冷鏈物流中冷凍溫度全程無源監測

盧安迪　姜文

研究背景

每次媽媽讓我到超市買冷凍食品，總要叮囑我看一下生產日期，還要看一下包裝袋里的冷凍食品外觀、顏色是否正常。然而，冷凍食品在出廠后的冷鏈物流某個環節若發生過解凍與再次冷凍的情況，從而導致食品內部可能變質，我們也能看得出來嗎？于是，我嘗試發明一種簡便、可靠的方法，僅用我們自己的眼睛就能快速判斷出冷凍食品在冷鏈物流的所有環節中貯藏溫度是否始終正常，是否可以放心選購。

冷鏈物流中冷凍溫度全程無源監測的技術方案

該技術方案的發明靈感源自中學科學教材的基礎知識：①晶體有一定的熔點或凝固點；②對溶液結晶而言，溶質的加入一般會降低其凝固點；③晶體一般可制成具有一定形狀的固體。

技術方案的基本原理：將具有初始形狀和初始大小、熔點或凝固點不高于0℃同時不低于冷凍食品貯藏規定溫度的晶體作為冷凍溫度監測劑，放在冷凍食品包裝內或冷凍食品貨箱內，在冷鏈物流的運輸與貯藏等所有環節中，冷凍食品貯藏溫度如果上升并超過冷凍溫度監測劑的熔點或凝固點，冷凍溫度監測劑的全部或部分將從固體轉變為液體，從而使其形狀發生不可逆的改變，據此可判斷出該冷凍食品在運輸或貯藏過程中溫度超過冷凍食品貯藏規定溫度，不符合運輸或貯藏要求。

冷凍溫度監測劑的形狀可能出現3種情形：①冷凍溫度監測劑完好（圖1a）；②冷凍溫度監測劑部分融化（圖1b）；③冷凍溫度監測劑完全融化（圖1c）。通過觀察冷凍溫度監測劑的形狀，針對可能出現的以上3種情形，消費者或冷鏈物流工作人員可據此直接作出判斷：第1種情形表明冷鏈物流環節沒有超過冷凍食品貯藏規定溫度；第2種情形表明冷鏈物流環節曾短時間或小幅度地超過冷凍食品貯藏規定溫度；第3種情形則表明冷鏈物流環節曾長時間或大幅度或多次超過冷凍食品貯藏規定溫度，嚴重違反冷凍食品運輸和貯藏規定，應放棄購買或拒絕接收。

冷凍溫度監測劑成分的研究

冷凍食品主要包括冷凍畜禽肉、冷凍水產品、冷凍果汁、冷凍飲品、冰蛋、速凍蔬菜、冷凍調制食品等。我上網查找到上海市地方標準DB31/T3882007《食品冷鏈物流技術與管理規范》，其中規定：一般而言大部分普通冷凍食品貯藏標準溫度為18℃以下；在冷鏈物流的運輸與貯藏等不同環節中，由于環境變換、交接需要，冷凍食品貯藏溫度允許有小范圍的起伏波動，但是升溫幅度不允許超過6℃，因此接貨方在與承運方進行交接時如果發現冷凍食品貯藏溫度超過12℃，接貨方按規定將拒收；冷凍食品應放入冷凍陳列柜進行出售，冷凍陳列柜的溫度要保持在15℃以下，由于存在顧客選購冷凍食品時需要短時間打開冷凍陳列柜等情況，故允許冷凍陳列柜的溫度出現短時間回升但不得高于12℃。從上述冷鏈物流的管理規范中可以發現，12℃是普通冷凍食品貯藏上限溫度。

為此，需要找到一種熔點或凝固點在12℃的晶體作為制作冷凍溫度監測劑的材料。我從海水的冰點低于淡水的自然現象得到啟發，進一步通過查閱《化學化工物性數據手冊》等文獻，繪出了圖2所示的氯化鈉水溶液濃度與其凝固點的關系圖，說明氯化鈉質量分數為16.0%的氯化鈉水溶液冷凍后，即可得到凝固點為-12℃的結晶。

此外，不同的冷凍食品對冷凍貯藏標準溫度有不同的規定，比如：成熗蟹的冷凍貯藏標準溫度為-6℃，冰淇淋的冷凍貯藏標準溫度為-23℃，金槍魚的冷凍貯藏標準溫度為-50℃。因此，還需要定制具有不同凝固點的冷凍溫度監測劑。

從圖2可以發現：隨著氯化鈉質量分數的不斷增加，氯化鈉水溶液的凝固點到達21℃的最低點后將反轉升高。因此，在實際應用時，按氯化鈉的不同質量分數在21～0℃之間可以方便地定制具有不同凝固點的冷凍溫度監測劑。

那么，針對貯藏標準溫度為50"C的金槍魚等冷凍食品，用什么晶體制成冷凍溫度監測劑呢？我再次求助于《化學化工物性數據手冊》等文獻，發現按乙醇的不同質量分數在-120～0℃之間可以方便地定制具有不同凝固點的結晶。按圖3的乙醇水溶液凝固點與濃度的關系圖，可以用乙醇質量分數為60.3%的晶體制成凝固點為-44℃的冷凍溫度監測劑，以滿足金槍魚等深度冷凍食品的冷鏈物流溫度監測的特殊需求。

創新特色

與現有的冷鏈物流冷凍溫度監測技術手段相比，本技術方案具有如下創新與特色。

成本低廉：本技術方案所必需的冷凍溫度監測劑，可放置于配置的冷凍托盤中，采用冷卻結晶成形的方法，可實現大規模低成本制造。

綠色環保：本技術方案所必需的冷凍溫度監測劑，其成分主要為水、氯化鈉、乙醇，完全滿足食品安全、環境友好等方面的要求。

無需供電：冷凍溫度監測劑在監測冷鏈物流全流程的冷凍溫度時，完全無需外部電源或內部電池的支持。

結果直觀：消費者或冷鏈物流工作人員僅通過自己的眼睛觀察冷凍溫度監測劑形狀的變化，即可直接作出判斷。

監測可靠：本技術方案可以確保冷凍溫度監測劑的監測功能覆蓋冷鏈物流的全流程，且監測結果不可逆，除非違規開啟冷凍食品包裝或冷凍食品貨箱調換冷凍溫度監測劑。

適用面廣：采用氯化鈉水溶液或乙醇水溶液，根據溶液的不同濃度可以分別在-21～0℃和-120～0℃之間方便地定制各種不同凝固點的冷凍溫度監測劑，全面滿足所有冷凍食品的冷凍溫度監測需求。

實施容易：本技術方案的具體實施過程所涉及的冷凍溫度監測劑制造、封裝、檢驗等所有環節，均不存在實施難度。

應用前景

本課題的研究成果，不僅可以應用于冷凍食品的冷鏈物流領域，還可以進一步推廣到冷凍藥品的冷鏈物流領域，具有良好的市場應用前景。

該項目獲得第32屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

該發明具有成本低，綠色環保、無需供電、結果直觀、檢測可靠、適用面廣、易于實施等優點。要避免冷凍溫度監測劑在運輸過程中被替換，可貼防偽標志或二維碼于監測劑盒上。