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柱状蔬菜真空预冷的理论与实验研究 摘要 针对目前国内外对蔬菜真空预冷机理研究不够完善的现状，本文选取柱状蔬菜为研 究对象，提出以辐射换热和水分蒸发作为模型的重要边界条件，建立了柱状蔬菜真空预 冷的热质传递模型。选取芹菜为模拟对象，以控制容积积分法对数学模型进行了离散化 处理，利用m a t l a b 进行了数值模拟，得到了柱状蔬菜在真空预冷的过程中内部温度 场和质量随时间的变化规律，同时得到了真空室压力随时间的变化曲线。建立了真空预 冷实验台，采用罗茨水环机组取代传统的旋片式真空泵，由真空表读出并记录真空室压 力，使用a g i l e n t3 4 9 7 0 a 数据采集仪实时记录并存储蔬菜温度，并通过电子秤测量蔬菜 的质量。选取具有代表性的圆柱形蔬菜( 菠菜、芹菜、白菜和胡萝卜) 进行真空预冷实 验，并与已有的球形蔬菜( 卷心菜) 的实验结果进行了比较。实验结果表明，柱状蔬菜 的冷却效果和球形蔬菜相比大致相当，在相同的冷却条件下，蔬菜的冷却效果主要取决 于表面积与体积的比值以及表皮厚薄，因而叶菜类蔬菜的冷却效果要明显好于根果类蔬 菜。而同为叶菜类蔬菜，真空预冷效果则主要取决于蔬菜结构的紧凑程度，即叶子包裹 的紧密程度。数值模拟结果与实验结果比较可以发现，模拟的压力与实测的压力在降压 过程中的变化趋势是一致的，而且误差相对较小，数值模拟的真空室最终压力是6 1 3 p a ， 而实验测量值为6 6 0 p a ；冷却终了时，芹菜的中心温度、表面温度和平均温度的测量值 分别为3 2 3 ，1 7 6 和2 5 ，而模拟结果的中心温度、表面温度和平均温度的数值则 分别为1 1 4 、0 7 8 和0 9 9 ：在整个冷却过程中。模拟所锝的水分蒸发量是蔬菜初 始质量的5 9 4 ，而实验测定的水分质量损失率为5 2 ，两者十分接近上述结果证明， 圆柱形蔬菜真空预冷的热质传递模型是合理的。数值模拟所得结果对真空预冷中产品的 蒸发换热特性提供了一些基本的流动和传热规律。 关键词：圆柱形蔬菜：预冷；真空预冷；热质传递 t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so fc o l u m n v e g e t a b l e sd u r i n gv a c u u mc o o l i n g a b s t r a c t t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s so fc o l u m nv e g e t a b l e s d u r i n gv a c u u mc o o l i n gi se s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s ，w i t hr a d i a t i o na n dw a t e re v a p o r a t i o na s i t si m p o r t a n tb o u n d a r yc o n d i t i o n , a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t yt h a tt h er e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l e o fv a c u u mc o o l i n go fv e g e t a b l e si si n c o m p l e t eb o t hd o m e s t i ca n da b r o a d t a k i n gc e l e r ya s s a m p l ea n du s i n g f i n i t ev o l u m ea p p r o a c h ，t h ev a r i a t i o nh i s t o r i e so f v e g e t a b l et e m p e r a t u r ea n d m a s s , a sw e l la st h et o t a lp r e s s u r eo ft h ev a c u u ms y s t e ma r ea c h i e v e db yn u m e r i c a l c a l c u l a t i o np e r f o r m e do nm a t l a b n ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sm ef o u n d e d r o o t sa n d w a t e rr i n gp u m pu n i ti su s e dt or e p l a c er o t a r yv a c u u mp u m p a g i l e n t3 4 9 7 0 ad a t ac o l l e c t i o n e q u i p m e r i