国家重点研发计划项目|中国农业大学曹建康教授：冷风温度及装箱方式对鲜黄花菜预冷过程影响的模拟与试验研究

食品工业科技编辑部

2025-11-03

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本文获国家重点研发计划项目（2023YFD1600203）；中国农业大学-大同市合作项目（201904710611628）。

摘要

为了探究不同冷风温度（1 ℃和4 ℃）和装箱方式（与风向平行和与风向垂直）对鲜黄花菜（Hemerocallis citrina Baroni.）预冷效果的影响，通过计算流体力学（Computational fluid dynamics，CFD）技术模拟了鲜黄花菜预冷效果的变化。结果表明，同一冷风温度下，采用与风向平行的装箱方式，鲜黄花菜预冷速度更快且更均匀，预冷效果更好；冷风温度越低，预冷速度越快，但预冷均匀性差。预冷模拟结果与实验结果一致，两者最大温差为1.2 ℃，模拟精度达到92%以上，证明了CFD数值模拟应用于鲜黄花菜预冷研究的可行性，优化了鲜黄花菜的预冷参数，以期为鲜黄花菜的贮藏保鲜提供理论依据与技术参考。

作为最古老且有效的食品保鲜技术，低温贮藏在维持肌肉食品、水果和蔬菜的安全及质量方面发挥着关键作用，根据贮藏环境温度的不同，现代工业中通常以冷藏（0~4 ℃）和冷冻（低于−18 ℃）两种方式来提高产品的品质稳定性。近年来，与传统肉制品相比，调理牛排因其食用方便、营养均衡等优势，越来越受到消费者的青睐。调理牛排产品通常采用冷藏或者冷冻方式进行贮运销售。传统的冷藏技术货架期较短，难以进行长线的冷链运输；此外，尽管冷冻技术可以大幅度延长货架期，但是贮藏过程中冰晶的生长/再结晶会对肌肉组织造成剧烈的机械损伤，解冻后过多的汁液损失会直接损害行业的经济效益和消费者的健康需求。因此，有必要开发新型的低温保存技术以维持食品原有的品质。

黄花菜在我国种植历史悠久，是以干制花蕾为食用部分的特色蔬菜，具有较高的营养价值和经济价值。但是，采后的鲜黄花菜易出现失重、腐烂、开散及霉变等不良现象，引起品质劣变。利用低温贮藏、气调包装、化学制剂保鲜处理等方式，可有效保持鲜黄花菜较高的好花率，延缓营养成分的降解消耗。但由于安全性、成本、可操作性等诸多因素的影响，应用受限。因此，优选鲜黄花菜贮藏保鲜工艺条件，延长其货架期已成为亟待解决的问题。

Sullivan等研究表明预冷对于鲜活农产品来说是最有效、成本最低的保鲜方法。预冷是果蔬进入冷链的首个环节，它是利用制冷技术，将果蔬快速冷却以去除果蔬采后田间热和呼吸热的过程。有研究表明未经预冷的果蔬在流通中的损失率是经过预冷果蔬的2~6倍。预冷可抑制果蔬的呼吸强度，维持细胞膜的功能特性，延长贮藏期。满江等探究不同预冷方式对甜樱桃模拟物流运输过程中品质的影响，结果发现在模拟物流运输贮藏72 h内，冷库预冷可以有效维持‘砂蜜豆’甜樱桃的采后品质。Berry等研究表明强制空气预冷期间，纸箱中的冷却速率和均匀性取决于空气条件（温度、速度）和包装中的气流分布。段洁利等研究了冷风温度、通风速度及荔枝果实在包装箱中的位置对预冷速度的影响，发现预冷的冷风温度越低，降温速率越大，预冷时间越短，但温度太低会使荔枝发生冷害，造成品质下降。为了优化鲜黄花菜的预冷工艺，在保证预冷速度的同时提高预冷温度的均匀性，并且确保鲜黄花菜的产品质量。因此，亟需明确针对鲜黄花菜冷风温度和不同装箱方式下的预冷效果的研究。

