楊信廷 李佳鋮 韓佳偉 朱文穎

(1.上海海洋大學(xué)信息學(xué)院， 上海 201306； 2.北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心， 北京 100097；3.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯技術(shù)及應(yīng)用國家工程研究中心， 北京 100097；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100097)

0 引言

速凍技術(shù)可顯著降低食品凍結(jié)過程最大冰晶生成帶的時(shí)間[1-2]，降低殘留水對細(xì)胞組織內(nèi)部的危害與損傷，進(jìn)而有效抑制由凍結(jié)引起的食品品質(zhì)損耗[3-4]。因此，速凍技術(shù)已成為行業(yè)內(nèi)主要采用的食品凍結(jié)方法，對有效提升食品凍結(jié)速率與效率具有重要意義。然而，冷凍食品行業(yè)存在多種速凍方式，其對食品速凍速率、均勻性以及解凍后食品品質(zhì)損耗等方面的影響具有顯著差異。速凍過程食品溫度分布規(guī)律與解凍后品質(zhì)變化成為當(dāng)今相關(guān)學(xué)者研究的主要焦點(diǎn)問題之一，對行業(yè)內(nèi)最佳速凍方式選取與促進(jìn)高均質(zhì)冷凍食品的發(fā)展等具有重要價(jià)值[5-9]。

速凍方式主要包括冷風(fēng)式速凍和浸漬式速凍，食品溫降過程主要受冷介質(zhì)與食品之間熱量交換強(qiáng)度的影響，單純依靠傳感器點(diǎn)位監(jiān)測很難準(zhǔn)確表明速凍過程食品溫度時(shí)空分布規(guī)律與溫降速率。加之傳感器自身誤差與人為讀寫誤差影響，很難精準(zhǔn)評估速凍方式對食品凍結(jié)效率的影響，難以滿足最佳速凍方式選取與效率提升的需求。近年來，計(jì)算流體力學(xué)(Computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值模擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用于食品冷鏈低溫環(huán)境穩(wěn)定性與均勻性優(yōu)化、食品預(yù)冷與速凍效率評估等方面，既可宏觀獲取低溫環(huán)境食品溫度時(shí)空變化規(guī)律，又可微觀反映冷介質(zhì)與食品之間對流換熱強(qiáng)度與均勻性，為提升低溫環(huán)境食品工業(yè)加工效率、維持食品品質(zhì)安全與延長貨架期等提供了重要理論基礎(chǔ)與應(yīng)用借鑒。但相關(guān)研究[10-15]為降低模型構(gòu)建復(fù)雜度、增強(qiáng)傳熱傳質(zhì)模擬可操作性，將食品形狀簡化為規(guī)則結(jié)構(gòu)體(如圓柱形、球形、矩形)，不易精準(zhǔn)表明食品表面對流換熱強(qiáng)度與食品內(nèi)部溫度時(shí)空變化規(guī)律，同時(shí)也是加大模擬誤差的主要影響因素。因此，食品外形高真實(shí)物理模型構(gòu)建對精準(zhǔn)探究食品凍結(jié)過程的傳熱傳質(zhì)具有重要意義。

本文以羅非魚為例，首先，采用3D掃描逆向工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)魚體高真實(shí)三維物理建模，同時(shí)基于工業(yè)速凍場景展開不同速凍方式實(shí)驗(yàn)研究。其次，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬對比分析不同速凍方式下羅非魚溫度時(shí)空分布規(guī)律，探明不同速凍方式對羅非魚凍結(jié)速率、均勻性以及水分流失的影響機(jī)制。最后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測量驗(yàn)證CFD模型準(zhǔn)確性并提出相關(guān)速凍優(yōu)化方案，以期為魚類最佳速凍方式選取與速凍效率提升等提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 羅非魚原材料

