不同冷冻介质与EPS泡沫箱在模拟冷藏运输中的效果研究

胡 佳 ，李艳华 ，罗 杰

（1.铜仁职业技术学院，贵州铜仁 554300；2.铜仁市特种水产养殖发展与提升工程技术研究中心，贵州铜仁 554300）

聚苯乙烯泡沫塑料（EPS，Expandable Polystyrene）是一种热塑性材料，经加热发泡以后，每立方分米体积内含有300～600万个独立密闭蜂窝气泡，平均密度在0.015～0.03 g/cm3，是目前使用最普遍的保温隔热材料之一[1]，具有易于溶解和粉碎、价格便宜、可回收利用等优点。EPS广泛应用于各种生化试剂、锡膏、兽药、血浆、疫苗、水产、观赏鱼、奶制品、肉制品、农产品、花卉、蔬菜、水果等长距离保活保鲜冷链运输中。

蓄冷介质用途则更广泛，除了配合泡沫箱实现上述功用外，还可以用于高烧退热、消炎止痛、冷敷美容、扭伤、止血、化脓、护肤等辅助理疗和食品及药品保鲜。但是，目前蓄冷介质不断推陈出新，对蓄冷介质冷藏效果的比较研究不多[2-5]，对商用冷冻介质的冷藏对比效果的研究更是寥寥，目前仅见于文远蓉等人[6]在医学上进行了简单研究。虽然冷链运输已蓬勃发展，但是基于泡沫箱结合冷冻介质的方便易得、低成本及环保特性，泡沫箱结合冷冻介质在农产品冷藏运输的市场占有率上还是占有相对优势[5，7-8]。基于此，选取泡沫箱运输中常用的生物冰袋、注水冰袋、保鲜冰袋、干冰袋，结合自制的水冰袋、3%NaCl冰袋、1.5%NaCl冰袋比较其蓄冷性能，研究不同冰袋在特定条件下的冷冻保温时间与能力，从而为各种物品，特别是水产品在特定情况下的泡沫箱冷藏保鲜运输提供科学依据与指导。

1 材料与方法

1.1 材料

不同型号EPS保温箱和生物冰袋、注水冰袋、保鲜冰袋、干冰袋等各类商用冷冻介质，均为网购；水冰瓶、3%NaCl冰瓶、1.5%NaCl冰瓶；瓶装自来水，自制获得。

1.2 仪器与设备

JBY型智能控温加热棒，中山市蓝海电器有限公司产品；U23-001型HOBO ware温度自动记录仪，美国Onset公司产品；温控保温箱，自制。

1.3 试验方法

试验共有3个设计，试验Ⅰ设置10，15，20，25，30，35℃和室温7种不同温度处理，研究同一冷冻介质（保鲜冰袋）在同一EPS保温箱、不同温度下的保温效果。其中，室温为环境气温，其他温度组通过可调加热泵加热水浴箱来控制恒定温度。

特定EPS保温箱和特定冷冻介质在不同环境温度下的保温效果试验设置见表1。

表1 特定EPS保温箱和特定冷冻介质在不同环境温度下的保温效果试验设置

试验Ⅱ研究不同内表面积和厚度的EPS保温箱，在同一温度和同一干冰袋下的保温效果，干冰袋总体积按照泡沫箱内表面大小同等比例放置，保证散热速率和散热表面积比例一致。各处理的环境气温、气压、泡沫箱材质相同。

不同EPS保温箱在特定冷冻介质和特定环境温度下的保温效果试验设置见表2。

表2 不同EPS保温箱在特定冷冻介质和特定环境温度下的保温效果试验设置

试验Ⅲ研究6种不同冷冻介质在同一温度、同一EPS保温箱下的保温效果。

不同冷冻介质在特定EPS保温箱和特定环境温度下的保温效果试验设置见表3，试验用冷冻介质信息见表4。

表3 不同冷冻介质在特定EPS保温箱和特定环境温度下的保温效果试验设置

3组试验中每个处理设置3个重复，每个重复的温度采用HOBO ware温度自动记录仪记录，设置记录时间间隔为1 h，每个温度记录仪均用透明胶粘在泡沫箱盖内面中部，每个EPS保温箱用盖子盖好并用透明胶密封好。

