宋睿琪,鄒同華,魏東旭,張坤生,惠慶玲

(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)

中式臘肉在經(jīng)過(guò)腌制工藝后貯藏時(shí)間得到極大的延長(zhǎng),一般可以達(dá)到8～10個(gè)月[1]。又因其獨(dú)特的風(fēng)味和美觀的色澤,被人們沿用至今[2]。但其含鹽量過(guò)高,不符合現(xiàn)代健康食品的發(fā)展要求。現(xiàn)階段臘肉制品企業(yè)都在積極采取措施來(lái)減少肉制品中的含鹽量,但減少臘肉制品的含鹽量會(huì)縮短其保質(zhì)期,使產(chǎn)品品質(zhì)難以得到良好的保障。因此有些學(xué)者采用對(duì)少鹽臘肉進(jìn)行高溫蒸煮的方式來(lái)減少降低含鹽量對(duì)臘肉保質(zhì)期的影響。加熱后的臘肉需冷卻后才能進(jìn)行到包裝、銷售等后續(xù)階段,而采用真空冷卻技術(shù)可以有效保障其質(zhì)量安全并延長(zhǎng)保質(zhì)期[3-5],避免食品發(fā)生變質(zhì)和污染。

真空冷卻是基于多孔介質(zhì)材料的表面和內(nèi)部水分的快速蒸發(fā)。Alibas等[6]發(fā)現(xiàn)與強(qiáng)制空氣冷卻、高流量或低流量水冷相比,真空冷卻將花椰菜從(23±0.5) ℃冷卻至1 ℃耗時(shí)36 min和耗能0.51 kW·h,耗時(shí)和耗能皆最少。陳華等[7]把水煮豬肉用在普通真空冷卻和浸沒(méi)式真空冷卻對(duì)通過(guò)比分析發(fā)現(xiàn),浸沒(méi)式真空冷卻可有效減少失重率。Sun等[8]把豬肉火腿(5～6 kg)的真空冷卻分別與傳統(tǒng)的慢風(fēng)冷卻、浸沒(méi)式冷卻和風(fēng)冷進(jìn)行比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),真空冷卻時(shí)樣品的中心溫度下降最快。James[9]的實(shí)驗(yàn)表明,大塊火腿利用真空冷卻從70 ℃冷卻到10 ℃只需要30 min,而在同樣的降溫范圍,風(fēng)冷冷卻的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)624 min。Ozturk等[10]在肉丸的真空冷卻實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),真空冷卻過(guò)程壓力越低,系統(tǒng)的能效系數(shù)越高。隨著科技的進(jìn)步,模擬仿真技術(shù)被逐漸應(yīng)用到各項(xiàng)研究中,建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型可以有效地促進(jìn)技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)明速度。近年來(lái),針對(duì)真空冷卻的各方面研究中,一些專家已經(jīng)成功地建立起了準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。Hu等[11]建立了CFD模型用于模擬多孔食品在真空冷卻過(guò)程中的溫度分布和失水變化,同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比,合理地預(yù)測(cè)到了冷卻時(shí)間和失水率。Drummond等[12]以牛肉為研究對(duì)象,進(jìn)行了浸沒(méi)式的真空冷卻實(shí)驗(yàn),測(cè)試了在不同壓力下,牛肉的冷卻速率、溫度變化以及失水率,并建立了數(shù)值模型對(duì)該冷卻過(guò)程進(jìn)行模擬分析,驗(yàn)證了該模型的可靠性。Jin等[13]建立了一個(gè)模型來(lái)描述真空冷卻圓柱形熟肉的水分運(yùn)動(dòng)。由于熟肉在冷卻過(guò)程中溫度分布不均勻,在熟肉的最高溫度區(qū)首先出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。Wang等[14]研究表明即使是在真空室中分層堆砌的熟肉,真空冷卻仍然可以實(shí)現(xiàn)比強(qiáng)制空氣冷卻更均勻的冷卻。可以看出,在真空冷卻過(guò)程中建立數(shù)學(xué)模型,可以對(duì)該過(guò)程的傳熱傳質(zhì)過(guò)程更直觀、有效地進(jìn)行觀測(cè)評(píng)估,對(duì)真空冷卻領(lǐng)域的研究具有一定的參考價(jià)值。盡管如此,真空冷卻過(guò)程中的最終壓力對(duì)物質(zhì)的冷卻速率和質(zhì)量損失率的關(guān)系還不是很明確,因此,本文針對(duì)目前研究存在的不足,以低鹽臘肉為研究對(duì)象,通過(guò)計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,研究不同冷卻最終壓力對(duì)真空冷卻速率和質(zhì)量損失率的影響,探索最佳的冷卻終壓,為臘肉的快速降溫及貯藏提供參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低鹽臘肉 購(gòu)于臘肉制品商店,每塊約重0.5 kg,呈長(zhǎng)條狀。

