李賀強(qiáng)，鄒同華，宋睿琪，張坤生

真空條件下豬肉解凍過(guò)程的模擬與試驗(yàn)

李賀強(qiáng)，鄒同華※，宋睿琪，張坤生

（天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134）

為了研究冷凍豬肉在高真空度下（100 Pa）解凍過(guò)程中溫度分布和解凍速率的變化規(guī)律以及解凍對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響，以空氣自然解凍為對(duì)照，采用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics，建立豬肉三維數(shù)學(xué)模型對(duì)真空解凍過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了解凍模型的可靠性，為真空解凍的理論研究提供了參考。結(jié)果表明：真空解凍和空氣解凍模擬所得時(shí)間分別為8.90 h和27.30 h，而試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果分別為8.83 h和28.40 h，真空解凍速率明顯快于空氣解凍，而且兩者模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差分別為0.79 %和4.03 %，誤差均較小；真空解凍后豬肉的保水性（解凍損失率和蒸煮損失率）、pH值和質(zhì)構(gòu)性（硬度、彈性、咀嚼度等）均優(yōu)于空氣解凍（< 0.05），即與空氣解凍相比，真空解凍能更好地保持冷凍豬肉解凍后的品質(zhì)。該結(jié)果對(duì)豬肉真空解凍的深入研究也有一定的參考意義。

數(shù)值模擬；壓力；傳熱；真空解凍；解凍速率；豬肉；品質(zhì)

0 引 言

豬肉是一種傳統(tǒng)的肉類(lèi)，一直深受廣大人們的喜愛(ài)，2019年由于受非洲豬瘟和肉類(lèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)的影響，中國(guó)的豬肉產(chǎn)量為4 255萬(wàn)t，下降了21.3%，但2019年中國(guó)豬肉進(jìn)口量激增，累計(jì)進(jìn)口鮮冷凍豬肉達(dá)173.3萬(wàn)t，比歷史其他時(shí)期增加58%，豬肉仍然是中國(guó)肉類(lèi)的消費(fèi)大頭[1-2]。2020年初，受新冠疫情的影響，為了進(jìn)一步穩(wěn)定肉價(jià)，中國(guó)向市場(chǎng)投放了大量冷凍的中央儲(chǔ)備豬肉，這些冷凍肉在加工前都需要解凍至可以被加工的狀態(tài)，所以冷凍肉不僅能延長(zhǎng)保質(zhì)期，也在肉類(lèi)工業(yè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[3-4]。冷凍豬肉解凍的理想狀態(tài)是解凍后的豬肉應(yīng)該在顏色、質(zhì)地、氣味等方面與新鮮豬肉相同或接近[5]。目前，空氣自然解凍法[6]是應(yīng)用最普遍、最經(jīng)濟(jì)的解凍方式，但其解凍時(shí)間較長(zhǎng)，不能準(zhǔn)確控制解凍的溫濕度，難以保障解凍后肉品的品質(zhì)，尤其對(duì)于體積較大或數(shù)量較多的凍品，難以實(shí)現(xiàn)快速解凍。以水為熱交換介質(zhì)的水解凍法[7]，雖然能加快冷凍肉的解凍速率，減少干耗損失，但由于肉品與水直接接觸，對(duì)水質(zhì)要求較高，不具有經(jīng)濟(jì)性，加之流動(dòng)水不斷地沖刷會(huì)造成肉品表面營(yíng)養(yǎng)成分的流失，解凍后肉色灰白，品質(zhì)難以保證。依靠肉品內(nèi)部極性分子間的震動(dòng)和摩擦產(chǎn)生熱量從而實(shí)現(xiàn)解凍目的的微波解凍法[8]，不受解凍內(nèi)外溫差的影響，解凍可連續(xù)進(jìn)行，同時(shí)微波具有殺菌作用，能有效抑制微生物的繁殖，解凍過(guò)程更加衛(wèi)生，但微波解凍法對(duì)于凍品內(nèi)部不均勻的組織成分，難以實(shí)現(xiàn)均勻解凍，經(jīng)常出現(xiàn)部分區(qū)域溫度過(guò)熱而其他區(qū)域還未完全解凍的情況，不適用于大型解凍場(chǎng)所。隨著解凍技術(shù)的不斷進(jìn)步，低溫高濕解凍[9-11]逐漸被應(yīng)用于肉類(lèi)解凍行業(yè)，該解凍方式相較于單獨(dú)的低溫解凍，可有效縮短解凍時(shí)間，減少解凍后肉類(lèi)的汁液和營(yíng)養(yǎng)損失，同時(shí)抑制解凍中微生物的生長(zhǎng)；但該解凍方式較為溫和，對(duì)于體積較大的產(chǎn)品，需要耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。這些解凍方式在解凍中均會(huì)不同程度地對(duì)肉體組織和細(xì)胞產(chǎn)生損傷，影響解凍后肉品的品質(zhì)[12-13]。因此，需要一種好的解凍方式來(lái)保障解凍后豬肉的品質(zhì)。