1.4 数据处理

所有试验数据采用Excel 2010软件进行统计，对处理Ⅲ的数据进行F检验，对比不同冷冻介质的保温效果。

2 结果与分析

2.1 同一冷冻介质在相同EPS保温箱、不同环境温度下的保温效果

同一冷冻介质在相同EPS保温箱、不同环境温度下的保温时长见图1。

由图1可知，35℃外界温度下，1 h后泡沫箱内温度达到26.2℃，9 h后箱内外温度达到一致；10℃外界温度下，1 h后泡沫箱内温度达到4.8℃，41 h后箱内外温度达到一致；即外界温度越高，EPS保温箱升温速度越快，达到和外界温度一致的温度所需时间越短。

表4 试验用冷冻介质信息

对箱外温度和对应保温箱内达到外界温度所需时间两者之间的数据进行拟合发现，外界温度和保温时间两者之间存在明显的负相关。

环境温度和保温时长的关系见图2。

由图2可知，拟合方程为：Y=73.788e-0.299X，R2=0.997 3。

2.2 同一冷冻介质在同一温度下、不同EPS保温箱中的保温效果

根据散热速率和散热表面积成正比的关系，冷冻介质体积按照EPS保温箱内表面积的大小按比例放置，试验的外界条件均保持一致。

同一冷冻介质在不同泡沫箱、同一环境温度中的保温效果见图3。

由图3可知，虽然冷冻介质是按照泡沫箱内表面积大小比例放置的，但是泡沫箱内起始温度却是不一致的，呈现内表面积越小，起始温度越低的趋势。并且随着温度的上升，内表面积越大的EPS泡沫箱，温度上升得越快。从温度的变化趋势来看，1#，2#，3#的变化趋势一致；6#，7#的变化趋势一致；4#，5#，8#分别有各自的变化趋势。1#，2#，3#泡沫箱的厚度相近，起始温度随内表面积的增大而增大；6#和7#泡沫箱的厚度相近，内表面积也相近，图示2条曲线非常相似；4#和5#泡沫箱的内表面积相近，泡沫箱内起始温度相近。但随着时间的推移，5#比4#泡沫箱温度上升快一些，推测与泡沫箱的厚度有关；8#内表面积最大，也是整个试验中初始温度最高且升温速度最快的一个泡沫箱。

EPS泡沫塑料属于高效保温材料，导热系数≤0.003 8 W/(m·k)[9-10]，根据傅力叶方程式：

式中：Q——热量；

λ——导热系数；

A——接触面积；

△T——温度差；

d——材料厚度；

R——热阻值。

2个公式综合后，得到λ=d/R。因为λ和材料的成分有关，是不变的，那么热阻R与材料厚度d成正比。依据傅力叶方程式，散热速率与散热面积成正相关的关系，按内表面积大小确定EPS泡沫箱内冷冻介质的体积，按照此理论，8个泡沫箱的初始温度或升温曲线趋势应该一致。但是，由于泡沫箱内表面积不同，温度记录初期的初始温度并不一致，泡沫箱的厚度不一，各自冷耗也不一，以及温度升高后期冷冻介质蓄冷能力下降，导致各泡沫箱内温度变化趋势并不和厚度呈现线性相关。表现为1#，2#，3#泡沫箱的温度变化趋势一致，3个泡沫箱的厚度分别为18，20，20 mm；6#，7#泡沫箱的温度变化一致，2个泡沫箱的厚度分别为26，25 mm。在泡沫箱内温度未达到7℃时，5个泡沫箱内温度上升趋势一致。在泡沫箱内温度达到7℃时，6#、7#泡沫箱后期的温度升高速率大于1#、2#和3#泡沫箱。说明在这2组的保温试验中，泡沫箱厚度不是影响温度曲线的唯一因素，后期在接近室温时，冷冻介质蓄冷能力下降，因为6#、7#泡沫箱内表面积显著大于1#、2#和3#泡沫箱内表面积，导致温度散失越快；4#和5#泡沫箱的内表面积相近，初始温度相近；在升温过程中，由于5#泡沫箱的厚度小于4#，所以5#泡沫箱温度升高快一些；8#泡沫箱的内表面积最大，起始温度最高，在接近室温的情况下，虽然8#泡沫箱的厚度有30 mm，但是已不足以抵御内表面积大且初始温度高带来的温度急剧升高。

