【针对食品冻结时间的研究状况文献综述4100字】

VII针对食品冻结时间的研究状况文献综述1）食品冻结时间的重要性在第1.1.1节中，我们已经叙述了冻结时间对于食品冻结后质量的影响，并可以从中得出结论：食品的冻结时间越短、食品冻结速度越快，食品冻结后的质量就越高。此外，缩短冻结时间还可以带来其他经济效益，表1-4为第1.2.1节中提及的冲击式板带单冻机与普通型板带单冻机在相同条件下对同种冻品的冻结时间对比。表14鲜海参在不同结构形式的板带单冻机内的冻结时间食品名称规格mm重量设备形式库温℃初温℃末温（芯部）℃冻结时间min鲜海参115x3549g/个普通式-4010-1824鲜海参115x3549g/个冲击式-4010-1813从上表中可以明显看出冲击式板带单冻机的冻结时间缩短了接近50%，这就意味着对于要求同一冻结能力的速冻设备来说，冲击式板带单冻机的有效冻结段长度可以缩短接近50%，这样可以大大节约速冻设备的围护结构及传动结构初投资成本，同时更小的占地面积也可以使得食品加工厂节约一部分空间的初投资成本。综上所述，食品冻结时间对速冻设备的经济指标具有决定性的意义，是速冻设备研发设计过程中不可忽视的参数。2）食品冻结时间的确定方法对食品冻结时间的研究由来已久，1968年Holdsworth将食品的整个冻结过程划分为3个阶段：预冷、结冰、深冷。1972年，国际冷冻协会制定了以下原则。（1）标准冻结时间——指以食品各处的温度为0℃时为起始温度，将食品中心下降到比起始温度低10℃时所需的时间。（2）有效冻结时间——指食品中心温度从初温下降到给定的温度所需的时间。（3）-1~-5℃是最大冰晶形成的温度区。目前，食品冻结时间的确定方法主要有3种[15]：实验法、理论分析法及简化计算法。a）实验法实验法是指通过对真实的食品进行冻结实验，并对实验数据进行监控，得到食品的冻结时间。实验方法的优点是数据精确，但需要大量的实验工作，耗时费力，成本较高。b）理论分析法理论分析法的基础是热传导微分方程，需通过求解方程得到理论计算公式。求解热传导微分方程有两种方法：一种是给定边界条件，积分求导；另一种是利用数值模拟计算方法获取数值解。理论分析方法中给定边界条件积分求解方法简单，但使用范围窄；数值模拟方法虽较为复杂，但适用范围广，是目前理论分析方法中主要采用的手段。数值模拟计算都是一定条件下在能量、质量等守恒方程基础上进行的[16—17]，同时结合一部分初始边界条件利用数值模拟技术对食品的实际冻结过程进行模拟，分为以下几步：建立几何模型、将连续空间离散化、通过微分方程求解。建立几何模型就是将实物的形状进行数学描述，冷冻食品的几何模型有3种基本形状：无限大平板、无限长圆柱体和球体[18]。在食品形状与标准几何模型差异不大时，可以在求解式中增加一定形状的几何因子，近似的按标准形状处理，但这种方法误差较大。在实际运算中，通常是借助计算机辅助设计工具先生成物体形状，然后导入到网格生成软件中离散成为连续的空间域。连续空间离散化通常采用计算机数值模拟，其原理是将几何模型连续的求解划分为有限个网格，其目的是过得一组与求解变量有关的微分方程。最常见的离散方法有三种，有限差分法、有限元法及有限体积法，其原理及主要特点见表1-5[19]。表15数值离散法分类原理及优劣数值离散方法原理优缺点有限差分法将连续的区域离散化后，通过网格上的节点对连续区域上的连续变量函数使用离散后的网格上定义的离散变量函数来近似替代。求解速度快、精度低有限元法将计算域转换成为一系列的子域，通过每个子域内的近似函数来描述所求解的位置场函数。求解速度慢、精度高有限体积法计算区域内所包含的每个节点的控制体都分布于网格上，通过对控制体进行积分来求解微分方程。求解速度快、精度高通过网格划分离散话后，可获得一组与求解变量相关的微分方程，这时就可以输入已知的初始条件，并采用时间步长法进行求解方程组。Crank-Nicolson式是一种应用较为广泛的步长算法，其特点是稳定性好、精度高（可取二级精度）。