蔬菜壓差預冷技術
文/圖 林棟樑
前言
蔬菜由於具有較高的呼吸速率及蒸散速率，因此易腐性高，農產品採收後會累積大量的田間熱及呼吸熱，更加速以上生理現象進行而加速產品老化及劣變。適當的溫度管理在園產品採收處理上是一項很重要的工作，預冷處理即是在短時間內將產品快速降溫的技術，通常必須要在數分鐘到24小時內達到所須的低溫，由於需掌握時效，因此預冷處理實際上包含許多在不傷害產品情況下快速降溫的技術，如集貨至運輸前或入庫冷藏前短時間內大量產品降溫技術，而不是只有單純的降溫手段，經過預冷後的產品基本上溫度已降至合理的程度，接下來的溫度管理措施才可接著進行，例如在低溫中進行較長期的冷藏或經短暫冷藏後裝入低溫貨櫃中運輸到終點市場，以完成所謂的低溫運銷保鮮系統。
預冷作業大都已是獨立於冷藏之外的一項作業，而且需要一些特別的設備來完成，並在特定的空間中來進行。目前已被實際採用的預冷方法可分為下列幾項：冰水預冷，室內風冷，壓差預冷，真空預冷以及碎冰預冷等。不同的預冷方式各有其優缺點，本文中將只針對氣冷式的壓差預冷作業進一步的詳細介紹。
何謂壓差預冷
壓差預冷(Pressure cooling)，或稱為強制通風冷卻(Forced-air cooling)，是一個普遍應用在水果、蔬菜或切花上的預冷技術，降溫的方式是強迫冷風進入包裝箱中，使冷空氣直接與產品接觸，其原理是利用抽風扇使包裝箱兩側造成壓力差，使冷風由包裝箱之一側通風孔進入包裝箱中與產品接觸後由另一側通風孔出來，同時將箱內的熱帶走。其優點是設備簡單，且幾乎所有的園產品均可使用壓差預冷方式降溫，其使用的包裝箱可不用如水冷或加冰預冷必須是防水的。其缺點是1.降溫速度較其他方法慢(除了室冷)，2.在某些產品上會造成2%以上的失水。因此有效的壓差預冷必須
●良好的產品排列，使包裝箱兩側壓差型成。
●包裝箱經過設計，使冷風能通過並與產品直接接觸。
●空氣必須維持在一定的低溫。
●空氣相對濕度必須維持在90%以上。
壓差預冷的型式
一、隧道式壓差預冷(Tunnel cooler)
| 這是最常用來強迫冷風通過箱子的方法，棧板堆積的箱子排列成兩行，中央具開放走道(圖一)，用帆布覆蓋中央走道上面及未端形成隧道，再用抽風扇抽去隧道內的空氣，如此迫使隧道外的冷空氣穿過箱子中的產品進入隧道中，而由風扇抽出的暖空氣則再經由冷排降溫。棧板可堆高兩層以上，以充份利用庫內空間。用紙箱裝箱的產品，只要紙箱具有適當的通風孔也可使用此方法降溫。 | |
這個系統可整批操作使大量產品降溫，而不需操作各別箱子或棧板。每一操作系統有單一的抽風扇，此抽風扇最好有速度控制器，當穿過包裝箱的空氣溫度降低時，風速亦逐漸降低，如此可減少風扇耗能、熱量產生及減低產品失水。
 隧道式壓差預冷庫壓差箱 |
 隧道式壓差預冷操作情形 |
| 二、蛇形式壓差預冷(Serpentine
cooler) 這個系統是設計使用在具底部開孔的木箱包裝上，堆高機操作的側邊底部開孔是用來作為空氣進出的通道，木箱緊靠透空牆（plenum），以偶數層堆積， 偶數層木箱底部側邊開孔對準牆上通風孔(圖二)。在交錯的木箱底部開孔分別有阻風板條，如此強迫冷空氣通過木箱上層，再經木箱中的產品後，由底部通道進入透空牆後面經冷排及壓差扇抽出。由於需特殊包裝容器，目前只以美國蘋果包裝的標準木箱使用較普遍。此系統通常是整枇操作，但每次可沿著牆壁堆高許多層，蛇形式預冷對庫內空間利用率高。 |
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| 三、冷牆式壓差預冷(Cold-wall