真空冷凍機(jī) 江蘇洽愛(ài)納機(jī)械有限公司;CPCA-130Z電容薄膜式絕對(duì)壓力變送器 上海振太儀表有限公司;XMT808-I型智能顯示控制儀采集并顯示 蚌埠傳感器系統(tǒng)工程有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 真空冷卻機(jī)

1.2.1.1 工作原理 為了探究臘肉在真空冷卻過(guò)程中傳熱傳質(zhì)的變化以及變工況的實(shí)現(xiàn),本實(shí)驗(yàn)對(duì)常規(guī)真空冷卻設(shè)備進(jìn)行改進(jìn),使其具有穩(wěn)壓功能,本真空冷卻裝置主要由真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和真空蓄能器組成。采用380 V三相交流電源,裝機(jī)功率:制冷機(jī)組功率為2.25 kW,采用R404a 制冷劑,蒸發(fā)溫度為-35 ℃。冷風(fēng)機(jī)1.08 kW。水環(huán)泵1.45 kW,旋片泵1.5 kW,極限真空度低于100 Pa。實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 真空冷卻機(jī)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of vacuum cooler system

真空系統(tǒng)中水環(huán)泵與真空腔室直接相連,旋片泵經(jīng)由冷阱與真空腔室相連,兩個(gè)泵先后運(yùn)行工作維持整個(gè)系統(tǒng)處于低壓狀態(tài),真空蓄能罐與旋片泵并聯(lián),且一路旁通與冷阱相連,配合多個(gè)電磁閥保證真空腔室壓力維持在極小范圍內(nèi)波動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置真空蓄能罐和相關(guān)電路自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)并穩(wěn)壓。在真空冷卻前,提前將真空蓄能罐的壓力穩(wěn)定在設(shè)定值,在真空冷卻過(guò)程中真空腔室壓力如果超過(guò)設(shè)定值,則連通蓄能罐與真空腔室,蓄能罐吸收壓力能,從而實(shí)現(xiàn)精確調(diào)壓并穩(wěn)壓的作用。

1.2.1.2 數(shù)據(jù)測(cè)量及采集 將臘肉切成0.4 kg的磚塊形,將臘肉放入沸水中蒸煮至中心溫度到80 ℃,擦拭表面水分,快速將加熱后的臘肉放入真空腔室,選擇不同冷卻工藝,設(shè)定冷卻參數(shù),啟動(dòng)真空冷卻機(jī),對(duì)臘肉進(jìn)行冷卻,當(dāng)中心溫度冷卻至20 ℃實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

1.2.1.3 檢測(cè)指標(biāo)的測(cè)定 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中物料溫度采用WZP-Pt100鎧裝鉑電阻測(cè)量,真空腔體內(nèi)壓力變化采用電容薄膜式絕對(duì)壓力變送器測(cè)量,測(cè)量精確度為±0.5%。采用平行梁式稱重傳感器,測(cè)量質(zhì)量變化,測(cè)量精確度為±0.05%,物料的質(zhì)量損失由公式(1)計(jì)算:

式(1)

式中:A:質(zhì)量損失,%;W0:物料真空冷卻前的質(zhì)量,g;Wt:時(shí)刻t物料的質(zhì)量,g;Δt:稱重傳感器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間間隔。

