草莓真空預冷理論分析及實驗研究

吳冬夏,申 江,張 川,丁 峰

(天津商業(yè)大學制冷技術重點實驗室,天津 300134)

草莓(FragariaananassaDuch.)是20世紀初從南美洲引進的薔薇科多年生草本植物。草莓果色鮮艷,柔軟多汁,具有很高的營養(yǎng)價值[1]。草莓表面極薄,在收獲和運輸過程中極易受到傷害,從而感染霉病[2],這是因為草莓具有較高的含水量和較強的代謝能力,因此容易發(fā)生細菌感染和腐爛[3]。

真空預冷是一種快速冷卻技術,具有冷卻速率快、效率高、冷卻均勻、效果好的特點[4],采摘之后經過真空預冷處理的草莓,其溫度會迅速降低,從而抑制感染和腐爛。目前,真空預冷技術已經在果蔬、肉類制品、焙烤食品及花卉的預冷工藝中廣泛應用[5]。目前,很多學者研究了真空預冷壓力對果蔬品質的影響,李保國[6]、邸倩倩[7]、申江[8]和Nguyen Van Luu[9]分別研究了真空預冷壓力對雙孢菇、韭菜和火龍果的影響,發(fā)現不同預冷壓力對這些果蔬的品質影響較大,宋小勇[10]研究了降壓速率對鮮切花的影響,發(fā)現中速降壓效果優(yōu)于高速降壓和低速降壓;在理論方面,張彧[11]和闞安康[1213]對柱狀蔬菜真空預冷進行了理論研究,研究了不同壓力下柱狀蔬菜各參數的理論變化情況。姜莎對草莓預冷之后的貯藏效果進行了研究[14],發(fā)現在不同真空預冷壓力下預冷并在4 ℃冷藏后草莓的品質各不相同,但是未涉及單獨預冷過程對草莓品質的研究,而且缺乏草莓預冷過程的理論分析。

因此,本文對草莓預冷建立了數學模型并進行了理論分析,并對預冷過程中艙內溫度、壓力以及草莓的溫度、冷卻速率、失水率、預冷前后的品質進行了實驗研究。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

草莓 品種“紅顏99”,經過挑選的優(yōu)質草莓,體積接近、質量均衡(實驗組每組6 kg)。

LJQK多功能果蔬保鮮裝置 天津商業(yè)大學;PALBXIACID5可溶性固形物測試儀 日本ATAGO公司;CheckPoint II CO2呼吸測定儀 Dansensor丹麥;無紙記錄儀 GP20;EL204型電子天平 METTLER TOLEDO上海。

1.2 理論方法

1.2.1 數學模型及假設 在草莓真空預冷過程中,當貯藏環(huán)境中的大量水蒸氣被真空泵抽走后,貯藏環(huán)境中水蒸氣的化學勢會小于草莓表面空氣中水蒸氣的化學勢,使草莓表面的水蒸氣向貯藏環(huán)境空氣側遷移,這破壞了其表面溶液中自由水間的化學勢平衡,草莓內部的自由水再次補充到其表面空氣并擴散到貯藏環(huán)境空氣中,使草莓溫度降低。為了簡化分析,建立了半徑為R的類球型數學模型如圖1,并進行了理論假設[15]:將貯藏環(huán)境中的空氣和水蒸氣視為理想氣體;將草莓視為類球型物體,且各向同性;在真空預冷過程中,草莓物性參數恒定,且不發(fā)生形變;草莓內部水分遷移以液態(tài)形式進行,且水分蒸發(fā)只發(fā)生在草莓表面;傳質阻力層很薄,認為僅有傳質無換熱;假設貯藏環(huán)境完全密封,且其溫度恒定。

圖1 草莓表面水蒸氣擴散Fig.1 Vapour diffuse from the surface of strawberry

1.2.2 草莓表面?zhèn)髻|阻力層理論分析 草莓表面的傳質阻力層是一個薄層氣體層,能阻礙草莓表面水分的蒸發(fā)。將該傳質阻力層細分為上層氣體和下層氣體,靠近草莓表面的下層氣體中水蒸氣分壓力可以近似等于草莓表面溶液的飽和壓力,靠近貯藏環(huán)境上層氣體的水蒸氣分壓力可近似等于貯藏環(huán)境中水蒸氣分壓力,并且下層氣體水蒸氣分壓高于上層,因此水蒸氣自下而上擴散,定義質流通量為m,擴散距離為y,如圖2(a)。在傳質阻力層中,水蒸氣由草莓表面向貯藏環(huán)境中擴散,空氣向草莓表面擴散,由于空氣不能通過草莓表面,必然會有氣體混合物整體向貯藏環(huán)境流動,以便草莓表面壓力不被破壞,定義這股流動的質平均速度為ν,由于在傳質阻力層中空氣與水蒸氣的混合物總壓力P保持不變,所以在傳質阻力層中的壓力梯度可由圖2(b)表示。

