（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學院，廣州 510430）

0 引言

中央廚房是實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)食品的主要場所，將烹飪好的熱食品快速冷卻到4 ℃是決定生產(chǎn)效率，保鮮及口感的關(guān)鍵[1]。目前冷卻的方式有多種，包括常溫冷卻、水冷卻、真空冷卻、減壓冷卻等，其中常溫冷卻速度慢，適合日常生活中沒有時間要求的冷卻；水冷卻的冷卻速度快，適用于密封性較好的快速冷卻；真空冷卻適用對外形和顏色的冷卻[2]。伍培等[3]通過分析真空冷卻球形果蔬的熱傳遞情況，建立了減壓貯藏的數(shù)學模型，取得了較好的效果。Dragan Kukolj等[4]設計了一款食品冷卻過程分析軟件，能仿真出食品冷卻全程的變化狀態(tài)。氣調(diào)保鮮和真空冷卻在蔬菜冷卻和肉類冷卻中有較多的運用，它能較好地延長保質(zhì)期[5-6]，提高新鮮度、口感、色澤等品質(zhì)。1967年，美國人斯坦利·伯格（Stanley P Burg）發(fā)明了減壓冷卻技術(shù)，減壓冷卻是通過食品表層的水分在低壓下蒸發(fā)吸熱而帶著熱量，加快冷卻速度。

本文通過分析熱氣體交換的過程，研究傳熱過程的媒介對傳熱的作用，建立出熱力學方程，獲得符合中央廚房減壓冷卻的方法，為提高食品生產(chǎn)效率，保持食品的口感和新鮮度服務。

1 中央廚房減壓冷卻工藝流程

1.1 減壓冷卻的過程分析

在中央廚房中，食品分為蔬菜類、肉類、米飯類、面點類等，在蔬菜類、肉類冷卻中，保鮮、保濕、保色是關(guān)鍵要求。減壓冷卻即可以使蔬菜類、肉類快速冷卻，又要通過內(nèi)外界氣體置換，實現(xiàn)菜肴的保持鮮度和色度。減壓冷卻由于能夠?qū)⒂泻怏w隨時抽出，最大限度地保障食品的新鮮程度，所以貯藏的食品不衰老、不黃化、不失重、不變質(zhì)。

中央廚房的食品減壓冷卻是利用對流、傳導和輻射等3種方式相結(jié)合，借助真空冷卻的優(yōu)勢，在半密封的減壓空間環(huán)境內(nèi)，首先將高溫的氣體抽出，形成低壓；然后將低溫的氣體向半密封減壓空間輸入，使半密封環(huán)節(jié)的換氣，達到1次減壓冷卻。以此方式進行“低壓、低溫、高濕、換氣”的操作，達到減壓冷卻的效果，如圖1所示。

1.2 減壓冷卻的工藝技術(shù)

（1）食品快速冷卻處理。在中央廚房中，食品蒸煮之后，首先將食品快速放入減壓空間，使食品從高溫快速低溫冷卻，控制食品表面微生物特別在72 ℃到10 ℃的繁殖速度[7]。然后加大減壓空間的抽氣速度，使內(nèi)部壓力降低，減少水蒸氣的氣相濟度，保證食品快速冷卻。同時，從外面向減壓空間內(nèi)輸入氣體，保證減壓空間的壓力不會形成真空。最后，將冷卻好的食品從減壓空間內(nèi)取出，通過分裝和打包，形成冷鏈食品。

（2）采用氣調(diào)保鮮技術(shù)保鮮。在從減壓空間內(nèi)抽走熱水蒸氣的同時，也將氧氣和其它有害氣體抽出，減少容器的壓力。隨后向減壓空間內(nèi)注入低溫的氮氣，替代被抽走的氧氣和其它有害氣體，保證減壓空間內(nèi)有一定的壓力，使食品不衰老、不黃化、不失重、不變質(zhì)，保鮮度達98%。

（3）借助保濕確保味道。在向減壓空間內(nèi)通入氮氣時，氮氣有一定的濕度，彌補抽空氣時帶走的水份，使食品在減壓冷卻時，保證食品的水分和味道不發(fā)生改變。

2 減壓冷卻類型

由于減壓冷卻的優(yōu)勢，對在中央廚房的不同類型食品冷卻效果也不相同，包括蔬菜類、肉類、面點類、米飯類等，它們有不同的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，同種方法冷卻效果各有差異。