真空解凍法[14]由于其解凍速率快且效果均勻、解凍中肉質(zhì)不易氧化變質(zhì)、解凍后肉質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)和水分損失少等優(yōu)點(diǎn)，在近年來(lái)成為肉類(lèi)解凍的研究熱點(diǎn)，其主要原理[15]是利用水在常溫低壓條件下氣化成水蒸氣，在低溫肉體表面水蒸氣凝結(jié)放熱而實(shí)現(xiàn)快速解凍的目的。李念文等[16]對(duì)金槍魚(yú)進(jìn)行了真空解凍研究，結(jié)果表明真空解凍在最大真空度10 kPa時(shí)為最優(yōu)解凍工藝，且能較好地保持解凍后魚(yú)肉的品質(zhì)，同時(shí)也滿足生食標(biāo)準(zhǔn)。張珂[17]對(duì)羅非魚(yú)片也進(jìn)行了真空解凍研究，結(jié)果表明真空度越大，解凍時(shí)間越短，且解凍后的品質(zhì)與新鮮魚(yú)片更為接近。Wang等[18]對(duì)豬長(zhǎng)肌進(jìn)行了真空解凍試驗(yàn)，得出該解凍方式可以更好的維持豬肉的持水力。張馨月等[19]通過(guò)對(duì)肉類(lèi)的新型解凍方式進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，真空解凍法解凍后的肉類(lèi)品質(zhì)優(yōu)于其他新型解凍法。現(xiàn)階段對(duì)豬肉真空解凍的研究較少，對(duì)于真空度低于1 kPa以及真空解凍的模擬仿真研究還未見(jiàn)報(bào)道，本文利用COMSOL Multiphysics仿真軟件對(duì)豬肉進(jìn)行100 Pa真空度條件下的模擬與試驗(yàn)研究，并以空氣自然解凍為對(duì)照，探究豬肉真空解凍的解凍機(jī)理和傳熱過(guò)程，同時(shí)分別對(duì)解凍后的樣品進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)，驗(yàn)證豬肉真空解凍的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于豬肉真空解凍領(lǐng)域的探索具有一定的參考意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

原料肉為6個(gè)月齡的雄性白豬的前腿肉，是未經(jīng)冷卻處理的熱鮮肉，質(zhì)量約20 kg，購(gòu)于天津市麥德龍超市；DCZKJD-10型真空解凍機(jī)，贛州市大昌冷氣設(shè)備工程有限公司；BS224S型電子秤，德國(guó)Sartorius公司；FA25型均質(zhì)機(jī)，美國(guó)FLUKO公司；pH計(jì)，意大利Hanna公司；超級(jí)恒溫水浴鍋，上海百典儀器設(shè)備有限公司；轉(zhuǎn)換型冷藏冷凍箱，合肥美的電冰柜有限公司；GP10數(shù)據(jù)采集儀，日本橫河公司；TA-XTC質(zhì)構(gòu)儀，英國(guó)Stable Micro systems公司。

真空解凍機(jī)，其整機(jī)大小為2 m×1.3 m×1.9 m（長(zhǎng)×寬×高），單次最大解凍質(zhì)量為10 kg，由5部分組成，分別是：解凍箱體、真空系統(tǒng)，加濕系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)，以及自動(dòng)控制系統(tǒng)。該設(shè)備可以通過(guò)觸控屏控制箱體內(nèi)的壓力、溫度、濕度，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄和回傳至觸控屏。設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.真空解凍箱 2.真空泵 3.制冷機(jī)組 4.加濕系統(tǒng) 5.觸控屏 6.PLC（可編程控制器） 7.真空閥 8.蒸發(fā)器 9.風(fēng)機(jī) 10.加熱器 11.電子秤

1.2 試驗(yàn)方法

從超市購(gòu)買(mǎi)的豬肉放入帶有冰袋的保溫箱內(nèi)，在30 min內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，取出原料肉放置于無(wú)菌操作臺(tái)內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)單的清理，去除表面的脂肪和筋膜組織，切成單個(gè)質(zhì)量約1 kg且形狀尺寸大致相等的立方體（12 cm× 12 cm×12 cm），將測(cè)溫?zé)犭娕疾迦肴馄分行?，編?hào)標(biāo)記后裝入自封袋中并置于-35 ℃的冰柜中進(jìn)行冷凍，當(dāng)肉品中心溫度達(dá)到-20 ℃時(shí)結(jié)束凍結(jié)，取出樣品放入解凍箱內(nèi)，將熱電偶與解凍箱溫度傳感器連接，設(shè)定解凍壓力100 Pa和解凍溫度15 ℃后進(jìn)行解凍試驗(yàn)，設(shè)定從樣品中心溫度為-18 ℃每間隔5 min自動(dòng)記錄樣品溫度至樣品中心溫度為4 ℃時(shí)停止記錄，以相同解凍溫度下的空氣解凍組（溫度15 ℃，相對(duì)濕度約50 %，風(fēng)速≤1 m/s）為對(duì)照，解凍完成后進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)。

解凍肉塊質(zhì)量和大小的選擇是考慮到真空解凍機(jī)的解凍能力和解凍箱體的尺寸（30 cm×30 cm×30 cm），前期的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果解凍質(zhì)量大于1 kg，解凍中箱體內(nèi)單位體積的水蒸氣較少，水蒸氣冷凝放出的熱量減少，解凍時(shí)間較長(zhǎng)；如果小于1 kg，解凍速率又較快，不具有代表性。另外，單次真空解凍試驗(yàn)?zāi)茉谝粋€(gè)白天內(nèi)完成最佳，不跨夜作業(yè)，而且肉塊質(zhì)量為1 kg在后續(xù)的計(jì)算中也較為方便。最后，本研究的目的是探究豬肉在真空條件下的解凍機(jī)理，解凍肉塊的大小只對(duì)解凍時(shí)間有影響，對(duì)解凍過(guò)程傳熱傳質(zhì)的基本理論沒(méi)有影響。對(duì)于解凍壓力和溫度的選擇，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，解凍壓力越低，解凍速率越快，100 Pa是真空解凍機(jī)能達(dá)到的最低且穩(wěn)定的解凍壓力；15 ℃是空氣自然解凍的穩(wěn)定溫度，為了統(tǒng)一變量，真空解凍溫度也采用15 ℃。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 解凍速率的測(cè)定

導(dǎo)出真空解凍機(jī)記錄的溫度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)整理后生成解凍速率曲線。

