易腐产品的低温贮藏链技术研究

易腐产品的低温贮藏链技术研究

冷链系统是一个完整的系统网络，用于确保各种货物在适当的低温下的操作过程及其实验条件下的运行过程。基本过程是对生产区的收获和收获、预冷冷水处理、生产区的采购、冷水产量的总结、生产区的批发、零售和消费。它可以适用于新鲜水果、肉、鸟、蛋、水、奶、花、血浆、生物制剂等的生产、收获、运输和销售。这是确保这些易腐产品长期储存、运输和消费过程中品质、安全和卫生的最重要技术。在这个过程中可以发现,预冷技术是整个低温冷藏链技术的前提,冷藏运输是过程保障,冷储藏则是必要条件。在我国现有的冷藏链系统中,冷储藏发展成熟,实现了冷藏链系统的必要条件,但是预冷和冷藏运输落后,没有形成完全意义上的冷藏链系统,这对可持续发展我国易腐产品不利,特别是在发展我国农业生产、解决城乡差别、提高农业国际竞争力等方面。因此,在国家中长期科学和技术发展规划纲要中明确指出建立完备的鲜活农产品保鲜与物流配送及相应的冷藏链运输系统技术是优先发展的内容。这里将对我国易腐产品的市场进行分析,讨论我国冷藏链系统的现状和不足,并对未来冷藏链技术系统中优先发展的技术进行介绍。1年,我国出口农产品以“绿色壁垒”为代表的“世界最易腐产品的种类很多,包括果蔬、肉、禽、蛋、水产品、奶、花卉,冷饮,乃至血浆、生物制剂等。由于我过人口众多,很多产品产量都处于世界前列,如果蔬、肉制品、水产品等,图1和图2分别为我国近几年果蔬、肉制品、水产品产量变化曲线。以图1为例,从中可以看出,到2006年蔬菜产量为5.8亿吨,保持着3%的年增长率;水果产量为0.95亿吨,年增长率为7%。虽然我国易腐产品总量大,但是在世界贸易范围内,出口所占比例较小,低于美国、欧盟、加拿大、巴西,是世界第5大出口国,与生产大国身份不符。主要原因有两点。第一点是我国易腐产品冷藏链保障系统不成熟。以农产品为例,发达国家把产后贮藏加工保鲜放在农业的首要位置,如美国农业总投入30%用于生产,70%用于产后加工保鲜;意大利、荷兰农产品保鲜产业化率为60%,而日本则大于70%。产后产值与采收时自然产值比,美国为3.7:1,日本2.2:1,而我国仅为0.38:1。大量的初级农产品几乎都是以原始状态投放市场的,达不到质量保证要求,因此损耗率很高。例如中国果蔬的损耗在25%~30%,而美国只有1%~3.0%,我国每年总值约92.5亿美元的农产品腐烂。第二点是我国农产品面临强劲的竞争对手。我国一些有比较优势的农产品走出国门时还遭遇到种种障碍,“绿色壁垒”备受业内人士关注。统计显示,入世以来,我国出口农产品遭遇了11个国家和地区贸易救济调查15起,涉案金额约5亿美元,占同期总案件数和总涉案金额的比例分别为5%和6%。目前,我国有90%的农业及食品出口企业受国外技术性贸易壁垒的影响,造成每年损失约90亿美元,出口受阻的产品从蔬菜、水果、茶叶到蜂蜜,进而又扩展到畜产品和水产品。以上分析可知,发展冷藏链系统是提高我国易腐产品“时空”价值的重要方法,同时也是提高我国易腐产品国际竞争力,与国际接轨的唯一方法。2差压预冷系统的研究冷藏链系统设备可以分为保管设施、制冷设施、配送设施、加工设施等,其中制冷设施是保证易腐产品在整个物流过程中维持低温的必要前提。以农业产品为例,制冷设施按低温物流过程分为预冷设备、冷库、冷藏车、超市冷柜及家庭消费冰箱等。