1.2.2 臘肉真空冷卻過(guò)程數(shù)學(xué)模型

1.2.2.1 數(shù)學(xué)模型 實(shí)際真空冷卻過(guò)程極其復(fù)雜,為建立真空冷卻過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)模型,要對(duì)問(wèn)題作出一些假設(shè),將實(shí)際模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化,便于方程求解[15]。對(duì)物料的冷卻過(guò)程的假設(shè)如下:傅里葉定律適用于物料內(nèi)全部區(qū)域;物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻、剛性且各向同性,冷卻過(guò)程中沒(méi)有應(yīng)力影響;在真空冷卻過(guò)程中,產(chǎn)品的熱物性參數(shù)一直保持不變;計(jì)算初始時(shí),物料溫度和水分分布是均勻的;物料表面的輻射熱等值為恒定的熱流量;冷卻過(guò)程中無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。

物料的真空冷卻過(guò)程是一個(gè)多物理場(chǎng)的問(wèn)題,本模型主要包括壓力、熱傳導(dǎo)兩個(gè)物理場(chǎng),涉及到的數(shù)學(xué)模型如下:

物料在真空冷卻過(guò)程中的換熱方程:

式(2)

初始條件：T(x,y,z,t=0)=T0

式(3)

式(4)

式(5)

式中:ρ:物料等效體積密度,kg/m3;C:物料的比熱,J/(kg·K);T:物料的溫度, ℃;T0:物料的初始溫度, ℃;t:物料的冷卻時(shí)間,s;λ:物料的導(dǎo)熱系數(shù),W·(m· ℃)-1;r:物料中心到任一點(diǎn)的徑向變量,m;qv:物料單位體積水分蒸發(fā)吸收的熱量,W·m-3;Tamb:環(huán)境溫度,K;h:物料與外界當(dāng)量傳熱系數(shù),即物料表面與空氣的對(duì)流換熱及其與腔體輻射換熱的換熱系數(shù)當(dāng)量和,W/(m2·s)。

qsf表示物料表面單位面積蒸發(fā)的熱量,W·m-2;表達(dá)式[16-17]為:

式(6)

式中,hvg:蒸發(fā)潛熱,kJ·kg-1;mv:單位體積的蒸發(fā)速率,kJ·(m·s)-1;D:孔隙的直徑,m。

真空冷卻過(guò)程中,水分從物料中蒸發(fā),物料單位體積的蒸發(fā)速率[18]為:

式(7)

在方程(8)中,hm=8.4×10-7kg·(Pa·m2·s)-1是物料的沸騰系數(shù);Pvc:真空室的壓力,Pa;Psat:物料溫度T對(duì)應(yīng)下的飽和溫度,Pa;Psat與物料溫度T的關(guān)系式可以表達(dá)[19]為:

式(8)

1.2.2.2 模型熱物性參數(shù)確定 模型中使用的參數(shù)如表1所示。

表1 模型中的參數(shù)Table 1 Quantitative parameters in the model

使用COMSOL Multiphysics5.4a軟件進(jìn)行模擬計(jì)算、采用Excel軟件處理數(shù)據(jù),采用SPSS 19.0軟件的單因素分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性分析,采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同冷卻終壓下真空腔室壓力變化

圖2顯示了不同冷卻終壓(100、1000、2000 Pa)的壓力變化曲線。為保證壓力測(cè)量的精度,所選真空規(guī)管的量程為0～5120 Pa,所以圖中未能顯示5120～101325.1 Pa的壓力值。由圖2可見(jiàn),5000～2000 Pa這一階段,每條曲線下降速率基本一致。當(dāng)曲線下降到一定值時(shí),曲線突然陡升然后又接著下降,曲線逐漸趨于平緩。這是由于在真空泵啟動(dòng)開(kāi)始,壓力不斷下降最終趨近一個(gè)壓力值,該壓力值根據(jù)泵的極限和真空系統(tǒng)的氣密性相關(guān),但由于系統(tǒng)內(nèi)配置了穩(wěn)壓裝置,可以利用真空蓄能罐和相關(guān)電路自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)并穩(wěn)定。例如,1000 Pa終壓曲線,從5000 Pa下降至929 Pa突然陡升至1530 Pa,接著不斷緩慢下降,最終在963～1041 Pa之間波動(dòng)。觀察數(shù)據(jù)得出,實(shí)驗(yàn)設(shè)備的冷卻最終壓力可以維持在設(shè)定值上下50 Pa之間。