1.3.2 解凍損失率的測(cè)定

參考美國(guó)官方分析化學(xué)家協(xié)會(huì)（Association of Official Analytical Chemists，AOAC）[20]的方法，將解凍后的樣品取出后，用紙巾小心擦干表面水分，稱(chēng)量質(zhì)量，根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算

1.3.3 蒸煮損失率的測(cè)定

參考AOAC的方法，將解凍后的樣品取出裝入耐高溫的自封袋中，放入水浴鍋中蒸煮至中心溫度80 ℃并保持15 min后，從自封袋中拿出后擦干表面水分進(jìn)行稱(chēng)量。根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算

1.3.4 pH值的測(cè)定

參考譚明堂[21]的試驗(yàn)方法，稱(chēng)取10 g解凍后的樣品，加入100 mL超純水后用均質(zhì)機(jī)進(jìn)行均質(zhì)，用pH計(jì)測(cè)量。

1.3.5 豬肉質(zhì)地的測(cè)定

肉品的質(zhì)地可以通過(guò)測(cè)定肉塊的硬度、彈性、咀嚼性、膠著度和回復(fù)性等參數(shù)得知。在進(jìn)行測(cè)試前需要對(duì)樣品進(jìn)行重新切割處理才能得到更為準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。將解凍后的樣品用刀切成長(zhǎng)寬高均勻的立方體（1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm），并設(shè)置質(zhì)構(gòu)儀的檢測(cè)參數(shù)[22]：整個(gè)測(cè)試環(huán)境溫度為20 ℃，設(shè)置探頭測(cè)前、測(cè)中以及回程的速率分別為2.00、1.00和1.00 mm/s，樣品下壓時(shí)的最大極限為50 %，測(cè)試過(guò)程中使用P/50型探頭，負(fù)載力為0.05 N，期間進(jìn)行2次下壓，每次的時(shí)間間隔為5 s。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果以3次平行試驗(yàn)后的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用Origin8.0和AutoCAD2014進(jìn)行繪圖，采用COMSOL Multiphysics進(jìn)行建模和計(jì)算，使用SPSS18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 真空解凍的數(shù)值模擬

豬肉的模擬計(jì)算是包含肉塊的固體傳熱和水蒸氣冷凝的雙向耦合過(guò)程，由于在對(duì)建立的肉塊模型進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算中，只模擬1 h時(shí)間尺度上的溫度和濕度變化計(jì)算量非常巨大并且相當(dāng)耗時(shí)，所以為了在有限的條件下能夠順利求解和適當(dāng)展現(xiàn)真空解凍過(guò)程的機(jī)理，本文將傳熱模型以及流場(chǎng)的計(jì)算分開(kāi)進(jìn)行，水分輸送場(chǎng)只模擬二維穩(wěn)態(tài)過(guò)程。

2.1 傳熱模型的建立

2.1.1 幾何模型和假設(shè)條件

根據(jù)試驗(yàn)樣品的實(shí)際尺寸（12 cm×12 cm×12 cm）建立豬肉的三維幾何模型，如圖2所示，劃分了2 744個(gè)網(wǎng)格，平均每個(gè)網(wǎng)格邊長(zhǎng)8.47 mm，并做以下假設(shè)[23]：

1）豬肉為各向同性的均勻體，忽略脂肪紋理對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響；

2）豬肉內(nèi)部熱交換只有導(dǎo)熱，不包含熱對(duì)流和熱輻射；

3）在解凍過(guò)程中只包括熱交換，忽略與外界環(huán)境水分傳遞的影響；

4）解凍初始時(shí)，凍肉的水分分布均勻且一致；

5）解凍過(guò)程無(wú)化學(xué)反應(yīng)。

圖2 豬肉三維網(wǎng)格模型圖

2.1.2 模型的理論基礎(chǔ)

在COMSOL中使用固體傳熱模塊來(lái)模擬解凍過(guò)程，控制方程為

2.1.3 邊界條件和初始條件

解凍中肉塊是置于解凍箱內(nèi)部的平臺(tái)上，單位時(shí)間內(nèi)肉塊底部與平臺(tái)的導(dǎo)熱量相比于水蒸氣在肉塊其他表面凝結(jié)釋放的熱量非常?。ㄉ?個(gè)數(shù)量級(jí)），可忽略不計(jì)，肉塊底部視為絕熱；肉塊的解凍主要以吸收水蒸氣在其表面冷凝釋放的潛熱為主，視為第三類(lèi)邊界條件[24]

通過(guò)調(diào)整值來(lái)模擬水蒸氣凝結(jié)釋放的蒸發(fā)潛熱量，經(jīng)過(guò)與100 Pa真空條件下解凍試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比調(diào)整得出，當(dāng)值取200時(shí)，模擬結(jié)果溫升階段的變化曲線與試驗(yàn)結(jié)果最為吻合。當(dāng)解凍條件為1個(gè)大氣壓時(shí)，值取50，試驗(yàn)與模擬曲線最為吻合。

假設(shè)豬肉的內(nèi)部均勻，溫度一致，因此豬肉的初始條件方程為

2.1.4 物性參數(shù)的確定

為了更準(zhǔn)確地模擬出肉塊解凍過(guò)程中的溫度場(chǎng)和解凍曲線，通過(guò)實(shí)際的真空解凍溫度曲線可以發(fā)現(xiàn)，肉塊的溫升曲線有較長(zhǎng)一段的平緩區(qū)段，這一平緩區(qū)段的溫度區(qū)間大約在-2 ℃～2 ℃之間，所以模擬假設(shè)肉塊的相變區(qū)間為-2 ℃～2 ℃，相變階段肉塊的比熱容按如下公式計(jì)算

采用多段式的數(shù)學(xué)模型來(lái)反映肉塊的比熱容變化規(guī)律，在-18～-2 ℃和2～4 ℃溫度區(qū)間，豬肉的比熱容分別取冰和水的比熱容值。分段表示如下

