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研究背景
每次妈妈让我到超市买冷冻食品，总要叮嘱我看一下生产日期，还要看一下包装袋里的冷冻食品外观、颜色是否正常。然而，冷冻食品在出厂后的冷链物流某个环节若发生过解冻与再次冷冻的情况，从而导致食品内部可能变质，我们也能看得出来吗？于是，我尝试发明一种简便、可靠的方法，仅用我们自己的眼睛就能快速判断出冷冻食品在冷链物流的所有环节中贮藏温度是否始终正常，是否可以放心选购。
冷链物流中冷冻温度全程无源监测的技术方案
该技术方案的发明灵感源自中学科学教材的基础知识：①晶体有一定的熔点或凝固点；②对溶液结晶而言，溶质的加入一般会降低其凝固点；③晶体一般可制成具有一定形状的固体。
技术方案的基本原理：将具有初始形状和初始大小、熔点或凝固点不高于0℃同时不低于冷冻食品贮藏规定温度的晶体作为冷冻温度监测剂，放在冷冻食品包装内或冷冻食品货箱内，在冷链物流的运输与贮藏等所有环节中，冷冻食品贮藏温度如果上升并超过冷冻温度监测剂的熔点或凝固点，冷冻温度监测剂的全部或部分将从固体转变为液体，从而使其形状发生不可逆的改变，据此可判断出该冷冻食品在运输或贮藏过程中温度超过冷冻食品贮藏规定温度，不符合运输或贮藏要求。
冷冻温度监测剂的形状可能出现3种情形：①冷冻温度监测剂完好（图1a）；②冷冻温度监测剂部分融化（图1b）；③冷冻温度监测剂完全融化（图1c）。通过观察冷冻温度监测剂的形状，针对可能出现的以上3种情形，消费者或冷链物流工作人员可据此直接作出判断：第1种情形表明冷链物流环节没有超过冷冻食品贮藏规定温度；第2种情形表明冷链物流环节曾短时间或小幅度地超过冷冻食品贮藏规定温度；第3种情形则表明冷链物流环节曾长时间或大幅度或多次超过冷冻食品贮藏规定温度，严重违反冷冻食品运输和贮藏规定，应放弃购买或拒绝接收。
冷冻温度监测剂成分的研究
冷冻食品主要包括冷冻畜禽肉、冷冻水产品、冷冻果汁、冷冻饮品、冰蛋、速冻蔬菜、冷冻调制食品等。我上網查找到上海市地方标准DB31/T3882007《食品冷链物流技术与管理规范》，其中规定：一般而言大部分普通冷冻食品贮藏标准温度为18℃以下；在冷链物流的运输与贮藏等不同环节中，由于环境变换、交接需要，冷冻食品贮藏温度允许有小范围的起伏波动，但是升温幅度不允许超过6℃，因此接货方在与承运方进行交接时如果发现冷冻食品贮藏温度超过12℃，接货方按规定将拒收；冷冻食品应放入冷冻陈列柜进行出售，冷冻陈列柜的温度要保持在15℃以下，由于存在顾客选购冷冻食品时需要短时间打开冷冻陈列柜等情况，故允许冷冻陈列柜的温度出现短时间回升但不得高于12℃。从上述冷链物流的管理规范中可以发现，12℃是普通冷冻食品贮藏上限温度。
为此，需要找到一种熔点或凝固点在12℃的晶体作为制作冷冻温度监测剂的材料。我从海水的冰点低于淡水的自然现象得到启发，进一步通过查阅《化学化工物性数据手册》等文献，绘出了图2所示的氯化钠水溶液浓度与其凝固点的关系图，说明氯化钠质量分数为16.0%的氯化钠水溶液冷冻后，即可得到凝固点为-12℃的结晶。
此外，不同的冷冻食品对冷冻贮藏标准温度有不同的规定，比如：成炝蟹的冷冻贮藏标准温度为-6℃，冰淇淋的冷冻贮藏标准温度为-23℃，金枪鱼的冷冻贮藏标准温度为-50℃。因此，还需要定制具有不同凝固点的冷冻温度监测剂。
从图2可以发现：随着氯化钠质量分数的不断增加，氯化钠水溶液的凝固点到达21℃的最低点后将反转升高。因此，在实际应用时，按氯化钠的不同质量分数在21～0℃之间可以方便地定制具有不同凝固点的冷冻温度监测剂。
