（制冷及低温工程专业论文）食品减压冷藏的理论与实验研究.pdfVIP

浙江大学硕士学位 a b s t r a c t t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d y o nh y p o b a d ca n d r e f r i g e r a t e d p r e s e r v a t i o no ff o o d s z h o u g u o y o n g i n s t i t u t eo f r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i c se n g i n e e r i n g ，z h e j i a n g u n i v e r s i t y h a n g z h o u 31 0 0 2 7 ，e r c h i n a a b s 1 1 r a c l h y p o b a r i c a n d r e f r i g e r a t e dp r e s e r v a t i o ni n t e g r a t e s v a c u u m c o o l i n g ，l o w t e m p e r a t u r ep r e s e r v a t i o na n dg a ss t o r a g e i th a st h ef e a t u r eo fl o wt e m p e r a t u r ea n d l o w o x y g e n ，w h i c h r e s t r a i n st h eg r o w t ha n d b r e e d i n go f m i c r o b ea n da b a t e st h eh a r m o fo x y g e na n dc a r b o nd i o x i d et of o o d t h e r e f o r e ，i tn o to n l yh a st h ev i r t u e so ff a s t c o o l i n g ，l o n gs t o r a g et i m e a n dg o o d q u a l i t y , b u ta l s op r o l o n g s s h e l f l i f eo f f o o d s 1 t h eh i s t o f i c a id e v e l o p m e n to f f o o d ss t o r a g ea n di t sc u r r e n ts t u d yd o m e s t i ca n d a b r o a dw e r er e v i e w e d h y p o b a r i ca n dr e f r i g e r a t e dp r e s e r v a t i o nw a sp u tf o r w a r df r o m t h ec o m b i n a t i o n o f r e f r i g e r a t e ds t o r a g ea n d l o w e r p r e s s u r et e c h n o l o g y a tt h ef i r s tt i m e t h ef o o d sw e r ep r e s e r v e da tt h et e m p e r a t u r ea b o v ei t sf r e e z i n gp o i n to rt h ec r i t i c a l t e m p e r a t u r e b e l o w w h i c ht h ec o l dh a r mo c c u r r e d 2 t h ec h a n g eo fw a t e ra n dt e m p e r a t u r ea tt h ef o o ds u r f a c ea n di n s i d ef o o dh a d b e e na n a l y z e di nt h eh y p o b a r i ce n v i r o n m e n ta sw e l la st h e i rr e l a t i o n s h i p ap h y s i c a l m o d e la n dam a t h e m a t i c sm o d e lw e r es e tu po nt h ec h a n g eo f w a t e ra n d t e m p e r a t u r e 3 ap r o p e rn u m e r i c a lm e t h o dw a sc h o s e nt oc a l c u l a t et h ec h a n g eo fw a t e ra n d t e m p e r a t u r ei n s i d ef o o dd u r i n gt h ec o o l i n gp r o c e d u r ei nt h eh y p o b a r i ce n v i r o n m e n t b yc o m p