摘要：为增强气调集装箱在极地等特殊环境下的果蔬贮运效用，对现有装置进行了优化设计。通过调整布局提高空间利用率；优化系统模块提高降氧效率、实现精确控温；设置加热、抗振等辅助措施，提高对寒冷环境的适应性及船用需求。为进一步验证其性能和保鲜效用，选择梨、青菜、芹菜、卷心菜

摘要：为增强气调集装箱在极地等特殊环境下的果蔬贮运效用，对现有装置进行了优化设计。通过调整布局提高空间利用率；优化系统模块提高降氧效率、实现精确控温；设置加热、抗振等辅助措施，提高对寒冷环境的适应性及船用需求。为进一步验证其性能和保鲜效用，选择梨、青菜、芹菜、卷心菜作为试验对象，进行混合贮藏开展了为期45天的保鲜试验。结果表明，装置在试验期间运行良好，受外界环境因素干扰较小。果蔬在贮藏45天后依然具有较高的可食用率（＞85%），可滴定酸、可溶性固形物含量损耗量小于3%，维生素C也得到较好保留（＞60%）。该装置目前已成功应用于“雪龙2号”极地科考船，在远洋航行、长途运输等果蔬保鲜场景中具有良好的应用前景。

关键词：气调集装箱；果蔬；贮运；保鲜试验

一、引言

果蔬是居民膳食组成中必不可少的成分，普通人群每日果蔬的摄入需求为500g～850g。而处于极地等特殊环境下的人员，受限于环境条件，饮食结构较单一，长期缺乏新鲜蔬果的摄入，易引发严重疾病[1]。为满足人员果蔬保障需求，通常采取随船运输或远距离投送等形式进行补给。但是新鲜果蔬在自身生理变化、外界因素的刺激或微生物作用下易腐败变质，增加了果蔬贮运的难度[2]。

目前，果蔬贮运主要依靠气调冷藏集装箱进行[3,4]，通过制氮降氧、低温贮藏、加湿、乙烯脱除、臭氧杀菌等机理，抑制果蔬的生理变化和微生物生长，延长果蔬的贮藏期。但仍面临一些问题，由于海运时果蔬贮藏需求量大、品种多，果蔬堆积易影响保鲜效果，贮藏时温度波动较大，易受外界环境因素干扰。对此，不断有研究对船用集装箱的设计方案进行优化。祁丽[5]通过优化制冷负荷调控技术，采用孔板稳压送风方式等设计，有效解决温度波动范围大、气流组织欠佳和应用受限的问题。张晓红等[6]提出了一种风管均流设计方案，能有效解决冷藏集装箱高箱标箱混装的通风问题。李长玉等[7]设计了一种船运冷藏集装箱冷却结构，在冷藏集装箱底部安置多块复合结构导热板，可使集装箱温度分布更加均匀。花开太等[8]对比普遍使用的电热除霜方案，发现超声波+电热除霜的方案能有效降低能耗和成本、减小温度波动。

针对极地的极端寒冷环境特点，仍需进一步解决低温、霜雪、颠簸带来的不利影响。本研究通过对气调冷藏集装箱的结构布局、气调、冷藏功能进行了优化，增加辅助措施等方式提升集装箱的环境适应性。

二、装置优化设计

1.总体结构布置

气调集装箱主要由气调系统、冷藏系统、控制系统、冷库系统组成，主要性能参数，参见表1。

表1 主要性能参数

为应对使用过程中开库频繁、果蔬贮藏环境不稳定的特点，以及抵御外界因素影响，对集装箱总体结构进行了调整。如图1所示，设备舱和保鲜舱以密封门相隔，隔板和箱体上覆盖有保温层，从设备舱进入保鲜舱时，设备舱可作为缓冲间，避免频繁进出查看时外界因素带来的不利影响。设备舱内模块化安装控制单元、气调单元、冷藏单元，合理利用空间结构，便于操作和管理。保鲜舱内设置有货架、加湿器、温度传感器、湿度传感器等，提供了一个封闭的贮藏空间，具有良好的气密性、保温性，为果蔬贮藏提供稳定的环境。

