日本冷冻食品物流与冷链技术

摘要：近年来，随着社会结构呈多元化发展趋势，日本外餐饮业得到迅速发展，人们开始注重对冷冻食品的安全、安心、卫生、营养和色香味等各方面的控制要求，由此也极大推动了日本冷冻食品物流与冷链技术的发展。日本冷冻食品物流与冷链技术有何过人之处？本文分别从-40℃以下的超低温冷冻（SF级）、-20℃以下的冷冻（F级）和-20%以上的冷藏（C级）三个层面做了具体的介绍，希望能够给业界带来一定的启示。

关键词：食品冷链、制冷技术、自然冷媒

一、前言

近代日本社会，女性积极参与社会活动，社会结构呈多元化发展趋势，如少子双职工家庭、单亲家庭、独身及社会老龄化的增加逐步成为社会的普遍现象。人们的社会活动及生活节奏随之也出现相应的变化，从图1可以看出，日本外餐饮（指外出就餐和从便利店或超市或餐厅购入成品半成品，即外部人为调理过的食品）业的迅速发展促进了家庭的平均外餐比例（36.0%），即使在家用餐也是尽量从简，多从超市或便利店购买加工或半加工食品（比例达44.7%），以减少花在调理家庭餐饮的时间。

从图2可以看到，外购的加工或半加工食品中非油炸和油炸的调理食品居高不下，分别占第一和第二位。因此，食品的保鲜保存以及冷冻引起了人们的高度关心，比较开始注重对冷冻食品的安全、安心、卫生、营养和色香味等各方面的控制要求。

食品中的肉类和鱼蚧类平均含水70%～80%，果蔬类80%～90%以上。因此，如何处理好“水”基本上决定着食品的保鲜。以下，本文分别介绍日本三种不同温度带的食品冷链及其相应的制冷技术，即：-40℃以下的超低温冷冻（SF级）、-20℃以下的冷冻（F级）和-20℃以上的冷藏（c级）。

二、-40℃以下的超低温冷冻（SF级）

以金枪鱼的超低温冷链为例。

众所周知，日本是世界上最大金枪鱼消费国，据日本《水产物流通统计》资料，其中用于刺身和寿司的生鱼片消费量占去80%以上。

对于一般冷冻食品的最基本温度要求是-18℃以下，这是因为低温状态可以最有效地抑制食品中细菌的活动能力，防止食物的细菌繁殖和腐败。然而，金枪鱼鱼体的无脂肪组织中含有丰富的血红蛋白（呈鲜红色），只有处于-50℃以下才不会随时间而氧化色变成茶褐色的高铁血红蛋白，所以对金枪鱼鱼体的保存温度设定为-55℃以下。图3是日本目前所应用的金枪鱼超低温冷链，过程如下：

a.远洋超低温金枪鱼延绳钓船出海驶往指定渔场实施捕捞。

b.远洋冷冻运输船巡回渔区向各远洋超低温金枪鱼延绳钓船收购金枪鱼，满载后返航基地。

c.卸下的金枪鱼立即被送入陆用超低温冷库冷藏。

d.金枪鱼进入中央批发市场的低温分区竞卖。

e.买主自己或委托加工，分类包装后运至目的地的市场上架出售。

f.消费者购买回家上餐桌。

以下介绍主要环节中使用的制冷系统设备及其相应技术。

1.远洋超低温金枪鱼延绳钓船用制冷系统及其主要设备

近年口本的金枪鱼捕捞方法发生了一些变化，采用对保护资源比较有利的传统的延绳钓法。在海上，把钓到的金枪鱼的鱼鳃和内脏进行及时处理，随后将鱼体送入-55℃的冷冻舱以最快速度强制冷冻至鱼体芯温-55℃，再转入-50℃的冷藏舱冷藏。这种远洋超低温金枪鱼延绳钓船用的制冷系统采用海水冷却的NH3-R23复叠制冷配NH3载冷剂循环系统，这是为了减少R23冷媒的充填量，因为R23属于温室效应系数值偏大的HFC氟利昂冷媒。图4表示了远洋超低温金枪鱼延绳钓船用的NH3-R23复叠制冷配NH3载冷剂循环系统及其设备规格。目前，这一系统属于过渡性系统，替代了传统的R22单机双级活塞式压缩制冷系统，相信在不久的将来，这种制冷系统会被自然冷媒的制冷系统所替代。