u t e nt h e t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o nw a su s e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo f p r e s s u r e ， d i f f e r e n to p e r a t i o n ，w e ts u r f a c ea n dt h r e ek i n d so f s h a p et ot h ec o o l i n go f f o o d 4 a n e x i s t i n ge x p e r i m e n t a la p p a r a t u s i nt h ei n s t i t u t ew a sr e b u i l tf o re x p e r i m e n t ， a n dd e t a i l e de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hh a db e e nc a r d e do u t 5 t h ee f f e c to ft h ep r e s e r v a t i o nw a sf i n e 、i t l l t h e g u i d a n c e o ft h e o r e t i c a l s i m u l a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f i e dt h a tt h et h e o r e t i c a lm o d e lw a sf i t t h e q u a l i t yo fp r e s e r v a t i o nw a sg o o d ，a sl o n ga st h ep r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e a n dm o i s t u r ei n t h ea i rw e r ea p p r o p r i a t e k e y w o r d ：f o o d sh y p o b a r i ca n dr e f r i g e r a t e dp r e s e r v a t i o n s i m u l a t i o nh e a t t r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e r e x p e r i m e n t i i 浙江大学硕士学位常用符号表 常用符号表 p密度 w 食品中水分含量 c 。定压比热容 t温度 k导热系数 x质量百分含量或深度 x 体积分数或摩尔深度 g 吉布斯自由能 h焓 s熵 u化学势 r气体常数 食品的特性尺寸 a 。水分活度 m质流通量、 数值计算中食品内部节点计数 n摩尔通量 d质扩散率 j摩尔质量 v混合成分总体积 贮藏空间容积 p 分压 p气体总压 l传质阻力层厚度 a食品传质、换热面积 v扩散速度 r食品中的空间位置 n形状因子：无限大平板为l ， 无限长圆柱为2 ，球体为3 。 q 单位面积传热量 d 。有效湿扩散系数 l水的气化潜热 下标 水、水蒸气 除水分以外的其它组分 组元号 食品表面 环境 空气 食品表面节点计数 数值计算中内部节点计数 上标 e环境 f食品表面 i时间步长 o理想状态 w o ”f e a m m 浙j 工大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 冷却冷藏是食品保鲜的常用方法之一，但它只能在短期内保证食品质量， 要实现食品的长期贮藏，不能仅靠单纯的冷藏，必须结合其它措施，减压冷藏 是其中的一种方法。 1 1 技术简介 减压冷藏是集真空冷却、气调贮藏、低温保存和减压技术于一体的食品贮 藏方法。按食品在贮藏中的温度变化可分为减压冷却和低压冷藏两个阶段。食 品首先在减压低温条件下冷却，在这一过程中，食品通过水分蒸发与环境进行 热、湿交换，温度迅速降低。在后一阶段中，当食品与环境的温度、湿度达到 平衡后，就处在一个低压低温的环境中贮藏。在低温低压环境中，氧气、二氧 化碳等气体的含量相应减少，对果蔬而言，能够降低呼吸强度，并抑制乙烯生 物合成，延缓叶绿素分解，抑制类胡萝b 素和番茄红素合成，减缓淀粉水解， 糖分增加与酸的消耗等过程，从而延缓果蔬的成熟和衰老。通过与外界气体交 换，还能迅速排除贮藏环境中的有害气体，如乙烯、乙醇、乙醛、乙酸等：防 止和减少各种贮藏生理病害，如酒精中毒等。而对于动物性食品而言，氧气浓 度的减少，可以防止脂肪氧化。低温有降低果蔬的呼吸作用，推迟后熟，降低 水分蒸发；低温还能够抑止微生物的生存、发育和繁殖，降低酶的活性，阻止 寄生虫的繁殖或者使之死亡。因此减压冷藏不仅可以保持新鲜水果和蔬菜的 品质、硬度、色泽等，也能很好地对肉类、花卉等进行保鲜o “。 食品的减压冷藏是将食品置于密闭容器内，抽出容器内部分空气，使压力 降到规定要求( 根据需要可以经压力调节器输送新鲜湿空气( r h8 0 1 0 0 ) ， 整个系统不断地进行气体交换，以维持贮藏容器内压力的动态恒定和保持一定 的湿度环境) 。