液氮充注氣調對馬鈴薯保鮮環境參數的影響

王廣海+陸華忠+呂恩利+侯可明+王飛仁+何偉寧

摘要：為研究液氮充注氣調對馬鈴薯貯藏溫度、相對濕度和氧氣體積分數等保鮮環境參數的影響，搭建了液氮充注氣調試驗平臺，進行了液氮充注試驗，對比翅片間距、通風風速和環境溫度3個試驗因素對廂體后側溫度、相對濕度和氧氣體積分數的影響。試驗結果表明：翅片間距越大，降氧和降溫速度越慢，相對濕度總體呈先降低后升高的變化規律；通風風速對氧氣體積分數和溫度的影響顯著，通風風速越大，降氧速度越慢，降溫速度越快，相對濕度與溫度相互對應；環境溫度對氧氣體積分數、溫度和相對濕度的影響不顯著。試驗結果可為氣調保鮮裝備的研究提供參考。

關鍵詞：翅片間距；通風風速；環境溫度；保鮮環境；馬鈴薯；液氮

中圖分類號： TS205

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0312-03

液氮充注氣調可綜合調控廂體內溫度、濕度、氧氣和二氧化碳體積分數，實現果蔬物理保鮮，提高貯運品質，有效減少損耗率[1-6]。液氮溫度低，冷能大，直接充注容易造成果蔬局部低溫凍傷，需加裝汽化器輔助汽化，汽化器翅片參數、通風風速和環境溫度等因素直接影響保鮮環境參數[7-9]。國內外相關研究主要集中于氣調保鮮技術、環境參數調控特性和控制策略等內容，針對液氮充注氣調對果蔬保鮮環境參數影響的相關研究還比較少[10-15]。液氮充注氣調引起果蔬貯藏環境參數的變化程度直接影響保鮮品質，是氣調環境調控技術不可忽視的重要環節，有必要進行深入分析。本研究通過搭建液氮充注氣調試驗平臺，分析液氮充注氣調過程中汽化器翅片間距、通風風速和環境溫度等試驗因素對馬鈴薯貯藏溫度、相對濕度和氧氣體積分數等保鮮環境參數的影響，為果蔬氣調保鮮裝備的研究提供參考。

1 試驗裝置與方法

液氮充注氣調試驗裝置見圖1。試驗廂體由12 mm厚有機玻璃板制成，長×寬×高為2.38 m×1.28 m×1.40 m，廂體內外壁均用50 mm厚保溫泡沫板覆蓋。試驗初始環境溫度和濕度分別由制冷機組（自制，額定功率1 491 W）和超聲波加濕裝置（內置24個超聲波加濕霧化頭，額定功率250 W）調節。自增壓液氮罐（型號YDZ-100，最大出液壓力0.09 MPa）開啟向廂體內充注液氮，流經汽化器形成低溫氮氣，在風機（型號YM2420AXB1，最大流量16.84 m3/min，并排2個）的壓差作用下使氣流從回風道流經開孔隔板（開孔率為4.03%）至馬鈴薯貯藏區，液氮充注時開啟電動球閥（通徑50 mm，電壓24 V，廂體兩側各1個）泄壓，實現廂體內外氣體交換，降低氧氣體積分數。廂體后端布置1個溫度傳感器（測量范圍：-20～80 ℃，精度：±0.3 ℃）、1個濕度傳感器（測量范圍：0～99.9%，精度：±2%RH）和1個氧氣濃度傳感器（測量范圍：0～25%，精度±1%），用以測量廂體內的溫度、濕度和氧氣體積分數，開孔隔板內側均勻布置5個溫度傳感器，用以測量隔板平均溫度。各傳感器數值通過無紙記錄儀實時記錄（記錄頻率1次/s），并儲存于電子計算機內。

試驗材料選用馬鈴薯，總質量 250 kg，購于廣州市白云農副產品批發市場，形狀規則，無病蟲害，無機械損傷，表皮呈淡黃色。馬鈴薯經過預冷后裝入塑料筐內，塑料筐規格（長×寬×高）為495 mm×355 mm×255 mm，網狀結構，開孔率為38.5%，堆垛方式為中間、兩側留空，堆垛左、右間距為 55 mm，前、后間距為135 mm。

以汽化器翅片間距、通風風速和初始環境溫度為試驗因素，結合項目經驗和國內外相關文獻[16-20]選取試驗因素水平值，如表1所示。

2 結果與分析

2.1 翅片間距對馬鈴薯保鮮環境參數的影響

調節廂體內初始環境溫度為（5±0.2） ℃，相對濕度為（85±5）%，氧氣體積分數為（20.5±0.5）%，通風風速為6 m/s，分別選用翅片間距為4、5、6、7 mm的汽化器進行液氮充注試驗，分析汽化器翅片間距對馬鈴薯保鮮環境參數的影響情況，試驗結果如圖2、圖3和圖4所示。