ti su s e dt or e c o r dt h et e m p e r a t u r eo fv e g e t a b l e , w h i l et h ep r e s s u r eo ft h ev a c u u m c h a m b e ri sr e a df r o mt h ev a c u u mg a u g ea n dt h ew e i g h to fv e g e t a b l ei sm e a s u r e db y e l e c t r o n i cb a l a n c e s e v e r a lc o l u m nv e g e t a b l e ss u c ha ss p i n a c h ，c e l e r y ，c h i n e s ec a b b a g ea n d c a r r o t ，a g es e l e c t e dt op e r f o r mt h ev a c u u mc o o l i n ge x p e r i m e n t sa n dt h er e s u l t sa g ec o m p a r e d w i t ht h a to fs p h e r i c a lv e g e t a b l ec a b b a g e i ti ss h o w nf r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t st h a tt h e c o o l i n ge f f e c to fc o l u m nv e g e t a b l e si sa l m o s ta ss a m ea st h a to fs p h e r i c a lv e g e t a b l e s ，w h i c h i sm a i n l yd e t e r m i n e db yt h er a t i ob e t w e e na r e aa n dv o l u m ea n dt h et h i c k n e s so ft h es k i no f v e g e t a b l e s t h e r e f o r e ，t h ec o o l i n ge f f e c to fl e a f yv e g e t a b l e si sm u c hb e t t e rt h a nt h a to f r h i z o m a t i cv e g e t a b l e s 1 h ec o o l i n ge f f e c to fd i f f e r e n t s p e c i e so fl e a f yv e g e t a b l e s i s d e t e r m i n e db yt h el e a fc o m p a c t n e s s c o m p a r i n gt h em o d e l i n gr e s u l t sw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s , i ti sf o u n dt h a tt h e t e n d e n c i e so ft h es i m u l a t e dp r e s s u r ea n de x p e r i m e n t a lp r e s s u r ea r e c o n s i s t e n t w h i l et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mi s l i t t l ew h e nt h ep r e s s u r ed e c r e a s e s n e s i m u l a t e df m a lp r e s s u r ei s6 1 3p a , w h i l et h ee x p e r i m e n t a lo n ei s6 6 0p a n ct e s t e dc e n t r a l , s u r f a c ea n da v e r a g et e m p e r a t u r e so f c e l e r ya r e3 j 2 3 ，1 7 6 a n d2 5 。