计算流体力学（Computational fluid dynamics，CFD）数值模拟是基于质量、动量和能量守恒，通过求解控制方程来模拟流体流动及热量和质量传递的过程，以获取高时空分辨率下的流体传热传质信息。在不同的工业领域，CFD可用来模拟流体流动、热量传递、质量传递（蒸腾或溶解过程）、相变过程（冷冻、融化或沸腾）、化学反应（燃烧或生锈）、机械运动（叶轮、活塞、风扇或方向舵）、相关结构的受压分析或变形过程分析以及固液或固汽之间的相关作用。近年来随着CFD的运用领域不断拓宽，它被广泛应用于冷链各个环节的研究中。CFD技术克服了传统理论分析方法在对象简化、计算求解等方面的不足，突破了试验过程中人力物力消耗、试验周期长等诸多限制。如CFD被运用于冷库内部各种场的模拟研究时，它不仅可以模拟果蔬包装箱内的空气流动及传热传质现象，而且还可以获得冷却性能的相关信息。陈秀勤等针对特定预冷时间，模拟了纸箱上圆形、键槽形两种开孔方式下包装箱内间隔、错位间隔和平方间隔等排列方式下果品的温度场，并进行了试验验证，结果吻合性较好，验证了模型的可靠性。韩佳伟等在研究送风风速对苹果差压预冷性能的影响时，发现当风速为2.5 m/s时，预冷效果最佳。因此，优化果品的预冷方法（包括合理设计开孔方式、调整送风风速和恰当排列果品）是提高冷链运输效率、延长果品保鲜期的重要因素。

本文以大同鲜黄花菜为研究对象，利用CFD模拟来研究不同冷风温度、不同装箱方式下鲜黄花菜的预冷过程，并进行了实验验证，以期优选鲜黄花菜适宜的预冷参数，为后续优选鲜黄花菜贮藏保鲜方法提供了理论依据与技术参考。

结果与分析

2.1 不同冷风温度对黄花菜温度云图的影响

塑料泡沫箱内黄花菜的中心截面温度分布情况，反映了预冷过程中温度场的差异性。根据图4可以观察到预冷过程中黄花菜温度的不同变化趋势。靠近进风口的黄花菜，其温度相对较低，说明冷风对进风口区域的黄花菜有更直接的冷却效果。冷风温度的不同，会显著影响黄花菜的最终预冷温度。具体而言，较低的冷风温度能更有效地降低黄花菜的温度。

图 4 鲜黄花菜1 ℃（A）与4 ℃（B）冷风预冷时的温度云图

Fig.4 Temperature cloud image of fresh daylily at 1 ℃ (A) and 4 ℃ (B) cold air pre-cooling

2.2 不同冷风温度及装箱方式对黄花菜降温曲线的影响

由图5可知，两种装箱方式下，1 ℃冷风预冷时的降温速率均高于4 ℃冷风预冷。装箱方式与风向平行时，偏风口处的降温速率高于正风口处；装箱方式与风向垂直时，近风口处与远风口处的降温速率无显著差异。综合考虑，装箱方式与风向平行选择1 ℃预冷的偏风口处，装箱方式与风向垂直选择1 ℃预冷的近风口处和远风口处均可达到相似的预冷效果。

图 5 鲜黄花菜与风向平行（A）和与风向垂直（B）装箱时的降温曲线

Fig.5 Cooling curve for packaging fresh daylily parallel to the wind direction (A) and perpendicular to the wind direction (B)

2.3 不同冷风温度及装箱方式对黄花菜7/8预冷时间的影响

由图6可知，相同装箱方式下，冷风温度越低，预冷时间越短。鲜黄花菜与风向平行装箱时，1 ℃冷风偏风口处和正风口处的预冷时间分别为5.96 min和7.60 min；4 ℃冷风时，偏风口处和正风口处的预冷时间分别为14.24 min和15.64 min。此时，偏风口处的鲜黄花菜降温速度更快。鲜黄花菜与风向垂直装箱时，1 ℃冷风时，近风口处和远风口处的预冷时间分别为8.52 min和11.98 min；4 ℃冷风时，近风口处和远风口处的预冷时间分别为15.31 min和20.08 min。此时，近风口处的鲜黄花菜降温速度更快。此外，同一冷风温度下，与风向平行时鲜黄花菜的预冷速度较与风向垂直时更快。综合考虑，装箱方式与风向平行选择1 ℃偏风口处进行预冷，可确保鲜黄花菜快速降温，最大限度地减少预冷所需的时间。

