真空冷却技术的研究进展

真空冷却技术的研究进展
金听祥1,朱鸿梅1,李改莲2,徐 烈1
(1.上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海      200030;
2. 郑州轻工业学院机电系,河南 郑州       450002)
摘  要:真空冷却是一种快速冷却技术,它被广泛应用在花卉、水果、蔬菜和食品的冷却降温。本文综述了真空冷却技术在花卉、果蔬和熟肉中的应用研究现状以及目前真空冷却技术理论研究的进展。总结出目前真空冷却技术研究中存在的一些问题,并提出了今后真空冷却的研究方向。关键词:真空冷却;研究进展
Review on Research Development of  Vacuum Cooling
JIN Ting-xiang1,ZHU Hong-mei1,LI Gai-lian2,XU Lie1
(1.Institute of Refrigeration and Cryogenics, 
Shanghai Jiao Tong University, Shanghai      200030, China; 2.Depart-ment of Electromechanical and Engineering, Zhengzhou Institute of Light Industry, Zhengzhou       450002,China)
Abstract :Vacuum cooling has been widely used as a rapid cooling method for vegetables, fruits cut flowers, and foods to improvetheir keeping quality. This paper reviewed the recent developments of the application of vacuum cooling in vegetables, fruits cutflowers, and meats and the mechanism of vacuum cooling. The existing problems and the further study in this field are pointedout in this paper.
Key words:vacuum cooling;research development
中图分类号:TS205.9                                            文献标识码: A                     文章编号:1002-6630(2005)06-0276-04
收稿日期:2004-04-08
作者简介:金听祥(1976-)男,在读博士,从事食品真空冷却冷藏以及食品冷却保鲜研究。
在水果、蔬菜和花卉销售的过程中,影响它们质量和寿命的主要因素是温度。果蔬和花卉在脱离母体后,它们还是一个活的生命体。作为活的生命体,它们还进行着呼吸和蒸发。在收获以前,这些容易腐烂的产品附着在母体上,由于呼吸和蒸发作用引起的损失可以由来自植物母体上的水分、光合作用的产物和矿物质来补充。收获以后,产品内部的呼吸作用、蒸腾作用和生物合成作用会引起产品内部的生理变化和温度升高,这会导致产品质量下降和寿命缩短。因此,在采后贮藏之前,必须进行及时处理,快速降温,保持产品本身的品质。通常采用冷却的方式对它们进行预先降温[1,2]。
二次沉淀池
1904年,“冷却”首先被Powell和他在美国农业部的同事提出的[3]。目前,冷却方法主要有四种:空气冷却、冷水冷却、冰冷却和真空冷却[4]。空气冷却、冷水冷却和冰冷却是通过对流和传导方式使产品进行降温,由于花卉果蔬的传热系数和导热系数都比较小,热量传递的速度很慢,导致冷却速度也较慢,从而使产
品的冷却时间较长,可达到十几个小时。真空冷却主要是依靠产品内部的水分蒸发来吸收热量,由于水的蒸
发潜热很大,在0℃时的蒸发潜热为2500KJ/Kg,这就使得产品本身迅速降温,时间一般在几十分钟到两个小时之间。由于真空冷却的冷却速度很快,近几十年来,被广泛应用在果蔬和花卉的冷却储藏方面。1