同时，利用人工制冷降低贮藏环境的温度，带走食品本身的显热、 呼吸热及漏热。它的技术原理是在普通冷藏的基础上引入减压技术，并在冷藏 期间保持恒定的低压、低温。按真空泵的运行方式，主要可分为定期抽气式( 静 止式) 和连续抽气式( 连续式) 两种工作方式，前者是先从减压室内抽气达到要求 的真空度后停止抽气，适时补充空气并抽空，以维持规定的低压。这种方式虽 可促进食品内部的挥发性成分向外扩散，却不能使这些物质不间断地排到减压 室外。而连续式减压冷藏能较好的解决这一问题，即把减压室抽空到要求的低 压( 压力因食品种类而异) ，新鲜空气通过加湿器提高湿度再经压力调节器输入 冷藏室：整个系统连续运转，等量地不断抽气和输入空气，保持压力恒定，食 浙j 工大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 冷却冷藏是食品保鲜的常用方法之一，但它只能在短期内保证食品质量， 要实现食品的长期贮藏，不能仅靠单纯的冷藏，必须结合其它措施，减压冷藏 是其中的一种方法。 1 1 技术简介 减压冷藏是集真空冷却、气调贮藏、低温保存和减压技术于一体的食品贮 藏方法。按食品在贮藏中的温度变化可分为减压冷却和低压冷藏两个阶段。食 品首先在减压低温条件下冷却，在这一过程中，食品通过水分蒸发与环境进行 热、湿交换，温度迅速降低。在后一阶段中，当食品与环境的温度、湿度达到 平衡后，就处在一个低压低温的环境中贮藏。在低温低压环境中，氧气、二氧 化碳等气体的含量相应减少，对果蔬而言，能够降低呼吸强度，并抑制乙烯生 物合成，延缓叶绿素分解，抑制类胡萝b 素和番茄红素合成，减缓淀粉水解， 糖分增加与酸的消耗等过程，从而延缓果蔬的成熟和衰老。通过与外界气体交 换，还能迅速排除贮藏环境中的有害气体，如乙烯、乙醇、乙醛、乙酸等：防 止和减少各种贮藏生理病害，如酒精中毒等。而对于动物性食品而言，氧气浓 度的减少，可以防止脂肪氧化。低温有降低果蔬的呼吸作用，推迟后熟，降低 水分蒸发；低温还能够抑止微生物的生存、发育和繁殖，降低酶的活性，阻止 寄生虫的繁殖或者使之死亡。因此减压冷藏不仅可以保持新鲜水果和蔬菜的 品质、硬度、色泽等，也能很好地对肉类、花卉等进行保鲜o “。 食品的减压冷藏是将食品置于密闭容器内，抽出容器内部分空气，使压力 降到规定要求( 根据需要可以经压力调节器输送新鲜湿空气( r h8 0 1 0 0 ) ， 整个系统不断地进行气体交换，以维持贮藏容器内压力的动态恒定和保持一定 的湿度环境) 。同时，利用人工制冷降低贮藏环境的温度，带走食品本身的显热、 呼吸热及漏热。它的技术原理是在普通冷藏的基础上引入减压技术，并在冷藏 期间保持恒定的低压、低温。按真空泵的运行方式，主要可分为定期抽气式( 静 止式) 和连续抽气式( 连续式) 两种工作方式，前者是先从减压室内抽气达到要求 的真空度后停止抽气，适时补充空气并抽空，以维持规定的低压。这种方式虽 可促进食品内部的挥发性成分向外扩散，却不能使这些物质不间断地排到减压 室外。而连续式减压冷藏能较好的解决这一问题，即把减压室抽空到要求的低 压( 压力因食品种类而异) ，新鲜空气通过加湿器提高湿度再经压力调节器输入 冷藏室：整个系统连续运转，等量地不断抽气和输入空气，保持压力恒定，食 浙江丈学硕士学位论文 第一章绪论 品始终处于恒定的低压、低温和湿润新鲜的气体之中。3 。减压冷藏的关键是控 制温度和压力，环境的温度必须在食品的冰点或产生冷害的临界温度以上，保 证食品不受冻害或冷害：环境压力过低，食品会失水过多而影响其品质。 1 2 减压冷藏的优缺点 随着真空系统的运作，环境中空气压力降低，各种气体组分都相应的减少。 低压降低了氧气和二氧化碳等气体对食品质量产生的副作用，克服了气调贮藏 中降氧缓慢的缺点。食品表面水分蒸发所带走的潜热使其温度迅速降低。减压 使食品组织内外形成压力差，以此压力差为动力，食品组织内的气体成分向外 扩散，避免了食品中有害气体影响其品质( 催熟、变质) ，因此减压冷藏能够快 速降低食品温度、环境中氧气和其它有害气体成分，并具有以下优点： ( 1 ) 贮藏时间长，保存质量好，延长了货架期。食品的冷却速度快有利于保 存食品质量。经减压贮藏的食品，在解除低压后，其后熟与衰老过程仍然缓慢， 故经减压贮藏的食品有较长的货架期。减压冷藏中，食品不会受到任何机械损 伤；其蛋白质、脂肪、糖类、维生素并未受到损失；较低的氧气含量可使食品 保持原来色泽。 ( 2 ) 贮存方便。在减压冷藏中，食品产生的气体向外扩散速度很大，食品可 以密集堆放，各部位能保持相对均匀的温度、湿度和气体成分。在减压冷藏中 不会因食品种类不同而造成串味或加速变质，所以不同种类的食品可以混合存 放 ( 3 ) 节能、经济。减压冷藏不同于气调贮藏需要提供其他气体，省去了气体 发生器和二氧化碳脱除设备等。减压冷藏库的降温速度相当快，所以减压冷藏 的食品可不通过预冷，直接入库贮藏，减少了预冷费用。尤其在运输方面，节 约了时间，加速了货物的流通速度。 ( 4 ) 环保、卫生。在减压冷藏中不需要添加任何药品，不用防腐剂和保鲜剂， 没有任何污染和致害物。 减压贮藏虽有许多优点，但它也存在一些问题。首先是减压贮藏的建筑费 用比普通冷库高得多，甚至比气调贮藏库还要高。因此，到目前为止，这种方 法在实践中推广还有一定困难。其次食品易失水，故减压冷藏中特别要注意湿 度控制，最好在通入的气体中，增设加湿装置。