2.陆用超低温金枪鱼冷藏库的制冷系统及其主要设备

由大型远洋冷冻运输船在渔区收购洋上作业的超低温金枪鱼延绳钓船冷藏的金枪鱼被运回基地卸货后，直接被送入-60℃的陆用超低温金枪鱼冷藏库储存。近年，有些陆用超低温金枪鱼冷藏库开始采用最先进的开放式空气制冷系统，如图5所示。

这种制冷系统的特点是：

①采用空气作为冷媒。

②直接把由压缩机升压后的过冷空气经膨胀机膨胀后送至库内，即制冷系统里不存在蒸发器。

③制冷系统中不需要使用冷冻机油。

④膨胀机、压缩机和电机合为一体，把膨胀过程作功的能啦回报于压缩机，起到节能作用并提高了制冷循环的COP，如图5的右图所示，在-60℃以下的低温区域，它的COP将高于传统的制冷系统。

⑤库内无蒸发器的开放式空气制冷系统以空气为冷媒，不仔在因冷媒泄漏污染环境的风险。

⑥在向库内送风的管道中设置了除霜设备，解决了库内积霜的问题。

这种SF级超低温玲冻冷藏库使用的开放式空气制冷系统，不仅逐步在日本国内被推广采用，而且在台湾和韩国等地区和国家也已经开始被采用，如图7所示的是采用这种开放式空气制冷系统的韩国超低温金枪鱼冷冻冷藏库。

3.中央批发市场低温竞卖分区的制冷系统及其主要设备

最近日本某市建设了一个被称具有全国一流卫生管理体制的中央批发市场，具体要求是在整个竞卖过程中控制被竞卖商品的温度。以金枪鱼为例，要求将超低温冷冻或生鲜的金枪鱼分别被安置于环境温度维持在4℃和10℃的区域。这个中央批发市场低温竞卖分区所采用的是利用电价较低的夜间电力的“夜间冰蓄冷+白天追加运行”的制冷系统，如图8所示。

三、-20℃以下的冷冻（F级）

以肉类食品的低温冷链为例。

1.冷链中的HACCP管理制度

在日本，自定义HACCP（Hazard Analysis and Critical ControlPoint，危害分析与关键控制点）为“预先调查食品从原料开始经过制造、加工、保存、流通最终到消费者手上为止的每一个工序可能发生的病原微生物及腐败微生物等的微生物危害、化学危害以及物理危害，为防止这些危害的发生而实施对每一个工序的连续性监视”以来，开始对家蓄养殖场以及食品加工产业实施HACCP管理制度的认证体制。

2.肉食品的全自动加工

在食品加工过程中，除严格控制食品温度是一种有效防范微生物繁殖的措施外，严格预防来自带菌空气的侵入造成对食品污染也是一种必须的卫生隔离措施，比如冷冻冷藏库的送风系统将保持食品加工车间的正压预防来自外部空气中的细菌侵入，尽量实现食品加工的机械化以防来自工作人员的带菌作业等，逐步实现HACCP的管理体制。

3.速冻技术与速冻机

上文曾提到“食品中肉类和鱼蚧类均含水70%～80%，果蔬类80%～90%以上”。一般认为，水到了0℃结冰，称为冰点。当水中融入其他成分，其“冰点”便有所下降，比如食品的组织水分中融入氨基酸和微量元素后，这个组织液的”冰点”就会降至-1℃～-5℃之间，被称为“最大冰晶生成带”。组织液形成的冰晶如果较长时间停留在这个温度带便会逐渐长大并相互挤压，导致组织细胞的细胞膜破裂，如图9。如能让食品组织液的冰晶在迅速通过这个“最大冰晶生成带”，便能有效避开组织液的冰晶在“最大冰晶生成带”的成长，组织细胞内外的液体冰晶的压力从而得以平衡，保护了食品的组织细胞不受破坏。