由圖2可知，翅片間距越大，降氧速度越慢。原因是汽化器翅片間距大，翅片表面結霜量較小，結霜產生的空氣流動阻力及熱阻相對較小，汽化器管內液氮流動過程中氣相增加，管內壓降增大，使液氮流動阻力增大，流量減小，從而降低了降氧速度。

由圖3可知，翅片間距越大，降溫速度越慢。原因是汽化器翅片間距大，空氣流動阻力及熱阻小，換熱效果好，汽化器管內液氮流動阻力增大，流量減小，液氮出氣溫度高，從而降溫速度慢。從總體上看，溫度呈先略升后急降的降溫規律，原因是液氮充注初始階段，液氮罐處于自增壓過程，出液流量小，汽化器出氣溫度較高，致使廂體后側溫度略微升高后再迅速降低。

由圖4可以看出，翅片間距對廂體后側相對濕度的影響不顯著，相對濕度總體呈先降低后升高的變化規律。原因是廂體后側溫度呈先略升后急降的降溫規律，在密閉的貯藏空間里，溫度升高時，濕度值會偏離飽和值，使相對濕度降低，而降溫過程使濕度值更接近飽和值，提高了相對濕度，即廂體內相對濕度總體也呈先降低后升高的變化規律。液氮充注初始階段，當翅片間距為4 mm時，汽化器換熱表面積最大，出氣溫度最高，使廂體后側溫度升高幅度最大，從而致使相對濕度呈先迅速下降后上升的規律。

2.2 通風風速對馬鈴薯保鮮環境參數的影響

調節廂體內初始環境溫度為（5±0.2） ℃，相對濕度為（85±5）%，氧氣體積分數為（20.5±0.5）%，汽化器翅片間距選用4 mm，分別在0、2、4、6 m/s的通風風速下進行液氮充注試驗，分析通風風速對馬鈴薯保鮮環境參數的影響情況，試驗結果如圖5、圖6和圖7所示。

由圖5可知，通風風速對氧氣體積分數的影響顯著，通風風速越大，降氧速度越慢。首先，通風風速大，汽化器換熱效果好，汽化器管內壓降增大，使液氮流動阻力增大，流量減小，降低了降氧速度。其次，液氮充注時開啟電動球閥進行泄壓，通風風速大，加快了廂內氣流循環，使電動球閥附近單位體積內氧氣體積分數下降，泄壓換氣的排氧比例減少，從而降低了降氧速度。

由圖6可知，通風風速對廂體后側溫度的影響顯著，通風風速越大，降溫速度越快。原因是通風風速大，氣流循環的速度加快，液氮釋放的冷能迅速與廂體后側進行熱交換，提高了降溫速度。當通風風速為0m/s時，汽化器換熱效果較差，結霜嚴重，且廂體內的氣流無法進行循環，使得液氮釋放的冷能都在廂體前端聚集，致使廂體后側溫度出現不降反升的情況。

由圖7可以看出，通風風速對廂體后側相對濕度的影響顯著，相對濕度與溫度相互對應，當通風風速大使得降溫速度快時，相對濕度上升的速度也快。當通風風速為0 m/s時，試驗結束時隔板平均溫度為-2.78 ℃，廂體后側溫度為 6.7 ℃，前后溫差為9.48 ℃，試驗過程廂體后側相對濕度從80%降至39%。

2.3 環境溫度對馬鈴薯保鮮環境參數的影響

調節廂體內初始環境相對濕度為（85±5）%，氧氣體積分數為（20.5±0.5）%，汽化器翅片間距選用4 mm，通風風速設定為6 m/s，分別在5、10、15、20 ℃的初始環境溫度下進行液氮充注試驗，分析環境溫度對馬鈴薯保鮮環境參數的影響情況，試驗結果如圖8、圖9和圖10所示。

由圖8可知，環境溫度對氧氣體積分數的影響不顯著，不同初始環境溫度下的降氧速度差別不大。原因是液氮溫度約為-196 ℃，廂體環境溫度的變化對汽化器管內外溫差的影響較小，換熱系數差別不大，所以環境溫度對降氧速度的影響程度較小。

由圖9可知，環境溫度對廂體后側溫度的影響不顯著，不同初始環境溫度下的降溫速度差別不大，原因是廂體環境溫度的變化對汽化器換熱系數的影響較小。當廂體初始環境溫度為5 ℃時進行液氮充注試驗，試驗結束時廂體后側溫度降至0 ℃，容易引起馬鈴薯低溫凍傷。