图 6 鲜黄花菜与风向平行（A）和与风向垂直（B）装箱时的7/8预冷时间

Fig.6 7/8 Pre-cooling time for packaging fresh daylily parallel to the wind direction (A) and perpendicular to the wind direction (B)

注：数值以平均值±标准误表示，不同小写字母表示有显著性差异（P<0.05）。

2.4 不同冷风温度及装箱方式对黄花菜预冷均匀性的影响

σ表示预冷箱内黄花菜预冷均匀性的分布状况，σ数值范围为0~1，σ越大，温度场越离散，表示预冷越不均匀。由图7可知，均匀性在整个预冷过程中呈现先增大后减小的趋势，两种装箱方式，都存在着不均匀性。鲜黄花菜装箱方式与风向平行时，4 ℃偏风口处的鲜黄花菜预冷均匀性为0.09，显著低于1 ℃的0.325（P<0.05），即4 ℃冷风预冷的均匀性优于1 ℃。鲜黄花菜装箱方式与风向平行时，偏风口处的鲜黄花菜预冷均匀性优于正风口。鲜黄花菜装箱方式与风向垂直时，近风口处的鲜黄花菜预冷均匀性优于远风口。此外，同一冷风温度下，与风向平行装箱的均匀性高于与风向垂直装箱，即与风向平行装箱预冷效果更均匀。综合考虑，装箱方式与风向平行选择4 ℃偏风口处进行预冷，可在确保鲜黄花菜快速而均匀降温的同时，减少因温度不均匀导致的果品质量下降的风险。

图 7 鲜黄花菜与风向平行（A）和与风向垂直（B）装箱时的均匀性

Fig.7 Uniformity for packaging fresh daylily parallel to the wind direction (A) and perpendicular to the wind direction (B)

2.5 预冷效果的实验验证与分析

通过对鲜黄花菜装箱方式与风向平行时各个温度监测点的实验值与模拟值进行对比验证，可以更全面地评估CFD技术在鲜黄花菜预冷研究中的应用效果。结果如图8所示，实验值整体上略微偏小于模拟值，两者最大温度偏差为1.2 ℃，模拟精度达到92%以上。这进一步验证了CFD技术在鲜黄花菜预冷研究中的可行性和准确性。

图 8 与风向平行装箱各温度监测点模拟值与实验值比较

Fig.8 Comparison of simulated values and experimental values at each temperature detection points for packaging fresh daylily parallel to the wind direction

注：A，1 ℃冷风；B，4 ℃冷风，其中1-1表示从下至上第一层黄花菜偏风口处，2-1表示第二层偏风口处，3-1表示第三层偏风口处，4-1表示第四层偏风口处，5-1表示第五层偏风口处；1-7表示第一层正风口处，2-7表示第二层正风口处，3-7表示第三层正风口处，4-7表示第四层正风口处，5-7表示第五层正风口处；不同小写字母表示有显著性差异（P<0.05）。

讨论与结论

3 讨论

预冷是果蔬等鲜活农产品进入冷链的第一个重要环节，根据送风方式的差异，预冷又可分为水平送风预冷和垂直送风预冷。其中垂直送风可有效改善预冷过程中送风短路，冷却效率低的问题，预冷时间较水平送风预冷降低了25%~50%。Elansari等研究结果表明，垂直送风预冷可以使冷空气更好地进入到包装箱内部进行换热。金滔等在对垂直送风预冷对苹果性能模拟与分析中发现苹果的冷却速率随送风速度的升高、送风温度的降低而加快。解海卫等研究表明送风速度越大、送风温度越高预冷均匀性越好，与本研究中4 ℃冷风比1 ℃冷风条件下，鲜黄花菜预冷更均匀的结果一致。

