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1、双碳目标下的食品冷链发展方向上海理工大学刘宝林 宋晓燕2023-4-10中国制冷中国制冷学会学会-双碳目标下的冷链技术论坛双碳目标下的冷链技术论坛2报告提纲双碳背景及对食品冷链的要求双碳背景及对食品冷链的要求食品冷链如何应对双碳目标?食品冷链如何应对双碳目标?减少食品腐败变质比例减少食品腐败变质比例新能源与节能新能源与节能双碳目标下的食品双碳目标下的食品冷链是一个系统工程冷链是一个系统工程实现碳达峰碳中和,是以习近平同志为核心的党中央作出的重大战略决策。2021年,“碳达峰”“碳中和”首次被写入政府工作报告。2021年5月26日,碳达峰碳中和工作领导小组第一次全体会议在北京召开。同年10月,党
2、中央、国务院出台关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见和2030年前碳达峰行动方案。中国双碳目标:2030年前“碳达峰”,2060年前“碳中和”“中国将秉持人类命运共同体理念,继续作出艰苦卓绝努力,提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于力争于20302030年前达到峰值,努力争取年前达到峰值,努力争取20602060年前实现碳中和年前实现碳中和,为实现应对气候变化巴黎协定确定的目标作出更大努力和贡献。”34ODP(Ozone Depletion Potential,臭氧消耗潜能)ODP表示大气中氯氟碳化物质对臭氧层破坏的能力与R11对臭氧层破坏的能
3、力之比值,R11的ODP=1.0。ODP值越小,制冷剂的环境特性越好。根据目前的水平,认为ODP值小于或等于0.05的制冷剂是可以接受的。GWP(Global Warming Potential,全球变暖潜能)GWP是温室气体排放所产生的气候影响的指标,表示在一定时间内(20年、100年、500年),某种温室气体的温室效应对应于相同效应的CO2的质量,CO2的GWP=1.0。通常基于100年计算GWP,记作GWP100,蒙特利尔议定书和京都议定书都是采用GWP100。5什么是冷藏链?易腐食品从生产到消费之间的所有环节易腐食品从生产到消费之间的所有环节,即从即从原料原料(采摘采摘、捕捞捕捞、收购
4、等环节收购等环节)、生产生产、加工加工、运输运输、贮藏贮藏、销售流通的整个过程中销售流通的整个过程中,始始终保持合适的终保持合适的低温低温条件条件,以保证易腐食品的质量品质以保证易腐食品的质量品质,尽量减少尽量减少食品食品的的损耗损耗,这种连续的低温环节称为冷藏链这种连续的低温环节称为冷藏链。为什么需要冷藏链?国内消费市场上的肉、蛋、奶、鱼、水果、蔬菜等易腐产品需求量迅速增加。消费者对生鲜国内消费市场上的肉、蛋、奶、鱼、水果、蔬菜等易腐产品需求量迅速增加。消费者对生鲜食品新鲜度的要求也越来越高。食品新鲜度的要求也越来越高。当今世界食品保鲜行业一直把建立完整的食品冷藏链作为易腐食品保鲜的重要手段
5、。当今世界食品保鲜行业一直把建立完整的食品冷藏链作为易腐食品保鲜的重要手段。保障中国传统食品的现代化。保障中国传统食品的现代化。62021年,我国果蔬肉类及水产等副食品总产量超过12亿吨,蔬菜的流通腐败损失率20%,水果的流通腐败损失率10%,肉类的流通腐败损失率8%,水产品的流通腐败损失率10%.我国当前冷链物流产业规模达到4千亿元以上。配套的装备总耗电量超过2千亿度/年。我国冷库总容量以及冷藏车保持年均10%的增速。20216年-2021年,冷库容量从4200万吨增到8200万吨左右,冷藏车数量从11.5万辆增加到34.14万辆。所以,食品冷链在双碳目标中占有较大的份量。中国的双碳目标给食
6、品冷链行业带来前所未有的挑战和机遇中国的双碳目标给食品冷链行业带来前所未有的挑战和机遇。2016-2021冷库容量增长情况2016-2021冷藏车数量增长情况7能源消耗能源消耗:消耗1度电,碳排放0.272kg,二氧化碳排放0.997kg。消耗1公斤标煤,碳排放0.68kg,二氧化碳排放2.493kg。消耗1L汽油,碳排放0.627kg,二氧化碳排放2.30kg。消耗1L柴油,碳排放0.717kg,二氧化碳排放2.63kg。食品冷链中碳排放主要因素食品腐败变质食品腐败变质:从食品腐败浪费到厨余垃圾处理,都会产生资源消耗、环境污染和温室气体排放。世界范围内,每年有三分之一的食物被浪费,全球温室气