羅非魚取自北京市房山區(qū)琉璃河鎮(zhèn)某漁場，現(xiàn)場捕撈活魚，單魚體質(zhì)量約為1.5 kg，以3條為單位放置于含水與增氧顆粒的儲物箱中，儲物箱尺寸(長×寬×高)為0.55 m×0.4 m×0.3 m，裝箱后立即運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室。運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后，將魚放置魚缸中靜養(yǎng)48 h后開始不同速凍方式下羅非魚凍結(jié)實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本研究主要針對冷風(fēng)式與兩種浸漬式速凍方式展開相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，其中浸漬式速凍方式所采用的流體介質(zhì)主要包括氯化鈉、氯化鈣溶液且質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為23.1%。依據(jù)國際制冷協(xié)會(huì)規(guī)定，本文以羅非魚肉中心溫度從初始值降至-15℃時(shí)所需要的時(shí)間作為凍結(jié)終止時(shí)間[16]。為盡量降低不確定性因素對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，每組速凍實(shí)驗(yàn)重復(fù)操作3次，不同速凍方式具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

冷風(fēng)式速凍：鮮活羅非魚擊暈后，去鱗、剖肚去內(nèi)臟和腮，用無菌蒸餾水洗凈，吸水紙吸干表面水分。將制作好的羅非魚按編號于不銹鋼架中平攤放置，魚肉中心處插入溫度傳感器后放入-20℃和送風(fēng)口風(fēng)速9 m/s的恒溫恒濕箱中(圖1)，每3 min溫度傳感器采集一次數(shù)據(jù)并傳回計(jì)算機(jī)，待魚肉中心溫度到-15℃后，取出稱量。

圖1 恒溫恒濕箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Constant temperature and humidity box1.恒溫恒濕箱 2.電源控制器 3.風(fēng)速傳感器 4.制冷機(jī)組 5.加濕系統(tǒng) 6.風(fēng)機(jī) 7.加熱器 8.控制觸控板 9.不銹鋼架 10.溫度傳感器 11.出風(fēng)口

氯化鈉浸漬速凍：鮮活羅非魚擊暈后，去鱗、剖肚去內(nèi)臟和腮，用無菌蒸餾水洗凈，吸水紙吸干表面水分。將羅非魚按編號放入保溫箱中并固定，然后注入溫度為-20℃的氯化鈉冷凍液直至羅非魚全部浸沒于冷凍液中，魚肉中心處插入溫度傳感器后放入恒溫恒濕箱內(nèi)，每3 min溫度傳感器采集一次數(shù)據(jù)并傳回計(jì)算機(jī)，待魚肉中心溫度達(dá)到-15℃后，取出稱量。

圖2 速凍模型Fig.2 Quick-freezing model

氯化鈣浸漬速凍：將氯化鈉冷凍液換成氯化鈣冷凍液，其余步驟同上氯化鈉浸漬速凍。

解凍損失率是評價(jià)解凍過程中魚肉失水程度的指標(biāo)，它直接影響魚肉的品質(zhì)和組織狀態(tài)。解凍損失越小，肉的品質(zhì)越好。若解凍的汁液不能及時(shí)地被細(xì)胞吸收，汁液大量流失將嚴(yán)重影響其品質(zhì)特性。測量魚肉樣品在解凍前質(zhì)量w0，然后在4℃冰箱中解凍，直到魚的幾何中心溫度達(dá)到4℃。然后用濾紙瀝干魚并立即稱其質(zhì)量w1。為盡量降低不確定性因素對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，解凍損失實(shí)驗(yàn)與速凍實(shí)驗(yàn)同樣重復(fù)操作3次。解凍損失率計(jì)算公式為[17]

(1)

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

HANDYSCAN BLACK型掃描儀，加拿大形創(chuàng)有限公司，精度0.002 5 mm，測量分辨率0.025 mm，網(wǎng)格分辨率0.100 mm。MX100型溫度傳感器，日本Yokogawa公司，量程-35～900℃，分辨率0.1℃，測量精度±0.75℃。TES-134型風(fēng)速儀，臺灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司，量程0～30 m/s，分辨率0.01 m/s，精度±3%。ZH-RTH-225C型恒溫恒濕箱(圖1)，香港正航儀器有限公司，溫度范圍-20～150℃，相對濕度范圍40%～95%，整機(jī)尺寸(長×寬×高)為1.2 m×1 m×2 m，分別為箱體、制冷系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2 CFD模型構(gòu)建