第三是食品香味降低，减压贮 藏后，食品易损失原有的香气和风味；但有些食品在常压下放置一段时间后， 风味有些恢复。对于那些中空的仁果类食品如甜椒，在减压冷藏中会因为里面 的空气被抽出而造成变形。1 ，失去鲜活商品的价值。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 3 应用及意义 减压冷藏具有很多优点，可以贮藏水果、蔬菜、肉类、鱼类、果浆、烤制 品以及熟食等多种食品，是一种绿色环保的食品贮藏方法。发展减压冷藏技术 可以缓解我国目前因为贮藏手段落后所引起的食品损失，尤其在农产品方面。 由于历史原因和地理位置的差异，我国各个地区的地域经济发展程度不一， 而各地的食品供求结构也各不相同。我国东部沿海地区经济发达，人们生活水 平相对较高：同时这些地区地处沿海，接受国际市场信息快，所以东部地区食 品市场无论是需求结构还是供应结构与中、西部地区相比都趋于更高级、多样 化。然而由于土地资源的限制，食品的供给，尤其是粮食及以粮食为基础的转 化食品的增长面临着很大的压力。在技术不变的情况下，生产的增长不仅要受 边际收益递减规律的制约，增量的获得需要付出较大的经济代价，甚至牺牲其 他收益，而且在保护不善的情况下，还可能要支付巨大的环境成本，如生产资 源枯竭、生态退化、环境污染等。而在我国中、西部地区土地辽阔、自然资源 丰富，人们勤劳；但因为地处祖国内陆，交通不便，而且食品有严格的卫生及 质量要求；所以在许多边远地区，虽然蕴藏着大量鲜活资源，但由于贮藏技术 和运输技术条件的限制，这些食品不能构成我国消费市场上的有效供给“3 。 经过几十年努力，我国科技取得了巨大进步，但农业还占相当大的比重， 出口产品也以食品为主。与发达国家相比，目前我国的农业科技水平还落后2 0 年左右。未来十年，我国农业科技必将要取得重大进展，其中之一就是农产品 加工增值技术研究，即农产品贮藏、保鲜、深加工等，从而优化农业结构，发 展农村经济。我国每年由于食品贮藏不善造成的损失非常惊人，以水果为例， 年腐烂损耗达4 0 0 万吨，占产量的1 5 2 0 。1 9 9 9 年底，我国水果产量已经 达到6 0 0 0 万吨，名列世界第一。但是我国目前果品总贮量仅为1 0 0 0 万吨，水 果采后机械化商品处理量不足1 0 ，贮藏技术也相对落后，每年在果蔬方面的 损失约为7 5 0 亿元人民币，损失费用也高居世界榜首“。 长期以来，我国重视采前栽培，却忽视采后的保鲜储备。因此如何保存好 食品，不仅仅可以让人们吃得更好，而且还具有很大的经济价值。再如我国的 蘑菇，在欧美市场上很受欢迎，但是蘑菇在常温下容易变质不易保存，空运又 大大增加了食品成本，限制了蘑菇出口产量。 我国已加入了w t o ，这有利于优化我国农业与食品供求结构，使我国能以国 内资源禀赋为起点，根据国际市场需求的变化，参与国际分工与交换，合理调 整农业与食品供求结构，促进和带动国内产业结构的发展和升级。但是食品贮 藏、运输和销售技术水平已经制约和影响我国食品供应结构的变化，我国食品 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 将面临着来自国际和国内的双重挤压。 近年来，我国食品贮藏、保鲜技术有了很大提高，但从技术上讲还不是很 合理。因此，我国的食品贮藏和加工具有很大的市场潜力，除了保鲜和深加工 带来的高附加值外，仅减少现有损失，就可为国家带来近千亿元的效益。因此 发展先进的贮藏技术对实现地区间供求平衡、形成全国性的食品统一市场，和 改善我国食品结构，加快我国经济发展都有重大意义“。 1 4 食品冷藏与减压技术的研究历史 1 9 世纪随着西方工业革命的推进，制冷技术也迅速发展，人工制冷技术获 得空前成功，压缩式和吸收式制冷机相继问世，并广泛应用于各行业。低温贮 藏逐渐开始走上工业化道路，美国于1 8 8 1 年在波士顿城兴建了第一个机械冷藏 设施，此后，食品低温贮藏在美国和其他一些国家迅速发展。 制冷技术在商业上的应用主要是对易腐食品进行冷加工、冷藏及冷藏运输， 以减少生产和分配中食品的损耗，保证各个季节市场的合理销售。现代化的食 品工业，从食品生产、贮运到销售已经形成一条完整的冷链。所采用的制冷装 置有冷库、冷藏汽车、冷藏船以及冷藏列车等。另外还有供食品零售商店、餐 厅等商业冷藏柜”1 。 用低温贮藏保鲜的极限温度是近冰点温度或冷害的临界温度之上以防止 食品产生冻害或冷害，但冷藏并不能保证食品质量不下降，它的贮藏期只有数 天到几个星期。要进一步保持食品质量并延长贮藏寿命，必须在控制低温的基 础上引入新的技术措施。 1 9 5 7 年w o r k m a n 和h u m m e l 等注意到，一些果蔬食品在冷藏的基础上再加 上降低气压可进一步降低呼吸水平和乙烯的生成，从而延长贮藏寿命。1 9 6 6 年美国迈阿密大学教授s t a n e yb u r g 。1 博士通过对低气压贮藏方法的研究探索 后，提出了完整的减压贮藏理论和技术。7 0 年代在b u r g 的倡导下，低气压贮 藏逐步迈向了广泛研究的道路。德国、以色列以及美国的科学家们对低压贮藏 技术作出了重要贡献，先后在白条猪肉、牛肉、虾、草莓、木瓜、柠檬、甜瓜 等肉类及果蔬上获得了显著的贮藏效果。从1 9 7 5 年起。美国开始有供商业应用 的减压系统设备。 