那么，针对贮藏标准温度为50"C的金枪鱼等冷冻食品，用什么晶体制成冷冻温度监测剂呢？我再次求助于《化学化工物性数据手册》等文献，发现按乙醇的不同质量分数在-120～0℃之间可以方便地定制具有不同凝固点的结晶。按图3的乙醇水溶液凝固点与浓度的关系图，可以用乙醇质量分数为60.3%的晶体制成凝固点为-44℃的冷冻温度监测剂，以满足金枪鱼等深度冷冻食品的冷链物流温度监测的特殊需求。
创新特色
与现有的冷链物流冷冻温度监测技术手段相比，本技术方案具有如下创新与特色。
成本低廉：本技术方案所必需的冷冻温度监测剂，可放置于配置的冷冻托盘中，采用冷却结晶成形的方法，可实现大规模低成本制造。
绿色环保：本技术方案所必需的冷冻温度监测剂，其成分主要为水、氯化钠、乙醇，完全满足食品安全、环境友好等方面的要求。
无需供电：冷冻温度监测剂在监测冷链物流全流程的冷冻温度时，完全无需外部电源或内部电池的支持。
结果直观：消费者或冷链物流工作人员仅通过自己的眼睛观察冷冻温度监测剂形状的变化，即可直接作出判断。
监测可靠：本技术方案可以确保冷冻温度监测剂的监测功能覆盖冷链物流的全流程，且监测结果不可逆，除非违规开启冷冻食品包装或冷冻食品货箱调换冷冻温度监测剂。
适用面广：采用氯化钠水溶液或乙醇水溶液，根据溶液的不同浓度可以分别在-21～0℃和-120～0℃之间方便地定制各种不同凝固点的冷冻温度监测剂，全面满足所有冷冻食品的冷冻温度监测需求。
实施容易：本技术方案的具体实施过程所涉及的冷冻温度监测剂制造、封装、检验等所有环节，均不存在实施难度。
应用前景
本课题的研究成果，不仅可以应用于冷冻食品的冷链物流领域，还可以进一步推广到冷冻药品的冷链物流领域，具有良好的市场应用前景。
该项目获得第32届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组工程学一等奖。
专家评语
该发明具有成本低，绿色环保、无需供电、结果直观、检测可靠、适用面广、易于实施等优点。要避免冷冻温度监测剂在运输过程中被替换，可贴防伪标志或二维码于监测剂盒上。
每次妈妈让我到超市买冷冻食品，总要叮嘱我看一下生产日期，还要看一下包装袋里的冷冻食品外观、颜色是否正常。然而，冷冻食品在出厂后的冷链物流某个环节若发生过解冻与再次冷冻的情况，从而导致食品内部可能变质，我们也能看得出来吗？于是，我尝试发明一种简便、可靠的方法，仅用我们自己的眼睛就能快速判断出冷冻食品在冷链物流的所有环节中贮藏温度是否始终正常，是否可以放心选购。
冷链物流中冷冻温度全程无源监测的技术方案
该技术方案的发明灵感源自中学科学教材的基础知识：①晶体有一定的熔点或凝固点；②对溶液结晶而言，溶质的加入一般会降低其凝固点；③晶体一般可制成具有一定形状的固体。
技术方案的基本原理：将具有初始形状和初始大小、熔点或凝固点不高于0℃同时不低于冷冻食品贮藏规定温度的晶体作为冷冻温度监测剂，放在冷冻食品包装内或冷冻食品货箱内，在冷链物流的运输与贮藏等所有环节中，冷冻食品贮藏温度如果上升并超过冷冻温度监测剂的熔点或凝固点，冷冻温度监测剂的全部或部分将从固体转变为液体，从而使其形状发生不可逆的改变，据此可判断出该冷冻食品在运输或贮藏过程中温度超过冷冻食品贮藏规定温度，不符合运输或贮藏要求。
冷冻温度监测剂的形状可能出现3种情形：①冷冻温度监测剂完好（图1a）；②冷冻温度监测剂部分融化（图1b）；③冷冻温度监测剂完全融化（图1c）。通过观察冷冻温度监测剂的形状，针对可能出现的以上3种情形，消费者或冷链物流工作人员可据此直接作出判断：第1种情形表明冷链物流环节没有超过冷冻食品贮藏规定温度；第2种情形表明冷链物流环节曾短时间或小幅度地超过冷冻食品贮藏规定温度；第3种情形则表明冷链物流环节曾长时间或大幅度或多次超过冷冻食品贮藏规定温度，严重违反冷冻食品运输和贮藏规定，应放弃购买或拒绝接收。
冷冻温度监测剂成分的研究
