商用苹果冷藏中露点过低驱动表面凝结的机制

《Postharvest Biology and Technology》：Dew point undershoot mechanisms driving surface condensation in commercial apple cold storage

为解决商用苹果冷藏中因表面凝结水引发腐烂与重量损失之间的矛盾，研究人员通过系统研究揭示了露点过低(DPU)驱动凝结的五种具体机制及其空间分布，为制定针对性监测与操作策略以在维持高湿度减少重量损失的同时最小化凝结相关腐烂提供了关键依据。

　　

在商用苹果冷库中，管理者们面临着一个看似矛盾却又至关重要的挑战：如何平衡湿度。一方面，高湿度环境对于减少水果因蒸腾作用导致的重量损失、保持果实丰满外观和商业价值至关重要；另一方面，一旦空气中的水分在寒冷的苹果表面凝结成液态水，就如同为霉菌和腐败微生物铺上了红地毯，会直接引发严重的采后腐烂，造成巨大的经济损失。据统计，在气调(Controlled Atmosphere, CA)存储后，苹果的总损失可达12%，其中60-80%归因于真菌腐烂。更棘手的是，直接测量微小的凝结水极为困难，而传统上依赖经验的管理方式难以精准应对冷库内复杂多变、高度局部化的微环境。那么，究竟是什么机制、在何时、何地触发了苹果表面的凝结？为了回答这些问题，一个由多国研究人员组成的团队在真实的商用50吨苹果冷库中展开了一项深入的研究。

研究人员并未直接“捕捉”水滴，而是巧妙地采用了间接但更可靠的预测方法。他们的核心思路是监测“露点过低”(Dew Point Undershoot, DPU)现象，即当苹果表面温度(T_Surf)低于周围空气的露点温度(T_Dew)时，凝结便会发生。为此，他们研发并部署了一套基于物联网(Internet of Things, IoT)的无线传感器网络。这套系统的关键是一种定制的柔性双传感器模块，其两端分别装有高精度的STS35温度传感器（测量T_Surf）和SHT45温湿度传感器（测量空气温度T_Air和相对湿度RH_Air）。传感器被安装在苹果表面，通过LoRa WAN（远距离广域网）协议每分钟无线传输数据至网关。通过专门的校准程序，他们将T_Air与T_Surf的温差测量误差降低至±0.02°C，并利用劳伦斯公式从T_Air和RH_Air计算出实时的T_Dew，从而持续监测DPU事件。研究在位于德国拉芬斯堡的康斯坦茨湖水果种植研究中心进行，在2019年至2025年间，团队在同一个50吨容量的冷库中设计了五次测试（T1至T5），覆盖了装载、降温、稳态温度等不同存储阶段，并通过调整制冷设定点、通风时长、除霜方式等参数，系统地探究了各种操作场景对凝结的影响。

3.1. 局部表面温度变化

研究发现，苹果表面温度的局部差异是触发或抑制DPU的主要因素。在装载新水果后，T_Surf的差异可超过0.5°C，并持续一周以上。即使在冷却两周后，局部温差仍可维持在0.2°C左右，而任何操作变动（如设定点改变、冷却中断）都会重新增大这种差异。在测试中，因传感器安装导致某些果箱短暂移出冷库而升温，其较高的T_Surf反而抑制了DPU的发生，这突显了微小温差的关键作用。

3.2. DPU形成的一般过程

通过分析非标准条件（如关闭制冷和通风）下的数据，研究人员厘清了DPU形成的基本流程。首先，在制冷周期中，蒸发器会冷凝水分，导致空气露点显著下降（降幅可达1.6°C），这暂时阻止了凝结。当制冷停止后，露点需要时间恢复。其次，局部温度差异的存在是必要条件。最后，通过通风，温暖潮湿的空气（例如从顶层积累的空气）会被输送至更冷的果箱（如前部果箱），当其露点高于冷果实的表面温度时，便触发DPU。