这5类制冷设施中,冷库、超市冷柜及家庭消费冰箱在我国属于较为发达的阶段。冷库库容已经达到700万吨,冰箱在城市的普及率达到90%以上,因此在下面的分析中,主要就预冷设施及冷藏运输设施的现状进行分析。预冷是指采收后的果易腐产品,在运输储藏之前,迅速除去产地热,使其温度降低到规定温度的操作过程。经过预冷的产品可以迅速除去产在热,降低产品温度,有效抑制其呼吸作用,减少水分蒸发,降低营养成分的消耗,减少乙烯释放量。另外,低温环境还可有效抑制各种微生物的大量繁殖,减少其对产品的破坏,以延长贮藏时间。按冷却产品种类不同,冷却方法可分为果蔬预冷和肉类及水产品速冻技术,其中果蔬预冷技术是我国冷藏链流程中目前急需解决的问题之一。当前国外果品预冷贮藏保鲜方法包括4种,即1)强制通风预冷保鲜;2)真空预冷保鲜;3)差压通风预冷保鲜;4)冷水预冷保鲜,表1列出了不同预冷方法之间的差异,文献中详细分析了各种预冷方法的应用场合。在这4种预冷方法中,由于差压预冷的综合优势明显,逐渐地在我国各农产品生产基地开始得到运用。差压通风预冷是对带有通风孔的包装箱进行特殊码垛,使用差压风机在包装箱的两侧造成压力差,使库内冷空气从包装箱内部通过,直接接触蔬菜表面进行冷却,也称为压力预冷系统。文献中建立了差压预冷的冷却模型,讨论了不同因素对差压预冷的影响。在国内,自“九五”天津商业大学承担“产地蔬菜预冷”项目以来,差压预冷的研究开始得到重视,包括不同果蔬的差压预冷工艺研究,差压预冷设备匹配研究,取得了一系列的专利产品,为差压预冷技术在我国的推广运用奠定了很好的基础。将来的研究中,差压预冷应注重解决实际运用中的问题,如预冷过程中由于堆码方式造成的冷却不均匀性、优化预冷设备减小能耗、降低预冷损耗等方面开展研究。目前我国农产品的生产方式决定了预冷方式在我国推广的难度。在我国,农产品的生产方式主要是以单体农户为主,同时伴有少数的产业化生产企业。针对这种状况,预冷技术的推广应和生产方式相结合。对单体农户而言,小型的差压预冷方式更为适合,如利用现有微型冷库所改造的具有贮藏功能和预冷功能的冷墙式差压预冷库。冷墙式差压预冷库建造成本和微型冷库成本相差不大,但是预冷时间比室内通风预冷相比,缩短较大,和差压预冷时间一样。文献[17-20]所阐述的各种专利技术也可以做为单体农户生产企业使用。这些技术成本低,功能综合,并且操作简单,符合农机产品的发展趋势。对于产业化生产企业而言,生产产量大,质量要求高,适用于一次处理量较大的预冷方式,如真空预冷、冷水预冷方式及“十一五”攻关中所提出来的大型的移动式差压预冷车。针对不同的产品,企业可以采取不同的预冷方式,从而达到最优化的经济效果。在我国,限制我国冷藏链系统发展的另外一个方面就是冷藏运输。我国目前年调运易腐货物约4000万吨。其中铁路运输率为10%,公路运输率为80%,水路运输率为1%,空运运输率为0.1%,其余均采用普通棚、敞车运送,缺少冷藏流通设备。据资料显示,我国易腐货物的冷藏运输率仅为15%~20%,而发达国家为80%~90%。由于保鲜技术落后,运输效率低,食品损耗高,我国每年约有20%~25%的果品和30%的蔬菜在中转运输和存放中腐烂损坏,易腐食品的损耗每年高达几百亿元,整个物流费用占到食品成本的70%。