果蔬公路運輸保鮮配套技術與裝備研究①

楊松夏 朱立學 張耀國 張日紅

（1 仲愷農業工程學院機電工程學院 廣東廣州510225；2 徐聞縣農業技術推廣中心 廣東湛江524100）

隨著我國經濟的發展和人民消費水平的提高，人們對新鮮果蔬的需求不斷提高。中國果蔬產量豐富，但要滿足巨大的果蔬消費需求尚需依托良好的果蔬保鮮運輸業。然而，國內冷鏈運輸設備相對不足，技術相對落后，果蔬冷鏈流通率僅為22%，果蔬腐爛損失率達到15%，而發達國家果蔬冷鏈流通率達95%以上，腐爛損耗率低于5%［1］。

我國果蔬具有品種多，分布廣的特色，因而，運輸適合采用“小批量、多頻次、多品種”的形式。公路運輸靈活快捷，可以實現“門到門”的服務，對于果蔬運輸優勢明顯。據統計，我國公路運輸生鮮貨物所占的市場份額已上升至75%，短途運輸幾乎全部為公路運輸［2～3］。為有效控制公路運輸果蔬品質，國內外學者從減振包裝、運輸過程溫度、濕度、氣體成分等環境因素的控制、運輸過程信息監控等方面進行了深入研究，并開發出了相應裝備。

1 果蔬公路運輸品質主要影響因素

公路運輸是一個動態的過程，影響果蔬品質的因素主要有溫度、濕度、氣體成分和振動。

在運輸過程中，溫度是影響運輸果蔬品質的主要影響因素，研究表明，在果蔬采后貯運保鮮中，低溫占60%～70%的技術貢獻率［4］。低溫能夠抑制呼吸作用，減少果蔬失水，抑制果蔬表面細菌生長。此外，環境溫度波動會刺激果蔬中水解酶的活性，促進果蔬呼吸。采用冷藏運輸技術與裝備，可以保證果蔬在適宜的低溫條件下運輸。

采后的果蔬仍是鮮活的產品，對于多數果蔬品種而言，當環境相對濕度小于85%時，果蔬失水加劇。果蔬失水，一方面導致細胞膨壓下降，造成機械結構特性改變；另一方面，加快呼吸作用，加速營養成分的分解［5］。因此，運輸過程運用加濕技術和裝備，控制運輸環境處于適宜的濕度水平，可以有效抑制果蔬失水。

影響果蔬采后貯運生理活動的氣體主要是O2和CO2。降低O2濃度，能夠有效抑制呼吸作用和蒸騰作用。但是O2濃度應在果蔬承受范圍以內，濃度過低則會導致無氧呼吸，產生乙醇、乙醛等物質。適當增加CO2濃度，不僅可以抑制果蔬的呼吸作用，還可以延緩內源乙烯的合成。采用氣調技術，適當降低運輸環境的O2濃度，提高CO2濃度，可以一定程度上抑制果蔬呼吸和失水。

在運輸中，振動使果蔬發生碰撞、摩擦和擠壓，易導致果蔬產生機械損傷。據統計，果蔬采后由于運輸中的機械損傷所導致的損失達25%～45%［6］。在運輸過程中，果蔬的振動主要與路面狀況、車輛速度和載荷等有關［7］。為有效降低振動對果蔬影響，一方面要研究減振緩沖裝置，一方面要研究不同果蔬的減振包裝方式。

2 公路運輸果蔬品質保鮮技術與裝備

目前，應用于果蔬公路運輸保鮮的技術與裝備主要有減振包裝、冷藏車、氣調車、加濕及運輸過程中的信息監控等。

2.1 減振包裝

減振包裝是降低果蔬機械損傷的重要措施。目前，對減振包裝的研究主要是在包裝材料和包裝方式兩個方面。Vursavus 等［8］研究了蘋果紙漿托盤包裝（paper pulp tray packaging）、波紋纖維板內規則擺放包裝（pattern packaging）和木箱內雜亂擺放（volume packaging）包裝等不同方式對蘋果機械損傷的影響，結果發現波紋纖維板內規則擺放包裝（pattern packaging）的蘋果受到機械損傷程度最小。Lu 等［9］采用跌落試驗研究了瓦楞紙箱包裝的減振效果，發現雙壁瓦楞紙板能量吸收顯著大于單壁，雙壁瓦楞紙板箱較單壁有利于減少蔬果的損傷率。李春飛等［10］研究了6種緩沖包裝對蘋果的損傷作用，發現瓦楞紙板襯墊、發泡塑料網做包裝時可降低損傷程度，且發泡塑料網的緩沖效果更好。趙星星等［11］設計了納米箱+內包裝PE保鮮膜包裝方式，可有效減小機械損傷且保鮮效果好。

