Optimising ventilated package design for postharvest handling of pomegranate fruit in the cold chain
Date
2019-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Packaging is an indispensable unit operation in handling and distribution of fresh fruit. Studies on postharvest handling of a number of horticultural products highlighted the importance of package design and knowledge of fruit and package thermophysical properties to effectively accomplish the precooling, cold storage, and refrigerated transport processes. However, the thermal properties of pomegranate fruit and its parts are unknown, and packages for postharvest handling of pomegranates have not been properly investigated. The aim of this study was to address the multi-parameter design requirements of ventilated packages for handling pomegranate fruit to ensure efficient cooling, high precooling throughput, reduction in packaging material used, and improved space utilization during cold storage and refrigerated transport.
Firstly, the thermal properties of whole fruit and the parts (epicarp, mesocarp, and arils) of early (‘Acco’) and late (‘Wonderful’) commercial pomegranate cultivars were determined experimentally using a transient heating probe. The values of thermal conductivity and diffusivity of both cultivars increased significantly with an increase in tissue temperature. The aril part was observed to have the highest thermal conductivity and specific heat capacity, respectively. For example, at 7 °C, the thermal conductivity (W m-1 K-1) of ‘Acco’ was 0.419 ± 0.047, 0.352 ± 0.040, and 0.389 ± 0.030 for arils, mesocarp, and epicarp, respectively.
Next, a survey of the packaging used for pomegranate fruit in South Africa was conducted. Over 10 different corrugated fibreboard carton designs, with largely open tops, were found with different ventilations, ranging from 0.74–4.66% on bottom, to 0.71–5.33% on short (width), and 4.60–13.82%on the long (length) faces. The cartons were largely poorly ventilated on the short faces that leads to vent-hole misalignment and vent-hole blockage on pallet stacking which increases fruit cooling time and energy requirements.
Then, a virtual prototype approach based on computational fluid dynamics (CFD) was used to redesign the ventilation of one of the most commonly used pomegranate fruit cartons with intent to improved cooling performance. Fruit cooled in the new design had more uniform temperature distribution and significantly cooled faster (1.6 hours faster in fruit in polyliner) compared to fruit in the commercial design. This result highlights the need of proper carton vent design and vent-hole alignment in stacks.
Furthermore, a virtual prototype approach, based on CFD and computational solid dynamics (CSD) was used to design new ventilated corrugated paperboard cartons that hold pomegranate fruit in multilayers. Running virtual airflow and strength measurements enabled selecting the best alternatives, the ‘Edgevent’, and ‘Midvent’, which were then manufactured and evaluated for cold chain performance. The new designs improved fruit throughput by over 1.8 tonnes more fruit in a reefer compared to commercial single layer designs. For similar volume of fruit contained, the new designs saved over 31% cardboard material and an estimated equivalent of 11 trees per fully loaded 40-ft refrigerated container. Overall, the ‘Midvent’ performed best under cold chain conditions in terms of cooling efficiency and mechanical strength requirements. This warrants its commercialisation.