2.1 物理模型構(gòu)建

取單條羅非魚進(jìn)行3D掃描，對魚體表面進(jìn)行光順處理后導(dǎo)入ANSYS ICEM進(jìn)行模型構(gòu)建(圖2)。冷風(fēng)式速凍模型中魚頭對準(zhǔn)入口處，分1層18條魚6行3列平行擺放，箱體尺寸(長×寬×高)為1.2 m×1 m×0.6 m，壁面為無厚度。氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍中每層6條魚分3行2列，總共3層擺放，箱體尺寸(長×寬×高)為1 m×0.9 m×0.9 m，壁面為無厚度。液流化速凍模型(圖3)中每層6條魚分3行2列，總共3層擺放，分頭朝入口水平放置、背朝入口水平放置、豎直放置3種擺放方式，箱體尺寸(長×寬×高)為1 m×0.9 m×0.9 m，壁面為無厚度。

圖3 液流化速凍模型Fig.3 Hydrofluidization quick-freezing model

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1模型假設(shè)

在建立物理模型時(shí)，對其作出以下假設(shè)：魚肉大小均勻、體積相等；忽略傳感器對裝置內(nèi)部流場的影響；魚肉內(nèi)部只存在導(dǎo)熱，不計(jì)相變過程中的對流和傳質(zhì)，已凍結(jié)區(qū)的顯熱和凍結(jié)過程中釋放的潛熱通過凍結(jié)層以導(dǎo)熱的形式傳遞，并向環(huán)境釋放；冷凍初始時(shí)，魚肉內(nèi)部水分分布均勻且一致；冷風(fēng)式速凍內(nèi)部冷空氣為不可壓縮流體，且物性不隨溫度變化。

2.2.2控制方程

(1)流體區(qū)域

將瞬態(tài)的流體區(qū)域視為不可壓縮流體，利用平均雷諾數(shù)納維-斯托克斯方程(Reynolds-averaged Navier-Stokes，RANS)進(jìn)行求解，連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程分別為

(2)

(3)

(4)

式中t——時(shí)間，s

p——壓強(qiáng)，Pa

xi、xj——笛卡爾坐標(biāo)

ui、uj——流體時(shí)均速度，m/s

ρa(bǔ)——流體密度，kg/m3

μa——流體動(dòng)力粘度，Pa·s

u′i、u′j——流體脈動(dòng)速度，m/s

g——重力加速度，m/s2

cp,a——流體比熱容，J/(kg·K)

T——流體溫度，K

λa——流體熱導(dǎo)率，W/(m·K)

T′——流體脈動(dòng)溫度，K

在實(shí)驗(yàn)中，冷風(fēng)式速凍時(shí)冷空氣會(huì)快速充滿整個(gè)箱體，因此冷風(fēng)式速凍、氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍、液流化速凍中，箱體內(nèi)部流體溫度Ta等于初始流體溫度T0。

(2)羅非魚肉區(qū)域

羅非魚肉的速凍過程是一個(gè)復(fù)雜的、變物性的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題[18]和對流換熱問題，羅非魚內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的三維數(shù)學(xué)模型為

(5)

式中x、y、z——幾何點(diǎn)坐標(biāo)

c——羅非魚比熱容，J/(kg·K)

λ——羅非魚熱導(dǎo)率，W/(m·K)

ρ——羅非魚肉密度，kg/m3

2.2.3熱物性參數(shù)

羅非魚肉的熱物性會(huì)隨著溫度而變化，表觀比熱容變化尤為明顯，以冰點(diǎn)為突變點(diǎn)劇增，而后又隨著魚肉內(nèi)水分凍結(jié)吸收熱焓而逐漸降低，因此以溫度為變量的非線性多項(xiàng)式模型預(yù)測冰點(diǎn)以下的表觀比熱。