對于果蔬運輸減振包裝技術，研究不同水果的力學特性，運用包裝動力學分析、仿真模擬和物理試驗相結合的方法，研究適合不同水果的減振包裝材料和包裝方式是未來的發展方向。此外，綠色環保、可循環利用的包裝材料也是未來的研究重點。

2.2 冷藏車

冷藏車是公路運輸易腐果蔬的重要工具，冷藏車主要由汽車底盤、制冷設備、冷藏車廂等構成。其中制冷設備和冷藏車廂是冷藏車兩大專用設備。

2.2.1 制冷設備

目前，應用于冷藏車上的制冷設備按照制冷方式劃分，主要有機械制冷、蓄冷板制冷和液態氣體制冷3種制冷方式。

（1）機械制冷。機械制冷由于調溫范圍廣、調溫精確可靠，其應用最為廣泛，也是技術最為成熟、普及最為廣泛的制冷方式。機械制冷機組又可分為非獨立式制冷機組和獨立式制冷機組。非獨立式制冷機組的壓縮機由冷藏車發動機驅動，在發動機停車時無法制冷，且制冷量受發動機轉速的影響；而獨立式制冷機組配備有獨立的內燃機或電動機，壓縮機工作穩定，并且在停車時可以切換至外部電源驅動。

機械制冷機組固然有優勢，但存在能耗較高，污染較大，故障率高的缺點。據統計，制冷機組每百公里油耗為2～4 L，同時汽車的尾氣排放增加30%［12］。對于機械制冷，可以從提高壓縮機效率、降低壓縮機能耗方面做進一步研究。

（2）蓄冷板制冷。蓄冷板制冷利用共晶液的充冷和放冷實現溫度調節。充冷過程消耗低價電能的，放冷過程傳熱面積大，有利于冷藏溫度的均勻性。徐笑峰等［13］對蓄冷板冷藏車的制冷量和熱負荷進行了研究，提出了蓄冷板和蓄冷制冷機組制冷量的計算方法。李春海等［14］設計了蓄冷保溫集裝箱，箱內溫度最高為11.90 ℃，最低溫度為4.58 ℃，溫度波動較小，保鮮效果良好。

蓄冷板制冷由于制冷溫度單一，制冷時間短，適合中短途冷藏運輸。對于蓄冷板制冷，開發具有一定溫度適應性的共晶液，優化制冷機組參數，延長制冷時間是未來可能發展方向。

（3）液態氣體制冷。液態氣體制冷利用物質相變吸熱的原理進行降溫，常用的相變工質有液氮、干冰、液化天然氣。液態氣體制冷裝置一般包括儲液罐、噴淋裝置或換熱器、溫度控制系統，為防止液體氣化引起車廂壓力升高，還需配備安全排氣閥門。圖1 為一種液態氣體冷藏車結構示意圖。液態氣體冷藏車降溫過程環保無污染，并且降溫速度快，降溫均勻，國內外對其進行了大量研究。徐峰等［15］、張玉文［16］研究液氮冷藏車容量、冷負荷和液氮重注量的計算方法，以及噴淋液氮冷藏車內溫度分布情況，為冷藏車的設計和使用提供了依據。

液態氣體制冷具有液態工質成本較高，運輸途中補給困難的缺點，目前在國內果蔬運輸生產中應用較少。對于液態氣體制冷，提高液態氣體利用率，完善液態氣體補給設施建設，加強液態氣體制冷與機械制冷方式的聯合應用是未來可能的重要研究方向。