除此之外，还有Lees[20]的三水平法，该方法在处理可变参数条件时应用较为广泛。针对以上两种方法的优劣对比，相关人员进行了验证。Pham针对相变问题，对几种有限差分法的处理后结果进行了对比，得出结论认为Lees法较Crank-Nicolson法不具有任何优势[21]。但Cleland等[22]在对食品冻结时间进行预测时涉及到的相变问题，采用有限差分法进行分析时，发现Lees式模型所预测的精度最高。由此可见，在计算时应选择哪种步长法，应根据具体的模型进行验证后再判断。步长法确定后，需要进行求解微分方程数值解方法的选择，解法有：基尔霍夫（Kirchhoff）转换、表观比热容法及准焓法。针对基尔霍夫转换法，Scheerlinck等[23]、Santos[24]等均进行过研究验证；针对表观比热法，Peralta等[25]、Santos等[24]均进行过研究验证；针对准焓法，Voller[26]、ZhangY[27]等均进行过研究验证。此外，因为食品冻结过程中有质量传递伴随热传递（主要是水分转移），还需要考虑传热和产值方程的耦合。Trujillo等[28]、Ebrahimnia等[29]也做过这方面的研究验证。以上关于算法的问题本文不再进行详细叙述，目前市场上有现成的商业软件可进行计算机辅助数值模拟计算，不同软件可提供不同的模型、离散化方式及解法，使用者可根据自身要求进行选择，如ANSYS、COMSOL、ABAQUS等。c）简化计算法简化计算方法又称半理论法，其原理是先进行实验，根据实验数据总结理论公式，验证后再对公式进行修正，最终形成简化计算公式。如需确定准确的食品冻结时间，还是以实验方法为主。但在多数工业生产应用上，对数据精度要求并不高，这时可以采用简化计算法。简化计算方法在进行理论分析时，通常需要做4个最基本的条件假设：（a）被冻结食品初始温度均匀一致，且冷却介质保持恒温。（b）食品内部的传热形式以导热为主，其表面的放热系数均匀一致且为常数。（c）在冻结过程中，食品的热物理性质保持不变。（d）食品有一个确定的结冰温度点。最早的食品冻结时间简化计算公式是由Plank在1941年提出的，其模型是针对无限大平板状食品。该公式在以上4个前提假设的基础上，又增加了3个假设条件。（a）被冻结的食品自身的温度在整个冻结过程中视为统一温度，且该温度为食品的冰点温度。（b）冻结过程为稳态传热过程。（c）食品中所含水分在冻结前统一视为液态。在以上前提下，Plank以无限大平板食品模型为基础，推导出的冻结时间理论计算公式一般形式为：(1-1)式中：t——食品冻结时间/s；ρ——冰点以下食品的密度/kg·m-3；L——食品相变潜热/kJ·kg-1；Tf——食品结冰温度/℃；Ta——冷却介质温度/℃；α——食品表面放热系数/kW·m-2·℃-1；k——冰点以下食品的导热系数/kW·m-2·℃-1；d——食品特征尺寸/m；P——几何形状系数；R——几何形状系数。其中d、P、R的取值如表1-6所示。表16食品特征尺寸及几何形状系数取值表物理模型无限大平板0.50.125平板厚度无限长圆柱0.250.0625圆柱直径球状0.1670.0416球直径从Plank公式的假设条件可以看出，该公式未考虑预冷段与深冷段，与实际冻结有较大偏差。1972年国际冷冻协会对Plank公式进行了修正，修正后公式如下：(1-2)公式(1-2)中采用替代了L，Q为食品初始状态与冻结结束状态时的焓差，其单位与相同。尽管该公式进行了修正，但由于假设条件与实际冻结状态存在较大差异，导致其精度偏低，目前在实际工程应用中，基本上不会采取该公式做冻结时间预测，仅出现在一些教科书或指导手册中，做定性分析指导。Plank于1963年再次对公式(1-1)进行了修正，本次修正考虑了预冷段与深冷段，其对平板状食品模型提出的公式如下：(1-3)(1-4)(1-5)(1-6)式中：Ti——食品初始温度/℃；Tc——食品冻结的终止温度/℃；a——食品特征尺寸/m；c"——食品冰点以下的比热/kJ·kg-1·℃-1；Bi——Biot数；Q——食品结冰温度与-12间的焓差/kJ·kg-1；k——-12时食品的导热系数/kW·m-2·℃-1；n——由Bi确定的数，具体值见文献[30]。