w i lli a mj 。1 通过对新鲜肉类、水果和蔬菜减压贮藏实验，指出了用减压 贮藏的方法的可行性和应用前景。不少学者倡导将减压冷藏技术应用于食品的 运输和贮藏，这一时期许多发达国家对减压贮藏十分关注，也做了许多研究， 但限于当时的制造水平，在推广和实施过程没能解决昂贵的罐体容器造价问题， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 将面临着来自国际和国内的双重挤压。 近年来，我国食品贮藏、保鲜技术有了很大提高，但从技术上讲还不是很 合理。因此，我国的食品贮藏和加工具有很大的市场潜力，除了保鲜和深加工 带来的高附加值外，仅减少现有损失，就可为国家带来近千亿元的效益。因此 发展先进的贮藏技术对实现地区间供求平衡、形成全国性的食品统一市场，和 改善我国食品结构，加快我国经济发展都有重大意义“。 1 4 食品冷藏与减压技术的研究历史 1 9 世纪随着西方工业革命的推进，制冷技术也迅速发展，人工制冷技术获 得空前成功，压缩式和吸收式制冷机相继问世，并广泛应用于各行业。低温贮 藏逐渐开始走上工业化道路，美国于1 8 8 1 年在波士顿城兴建了第一个机械冷藏 设施，此后，食品低温贮藏在美国和其他一些国家迅速发展。 制冷技术在商业上的应用主要是对易腐食品进行冷加工、冷藏及冷藏运输， 以减少生产和分配中食品的损耗，保证各个季节市场的合理销售。现代化的食 品工业，从食品生产、贮运到销售已经形成一条完整的冷链。所采用的制冷装 置有冷库、冷藏汽车、冷藏船以及冷藏列车等。另外还有供食品零售商店、餐 厅等商业冷藏柜”1 。 用低温贮藏保鲜的极限温度是近冰点温度或冷害的临界温度之上以防止 食品产生冻害或冷害，但冷藏并不能保证食品质量不下降，它的贮藏期只有数 天到几个星期。要进一步保持食品质量并延长贮藏寿命，必须在控制低温的基 础上引入新的技术措施。 1 9 5 7 年w o r k m a n 和h u m m e l 等注意到，一些果蔬食品在冷藏的基础上再加 上降低气压可进一步降低呼吸水平和乙烯的生成，从而延长贮藏寿命。1 9 6 6 年美国迈阿密大学教授s t a n e yb u r g 。1 博士通过对低气压贮藏方法的研究探索 后，提出了完整的减压贮藏理论和技术。7 0 年代在b u r g 的倡导下，低气压贮 藏逐步迈向了广泛研究的道路。德国、以色列以及美国的科学家们对低压贮藏 技术作出了重要贡献，先后在白条猪肉、牛肉、虾、草莓、木瓜、柠檬、甜瓜 等肉类及果蔬上获得了显著的贮藏效果。从1 9 7 5 年起。美国开始有供商业应用 的减压系统设备。 w i lli a mj 。1 通过对新鲜肉类、水果和蔬菜减压贮藏实验，指出了用减压 贮藏的方法的可行性和应用前景。不少学者倡导将减压冷藏技术应用于食品的 运输和贮藏，这一时期许多发达国家对减压贮藏十分关注，也做了许多研究， 但限于当时的制造水平，在推广和实施过程没能解决昂贵的罐体容器造价问题， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 没有形成大规模的工业应用。随着科技发展和制造水平的不断提高，同时其它 食品贮藏技术越来越不能满足人们对食品需求的质量，人们又把目光重新投向 减压贮藏技术。 在我国，许多学者也开始了对减压贮藏进行研究，汪毓萼“3 等人对芋艿在 不同压力和温度下的保存时间和质量进行了比较研究。陈椒，张青。3 等研究了 鲜肉真空冷却保鲜工艺。 阻碍减压技术发展的关键问题是设备的耐压和造价问题，我国科学工作者 在这方面做出了巨大贡献。1 9 9 1 年，内蒙古包头市农业新技术研究所科技人员 通过多年的研究，采取在罐体截面内增加一系列抗压措施，获得了减压贮藏罐 生产的关键性突破，使得罐体容器的造价大幅度减少，重量也大大减轻，具有 国际领先优势，并为减压贮藏技术的推广提供了坚实的技术基础。1 9 9 7 年世界 上第一座千吨级的减压贮藏保鲜库在包头市顺利诞生，它标志着这一新兴产业 迈进了工业化运营道路。国家农产品保鲜工程技术研究中心的研究人员研制出 一种简易的小型减压贮藏装置。采用金属或非金属的塑料管和塑料膜，利用结 构力学和气密原理，研制出了减压耐真空贮藏容器系统，从根本上解决了大型 减压库投资过高的问题，是一种实用的减压装置。 上海电动工具研究所成功地研究出了真空冷却气调保鲜技术，并设计了一 套v a c 一3 真空冷却气调保鲜装置，这是一套集真空、速冷、气调、包装、贮运 与机电一体化产品。 一些学者开始对低压条件下的食品的传热、传质进行了研究，如k a r i n t h o r v a l d s s o n8 1 等对水分扩散和传热以及蒸气的运动进行了建模处理，利用模 型研究食品的传热、传质过程：d e l u s t o n d o “”等人对在超热流低压下食品的 水分蒸发进行了分析与建模，得出了一个含有两个经验参数的数学模型，需要 通过实验数据来拟合这两个参数；v a s s i l i sg e k a s 1 建立了水分扩散的传质模 型，上述研究大都停留在食品热加工这一领域，如低压热风干燥食品等。然而 对于低温、低压条件下食品的传热、传质还没有学者进行过详细的研究。 i 5 本文的研究工作 本文的研究主要对象是去皮的果蔬类食品。与动物类食品不同，大多数果 蔬类食品具有良好的各向同性和成分均一性。