由圖10可以看出，環境溫度對廂體后側相對濕度的影響不顯著，相對濕度總體呈先降低后升高的變化規律，與降溫過程相互對應。

3 結論與討論

為研究液氮充注氣調對馬鈴薯保鮮環境參數的影響，搭建了液氮充注氣調試驗平臺，進行了液氮充注試驗。試驗結果表明：（1）翅片間距越大，降氧和降溫速度越慢，翅片間距對相對濕度的影響不顯著，相對濕度總體呈先降低后升高的變化規律；（2）通風風速對氧氣體積分數和廂體后側溫度的影響顯著，通風風速越大，降氧速度越慢，而降溫速度則越快，廂體后側相對濕度與溫度相互對應；（3）環境溫度對氧氣體積分數、廂體后側溫度和相對濕度的影響不顯著。

值得討論的是，液氮充注氣調馬鈴薯保鮮環境參數的影響還應考慮初始環境相對濕度水平值和物料貯藏區域的流場均勻性等因素，本課題組正在對此相關影響因素進行深入研究。

參考文獻：

[1]呂恩利，陸華忠，楊 洲，等. 果蔬氣調保鮮運輸技術發展研究[J]. 農機化研究，2010，32（6）：225-228.

[2]王廣海，呂恩利，陸華忠，等. 保鮮運輸用液氮充注氣調控制系統的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2012，28（1）：255-259.

[3]周曉龍，呂恩利，陸華忠，等. 果蔬氣調貯運保鮮環境控制技術發展研究[J]. 農機化研究，2013，34（10）：242-248.

[4]Thompson A K. Controlled atmosphere storage of fruits and vegetables [M]. UK：MPG Books Group，2010：142-144.

[5]Ravindra M R，Goswami T K. Comparative performance of precooling methods for the storage of mangoes [J]. Journal of Food Process Engineering，2008，31（3）：354-371.

[6]de la Plaza J L，Mochon J. Storage of horticultural products in controlled atmosphere [J]. Mundo Electronico，1981，113（5）：99-108.

[7]王廣海，呂恩利，陸華忠，等. 基于PLC 的果蔬氣調保鮮環境自動調控系統的設計[J]. 江蘇農業科學，2015，43（3）：368-372.

[8]呂恩利，楊 洲，陸華忠，等. 保鮮運輸用液氮充注氣調溫度調節性能的優化[J]. 農業工程學報，2012，28（13）：237-243.

[9]陳叔平，昌 錕，劉振全，等. 低溫翅片管換熱器的傳熱試驗研究[J]. 低溫技術，2006，34（2）：91-93.

[10]劉建軍，張繼軍，王振濤，等. 果蔬氣調冷庫環境的智能化控制系統[J]. 輕工機械，2005，22（2）：91-93.

[11]林 鋒，謝 晶，陳鄧曼. 果蔬氣調庫貯藏中溫濕度控制及氣密性措施[J]. 制冷，2000，19（4）：41-44.

[12]王廣海，呂恩利，陸華忠，等. 基于PLC 的多廂體氣調試驗平臺控制系統的設計與實現[J]. 江蘇農業科學，2015，43（5）：389-392.

[13]韓小騰，陸華忠，呂恩利，等. 保鮮運輸用高壓霧化加濕系統`濕度調節特性的試驗[J]. 農業工程學報，2011，27（7）：332-337.

[14]吳 瓊，張長利，董守田. 馬鈴薯貯藏環境監測系統設計[J]. 農機化研究，2013，35（1）：138-140.

[15]呂恩利，陸華忠，楊 洲，等. 氣調保鮮運輸車通風系統阻力特性試驗[J]. 農業機械學報，2011，42（3）：120-124.

[16]Castro L，Vigeaunlt C，Cortez L A B. Cooling performance of horticultural produce in containers with peripheral openings [J]. Post-harvest Biology and Technology，2005，38（3）：254-261.

[17]Ferrua M J，Singh R P. Modeling the forced-air cooling process of fresh strawberry packages. Part Ⅰ：Numerical model [J]. International Journal of Refrigeration，2009，32（2）：335-348.

[18]Vigneault C，Markarian N R，Silva A，et al. Pressure drop during forced-air ventilation of various horticultural produce in containers with different opening configurations [J]. Transactions of the ASAE，2004，47（3）：807-814.

[19]閆國琦，楊 洲，馬 征. 龍眼壓差通風預冷裝置風速控制與能耗分析[J]. 農業機械學報，2009，40（3）：125-129.

[20]呂恩利，陸華忠，楊 洲，等. 番茄差壓預冷過程中的通風阻力特性[J]. 農業工程學報，2010，26（7）：341-345.林標聲，吳江文，江火香，等. 適合銀杏葉發酵的菌株篩選及發酵效果[J]. 江蘇農業科學，2016，44（4）：315-317.