生鲜农产品超级冷链应用研究

《中国国情国力》2019年第5期生鲜农产品超级冷链应用研究◎张信荣 郑秋云52 4231905国情国力.indd 52摘要：随着人们生活水平的提高和消费意识的增强，现有的冷链技术已不能为生鲜农产品提供品质更高的服务保证，并且其能源消耗量大，不利于环境保护和我国冷链物流产业的可持续发展。本文提出并阐述的超级冷链理论，从微观机理研究的角度入手，指出我国生鲜农产品贮藏物流发展超级冷链的必要性，明确了超级冷链的发展将是我国生鲜农产品贮藏物流的方向。关键词：生鲜农产品；微观机理；能量优化；超级冷链中图分类号：F321 文献标识码：A 我国是农业大国，生鲜食用农产品（简称生鲜农产品）种类繁多，但是，由于存在区域性生产与普遍性供给矛盾，加之时间上和空间上的相对过剩，导致生鲜农产品滞销跌价、腐损率高。据不完全统计，每年我国因贮藏、物流等不当造成的农产品质量劣变和腐败损耗导致的损失高达数千亿元。此外，生鲜农产品的贮藏物流，本质上是配合生鲜农产品对温度、湿度、气流和气体成分的需求，创造人工控制的贮藏物流环境，从而防止其发生腐损、霉变等变质现象的过程。在此过程中，需要消耗大量的能源。所以，如何减少贮藏物流过程中的能源消耗以及使用制冷剂等对环境、气候的影响，同时保持生鲜农产品的高品质，是目前我国生鲜农产品贮藏物流发展亟需解决的关键问题。必要性超级冷链兴起于人们对生鲜农产品品质保证的需求，同时其本身也有利于节约能源和环境的可持续发展，这一新理论及其衍生的新工艺、新技术和新装备，强调能量、质量传递的微观机理与农产品宏观品质耦合作用，新兴能源生产、利用与环境友好的协同作用，从长远来看具有深远的现实意义。1.概念超级冷链整体是指在传统冷链的基础上，从微观机理入手，透彻研究生鲜农产品在低温作用下多种生理机制导致的分子形态、细胞活性、组织功能的改变，以及对其化学组成和营养成分的影响，从而保证农产品的高质量，并结合能量、质量输运微观机理，实现生鲜农产品节能、环保、高品质的全过程物流系统（见图1）。超级冷链是完整的物流系统，其中采摘、生产、配送和销售等任何一个环节出现状况，都会影响生鲜农产品的质量。这就要求超级冷链具有高度的组织和协调能力，以及极高的运行效率。因此，必须把生产、运输、销售和技术等所有要素有机地结合起来，并协调好相互之间的关系。最重要的是始终保持生鲜农产品处于必要的环境中，以确保其从产地到餐桌整个过程中的高品质和安全性。超级冷链通过建基金项目：科技部前沿基础重点研究项目《蓄冷传热机制及其与农产品品质控制的耦合效应》（编号：2016YFD0400106）的阶段性成果作者单位：张信荣，北京大学工学院能源与资源系；郑秋云，北京大学北京市城市热管理工程技术研究中心2019/5/5 13:27:23CHANJINGSAOMIAO｜ 产经扫描 ｜ 立精准的多尺度模型，准确模拟分子尺度、细胞尺度、组织尺度、个体尺度以及整个冷链中的非稳态能量质量图1 超级冷链整体理论示意图 传递，同时考虑生鲜农产品多相的特点，和以水为溶剂节能环保的多组分体系，从而相比传统冷链更为精准地刻画了农能量、质量输运微观机理产品的能量、质量这一复杂传递过程。总之，超级冷链传统冷链+=超级冷链作为具有高科技含量的低温系统科学，高效协调了各个化学组成和营养成分的影响过程和参数，能够保证生鲜农产品的高品质，并达到节高品质约能源、实现环境可持续发展的目的。图2 超级冷链的优势2.优势节能减排超级冷链采用天然工质或功能性流体工质替代传统环境友好的含氟制冷剂，实现了高效、环保、低碳的制冷。从经济意义上来看，该技术的发展必然有助于降低成本，提节约成本高收益。一方面，从能源利用角度，降低了能源的消耗便捷和环境影响消费；另一方面，减少了农产品腐败带来的超级操作稳定损耗和环境污染，实现了高质量带来的高价值。从操作冷链控制精准方面来看，其操控更为便捷和稳定，并可实现各个环节科学性的精确控制。此外，超级冷链对多尺度、多相、多组分机理性的系统进行了透彻研究，深入理解其机理，更具科学性功能整体性（见图2）。有效性󰀡发展方向图3 发展方向冷链的发展与农业现代化的进程是一致的，发达的物流学冷链物流已经成为现代农业的重要标志之一。在能源匮制度完善技术创新基础设施建设乏、污染严重的当下，传统冷链亟须升级，超级冷链是热科学能源工程必然的发展趋势。一方面，在超级冷链的研究过程中，+标准化构建人才培养必然会利用到物流学、热科学、能源科学和生物学等多生物学个学科的知识，这将促进相关学科的融合、交叉发展。另一方面，超级冷链作为传统冷链的大跨步发展，其规学科发展规范化建设范化建设需要通过制度完善、技术创新、基础设施建设、标准化构建和人才培养等途径实现（见图3）。温的实现。传统生鲜农产品的贮藏冷链物流，多关注宏1.能质输运观情形下的降温与保温；而实际上，生鲜农产品在低温生鲜农产品发生腐败变质的主要原因是在特定的温环境下，其能量及质量传递是多尺度、多相、多组分耦度、水分等条件下，由于某些微生物和酶的作用所引起合的，是非稳态的非平衡态热力学过程趋于稳态、平衡的一系列生化反应。