采用修正后的Plank公式计算平板状牛肉的冻结时间，实测值与计算结果的最大误差在10%以内[15]。但由于其使用范围及误差精度限制，该公式仍未成为目前工程计算时对食品冻结时间预测的主要工具。1991年，Salvadori与Mascheroni共同提出以下公式：(1-7)式中：A、B、C、m、n均为常数，其值见文献[31]。Salvadori与Mascheroni采用该公式对平板状、圆柱状、球状的鱼、肉、土豆泥的α冻结时间进行计算，并将计算结果与实测值进行对比，发现其平均绝对误差小于5%。其精度及应用范围均好于Plank修正公式。2005年，Campanone等在之前对于食品冻结简化计算的研究成果基础上，增加了冻结过程中食品表面水分蒸发及冰晶升华对冻结时间的影响，提出了新的预测公式[32]。关于该公式具体内容参见文献[33]，本文不再详细论述。3）方法的选择以上所述3中方法中，理论分析法精度偏低，通常与实验法结合使用，作为实验法的前期理论分析，为实验确定方向；简化计算法的精度可满足工业生产需要，但其基本上是针对某种特定的冻品的，当研究对象发生改变时，其通用性较差；实验法的准确度最高，但工作量也最大。考虑到结果的精确性，本次改进工作选用实验法作为确定食品冻结时间的手段。参考文献隋继学,张一鸣.速冻食品工艺学[M].—北京:中国农业大学出版社,2015.10康景隆.食品预冷、快速冻结、冷冻干燥技术手册.[M].—北京:中国商业出版社,2000.6YUAHBK，LiesseC，KempR，etal.Evaluationofcombinedeffectsofageingperiodandfreezingrateonqualityattributesofbeefloins[J].MeatScience，2015,110：40—45AlhamdanS，HassanB，AlkahtaniH，etal.Cryogenicfreezingoffreshdatefruitsforqualitypreservationduringfrozenstorage[J].JournaloftheSaudiSocietyofAgriculturalSciences，2015（12）：1—8.LiangD，LinF，YangG，etal.Advantagesofimmersionfreezingforqualitypreservationoflitchifruitduringfrozenstorage[J].LWT—FoodScienceandTechnology，2015,60（2）：948—956.岳希举,余铭,崔静,陈海强,杨公明.速冻食品及速冻设备的发展概况及趋势[A].农产品加工·学刊.2012.12.025:94—96JamesC，PurnellG，JamesSJ.ACriticalReviewofDehydrofreezingofFruitsandVegetables[J].Food&BioprocessTechnology，2014,7（5）：1219—1234.AwadTS，MoharramHA，ShaltoutOE，etal.Applicationsofultrasoundinanalysis，processingandqualitycontroloffood：Areview[J].FoodResearchInternational，2012,48（2）：410—427.BahceciKS，SerpenA，GokmenV，etal.Studyoflipoxygenaseandperoxidaseasindicatorenzymesingreenbeans：changeofen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