cooler) 使少量及無法完整棧板堆積的產品有效降溫的通風系統。單行的棧板排列在透空牆上(圖三)， 透空牆內部有冷排及壓差風扇使造成負壓，棧板靠近牆壁時，壓下彈簧使阻隔通風孔的調氣閥打開，空氣開始流通，調氣閥可安排在一定的高度以適合不同高度堆積的產品預冷，不用調整或怕造成漏氣現象。 切花較常使用冷牆式壓差預冷，透空牆內約需2-4cm水柱的靜壓力，操作時包裝箱沿著牆壁堆積，將箱子的通風孔對準透空牆的孔隙，牆上的孔隙須小到足夠使透空牆內外壓力差大於箱子內外的壓力差，如此操作時通過箱子的風量才不會改變，且沒有調氣閥亦可操作。 |
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可安裝自動起動式系統，操作者不需起動壓差扇，產品一旦靠近即自動起動，一個棧板預冷結束可立即更換另一棧板，使操作空間有效利用，但缺點是設備費相對較高，所需操作空間亦較大。由於每一棧板預冷結束時間不同，操作者須不斷觀察每一棧板降溫情形，以防止因通風過久而使產品損傷，因此有些降溫設備加上定時器，棧板靠近起動調氣閥後，同時起動定時器，一旦達到降溫終點後，即自動關閉壓差扇，如此操作者可不用經常去擔心是否已達到預冷終點。
壓差預冷庫設計
一、冷凍能力
壓差預冷庫的冷凍能力計算主要考慮的熱量來源是產品的田間熱，預冷初期產品本身的熱量高，且須很快的降溫，冷凍系統必須有足夠大小能去除產品最初的大量熱，一般是產品冷卻所須最高冷凍噸的75-80%。以單一隧道式壓差預冷庫處理葉菜類每次處理2噸為例，產品初溫為30℃降至5℃須要15∼20冷凍噸的冷凍能力才可達到快速降溫的要求。
二、壓差風扇選擇
壓差風扇的選擇依其可產生的通風量及其靜壓力而定，大部分設備單位重量產品的通風量0.03∼0.12 CMM-kg-1，如前所述，風量愈大愈耗能，操作量不同時可使用變頻器來調節風量大小。
壓差風扇操作時產生的靜壓力通常很難測量，簡易的量測方法是以一段透明塑膠管一端伸入壓差箱中，另一端置於大氣壓力中，塑膠管中間折成U型，啟動風扇時，U型管內的水柱型成水位差，此高度差即為風扇最大靜壓力。空氣通過箱子後產生的壓力差受下列因素影響：
通過風扇的壓差還包括通過冷排及風道的阻抗，一般來說壓差風扇的設計須能有50mm水柱以上的靜壓值，除非是小型的壓差預冷設備且經測試過較低的靜壓力也可被接受。
軸流(Axial-flow)風扇及離心(centrifugal)風扇均可使用在壓差預冷, 較簡單的軸流風扇適合使用在靜壓力低於40mm水柱時, 離心風扇可有較大的靜壓力且較軸流風扇靜音。
操作上應注意事項
一、預冷時間
產品預冷的降溫模式曲線如圖四，降溫速率由產品溫度與冷空氣的溫度差決定，開始時產品降溫速度較快，愈接近終點時降溫速度愈慢，降溫過程可以半預冷期表示，使產品溫度降到其最初溫度與冷空氣溫度差的一半所需的時間稱半預冷期，如圖四，產品最初溫度為30℃，空氣溫度為0℃，產品由30℃降為15℃是第一個半冷期，第二個半冷期的時間約等於第一個半冷期，但由於產品的溫度與冷空氣溫度差只有第一個半冷期溫度差的一半，所以實際降低的度數只有第一個半冷期的一半，大多數的產品以三個半冷期(7/8預冷期)，或四個半冷期(15/16預冷期)時間為預冷終點。
體積較大的產品，如洋香瓜，前後的預冷速度差異較小，不同位置洋香瓜果實中心熱量移除所需時間相同，然而體積小或表面積大的果實或葉菜類，則差異很大，操作者需注意最不易降溫位置的產品已經降溫才移除棧板結束。
降溫設備通常設定的風量約需0.06CMM-kg-1，如此才有一個合理的降溫速率及風扇大小。風量加倍到0.12CMM-kg-1，葉菜類約可減少40%的預冷時間，但洋香瓜則只減少10%，而加倍的風量須使風扇增加4倍的靜壓力，即需增加6-7倍的馬力。降低風量增加處理時間，雖可降低風扇的大小及減少成本，但降溫速度太慢的缺點是須要有較大的操作空間使產品能夠整批較長時間的操作，及會增加產品的失水量。
二、產品堆疊