冷冻食品主要包括冷冻畜禽肉、冷冻水产品、冷冻果汁、冷冻饮品、冰蛋、速冻蔬菜、冷冻调制食品等。我上網查找到上海市地方标准DB31/T3882007《食品冷链物流技术与管理规范》，其中规定：一般而言大部分普通冷冻食品贮藏标准温度为18℃以下；在冷链物流的运输与贮藏等不同环节中，由于环境变换、交接需要，冷冻食品贮藏温度允许有小范围的起伏波动，但是升温幅度不允许超过6℃，因此接货方在与承运方进行交接时如果发现冷冻食品贮藏温度超过12℃，接货方按规定将拒收；冷冻食品应放入冷冻陈列柜进行出售，冷冻陈列柜的温度要保持在15℃以下，由于存在顾客选购冷冻食品时需要短时间打开冷冻陈列柜等情况，故允许冷冻陈列柜的温度出现短时间回升但不得高于12℃。从上述冷链物流的管理规范中可以发现，12℃是普通冷冻食品贮藏上限温度。
为此，需要找到一种熔点或凝固点在12℃的晶体作为制作冷冻温度监测剂的材料。我从海水的冰点低于淡水的自然现象得到启发，进一步通过查阅《化学化工物性数据手册》等文献，绘出了图2所示的氯化钠水溶液浓度与其凝固点的关系图，说明氯化钠质量分数为16.0%的氯化钠水溶液冷冻后，即可得到凝固点为-12℃的结晶。
此外，不同的冷冻食品对冷冻贮藏标准温度有不同的规定，比如：成炝蟹的冷冻贮藏标准温度为-6℃，冰淇淋的冷冻贮藏标准温度为-23℃，金枪鱼的冷冻贮藏标准温度为-50℃。因此，还需要定制具有不同凝固点的冷冻温度监测剂。
从图2可以发现：随着氯化钠质量分数的不断增加，氯化钠水溶液的凝固点到达21℃的最低点后将反转升高。因此，在实际应用时，按氯化钠的不同质量分数在21～0℃之间可以方便地定制具有不同凝固点的冷冻温度监测剂。
那么，针对贮藏标准温度为50"C的金枪鱼等冷冻食品，用什么晶体制成冷冻温度监测剂呢？我再次求助于《化学化工物性数据手册》等文献，发现按乙醇的不同质量分数在-120～0℃之间可以方便地定制具有不同凝固点的结晶。按图3的乙醇水溶液凝固点与浓度的关系图，可以用乙醇质量分数为60.3%的晶体制成凝固点为-44℃的冷冻温度监测剂，以满足金枪鱼等深度冷冻食品的冷链物流温度监测的特殊需求。
创新特色
与现有的冷链物流冷冻温度监测技术手段相比，本技术方案具有如下创新与特色。
成本低廉：本技术方案所必需的冷冻温度监测剂，可放置于配置的冷冻托盘中，采用冷却结晶成形的方法，可实现大规模低成本制造。
绿色环保：本技术方案所必需的冷冻温度监测剂，其成分主要为水、氯化钠、乙醇，完全满足食品安全、环境友好等方面的要求。
无需供电：冷冻温度监测剂在监测冷链物流全流程的冷冻温度时，完全无需外部电源或内部电池的支持。
结果直观：消费者或冷链物流工作人员仅通过自己的眼睛观察冷冻温度监测剂形状的变化，即可直接作出判断。
监测可靠：本技术方案可以确保冷冻温度监测剂的监测功能覆盖冷链物流的全流程，且监测结果不可逆，除非违规开启冷冻食品包装或冷冻食品货箱调换冷冻温度监测剂。
适用面广：采用氯化钠水溶液或乙醇水溶液，根据溶液的不同浓度可以分别在-21～0℃和-120～0℃之间方便地定制各种不同凝固点的冷冻温度监测剂，全面满足所有冷冻食品的冷冻温度监测需求。
实施容易：本技术方案的具体实施过程所涉及的冷冻温度监测剂制造、封装、检验等所有环节，均不存在实施难度。
应用前景
本课题的研究成果，不仅可以应用于冷冻食品的冷链物流领域，还可以进一步推广到冷冻药品的冷链物流领域，具有良好的市场应用前景。
该项目获得第32届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组工程学一等奖。
专家评语
该发明具有成本低，绿色环保、无需供电、结果直观、检测可靠、适用面广、易于实施等优点。要避免冷冻温度监测剂在运输过程中被替换，可贴防伪标志或二维码于监测剂盒上。