图1 气调冷藏集装箱外形图和结构示意图

2.制氮模块优化

为降低能耗，维持保鲜舱内氧浓度的稳定性，对装置的制氮模块进行了优化。制氮模块通常是利用空压机压缩空气经过冷干机、过滤器成为纯净的高压气体，通过氮气分离膜组件分离出高纯度的氮气，并注入保鲜舱内，将富氧气体排出到室外。随着高纯度氮气的注入，保鲜舱内的其他气体会被挤出舱外，直至氧气浓度降到指定浓度（如图2a）。改进后采用真空变压吸附专用分子筛与干燥剂形成的混合床层，低压条件下选择性吸附保鲜库中的氧气、二氧化碳和水等杂质，真空条件下对吸附饱和状态的分子筛进行解吸，从而循环制得高纯度的氮气（如图2b）。改进后的制氮模块的组成更简单，减少了通风接口、结构与外界更封闭从而有效抵御低温环境。以20英尺集装箱为例，膜制氮分离技术额定功率需求约7.5kW，真空变压吸附技术额定功率需求仅0.55kW。从21%氧气浓度降至5%时（空库），降氧时间从4h减少至2.5h。

图2 优化前后制氮模式示意图

3.冷藏系统优化

为降低温度波动，实现精确控温，对冷藏模块进行了优化。普通冷库通常采用吸顶式冷风机，顶部空间占用量较大，且在高密度装载量的情况下，容易造成较大的温度梯度影响保鲜效果。而通过选用薄型冷风机进行侧壁安装，顶部安装多孔静压箱，将冷风送往天花板处静压箱内，冷风通过静压孔慢慢送往下方货架。利用冷空气下降的特性，通过果蔬筐的间隙送往货架底部，最后回到冷风机进风口，可实现均匀布风，有效降低保鲜舱内的温度波动。

图3 入库现场照片和最后一次出库现场照片

4.控制系统优化

为进一步降低能耗，在系统模块中增设品质优先、能耗优先、动态均衡三种控制模式便于选择。品质优先指在贮藏过程中一直保持最佳的工作环境参数，相对能耗较大；能耗优先指前期以最佳的温度和气体组分条件贮藏，中后期适当提高温度和氧气浓度，在保证果蔬品质变化不大的情况下减少能耗；动态均衡则是指全程动态气调，在整个储藏过程的气体组分和温度依据果蔬无氧呼吸产生乙醇的含量进行动态调整。操作者可根据实际需求选择使用模式。

5.辅助功能设计

针对极地环境特点，所选用的风机、传感器、电子元器件等关键部件能在-50℃贮存，-40℃正常工作。为避免冷空气的进入，在开启气调或通风等功能时，进入的新风需要经过自带加热功能的惯性极、网垫极过滤，用于清除盐雾、雨雪等不良影响，提高进气质量，降低对设备的腐蚀。在保鲜舱和设备舱内均布置制热设备，冷风机、加湿器等装置内设有电加热管，防止低温结冰。

为应对船用运输、极地破冰需求，提高气调集装箱的抗振性能。在振源底部和背部安装有钢丝绳减振器，适用于集装箱吊运要求。设备与箱体，设备与设备之间采用挠性减振措施，有效减缓破冰时振动带来的影响。保鲜舱内的食品级不锈钢货架的背部、底部、顶部均增加固定措施，货架同时布置有可灵活拆卸的档杆，防止蔬菜筐滑落。

三、保鲜效果验证

1.试验过程

为验证上述气调冷藏集装箱在低温环境下的运行性能，在室外寒冷环境下进行摸底试验，试验期间最低气温可达-8℃。挑选新鲜无损、大小相近的梨、青菜、芹菜、卷心菜作为试验对象，经预冷后装入镂空蔬菜筐，每种果蔬各16筐，集装箱的装载率达90%，试验现场如图3所示。设置运行温度为2.0℃，湿度为80%，氧气浓度为6.0%。装置系统通过温湿度传感器、氧浓度传感器自动检测和记录性能参数。果蔬存储后，前15天（day，d）不开库，后每隔5天开一次库，开库时每种果蔬随机抽取两筐进行指标分析。

参照曹建康等的方法[9]，采用称重法测定可食用率，使用折光仪法测定可溶性固形物，使用氢氧化钠滴定法测定可滴定酸，使用2,6-二氯酚靛酚滴定法测定维生素C含量。所用试剂均为分析纯，购自于国药集团化学试剂有限公司。