7、体排放量的8-10%与之相关。中国每年因食物损失与浪费产生的温室气体排放约为11亿吨,如果参照2018年中国各省份的碳排放总量,这个数据比每个省份的碳排放总量都要高。制冷剂制冷剂:R22的全球变暖潜能为1700,即释放1克R22具有与释放1700克二氧化碳相同的全球变暖效应。R134a的全球变暖潜能为1300;R290的全球变暖潜能为84;R600a的全球变暖潜能为20。8食品腐败变质制冷剂能源消耗9减少食品腐败变质比例减少食品腐败变质比例冷链食品的品质控制技术与工艺新能源与节能新能源与节能太阳能、风能、水能、生物质能等可再生能源低温工质冷能天然冷源环保型制冷剂环保型制冷剂食品食品冷链冷链如何
8、如何应对应对双碳双碳目标目标?10减少减少食品食品腐败腐败变质变质比例比例冻藏设备冻藏设备冷藏库、冷藏柜家用冰箱装配式冷库冻藏工艺冻藏工艺冻藏条件的选择冻藏工艺流程冻藏过程食品的变化冻藏过程食品的变化物理变化化学变化冻结方法和装置冻结方法和装置空气冻结法:隧道式、螺旋式、流态化间接接触冻结法:平板式、回转式、钢带式直接接触冻结法:载冷剂冻结、液氮冻结冻结工艺冻结工艺冻结条件的选择冻结方法与设备选择冻结工艺流程冻结过程食品的变化冻结过程食品的变化物理变化化学变化解冻技术与设备解冻技术与设备空气解冻、水解冻水蒸汽减压解冻电解冻、高压解冻组合加热法接触解冻解冻过程食品的变化解冻过程食品的变化汁液流失
9、及其影响因素热物性变化原料成分及其性质原料成分及其性质化学成分、营养成分化学性质、物理性质前处理工艺前处理工艺洗涤、切块、漂烫前处理设备前处理设备冷却方法和装置冷却方法和装置冷风冷却、冷水冷却碎冰冷却、真空冷却热交换器冷却金属表面接触冷却低温介质接触冷却冷却工艺冷却工艺冷却条件的选择冷却方法与设备选择冷却工艺流程冷却过程食品的变化冷却过程食品的变化物理变化化学变化冷藏设备冷藏设备冷藏库、冷藏柜家用冰箱装配式冷库冷藏技术冷藏技术气调冷藏、减压冷藏冰温冷藏、冷藏工艺冷藏工艺冷藏条件的选择冷藏工艺流程冷藏过程食品的变化冷藏过程食品的变化物理变化化学变化运输设备运输设备冷藏汽车、冷藏船冷藏集装箱铁路冷
10、藏车冷藏链食品品质控制冷藏链食品品质控制温度测量与记录货架期自动预测RFID技术冷藏链管理与规范冷藏链管理与规范低温物流技术低温物流技术食品原料冷却流通环节冷藏消费食用冻藏冻结刘宝林 主编,食品冷冻冷藏学,中国农业出版社,2010.8食品食品冷冻冷藏新工艺探索冷冻冷藏新工艺探索食品食品冷冻冷藏过程数值仿真冷冻冷藏过程数值仿真食品食品货架期的预测方法货架期的预测方法食品食品货架期的预测技术货架期的预测技术温度温度监测与品质控制方案监测与品质控制方案11花椰菜贮藏至花椰菜贮藏至12天:天:24 55%;6 有包装有包装 3%;0 有包装有包装 2.8%。花椰菜贮藏第花椰菜贮藏第12天:天:24 2
11、9.23mg/100g;6 有包装有包装 53.4mg/100g;0 有包装有包装 55.22mg/100g失重率失重率维生素维生素C含量含量 y=2.1076xR2=0.9854y=1.5639xR2=0.9825y=4.7739xR2=0.97070.010.020.030.040.050.060.070.00246810121416天数(d)失水率(%)常温246(无包装)6(包装)0(无包装)0(包装)线性(常温24)维生素维生素C C含量含量(mg/100g)(mg/100g)贮藏天数贮藏天数(d)03691215常温2451.5342.6641.1835.4229.236无包装57
12、.3355.7854.2652.0549.5646.066有包装55.2854.7454.2953.7253.4052.870无包装53.6152.5451.3350.5448.210有包装57.0156.8756.2255.8255.22宋 晨 刘宝林 王欣,花椰菜在不同贮藏温度下的品质变化及货架期预测,食品与发酵工业,2009,311:168-171温 度对 食品 品质 的影 响12秦瑞升 谷雪莲 刘宝林 王欣,不同贮藏温度对速冻羊肉品质影响的实验研究,食品科学,2007,8:495-497 55,第,第7d7d时变化至时变化至0.85mg KOH/g0.85mg KOH/g,1515、2
13、020、2525,第,第37 d37 d后,分别为后,分别为2.522.52、2.272.27、2.13mg KOH/g2.13mg KOH/g,2525,第,第2 d2 d时菌菌落总数达到时菌菌落总数达到107CFU/g107CFU/g,已完全腐败变质,已完全腐败变质在在1515、2020及及2525,第,第37 d37 d后,菌落总数分别达到了后,菌落总数分别达到了7 7104104、4 4104104、3 3104(CFU/g)104(CFU/g)13不同真空冷却工艺对火腿降温效果的影响不同真空冷却工艺对火腿降温效果的影响10 10 Xiao-yan Song and Bao-lin L