w h i l et h es i m u l a t e d v a l u e sa 1 1 4 0 7 8 a n d0 9 9 t h ec a l c u l a t e dw a t e rl o s so fv e g e t a b l ed u r i n gt h e w h o l ec o o l i n gp r o c e s sj s5 9 4 a n dt h et e s t e dv a l u ei s5 2 i ti sp r o v e db ya l lt h ea b o v e m a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e li sr e a s o n a b l e a i s ot h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d es o m eb a s i cm l e s f o rf l o wa n dh e a tt r a n s f e ra b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe v a p o r a t i o nh e a tt r a n s f e ro fp r o d u c t d u r i n gv a c u u mc o o l i n g k e y w o r d s ：c o l u mv e g e t a b l e , p r e c o o l i n g , v a c u u mc o o l i n g , h e a ta n dm a s st r a n s f e r 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果 论文作者签名：磊弋审屯日期：) 唧年多月，7 日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校 学校享有以任何方式发表复制公开阅览、借阅以及申请专利等权利本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明 不保密日 ( 请在以上方框内打。 ”) 论文作者签名：欺苠 导师签名：饧石务 日期：胛年月佴日 日期：砷年，月哆日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 第一章绪论 1 1 预冷的概念及意义 第一章绪论 在我国，随着人民生活水平的提高，消费观念有了很大的变化。现在人们要求 食品不仅要可口、卫生，还要新鲜、营养、保健。蔬菜、水果是人们日常生活中必 不可少的食品，其营养、保健的功效越来越为人们所认识和接受。需求量亦日益增 加。 ， 新鲜的蔬菜与一般的食品不同，它是有生命的活体在采摘后仍能产生旺盛的 呼吸和蒸发等生理代谢活动。其呼吸作用分解了蔬菜组织中的糖类、酸类和其它有 机物质，使果蔬失鲜、变质。采摘时蔬菜携带的。田间热”和呼吸作用产生的呼吸 热使蔬菜温度升高，进一步强化了蔬菜的呼吸作用同时外界的微生物侵入蔬菜组 织内，借其营养物质及本身温度的升高，进行生长和繁殖，引起蔬菜腐烂，失去食 用价值。 为了使蔬菜能较长时间保持新鲜，可采用低温的方法，将蔬菜降温贮存，这样 可减弱其呼吸作用，减少呼吸热并可抑制微生物的生长。因此在蔬菜产地，可将收 获的蔬菜就地进行预冷处理，包装后运往冷藏库或直接发送到市场，避免菜蔬在运 输途中失鲜、变质、影响其经济价值。 预冷的概念f h p o w e l l ! l j 于1 9 0 4 年首次提出预冷对大多数果蔬来说是必不可少 的，因为果蔬采收后携带大量的田问热，尤其是在高温季节：果蔬采收后的呼吸热 也会使环境温度升高，反过来又促使其呼吸作用加快，向外释放更多的呼吸热加 上采收过程中的机械损伤和病虫感染也会使呼吸加快，呼吸强度越高，果蔬所含的 有机物质分解得越快，寿命就越短一般来讲，果蔬在采摘后的前5 小时是其腐烂、 变质进而失去商品价值最快的时间段1 2 1 产品采后在常温中所处时间的长短对产品 的贮藏寿命有至关重要的影响，特别是那些组织娇嫩、营养和经济价值高、采后寿 命短的产品更需要及时预冷。因此，保持水果和蔬菜鲜度和营养价值的关键是：采后 尽快将其冷却到o c 左右( 依据品种而定) 的低温，抑制其呼吸作用和微生物的生命活 动i 引。据统计，在整个冷藏链中，不经预冷处理的蔬菜在流通中损失约为2 5 3 0 ， 而经预冷处理的蔬菜损失率仅为5 1 0 。总之，预冷对延长贮藏寿命、改善贮后 品质、减少贮藏病害和提高经济效益都是至关重要的【4 j 实践证明，预冷后的果蔬品质较高，呼吸强度小，具有热的稳定性：果蔬预冷 可使冷藏运输工具和冷藏库的冷负荷减少，使果蔬能被远距离输送预冷可减少销 地可食部分的损失，形成共同销售和质量标准化。 青岛大学硕士学位论文 1 2 预冷的种类及其特点 目前，常用的预冷方法有：风冷、水冷和真空冷却嘲【6 1 1 7 1 这三种方法各有利 弊，而以真空冷却的优点最多、效果最好、对保护环境最有利、技术含量最耐”。 真空冷却是通过直接蒸发产品中的水分而产生制冷效果，而其它冷却方法是通过向 产品吹冷风或通过其它冷却介质来冷却的。产品温度降低的速率快和运转的效率高 是真空冷却的两大突出优点，这也是传统冷却方法不能比拟的。真空冷却理论上可 以用来冷却任何含有自由水分，且自由水分蒸发一部分后不会对产品产生损伤的产 品。产品的蒸发面积与体积之比和表面水分蒸发的阻力决定真空冷却的效果1 9 1 。对 于冷却效果不佳的产品通过预先湿润或蒸发过程中喷淋加湿可以达到很好的冷却效 果。 1 2 1 冷风预冷 。冷风预冷是利用制冷机产生的冷空气( 冷风) 作冷媒，对果蔬进行冷却的方式 根据冷风的不同循环方式，冷风预冷分为强制通风预冷和差压预冷两种方式。 