冰點(diǎn)預(yù)測模型和表觀比熱容分別為[19]

Tf=-2.16+2.62Xw-27.47Xa+4.03Xp

(6)

(7)

相變熱焓預(yù)測模型為[19]

(8)

式中Tf——冰點(diǎn),℃

Xw——含水率,%

Xa——灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù),%

Xp——蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),%

Capp——表觀比熱容，J/(g·K)

Xl——脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

H——熱焓,J/g

Hf——冰點(diǎn)處熱焓，J/g

把羅非魚看作為固體，其熱導(dǎo)率計(jì)算方式為[20]

k=∑viki

(9)

式中ki——組分i熱導(dǎo)率，W/(m·K)

vi——每個(gè)組分體積分?jǐn)?shù),%

為了計(jì)算每個(gè)組分的k，使用取決于溫度T(℃) 的方程[20]

kw=0.571 09+1.762 5×10-3T-6.703 6×10-6T2

(10)

kp=0.178 81+1.195 8×10-3T-2.717 8×10-6T2

(11)

kl=0.180 71-2.760 4×10-3T-1.774 9×10-7T2

(12)

ka=0.329 61+1.401 1×10-3T-2.906 9×10-6T2

(13)

式中kw、kp、kl、ka——水、蛋白質(zhì)、脂肪、灰分熱導(dǎo)率,W/(m·K)

考慮到隨著溫度降低水會(huì)變成冰，需要估算冰的熱導(dǎo)率作為溫度的函數(shù)，得出方程[20]

kice=2.219 6-6.248 6×10-3T+1.015 4×10-4T2

(14)

冷凍過程中冰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算可以通過文獻(xiàn)[21]提出的方程給出，是關(guān)于溫度、冰點(diǎn)和總含水率的函數(shù)。文獻(xiàn)[22]通過實(shí)驗(yàn)證明了該方程在冰點(diǎn)為-2～-0.4℃以及冷凍溫度在-45℃至冰點(diǎn)溫度范圍內(nèi)能提供較好的精度,計(jì)算方程為

(15)

式中xice——冰質(zhì)量分?jǐn)?shù),%

xwo——總含水率,%

羅非魚肉單個(gè)組分密度在速凍過程中隨溫度變化，通過單個(gè)組分密度計(jì)算羅非魚肉的密度，羅非魚單個(gè)組分密度和羅非魚魚肉密度計(jì)算方程為[20]

ρw=9.971 8×102+3.143 9×10-3T- 3.757 4×10-3T2

(16)

ρp=1.330 0×103-0.518 4T

(17)

ρl=9.255 9×102-0.417 57T

(18)

ρa(bǔ)sh=2.432 8×103-0.280 63T

(19)

ρice=9.168 9×102-0.130 7T

(20)

ρ=ρwxw+ρpxp+ρlxl+ρa(bǔ)xa+ρicexice

(21)

式中-40℃≤T≤150℃，ρw、ρp、ρl、ρa(bǔ)sh、ρice、ρ分別為水的組分密度、蛋白質(zhì)的組分密度、脂肪的組分密度、灰分的組分密度、冰的組分密度、羅非魚肉的密度。

2.3 初始條件

本文認(rèn)為羅非魚內(nèi)部為均勻介質(zhì)，溫度均勻，初始時(shí)裝置內(nèi)部流體域的溫度也視為定值，初始條件：t=0時(shí)，羅非魚初始溫度T為20℃。

邊界條件如下：

(1)冷風(fēng)式速凍采用速度(velocity-inlet)入口，送風(fēng)風(fēng)速為9 m/s，溫度為-20℃，湍流強(qiáng)度和湍流粘性比分別為3.4%和2.2，出口采用自由出流(outflow)邊界條件，此處冷空氣是充分發(fā)展流動(dòng)的，在outflow邊界上的所有變量(除壓力)梯度為零，如速度分量u、v、w和溫度T等。魚肉壁面和裝置壁面溫度分別設(shè)置為無厚度的耦合壁面(WALL)和無厚度的-20℃恒溫壁面。