2.1 蔬菜及肉類冷卻

隨著肉的冷卻時間增長，肉內(nèi)的共軛亞油酸會下降，而脂肪酸會上升，影響肉類的品質(zhì)[8]。減壓冷卻是將密閉空間蔬菜和肉類的熱水蒸氣抽出，然后向減壓冷卻空間的輸入冷氮氣，因此蔬菜表面的熱水蒸氣垂直方向運動，被抽到外部，如圖2所示。外界的冷氮氣在一定的壓力下滲入到蔬菜和肉類內(nèi)部，由于熱水蒸氣比冷氮氣的密度低，迫使熱水蒸氣向上運動，被抽到外界。但邊界層中混合物在各點的總壓強不相同，蔬菜和肉類表面附近的熱水蒸氣分壓大于靠近主體空氣水蒸氣分壓，進而使減壓冷卻空間的冷氮氣向貯藏環(huán)境擴散，使蔬菜和肉類的熱水蒸氣進一步在表面運動，形成冷卻循環(huán)，這樣加快蔬菜和肉類的溫度由高溫冷卻到低溫。

2.2 米飯及面點類冷卻

陳敢烽等根據(jù)減壓冷卻的真空度、米飯量、擬冷卻的溫度等進行定性分析，發(fā)現(xiàn)對米飯的冷卻效果與米飯量及真空度的關(guān)系較為密切[9]。洪喬荻等通過對比自然冷卻、冷風冷卻和真空冷卻3種冷卻方法，真空冷卻將面類食品從高溫降到低溫的冷卻速率高，但產(chǎn)品質(zhì)量損失大[10-11]。在中央廚房中，需要先將其耙松，然后放置密封空間內(nèi)，對其抽出內(nèi)部的熱水蒸氣和輸入外界4 ℃冷空氣，使空間壓強減少，即可加大循環(huán)速度，又可使中心溫度快速冷卻。

3 傳熱過程分析

3.1 影響冷卻速度的關(guān)鍵因素

食品溫度的冷卻時間與食品的初始溫度、食品的形狀、食品傳熱系數(shù)、冷卻的風速、周圍環(huán)境溫度，及冷卻媒介等相關(guān)。食品的溫度有兩個溫度，一是食品的平均溫度，另一個是食品的中心溫度。在冷卻過程中，食品的溫度成梯形溫度，離表面越近，冷卻速度超快，溫度梯度越大。

3.2 網(wǎng)格化溫度分析

為了更微觀研究食品的每點溫度，現(xiàn)以肉為例如圖3所示，將其重點設為食品中心，將肉按平面進行網(wǎng)格化劃分N等分，每一格為ΔX，可建立的數(shù)學模型如下式[12]。

式中 α——肉的熱擴散率，即導溫系數(shù)；

λ——肉的導熱系數(shù)；

Cp——肉的定壓比熱；

ρ——肉的密度。

易知，偏微分方程（1）的初始條件為：

在肉的食品中心的對稱面為絕熱邊界條件為：

在肉的兩側(cè)表面為對流邊界條件為：

式中 L——肉厚度的一半；

h——冷卻空間介質(zhì)與食品側(cè)表面之間的對流傳熱膜系數(shù)；

Tc——減壓冷卻的外界溫度。

3.3 任意點的溫度分析

為了延長肉的保持期，掌握任意點的溫度，控制其乙酸乙酯相的總酚含量、抗氧化活性及抑菌活性[13]，將肉從外表面沿X方向按間距Δx分割為N段，時間從邊界開始，按Δt時間共計k段。以表示任意位置，應用有限差分法，將有限差商代替微商，將微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程，建立中心差分數(shù)學模型：

計算得肉內(nèi)任意節(jié)點（i，k）的溫度方程為：

式中 F——傅里葉級數(shù)，F(xiàn)0= αΔt/Δx2。

3.4 邊界節(jié)點分析

3.4.1 絕熱邊界點溫度分析

肉的中心面是對稱面，也是絕熱邊界面，此時對流的熱量為零。

絕熱邊界點的溫度方程為：

3.4.2 對流邊界點溫度分析

肉最外側(cè)面的對流邊界溫度，針對邊界點N，根據(jù)熱平衡原理，對流邊界點的溫度方程：

其中畢沃基數(shù)，B=hΔx/λ且 F0≤ 1/（2B+2）。

通過內(nèi)部程求解，將式（4）、式（5）和式（7）按照編號，計算出Δt的各節(jié)點溫度。同理可計算出 2Δt、3Δt、…、NΔt的各點溫度。

4 提升減壓冷卻效果的策略

4.1 控制輸入氣體的溫度和濕度

根據(jù)式（2）可知，輸入氣體的溫度與冷卻速度密切相關(guān)。當外界輸入氮氣的溫度越低，到達減壓空間后與食品交換溫度越大，降溫的效果越明顯。根據(jù)食品的屬性，將輸入氮氣的濕度保持一定范圍內(nèi)，使在減壓冷卻時，食品冷卻后的水分與冷卻前的水分保持一致。