经过反复实验和实践，得出影响冷冻速度的主要因素是温度和风速的结果。根据这一结果，本公司研发并制造出喷嘴出口风速达到15m/s的喷流式速冻机（产品名ThermoJack），它的特点是冻结时间为传统冻结方式的三分之一，冻结质量稳定，清洗方便，节能以及结构紧凑，图10展示了这种速冻机的喷嘴结构和三种传送网带类型的喷流式速冻机。相比传统的速冻机，这种类型的速冻机提高了一倍以上的冻结速度，肉类组织细胞受伤要小得多，充分显示出它的优越性。

4.现代化多温度冷冻冷藏库

日本仓库行业的《仓库业法》明确对各类冷冻冷藏库的温度范围作出等级分类，并规定相应温度冷冻冷藏库的使用用途，如表1所示。

在要求全球化的环境保护现状下，尽快寻求新的替代冷媒是全球制冷界面对现有技术的一个严峻挑战。我们通过理论与实践的探讨，提出了五种适用表1中所示的不同温度带的自然冷媒来替代现在的HFC氟利昂冷媒，如图11所示。

考虑到各类冷冻冷藏库的使用特点，我们提出采用NH3和CO2两种自然冷媒，并研讨了它们相应的理论制冷循环特性，提出如下建议（如图12所示）。。

①蒸发温度约-20℃以上，采用单机单级NH3压缩制冷循环系统（蒸发温度-10℃以下带经济器）。

②蒸发温度约-50～-20℃之间，采用单机双级NH3制冷循环配CO2载冷剂循环系统。

③蒸发温度约-50℃以下，采用NH3-CO2复叠压缩制冷循环系统。

④表1中的F级/c级冷冻冷藏库适合采用单机双级NH3制冷循环配CO2载冷剂循环系统，如图13所示。

图14所示的是本公司研发制造并投入运行的单机双级NH3制冷循环配CO2载冷剂循环系统（产品名为NewTon系列）的主要设备及其节能效果的统计，很明显，100多个冷库采用了这样的系统以后要比以前传统的tL22或NH3盐水系统节能约25%～30%。引进CO2作为载冷剂，利用它蒸发潜热大的特性大幅度减少了NH3充填量，如1万吨的冷冻冷藏库只需充填75kg的NH3冷媒。

这种系统的传热效果很稳定，因为CO2载冷剂循环中无油，所以库内CO2蒸发器不会出现像传统的冷媒蒸发器那样随运行时间而传热性能下降的现象甚至故障。冷凝器和蒸发器均采用完全焊接式的壳板式换热器，使整个系统结构非常紧凑并安置于冷冻冷藏库的顶层（如图15左）。为更安全起见，在机房外配置了自带应急发电机的NH3泄漏中和处理的冷媒净气装置（如图15右）。

售后服务方面也已超越现行的事故后修缮处置的概念。本系统采用配有卫星远程监控的“机能性维修保养”系统（如图16）。冷冻机制造者的售后服务部门值班人员通过卫星或光缆的通讯手段，对全部运行中的NewTon机组及其黍统实施远程实时监控，当发现出现异常运行数据时，会立即自动联网通知离用户距离最近的冷冻机制造者地方服务网站，在未发生停机事故状态下指示现原因并作出调整，如有必要立即派出24小时待命的维修人员赶赴现场实施维修保养，预防事故于未然。一旦NH3泄漏超过法定量泄漏处理的冷媒净气装置会立即自动启动回收并用浓硫酸中和处理已被封闭式箱体上方的喷淋水稀释的碱性漏NH3，如果遇上因地震等自然灾害时主电源被切断的情况，启动应急发电机继续处理漏NH3。当然，至本稿发稿时还没有发生过上述情况。

另外，在近代的冷冻冷藏库中，还应该考虑为整个冷冻冷藏库建筑物引进保持内部正压和合适湿度的高效除湿装置（如图17），既保证出库商品的清洁卫生度，也防止外界热空气的侵入和节能。在冷库库门前设置本公司开发的高效风幕（如图18），防止库门开启时的内外大温差引起库内外的高低温气流的流出和侵入，影响库温控制的不稳定和机组系统耗能增大。