圖2 不同最終壓力下真空腔室壓力變化Fig.2 Pressure variation of vacuum cavityunder different final pressures

2.2 不同冷卻終壓對(duì)臘肉溫度的影響

圖3和圖4分別顯示了在不同冷卻終壓下(100、1000、2000 Pa)真空冷卻過(guò)程中臘肉中心和表面溫度的變化圖,當(dāng)樣品中心溫度從80 ℃降低為20 ℃過(guò)程中所消耗的時(shí)間分別為:28、33、58 min。由圖3、圖4可知,在真空冷卻初期,各個(gè)壓力條件下的表面溫度和中心溫度快速下降,在5 min內(nèi)都從80 ℃左右降至30 ℃,曲線趨勢(shì)基本一致,但中心溫度下降速度較表面溫度更快,2000 Pa的條件下冷卻平均速率1.07 ℃/min,而100 Pa的條件下冷卻平均速率為1.57 ℃/min,結(jié)果表明,冷卻終壓對(duì)熟制臘肉的冷卻速率有影響。在真空冷卻開(kāi)始階段,冷卻終壓越低,溫度下降速度越快。這是因?yàn)檎婵涨皇覊毫υ降?該溫度下水對(duì)應(yīng)的飽和壓力差越大,因水的沸騰蒸發(fā)產(chǎn)生的冷效應(yīng)就越強(qiáng),物料的溫度越低[22]。且臘肉相比于鮮豬肉的自由水含量較少,同時(shí)表面有一層厚厚的油脂將臘肉表面的細(xì)小孔隙堵住,阻礙水分蒸發(fā),增大了水分傳質(zhì)阻力[23]。在5 min后冷卻速度減慢,曲線下降趨勢(shì)減緩,且冷卻終壓越高,減緩趨勢(shì)越明顯。

圖3 不同最終壓力下模擬與實(shí)驗(yàn)中心溫度變化Fig.3 Center temperature variation of simulationand experiment under different final pressures

圖4 不同最終壓力下模擬與實(shí)驗(yàn)表面溫度變化Fig.4 Surface temperature variation of simulationand experiment under different final pressures

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知,在不同的最終壓力下,本文模型預(yù)測(cè)的溫度和質(zhì)量損失變化曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)得變化曲線基本一致,驗(yàn)證了模型的可靠性。其中模擬計(jì)算測(cè)得在100、1000、2000 Pa條件下,樣品中心溫度從80 ℃降至20 ℃各實(shí)驗(yàn)組所需時(shí)間分別為:25、31、57 min。且可以看出,不論是模擬曲線還是實(shí)驗(yàn)曲線都明顯反映出,最終壓力越低,中心和表面冷卻速率越快,即冷卻到指定溫度所需的時(shí)間越短。隨著冷卻時(shí)間的推移,最終壓力越低,其溫度下降速率越快。因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)蒸發(fā)產(chǎn)生冷量由蒸發(fā)速率決定,蒸發(fā)速率又由物料的飽和蒸氣壓與真空腔室壓力的差值決定,壓力差值越大,蒸發(fā)速率越快,產(chǎn)生冷量越大,反之亦然[24]。