冷藏运输一般可以分为铁路冷藏运输、公路冷藏运输、航空冷藏运输、水路冷藏运输。其中公路冷藏运输按所涉及到的冷藏方式,可以分为冷藏、保温及保鲜。2000年我国冷藏保温汽车产量为2792辆,2004年冷藏、保温、保鲜汽车产量为3915辆,其中保温车占55.4%;冷藏车占40.3%,保鲜车占4.3%(2006《中国汽车工业年鉴》)。从2003年起,冷藏汽车企业销售收入和工业总产值均达到6亿多元,工业增加值近1亿元,表2为我国近几年冷藏汽车的产量。从冷却方式分类,冷藏运输可以分为加冰冷藏、机械冷藏、冷藏集装箱及冷板冷藏,其中冷藏集装箱和冷板冷藏是发展的重点。冷藏集装箱可以广泛运用于铁路运输、公路运输、水路运输和航空运输,易实现冷藏链过程中的“无缝化”,保证产品的质量。冷板冷藏车结构简单,造价低,仅为加冰冷藏车造价的42.125%,机械冷藏车的21.5%,冷板冷藏车无盐水腐蚀、使用期长、运输成本低、制冷费用也低,仅占其运输成本的15.13%,为加冰冷藏车制冷费的33.18%,也是我国冷藏运输发展的一个方向。造成冷藏运输环节发展缓慢有很多原因,主观上的原因是人们的认识不足,观念未到;客观上的原因是冷藏运输管理操作复杂,增加了冷链物流成本。针对这样的情况,认为要发展冷藏运输,应根据冷冻产品的运输距离来发展不同的冷藏运输形式,否则发展统一的冷藏运输模式容易使冷藏运输趋于形式化,不利于冷藏运输的发展。对于同城运输,如果生产产地到销售地的运输距离的运输时间在2个小时以内,可以采用保温汽车或无保温运输,这个过程主要是靠产品内部的蓄冷来维持产品的低温;对于区域内运输,如果生产产地到销售地的运输距离的运输时间在6个小时以内,则采用蓄冷式的冷藏运输方式,如冷板冷藏运输、液氮冷藏运输及干冰冷藏运输,主要考虑因素是维持运输过程的冷环境成本和管理控制方式的方便;对于全国内的长距离运输,如果生产产地到销售地的运输距离的运输时间大于6个小时,则应发展机械式制冷冷藏运输方式,如机械式制冷冷藏车、集装箱等,采用这种运输方式要防止在运输过程中,为减少运输过程的维持冷环境的能耗而停止机械制冷方式的工作,因此在这种方式中监控运输过程的温度变化是一个重要的研究方向。3新型冰温贮藏技术冷藏链系统以提供安全、卫生、质量可靠的产品为目标,以冰温保鲜为基础的第三代冷藏链系统为实现这个目标提供了更可靠的保证,在日本认为无冰温则无冷藏链之说。冰温贮藏是将食品贮藏在0℃以下至各自的冻结点的范围内,是属于非冻结保存,是继冷藏、CA贮藏后的第三代保鲜技术。冰温贮藏最早是原日本鸟取县食品加工研究所所长、现日本冰温协会理事长山根昭美博士于上世纪70年代提出的。在贮藏效果方面,和传统保鲜技术相比,冰温技术以下优点:1)不破坏细胞;2)最大限度地抑制有害微生物的活动;3)最大限度地抑制呼吸作用,延长保鲜期;4)在一定程度上提高水果、蔬菜的品质。在国内由于实验设备的原因,大多数研究还只是处于实验研究阶段。但是在2006年,天津商业大学和日本大青工业株式会社在日本政府NEDO部门的资助下共同开展了“冰温技术运用”研究课题,真正开始上与国际意义相同的冰温贮藏技术研究,已经开展了香梨、猕猴桃、羊肉及鼠肝冰温贮藏研究。实现冰温保鲜,从技术上必须做到以下几点:1)降温冷却升温过程控制。