四、-20℃以上的冷藏（C级）

以果蔬类食品冷链为例。

果蔬食品的最大特点之一是含水80%～90%以上，其二是这类食品的化学反应以及细菌繁殖速度与温度存有很密切的关系。低温状态可以降低食品的分了‘运动能量、化学反应速度，抑制细菌的繁殖，延长食品保存的时问。但是，这类食品一旦在进入低于0℃以下的低温状态尤其是结冰后，它的活体会突显完全不同的生命活动体征，既便是通过解冻来恢复原状，遗憾的是无论在营养还是色香味等方面都不可能完全复原，见图19。

1.微生物繁殖的3个基本要素是吸收10℃以上溶解于水分中的食品营养，它的繁殖最旺盛的温度带是10～40℃。细菌在65℃以上会死亡，反之被降温至10℃以下会降低繁殖速度，低于-5℃急速抑制繁殖速度，直至低于-18℃以下将会被冻死或停止活动。（如图19左）

2.生鲜果蔬食品一旦被降温至0℃以下并进入“最大冰品生成带”，随着冻结时间的延长受冻害范围越广程度越深。（如图19右）

3.加热和冷冻处理都是食品的保存方法，其中冷冻方法适合于果蔬食品的长期保存，且只有急速通过0～-5℃的“最大冰结晶生成带”，果蔬食品的组织细胞才能不受到破坏或少受破坏。由此可见，采用速冻方法对于果蔬食品的保存是比较适合的，图20所示的是现在常用的一种可以较长期保存果蔬食品的流态速冻机。

4.因为不同品种的速冻食品有着各自合适的解冻方法乃至调理烹饪方式，稍有不适都会偏离人们对食品色、香、味和所持有营养的要求，所以对冷冻食品的解冻方法乃至调理烹饪方式的研究及其产品的开发也都是很重要的。

5.生鲜果蔬食品的保存方法，根据不同微生物的繁殖速度，必须严格控制温度在0-10℃之间，而且必须在最短的时间内完成从产地到达消费者的餐桌上的各道处理工序。（如图21）。

6.自产地收割后的生鲜果蔬食品并没有因此停止它们的生命活动，而是开始消耗自身储存的营养和能量得以维持，所以从产地到消费者的餐桌上的时间越短保鲜程度越高。严格的温度控制和最短的运输时间是保存生鲜果蔬食品的必要条件。2012年日本消费经济研究室研究课题为《从北海道向本岛运输生鲜果品的现状》的调查报告结果表明，消费者对果蔬食品的运输时间最为关心，其次是对果蔬食品的温度控制。但是，生产者对在保持果蔬食品新鲜程度下的运输成本更为关心。

从以上的分析得出，首先要做好生鲜果蔬食品第一时间的产地预冷，使其尽快进入休眠状态，以免消耗能量和营养；其二，尽量减缩中间处置环节和时间，可以利用冷冻冷藏车边运输边预冷或者利用产地低温水进行预冷及清洗，再经过分类、挑选、装箱直送达目的地，其中必须保持运输过程中每个环节的温度控制，且做好记录并保存文档。

7.超市和便利店的制冷系统及其发展趋势。在日本超市（SuperMarket，简称SM）和24小时便利店（convenience Store，简称CVS）已经非常深入人们的社会活动和生活，其中各种用途的小型冷柜冷藏库也是必不可少。最近，这样店铺的中小型制冷系统正在发生变化，就是使用自然冷媒CO2的制冷系统正在迅速地替代具有高温室效应系数的HFC氟利昂冷媒的制冷系统，如图22所示。

在日本，至今已有600多家店铺的制冷系统开始采用CO2制冷系统。据制造者的统计，CO2制冷系统的节能效果要比HFC制冷系统提高10%～26%。在日本，北方地区要比南方地区的节能效果更显著，这是因为北方地区的环境温度比南方地区低，同时也由CO2和HFC冷媒的热物性所决定。除日本以外，近年海外有名的法国超市连锁店家乐福和德国的麦得龙也相继提出采用自然冷媒的制冷系统。

五、结语

本文对三种不同温度带的日本冷冻食品物流及冷链技术概况作了介绍，从中可以得到以下启不：

1.食品主要成分是组织液和蛋白质等。食品保鲜是利用温度和速度追求对组织液的控制。

2.制冷设备相关企业通过实践为食品保鲜研发出各类满足社会不同需求的相关制冷设备。

3.食品冷链是用种类丰富的制冷设备实现各种最佳组合。是科学且复杂的系统工程。