真空冷却的原理及特点
真空冷却就是将被冷却的产品放在真空冷却室内,用真空泵抽去空气,造成一个低压环境,使产品内部的水分得以蒸发,由于蒸发吸热,导致产品本身的温度降低。该过程主要分为两个阶段:首先是真空室内的压力降低到产品初始温度对应的饱和压力,在饱和压力下,闪点出现。在这个阶段,蒸发很慢,冷却的效果也不明显;然后进入第二阶段,压力继续降低,蒸发开始进行,随着蒸发的进行,产品的温度开始降低,一直进行到预先设定的温度。但是蒸发的蒸汽必须通过冷凝器和真空泵除去。真空冷却的基本特征为:水的饱
和温度是与饱和压力相对应的,在大气压力下,水的饱和温度是100℃,当真空度为609Pa时,水的沸点为0℃。与其它冷却方法相比,真空冷却的优点和特点表现如下[5~8]。
1.1经冷却后运输、储藏的产品与未经过冷却的相比,其新鲜度,味道都相对好,有利于销售。与未冷却的产品相比,由于鲜度保持的时间长,可通过冷藏方式输送到更远的地方,扩大了市场服务范围。1.2冷却速度快,冷却时间一般为20~30min,其他冷却方法需要几个小时甚至几十个小时。
1.3冷却均匀、清洁,不会受到污染。
1.4真空冷却是一个批处理过程,处理量大,能量利用系数高,经济性好。
1.5操作方便,真空冷却不受包装限制,用纸箱,塑料等包装的产品在真空冷却时, 其冷却速度与不包装的产品几乎无差别,在生产中极为方便。
合成洗涤剂虽然真空冷却具有上述优点,但是真空冷却装置的一次性投资大,成本高,产品内部失水都是真空冷却突出的缺点。
2真空冷却机
早在二十世纪初,国外就对真空冷却机进行了系统的研究,我国从八十年代中期才开始对真空冷却机进行研究。到目前为止,无论是国外还是国内,对真空冷却机的研究已经达到了相当成熟的水平。真空冷却机的分类方法很多,按其真空室的容积可以分为大、中、小三种类型;按其目的和用途可以分
为实验型真空冷却机和工业生产型真空冷却机;按运转方式有均压式、串连式和连续式[9]。
真空冷却机由真空室、真空系统、制冷系统和控制系统组成。真空室的用途是存放被冷却的产品,使产品在真空室内冷却降温。真空系统包括真空泵和管道,它从真空室内抽走空气和一部分水蒸气,为真空室提供一个低压环境。制冷系统是为蒸汽冷凝器提供冷源,用来捕获产品内部蒸发出来的水蒸汽。真空冷却机的控制主要是对真空室内真空度、真空泵的泵速以及产品温度的控制[10,11]。
3真空冷却技术的应用研究
就目前来看,真空冷却技术主要被应用在花卉、果蔬以及熟肉的冷却三个方面。
3.1真空冷却在花卉中的应用
肉食加工
真空冷却在花卉中的应用从三十多年前就已开始,通过真空冷却可以使花卉快速降温。由于温度影响着呼吸速率,因此温度降低也会导致呼吸速率变慢,使叶子和花的变质相应减慢,同时还可以延长它们的寿命。很多试验发现表明真空冷却确实能够延长花卉的寿命。Boer和Wiersma[12]通过真空冷却试验发现玫瑰、康乃馨、菊花、郁金香、水仙花和小仓兰在20min内温度可以降低到4~5℃。并且真空冷却对这些花没有产生任何损害,还可以使这些花有更长的瓶插寿命(v
ase life)。Shinbori[13]对百合花、菊花和康乃馨切花进行了真空冷却去除田间热的试验,结果发现真空冷却能够显著降低切花衰老速率,是最有效的冷却技术。真空冷却和低温运输减少了叶柄和叶片腐烂发生的可能性,可以提高切花的市场价值。中国农业大学和深圳万保真真空保鲜设备有限公司合作研究了在真空冷却条件下切花的保鲜。他们以月季切花为材料,进行了真空冷却过程中月季切花保鲜特性和水分蒸发的研究[14~17]。Da-Wen Sun和Tadhg Brosnan[18,19]研究了新鲜水仙花切花和百合花切花的真空冷却过程,冷却以后切花在冷储存和没有冷储存情况下的瓶插寿命被比较。结果发现:真空冷却能够延长花的寿命,提高切花的质量。这些研究都表明,真空冷却应用在花卉中可以显著提高花卉的瓶插寿命,延长花的保鲜度,使花在市场上更具有竞争力。3.2真空冷却在果蔬中的应用
蔬菜的种类对真空冷却的效果影响很大,并不是任何果蔬都适合通过真空冷却来降温。一般说来,真空冷却对叶菜类的冷却处理效果较好,对根果类来说,处理效果不很理想。Sun D W[20]对叶菜类和非叶菜类蔬菜的真空冷却效果进行了比较。结果表明真空冷却对叶菜类非常有效,冷却叶菜类从初温20℃降低到5℃只需要55~155s;而非叶菜类蔬菜则需要1200s。