由于豬肉的熱導(dǎo)率與溫度、材料屬性等因素相關(guān)，因而在試驗(yàn)過(guò)程中的熱導(dǎo)率也需要進(jìn)行分段表示，以水的冰點(diǎn)0 ℃為邊界，表達(dá)式如下

計(jì)算中其他定量參數(shù)選用COMSOL軟件中所選擇材料的默認(rèn)值，數(shù)值如表1所示。

表1 傳熱模型中的定量參數(shù)

2.2 濕空氣冷凝模型

2.2.1 幾何模型和假設(shè)條件

研究對(duì)象具有較好的對(duì)稱(chēng)性，計(jì)算取1/2部分進(jìn)行分析。模型尺寸以實(shí)際箱體的大小設(shè)計(jì)，如圖3所示，網(wǎng)格劃分了3 359個(gè)，平均網(wǎng)格邊長(zhǎng)為3.35 mm。假設(shè)條件如下：

1）將冷凝溫度場(chǎng)視為二維，即忽略第三方向上流體速度、濕度等變化；

2）解凍肉的溫度變化對(duì)解凍箱內(nèi)空氣流動(dòng)的影響很小，流動(dòng)可以被當(dāng)成穩(wěn)態(tài)；

3）濕空氣只通過(guò)熱傳導(dǎo)和水蒸氣凝結(jié)兩種方式與肉發(fā)生熱交換；

4）流入的空氣相對(duì)濕度為飽和狀態(tài)，濕空氣在過(guò)飽和時(shí)只在肉表面發(fā)生凝結(jié)。

圖3 解凍箱內(nèi)濕空氣的二維幾何模型及網(wǎng)格的劃分

2.2.2 層流模型

經(jīng)計(jì)算該流動(dòng)在常壓下的雷諾數(shù)< 500，而100 Pa壓力條件下空氣密度更小，所以該流場(chǎng)為層流流動(dòng)。在層流物理場(chǎng)中，濕空氣從真空箱體側(cè)面的入口以0.6 m/s的速度流入，在箱體頂端由真空泵抽出。由于模型具有較好的對(duì)稱(chēng)性，因此將幾何邊界定義為對(duì)稱(chēng)邊界條件，剩余邊界定義為絕緣。層流在二維空間下黏性可壓縮流體的Navier-Stokes方程

2.2.3 空氣中水分輸運(yùn)

在水分輸送物理場(chǎng)中，定義流動(dòng)入口處流入的是相對(duì)濕度為1的飽和濕空氣，空氣出口為流出邊界。通過(guò)求解濕空氣中水蒸氣的對(duì)流和擴(kuò)散過(guò)程來(lái)模擬水分傳輸。方程為

2.2.4 濕空氣中的傳熱

與層流、水分輸送物理場(chǎng)類(lèi)似，傳熱場(chǎng)也給定了對(duì)稱(chēng)邊界和流出的開(kāi)放邊界，濕空氣的初始溫度為15 ℃，則肉塊與濕空氣的傳熱方程為

2.2.5 冷凝過(guò)程多物理耦合

蒸發(fā)通量與空氣中的相對(duì)濕度有關(guān)。在“空氣中的水分輸送”物理場(chǎng)中，將肉表面對(duì)應(yīng)的邊界設(shè)置為“潮濕表面”，即可在該表面計(jì)算蒸發(fā)通量。蒸發(fā)通量的計(jì)算公式為

根據(jù)蒸發(fā)通量的定義，當(dāng)發(fā)生凝結(jié)時(shí)，表面的水分濃度應(yīng)當(dāng)大于濕空氣的飽和濃度，豬肉表面附近的濕空氣應(yīng)當(dāng)為過(guò)飽和，即豬肉通過(guò)熱傳導(dǎo)使空氣降溫，周?chē)諝獾臐穸冗_(dá)到過(guò)飽和，然后蒸汽中的水分凝結(jié)在豬肉表面，進(jìn)一步放出熱量。

模型中使用的其他定量參數(shù)以COMSOL軟件中材料的默認(rèn)值為準(zhǔn)，如表2所示。

表2 冷凝模型中的參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1.1 真空解凍過(guò)程豬肉中心截面的溫度分布

圖4反映了解凍過(guò)程中肉塊內(nèi)部的溫度分布。在解凍初期，由于肉塊表面與箱體內(nèi)的濕空氣存在較大溫差，大量水蒸氣在肉塊表面冷凝并放出熱量，肉塊表面溫度迅速上升，但肉塊內(nèi)部還未發(fā)生相變，內(nèi)部溫度依然較低；當(dāng)解凍時(shí)間處于2.5 h～7.5 h之間，肉塊云圖內(nèi)部低溫區(qū)域逐漸縮小，但變化速率較為緩慢，此階段肉塊由外向內(nèi)開(kāi)始發(fā)生相變，需要消耗大量熱量；當(dāng)解凍進(jìn)行到7.5 h時(shí)，相變區(qū)域只剩下中心的一小部分，到8.5 h時(shí)，解凍中的相變過(guò)程全部完成，此時(shí)肉塊中心溫度已升至2 ℃，隨著解凍的進(jìn)行，溫度繼續(xù)上升，當(dāng)時(shí)間到達(dá)9 h時(shí)，肉塊中心溫度到達(dá)4 ℃，此時(shí)解凍過(guò)程結(jié)束。

3.1.2 冷凝過(guò)程中濕空氣的速度場(chǎng)

