水基凝胶包与隔热罩的协同效应：生鲜乳本地运输中低成本温控系统的开发与评价

为解决小型牧场生鲜乳运输过程中缺乏高效制冷设备导致的微生物污染问题，泰国国王蒙库特理工学院的研究团队创新性地开发了基于水相变材料(PCM)凝胶包与UV反射罩的复合温控系统。通过热力学模型构建和微生物生长预测，证实该系统可在1小时内实现10-13°C的降温，使大肠杆菌(E. coli)增殖速率降低1.1-1.3倍，为热带地区乳品冷链管理提供了经济实用的解决方案。

　　

在热带地区的小型牧场，刚挤出的生鲜乳温度高达35-37°C，而传统制冷设备的高昂成本使得大多数农户只能将乳汁存放在无温控的铝罐中运输。这种粗放管理导致微生物快速增殖，据泰国食品安全标准显示，未经冷却的生鲜乳必须在2小时内送达收集中心，否则需降至4°C以下保存。然而现实情况中，运输途中乳汁温度不降反升，大肠杆菌(E. coli)污染风险显著增加。

针对这一产业痛点，泰国国王蒙库特理工学院拉卡邦校区(King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang)食品工程系的研究团队开展了一项创新研究。他们设计了一套由水基相变材料(PCM)凝胶包和紫外线反射罩组成的复合温控系统，通过将14个总重5.6kg的凝胶包(-20°C预冻)环绕固定在20L铝罐外壁，并覆盖PVC或HDPE隔热罩，构建出适用于现有运输设备的低成本改造方案。

研究采用多维度验证方法：通过T型热电偶监测罐体六个位点的温度梯度；建立双区能量平衡模型预测温度演变；采用Compact Dry EC平板计数法量化微生物增殖；结合Baranyi模型预测E. coli生长动力学。关键发现显示，PVC罩版本在真实环境测试中表现突出——与环境温差达8°C时，1小时内实现13°C温降，使乳汁维持在16-17°C区间。

热力学特性解析：

相变材料(PCM)的熔解行为通过高斯函数建模，显示其表观热容在相变区间(0±3°C)显著提升。自然对流引发的温度分层现象被量化，罐体顶部与底部温差达6.4-8.0°C，验证了"冷壁下沉-热芯上升"的流体动力学特征。简化模型以RMSE<3.0°C的精度再现了实验数据，证实质量流量0.005kg/s的参数设定可有效预测系统行为。

微生物抑制效能：

相比对照组，PCM系统使E. coli增殖倍数从1.9倍降至1.5倍。预测模型显示，当初始菌落为3.5×10³ CFU/mL时，传统运输在72分钟即突破10⁴ CFU/mL的安全阈值，而PCM系统可延长安全窗口期。值得注意的是，乳汁导热系数比水低7%，这解释了实验中观察到的稍缓冷却速率。

这项发表于《Applied Food Research》的研究具有双重革新价值：工程层面，首次验证外部附着式PCM凝胶包在乳品运输中的可行性，避免传统内置冰舱的交叉污染风险；经济层面，PVC罩方案成本仅为HDPE的3/4，且无需改造现有容器。尽管系统未能实现4°C的理想低温，但为热带地区1-2小时短途运输提供了符合成本效益的"适度冷却"解决方案。未来研究可进一步优化PCM空间排布，并建立覆盖更广环境参数的传热系数数据库。