3.3. 电除霜引发的DPU

电加热除霜过程会融化蒸发器上的冰，在冷库天花板下产生温暖潮湿的空气团。在紧随其后的通风阶段开始前，顶层果箱会经历短暂但剧烈的DPU（幅度<-1°C，持续约15分钟）。通风启动后，这些湿空气被吹向前部果箱，可能引发进一步的DPU，但在默认设置下，由于通风后制冷很快启动，此影响较小。

3.4. 潮湿空气通风引发的周期性DPU

这是在稳态存储阶段最常见且重要的DPU类型。在制冷间隔期较长（>2小时）且通风持续进行时，从温度略高的果箱中流出的潮湿空气，被通风带入温度略低的前部果箱，导致周期性的DPU。例如在T1测试中，在选定的监测点，有高达1/3的时间观察到此类DPU，典型幅度为-0.05°C至-0.15°C。其发生与通风阶段高度同步。

3.5. 垛堆内部的低温果箱

研究发现在垛堆底层的某些果箱，其T_Surf比库内平均温度低约0.2°C。在制冷停止较长时间后，当周围空气的露点恢复时，这些“冷点”会持续经历DPU。这种现象与通风状态无关，可能与地面更好的冷却效果或地板凝结水蒸发增加局部湿度有关。

3.6. 装载温暖果箱

在装载未经预冷的温暖苹果时，已冷却果箱的T_Surf会因热空气流入而上升0.5-3.8°C，同时新果箱释放的水汽使局部空气湿度在约半天内接近饱和，导致已冷却果实表面发生幅度约-0.3°C、持续数小时的DPU。

3.7. 开门事件

冷库开门时，外界温暖潮湿空气的涌入会迅速提高前部果箱（尤其是顶层角落）的空气露点，产生短暂但剧烈的DPU（幅度可达-2°C，持续时间小于1小时）。

3.8. 观察到的DPU类型和位置

综合所有测试，研究共验证了引言图1中提出的五种主要DPU触发机制，并按规律性分为两类。一类是反复出现的DPU，包括“通风潮湿空气”（M型，主要发生在前部果箱）和“低温果箱”（C型，主要发生在底层）。另一类是由特定事件触发的DPU，包括“装载温暖果箱”（W型）、“开门事件”（D型）和“电除霜”（E型，分通风前顶层和通风时前部果箱两个阶段）。绝大多数DPU发生在前部果箱（靠近门的一侧），顶层果箱主要受电除霜影响。

4. 讨论与结论

本研究证实，在商用苹果冷藏的稳态操作期间，DPU及随之而来的表面凝结会规律性地发生，但其影响具有高度局部性，主要集中在前部果箱。即使小于0.25°C的微小局部温度差异，也足以成为是否发生凝结的决定性开关。研究明确了五种具体的DPU触发机制及其发生的典型条件和位置。

这项研究的重要意义在于，它首次在真实的商业冷库尺度上，系统性地揭示并量化了驱动苹果表面凝结的多种微环境机制。这挑战了传统的、基于整体库房环境的均匀化管理思路。研究表明，为了在抑制真菌腐烂（需减少凝结）和防止重量损失（需高湿度）之间取得最佳平衡，必须采取针对性的局部化策略，而非“一刀切”的除湿。例如，可以通过缩短通风时间、减小制冷设定点温差来减少前部果箱的周期性凝结；通过优化除霜策略和延迟除霜后通风来保护顶层果箱；通过严格执行果实预冷、缩短开门时间等操作规范来减少装载期的凝结风险。

该论文发表在《Postharvest Biology and Technology》上，其成果为开发基于实时多点位传感器反馈的精准冷凝管理系统奠定了坚实的科学基础。通过预测和定位最可能发生凝结的区域，并结合可操作的控制参数调整，未来有望实现智能化存储管理，在最大限度保持水果品质和重量的同时，将腐败损失降至最低，从而提升整个苹果冷藏产业的效益和可持续性。