(2)因?yàn)槁然c和氯化鈣浸漬速凍方式下不存在入口和出口，因此，僅需設(shè)置壁面(WALL)為無厚度的-20℃恒溫壁面。

(3)液流化速凍采用速度(velocity-inlet)入口，入口流速分別為1、1.5、2、2.5、3 m/s，溫度為 -20℃， 湍流強(qiáng)度和湍流粘性比分別為5%和10。

2.4 網(wǎng)格劃分與數(shù)值模擬方法

采用ANSYS ICEM 進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格類型為Tetra/Mixed，冷風(fēng)式速凍模型和液流化速凍模型中入口和出口由于速度較快網(wǎng)格需要適當(dāng)加密。冷風(fēng)式速凍模型進(jìn)行網(wǎng)格化和網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)化后共有2 966 196個(gè)單元，483 182個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.38；氯化鈉和氯化鉀浸漬速凍模型進(jìn)行網(wǎng)格化和網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)化后共有2 004 304個(gè)單元，366 804 個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.4；液流化速凍模型進(jìn)行網(wǎng)格化和網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)化后3種擺放位置分別有3 228 501、3 209 837、3 166 245個(gè)單元和527 908、524 941、517 646個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.41。上述模型網(wǎng)格質(zhì)量評價(jià)要求依據(jù)文獻(xiàn)[23]確定，在其所有壁面上，采用邊界層網(wǎng)格，其厚度要求均由y+小于5確定，最大歪斜度和壁面y+均分別小于0.95和4。通過理查森外推法[24-25]估算由此產(chǎn)生的空間離散誤差，冷風(fēng)式速凍模型中通過容器的質(zhì)量流量誤差大約為2.8%，魚肉表面的平均傳熱率誤差約為4.9%，壁面剪切應(yīng)力誤差約為0.25%；氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍模型中通過容器的質(zhì)量流量誤差大約為2.5%，魚肉表面的平均傳熱率誤差約為5.1%，壁面剪切應(yīng)力誤差約為0.22%；液流化速凍模型中通過容器的質(zhì)量流量誤差大約為2.7%，魚肉表面的平均傳熱率誤差約為4.6%，壁面剪切應(yīng)力誤差約為0.28%。進(jìn)一步網(wǎng)格加密后，冷風(fēng)式速凍為3 288 491個(gè)單元，氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍2 299 322單元，液流化速凍分別為3 429 383、3 429 922、3 452 332個(gè)單元，網(wǎng)格質(zhì)量變化均小于0.01，質(zhì)量流量誤差變化均小于0.3%，平均傳熱率變化和壁面剪切應(yīng)力誤差均小于0.1%。

將模型的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent，在操作條件中激活重力項(xiàng)，計(jì)算時(shí)采用SSTk-ω湍流模型[26-27]，基于壓力求解器，壓力速度耦合方法采用SIMPLE算法，動(dòng)量、湍動(dòng)能、擴(kuò)散率、能量的離散格式為二階迎風(fēng)格式,利用UDF接口把羅非魚肉的比熱容和熱導(dǎo)率導(dǎo)入控制方程中。在模擬氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍時(shí)，因其自然對流的溫度和速度比較小，為防止當(dāng)作殘差收斂需要開啟雙倍精度。

2.5 模型驗(yàn)證方法

由于本文模擬了多條魚在不同速凍條件下的魚肉的溫度分布情況，為了反映整體模擬的準(zhǔn)確性，故取魚肉中心平均溫度為參考值。通過均方根誤差(RMSE)和平均絕對百分比誤差(MAPE)比較實(shí)測和模擬的溫度來確定模型的有效性。