强制通风预冷是利用冷风机强制冷空气在果蔬包装箱之间循环流动，从而对箱 内果蔬进行冷却。强制通风预冷的库房与普通的果蔬冷藏问相同，在库房内设置冷 风机，其制冷能力应比普通冷藏库更大。为了防止干耗，果蔬置于包装箱中。包装 箱采用错缝堆码，以保证冷风能均匀地吹过每个包装箱。为了充分冷却，包装箱周 围空气的流速不应低于l m s 。该方法适用于各种果蔬。设备简单，技术成熟，价格 便宜，所以应用广泛。但由于冷风未与果蔬直接接触，且各包装箱堆放的位置不同， 使果蔬与冷风热交换效率低，包装箱中果蔬冷却不均。所以采用此方法需要的冷却 时间较长，一般需2 4 小时其优点是； ( 1 ) 预冷问内连续吹风冷却，适用品种多，能将多种蔬菜混合冷却； ( 2 ) 投资较少，操作简单。 而它的缺点是：冷却时间较长，易产生冷却不均的现象，背面易留有死角。 差压预冷是在强制通风预冷的基础上，增设差压风机和隔风面果蔬置于包装 箱内，包装箱两侧面开若干个通孔。利用差压风机在堆码好的包装箱两侧面产生的 压力差，使冷风由两侧通孔进出，与果蔬直接接触，进行热交换。由于强化了传热， 且通风均匀，与冷风预冷相比，冷却时间缩短了约3 4 ，即预冷时间仅需6 小时左右， 提高了生产效率。而且由于差压风机为压头高的多叶轴流风机，采用抽吸的气流方 式，因此库内气流均匀，无死角。但由于冷风与果蔬直接接触，存在于耗失水现象。 差压预冷适用于水果和果菜类蔬菜。由于包装箱的开孔率、孔径、通风量、冷气流 的流向对差压预冷的冷却速度有较大的影响。对不同果蔬预冷采用何种技术参数效 2 第一章绪论 果最好，还需要做大量的实验研究工作 差压通风预冷的优点是： ( 1 ) 与强制通风预冷比，冷却速度快( 冷却时间大约是强制通风预冷的1 4 ) ； ( 2 ) 冷却均匀，无死角； ( 3 ) 几乎适用于任何种类的果蔬( 包括果菜、叶菜) ； ( 4 ) 隧道式差压通风预冷在差压室内安装了传送带，产品输送由传送带自动完 成，一定时间内可进行大批量蔬菜预冷。 而其缺点是： ( 1 ) 投资比强制通风预冷高； ( 2 ) 有的品种出现枯萎现象； ( 3 ) 堆码等作业费工时。 1 2 2 冷水预冷 冷水预冷主要采用冷水喷淋和冷水浸渍的方法，使果蔬冷却。 冷水喷淋冷却装置由冷却水槽、冷却遂道、传送带、压缩机、冷却捧管和水泵 等组成。冷却排管将冷却水槽中的水冷却到o 3 ，由泵抽到冷却隧道顶部，果蔬 从冷却隧道的传送带通过，冷却水向下喷淋到果蔬表面使其冷却 冷水浸渍冷却装置，在冷却水槽内的底部设冷却捧管，上部设果蔬传送带，使 果蔬沉浸于冷水中冷却。还可采用先沉浸，后喷淋的方法，这样不仅冷却速度快， 而且更卫生。 冷水预冷冷却速度快。技术设备简单其最大的问题是冷却后的果蔬表面带过 多的水分，而且这些水分中含有很多细菌。贮藏时易发生腐烂原因是： ( 1 ) 冷却水中含有微生物； ( 2 ) 果蔬本身带有的细菌污染了冷却水，而冷却水又被反复使用使冷却水中 细菌含量越来越大 所以冷水预冷适用于附水能力小的根菜类蔬菜，如胡萝卜。萝卜等 1 2 3 冰预冷 在现代预冷技术问世之前，曾广泛采用接触加冰或包装内加冰的方法预冷产品， 特别是叶菜类蔬菜等较为易腐的农产品，并在运输中保持其温度由于冰的吸热量 大( 与冷水相比) ，所以冷却速度快，食品无干耗，但制冰设备占地面积大，初投 资高，一般只用于水产加工或冷藏运输果菜类采用冰预冷温度不易调节，冷却不 均匀容易造成冷害，温度也不易均匀，一般少用。现在接触加冰冷却方法主要用作 ， 青岛大学硕士学位论文 其它预冷方法的补充。 1 2 4 真空预冷 真空预冷是利用降低水的沸点，靠水分蒸发带走产品热量的冷却方法。一个大 气压时水的沸点是1 0 0 。气压下降水时沸点会随之降低，大约6 1 0 p a 时，水的沸点 变成0 1 2 。真空预冷就是利用这一原理将果蔬置于保温的真空室里，用真空泵对室内 抽真空。当室内真空度达到果蔬温度对应的水蒸汽的饱和压力时，果蔬表面纤维间 隙中的水分开始蒸发，蒸发时将带走蒸发潜热，使果蔬温度降低，进一步降压，直 至果蔬冷却到所需的温度。 真空预冷的优点是： ( 1 ) 降温速度快：果蔬从常温冷却到o c 左右仅需2 0 3 0 分钟； ( 2 ) 冷却均匀：冷却时果蔬中心与表面的温度差很小： ( 3 ) 质量好：冷却后的果蔬，其蛋白质、糖类、脂类、维生素等未受到损失； ( 4 ) 卫生清洁：因预冷的果蔬处于真空环境，而真空环境可杀菌或抑制细菌的 繁殖： ( 5 ) 干耗少：真空预冷可通过对真空度的控制，控制果蔬中水分的蒸发量，或 在预冷前向果蔬喷洒适量的水。果蔬干耗可控制在2 3 以内。而普通冷却干耗在 1 0 以上； ( 6 ) 不受包装的限制：用纸箱、塑料袋( 开口) 等包装的果蔬，其真空冷却速 度与未包装的果蔬并无差异。 而真空预冷的缺点则是： ( 1 ) 对于体积与表面积之比较小的果菜、根菜，冷却效果不太理想； ( 2 ) 真空预冷装置自身没有保冷能力，多数还需有冷藏库进行配套； ( 3 ) 设备初投资相对较高。 比较以上四种预冷方式可以看出： ( 1 ) 强制通风预冷几乎适合于所有果蔬的预冷，设备也较便宜，但冷却至需要 的储藏温度耗时较长，一般需要2 4 d , 时。 ( 2 ) 差压通风预冷几乎适用于所有果蔬的预冷。其冷却速度较快，投资也不是 很大( 只比强制通风预冷多一个静压箱和一台差压风机) ，对于果菜尤其适用，但是 有的蔬菜品种出现枯萎现象，失水严重，而且堆码等作业略费工时。 ( 3 ) 冷水预冷后的蔬菜往往带有较多的水分，微生物易繁殖，极易造成蔬菜腐 烂，往往在流通中不受欢迎。 ( 4 ) 真空预冷根据不同的品种可以在1 5 2 0 分钟内将果蔬从二十几度降至2 3 ，因此非常适合于大量处理，但只限于果蔬中的茎、叶类r 即体积与表面积之比 4 第一章绪论 较小者) 。几乎不能冷却水分不易蒸发的果菜，其投资费用也较高。但是经过真空预 冷的蔬菜冷却均匀，质量好，卫生清洁，而且干耗少，所以近年来在蔬菜的保鲜和 流通中这种方法是更受欢迎的 1 3 真空预冷的原理 标准大气压时，水的沸点是1 0 0 。而当压力下降到6 1 0 p a 时，水的沸点是0 在不同压力下，水的汽化潜热也不相同。在1 0 5 p a 时，l g 水蒸发需2 2 7 5 j 的热量， 而当压力下降到6 1 0 p a 时，1 9 水蒸发需2 5 1 5 j 的热量。由此可见，随着压力的降低， 水的沸点温度降低，蒸发单位质量的水所消耗的热量反而增加。这就是说，只要抽 真空，被预冷却处理的果蔬表面水分就会在低温下蒸发，同时消耗较多的热量，在 没有热源的情况下，只能通过快速降低果蔬自身的温度，而达到冷却的目的，这就 是真空预冷 当压力在 o s p a 至6 1 0 p a 之间时，果蔬温度在1 0 0 到o c 的温度范围内。压力 低于6 1 0 p a 以后，温度就会低于0 ，造成被保鲜果蔬的冷冻，这是真空预冷中所 不允许的。因此，在真空预冷却过程中需控制压力或温度。一般真空预冷却时要求 果蔬水分损失不超过3 否则将造成被保鲜品萎蔫。这时被保鲜物料表面不潮湿， 腐败的细菌不易发育生长 在减压过程中水分愈容易蒸发的蔬菜，冷却效果愈高而水分蒸发的速度，取 决于体积与表面积之比。与菜体结构、组织密度、蜡质等也有一定关系水从果蔬 体内向表面移动的速度也影响水的蒸发。因此，不同果蔬真空预冷却的效果是不同 的。蔬菜真空预冷却的速度可分为三类： a 类蔬菜冷却到o 附近时大约需l o 2 0 m i n 几乎都是叶菜类，表面积比大、 组织柔软，其结构有利于水分的蒸发。 b 类蔬菜冷却速度较慢，如菜豆表面积比小，组织坚硬。革莓与菜花也属此 类，真空冷却需要较长时间。 c 类蔬菜包括黄瓜、番茄等，在真空预冷中效果最差。这类蔬菜表面积比小、 表皮厚、组织较致密，从而水分蒸发困难马铃薯、胡萝卜等蔬菜也不适于真空预 冷却。 。 根据已有的实验数据可知，真空预冷却时每蒸发蔬菜质量l 的水分，大约可 使品温下降6 1 4 真空预冷技术的应用现状 真空冷却能够迅速降低果蔬温度，消除田间热，并且能够很好的使果蔬内外温 青岛大学硕士学位论文 度趋于均匀一致。我国由于受设备条件和成本的限制，果蔬及其它食品的加工中很 少采用真空冷却工艺，而在欧美日等发达国家。为获得高品质的果蔬，已把真空冷 却作为果蔬采摘后的第一道工序。 1 4 1 真空预冷技术的发展和应用概况 早在二十世纪四、五十年代，西方国家就已经进行了真空冷却技术的系统研究。 现在其技术和设备已达到相当成熟的水平。日本于1 9 6 5 年提出了产地采收处理一预 冷包装一低温贮藏一冷藏运输一销售( 冷藏陈列柜) 的低温流通系统。1 9 6 6 年，日 本鹿儿岛大学对真空冷却技术进行了研究，标志着日本预冷技术研究的开始i l o j ，1 9 6 7 年日本科学技术厅分别在川上村、长野县的洗马和静冈县的岛田市在不同的时间进 行了真空冷却技术实验。在日本的叶菜类蔬菜生产基地如关东地区、东北地区等安 装着大量的真空冷却设备。到1 9 7 1 年，预冷白菜等叶类果蔬才打开了东京的果蔬消 费市场，并使真空预冷设备在日本的全国果蔬生产基地得到应用i l o l 。1 9 9 4 年，全日 本的蔬菜预冷加工量为1 7 6 万吨，比1 9 9 2 年增加7 ，其中真空冷却方式加工蔬菜量 占总量的5 2 。如今，预冷技术在日本已相当成熟。9 0 以上的蔬菜都必须预冷后 贮藏、运输，甚至有“不是预冷的蔬菜就不受欢迎”的说法人们认为低温冷藏链在 保护消费者健康，提高人民的生活质量方面发挥着巨大的能量i “i ， 美国于四、五十年代就开始进行冻结食品温度变化与品质关系的研究，提出了 t t t 概念，即食品贮藏时问( t i m e ) ，贮藏温度( t e m p e r a t u r e ) 与耐贮性( t o l e r a n c e ) 之间的关系，并总结出了大多数蔬菜的冻结温度与贮藏温度带。1 9 4 8 年，在加利福 尼亚州西部城市萨利纳斯建造了第一座商用真空冷却装置用来冷却园艺产品1 1 2 1 ，进 行了真空预冷技术的系统研究工作。七、八十年代，美国低温冷藏链进入迅速发展 时期预冷技术在实践中得到了广泛的应用。