在果蔬的真空冷却中,生菜被研究的最多。生菜最适合用真空冷却进行冷却,不仅在美国,而且在欧洲的许多国家,真空冷却已经被作为标准的商业冷却过程来冷却生菜。
Pasqualone,Turk和Celik[21,22]等人的研究表明:在同样条件下,卷心生菜在真空冷却中只需要20~29min,然而用传统的冷却方法却需要几个小时。Kim[27]研究了生菜的货架寿命(shelf life),结果发现真空冷却的生菜在0℃时的货架寿命为40d,用传统的冷却方法冷却的生菜在0℃下的货架寿命为20d。T J Rennie[23]等人针对真空冷却速率对生菜质量的影响和不同真空冷却速率下莴苣的重量损失以及生菜的温度分布进行了研究。由于真空冷却会引起产品内部水分的蒸发,这就造成产品的重量损失,有时还会引起产品结构的变化,影响产品的品质。Sun和Nonnecke[1]等人研究了生菜真空冷却过程中如何减少或者阻止重量损失。Sun和Lecoq[1]进行了在产品被放入冷却室前通过喷雾器向生菜表面喷水来减少其在冷却过程中的重量损失的实验研究。另外,国外的
一些学者对蘑菇的真空冷却也进行了一些研究。Atkins[24]的报告指出在真空冷却条件下,把同样数量的蘑菇冷到1℃时,需要时间为20min,然而其它的冷却方法则需要8~13h。Noble[25]认为由于蘑菇中含有大约90%的水分,蘑菇的多孔结构也容易使其内部的水分蒸发逸出,因此蘑菇也适合用真空冷却来进行冷却。而且一些学者对蘑菇的真空冷却也进行了实验研究。Sun[19]还对硬花甘蓝的真空冷却作了实验。关于真空冷却过程中的质量损失, Barger[26]从理论方面指出:比热为,4kJ/kg・K,蒸发潜热为2.4×103kJ/kg的产品,温度下降ΔT=6℃,它将会损失1%的水分。真空冷却果蔬的研究表明,一般大部
分水都在外表面蒸发,还有一部分水在产品内部的细胞间蒸发。果蔬真空冷却过程中的水分损失可以通过喷雾来减少,也可以通过控制真空室内的真空度来减少水分损失。
3.3真空冷却在熟肉中的应用
食品安全问题已经引起世界各国人们的高度重视,熟食品保存的条件是高于60℃或者低于10℃。在欧洲的一些国家,对熟食品的冷却时间有着特别限制,规定必须在一定的时间内把产品冷却到规定的温度。为了使食品能够在规定的时间内冷却,真空冷却经常被应用在食品的冷却过程中。一般来说,肉类可以通过煮熟来破坏病原体微生物的滋养期,然而总会有一些微生物组织体在被煮的过程中不能被杀死。在温度10~60℃时,这些存活的微生物组织体容易繁殖。因此熟肉应该尽快的被冷却以通过这个危险区,以免微生物繁殖。国外有很多学者对熟肉的真空冷却进行了试验研究。
James的试验表明大块火腿(6.8~7.3㎏)利用真空冷却从70℃冷却到10℃只需要30min[28]。同样条件下,传统的冷却方法风冷需要624min。Karl和Da-Wen Sun对熟肉的真空冷却研究很多,他们首先研究了熟牛肉在真空冷却过程中,抽真空的速率对质量损失、单位质量损失的温度降低速率、冷却速率、温度分布以及最终产品质量的影响。试验过程中,冷却的样品是从72℃到4℃,比较了六种不同的抽真空速率的结果,发现:抽真空速率对冷却损失会有一定的影响,随着抽真空速率的降低,产品的质量会增加,冷却损失会减小,但是会使冷却时间
变长[29]。向熟肉中注射盐水,不同的注射量会对熟肉的真空冷却效果产生影响。实验过程中肉的注射量为120%~145%,结果发现:当产品的中心被冷却到4℃时,随着注射量的增加而冷却时间在逐渐减少;当注射量增加的时候,产品的孔隙率会减少。这可能是因为注射量高的时候,导致过多的盐分占据着产品内部结构的空间,所以孔隙率才会减小[30]。Karl和Da-Wen Sun[31]还研究了在真空冷却过程中熟肉的内部通道形成以及通道对真空冷却速率的影响。在熟肉的准备过程中,测定了肉的表观密度、实际密度、孔隙率、收缩率和水分含量。同时也研究了过程条件(注射量、翻转、样品粉碎)、包装等因素对食品特性的影响。通过一系列不同的试验,发现样品的孔隙率直接影响真空冷却速率。样品准备过程在真空下是否翻转、样品是否被粉碎、包装形式和盐水的注射量都会对孔隙的形成产生影响。样品的孔隙率计算公式为:
这里,ρA-样品的表观密度;ρT-样品的实际密度。
表观密度是指样品质量与其表观体积之比,包含所有的内部通道和样品的表面积。实际密度是指样品的质量与真实体积之比,除去那些连通外面的通道所占的体积。
食品的热物性参数与含水量有着密切联系,而真空冷却会使产品内部的水分蒸发,这可能会引起产品的热物性参数发生变化。Karl等人就真空冷却对熟肉产品的热物性参数的影响进行了研究,结果证明冷却过程中熟牛肉的导热系数与产品的含水量和孔隙率有很大的关系,导热系数会随着产品的表
观密度降低而减小[32]。另外,真空冷却过程中水分的损失和孔隙率的形成对产品的热物性参数影响很大。Da-Wen Sun和Lijun Wang比较了熟肉在四种不同冷却方式下的冷却速率和换热特性[33]。试验结果表明:只有真空冷却能够使熟肉在2.5h内从74℃降低到10℃,能够满足熟肉冷却时间的要求。真空冷却可以使熟肉快速冷却,使熟肉快速通过细菌繁殖温区,减少细菌的污染,提高了熟肉的卫生质量。
4真空冷却的模拟研究
真空冷却的模拟研究是从近几年才开始的。M.houska[34]等人首先建立了液体食品真空冷却的数学模型,它包括了对周围环境空气进入设备中的数学描述,进入真空设备中的空气会导致冷却速率的降低和食品的污染。在模型中,当空气进入设备中时,把此过程当作绝热可压缩气体流过喷嘴的过程。液体的蒸发速率可以通过以下公式来计算:
崩解剂注:m食品的质量,t时间,hm质量交换系数,Am质量交换的有效表面积,p
在容器底部产品的饱和蒸汽压力。
水蒸汽的蒸发导致食品温度的降低,温度的降低可以表示为:
Lijun Wang和Da-Wen Sun[35,36]针对真空冷却机建立了数学模型,他们的数学模型是建立在真空室内水和水
Da-Wen Sun和Zehua Hu[37,38]建立了真空冷却的非稳态数学模型,通过CFD软件对多孔食品的真空冷却进行了数值模拟,通过模拟来预测这些食品在真空冷却过程中热质
交换。模拟过程可以随时预测熟肉在整个冷却过程低饱和压力下的瞬时温度分布、质量损失以及蒸汽含量。数值模拟也可以评估出这些因素如温度、压力、密度和食品的含水量、热收缩性、各向异性等对真空冷却过程的影响。上海交大的贺素艳和李云飞从基本理论和基本定义出发建立了描述球形果蔬在真空冷却过程中的传热、传质的数学模型,通过数值求解得到系统总压力、产品温度(表面温度、中心温度和制冷平均温度)、产品质量随时间变化的曲线[39]。对真空冷却的数值模拟可以更好的从理论角度分析和理解真空冷却过程,优化真空冷却工艺,最终促进真空冷却技术的发展。
5结  论
随着人们对食品质量和食品安全的重视,真空冷却的应用范围会逐渐扩大。从目前对真空冷却的研究来看,真空冷却在花卉果蔬中的应用研究主要集中在真空冷却对花卉瓶插寿命的提高以及果蔬货架寿命的延长;真空冷却对熟肉的实验研究主要是对影响真空冷却速率、质量损失因素的进行研究,研究发现影响真空冷却速率和质量损失的主要因素有:产品的密度、孔隙率、收缩率和水分含量等。另外一些过程条件如盐水
注射量、是否翻转、样品粉碎和包装等因素对真空冷
却速率和质量损失影响也被研究;对真空冷却的模拟研
究仅处于起步阶段,而真正对真空冷却的机理研究很少。经过几十年的发展,真空冷却技术虽然有了很大
的进展,但是仍然存在不少问题,如真空冷却设备的
投资大、成本高和产品的重量损失大,亟需解决。真
空冷却过程中产品内部的水分会蒸发,这会引起产品结
构的变化,减少产品本身的重量。因此为了提高产品
的品质,必须对真空冷却过程中水分的蒸发机理进行进
一步的研究,分析真空冷却过程中产品内部水分的迁移
机理,完善真空冷却过程中的传热传质理论,优化真
空冷却工艺。
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泵被除去。然后利用有限元方法,模拟了熟肉在真空冷却过程中的三维瞬态的热量质量耦合,他们的数学模型包含两部分:内部产生蒸汽的质量交换模型和内部产生热量的交换模型。水分在食品中的蒸发途径有两种:水分在
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