3 結(jié)果分析

3.1 模型驗(yàn)證

圖4 溫度模擬值與實(shí)測值比較Fig.4 Comparison between simulated and experimental temperature values

圖4為不同速凍方式下魚肉中心溫度模擬值與實(shí)測值的對比。從圖4可以看出，冷風(fēng)式速凍、氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍其最大溫度偏差分別為1.39、1.81、1.64℃，最終模擬與實(shí)驗(yàn)所需的凍結(jié)時(shí)間最大偏差分別為3.95%、6.89%、4.76%，其最大均方根誤差、最大平均絕對百分比誤差分別為1.017℃、18.9%(表1)。因此，CFD模擬值與實(shí)測值基本一致，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。本研究模擬值和實(shí)測值之間存在偏差可能主要?dú)w因于速凍裝置3D結(jié)構(gòu)的簡化。此外，雖然其在現(xiàn)有的熱物性參數(shù)預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，建立的數(shù)值模擬方法預(yù)測的凍結(jié)時(shí)間與實(shí)驗(yàn)的凍結(jié)時(shí)間吻合度高，但凍結(jié)過程中的溫度偏差，主要是因?yàn)槟M忽略了魚肉內(nèi)部組織中的液體是一種多組分溶液，其相變時(shí)液固區(qū)的成分會(huì)不斷變化，且存在測量儀器自身誤差和溫度的波動(dòng)以及模擬過程值的脈動(dòng)等偏差原因。

表1 均方根誤差與平均絕對百分比誤差Tab.1 Root mean square error and mean absolute percentage error

3.2 速凍過程魚肉溫度變化規(guī)律與均勻性

3.2.1凍結(jié)過程魚肉溫度變化規(guī)律

圖5 不同速凍方式下魚肉中心溫度比較Fig.5 Comparison of temperature in center of fish by different quick-freezing methods

圖5為羅非魚在冷風(fēng)式速凍、氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍過程中魚肉的中心溫度變化曲線。在速凍初期，魚肉中心平均溫度從20℃下降到約0℃過程中，3種速凍方式的溫度曲線均快速下降；當(dāng)中心平均溫度降至0℃以后，溫度曲線下降明顯變緩；當(dāng)中心平均溫度降至約-5℃后，溫度曲線的下降又逐漸變陡。因?yàn)轸~肉凍結(jié)過程可以分為3個(gè)階段。第1階段魚肉中心溫度從初溫急劇下降至魚肉冰點(diǎn)溫度附近，此階段魚肉會(huì)放出顯熱使溫度略有回升，但顯熱相比整個(gè)階段全部放出的熱量較小，所以降溫速度快，曲線較為陡峭。第2階段為魚肉組織內(nèi)部冰晶生成階段，該階段魚肉組織中大部分水分開始凍結(jié)成冰，從而導(dǎo)致魚肉的比熱發(fā)生劇烈變化，劇烈變化放出了大量的相變潛熱，從而導(dǎo)致溫度曲線下降變緩。第3階段，魚肉中殘留的水分繼續(xù)結(jié)冰，魚肉的比熱變化不再劇烈，已經(jīng)結(jié)冰的繼續(xù)降溫至終溫。由于冰的比熱比水小，進(jìn)一步降溫放出的顯熱比較小，所以降溫曲線沒有初期降溫曲線陡峭。冷風(fēng)式速凍凍結(jié)時(shí)間相比氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍的凍結(jié)時(shí)間慢約73%，而氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍凍結(jié)時(shí)間基本相同，但仍有些細(xì)微差別，這與兩種冷凍液的熱導(dǎo)率不同有關(guān)。