圖1 液氮冷藏車結構示意圖

2.2.2 冷藏車廂

冷藏車廂可以保持車廂環境、保證車廂流場按照需求分布。國內外都對冷藏車廂的材料和車廂結構開展了研究。

冷藏車廂材料方面，國內外廣泛采用傳熱系數低、強度高的聚氨酯泡沫作為冷藏車廂材料。部分企業也開始采用重量輕、隔熱效果好的真空絕熱板（Vacuum Insulation Panel，VIP）生產車廂。國外的DOW、ICI、ZAE Buyern 等公司的真空絕熱板技術成熟，國內的上海交大、蘭州物理研究所、揚州大學等也對真空絕熱材料的特性和工藝開展了研究，上海夏普電器有限公司試制成功了真空絕熱板［17］。

在車廂結構方面，郭嘉明等［18］運用數值模擬和試驗的方法研究發現，“差壓式”廂體結構、加裝風道可以促進溫度場的均勻性?！安顗菏健睅w結構有“上送下回”和“下送上回”兩種送風方式。“上送下回”的結構技術成熟，但也存在一定的缺陷?！吧纤拖禄亍苯Y構自上而下強制送風，而冷空氣受熱上升，從而形成氣流沖突。“下送上回”的結構，冷風從下部送出，不會形成氣流沖突，但需要在車廂地板安裝T型槽，以保證冷風可以順暢送至車廂后部。

此外，歐美等國家提出了多溫區廂體結構，并設計了多溫區冷藏車。多溫區冷藏車單次運輸可同時裝載多種不同溫度要求的果蔬，且各自均保持在適宜的運輸溫度條件下，因此多溫區冷藏運輸技術改善了單次運輸車廂溫度單一的缺陷，降低了對運輸果蔬種類的要求，提高了運輸效率。國內李錦等［19］對多溫區冷藏車降溫數學模型和車廂內流場進行了研究，為多溫區冷藏車的優化設計提供了理論依據。一般，低溫區位于最前端，高溫區位于最后端，每個溫度配備單獨蒸發器或所有溫區共用一臺蒸發器。自多溫度廂體結構提出后，便引起了廣泛關注。在多溫區結構中，不同溫區的容積分配是難點。溫區容積可變式廂體，具有較高的靈活性，容積利用率較高，但是不同溫區間的移動式隔板密封性差，溫區間的環境易相互影響。溫區容積固定式箱體的隔離效果較好，但容積利用率較低。

對于冷藏車廂，研究隔熱性能優良、重量輕、無污染的車廂材料，分析車廂結構對廂體流場的影響，改善多溫區冷藏車溫區間的氣密性以及優化多溫區車廂空間布局是未來的發展方向。

2.3 氣調車技術

氣調車是一種先進的保鮮運輸設備，可以同時調節運輸廂體內的溫度、濕度和氣體成分。目前，氣調主要有制氮氣調、自發氣調、充注氣調和制臭氧氣調4種形式。制氮氣調、自發氣調和制臭氧氣調降氧時間長，適合長距離運輸。充注氣調系統，通過利用準備好的N2或N2、CO2混合氣沖掃車廂實現降氧，降氧迅速，較適合中短途公路運輸。

國外對氣調運輸技術的研究較早，并設計生產了氣調保鮮集裝箱。目前，國外技術比較成熟的氣調系統有Ever～Fresh 制氮氣調系統、AMAF+自發氣調系統和TectrolCA 充注氣調系統［20］。近年來，國內也加強了對氣調運輸技術的研究，華南農業大學呂恩利等［21］研究了液氮充注氣調保鮮運輸車車廂內溫度、濕度、氣體成分等環境因素間的耦合關系，設計了充注氣調保鮮運輸車，圖2為所研制的液氮充注氣調保鮮運輸車結構示意圖。此外，煙臺冰輪、杭州希愛、天津森羅等企業也對基于制氮氣調系統的氣調集裝箱進行了研究和生產。

對于氣調車，優化氣調降氧速率，加強車廂氣密性，探索冷藏車改裝氣調車技術是氣調車未來的發展方向。此外，研究與氣調車運輸相匹配的包裝方式，完善氣調用氣的補給設施建設也是未來的工作重點。