2.3 冷卻終壓對(duì)質(zhì)量損失的影響

圖5顯示在不同冷卻終壓下真空冷卻過(guò)程中臘肉質(zhì)量損失的變化情況。其中:冷卻終壓為100 Pa時(shí),實(shí)驗(yàn)測(cè)得損失率為8.0%,模擬計(jì)算得出的損失率為8.5%,當(dāng)冷卻終壓為2000 Pa條件下實(shí)驗(yàn)測(cè)得損失為7.0%,模擬計(jì)算得出的結(jié)果為7.5%。在真空冷卻初期,各個(gè)條件下的質(zhì)量損失變化基本一致,而在后面的階,當(dāng)冷卻終段,最終壓力越高的曲線上升趨勢(shì)越緩慢。結(jié)果表明,冷卻終壓對(duì)熟制臘肉的質(zhì)量損失產(chǎn)生明顯影響。主要原因有以下兩種[25-26]:一是物料內(nèi)的熱量散失主要來(lái)源于水分的蒸發(fā)和環(huán)境對(duì)流及輻射,而終壓越低,水分蒸發(fā)越劇烈,單位時(shí)間水分蒸發(fā)吸收熱量占物料內(nèi)總熱量比例越大,所以終壓越低,則需要更多的水分蒸發(fā)吸熱,從而質(zhì)量損失較大;二是在蒸發(fā)過(guò)程中水分以氣態(tài)的形式遷移,在遷移的過(guò)程中會(huì)攜帶液態(tài)水進(jìn)行移動(dòng),在終壓較高的情況下,氣體被抽走的速率是較慢的,水蒸氣在物料中停留的時(shí)間就越長(zhǎng),則會(huì)有更多的水蒸氣被物料吸收,減緩了質(zhì)量的損失[27]。

圖5同時(shí)還顯示了不同最終壓力下模擬與實(shí)驗(yàn)質(zhì)量損失變化。觀察發(fā)現(xiàn)在模擬曲線和實(shí)驗(yàn)曲線中,得出最終壓力越低,質(zhì)量損失越大的規(guī)律。因?yàn)樽罱K壓力越低,單位時(shí)間內(nèi)水分的蒸發(fā)量越大,此外,壓力越低對(duì)應(yīng)的飽和溫度也越低,物料降溫所需的冷量相應(yīng)提高,導(dǎo)致水分蒸發(fā)總量越大[28],這也驗(yàn)證了上文得出的結(jié)論。

圖5 不同最終壓力下模擬與實(shí)驗(yàn)質(zhì)量損失變化Fig.5 Variation of weight loss of simulationand experiment under different final pressures

2.4 擬合曲線

為探究不同最終壓力對(duì)冷卻速率和質(zhì)量損失影響的規(guī)律,模擬計(jì)算不同最終壓力下中心溫度冷卻至20 ℃所需的時(shí)間以及質(zhì)量損失,并以最終壓力為自變量,分別以冷卻時(shí)間和質(zhì)量損失為因變量擬合成曲線。如圖6、圖7所示,模擬計(jì)算的冷卻時(shí)間與最終壓力近似呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,壓力越低,冷卻時(shí)間越短。而質(zhì)量損失與最終壓力近似呈線性關(guān)系,壓力越低,質(zhì)量損失越大。

圖6 冷卻時(shí)間與最終壓力的擬合曲線Fig.6 Fitting curve of final pressure and cooling time

圖7 質(zhì)量損失與最終壓力的擬合曲線Fig.7 Fitting curve of final pressure and mass loss

3 結(jié)論

本文使用COMSOL Multiphysics軟件,采用傳熱傳質(zhì)模型,對(duì)低鹽臘肉真空冷卻過(guò)程進(jìn)行計(jì)算模擬,并將計(jì)算模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明:采用熱質(zhì)耦合傳遞模型,可以很好地模擬物料真空冷凍過(guò)程中的冷卻速率和質(zhì)量損失率隨最終壓力的變化規(guī)律,計(jì)算模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果基本一致。且實(shí)驗(yàn)測(cè)量和計(jì)算模擬都可以得出,隨著冷卻終壓的降低,物料降溫速率增大,質(zhì)量損失率增加。通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)測(cè)量的冷卻時(shí)間和最終壓力的數(shù)據(jù)和質(zhì)量損失率與最終壓力的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),冷卻時(shí)間與冷卻終壓呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,而質(zhì)量損失與冷卻終壓呈線性函數(shù)關(guān)系。該研究表明,數(shù)值模擬能很好地反映出在真空冷卻中臘肉的冷卻耗時(shí)和質(zhì)量損失,而冷耗時(shí)間和質(zhì)量損失也是衡量真空冷卻工藝優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn),因此本研究為真空冷卻臘肉的工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)及參考。