3.2.2凍結(jié)均勻性

為了準(zhǔn)確顯示內(nèi)部溫度場的分布，本文選取羅非魚肉整體平均溫度Tavg為15、5、-5、-15℃時(shí)具有代表性的中心切面(圖2)作為溫度場分析對象。圖6為羅非魚在冷風(fēng)式速凍、氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍過程中魚肉中心部位的溫度分布。隨著溫度的降低，冷風(fēng)式速凍不同位置魚肉溫度分布差異越來越明顯，而兩種浸漬速凍則沒有明顯的差異。為進(jìn)一步對比分析不同時(shí)刻箱內(nèi)魚肉個(gè)體間溫度差異性，選用文獻(xiàn)[26,28]給出的變異系數(shù)量化表示速凍過程魚肉的溫度分布均勻性(圖7)。

圖6 不同速凍方式下魚肉中心切面溫度分布云圖Fig.6 Temperature distribution clouds of central section of fish by different quick-freezing methods

圖7 不同速凍方式下溫度變異系數(shù)變化曲線Fig.7 Variation curves of temperature coefficient by different quick-freezing methods

圖8 不同速凍方式下魚肉中心切面速度散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter diagrams of central section velocity of fish meat by different quick-freezing methods

從圖7可以看出，3種速凍方式中變異系數(shù)開始迅速變大，然后冷風(fēng)式速凍在10 min左右會(huì)有一段下降趨勢但又開始變大，然后在110 min左右開始穩(wěn)定，而氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍則在4 min左右開始逐漸下降并最終趨于穩(wěn)定且凍結(jié)均勻性提升10～40倍。因?yàn)楸c(diǎn)附近魚肉需要吸收大量的熱量導(dǎo)致溫度變化變小，所以會(huì)有一段下降趨勢，之后冷風(fēng)式速凍空氣對流速度不均勻(圖8)導(dǎo)致不同位置魚肉對流換熱系數(shù)的不同，從而影響魚肉與空氣的換熱效率，導(dǎo)致溫差隨著時(shí)間的推移愈發(fā)變大。氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍由于冷凍液只存在細(xì)微的自然對流對凍結(jié)過程基本無影響，魚肉溫度分布均勻，由外向內(nèi)呈現(xiàn)明顯的階梯狀分布。魚肉速凍過程溫度分布不均勻會(huì)導(dǎo)致魚肉品質(zhì)的差異，影響魚肉品質(zhì)的保持。

3.3 解凍損失對羅非魚品質(zhì)的影響

羅非魚解凍損失率最高的是冷風(fēng)式速凍方式，為4.34%，其次是氯化鈣浸漬速凍，為3.92%，氯化鈉浸漬速凍為3.89%。兩種浸漬速凍方式下羅非魚解凍后水分流失率分別比冷風(fēng)式速凍方式降低10.37%和9.68%左右。較低的水分流失率可能主要?dú)w因于浸漬速凍下非常高的冷凍速率與均勻性，加速了魚肉體內(nèi)均勻細(xì)小冰晶的形成，有效抑制了大冰晶生成而誘發(fā)魚肌肉組織機(jī)械損傷問題。而冷風(fēng)式速凍產(chǎn)生的大冰晶對魚的肌肉組織造成很大的損傷，極易導(dǎo)致肌肉組織結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，部分融化的水解凍后無法返回細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致魚肉解凍后高的水分流失率。

3.4 氯化鈉浸漬速凍方式優(yōu)化

3.4.1不同流速下速凍效率比較

圖9 不同入口流速下魚肉中心溫度比較與均勻性 動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.9 Comparison of temperature in center of fish meat and dynamic variation of uniformity at different inflow velocities