由此可见，内表面积影响泡沫箱初始温度，内表面积越大，初始温度越高。泡沫箱厚度影响温度上升的速率，泡沫箱越厚，保温能力越强。值得强调的是，冷冻介质的蓄冷能力在一定程度上可以抵消泡沫箱内表面积的影响，但是在泡沫箱内温度上升的中后期，由于冰袋的蓄冷能力下降，对泡沫箱内温度调控的主要因素还是内表面积。因此，泡沫箱的内表面积、泡沫箱厚度及冰袋的蓄冷能力均能综合影响保温时长。

2.3 不同冷冻介质在同一EPS保温箱、同一温度下的保温效果

不同冷冻介质在同一EPS保温箱、同一环境温度下的保温效果见图4。

由图4可知，不同类型冷冻介质在试验初期阶段的降温能力是不同的，3%NaCl冰瓶效果最好，可达到4℃以下；其次是保鲜冰袋、1.5%NaCl冰瓶，最后是干冰袋。从保温时长来看，3%NaCl冰瓶在经过大约32 h后丧失保温能力，1.5%NaCl冰瓶在36 h后丧失保温能力，其余冰袋在40～43 h丧失保温能力。每条曲线和室温曲线围成的面积反映的是蓄冷介质的持续释冷能力，从这一角度来看，保鲜冰袋释冷能力最优，达203.4 h·℃；水冰瓶释冷能力次之，达166.8 h·℃；随后依次是1.5%NaCl冰瓶、3%NaCl冰瓶、注水冰袋、生物冰袋、干冰袋，分别达到162.9，159，146.1，133.9，117.5 h·℃。对各组温度数据进行F检验，得到p=0.006 7（p＜0.01），新复极SSR法多重比较显示，3%NaCl冰瓶组和1.5%NaCl冰瓶组与其余各组呈极显著差异，其余各组之间无差异。

3 结论

研究表明，特定冷冻介质在特定EPS泡沫箱和的保温效果（时长）与外界温度存在明显的负相关，其拟合方程为：Y=73.788e-0.299X（X为箱外温度/℃，Y为保温时长/h；R2=0.997 3）。外界温度越高，EPS保温箱的起始保温作用越弱，升温过程越快，升温时长与外界温度呈明显的负相关。因此，无论使用何种冷冻介质或者EPS泡沫箱，在长距离保鲜运输中，应尽量避开高温天气。如果无法避开高温天气，对运输物品进行冷藏后再包装运输，并加大冷冻介质的使用是提高运输距离与保鲜时间的较好办法[11]。

同一冷冻介质在特定温度和不同EPS保温箱中的保温效果受EPS保温箱的表面积、厚度的综合影响，符合傅立叶方程式，但是保温时长与二者并不成简单的线性关系，保温过程中冷损的存在使得其线性关系并不明朗，这与王刚[5]对不同体积的蓄冷剂的保温研究结果有相似之处。

综合初始降温效果、保温时长、温度上升趋势3个条件来看，保鲜冰袋的综合蓄冷能力最强，其次为水冰瓶和注水冰袋，3%NaCl冰瓶和干冰袋的综合蓄冷能力相对较差。保鲜冰袋在初始降温和保温前期的蓄冷效果较好，注水冰袋在保温后期的蓄冷效果较好。故推荐冷冻介质首选保鲜冰袋，其次为水冰瓶和注水冰袋。

因此，在进行生物制品及鲜活农产品等的保鲜保活运输当中，需要综合考虑季节、运输距离与时间、冷冻介质的蓄冷能力、泡沫箱表面积和厚度。根据试验结果，建议尽量选择厚度大、表面积小的泡沫箱在阴冷天进行运输，冷冻介质推荐保鲜冰袋和注水冰袋混合搭配使用，冷冻介质不易获取或者环境温度较低情况下，推荐直接使用水冰瓶。在运输前最好对运输物品进行预冷处理，运输包装中还可以覆盖一层保温棉，减少温度的散失。值得一提的是，针对非即食水产品的活体运输，除了可以在运输过程中适当降温以降低鱼体应激和新陈代谢，保证存活率之外，也可使用MS-222和丁香酚这2种效果和安全性都较好的麻醉剂来减少水产品的基础代谢，提高水产品的保活率与毛色[12-15]。另外，还有研究表明，在活体水产品运输过程中加入一定量的氯化钠、抗生素、益生菌、抗菌剂等添加剂，可以维持水产品皮肤黏膜的稳态和水质清新，对提高运输存活率大有裨益[16-17]。