14、iu*,The Optimization of Volumetric Displacement can Uniformize the Temperature Distribution of Heated Ham during a Vacuum Cooling Process.Food Science and Technology Research,20(1):43-49,2014食 品冷 冻冷 藏新 工艺 探索14变频真空冷却后的火腿质量损失和能耗对比W0(g)W1(kg)A(%)能耗(kJ/kg)快速100.610.0390.710.029.84a9.73a中速126.230.05115.0
15、90.048.83b7.90b慢速122.690.04114.370.036.78c7.63c不同组的失重率和能耗比较冷却后的火腿组织分区图15低温贮藏对花鲢鱼不同类型肌肉的品质的影响低温贮藏对花鲢鱼不同类型肌肉的品质的影响硬骨鱼肌肉示意图肌肉截面图贮藏过程中肉眼观察到的白肉和红肉的颜色变化注:图中DR代表直接冷藏组,TR代表冻融冷藏组16真空预冷处理对草莓冷藏贮藏品质的影响真空预冷处理对草莓冷藏贮藏品质的影响新鲜新鲜第第3天天第第4天天第第5天天(a)草莓常温贮藏组草莓常温贮藏组新鲜新鲜第第3天天第第4天天第第5天天第第6天天(b)草莓对照组草莓对照组(C组组)新鲜新鲜第第3天天第第4天天第
16、第5天天第第6天天(c)草莓真空处理组草莓真空处理组(VC组组)17食品冷冻冷藏过程数值仿真质构获取质构获取(X(X-TEK)TEK)18三维重构三维重构19外置式红外成像系统温度元数据采集20有限元建模有限元建模真空冷却肉制品的有限元机理图21水分蒸发模型水分蒸发模型微体积内的热质传递平面模式混合模式膜状模式毛细孔中水分的蒸发形式变化过程22多物理场的选择多物理场的选择_v_v_eff_v_v_v_v()cDcucRt+=_v_v_v_v_evap()()por Sumt+=_w_w _ eff_w_w_w_w()cDcucRt+=_w_w_w_w_evap()()por Sumt+=eq_
17、fp_feq()()TCpCuTkTQt+=+23多物理场的耦合多物理场的耦合不同物理场之间的主要耦合方程()()_w_v_v*0epsporporSS=+_v_v_v_w_w_w_v_w_tot_tot_v_v_v_w_w_w_v_tot_w_totupor Skpor SkpdrhoSkSkpd por+=+_evap_v_wmRM=_evap_w_wmRM=eq_s_w_w_v_v(1-)+kkporkpor Skpor S=eq_s_s_f_f()Cppor CpCp=+()()_evap_v_s_v_eqpw1QTkpp=24多物理场的求解流程多物理场的求解流程真空冷却肉制品的数学模
18、型求解流程叶类蔬菜的模型建立及求解流程25肉制品的真空冷却数值仿真肉制品的真空冷却数值仿真真空冷却过程中水煮猪肉中心和边界处温度的实验值与模拟值对比真空冷却过程中水煮猪肉中心和边界处孔隙率的实验值与模拟值对比26叶类蔬菜的真空冷却数值模拟叶类蔬菜的真空冷却数值模拟真空冷却中青菜表面的温度分布图实验与模拟对比27食品质量损失食品质量损失动力学模型动力学模型食品货架期食品货架期预测模型预测模型食品货架期食品货架期预测技术预测技术食品货架期预食品货架期预测技术在冷藏测技术在冷藏链中的应用链中的应用确定某食品的动力模型借助某一技术技术的具体实施研究方法研究方法食品货架期的预测方法28反映温度与食品品质
19、变化的动力学理论 温度是影响食品货架期的主要因素,而且是唯一不受食品温度是影响食品货架期的主要因素,而且是唯一不受食品包装类型影响的因素。包装类型影响的因素。温度与食品品质变化的几种关系模型:温度与食品品质变化的几种关系模型:Arrhenius方程(在一定的温度范围内在一定的温度范围内)WLF(WilliamsLandelFerry)方程D值模型法。D-一定环境和一定温度下杀死90t生物所需的时间其中,在冷藏链中最常用的是其中,在冷藏链中最常用的是ArrheniusArrhenius方程。方程。以温度为基础的动力学预测模型FujikawaH,Thermal inactivation analy
20、sis of Mesophiles using the Arrhenius model and Z-value modelsJJFoodProt,1998,61(7):910-912华泽钊,李云飞,刘宝林.食品冷冻冷藏原理及设备,机械工业出版社,1999田玮,徐尧润.食品品质损失动力学模型.食品科学,2000,21(1):14-18)/exp(0RTEkka=log()()()1012TTgggggC TTCTT=+N=N010-t/D29ArrheniusArrhenius方程常用来描述决定于温度的劣变速率:方程常用来描述决定于温度的劣变速率:)/exp(RTEaAk=ARTEakln/ln