圖5展示了解凍初始時(shí)刻濕空氣冷凝過(guò)程中的速度場(chǎng)分布，可以看出，濕空氣在豬肉的右上側(cè)角點(diǎn)處流速較快，而在右表面的中下側(cè)和上側(cè)表面流速較慢，且濕空氣流動(dòng)速度在流出前一直增大。因此，可以推斷箱體內(nèi)的水蒸氣并非是均勻的在肉塊表面冷凝，解凍過(guò)程中肉表面的傳熱速率是非均勻的。該結(jié)論與上文中傳熱場(chǎng)計(jì)算結(jié)果相符。

圖4 不同解凍時(shí)間的豬肉切面溫度云圖

注：左下方的缺口表示豬肉表面，外部長(zhǎng)方形代表解凍箱體。下同。

3.1.3 冷凝過(guò)程中濕空氣的溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)

通過(guò)軟件計(jì)算得到，肉塊初始溫度為-18 ℃時(shí)，通過(guò)肉塊表面的法向傳導(dǎo)熱通量為2.67 W，水蒸氣冷凝帶來(lái)的潛熱源為13.25 W，冷凝熱占總量的83.23 %；肉塊初始溫度為3 ℃時(shí)，通過(guò)肉塊表面的法向傳導(dǎo)熱通量為0.88 W，而水蒸氣冷凝帶來(lái)的潛熱源為6.64 W，冷凝熱占總量的88.30 %。所以，真空解凍的熱量主要來(lái)自水蒸氣的冷凝潛熱而非熱傳導(dǎo)。

圖6 解凍箱內(nèi)濕空氣冷凝過(guò)程的溫濕度云圖

模擬計(jì)算中，肉塊的真空解凍是將熱傳導(dǎo)與冷凝潛熱相加的過(guò)程，而空氣自然解凍被視為單純的熱傳導(dǎo)過(guò)程。根據(jù)計(jì)算的傳熱模型得到100 Pa真空解凍條件下肉塊表面的熱通量為7.97 W，而冷凝模型計(jì)算的總熱通量為7.52 W，兩者計(jì)算值存在誤差，原因可能是濕空氣冷凝模型計(jì)算的是二維穩(wěn)態(tài)過(guò)程，沒(méi)有考慮第三維度上氣流和溫度分布不均的影響，其次，現(xiàn)實(shí)中不會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)計(jì)算中相對(duì)濕度大于1的情況。

3.1.4 模擬與試驗(yàn)對(duì)比

圖7展示了冷凍豬肉在不同解凍條件下的模擬與試驗(yàn)的中心溫度變化曲線。在真空解凍初期，豬肉中心溫度從-18 ℃上升至約-2 ℃過(guò)程中，試驗(yàn)曲線和模擬曲線基本重合，均以較快的速率迅速上升；當(dāng)溫度升至約-2 ℃以后，兩者的溫升速率都明顯下降，此時(shí)模擬與試驗(yàn)曲線偏差明顯，但基本趨勢(shì)一致；當(dāng)中心溫度達(dá)到約2 ℃后，模擬曲線的溫升速率又明顯上升，而試驗(yàn)曲線的變化則較為平緩。分析原因可能是在解凍初始時(shí)刻，水蒸氣冷凝釋放的熱量以熱傳導(dǎo)的方式傳入肉塊內(nèi)部，冷凍豬肉僅存在溫度的上升而未發(fā)生相變，模擬計(jì)算較為準(zhǔn)確，所以模擬與試驗(yàn)曲線較為吻合；當(dāng)解凍進(jìn)入相變階段時(shí)，模擬計(jì)算采用的顯熱容法與實(shí)際解凍過(guò)程存在一定差異，且計(jì)算中假定的相變區(qū)間是從-2～2 ℃，而實(shí)際的相變區(qū)間可能更小，所以此段的模擬與試驗(yàn)曲線偏差較為明顯；在相變階段之后，由于模擬過(guò)程假設(shè)的肉塊表面吸收的熱量是均勻傳遞的，但實(shí)際解凍中可能由于肉塊內(nèi)部的組織差異，其表面吸收的熱量并非是均勻的，所以此段模擬與試驗(yàn)曲線也有所差異。最終，肉塊真空解凍的中心溫度從-18 ℃上升至4 ℃模擬與試驗(yàn)所需時(shí)間分別為8.90和8.83 h，兩者最大偏差為0.79 %，在可接受范圍內(nèi)。

肉塊中心溫度在空氣解凍初期的-18 ℃到約-2 ℃階段，兩條曲線溫升速率均較快，且上升趨勢(shì)相同；進(jìn)入相變階段后，模擬與試驗(yàn)曲線出現(xiàn)一定的偏差，與真空解凍下出現(xiàn)的原因大致相同；通過(guò)相變區(qū)后由于比熱容的改變模擬曲線又出現(xiàn)明顯上升，最終模擬和試驗(yàn)所需的解凍時(shí)間分別為27.30和28.40 h，最大偏差為4.03%，在可接受范圍內(nèi)。最后，根據(jù)模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以看出，肉塊的真空解凍模型能較好地反映出解凍中肉塊的溫度分布和變化趨勢(shì)，同時(shí)真空解凍法相較于空氣解凍法可以有效地提高冷凍豬肉的解凍速率。

圖7 冷凍豬肉在不同解凍條件下的中心溫度變化

3.2 解凍后豬肉的品質(zhì)檢測(cè)

3.2.1 不同解凍方式對(duì)豬肉持水性的影響

表3展示了不同解凍方式對(duì)豬肉持水性的影響，從中可以看出真空解凍后豬肉的解凍損失率和蒸煮損失率最小，分別為1.45 %和5.36 %，而對(duì)照組空氣解凍則分別為5.12 %和19.90 %，且差異顯著（<0.05）。這可能是由于真空解凍加快了解凍速率，減少了解凍中冰晶融化過(guò)程對(duì)細(xì)胞膜的破壞程度，降低了豬肉的干耗損失。說(shuō)明真空解凍后的豬肉具有較好的持水能力，汁液流失造成的質(zhì)量和營(yíng)養(yǎng)損失較少。