如今，预冷技术在美国从理论到实践 都较为成熟，已经形成生鲜食品的产地预冷、冷藏运输及流通消费的连续低温冷藏 链1 8 1 m c d o n a l d - s u n i ”】综合论述了真空冷却技术在食品加工工业中的应用，指出作 为一种快速蒸发冷却技术能够应用到特定的食品和蔬菜中随着竞争的加剧及人们 对产品安全和质量的关注，鼓励些食品加工者使用真空冷却技术。真空冷却的优 势在于较短的加工时间，相应地节约了能量，改善产品的货架期，质量和安全。然 而这项冷却技术应用范围有限，传统的生菜和蘑菇可以被用来真空冷却。但最近研 究表明，真空冷却可能被应用到肉类、烘烤食品、水果和蔬菜。该文论述了这项技 术目前状态，随着人们对这项技术的研究和认识，这项技术将在食品和蔬菜加工业 的应用中更具竞争性和广泛性。 我国从上世纪8 0 年代中期才开始进行真空冷却技术和设备的研究工作1 1 4 1 1 1 5 i 。 1 9 9 0 年广州市科委为了实施菜篮子工程，从日本引进了一台真空冷却设备，委托广 6 第一章绪论 州制冷设备研究所消化吸收，并设计出我国第一台真空冷却设备。但是由于受国内 市场条件所限，当时未能推广开来。上海食品研究所1 9 9 5 年从国外引进了一台真空 冷却设备，并对许多果蔬品种进行了实验研究，积累了大量的实验数据i l l l 当前， 我国东南沿海的许多城市，真空预冷保鲜技术广泛应用于蔬菜、鲜花、食用菌、水 果等新鲜果蔬原料及制品的采后即时保鲜处理。如：各城市目前方兴未艾的超市洁 净菜、无公害蔬菜及高山无污染野菜、天然食用菌等保鲜处理，外运出口的新鲜蔬 菜，鲜花的保鲜处理等。 北京农业大学和深圳万保真空保鲜设备有限公司以高附加值的鲜切花为试材进 行了切花衰老机制的实验研究，进而确立鲜切花冷链流通综合保鲜措施。 1 4 2 真空预冷的实验研究现状 。一般地，真空预冷对叶菜类的预冷处理效果好，对根果类预冷效果不理想。s u n 1 6 1 对叶菜类和非叶菜类蔬菜( 辣椒和菜花) 的真空冷却进行了比较。研究结果表明真 空冷却叶菜类非常有效，冷却叶菜类从初温2 0 o 只需要5 5 1 5 5 s ；对于非叶菜类 真空冷却需要1 2 0 0 s 强风冷却和真空冷却的对照表明：强风冷却对非叶菜类的冷却 快于叶菜类强风冷却。辣椒和菜花从初温2 0 到5 需要6 0 0 0 s ，而冷却叶菜类需要 2 2 0 0 0 s 。真空冷却对非叶菜类较慢，但仍比传统的强风冷却快因此，真空冷却也 适合非叶菜类如辣椒和花椰菜。 h a a s - g u 一1 7 1 研究了在真空冷却装置中影响生菜冷却率的因素，实验的目的是揭 示抽真空速率是怎样影响冷却时间和最后温度的结论是泵速越低，压降慢，达到 闪点和指定压力所需时间长；相反，泵速高，达到闪点和指定压力所需时间短。对 于不包装的生菜，在3 2 r a i n 的冷却过程中，前1 0 m i n _ 三个泵同时工作，泵速为 1 6 6 0 l n 讥1 0 r a i n 后两个泵同时工作，其泵速为1 2 5 0 m 3 h ，被冷却蔬菜的最终温度低且 均匀 加拿大r e n n i e 捧l 等讨论了生菜在不同的压降率下真空冷却的特点冷却特点对 最后的时间温度图和真空冷却中的质量损失是重要的。针对一个实验型真空冷却 器，使用一个数据采集和控制系统控制冷却器内压力电磁阀控制的漏气允许空气 按一定比率进入真空室，使真空室压力按指数形式下降来模拟不同型号尺寸的真空 泵。真空室容积0 6 m 3 ，实现不同压降率的具体做法是把真空室压力从大气压降到 3 3 3 3 p a ，然后通过一个管道漏气，漏气由三个平行放置的电磁阀控制，阀的开口直 径变化范围是从l 5 m m 。向数据采集系统提供运行压力的压力传感器决定是否起动 漏气和打开的程度根据从3 3 3 3 p a 到8 0 0 p a 所需不同时间1 5 、3 0 、6 0 m i n 来模拟不同 大小的真空泵每个实验用两个生菜头，使用三个不同的模拟压降率，在每个压降 率下重复三次实验，每头菜上安装三个热电偶分别位于中心、质量平均位置和第一 7 青岛大学硕士学位论文 片叶子的下面。采用一个红外线温度传感器测量表面温度。生菜头在每次冷却循环 前后称重。结果显示改变压降率对质量损失、每百分质量损失温度下降，各个位置 的温差没有影响这些发现的意义在于本研究使用的压降率范围内能够设计具有较 小真空泵( 即较小压降率) 的真空冷却器，并不改变生莱的冷却特点。 m c d o n a l d s u n 1 9 1 研究了在熟牛肉真空冷却过程中抽空速率对失重、每百分质量 损失、温度下降、冷却速度、温度分布、最后产品产量的影响。在试验用真空冷却 器中( 容积0 2 1 m 3 ) 样品从中心温度7 2 c 冷却到4 c 。在研究中使用六种不同的抽空 速率。其具体做法是把真空室压力从大气压降到1 0 0 0 0 p a 后，用一个校准的针阀仔细 调整真空室压力达到最后值6 5 0 p a 。根据从1 0 0 0 0 p a 到6 5 0 p a 所需不同时间1 0 ，2 0 、3 0 、 4 0 、5 0 、6 0 r a i n 来模拟不同的真空泵。平均结果显示真空冷却牛肉产品的温度降低是 很快的( 尸 。2 _ ( 5 ) 。d o ，瓯2 5 2 。 所以，壁厚s o = 5 6 r a m 满足要求。 