基于以上分析，本研究提出一種氯化鈉液流化速凍方案，并綜合比較分析不同入口流速、魚體朝向?qū)︳~肉速凍效率的影響，以優(yōu)化氯化鈉液流化速凍方案設(shè)計(jì)。圖9為魚體頭朝入口水平放置時(shí)不同入口流速下魚肉中心溫度比較與均勻性動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。從圖9a可以看出，魚肉溫降速率隨著入口流速的增大而不斷增大，特別是當(dāng)入流流速從1 m/s增長至2.5 m/s期間，但當(dāng)入口流速超過2.5 m/s以后，凍結(jié)速率并無顯著提高。這可能歸因于表面換熱系數(shù)隨著入口流速增大而不斷增大，但當(dāng)入口流速超過2.5 m/s以后表面換熱系數(shù)對魚肉降溫速率影響變小，魚肉內(nèi)部熱導(dǎo)率成為主要影響因素。從圖9b可以看出溫度變異系數(shù)在整個(gè)速凍過程中呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在速凍開始的一定時(shí)間段內(nèi)，不同流速下溫度變異系數(shù)變化基本相同。隨著入口流速增大，溫度變異系數(shù)呈不斷降低趨勢，在整個(gè)速凍過程，入口流速越大，其變異系數(shù)越小，冷卻均勻性越高，但當(dāng)入口流速超過2.5 m/s時(shí)，溫度變異系數(shù)降低幅度并不顯著。綜上，通過綜合考慮不同入口流速對凍結(jié)速率、溫度均勻性的影響，本研究選定2.5 m/s作為氯化鈉液流化速凍方式最佳入口流速。

3.4.2不同魚體朝向下速凍效率比較

圖10為入口流速為2.5 m/s時(shí)不同擺放方式下魚肉中心溫度比較與均勻性動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。從圖10a可以看出，魚體背朝入口水平放置凍結(jié)速率最快，其次為頭朝入口水平放置，最后為豎直放置。這可能是因?yàn)閿[放方式的不同導(dǎo)致內(nèi)部流場流速不同，從而影響魚體表面換熱系數(shù)。整個(gè)速凍過程中，凍結(jié)速率越大，其變異系數(shù)越小，冷卻均勻性越高，結(jié)合3個(gè)不同擺放方式下溫度變異系數(shù)變化曲線(圖10b)，魚體背朝入口水平放置的溫度變異系數(shù)最小，且相比其它擺放位置的均勻性具有顯著提高，其次是魚體頭朝入口水平放置，最后為魚體豎直放置。因此，結(jié)合入口流速和擺放方式綜合考慮，本研究選定2.5 m/s作為氯化鈉液流化速凍方式最佳入口流速，魚體背朝入口水平放置為最佳擺放方式。

圖10 不同擺放方式下魚肉中心溫度比較與均勻性 動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.10 Comparison of temperature in center of fish meat and dynamic variation of uniformity under different placement modes

4 結(jié)論

(1)結(jié)合3D掃描逆向建模與CFD數(shù)值模擬技術(shù)構(gòu)建了羅非魚不同速凍方式下熱傳遞數(shù)值模型，揭示了羅非魚與冷介質(zhì)之間的熱量耦合傳遞機(jī)制，直觀獲取了不同速凍方式下羅非魚凍結(jié)速率、溫度時(shí)空分布均勻性動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并結(jié)合解凍損失實(shí)驗(yàn)得出了不同速凍方式對羅非魚解凍后水分流失率的差異性影響，最后綜合冷風(fēng)式速凍、氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍的對比結(jié)果提出了氯化鈉液流化速凍并進(jìn)行優(yōu)化。

(2)通過對比模擬值與實(shí)測值得出，CFD模型最大均方根誤差與平均絕對百分比誤差分別為1.017℃與18.9%，充分體現(xiàn)了所建傳熱模型的準(zhǔn)確性與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的合理性。其次，不同速凍方式下魚肉的凍結(jié)速率和均勻性具有顯著差異，通過對比魚肉中心點(diǎn)溫度以及瞬時(shí)溫度均勻性得出氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍的凍結(jié)速率相比冷風(fēng)式速凍快約73%且凍結(jié)均勻性更高。對比解凍后的水分流失率得出氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍相比冷風(fēng)式速凍具有更好的保水性，且水分流失率分別降低10.37%和9.68%。最后，綜合不同入口流速和羅非魚擺放方式對凍結(jié)速率、均勻性及能耗的影響，確定流速為2.5 m/s、擺放方式為背朝入口水平放置的氯化鈉液流化速凍為最佳。