当农产品采摘或者捕捞后进行快速的热力学过程。因此，只有深入研究其机理，才能从根预冷，并在低温环境下保存时，微生物、酶和食物基质本上改善和优化整个贮藏冷链物流系统。的活性就会受到抑制，呼吸作用也会明显减慢，从而防从宏观角度来看，能量和质量传递发生于整个冷止生鲜农产品腐败变质，保持其新鲜度和营养价值。链系统中，作用于农产品个体上。由于农产品与环境之（1）生鲜农产品贮藏冷链物流过程的关键在于低间的能质输运，导致农产品中水分、营养物质等流失到 534231905国情国力.indd 532019/5/5 13:27:24《中国国情国力》2019年第5期环境中，降低农产品品质；由于环境中微生物等对农产了精准控制农产品在贮藏、物流过程中的温度与湿度品的入侵，使得农产品腐败变质；由于农产品与环境之等，需要精确了解能量与质量每时每刻的传递情况，这间的能量交换，使农产品内部的生物活性受到抑制或促需要从非稳态、非平衡态热力学角度来解决。于冷链系进。从微观角度来看，农产品能量和质量传递发生在细统而言，应利用非平衡态热力学来建立非稳态的多尺度胞以及组织之间。正是由于微观上农产品与环境的能量微观—宏观耦合模型，从最小、最基本的单元入手进行与质量传递的积累，才导致宏观上农产品在外观形状、研究。色泽以及营养物质等方面发生变化。所以从微观尺度研2.能耗优化究农产品对揭示其宏观上的品质变化是非常重要的，生在超级冷链中从微观机理着手研究生鲜农产品在鲜农产品在贮藏冷链物流过程中出现的各种现象，如被整个贮藏物流过程的能量、质量输运特性，为提高农产人们较为关注的一个重要变量——水分损失，都是从微品的品质奠定了理论基础。但是随着人们对物质品质需观积累逐步发展到宏观变化上的。因此，要精确地掌握求的提升与需求量的增加，其中需要的冷量就会愈渐增各种现象的变化规律，就需要从微观-介观-宏观等多长，这势必对能源的消耗以及环境的变化造成越来越大个尺度上研究农产品内部、农产品与环境之间的能质输的影响。因此，如何优化超级冷链中的各个传热、传质运特性，其研究尺度可跨越数十个量级，研究范围大到过程，如何采用天然环保型工质替代即将淘汰的制冷整个贮藏冷链物流系统，小到细胞以及组成物质的生物剂，避免氟利昂类工质对环境的污染，从而绿色、环保大分子。在模型构建方面，在非常小的尺度下，假设传提供冷量，高效利用冷量，减少对环境的影响也是超级统的连续介质将不再适用，则需要对离散、微纳米尺度冷链理论中的一个重要环节。模型进行数值模拟，并且还要特别注意不同尺度间的联传统的冷链，无论是贮藏过程还是物流过程，强系和耦合。调的都是快速将生鲜农产品整体冷却到适宜的温度，但此外，生鲜农产品本身是多组分、多相的。以水整体的冷却效果均匀性较差，从而导致部分农产品处于分为例，水分是生鲜农产品中最常见也是含量最大的组过冷状态，造成冷害；部分农产品温降很难达到所需温分，占比高达60%-95%，生物中的大量营养物质都溶度的要求，这不仅降低了农产品品质，而且导致整个农解在其中。对于贮藏与冷链物流过程中的农产品，水分产品的贮藏、物流系统能耗增加。超级冷链从新的传热会以固相、液相和气相的形式存在，并随着外界环境温优化、传热强化以及场协同原理等热力学和传热学理论度与湿度等的变化发生转化。当温度过低的时候，农产出发，从全局考虑系统的能量利用情况，不仅减少了农品内部的水分会结晶形成固态；当贮藏和物流过程中温产品在预冷、贮藏和物流过程中的能量消耗，而且使得降较慢的时候，形成的微小、尖锐冰晶会破坏农产品细农产品在这一过程中的温度、湿度等分布更加均匀、稳胞结构，导致复温过程营养物质的流失；当温度超过适定，减少其冷害以及温度波动造成的品质降低。具体来宜的贮藏、物流温度要求时，水分会形成气态蒸发，导说，以系统的温度分布均匀性、冷却速度及能耗指标等致农产品水分损失。因此，在现代农产品的贮藏和冷链为优化条件，结合农产品在预冷、贮藏和物流过程中的物流过程中，明确各组分的特点，以及其在贮藏物流过温度、湿度及流场等约束条件，通过对系统的全流场流程中发生的物态变化规律非常有必要，要建立切合实际体动力学数值进行模拟，获得系统优化的能量场和流场的模型，为现代化农产品的贮藏与物流提供科学依据。等参数。借助于模拟结果，采用局部扰流等方法，改变（2）对能量质量传递机理深入透彻的研究是最有局部能量、流场分布不合理的地方，从而实现农产品在效、最核心的工作。对于生鲜农产品在贮藏、冷链过程预冷、贮藏和物流过程的冷量高效利用，并保证农产品中能量质量传递机理的研究，传统单纯的宏观模型已经品质。经过优化后，农产品在整个冷链过程中能耗可以不再适用，尤其是对于质外体途径、跨膜运输、细胞内降低20%以上。组分的尺度，传统模型太笼统以至于无法准确模拟。为DOI：10.13561/j.cnki.zggqgl.2019.05.016 ■ 编辑：齐美娟54 4231905国情国力.indd 542019/5/5 13:27:24