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兩種流態(tài)干冰系統(tǒng)對魚凍結(jié)速度的影響

2021-09-14 11:59位興華趙日晶崔自成
現(xiàn)代食品 2021年13期
關(guān)鍵詞:干冰流態(tài)冰晶

◎ 位興華,趙日晶,黃 東,崔自成

(西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,陜西 西安 710049)

隨著人們生活品質(zhì)的提高,我國速凍食品的需求量已達到千萬噸以上[1]。食品速凍指通過冷凍技術(shù)將食品溫度從常溫降低到其凍結(jié)溫度以下,使食物細胞內(nèi)的水分全部或大部分變成微小冰晶,減少微生物生存和生化過程必需的液態(tài)水,保留食品原有的品質(zhì)。食品速凍需要達到以下條件。①將食品置于 -40~30 ℃中,使得食品中心溫度降低至-18 ℃以下。②凍結(jié)過程中形成的冰晶應(yīng)細小,粒徑不超過100 μm。③食品快速通過最大冰晶生成帶(-1~-5 ℃),減少冰晶的大小及數(shù)量,保持食品的品質(zhì)。④食品通過最大冰晶生成帶的時間不超過30 min。⑤食品凍結(jié)后的運輸及儲藏環(huán)節(jié)應(yīng)低于-18 ℃[2]。

按照速凍食品的性質(zhì)分類,主要包括水產(chǎn)類、水果蔬菜類、畜禽類及調(diào)制類4種類型[3]。食品在凍結(jié)過程中,其化學(xué)和物理性質(zhì)可能發(fā)生很大的變化[4],主要問題是食品的脫水,這是由于水被分離成分散的冰晶造成的[5]。大多數(shù)食品材料在冷凍過程中沒有溶質(zhì)結(jié)晶。在冷凍過程中,溶質(zhì)與一定量的未凍結(jié)的水作為增塑劑發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變[6-7]。對于食品而言,以玻璃化的狀態(tài)進行儲藏,可以在更大程度上保持其原有品質(zhì),延緩食品變質(zhì)的速度[8]。實現(xiàn)食品的玻璃態(tài)需要極高的冷凍速率,因此完全的玻璃化轉(zhuǎn)變難以實現(xiàn),而部分玻璃化是實際生產(chǎn)中的一種可行方式。

現(xiàn)有的速凍方式主要是風(fēng)冷,通過氟利昂制冷系統(tǒng)產(chǎn)生-30 ℃左右的冷風(fēng),并經(jīng)過蒸發(fā)器風(fēng)機將冷風(fēng)送入冷凍裝置,實現(xiàn)對食品的冷凍[9]??諝庾鳛槔鋬鼋橘|(zhì),具有成本低,無任何毒副作用的優(yōu)點。但由于空氣的導(dǎo)熱性能差,需要的冷凍時間長,效率低。液氮憑借其溫度低,冷凍速度快的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于蔬菜、水產(chǎn)品、冰淇淋的冷凍[10]。LUCAS等[11]的研究表明將食品沉浸在液氮中,凍結(jié)速度快,生成的冰晶較小,但易導(dǎo)致食品凍裂。液氨、液態(tài)CO2噴淋速凍裝置可用于蝦等附加值高的水產(chǎn)品及塊狀禽類產(chǎn)品[12]。

干冰具有釋冷量大、安全無毒、成本低廉的優(yōu)點,可作為食品冷凍的高性價比冷源。干冰經(jīng)粉碎后,通過氣體輸送對魚進行速凍。液態(tài)CO2的儲存壓力為2.3 Mpa,溫度為-14.86 ℃,釋放到大氣中后轉(zhuǎn)變成氣固兩相混合物,溫度約為-75 ℃,具有較高的冷量。本文研究了兩種流態(tài)干冰系統(tǒng)對魚凍結(jié)速率的影響,對兩種流態(tài)干冰系統(tǒng)的性能進行了對比研究。包括高壓空氣裹挾干冰粉末系統(tǒng)及液態(tài)CO2直接噴淋系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)都是氣體輸運干冰粉末,區(qū)別在于前者是高壓空氣與干冰粉末混合而成的流態(tài)干冰,后者為氣固CO2混合而成的流態(tài)干冰。

