高瑞林 張健東 李 丹 張春紅*

1.海軍軍醫(yī)大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究中心 上海 200433;2.海軍軍醫(yī)大學(xué)海軍特色醫(yī)學(xué)中心 上海 200433

海運(yùn)以其航程遠(yuǎn)、載貨量大、費(fèi)用低等特點(diǎn)在國(guó)際貿(mào)易中備受關(guān)注,2012—2021年我國(guó)海運(yùn)進(jìn)出口貿(mào)易量保持穩(wěn)定增長(zhǎng),平均增速5%[1]。大型船舶長(zhǎng)遠(yuǎn)航行中,快速高效做好船舶人員的飲食供應(yīng),對(duì)保障船舶人員的生命健康和開展貿(mào)易交流十分重要。目前在大型船舶廚房環(huán)境下,批量食材在烹飪前需先花費(fèi)大量時(shí)間精力進(jìn)行解凍處理,嚴(yán)重拖延廚房人員飲食保障速率,為此我們決定研發(fā)一款裝備加以改善。

1 船舶環(huán)境快速批量解凍裝備應(yīng)用場(chǎng)景

1.1 船舶環(huán)境的介紹

船舶在海上航行時(shí),常常具有時(shí)間長(zhǎng)、風(fēng)浪顛簸、潮濕等惡劣環(huán)境條件,船舶在海上面臨的環(huán)境主要由機(jī)械物理環(huán)境和自然氣候環(huán)境組成。機(jī)械物理環(huán)境是指船舶自身?yè)u擺、船上機(jī)器的振動(dòng)和機(jī)械沖擊等,主要來(lái)自船身受海浪的拍打和船舶自身機(jī)器工作,如柴油機(jī)、電機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng);氣候環(huán)境主要指高溫、高濕、高鹽霧等[2]。對(duì)于船舶的廚房環(huán)境,除了受海洋環(huán)境影響外,炊事作業(yè)時(shí)空氣中水分和油煙霧比其他地方更多,船舶廚房環(huán)境設(shè)備相比陸地環(huán)境設(shè)備有更嚴(yán)格的耐腐蝕、抗振動(dòng)要求,同時(shí)船舶廚房空間狹小、所能容納人員有限,盡可能節(jié)省勞動(dòng)力,防治刮傷、蹭傷人員也為設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的要點(diǎn)。

1.2 船舶遠(yuǎn)航時(shí)食品解凍需求

在船舶遠(yuǎn)航出海前,需提前補(bǔ)充大量食材,船上人員的保障食品大部分需要冷凍儲(chǔ)藏,如各類牛、羊、魚肉。這些食材在烹飪前,首先需要進(jìn)行解凍,對(duì)于要保證上百人飲食的大型船舶,需要解凍的食材量非產(chǎn)大,目前船上采用熱交換水流解凍,耗時(shí)耗力,效率低下,一般要在烹飪前2～3小時(shí)就開始處理。如何快速、呈批量解凍食材對(duì)于提升廚房人員工作效率,保證船舶人員用餐顯得格外重要。

現(xiàn)有市場(chǎng)上食品解凍裝備大多適合陸地使用環(huán)境,并不適用條件惡劣的海洋環(huán)境,即使搬到船艙使用,海況惡劣時(shí),解凍裝備常常無(wú)法工作,難以滿足船舶廚房人員在烹飪時(shí)快速解凍食品的需求。所以,決定研發(fā)的快速批量食品解凍裝備必須滿足在船舶劇烈搖擺、高溫、高濕、高鹽霧、海水腐蝕、淡水資源有限的船舶廚房環(huán)境中良好應(yīng)用。

2 現(xiàn)有食品解凍技術(shù)