2.性能参数变化

对试验期间保鲜舱内环境参数进行监测。当温度设定值为2.0℃，试验期间库温能维持在(2±1)℃。其中，0.8℃和0.9℃分别出现过1次，在小范围内出现了误差。在此期间，出现一次冷藏系统方面的故障报警，第9天时报警提示“制冷排气压力高”故障，使库温升高到5℃。通过报警提示，在人员干预下短时间内恢复了正常，未对试验造成影响。当相对湿度设定值为80%时，库内的相对湿度基本维持在70%～90%之间，这是由于系统自动检测库内湿度值，并与系统湿度设定值比较判断来自动启停加湿装置，库内风机运转、制氮降氧的运行对湿度产生影响，且加湿系统在短时间内就能达到较高水平，而巡回检测系统每10min检测一次，对加湿系统的反馈有时会出现延迟。当氧气浓度设定值为6.0%时，试验期间库内的氧气浓度能维持在5.5%～6.5%之间。

3.保鲜试验结果

如图4所示，贮藏初期，四种果蔬在贮藏45天后，梨的可食用率最高，仅出现1.33%的水分损失，未出现有腐烂的个体。芹菜在贮藏期间也仅有少量水分损失，以及少数叶柄变软现象，贮藏45天后的可食用率可达94.55%。青菜贮藏45天后可食用率达87.41%，有小部分叶片出现发黄、脱落的现象。卷心菜贮藏45天后可食用率达91.82%，只有最外层叶片发黄，内部完好且富有光泽。试验结果表明，通过该气调冷藏集装箱贮藏45天后，能有效抑制果蔬水分蒸发，基本能维持贮藏前新鲜、青翠的状态，获得较高的可食用率。

图4 试验期间梨、青菜、芹菜、卷心菜的可食用率变化情况

由于果蔬的自身生理活动，采摘后随贮藏时间延长，果蔬不断消耗组织中的各项营养成分，可滴定酸、可溶性固形物、维生素C的含量逐渐下降，在气调、冷藏等环境调控干预下，可有效减少损耗。如图5所示，试验果蔬中可滴定酸含量虽然随贮藏时间的延长而下降，但在贮藏45天后，梨、青菜、芹菜、卷心菜均可维持较高的可滴定酸含量，与初始样相比其保留率均可大于60%，与文献所述具有相当的保鲜效果[10]。

图5 试验期间梨、青菜、芹菜、卷心菜的可滴定酸含量变化情况

如图6所示，随贮藏的时间增加梨、青菜、芹菜、卷心菜中可溶性固形物含量降低，但整体损耗较小。贮藏45天后损耗量分别为2.19%、1.56%、1.63%、2.44%，相对初始样的保留率均大于70%。气调作用下果蔬呼吸作用受抑制，能有效保留果蔬可溶性固形物含量[11]。

图6 试验期间梨、青菜、芹菜、卷心菜的可溶性固形物含量变化情况

如图7所示，梨和芹菜中维生素C初始含量相对较低，在贮藏45天后，保留率分别为67.54%和65.54%。青菜和卷心菜中维生素C含量较丰富，前15天维生素C损失较少，而后维生素C损失较明显。但在贮藏45天后，仍有较高的维生素C保留，保留率分别为77.21%和73.69%，能为食用者提供有效的维生素C补充。

图7 试验期间梨、青菜、芹菜、卷心菜的维生素C含量变化情况

四、结论

本文应对极地等特殊环境条件下果蔬储运需求，对气调集装箱进行针对性优化设计。通过将各项功能系统模块化安装，提升了空间利用率。采用真空变压吸附技术提高了降氧效率，利用多孔静压箱促使保鲜舱内均匀布风。并通过增加加热、抗振的辅助设计进一步提高适用性。性能和果蔬保鲜试验验证该装置在45天贮藏期内对果蔬具有良好的保鲜效用。现有4台该型号气调集装箱成功应用于“雪龙2号”极地科考船。在后续工作中可以此为基础针对其他恶劣环境进行调整，进一步拓宽应用场景。

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来源：物流技术与应用杂志