研究表明[25]，豬肉pH值會(huì)在存儲(chǔ)過(guò)程中由于各種酸性物質(zhì)不斷累積而下降，當(dāng)pH值接近等電點(diǎn)時(shí)（pH=5.5），蛋白質(zhì)間對(duì)水分子的吸引力下降，肌原纖維間距收縮，保水性下降。由表3可知，不同解凍條件對(duì)解凍后豬肉pH值的影響差異顯著（<0.05），真空解凍后肉品的pH值維持較好，為6.49（解凍前測(cè)得豬肉pH=6.50），而空氣解凍法處理后的樣品pH值較低，為5.96。說(shuō)明真空解凍能更好地維持解凍后豬肉的pH值。

表3 不同解凍方式對(duì)豬肉持水性的影響

注：數(shù)據(jù)表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，同一行不同字母表示差異顯著（<0.05）。下同。

Note: Each value is mean ± standard errors. Values in the same row with different letters are significantly different (<0.05). The same below.

3.2.2 不同解凍方式對(duì)豬肉質(zhì)地的影響

由表4可知，不同解凍方式對(duì)豬肉質(zhì)構(gòu)性的影響差異顯著（<0.05），真空解凍對(duì)于豬肉硬度、彈性等口感具有良好的保持作用。主要原因可能是真空解凍加快了解凍速率，縮短了解凍時(shí)間，使肉樣的口感、可食用性等指標(biāo)得以保障，而空氣解凍法由于耗時(shí)較長(zhǎng)，解凍后肉質(zhì)結(jié)構(gòu)較差。

表4 不同解凍方式對(duì)豬肉質(zhì)地的影響

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)建立的豬肉模型進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，真空解凍的解凍初期，肉體模型表面解凍速率較快，肉體由外向內(nèi)的解凍中有較長(zhǎng)時(shí)間的相變過(guò)程，當(dāng)解凍結(jié)束時(shí)肉體表面溫度已接近解凍箱內(nèi)的環(huán)境溫度；解凍結(jié)束后分別對(duì)豬肉的品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，得出以下結(jié)論。

1）真空解凍和空氣解凍模擬所得時(shí)間分別為8.90和27.30 h，而試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果分別為8.83和28.40 h，真空解凍速率明顯快于空氣解凍，而且兩者模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差分別為0.79 %和4.03 %，誤差均較小，也驗(yàn)證了所建模型的可靠性，為真空解凍的理論研究提供了參考。

2）豬肉真空解凍后的解凍損失率和蒸煮損失率分別為1.45 %和5.36 %，要明顯好于空氣解凍的5.12 %和19.90 %，且差異顯著（<0.05），真空解凍后的豬肉的pH值也保持較好（<0.05），解凍后豬肉的保水性明顯優(yōu)于空氣解凍組；真空解凍后豬肉的質(zhì)地等指標(biāo)均優(yōu)于空氣解凍組（<0.05），對(duì)解凍后豬肉的品質(zhì)的影響最小。

綜上所述，與空氣解凍相比，真空解凍不僅能加快解凍速率，而且能更好的保持解凍后豬肉的品質(zhì)。此外，由于在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)條件有限，缺乏一些測(cè)試儀器，無(wú)法對(duì)揮發(fā)性鹽基氮、硫代巴比妥酸反應(yīng)物、微觀結(jié)構(gòu)等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，在試驗(yàn)方案的制定上忽略了肉品顏色的記錄，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程還不完善，以后的研究將進(jìn)一步完善這一部分內(nèi)容。

[1] 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局：2019年豬肉產(chǎn)量4255萬(wàn)噸下降21. 3%[J]. 中國(guó)食品，2020(Z1)：79. National Bureau of Statistics: Pork production in 2019 was 42. 55 million tons, down 21. 3%[J]. China Food, 2020(Z1): 79. (in Chinese with English abstract)

[2] 朱增勇，馬瑩. 2019年豬肉形勢(shì)分析及2020年展望[J]. 今日養(yǎng)豬業(yè)，2020(1)：27-31. Zhu Zengyong, Ma Ying. Analysis of pork situation in 2019 and outlook for 2020[J]. Pigs Today, 2020(1): 27-31. (in Chinese with English abstract)

[3] Taher B J, Farid M M. Cyclic microwave thawing of frozen meat: Experimental and theoretical investigation[J]. Chemical Engineering and Processing, 2001, 40(4): 379-389.

[4] 程雅婷，揭曉蝶，田旭，等. 不同包裝材料對(duì)冷凍豬肉品質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)成分的影響[J]. 肉類(lèi)工業(yè)，2018(9)：40-44. Cheng Yating, Jie Xiaodie, Tian Xu, et al. Effect of different packaging materials on the quality and nutritional composition of frozen pork[J]. Meat Industry, 2018(9): 40-44. (in Chinese with English abstract)

[5] 施雪，夏繼華，盧進(jìn)峰，等. 凍結(jié)、解凍過(guò)程對(duì)肌肉品質(zhì)的影響[J]. 食品工業(yè)，2012，33(7)：21-24. Shi Xue, Xia Jihua, Lu Jinfeng, et al. Effects of repeated freezing-thawing methods on quality of muscle[J]. The Food Industry, 2012, 33(7): 21-24. (in Chinese with English abstract)

[6] 何向麗，盧東嵐. 空氣解凍溫度對(duì)豬里脊肉品質(zhì)的影響[J]. 肉類(lèi)研究，2020，34(2)：92-98. He Xiangli, Lu Donglan. Effect of air-thawing temperature on quality of pork tenderloin meat[J]. Meat Research, 2020, 34(2): 92-98. (in Chinese with English abstract)