2.1 現(xiàn)有解凍技術(shù)的比較

現(xiàn)有的食品解凍技術(shù)主要包括以下三類:(1)熱對(duì)流解凍,即通過(guò)熱交換方式進(jìn)行解凍,將冷凍的食品放于溫度比較高的水等介質(zhì)中解凍,受限于解凍食品與介質(zhì)的接觸面積,解凍食品內(nèi)外層溫差大,所需解凍時(shí)間長(zhǎng),效果差;(2)微波解凍,即將凍結(jié)食品置于特定頻率電磁波環(huán)境下,冷凍食品得以解凍,該方式的解凍過(guò)程不易控制,食品厚薄對(duì)解凍效果影響較大,容易過(guò)度解凍,而且解凍空間不能存在金屬;(3)超聲波解凍,即利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波在凍結(jié)食品中發(fā)生作用,將食品解凍,科研人員發(fā)現(xiàn)食品未凍結(jié)區(qū)對(duì)超聲波的吸收遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于已凍結(jié)區(qū),在克服熱對(duì)流解凍時(shí)間長(zhǎng),微波解凍過(guò)程控制難等缺陷同時(shí),合適頻率和強(qiáng)度的超聲波可實(shí)現(xiàn)快速、高效將食品批量化解凍[3]。解凍速率方面,不同的解凍方法解凍食品的效率有很大區(qū)別,一般來(lái)講微波解凍速率最快,超聲波次之,水浴或空氣熱對(duì)流解凍速率最慢[4]。

2.2 超聲波解凍技術(shù)

超聲波是一種超出人類聽覺(jué)閾值的機(jī)械波,頻率范圍為20～108kHz,分為高頻超聲波和低頻超聲波,能量大于1W/cm2,頻率在20～100kHz之間,屬于低頻高能功率超聲波,在食品的干燥、解凍和過(guò)濾等方面運(yùn)用較多[5-6]。超聲波對(duì)介質(zhì)的作用,主要包括物理效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng),物理效應(yīng)為空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng),化學(xué)效應(yīng)為自由基效應(yīng),超聲波解凍主要是利用超聲波的熱效應(yīng),在解凍過(guò)程中,超聲波的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能,從而使得介質(zhì)的溫度不斷升高,原冷凍食材得以解凍[7-9]。

目前,索原杰、宣曉婷等人研究證明,超聲波技術(shù)在食品解凍中的應(yīng)用已日趨成熟,與現(xiàn)有船舶廚房解凍方法(熱交換解凍)相比,超聲波解凍技術(shù)解凍迅速、均勻,解凍后食品的營(yíng)養(yǎng)和口感都能得以較好保存[9]。因此決定采用超聲波解凍技術(shù),以溫水為傳遞介質(zhì)來(lái)開發(fā)船舶廚房環(huán)境中的食品解凍裝備具有完全的可行性。

3 船舶環(huán)境下使用的超聲波解動(dòng)裝備

3.1 船舶環(huán)境下使用超聲波解凍裝備的原理和組成

本項(xiàng)目研發(fā)的船舶廚房環(huán)境快速批量超聲波解凍裝備,工作原理為采用溫水為傳遞介質(zhì),將高能超聲波快速傳遞到溫水中浸泡的冷凍食品處進(jìn)行解凍,設(shè)備主要由超聲波發(fā)生器、電路控制器、解凍腔室、減振機(jī)構(gòu)、殼體五部分組成;超聲波發(fā)生器可進(jìn)行超聲波定頻、單頻、多頻掃頻多種工作模式,電路控制器實(shí)現(xiàn)定時(shí)間歇工作、水位控制功能;在解凍腔室內(nèi)可貼合薄膜袋使用,薄膜袋阻止了食品中微生物覆著在解凍腔室內(nèi)壁,使用后將其撤除便于消毒清洗,防止或減少了廚房病菌傳播;減振機(jī)構(gòu)大幅減輕來(lái)自船體振動(dòng)搖擺,增強(qiáng)對(duì)船舶復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性能;采用計(jì)算機(jī)三維制圖技術(shù)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì),超聲波解凍裝備如圖1、圖2所示,在船舶缺乏淡水時(shí),本裝備還可以與海水凈化器連接,將海水過(guò)濾后解凍。