4.2 控制換氣速度

為了進一步提高冷卻效果，在一定范圍內(nèi)降低壓力差，增加減壓冷卻密閉空間的風速。在保持一定的壓力差的前提下，風速越大，使得輸入氣體速度加大，抽出氣體速度也隨著增加，增加了氣體在減壓空間的換氣頻率，冷卻速度越快。這樣，不斷地從外界將冷氣體吸入到減壓空間內(nèi)，將減壓空間內(nèi)的熱水蒸氣帶走，食品獲得較好的冷卻效果。

5 試驗分析

5.1 肉菜冷卻試驗

分別將2盤烹飪好的15 kg肉菜盤（100 ℃）放入4 ℃外部空間和減壓冷卻空間，菜盤尺寸為1 500（L）×700（W）×300（H）（單位：mm）。將一盤放在4 ℃環(huán)境下自然冷卻，另一盤放在旋轉(zhuǎn)減壓冷卻空間冷卻，采用一個電機從空間內(nèi)向外抽空氣，一個電機向減壓空間內(nèi)輸入4℃ 且濕度為95%的氮氣，其飽和蒸氣壓力為0.813 59 MPa。

分析可獲得絕對濕度氣壓為：

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程數(shù)學表達式為：

式中 P——指理想氣體的壓強；

S——理想氣體的體積；

n——氣體物質(zhì)的量；

T——減壓冷卻密封空間外的溫度；

R——理想氣體常數(shù)。

在1 m3的水蒸氣內(nèi)，含水的質(zhì)量n=4 030.85/（8.314×4）×18=418.34 g。

等到25 min后，發(fā)現(xiàn)4 ℃外部空間自然冷卻菜盤的肉菜的中心溫度為39 ℃，減壓冷卻空間的菜盤肉菜中心溫度為4 ℃，如圖4所示。要使得自然冷卻的肉菜中心溫度達到4 ℃，需要1 h 56 min。通過對比，減壓冷卻比自然冷卻的速度快，冷卻后肉菜的色澤一樣，肉菜的濕度不變。由于減壓冷卻的時間短，與外部接觸時間少，故更能保證其衛(wèi)生和安全，提高食品的加工效果，適合冷鏈中央廚房的食品加工。

5.2 米飯冷卻試驗

將剛蒸煮好的熱米飯，用打散機構(gòu)打散，用2個相同尺寸為1 500（L）×700（W）×300（H）（單位：mm）的飯盤盛入份量相同的熱米飯，一個實施自然冷卻，一個實施減壓冷卻。對減壓空間采用一個電機從空間內(nèi)向外抽空氣，一個電機向減壓空間內(nèi)輸入4 ℃且濕度為60%的氮氣，其飽和蒸氣壓力為0.6741 MPa，風速為4 m/s。

用減壓冷卻法冷卻的米飯21 min后中心溫度達4 ℃，且由于在冷卻過程中，米飯快速避開了在30 ℃～60 ℃的細菌高繁殖期，故米飯細菌變化不大，米飯色澤度基本不變。但用自然冷卻法將米飯放入4 ℃的環(huán)境中，4 h才能使米飯中心溫度冷卻到4 ℃，并發(fā)現(xiàn)腸桿菌、葡萄球菌明顯增加，米飯有變色的現(xiàn)象。

6 結(jié)語

在分析不同冷卻方式對食品冷卻的效果適用場合后，發(fā)現(xiàn)減壓冷卻適合于中央廚房的快速保濕冷卻需求。探索了中央廚房的蔬菜類、肉類、面點類、米飯類的冷卻過程，獲得不同類型食品要加速冷卻效果的可能措施。通過分析熱傳導的效果，以肉類為例，對其網(wǎng)格化劃分后，建立任意點、絕熱邊界點、對流邊界點的溫度數(shù)學模型，獲得任意點食品的溫度場。采用從減壓空間抽出熱氣，將相應濕度的冷氮氣輸入到減壓空間的策略，加大輸入和抽出氣體的速度，提升冷卻速度和效果。最后以肉菜和米飯為例，通過試驗驗證發(fā)現(xiàn)減壓冷卻比自然冷卻的速度快，減壓冷卻的食品保鮮度和保濕度明顯高于自然冷卻法。