[7] 鄭旭，曾露，柏先澤，等. 不同解凍處理對(duì)豬肉理化特性及微生物數(shù)量的影響[J]. 肉類(lèi)研究，2018，32(4)：14-19. Zheng Xu, Zeng Lu, Bai Xianze, et al. Effects of different thawing methods on pork physicochemical properties and microbial counts[J]. Meat Research, 2018, 32(4): 14-19. (in Chinese with English abstract)

[8] 刁小琴，關(guān)文婷，張瑛，等. 冷凍及解凍處理對(duì)肌原纖維蛋白理化性質(zhì)的影響[J]. 中國(guó)釀造，2019，38(12)：153-157. Diao Xiaoqin, Guan Wenting, Zhang Ying, et al. Effects of freezing and thawing on physicochemical properties of myofibrillar protein[J]. China Brewing, 2019, 38(12): 153-157. (in Chinese with English abstract)

[9] 彭澤宇，朱明明，張海曼，等. 低溫高濕解凍改善豬肉品質(zhì)特性[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)，2019，45(8)：79-85. Peng Zeyu, Zhu Mingming, Zhang Haiman, et al. Improved quality characteristics of pork thawed at low-temperature and high-humidity[J]. Food and Fermentation Industries, 2019, 45(8): 79-85. (in Chinese with English abstract)

[10] 崔燕，朱麟，尚海濤，等. 低溫高濕解凍對(duì)南美白對(duì)蝦保水性及肌原纖維蛋白生化特性的影響[J]. 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2020，38(2)：81-89. Cui Yan, Zhu Lin, Shang Haitao, et al. Effects of low temperature combined with high-humidity thawing on water holding capacity and biochemical properties of myofibrillar protein of Penaeus vannamei[J]. Journal of Food Science and Technology, 2020, 38(2): 81-89. (in Chinese with English abstract)

[11] 張昕，高天，宋蕾，等. 低溫解凍相對(duì)濕度對(duì)雞胸肉品質(zhì)的影響[J]. 食品科學(xué)，2016，37(20)：241-246. Zhang Xin, Gao Tian, Song Lei, et al. Effects of low temperature thawing under different humidity conditions on the quality characteristics of chicken breast[J]. Food Science, 2016, 37(20): 241-246. (in Chinese with English abstract)

[12] 崔瑾，農(nóng)紹莊，谷小慧，等. 凍藏黃花魚(yú)微波解凍條件的研究[J]. 食品科技，2012，37(3)：69-72. Cui Jin, Nong Shaozhuang, Gu Xiaohui, et al. The conditions of microwave thawing yellow croaker[J]. Food Science and Technology, 2012, 37(3): 69-72. (in Chinese with English abstract)

[13] He X L R, Tatsumi E, Nirasawa S. Factors affecting the thawing characteristics and energy consumption of frozen pork tenderloin meat using high-voltage electrostatic ?eld[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2014, 22: 110–115.

[14] 李念文，謝晶，周然，等. 不同真空蒸汽解凍條件對(duì)金槍魚(yú)感官的影響[J]. 制冷學(xué)報(bào)，2014，35(5)：76-82. Li Nianwen, Xie Jing, Zhou Ran, et al. Effects of vacuum-steam thawing on the sense of tuna[J]. Journal of Refrigeration, 2014, 35(5): 76-82. (in Chinese with English abstract)

[15] 張珂，關(guān)志強(qiáng)，李敏，等. 真空解凍工藝對(duì)羅非魚(yú)片品質(zhì)的影響[J]. 食品工業(yè)科技，2016，37(8)：281-285. Zhang Ke, Guan Zhiqiang, Li Min, et al. Effect of vacuum-steam thawing on the quality of tilapia fillets[J]. Science and Technology of Food Industry, 2016, 37(8): 281-285. (in Chinese with English abstract)

[16] 李念文，謝晶，周然，等. 真空解凍工藝對(duì)金槍魚(yú)品質(zhì)的影響[J]. 食品工業(yè)科技，2013，34(23)：84-87，92. Li Nianwen, Xie Jing, Zhou Ran, et al. Effect of vacuum-steam thawing on the quality of tuna[J]. Science and Technology of Food Industry, 2013, 34(23): 84-87, 92. (in Chinese with English abstract)

[17] 張珂. 保水劑和解凍方法對(duì)凍藏羅非魚(yú)片品質(zhì)的影響[D]. 湛江：廣東海洋大學(xué)，2016. Zhang Ke. Effects of Water Retention Agents and Thawing Methods on the Quality of Frozen Tilapia Fillets[D]. Zhanjiang: Guangdong Ocean University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[18] Wang B, Du X, Kong B H, et al. Effect of ultrasound thawing vacuum thawing, and microwave thawing on gelling properties of protein from porcine long issimus dorsi[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2020, 64(11): 352-357.

[19] 張馨月，鄧紹林，胡洋健，等. 幾種新型解凍技術(shù)對(duì)肉品質(zhì)影響的研究進(jìn)展[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)，2020，46(12)：293-298. Zhang Xinyue, Deng Shaolin, Hu Yangjian, et al. Review on effects of selected novel thawing technologies on the quality of meat[J]. Food and Fermentation Industries, 2020, 46(12): 293-298. (in Chinese with English abstract)

[20] Willian H, George W. Official methods of analysis of AOAC international[M]18th ed. Washington DC: Association of the Official Analytical Chemists, 2005: 20-21.