1 系統(tǒng)及設(shè)備

1.1 高壓空氣裹挾干冰粉末系統(tǒng)

高壓空氣裹挾干冰粉末系統(tǒng)包括兩部分,即空壓機及干燥冷卻設(shè)備,干冰顆粒機及干冰粉碎機,見圖1??諝饨?jīng)壓縮后溫度升高,如果直接和干冰粉末混合會消耗部分冷量。因此,通過空氣冷凍干燥機對高溫的壓縮空氣進行冷卻降溫并初步干燥。為除去空氣中的水分及壓縮過程帶出的潤滑油,防止食品被污染,通過吸附式干燥機對空氣進行徹底干燥并去除雜質(zhì)。液態(tài)CO2釋放到常壓下會變成氣固兩相,在干冰顆粒機中壓縮成固體顆粒,再通入干冰粉碎機研磨成粉末。最終,高壓空氣與干冰粉末混合之后經(jīng)過噴頭噴淋到魚體表面。該系統(tǒng)需要干冰顆粒機對氣固兩相CO2進行壓縮,在此過程中氣相CO2會逸出,造成CO2冷量的浪費,利用率降低。同時該系統(tǒng)的設(shè)備多,投資高。

圖1 高壓空氣裹挾干冰粉末系統(tǒng)示意圖

1.2 液態(tài)CO2直接噴淋系統(tǒng)

杜瓦瓶中的CO2為氣液飽和狀態(tài),壓力為 2.3 MPa,壓力降低后部分液態(tài)CO2氣化并帶走大量的熱量,使得其余部分的液體溫度降低。2.3 MPa壓力下的液態(tài)CO2氣化潛熱為270.61 kJ·kg-1。壓力降低到大氣壓時,液態(tài)CO2會變成氣固兩相混合物。其中,固態(tài)干冰的升華潛熱為573 kJ·kg-1。液態(tài)CO2直接噴淋,可以同時利用氣相和固相CO2的冷量。經(jīng)研究表明,氣固兩相CO2混合物的溫度為-75 ℃。通過閥門控制CO2噴淋的流量及流速。噴頭通過20 mm外螺紋與管路連接,其橢圓形孔的等效直徑為4.4 mm。液態(tài)CO2直接噴淋系統(tǒng)見圖2。

圖2 液態(tài)CO2直接噴淋系統(tǒng)示意圖

1.3 傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

通過OMEGA高精度T型熱電偶測量魚體溫度,該熱電偶測溫范圍為-267~-260 ℃,測量誤差約為0.75%~1.5%,輸出信號為0~5 V電壓。選擇材料為鯽魚,去除鱗片及內(nèi)臟,并清洗干凈。為監(jiān)測魚體不同位置的溫度,分別在魚上表面、魚體內(nèi)、魚下表面布置T型熱電偶,如圖3所示。熱電偶插入魚的皮下組織,用塑料綁帶固定。魚上表面可與流態(tài)干冰直接接觸,降溫速度較快。魚體內(nèi)及魚下表面需通過魚肉的導(dǎo)熱實現(xiàn)降溫,降溫速度較慢。采用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀來監(jiān)測溫度,型號為34970A,掃描時間間隔為1 s,通過配套的數(shù)據(jù)采集軟件對溫度進行實時檢測,并且儲存及導(dǎo)出數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集儀見圖4。