Lastly, the quality of fruit stored in ‘Midvent’ for 12 weeks under cold chain condition (7 ± 1 °C, 90% RH) and an additional 2 weeks at ambient (shelf life) condition (20 ± 1 °C, 65% RH) was compared with fruit in commercial carton under similar conditions. Fruit respiration followed a similar pattern in both carton designs marked by a 64% reduction after precooling. At the end of the shelf life period, fruit weight loss was 5.7% and 8.9% in the ‘Midvent’ and commercial design, respectively. Sensory attributes, decay incidence and colour changes were similar in new and commercial carton designs over the storage period. Overall, research reported in this thesis has provided new data on thermophysical pomegranate fruit and has applied the virtual prototyping tool for horticultural packaging design. The new ‘Midvent’ carton design provides additional benefits in savings in packaging material, energy for fruit cooling, and bioresources efficiency. Future research should focus on performance test of this carton design in the commercial chain. New data on the thermal properties of pomegranate fruit provide needed input towards the modelling and prediction of fruit internal temperature profile during cooling processes.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Verpakking is 'n noodsaaklike eenheid in die hantering en verspreiding van vars vrugte. Studies oor na-oes hantering van 'n aantal tuinbouprodukte het die belangrikheid van pakketontwerp asook kennis rakende die termosfiese eienskappe van vrugte en verpakking beklemtoon. Dit is 'n manier om die voorverkoelings-, koelberging- en verkoelde vervoerproses effektief te bewerkstellig. Die termiese eienskappe van granate en die dele daarvan is onbekend, en pakkette vir die hantering van granate ná die oes is nog nie behoorlik ondersoek nie. Die doel van hierdie studie was om aandag te gee aan die ontwerp-vereistes van veelvuldige parameters van geventileerde verpakkings. Dit sluit in die doeltreffende verkoeling van granate om hoë voorverkoelings-deurset, vermindering van gebruikte verakkingsmateriaal, en verbeterde gebruik van die ruimte tydens verkoelde berging en vervoer te verseker. Eerstens is die termiese eienskappe van heelvrugte en die vrugdele (epikarp, mesokarp en arillus) van vroeë ('Acco') en laat ('Wonderful') kommersiële granaat kultivars eksperimenteel bepaal met behulp van 'n oorgangs verhittingsensor. Die waardes van termiese- geleiding en diffusie van beide kultivars het aansienlik gestyg met 'n toename in weefsel temperatuur. Daar is waargeneem dat die arillus gedeelte onderskeidelik die hoogste termiese geleidingsvermoë en spesifieke hittekapasiteit gehad het. By 7 °C was die termiese geleidingsvermoë (W m-1 K-1) van 'Acco' 0.419 ± 0.047, 0.352 ± 0.040 en 0.389 ± 0.030 onderskeidelik vir arillus, mesokarp en epikarp. Vervolgens is 'n oorsig gedoen oor die verpakking wat vir granate in Suid-Afrika gebruik is. Meer as tien verskillende geriffelde veselbord kartonontwerpe, met grootliks oop bokante, is ondersoek, met verskillende ventilasies, wat wissel van 0.74–4.66% onderaan, tot 0.71–5.33% op kort (breedte) aansig en 4.60–13.82% op die lang (lengte) aansig, onderskeidelik. Die kartonne was grotendeels swak geventileer op die kort-aansigte, wat gelei het tot wanopstelling van die ventilasieopening asook die verstopping daarvan op die stapel van die palet. Dit verhoog dus die afkoeltyd en energiebehoeftes van die vrugte. Daarna is 'n virtuele prototipe-benadering, gebaseer op berekeningsvloeidinamika (BVD) gebruik om die ventilasie van een van die mees gebruikte granaat kartonne te herontwerp, met die oog op verbeterde verkoeling. Vrugte wat in die nuwe ontwerp afgekoel is, het 'n meer eweredige temperatuurverspreiding gehad en vinniger afgekoel (1.6 uur vinniger in vrugte in 'polyliner') in vergelyking met vrugte in die