圖2 液氮充注氣調保鮮運輸車結構示意圖

2.4 加濕技術

冷藏運輸為保持一定濕度通常采取在車廂內灑水或對果蔬進行一定的保水包裝來維持較高濕度水平，但加濕效果差。為提高加濕效果，可以在廂體內加裝加濕裝置。用于冷藏運輸中的加濕裝置主要有離心式加濕器和超聲波加濕器。離心式加濕器通過高速旋轉的霧化葉輪產生真空，水滴在大氣壓力的作用下撞擊霧化葉輪，破碎成直徑5～10 μm 的霧粒。超聲波加濕器通過霧化片的高頻諧振將水霧化為直徑1～5 μm 的超微霧粒。離心式加濕器加濕霧滴大，容易造成車廂內積水，造成果蔬和紙類包裝箱腐爛。相比于離心式加濕器，超聲加濕機霧化顆粒小，消耗電能少。方思貞等［22］設計了基于超聲波霧化加濕技術的管道式加濕裝置，優化了水霧流動方式，提高了加濕效率和加濕均勻性，且不會在貨物表面產生積水。

目前，中短途冷藏車較少具有加濕裝置，而長途冷藏運輸車中已經較多安裝了霧化加濕裝置。研制無需對車體進行改裝即可有提高運輸環境濕度的可移動式加濕設備，提高加濕設備霧化量是未來發展方向。

2.5 信息監測技術

信息監測系統對果蔬運輸過程中的溫度、濕度等環境參數以及果蔬品質進行記錄和傳輸。系統工作時，冷藏車內的溫度、濕度傳感器檢測環境數據，讀取裝置讀取并記錄傳感器信息，傳輸裝置將信息傳至冷鏈數據庫中。環境信息的檢測和讀取技術已經比較成熟，信息的實時傳輸成為研究的重點。目前，研究較多的是基于無線射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）的信息監測系統［23］。圖3 為一典型的基于RFID/GPRS 技術的冷藏運輸信息監測系統，RFID 技術通過無線射頻方式對目標加以識別并獲取相關數據，通過GPRS 無線傳輸技術將環境監測信息上傳至后臺的冷鏈信息系統。

圖3 基于RFID/GPRS技術的冷藏運輸信息監測系統工作原理

目前，隨著物流網技術及配套技術的進步，基于物聯網系統的智能冷鏈運輸安全監控技術成為農場品冷鏈物流全過程信息監測的發展趨勢，未來可實現從初加工、儲藏、運輸、配送、銷售的全供應鏈實時監測、跟蹤與管理，確保食品供應鏈的安全。

3 結論與展望

環境溫度、濕度、氣體成分、振動等因素是影響果蔬公路運輸的重要因素，針對上述因素從冷藏、加濕、氣調、包裝等方面已經開展了大量研究，有效控制了上述影響因素，保證了果蔬公路運輸品質。但相比于國外，國內果蔬公路運輸保鮮技術發展相對滯后。下面幾個方面是未來可能重點研究的方向：

（1） 我國地域廣闊，運輸距離長短不一，不僅需要發展適合中短途運輸、配送的公路運輸品質控制技術和設備，同時應發展適合長途運輸的大型公路保鮮運輸技術與裝備。

（2） 不同果蔬保鮮要求不一，研發適合多品種果蔬運輸通用的品質保鮮技術和裝備，開發多溫區結構的冷藏運輸車，提高運輸靈活性和空間利用效率。

（3） 注重節能減排，走綠色保鮮運輸之路。蓄冷板制冷、液態氣體制冷可以降低能源消耗和尾氣排放，氣調保鮮技術可以抑制果蔬呼吸，是保證果蔬高品質運輸的先進技術。所以，發展蓄冷板冷藏車、液態氣體冷藏車、氣調車等低能耗保鮮運輸技術與裝備。

（4） 運輸全程冷鏈監控，保證食品安全。加強保鮮運輸技術、傳感器技術、物聯網技術的融合，對果蔬運輸環境和果蔬品質進行實時動態監測。

（5） 研究不同果蔬的力學特性，確定適宜的包裝減振方式，開發節能環保的包裝材料。