在减压冷藏中，食品的传热、传 质不同于常压冷藏中的食品换热方式，分子扩散引起的传质换热是其冷却的主 要方式。 本文的主要内容包括：分析在减压条件下食品表面、内部水分和温度的变 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 没有形成大规模的工业应用。随着科技发展和制造水平的不断提高，同时其它 食品贮藏技术越来越不能满足人们对食品需求的质量，人们又把目光重新投向 减压贮藏技术。 在我国，许多学者也开始了对减压贮藏进行研究，汪毓萼“3 等人对芋艿在 不同压力和温度下的保存时间和质量进行了比较研究。陈椒，张青。3 等研究了 鲜肉真空冷却保鲜工艺。 阻碍减压技术发展的关键问题是设备的耐压和造价问题，我国科学工作者 在这方面做出了巨大贡献。1 9 9 1 年，内蒙古包头市农业新技术研究所科技人员 通过多年的研究，采取在罐体截面内增加一系列抗压措施，获得了减压贮藏罐 生产的关键性突破，使得罐体容器的造价大幅度减少，重量也大大减轻，具有 国际领先优势，并为减压贮藏技术的推广提供了坚实的技术基础。1 9 9 7 年世界 上第一座千吨级的减压贮藏保鲜库在包头市顺利诞生，它标志着这一新兴产业 迈进了工业化运营道路。国家农产品保鲜工程技术研究中心的研究人员研制出 一种简易的小型减压贮藏装置。采用金属或非金属的塑料管和塑料膜，利用结 构力学和气密原理，研制出了减压耐真空贮藏容器系统，从根本上解决了大型 减压库投资过高的问题，是一种实用的减压装置。 上海电动工具研究所成功地研究出了真空冷却气调保鲜技术，并设计了一 套v a c 一3 真空冷却气调保鲜装置，这是一套集真空、速冷、气调、包装、贮运 与机电一体化产品。 一些学者开始对低压条件下的食品的传热、传质进行了研究，如k a r i n t h o r v a l d s s o n8 1 等对水分扩散和传热以及蒸气的运动进行了建模处理，利用模 型研究食品的传热、传质过程：d e l u s t o n d o “”等人对在超热流低压下食品的 水分蒸发进行了分析与建模，得出了一个含有两个经验参数的数学模型，需要 通过实验数据来拟合这两个参数；v a s s i l i sg e k a s 1 建立了水分扩散的传质模 型，上述研究大都停留在食品热加工这一领域，如低压热风干燥食品等。然而 对于低温、低压条件下食品的传热、传质还没有学者进行过详细的研究。 i 5 本文的研究工作 本文的研究主要对象是去皮的果蔬类食品。与动物类食品不同，大多数果 蔬类食品具有良好的各向同性和成分均一性。在减压冷藏中，食品的传热、传 质不同于常压冷藏中的食品换热方式，分子扩散引起的传质换热是其冷却的主 要方式。 本文的主要内容包括：分析在减压条件下食品表面、内部水分和温度的变 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 化规律，以及两者之间的联系，建立物理模型、数学模型和数值计算方法。通 过理论计算分析压力、温度、湿度以及换气对食品的冷却速度、水分含量变化 的影响。改建实验台、对不同减压冷藏运行模式和三种不同形状的食品进行详 细的实验研究。 浙江大学硕士学位论文 第二章理论基础 第二章理论基础 食品的营养成分可分为有机物质和无机物质两大类。无机物质直接来自于自 然界中的水和盐等物质，而有机物质主要来自于两个方面：植物和动物。植物性 食品主要包括各种谷物、果品和蔬菜等：动物性食品主要指家畜、禽肉、鱼类、 蛋类和乳品等。植物性食品在冷藏过程中是有生命的活的物体，靠自身的物质消 耗来维持生命的代谢活动，可继续完成成熟、衰老、死亡等过程。动物性食品除 鲜蛋是有生命体产品外，其它均为无生命食品。无论是有生命食品还是无生命食 品，其自身均进行着一系列的生物化学反应，同时微生物也不断地对其进行浸染， 使食品最终腐烂变质。 2 1 食品主要成分 食品的主要化学成分有：蛋白质、脂肪、糖类、酶、水分和矿物质。由于它 们的生物化学性质不同，对人体的营养价值也不同。在贮藏中应尽量减少或避免 营养成分的破坏与损失，保持新鲜食品的营养价值与风味“。 蛋白质是构成一切生命体的重要物质，也是食品冷藏加工中保存的主要对 象。大分子的蛋白质在酸、碱、酶等物质作用下可发生水解反应，最终水解为较 小分子的氨基酸。蛋白质是亲水化合物，在水溶液中，由于其表面带有很多极性 基团，被具有极性的水分子所包围，使蛋白质颗粒分散在水溶液中呈溶胶状态。 蛋白质颗粒周围的水分子是从有序到无序排列逐渐变化的，越靠近蛋白质颗粒的 水分子，与其结合力越强，其溶解度、蒸汽压、冰点等均显著下降，而粘度上升。 当蛋白质受不同温度和其它作用时，蛋白质的物理和生物化学性质会发生变化， 这是蛋白质的变化性现象。变性蛋白质在溶液中溶解度下降，同时也推动了其生 理活性功能。如蛋清受热凝固、毛发受热卷曲、肉类解冻后汁液流失。 脂肪主要由甘油和脂肪酸组成，其中也常有少量的色素、脂溶性维生素和抗 氧化酸。脂肪的性质与脂肪酸关系很大，脂肪酸可分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪 酸。脂肪中含有的饱和脂肪酸成分越多，其流动性越差。习惯上称常温下呈固态 的脂肪称为脂，液态的称为油。在冷藏中需要关注的是脂肪的水解和氧化作用， 脂肪在酸、碱溶液中或在微生物作用下可迅速水解为甘油和脂肪酸，使甘油分离 出来。