kommersiële ontwerp. Hierdie resultaat beklemtoon die behoefte aan behoorlike karton-opening ontwerp asook ventilasiegopening opstelling in stapels. Verder is 'n virtuele prototipe benadering, gebaseer op BVD en berekeningssolieddinamika (BSD), gebruik om nuwe geventileerde geriffelde papierbord kartonne te maak, wat granate in meer lae kan verpak. Met die uitvoering van virtuele lugvloei- en sterktemetings is die beste alternatiewe, die 'Edgevent' en 'Midvent', gekies wat vervolgens vervaardig en geëvalueer is vir koue-ketting prestasies. Die nuwe ontwerpe het vrug-produksie oor 1.8 ton meer vrugte verbeter in 'n koeltrok, in vergelyking met kommersiële enkellaagontwerpe. Vir 'n soortgelyke hoeveelheid vrugte, het die nuwe ontwerpe meer as 31% kartonmateriaal bespaar met 'n geraamde ekwivalent van 11 bome per volgelaaide koelhouer van 40 voet. In die algemeen het die 'Midvent' die beste presteer onder koue-ketting toestande ten opsigte van verkoeling en meganiese sterktevereistes. Dit bevestig dus die kommersialisering daarvan. Laastens is die kwaliteit van vrugte wat gedurende 'Midvent' in koue-ketting toestand gestoor is (7 ± 1 °C, 90% RH) asook 'n ekstra twee weke by die omgewingstoestand (rakleeftyd) (20 ± 1 °C, 65% RH) is onder soortgelyke toestande met vrugte in kommersiële kartonne vergelyk. Die respirasie van vrugte het 'n soortgelyke patroon in albei kartonontwerpe gevolg, met 'n afname van 64% na voorverkoeling. Aan die einde van die rakleeftydperk was die gewigsverlies van vrugte onderskeidelik 5.7% en 8.9% in die 'Midvent' en kommersiële ontwerp. Sensoriese eienskappe, verval voorkoms en kleurveranderings was dieselfde in nuwe en kommersiële kartonontwerpe gedurende die bergingstydperk. Oor die algemeen het navorsing wat in hierdie proefskrif gerapporteer is, nuwe data oor die termofisiese eienskappe van granate verskaf, en is die virtuele prototiperings-instrument vir die ontwerp van tuinbouverpakkings toegepas. Die nuwe 'Midvent'-kartonontwerp hou ekstra besparings voordele in vir verpakkingsmateriaal, energie vir vrugteverkoeling en doeltreffendheid van biobronne. Toekomstige navorsing moet fokus op die prestasietoets van hierdie kartonontwerp in die kommersiële ketting. Nuwe data oor die termiese eienskappe van granate lewer die nodige insette vir die modellering en voorspelling van die interne temperatuurprofiel van vrugte tydens verkoeling.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Verpakking is 'n noodsaaklike eenheid in die hantering en verspreiding van vars vrugte. Studies oor na-oes hantering van 'n aantal tuinbouprodukte het die belangrikheid van pakketontwerp asook kennis rakende die termosfiese eienskappe van vrugte en verpakking beklemtoon. Dit is 'n manier om die voorverkoelings-, koelberging- en verkoelde vervoerproses effektief te bewerkstellig. Die termiese eienskappe van granate en die dele daarvan is onbekend, en pakkette vir die hantering van granate ná die oes is nog nie behoorlik ondersoek nie. Die doel van hierdie studie was om aandag te gee aan die ontwerp-vereistes van veelvuldige parameters van geventileerde verpakkings. Dit sluit in die doeltreffende verkoeling van granate om hoë voorverkoelings-deurset, vermindering van gebruikte verakkingsmateriaal, en verbeterde gebruik van die ruimte tydens verkoelde berging en vervoer te verseker. Eerstens is die termiese eienskappe van heelvrugte en die vrugdele (epikarp, mesokarp en arillus) van vroeë ('Acco') en laat ('Wonderful') kommersiële granaat kultivars eksperimenteel bepaal met behulp van 'n oorgangs verhittingsensor. Die waardes van termiese- geleiding en diffusie van beide kultivars het aansienlik gestyg met 'n toename in weefsel temperatuur. Daar is waargeneem dat die arillus gedeelte onderskeidelik die hoogste termiese geleidingsvermoë en spesifieke hittekapasiteit gehad het. By 7 °C was die