21、+=菌落总数整体:y=-10201.4x+36.495r2=0.9817高温:y=-6150.3x+22.538r2=0.9749低温:y=-6548.7x+21.949r2=1-5-4-3-2-101230.00300.00320.00340.00360.00380.00400.00420.00441/Tlnk高温低温整体高温低温菌落总数菌落总数TVBN整体:y=-9796.7x+32.776r2=0.9889高温:y=-6650.2x+21.931r2=0.9914低温:y=-7471.3x+23.505r2=0.9905-8-7-6-5-4-3-2-100.00300.00320.003
22、40.00360.00380.00400.00420.00441/Tlnk高温低温整体线性(高温)线性(低温)TVBNTVBN酸价整体:y=-9470.6x+31.832r2=0.9979高温:y=-8561.4x+28.707r2=0.9989低温:y=-7788.1x+25.152R2=0.9911-8-7-6-5-4-3-2-1010.00300.00320.00340.00360.00380.00400.00420.00441/Tlnk高温低温整体线性(高温)线性(低温)酸价酸价)931.21/2.6650(exp+=TkTVBN)707.28/4.8561(exp+=Tk酸价)538
23、.22/3.6150(exp+=Tk菌落宋晨,冷冻畜肉产品剩余货架期预测模型的建立与优化,上海理工大学,硕士论文,200930在湿度在湿度 80804%4%、温度、温度 25251 1 的环境条件下,三文鱼的环境条件下,三文鱼DMADMA和和TPATPA测试参数与货架期之间的关系测试参数与货架期之间的关系王一帆,刘宝林*.冷藏期间三文鱼片的力学特性研究,食品与发酵工业,201512345670.120.140.16 回 复 性 E 0r=0.9 9 3*时 间(天)回复性0.030.040.050.060.07 E0(MPa)12345670.720.750.780.810.84 弹 性 E
24、1r=0.9 5 1*时 间(天)弹性0.0120.0160.0200.024E1(MPa)00320 时 间(天)咀 嚼 性1.51.82.12.42.73.0 咀 嚼 性 t1r=0.9 7 8*t1(min)三文鱼样品七天内回复性与E0、弹性与E1以及咀嚼性与松弛时间t1的变化曲线和相关性31ktPP=)/(ln0kPPf=)/(ln0Pf品质指标的上限值;某恒定温度下冻品的货架期)/exp(0RTEkka=)/(exp/)/(ln00RTEakPPf=cTb+=/ln宋晨,刘宝林,王欣,冷冻羊肉剩余货架期预测模型研究,食品科学,2010,31
25、(4)宋晨,冷冻畜肉产品剩余货架期预测模型的建立与优化,上海理工大学,硕士论文,2009冷冻羊肉剩余货架期预测模型冷冻羊肉剩余货架期预测模型32预测食品货架期的技术预测食品货架期的技术TTI(TimeTemperature Indicator):利用一些与温度相关的、并且是连续累积的变化,包括机械的、化学的、电化学的、酶反应、微生物等不可逆的变化,变化的结果最后通常以可见的物化现象(如机械变形、颜色变化等)反映出来。机械机械:特殊材料随温度的变形电子:电子:具有测量、计算、储存、报警功能的化学:化学:某些化学物质随温度的反应速度的变化酶反应:酶反应:特定酶参与的反应变化微生物:微生物:微生物指
26、标变化的外在反应食品货架期的预测技术33预测食品货架期的电子式时间预测食品货架期的电子式时间-温度指示器的研制温度指示器的研制 冷藏链中现有的电子装置,如温度记录仪等,可以记录冷藏链的温度时间变化,但不能预测剩余货架期。化学反应、酶反应型的能够监测记录产品温度历程,还可以估计剩余货架期。34达到指标:达到指标:整机适用温度-20-50;指示器存储容量为5000个数据以上;指示器剩余货架期误差为1天(15天以上货架期)。6.9cm6.9cm第一代第一代第二代第二代35确定控制的确定控制的关键点关键点进行温度的进行温度的检测检测食品品质控制食品品质控制种类种类相对湿度相对湿度/冷冻点冷冻点/最佳冷
27、藏温度最佳冷藏温度/贮藏期贮藏期/周周苹果苹果851.513828杏杏8510.52鳄梨鳄梨650.351236青香蕉青香蕉750.812.523黑莓黑莓850.80.051蓝莓蓝莓831.30.536樱桃樱桃831.8124葡萄柚葡萄柚891.110121016葡萄(欧洲)葡萄(欧洲)822.21412青柠檬青柠檬891.4121220桔子桔子861.15823芒果芒果810.9101223瓜类瓜类920.41.251024橙子橙子870.8510612桃桃870.90.526梨梨831.61828菠罗菠罗8511024李子李子860.80.527树莓树莓831.1035 d草莓草莓900.