[21] 譚明堂，謝晶，王金鋒. 不同凍結(jié)方式對(duì)魷魚(yú)品質(zhì)的影響[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)，2019，45(11)：136-142. Tan Mingtang, Xie Jing, Wang Jinfeng. Influences of different freezing methods on the quality of squids[J]. Food and Fermentation Industries, 2019, 45(11): 136-142. (in Chinese with English abstract)

[22] 張秋會(huì)，李苗云，黃現(xiàn)青，等. 肉制品的質(zhì)構(gòu)特性及其評(píng)價(jià)[J]. 食品與機(jī)械，2012，28(3)：36-39，121. Zhang Qiuhui, Li Miaoyun, Huang Xianqing, et al. Texture characteristics and evaluation of meat products[J]. Food & machinery, 2012, 28(3): 36-39, 121. (in Chinese with English abstract)

[23] 郭潔玉. 冷凍豬肉的射頻解凍工藝[D]. 無(wú)錫：江南大學(xué)，2015. Guo Jieyu. Radio Frequency Thawing Process of Frozen Pork[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[24] 逄海英. 不同溫度下雞肉中沙門(mén)氏菌的生長(zhǎng)與次氯酸鈉殺菌的微生物預(yù)測(cè)模型[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2018. Pang Haiying. Predictive Models for the Growth and Sodium Hypochlorite Inactivation of Salmonella in Chicken Fillets with Different Temperatures[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[25] 郭志敬. 不同凍結(jié)、解凍方式對(duì)肉羊內(nèi)臟品質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)的影響[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2019. Guo Zhijing. Effects of Different Freezing and Thawing Methods on Quality and Microstructure of Mutton Sheep Viscera[J]. Hohhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2019. (in Chinese with English abstract)

Simulation and experiment of thawing process of pork under vacuum condition

Li Heqiang, Zou Tonghua※, Song Ruiqi, Zhang Kunsheng

(,,300134,)

This study aims to explore the temperature distribution and thawing rate of frozen pork under vacuum conditions (vacuum degree of 100 Pa) during the thawing process, as well as the effect of vacuum thawing on pork quality. A total 20 kg of foreleg meat was collected from the same male white pig (about 6 months old) that had not yet been cooled were purchased from a local Metro supermarket. The purchased pork was first placed in an incubator with ice bags and transported back to the laboratory within 30 minutes, and then taken out and placed on a sterile operating table for simple cleaning to remove the surface fat and fascia tissue, and finally cut into pieces, each piece weighing about 1 kg with roughly the same shape and size (12 cm×12 cm×12 cm). The thermocouples were inserted into the center of meat blocks to measure temperature, and marked the sample number, then the meat blocks that put in zip-lock bags were placed in a -35 ℃ freezer for freezing. The freezing was stopped when the thermocouples measured the core temperature of meat blocks to reach -20 ℃, and then the samples were taken out for vacuum thawing and air thawing experiments. In the vacuum thawing experiment, it was performed after connecting the thermocouples of samples to the temperature sensors of the thawing box and setting the thawing pressure of 100 Pa, the thawing temperature of 15 ℃. In the air thawing, the same thawing temperature was set for the experiment. Both thawing process was set to start when the temperature of sample center was -18 ℃, and then automatically recorded the sample temperature per 5 minutes until the sample center temperature was 4 ℃ to terminate the experiment and stop recording. After the thawing was completed, some properties of pork were tested, including the water retention (thaw loss rate, cooking loss rate and pH value) and texture properties (hardness, elasticity, chewiness, adhesiveness, and resilience). The vacuum thawing was a complex physical process, including solid heat transfer and water vapor condensation. In the simulation, the solid heat transfer with meat as the research object and the condensation process with moist air as the research object were separately calculated. The heat transfer model was established according to the actual size of the frozen pork sample. The water vapor condensation model used a two-dimensional steady-state model to calculate the physical field. The thawing process in air thawing method was simplified to a pure heat transfer process. The finite element analysis software COMSOL Multiphysics was used to simulate the vacuum thawing process and the air thawing process, respectively, and the numerical simulation results were verified by the experimental results. The results showed that the numerical simulation time for vacuum thawing and air thawing were 8.90 and 27.30 h, respectively, whereas, the physical experimental results were 8.83 and 28.40 h, respectively. The errors between the simulation and experimental data were 0.79% and 4.03%, respectively, indicating in the acceptable range of errors. After testing the quality of thawed pork, it was found that the thawing loss rate and the cooking loss rate in the vacuum thawed pork were 1.45% and 5.36%, respectively, whereas, that in the air thawing in the control group were 5.12% and 19.90%, respectively, indicating the impact was remarkable (<0.05). After vacuum thawing, the pH value of vacuum thawed pork maintained the best, about 6.49 (pH measured before thawing is 6.50), indicating significantly better than 5.96 of the air thawing group (<0.05). The texture of vacuum thawed pork was also better than that of air thawing group (<0.05). Compared to natural air thawing, the vacuum thawing has a faster thawing rate, while better maintain the quality of meat after thawing. The established vacuum thawing model has better reliability to represent the heat transfer and thawing process in the vacuum thawing. The finding can provide a sound reference for the in-depth research in the field of vacuum thawing.s of vacuum thawing, which provides a certain reference for in-depth research in the field of vacuum thawing.

numerical simulation; pressure; heat transfer; vacuum thawing; thawing rate; pork; quality

李賀強(qiáng)，鄒同華，宋睿琪，等. 真空條件下豬肉解凍過(guò)程的模擬與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(20)：311-319.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.036 http://www.tcsae.org

Li Heqiang, Zou Tonghua, Song Ruiqi, et al. Simulation and experiment of thawing process of pork under vacuum condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 311-319. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.036 http://www.tcsae.org

2020-06-24

2020-10-10

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)（2016YFD0401503-02）

李賀強(qiáng)，主要研究方向?yàn)槭称防滏溂夹g(shù)。Email：1242059661@qq.com

鄒同華，教授，主要研究方向?yàn)槭称防滏溂夹g(shù)。Email：zthua@tjcu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.036

TS251.5+1

A

1002-6819(2020)-20-0311-09