脂肪酸在酶的一系列催化作用下生成酮酸，脱羧后成为具有苦味及臭味的 酮类。另外脂肪酸链中不饱和键被空气中的氧所氧化，生成过氧化物。过氧化物 继续分解产生具有刺激性气味的醛、酮或酸等物质。脂肪氧化也称为脂肪酸败， 浙江大学硕士学位论文 第二章理论基础 第二章理论基础 食品的营养成分可分为有机物质和无机物质两大类。无机物质直接来自于自 然界中的水和盐等物质，而有机物质主要来自于两个方面：植物和动物。植物性 食品主要包括各种谷物、果品和蔬菜等：动物性食品主要指家畜、禽肉、鱼类、 蛋类和乳品等。植物性食品在冷藏过程中是有生命的活的物体，靠自身的物质消 耗来维持生命的代谢活动，可继续完成成熟、衰老、死亡等过程。动物性食品除 鲜蛋是有生命体产品外，其它均为无生命食品。无论是有生命食品还是无生命食 品，其自身均进行着一系列的生物化学反应，同时微生物也不断地对其进行浸染， 使食品最终腐烂变质。 2 1 食品主要成分 食品的主要化学成分有：蛋白质、脂肪、糖类、酶、水分和矿物质。由于它 们的生物化学性质不同，对人体的营养价值也不同。在贮藏中应尽量减少或避免 营养成分的破坏与损失，保持新鲜食品的营养价值与风味“。 蛋白质是构成一切生命体的重要物质，也是食品冷藏加工中保存的主要对 象。大分子的蛋白质在酸、碱、酶等物质作用下可发生水解反应，最终水解为较 小分子的氨基酸。蛋白质是亲水化合物，在水溶液中，由于其表面带有很多极性 基团，被具有极性的水分子所包围，使蛋白质颗粒分散在水溶液中呈溶胶状态。 蛋白质颗粒周围的水分子是从有序到无序排列逐渐变化的，越靠近蛋白质颗粒的 水分子，与其结合力越强，其溶解度、蒸汽压、冰点等均显著下降，而粘度上升。 当蛋白质受不同温度和其它作用时，蛋白质的物理和生物化学性质会发生变化， 这是蛋白质的变化性现象。变性蛋白质在溶液中溶解度下降，同时也推动了其生 理活性功能。如蛋清受热凝固、毛发受热卷曲、肉类解冻后汁液流失。 脂肪主要由甘油和脂肪酸组成，其中也常有少量的色素、脂溶性维生素和抗 氧化酸。脂肪的性质与脂肪酸关系很大，脂肪酸可分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪 酸。脂肪中含有的饱和脂肪酸成分越多，其流动性越差。习惯上称常温下呈固态 的脂肪称为脂，液态的称为油。在冷藏中需要关注的是脂肪的水解和氧化作用， 脂肪在酸、碱溶液中或在微生物作用下可迅速水解为甘油和脂肪酸，使甘油分离 出来。脂肪酸在酶的一系列催化作用下生成酮酸，脱羧后成为具有苦味及臭味的 酮类。另外脂肪酸链中不饱和键被空气中的氧所氧化，生成过氧化物。过氧化物 继续分解产生具有刺激性气味的醛、酮或酸等物质。脂肪氧化也称为脂肪酸败， 浙江大学硕士学位论文 第二章理论基础 脂肪酸败不但使脂肪失去营养，而且也会产生毒性“。 水分是食品的主要成分之一，不同食品的水分含量相差很大，动物性食品中 的水分含量依其品种、年龄、生长状态的不同而有所差别，而且同一种动物中各 组织的含水量亦有很大差异。新鲜水果和蔬菜含水量更大，一般在8 0 9 5 ， 最高的9 7 左右，最低的也有6 7 上下。若果蔬中的水分减少5 以上，就会 失去鲜嫩的品质，影响食用价值。而且由于水分减少，果蔬中酶的活性增强，加 快了果蔬的化学反应速度，导致营养物质损失，果蔬的耐藏性和抗病性减弱，引 起品质劣变，贮藏期明显缩短“。 食品中还有如维生素、酶、矿物质等常量元素和微量元素，虽然它们对食品 的热物性参数影响不大，但是对于维持生理过程，正常代谢，生物化学过程是不 可缺少的。在食品的贮藏过程中要密切保证它们的含量。 食品中的糖类也称碳水化合物，主要存在于植物性食品中，占植物干重的 5 0 8 0 。糖是人体重要代谢过程的主要物质成分，糖类般可分为单糖、低 聚糖和多糖，其中淀粉、纤维素和果胶属于多糖类。在食品的成分中，糖类最不 易变质。 2 2 食品的熟物理性质 对食品热物理性质研究的深度可以反映出人们对食品冷却速率的预测能力 的大小。早期对食品加热或冷却过程中的传热分析需要假定食品的热力性质是不 变的常量，这样的分析往往过分简化而不够精确。在非稳态条件下的食品热物理 性质随时间、温度、以及在加热或冷却中所处位置有关。这就需要我们有比较精 确的热物理性质数据和更完善的方法。 食品的热物理性质一般主要是由其组成成分决定的，随着对食品组成成分不 断深入了解，对食品的热物理性质也越来越量化了。对于一个理想化的食品，只 要知道它的组成、温度、密度，就能预测它在冷却或者加热过程中的热物理性质。 另一方面，随着科学技术的发展，越来越多的食品出现在人们的餐桌上，迫切需 要科技工作者了解不同种类食品的热物理性质。 食品的热物理性质计算公式通常需要实验数据来确定。也就是说通过统计实 验数据拟合，而不是仅通过对传热分析理论推导而得到。食品的热物理性质是一 个关于温度、组分的函数，在温度变化范围不大的情况下，可以认为热物理性质 与温度无关。食品冷藏的温度变化范围是从一5 。c 4 0 。c ，在这个温度区域中，食 品的热物理性质随温度变化不大。 浙江大学硕士学位论文 第二章理论基础 脂肪酸败不但使脂肪失去营养，而且也会产生毒性“。 水分是食品的主要成分之一，不同食品的水分含量相差很大，动物性食品中 的水分含量依其品种、年龄、生长状态的不同而有所差别，而且同一种动物中各 组织的含水量亦有很大差异。