termiese geleidingsvermoë (W m-1 K-1) van 'Acco' 0.419 ± 0.047, 0.352 ± 0.040 en 0.389 ± 0.030 onderskeidelik vir arillus, mesokarp en epikarp. Vervolgens is 'n oorsig gedoen oor die verpakking wat vir granate in Suid-Afrika gebruik is. Meer as tien verskillende geriffelde veselbord kartonontwerpe, met grootliks oop bokante, is ondersoek, met verskillende ventilasies, wat wissel van 0.74–4.66% onderaan, tot 0.71–5.33% op kort (breedte) aansig en 4.60–13.82% op die lang (lengte) aansig, onderskeidelik. Die kartonne was grotendeels swak geventileer op die kort-aansigte, wat gelei het tot wanopstelling van die ventilasieopening asook die verstopping daarvan op die stapel van die palet. Dit verhoog dus die afkoeltyd en energiebehoeftes van die vrugte. Daarna is 'n virtuele prototipe-benadering, gebaseer op berekeningsvloeidinamika (BVD) gebruik om die ventilasie van een van die mees gebruikte granaat kartonne te herontwerp, met die oog op verbeterde verkoeling. Vrugte wat in die nuwe ontwerp afgekoel is, het 'n meer eweredige temperatuurverspreiding gehad en vinniger afgekoel (1.6 uur vinniger in vrugte in 'polyliner') in vergelyking met vrugte in die kommersiële ontwerp. Hierdie resultaat beklemtoon die behoefte aan behoorlike karton-opening ontwerp asook ventilasiegopening opstelling in stapels. Verder is 'n virtuele prototipe benadering, gebaseer op BVD en berekeningssolieddinamika (BSD), gebruik om nuwe geventileerde geriffelde papierbord kartonne te maak, wat granate in meer lae kan verpak. Met die uitvoering van virtuele lugvloei- en sterktemetings is die beste alternatiewe, die 'Edgevent' en 'Midvent', gekies wat vervolgens vervaardig en geëvalueer is vir koue-ketting prestasies. Die nuwe ontwerpe het vrug-produksie oor 1.8 ton meer vrugte verbeter in 'n koeltrok, in vergelyking met kommersiële enkellaagontwerpe. Vir 'n soortgelyke hoeveelheid vrugte, het die nuwe ontwerpe meer as 31% kartonmateriaal bespaar met 'n geraamde ekwivalent van 11 bome per volgelaaide koelhouer van 40 voet. In die algemeen het die 'Midvent' die beste presteer onder koue-ketting toestande ten opsigte van verkoeling en meganiese sterktevereistes. Dit bevestig dus die kommersialisering daarvan. Laastens is die kwaliteit van vrugte wat gedurende 'Midvent' in koue-ketting toestand gestoor is (7 ± 1 °C, 90% RH) asook 'n ekstra twee weke by die omgewingstoestand (rakleeftyd) (20 ± 1 °C, 65% RH) is onder soortgelyke toestande met vrugte in kommersiële kartonne vergelyk. Die respirasie van vrugte het 'n soortgelyke patroon in albei kartonontwerpe gevolg, met 'n afname van 64% na voorverkoeling. Aan die einde van die rakleeftydperk was die gewigsverlies van vrugte onderskeidelik 5.7% en 8.9% in die 'Midvent' en kommersiële ontwerp. Sensoriese eienskappe, verval voorkoms en kleurveranderings was dieselfde in nuwe en kommersiële kartonontwerpe gedurende die bergingstydperk. Oor die algemeen het navorsing wat in hierdie proefskrif gerapporteer is, nuwe data oor die termofisiese eienskappe van granate verskaf, en is die virtuele prototiperings-instrument vir die ontwerp van tuinbouverpakkings toegepas. Die nuwe 'Midvent'-kartonontwerp hou ekstra besparings voordele in vir verpakkingsmateriaal, energie vir vrugteverkoeling en doeltreffendheid van biobronne. Toekomstige navorsing moet fokus op die prestasietoets van hierdie kartonontwerp in die kommersiële ketting. Nuwe data oor die termiese eienskappe van granate lewer die nodige insette vir die modellering en voorspelling van die interne temperatuurprofiel van vrugte tydens verkoeling.
Description
Thesis (PhDFoodSc)--Stellenbosch University, 2019.
Keywords
Pomegranate -- South Africa, Packaging -- Storage, Fruit quality, Computational fluid dynamics, Pomegranate -- Effect of freezes on, Fruit thermophysical properties, Pomegranate fruit fractions -- Postharvest handling, UCTD