28、8035 d温度监测与品质控制36温度监测温度监测(以冷藏车位例)(以冷藏车位例)系统的选择监控温度的选择冷藏运输中的温度监控用带温控的车辆进行用带温控的车辆进行冷藏运输冷藏运输机械制冷的冷藏车机械制冷的冷藏车液氮制冷的冷藏车液氮制冷的冷藏车TTITTI食品种类食品种类及其贮藏及其贮藏要求要求37通过GPRS无线网络进行数据传输,成为冷冻食品监测部门选择的通信手段之一。GPSGPS无线冷藏车温度监测系统无线冷藏车温度监测系统基于QR二维码的冷链智能标签系统38RFIDRFID技术技术数据传输速率低、识别距离短、识别率低、要求识别者在一定范围逐个扫描、容易造成扫描遗漏等问题,故不适合大规模的食品
29、冷链以及信息化管理。39新新能能源源与与节节能能太阳能、风能、水能、生物质能等可再生能源太阳能、风能、水能、生物质能等可再生能源40发展储能储热技术发展储能储热技术充分利用冷链产生的低品位废热充分利用冷链产生的低品位废热交通工业用电约约60%60%产能被因热力学过程的不可逆被排放至环产能被因热力学过程的不可逆被排放至环境中境中60%60%以上的能源排放是低于以上的能源排放是低于100100的低品位废热的低品位废热现状:能源需求巨大;化石能源占主体;可再生资源亟待开发。现状:能源需求巨大;化石能源占主体;可再生资源亟待开发。降低热沉温度可以提高热机效率降低热沉温度可以提高热机效率改变建筑围护的结
30、构改变建筑围护的结构(窗户,墙体,屋顶窗户,墙体,屋顶)可以降低制冷可以降低制冷/热载荷热载荷41屋顶外表面温度对比室内天花板温度对比(应用反射型辐射制冷膜)(未应用反射型辐射制冷膜)(应用反射型辐射制冷膜)(未应用反射型辐射制冷膜)(应用反射型辐射制冷膜)连廊室内连廊外观对比连廊实验连廊对比连廊实验连廊对比连廊实验连廊研发辐射制冷超材料研发辐射制冷超材料降低冷链整体能耗降低冷链整体能耗应用辐射制冷产品后,实验连廊比对比连廊红外测试对比:屋顶外表面温差最大可达25.325.3;室内天花板温差为8.28.2;屋顶外表面温度低于环境温度6.36.3。装备节能维护结构保温、门漏冷减少融霜等 制冷系统能效提升高效制冷部件(压缩机换热器)、制冷系统优化等。冷热综合利用42中央厨房中央厨房户外旅行户外旅行冷链物流冷链物流大型冷库大型冷库温室大棚温室大棚粮食存储粮食存储最后一公里最后一公里高端农业高端农业辐射制冷应用场景辐射制冷应用场景43清洁能源驱动冷藏车清洁能源驱动冷藏车4445食品冷链是一个系统工程食品冷链是一个系统工程人工智能冷链解决方案人工智能冷链解决方案社区集中冷链终端社区集中冷链终端元宇宙冷链物流元宇宙冷链物流大健康冷链大健康冷链4647谢 谢!(参考文献来源自期刊、论文、网络等,恕不能一一标注)