本研究发现偏风口处相较于正风口降温速度更快，这可能是因为在整个箱中，气流会形成复杂的流动场景，偏风口处由于靠近冷风的进入口，气流在这一区域可能会形成更为强劲和紧密的对流，导致黄花菜更快地被冷风所包围和冷却。由于气流流动和温度分布的影响，偏风口处的预冷速度较快，所以黄花菜能够更快地降温。近年来相关学者的主要研究对象为像苹果这样的球形类果品，对像鲜黄花菜这样的圆柱体形状果蔬研究较少，因此还需进一步研究以增加模拟的精度。

在本研究中，当鲜黄花菜装箱方式与风向平行时，空气流动会沿着箱体表面流动，形成较为均匀的对流。这种对流会使得箱体表面上的空气与箱内空气之间的热量更均匀地交换，从而使得箱内温度分布更加均匀。相比之下，当与风向垂直装箱时，空气流动会在箱体表面形成涡流或者湍流，这会导致空气在箱体表面停留的时间较短，热量交换不够充分，从而导致箱内温度分布不够均匀。

将CFD模拟值与试验值进行比较，发现模拟值偏大，存在偏差的原因可能包括所建物理模型假定塑料泡沫箱内鲜黄花菜大小一样、分布均匀，摆放形式理想化，而实际过程中，鲜黄花菜大小相近，但无法保证完全一样；且由于自重等原因，使得黄花菜之间空隙大小不一致，从而导致实际实验测试和模拟计算存在偏差；且预冷模拟部分只考虑传热影响，忽略预冷过程中的传质问题，并忽略了鲜黄花菜的呼吸热和蒸腾热；模拟计算中输入的鲜黄花菜物性参数存在误差，同时在实际预冷过程中这些参数是变化的，但模拟计算中选取恒定不变的值，这也会引起模拟和实验结果的偏差。

4 结论

本研究以鲜黄花菜为研究对象，通过监测两种不同的冷风温度（1 ℃和4 ℃）和两种不同的鲜黄花菜装箱方式（与风向平行和与风向垂直）对预冷效果的影响，同时应用CFD仿真模拟技术计算圆柱体果蔬鲜黄花菜预冷效果的变化。结果表明，与风向平行装箱时，鲜黄花菜在偏风口处降温速度更快；而与风向垂直装箱时，近风口处的降温速度更快；同一冷风温度下，风向平行时的预冷速度比风向垂直时更快。此外，在相同装箱方式下，较低的冷风温度可以缩短预冷时间，提高整体预冷速度，但也可能导致温度场的不均匀性，因此需要合理安排黄花菜的摆放位置并选择适宜的冷风温度。研究结果显示，预冷模拟与实验结果的最大温差为1.2 ℃，模拟精度超过92%，验证了CFD技术在鲜黄花菜预冷研究中的可行性。

本研究突出了不同装箱方式和冷风温度对预冷效果的影响，为优化鲜黄花菜预冷工艺提供了重要参考。然而，仍需进一步研究如何在保证预冷速度的同时提高温度均匀性，以及优化冷风温度和风向对预冷效果的影响。未来的研究方向可以包括优化预冷设备设计、探索新的预冷工艺参数以及结合实验和模拟方法深入研究预冷过程的机理等。这些问题的解决将进一步推动鲜黄花菜预冷技术的发展，提升食品加工行业的效率和可持续发展。

引用本文：马燕燕，张超凡，曹建康. 冷风温度及装箱方式对鲜黄花菜预冷过程影响的模拟与试验研究[J]. 食品工业科技，2025，46（19）：319−326. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2024050191.

Citation:MA Yanyan, ZHANG Chaofan, CAO Jiankang. Simulation and Experimental Study on the Effects of Cold Air Temperature and Packaging Method on the Pre-cooling Process of Fresh Daylily[J]. Science and Technology of Food Industry, 2025, 46(19): 319−326. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2024050191.

通信作者简介

曹建康，中国农业大学食品科学与营养工程学院教授，博士生导师，美国康奈尔大学访问学者。农业农村部农产品冷链物流标准化技术委员会委员，北京制冷学会常务理事，Postharvest biology and technology编委。长期从事果蔬功能活性成分研究、农产品贮藏保鲜与冷链物流相关技术创新研究。承担国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目等多项研究课题。发表SCI研究论文70余篇，获国家授权发明专利5项，制定农业行业标准2项。