通过控制冷却速度也可以降低植物细胞的临界致死温度。一般情况下,受到急速降温胁迫的组织会采取深度过冷却的方法来御寒,而在受到缓慢降温胁迫时组织细胞则会采取在细胞间隙结冰的方法来抗冻。分阶段地对组织进行缓慢降温能降低其临界致死温度,这样就使某些临界致死温度高于零度的植物组织在0℃或零度以下能长期保鲜,延长了它们的生存空间。目前,国外已有不少通过缓慢降温使植物组织顺利进入超冰温领域而不结冰的成功实例。2)流场均匀技术。如何控制冷藏库的气流分布,使整个库内的流场尽量均匀是冷藏链体系研究中的一个难点和热点问题。流场的不均匀会造成以下几个方面问题:(1)影响库容使用率;(2)影响库内贮藏产品品质;(3)不易布置控制点,降低控制精度。在冰温库建造过程中,充分考虑了这几点,并结合空调系统中一次回风的原理,使库内回风直接到达送风吊顶上部,和冷风机送出的风混合,降低直接到达库内贮藏区的冷风的温度,使送风温度和库内设定温度间的温差尽可能地小,从而可以降外办强制通风所造成的质量损失和能量损失,图3为回风图。3)高精度控制技术。控制库内流场的精度,可以有以下3种方法:(1)库体围护结构;(2)冷量供应技术;(3)精密仪器控制。对库体围护结构而言,最主要是要增加围护结构的蓄热能力、提高围护结构的抗干扰能力,可以通过增加围护结构的厚度或是增加空气层来实现,在冰温库中就是通过增加空气来实现。如图3所示的回风结构所形成的夹套,就是在外围护结构和库内流场之间形成了空气层,增加了围护结构的蓄热能力。冷量供应技术可以采用压缩机变频技术或多机器并联技术,随着库内热负荷的变化而调节制冷机的变化,在冰温库中采用的是多机器并联技术。冰温技术作为新一代物理保鲜技术,在我国已经越来越得到重视,将来的研究内容要加强冰温贮藏机理的研究,主要是产品在达到“冬眠”的过程中所表现出的适应过程及在这适应过程中所反应出的生命现象,如物理结构变化,成分变化,呼吸强度、各种酶的活性等。要完善我国的冷藏链系统,另外一个要发展的新技术就是产品的可追溯技术研究。国际标准化组织对“可追溯性”(Traceability)的定义是“通过标识信息追踪个体的历史、应用情况和所处位置的能力。目前,国内外使用的个体标识技术主要有:条形码、电子纽扣式标签、塑料标签、血型鉴定、视网膜图像识别、基于蛋白质、脂类化合物的标识方法、红外线光谱法、GPS和GIS技术、DNA指纹技术、卡识别技术等。无线射频识别(RFID,RadioFrequencyIdentification)技术是个体识别的一种新技术,未来发展潜力很大。基于作者的研究工作,下面介绍一种无线管理技术,图4为工作原理示意图。功能主要包括以下几个方面:1)低温物流过程中的温度采集功能。在低温物流过程中,预测器可以对贮藏内部环境温度进行即时采集,时间间隔可以人为设定,从5秒到5分钟;2)温度存储功能。在低温贮运过程中,时间都较长,为了具有追溯功能,所有采集的数据都可以存储,带有2M内存,并可扩展为1G内存;3)0℃剩余贮藏期的预测。上述所得到的方程已经作为核心程序拷入果蔬贮藏期预测器中。在使用时,可根据所选择的果蔬,判断方程会自动地根据所采集的温度进行贮藏期的判断,形成信息存储;4)信息无线发送功能。为监控在低温贮运过程中所发生的变化,采集器采集的数据和所产生的贮藏期数据可以通过两种