產品在包裝箱中堆放如果太過緊密，使靜壓力加大，增加風扇阻力。包裝箱堆疊愈寬，冷空氣通過產品的距離愈長，當達預冷終點時，產品最高最低溫度差會很大，而如果風速加大，但通過單位重量產品的風量相通，則即使堆疊稍寬，冷風通過產品的距離長，亦不會有太大的溫度差，但堆疊較寬時靜壓力必須加大，才能得到一樣的通風量，通常降溫設備可堆疊一個棧板寬度，棧板寬度1.2m，上面排列3∼4層，單行堆疊時在較低靜壓力下可有較大的風量及較快的降溫速率。兩排棧板中間回風道及棧板外側的出風道寬度需50公分左右，棧板排列長度以480公分為宜。
三、壓差預冷造成的失水
良好的壓差預冷處理並不會造成產品失水，然而如果因操作不當使產品因失水太多而受損，將因而限制其使用，其中影響最大的是處理風量及預冷時間，風量超過太多時會造成大量失水，因此應避免大風扇處理少量的產品的情況。有時風量稍大，失水情形反而較少，原因是使預冷時間縮短，壓差預冷當到達預冷終點時應立即停止冷風繼續通過產品，持續的通風，是造成產品失水太多的重要原因。預冷時間會隨產品溫度及處理風量的因數而不同，一般來說散裝非結球葉菜類預冷時間為1∼2小時，甘藍等結球型葉菜類為4∼8小時，果菜類則約1到2小時。有些降溫設備以抽回的冷空氣溫度控制，當循環回來的空氣溫度與壓差扇剛吹出時的溫度接近時，風扇速度自動調節變慢，接近預冷終點時所需的風量遠較預冷初期為低，因為接近預冷終點時熱量的移除速率變的很慢。
產品初始溫度太高會造成較多的失水，早晨或夜晚採收可使產品溫度較低，如果要在田間暫時停留的產品必須遮陰，或是採收後儘早進行預冷。有些產品包裝前先部份降溫，包裝後再完全降溫，在包裝時應儘量減少回溫情形，以減少失水。
蒸散係數小的產品如柑橘，降溫時並不會有失水的情形，很適合壓差預冷。胡蘿葡的蒸散係數是柑橘的10倍，預冷後失水0.6-1.8%，以PE塑膠袋包裝可使失水減少到0.08%，但預冷時間增加5倍。蒸散系數很大的產品如葉菜類可先淋水後再預冷可防減少失水。
適當的壓差預冷處理，空氣濕度在80-100%範圍，對產品失水影響不大。冷空氣與產品間的蒸氣壓差大小，主要為產品高溫的影響，而不是空氣濕度，然而預冷時加濕可增加紙箱的水份，防止產品預冷後紙箱自產品中吸水。
四、降溫速率變慢的因素
造成遂道式壓差預冷速度變慢的主要因素有:1.冷排溫度設定不當.2.容器的通風不當。大量產品預冷時庫內空氣溫度上升可能為冷凍能力不足或庫體保溫不良，會使庫內溫度上升，須與冷凍工程師商量，在經濟考量下設法有效提高冷凍機能力。
假如溫度顯示一直維持在設定的低溫，但產品無法降溫，表示冷空氣無法進入包裝箱內使產品降溫，造成並沒有足夠的空氣通過箱子，使降溫速度變慢，可能原因：
●抽風扇的風靜壓力不足，無法產生0.06∼0.12 CMM-kg-1的風量。●產品堆疊不良，使冷風經由堆疊空隙通過而不經由包裝箱開孔進入
●紙箱開孔面積不足，須有3-5%的開孔面積，且棧板堆積時開孔須對齊。●包裝材質阻礙空氣流通。
●堆積太多產品造成風量相對不足。●出風道及回風道的寬度不足，造成前後或上下降溫不均勻。
結語
溫度對蔬果品質影響很大，產品應儘快降溫才能保鮮度，在先進國家歐美及日本對蔬菜運銷時的溫度管理相當重視，以保持產品鮮度。國內目前由於冷藏庫大量興建，冷藏及低溫運銷技術漸受重視，而預冷是做好產品溫度管理的第一步，也是重要的一步，因此預冷技術跟隨的不斷改進及發展。壓差預冷並不一定是最佳的預冷方式，但有其特殊的優點存在，如對產品的適應性廣，設備簡單，降溫快，處理量大，及預冷庫同時可當冷藏庫使用等優點。但缺點是操作上要注意的細節很多，如果操作不良會使降溫效果大打折扣，甚或對產品造成失水等傷害。正確的預冷觀念及預冷技術發展，可使國內農產品不論內外銷均可有很好的低溫保鮮的處理以提升產品品質。