新鲜水果和蔬菜含水量更大，一般在8 0 9 5 ， 最高的9 7 左右，最低的也有6 7 上下。若果蔬中的水分减少5 以上，就会 失去鲜嫩的品质，影响食用价值。而且由于水分减少，果蔬中酶的活性增强，加 快了果蔬的化学反应速度，导致营养物质损失，果蔬的耐藏性和抗病性减弱，引 起品质劣变，贮藏期明显缩短“。 食品中还有如维生素、酶、矿物质等常量元素和微量元素，虽然它们对食品 的热物性参数影响不大，但是对于维持生理过程，正常代谢，生物化学过程是不 可缺少的。在食品的贮藏过程中要密切保证它们的含量。 食品中的糖类也称碳水化合物，主要存在于植物性食品中，占植物干重的 5 0 8 0 。糖是人体重要代谢过程的主要物质成分，糖类般可分为单糖、低 聚糖和多糖，其中淀粉、纤维素和果胶属于多糖类。在食品的成分中，糖类最不 易变质。 2 2 食品的熟物理性质 对食品热物理性质研究的深度可以反映出人们对食品冷却速率的预测能力 的大小。早期对食品加热或冷却过程中的传热分析需要假定食品的热力性质是不 变的常量，这样的分析往往过分简化而不够精确。在非稳态条件下的食品热物理 性质随时间、温度、以及在加热或冷却中所处位置有关。这就需要我们有比较精 确的热物理性质数据和更完善的方法。 食品的热物理性质一般主要是由其组成成分决定的，随着对食品组成成分不 断深入了解，对食品的热物理性质也越来越量化了。对于一个理想化的食品，只 要知道它的组成、温度、密度，就能预测它在冷却或者加热过程中的热物理性质。 另一方面，随着科学技术的发展，越来越多的食品出现在人们的餐桌上，迫切需 要科技工作者了解不同种类食品的热物理性质。 食品的热物理性质计算公式通常需要实验数据来确定。也就是说通过统计实 验数据拟合，而不是仅通过对传热分析理论推导而得到。食品的热物理性质是一 个关于温度、组分的函数，在温度变化范围不大的情况下，可以认为热物理性质 与温度无关。食品冷藏的温度变化范围是从一5 。c 4 0 。c ，在这个温度区域中，食 品的热物理性质随温度变化不大。 浙江大学硕士学位论文第二章理论基础 2 2 1 密度 将食品简单地分成是由水分和其它物质两大类，它的密度是由水密度和其它 成分密度的加权平均值。在食品加工过程中，只要知道食品某一时刻的水分和其 它成分各自所占的百分含量，就可以知道该时刻食品的密度。虽然水和其它物质 的密度同样受到温度压力等影响，但食品往往是固体或者液体，对于液体或固体 而言，在一般的加工条件下，压力和温度对其密度影响微乎其微，所以在精度要 求不是很高的前提下，食品的密度可以简单地认为是水分和其它物质的简单函 数： p = 即。+ ( 1 一即。) ( 2 - 1 ) 式中，p 食品密度，k g ，m | 3 ： w 水分含量： 下标，w 水； o 除水以外的其它成分。 2 2 2 比热 食品的比热与质量大小无关，但是与食品的组分有关，只要知道食品中各组 分的比例就可以知道它的比热。常见的比热方程是温度和水分含量的函数，在没 有其它成分挥发和温度变化不大的情况下，比热是水分的一元一次方程： c 。= c i + c 2 w ( 2 2 ) 式中，c 。定压比热容，j k g k ； c ，c ：常系数。 方程( 2 2 ) 中的两个常数在不同的食品中的值不同。当水分含量趋于1 0 0 时，食品的比热接近4 1 8 7 k jk g - ；但当水分含量趋于0 时，食品干物质的比 热就千差万别，因为不同食品中各种成份的含量各不相同“。大多数食品比热的 经验方程只适用于比较窄的温度范围，不能用于食品水分从0 到1 0 0 的变化范 围，通过外推法得到方程误差较大。在减压冷藏中，如果食品的水分含量变化不 是很大，一些经验方程还是比较适用的。但是因为这些方程中通常忽略了食品中 各类成分的相互作用，所以在分析比热时仍存在一定误差，在工程应用上的误差 大约在2 5 左右。因此有人研究了带温度项的比热方程，例如 f e r l l 8 n d e z m a r t i n 和m o n t e s 两人研究的公式“： c 。= 4 1 9 0 w + 【( 1 3 7 0 + o 0 1 1 3 7 t ) 0 一) 】 ( 2 - 3 ) 方程( 2 3 ) 中对除水分外的其它物质进行了温度项修正。也有的学者考虑了对水 浙江大学硕士学位论文第二章理论基础 2 2 1 密度 将食品简单地分成是由水分和其它物质两大类，它的密度是由水密度和其它 成分密度的加权平均值。在食品加工过程中，只要知道食品某一时刻的水分和其 它成分各自所占的百分含量，就可以知道该时刻食品的密度。虽然水和其它物质 的密度同样受到温度压力等影响，但食品往往是固体或者液体，对于液体或固体 而言，在一般的加工条件下，压力和温度对其密度影响微乎其微，所以在精度要 求不是很高的前提下，食品的密度可以简单地认为是水分和其它物质的简单函 数： p = 即。+ ( 1 一即。) ( 2 - 1 ) 式中，p 食品密度，k g ，m | 3 ： w 水分含量： 下标，w 水； o 除水以外的其它成分。 2 2 2 比热 食品的比热与质量大小无关，但是与食品的组分有关，只要知道食品中各组 分的比例就可以知道它的比热。常见的比热方程是温度和水分含量的函数，在没 有其它成分挥发和温度变化不大的情况下，比热是水分的一元一次方程： c 。= c i + c 2 w ( 2 2 ) 式中，c 。定压比热容，j k g k ； c