圖3 魚體檢測的T型熱電偶圖

圖4 傳感器布置及數(shù)據(jù)采集儀圖

2 高壓空氣裹挾干冰粉末與液態(tài)CO2直接噴淋對比

通過兩種流態(tài)干冰噴淋系統(tǒng)對魚進行冷凍,測得魚體不同位置溫度,并截取魚體溫度從-1 ℃降低到 -5 ℃的數(shù)據(jù)。通過高壓空氣裹挾干冰粉末進行噴淋,魚體凍結(jié)速度如圖5所示,魚的上表面從-1 ℃下降至 -5 ℃需69 s。表明魚的上表面可迅速通過最大冰晶生成帶。但此時,魚體內(nèi)溫度及下表面溫度未達到冰晶帶的下限溫度,表明魚上表面溫度繼續(xù)降低,魚體內(nèi)及下表面才能通過最大冰晶生成帶。隨著流態(tài)干冰的繼續(xù)噴淋,魚體內(nèi)的溫度逐漸達到-1 ℃,通過最大冰晶生成帶的時間約為4 min。此時魚上表面溫度已下降至-43 ℃,但魚的下表面未達到-1 ℃,表明流態(tài)干冰中的干冰粉末含量有待進一步提高,從而實現(xiàn)魚表面及體內(nèi)的溫度通過最大冰晶生成帶。通過液態(tài)CO2直接噴淋,魚體凍結(jié)速度如圖6所示。魚上表面從 -1 ℃下降至-5 ℃僅需4 s,凍結(jié)速率達到1 ℃·s-1,凍結(jié)速度大幅提高。魚體內(nèi)從-1 ℃下降至-5 ℃需105 s,通過最大冰晶生成帶的時間縮短了56.3%。魚下表面僅達到-1 ℃,未能通過最大冰晶生成帶。

圖5 魚的凍結(jié)速度圖(高壓空氣裹挾干冰粉末)

圖6 魚的凍結(jié)速度圖(液態(tài)CO2直接噴淋)

對比兩種流態(tài)干冰系統(tǒng)可得,液態(tài)CO2直接噴淋可加快魚的凍結(jié)速度,使得魚體以更快的速度通過最大冰晶生成帶,減少冰晶的生成,更好的保持魚的品質(zhì)。同時,液態(tài)CO2直接噴淋可使魚體內(nèi)通過最大冰晶生成帶,高壓空氣裹挾干冰粉末系統(tǒng)未能實現(xiàn)這一目標。對于兩種流態(tài)干冰系統(tǒng),魚的下表面始終未能接觸到流態(tài)干冰,溫度下降緩慢,未能通過最大冰晶生成帶??赏ㄟ^翻轉(zhuǎn)裝置將魚翻面,實現(xiàn)魚的上下表面均可與流態(tài)干冰直接接觸,從而加快凍結(jié)速度。

3 結(jié)論

本文使用了兩種流態(tài)干冰系統(tǒng),通過對比分析兩種系統(tǒng)對魚冷凍速度的影響,得出以下主要結(jié)論。

(1)高壓空氣裹挾干冰粉末進行噴淋,魚體上表面及魚體內(nèi)通過最大冰晶生成帶(-1=~-5 ℃)分別需要69 s及4 min。凍結(jié)速度較慢,且魚體下表面未能通過最大冰晶生成帶。

(2)液態(tài)CO2直接噴淋,魚體上表面及魚體內(nèi)通過最大冰晶生成帶(-1~-5 ℃)分別需要4 s及105 s。魚上表面冷凍速度達到1 ℃·s-1,魚體內(nèi)通過最大冰晶生成帶的時間縮短了56.3%。表明液態(tài)CO2直接噴淋可大幅提高魚的凍結(jié)速度。

(3)高壓空氣裹挾干冰粉末系統(tǒng)中,干冰顆粒的生成過程會有部分氣態(tài)CO2逸出,耗費一部分冷量,液態(tài)CO2利用率低。液態(tài)CO2直接噴淋系統(tǒng)中,釋壓產(chǎn)生的氣固兩相CO2可用于冷凍魚,冷量得以充分利用,液態(tài)CO2利用率高。

(4)兩種流態(tài)干冰系統(tǒng)中,魚體下表明溫度均未達到-5 ℃,未能通過最大冰晶生成帶。原因是魚體下表面不能直接接觸流態(tài)干冰,只能通過魚體自身的導(dǎo)熱實現(xiàn)降溫??赏ㄟ^翻轉(zhuǎn)裝置,實現(xiàn)魚的上下表明交替直接接觸流態(tài)干冰,提升凍結(jié)速率,達到凍結(jié)效果。

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