考虑钢板的负偏差，腐蚀裕量和壁厚在加工过程中由于拉伸作用而产生的减薄 封头采用无折边球形时，计算如下m ： 取s o - - 4 5 n v n ，则 。当。旦掣0 0 0 3 土旦1 3 3 3 厶 1 5 1 0 0 s o 0 4 5 式中厶球形封头内半径，取值为墨- - 1 勘柳。 青岛大学硕士学位论文 f p l 。竺鱼。4 6 5 x 0 0 0 3 。1 3 9 52 - - ( 6 ) 。 厶 符合要求。考虑壁厚附加量，可取s s o + c = 6 m m 。 考虑各种影响因素，并为了便于焊接等。取封头壁厚和简体壁厚相同为8 m m 。 根据上述计算，真空室选用的是常州市范群干燥设备有限公司生产的 y z g - - - 1 0 0 0 f 推拉式真空罐，容积为1 3 2 m 3 , 直径l m ，罐长1 5 2 m ，重量为8 0 0 k g 。 根据蔬菜处理量和预冷时间的要求，选取配备的真空泵为淄博博山群圣真空设 备厂制造的j z j s 7 0 罗茨水环机组，极限压力为2 6 7 x 1 0 2 p a ，其中水环泵型号为 2 b v 5 1 1 0 ，抽速为2 7 5 m 3 m i n ，转速为1 4 5 0 r m i n ，功率为4 k w ，罗茨泵型号为z j 7 0 ， 抽速为7 0 l s ，转速为2 9 5 0 r ，r a i n ，功率为1 5 k w 。 圈2 8 真空室图2 9 真空泵 目前，大多数真空预冷装置所使用的真空泵均为旋片泵。加了气镇装置的旋片 式真空泵虽然能抽除含有小部分水蒸汽及大量永久气体的混合气体，但是在真空室 内蒸发的水蒸汽，由于压力的降低，体积急剧膨胀。常压下l g 水在6 6 0 p a 时大约膨 胀为2 0 0 0 l 的水蒸汽。如果将这些膨胀了的水蒸汽直接用旋片式真空泵抽出，在时 间和功率配置方面都是很不经济的，而且一旦旋片式真空泵进入水蒸汽，真空泵润 滑油就会发生乳化变质，严重影响真空泵所能达到的极限压力，润滑性能下降，磨 损加剧，不能正常工作，甚至将造成泵体及转子等零部件发生严重锈蚀，造成整机 报废。因此，本实验装置采用制冷系统加罗茨水环机组的方式，一方面减少真空泵 的负荷，另一方面由于使用水环泵作为前级泵，机组可以承受一定量的水蒸汽的存 在，延长真空泵的使用寿命，同时完全可以达到冷却蔬菜的目的。也正因为这个原 因，本实验设备是介于直冷式和阋冷式真空预冷装置之问的一种设备。 第二章蔬菜真空预冷实验装置的建立 2 2 2 测量系统 测量系统由测压系统、测温系统和称量系统3 部分组成。温度由布置在真空室 内的8 支p t l 0 0 热电阻进行测量。在实验过程中，2 支热电阻布置在蔬菜中心，2 支 布置在蔬菜表面，2 支布置在中心与表面之间的位置以作参考，另外2 支贝悬挂在 真空室内各支热电阻测得的数据由数据采集设备接收并记录，然后按位置取平均 值作为蔬菜的中心温度、表面温度、参考点温度以及真空室的温度。 实验使用的数据采集设备为a g i l e n tt e c h n o l o g i 峨h k 生产的a g i l e n t3 4 9 7 0 a 数 据采集仪，采用3 4 9 0 1 a 数据采集模块。该模块共有2 0 个数据采集通道，可以测量 温度、电压( 直流和交流) 、电流、电阻和频率等。测量温度时，可以接热电偶( k 、 b 、s 、) 、热电阻测温精度为0 0 1 。见图2 1 0 图2 1 0 数据采集仪 图2 1 1 电子天平 称量系统是一个电子秤( 见图2 1 1 ) ，用来测量蔬菜在冷却过程中的质量变化， 测量初始值与终值的差值即为蔬菜真空预冷的质量损失 真空室内的压力由抽气口外接的真空压力表读出，其精度可以达到1 0 0 p a 。 2 2 3 制冷系统 制冷系统为蒸汽压缩式制冷系统，制冷剂为r 2 2 ，压缩机功率为5 匹，冷凝器 采用海信双风机系统并联工作，在负荷较小时可以关闭一台风机，从而节省耗电量。 蒸发器为套管式换热器，具有结构简单、传热系数高、耐高压、传热面积易于增减 等优点制冷剂通过盘管冷却水箱中的循环水供罗茨水环机组使用，并通过套管式 蒸发器部分冷凝从真空室中抽出的水蒸汽另外在蒸发器出口和真空泵入口之间还 设有气液分离罐，防止未冷凝的水蒸汽进入真空机组，影响机组的正常运行见图 1 7 青岛大学硕士学位论文 2 1 2 。 图2 1 2 翻冷系统 2 3 装置控制系统的设计 根据真空预冷实验实际运行操作的需要，真空预冷装置的控制系统需要满足以 下要求： ( 1 ) 整个系统开始运行时，制冷系统应首先开始运行，当其制备的冷却水达到 要求时，真空泵才能启动。 ( 2 ) 开启真空泵时，水环泵应首先启动。当真空室压力达到罗茨泵的开启压力 时，罗茨泵应自动启动罗茨泵启动压力的调节通过调节真空表上的电接点位置来 实现。 3 ) 实验完成后，关闭真空机组，此辟，罗茨泵应首先停止工作，然后过一段 时间，水环泵再自动停机。 根据上述要求，设计真空预冷实验装置控制电路图如图2 1 3 。 1 8 第二章蔬菜真空预冷实验装置的建立 圃 密 印 器 瓤 n n 匝 青岛大学硕士学位论文 2 4 实验流程及注意事项 真空预冷实验的流程为： ( 1 ) 在进行真空预冷实验前，应首先检查设备和测试系统状态是否正常。 ( 启动制冷系统，制备冷却水供罗茨泵冷却和水环泵使用，真空泵开启时要 求冷却水温度低于1 5 。 ( 3 ) 将蔬菜放入真空室内的电子天平上，记录蔬菜预冷前的质量，并布置好温 度传感器测点，然后关闭真空室。 ( 准备工作完成后，启动真空泵，首先打开水环泵，当真空室内压力达到罗 茨泵开启设定值时，打开罗茨泵，使两台真空泵串联工作，从而使真空室内的压力 达到规定值，并维持该压力直至实验结束。在启动真空泵同时，开启数据采集仪， 实时记录实验过程中各参数的变化。 ( 5 ) 预冷结束时，停止抽真空，打开放气阀，待真空室压力恢复至常压后在代 开真空室，同时应停止数据采集。 ( 回实验结束后，从数据采集仪中读出实验数据。 在罗茨水环机组运行过程中有2 点需要注意：保证水环泵进水的温度尽可能 接近设计运行工况以及水量充足，进水温度高将导致水环泵抽力降低，而进水量不 足将导致水环泵不能形成正常的水环而无法抽真空；保证罗茨泵的冷却水循环， 否则机组在运行l h 左右时会由于罗茨泵过热保护而停机 2 5 小结 本章对目前使用较多的真空预冷装置和实验设备进行了介绍和总结。从而在此 基础上建立了运行良好的蔬菜真空预冷实验装置，并制订了切实可行的实验方案。 根据实验中记录各个参数的需要，建立了压力、温度和质量的测量系统。真空室压 力由真空表读出并记录，蔬菜温度由a g i l e n t3 4 9 7 0 a 数据采集仪记录并存储，而蔬 菜的质量通过电子天平测量获得。实验测量系统的建立为各数据参数的实时测量和 处理提供了基础，从而达到科学测量的目的。 第三章蔬菜真空预冷的实验研究及探讨 3 1 概述 第三章蔬菜真空预冷的实验研究及探讨 一般认为，冷却速度和真空冷却所达到的终温在很大程度上受蔬菜表面积与体 积之比、蔬菜组织失水的难易程度和容器抽真空速度的影响，也与蔬菜的构成组织 的粗密和表皮的状态有关嗍，因而不同的果蔬真空冷却的差异很大。从上述这些差 异可将蔬菜分成三组： a 组是叶菜类蔬菜，表面积与体积之比大，嫩软多汁，表皮薄，水分容易蒸发，冷 却效果最好。 b 组与a 组相比，表面积与体积比稍小，组织稍硬，因此是冷却效率稍低一些的蔬菜。 c 组蔬菜以果菜类和根菜类为主，表面积与体积之比小，表皮厚，水分蒸发难，是 真空冷却最差的蔬菜。 表3 1 为日本资料及美国介绍的几种蔬菜的真空冷却时的效果。由表3 1 可知，由 于蔬菜种类的差异导致真空冷却的速率是不同的。 表3 1 几种蔬菜真空预冷的效果阱 青岛大学硕士学位论文 虽然国外对许多果蔬傲了大量实验，并给出了一些果蔬真空预冷的实验结果， 但是缺乏过程参数的变化规律。因此，本文根据大量的实验结果，同时结合文献中 资料，对圆柱形叶菜类( 菠菜，芹菜、白菜) 和根果类( 胡萝卜) 等真空冷却的过 程分别进行研究和讨论，同时还对球形蔬菜( 卷心菜) 进行了实验，以作为比较。 由于搭建的真空预冷实验台主要是用于批量生产和应用，而本文的主要目的是 研究单体蔬菜在真空预冷过程中各个参数的变化规律，因此在实验过程中所选取的 各种蔬菜的质量远远低于该设备的实际蔬菜处理能力。鉴于大批量蔬菜的热质传递 过程可能与单体蔬菜有所不同，而且蔬菜的堆放方式对真空预冷的效果会有一定的 影响。因此，对大批量蔬菜的真空预冷过程的研究将作为本课题的后续工作，在本 文中不予讨论。 3 2 圆柱形叶菜类蔬菜真空预冷的实验研究( 菠菜、芹菜、白菜) 3 2 1 菠菜的真空预冷实验 根据前面的叙述，菠菜作为典型的叶菜类蔬菜，其真空预冷的效果应明显好于 其它种类的蔬菜。在实验过程中，应以聚乙烯卷包裹菠菜样品，从而减弱真空室壁 面对实验样品的辐射，改善真空预冷的效果。 表3 2 列出了菠菜真空预冷实验的结果。实验中被冷却的菠菜的表面初始温度 为1 6 2 5 0 ，中心初始温度为1 4 5 2 0 ，初始质量为1 6 0 9 经过冷却后，表面温度 降至1 5 4 0 ，中心温度降至3 9 2 0 ，预冷后质量为1 5 3 9 。预冷后，菠菜中心与表 面的温差为2 3 ，质量变化率为4 4 。整个冷却过程耗时1 3 m i n 表3 2 菠菜真空预冷实验数据表 冷却时间初始温度( )预冷终温( ) 初始质量预冷后质量质量损失率 ( r a i n ) 表面中心表面 中心 ( g )( g ) ( ) 1 31 6 2 5 01 4 5 2 01 5 4 03 9 2 01 6 01 5 34 4 图3 1 给出的是菠菜真空预冷过程中，真空室压力的变化情况。从图中可以看 出，水环泵单独工作时，真空室的压力的下降速率是在逐渐变小的。当真空室压力 达到罗茨泵的启动压力( 设定为1 0 0 0 0 p a ) 时，两台真空泵串联工作，因此机组的 总抽速增大，真空室压力下降速率加快，迅速达到实验要求的最终压力并保持稳定。 图3 2 则给出了真空预冷过程中，菠菜表面、中心、参考点以及真空室温度的变 化情况。由图中曲线可以看出，在真空预冷的开始阶段( o 5 m i n ) ，菠菜各测点的 第三章蔬菜真空预冷的实验研究及探讨 温度变化不大，这主要是由于在这一阶段，真空室的压力还没有下降到菠菜温度所 对应的闪点压力，因此