圖2 超聲波解凍裝備整體圖

3.2 材料

物質(zhì)材料的選用與設(shè)備工作所在船舶環(huán)境息息相關(guān),裝備的零部件要耐海水腐蝕,重量輕,便于安裝和搬運(yùn)。底面和側(cè)面減振機(jī)構(gòu)要減輕振動(dòng),采用彈性材料組裝設(shè)計(jì),彈性材料為橡膠、乳膠等柔性防水材料,海綿、棉布具有吸水性,可引起設(shè)備腐蝕,排除應(yīng)用;底座、解凍室需承受一定重量可采用耐腐蝕性合金制作,可選不銹鋼、鈦合金、哈氏合金等;蓋體相對(duì)承載力較小,可采用食品級(jí)塑料制作;在解凍室內(nèi)壁要貼合薄膜袋,要確保薄膜袋與出水口之間密封性較好,不會(huì)滲漏,用橡膠密封圈密封;薄膜袋隔開了解凍室內(nèi)壁與解凍介質(zhì)的接觸,可大幅降低腐蝕、阻止微生物的傳播,該薄膜袋由可在海水中降解的環(huán)保材料制成,保護(hù)環(huán)境,避免帶來(lái)海洋垃圾。

3.3 適合船舶使用性能

本超聲波解凍裝備可很好地適應(yīng)船舶廚房環(huán)境,主要具備以下五大特點(diǎn):(1)采用超聲波解凍技術(shù),解凍效率高,解凍均勻,食品營(yíng)養(yǎng)和口感保持較好;(2)在裝備底面、側(cè)面設(shè)置彈性減振墊適應(yīng)船舶的搖擺和振動(dòng)環(huán)境;(3)材料采用耐腐蝕性材料制成,解凍時(shí)還可在解凍室內(nèi)壁貼合可海水降解的薄膜袋使用,防腐蝕同時(shí)還可防止生冷食品中的病菌傳播,保證食品衛(wèi)生安全;(4)入水口與海水過(guò)濾器可直接連接,在淡水缺乏時(shí)可采用海水解凍,節(jié)約水資源;(5)蓋體把手和出水口均采用防撞創(chuàng)新設(shè)計(jì),在船舶擺動(dòng)環(huán)境中,可避免碰撞到作業(yè)人員。

3.4 樣機(jī)試用

制作第一代原理樣機(jī),為滿足船舶廚房大批解凍物資需求,加工制作時(shí)我們將設(shè)備解凍腔尺寸盡可能做大,考慮到把手內(nèi)凹設(shè)計(jì)會(huì)占據(jù)較大解凍腔空間,就將其設(shè)置在頂板上面同樣也可以達(dá)到防撞效果,配備海軍特色醫(yī)學(xué)研究中心特種被裝食品研究室自主研發(fā)的可海水降解薄膜袋使用,第一代原理樣機(jī)如圖3、圖4所示,第一代解凍裝備樣機(jī)參數(shù)指標(biāo)如下表,我們將該原理樣機(jī)配發(fā)給某部隊(duì)遠(yuǎn)洋航行船舶試用,載重2萬(wàn)噸以上,5級(jí)中浪海況下,設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好,解凍效率明顯比原來(lái)水流熱交換解凍方式有較大提高;廚房人員問(wèn)卷反饋,原來(lái)100kg各種肉類解凍需花費(fèi)2～3小時(shí),現(xiàn)在只需要半小時(shí)即可完成,清潔環(huán)保需改進(jìn)的地方為在防撞設(shè)計(jì)上還需進(jìn)一步優(yōu)化。

樣機(jī)參數(shù)表

圖3 樣機(jī)正面圖

A.海水全溶解環(huán)保袋使用方式 B.海水全溶解環(huán)保袋溶解效果

結(jié)語(yǔ)

隨著祖國(guó)的日益強(qiáng)盛,未來(lái)國(guó)際間交流通過(guò)海洋開展會(huì)越來(lái)越多,研究適用船舶環(huán)境食品解凍裝備,對(duì)提升船舶人員的飲食保障效率,減輕廚房人員的工作量很有必要。適用船舶環(huán)境的超聲波快速批量解凍裝備,應(yīng)用超聲波特有性質(zhì)進(jìn)行工作,超聲波除可以解凍食品外,一定頻率超聲波還具有滅菌、清洗果蔬廚具等功能。未來(lái)船舶環(huán)境使用超聲波食品解凍裝備可在保證解凍食品質(zhì)量和解凍效率基礎(chǔ)上,開發(fā)兼具清洗、消毒等多功能一體化裝備,具有更廣泛的市場(chǎng)前景。