增加了載冷劑的循環(huán)過程，縮小了蒸發(fā)器排管和冷藏間濕空氣的傳熱溫差，蒸發(fā)器上不易結(jié)霜，減少除霜作業(yè)費用，也避免了溫度波動對果蔬貯藏品質(zhì)的影響。

表1 不同貯藏設(shè)施的電費Table1 Electricity bill of different storage installation

3 結(jié) 論

1）乙二醇蓄冷庫5個測溫點的平均溫度為0.18～0.32℃，5個測溫點間最大溫差為0.8 ℃，蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度-0.8～-0.2 ℃，最大溫差僅 0.6 ℃，乙二醇蓄冷庫的溫度穩(wěn)定性、均勻性好于對照冷藏庫，有利于保障果品貯藏品質(zhì)。

2）乙二醇蓄冷庫和對照冷藏庫貯藏的黃冠梨在貯藏期間，腐爛率、硬度、可溶性固形物含量和可滴定酸含量變化情況沒有顯著差異，硬度逐漸下降，可溶性固形物和可滴定酸含量呈先上升后下降趨勢。乙二醇蓄冷庫貯藏的黃冠梨的質(zhì)量損失率和褐心率均低于對照冷庫?？傮w來說，乙二醇蓄冷庫貯藏黃冠梨的貯藏效果與普通冷庫的貯藏效果差異不大。

3）一個貯藏周期（上一年的9月底到第二年的5月初）一間30 t的乙二醇蓄冷庫的耗電量為7 523.12 kW·h，是對照冷藏庫的1.06倍。但在實行峰谷電價地區(qū)，由于其利用波谷電進行蓄冷，乙二醇蓄冷庫的電費是3 936.1元，僅對照冷藏庫的75%。

通過對乙二醇蓄冷庫的性能及其對黃冠梨保鮮效果和運行電費等方面的研究，發(fā)現(xiàn)乙二醇蓄冷庫果品保鮮效果優(yōu)良，而且在實行峰谷電價地區(qū)其運行電費更低，能有效降低運行成本、減少用電高峰時的電網(wǎng)負荷，是實行峰谷電價地區(qū)適宜的果品貯藏保鮮設(shè)施。

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