圖2 傳質阻力層中水蒸氣擴散Fig.2 Water vapor diffusion in the mass transfer resistance layer

引入擴散系數D來表示物質擴散能力大小,在已知溫度T0、壓力P0及該狀態(tài)下的質擴散系數D0時,任意狀態(tài)下質擴散系數D與溫度T、壓力P的關系可表示為[16]:

式(1)

采用靜坐標進行分析,由斯蒂芬定律,水蒸氣和空氣的質擴散量可表示為[16]:

式(2)

式(3)

由(3)可得:混合氣體整體流速:

式(4)

由氣體的總壓力P=Pa+pw=常數,求導得:

式(5)

將(5)代入(4)得:

式(6)

將(6)代入(2)得到水蒸氣的質擴散量:

式(7)

將(7)從y=0到y(tǒng)=l進行積分,結合邊界條件:

y=0時:Ppfw=pa0

式(8)

y=l時:Ppaw=pal

式(9)

式中:paw為貯藏環(huán)境中的水蒸氣分壓;Pfw為草莓模型表面水蒸氣分壓。

積分得:

式(10)

用M表示單位時間、在單位表面積上草莓水分的擴散量,則(10)可改寫為:

式(11)

將(1)代入(11),得:

式(12)

或:

式(13)

由式(12)、(13)可得出,在真空預冷過程中草莓表面水蒸氣擴散量隨著貯藏環(huán)境中水蒸氣分壓Paw與貯藏環(huán)境壓力P的減小而增大。由于草莓表面水蒸氣擴散量增大時,其冷卻速率也會提高,因此當貯藏環(huán)境壓力降低時,草莓的冷卻速率會升高。

1.3 實驗方法

1.3.1 處理方法 將新鮮的草莓分成重量相同的A、B、C三組,每組6 kg,分別在定壓力為0.5、0.8、1.0 kPa的預冷艙內(艙內體積10 m3)進行真空預冷(通過真空泵的泵吸,艙內壓力從大氣壓力逐漸降低至預冷壓力),預冷終溫均為3 ℃(以表面溫度為基準),并設D組為空白對照組,與A、B、C三組品質、體積、質量完全相同。研究艙內溫度、相對濕度和壓力的變化情況,對比不同的預冷壓力對冷卻速率、失水率的影響,以及預冷前后對草莓呼吸強度、可溶性固形物的影響情況。分別將三根熱電偶分別插在同一草莓的中心處、1/4處、表面處,草莓堆平放在置物板上,共一層。對比在不同預冷壓力下不同位置的溫度變化情況。

1.3.2 測定項目與方法

1.3.2.1 冷卻速率 冷卻速率以草莓的表面溫度作為基準,每隔5 min對草莓表面溫度進行一次測量,計算公式為:

式中,vf為草莓以表面溫度作為基準的冷卻速率, ℃/(kg·h);ΔT為預冷過程中每5 min草莓表面的溫度變化值, ℃;m為每組預冷草莓的即時質量,初始質量為6 kg;Δt為預冷時間變化量,為1/12 h。

1.3.2.2 呼吸強度 在不同預冷壓力下進行真空預冷之后,從真空預冷艙立刻移入密閉容器放置3 h并采用紅外CO2呼吸測定儀測定,計算公式為:

果蔬呼吸強度(mg CO2/(kg·h))

式中,ω1為密封前密閉容器中CO2總量,%;ω2為t時間之后密閉容器中CO2總量,%;V為密閉容器總體積,為1.1 L;V0為測定溫度下CO2摩爾體積,取為22.4 L/mol;M為CO2的摩爾質量,取為44 g/mol;Ms為草莓重量,kg;t為測定時果蔬呼吸時間,h。

1.3.2.3 可溶性固形物 在不同預冷壓力下進行真空預冷之后,立刻從A、B、C、D四組每組中取3顆草莓,采用PALBXIACID5可溶性固形物測試儀分別測其可溶性固形物,取平均值。

1.3.2.4 失水率 密閉容器內稱重傳感器的示數變化,失水率計算公式為:

式中,G1為草莓預冷前初始重量,即6 kg;G2為預冷過程中草莓的重量,kg。

1.4 數據處理

通過Excel軟件處理數據和初步分析,采用Origin軟件繪圖并分析圖形變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 不同預冷壓力對草莓溫度與艙內溫度的影響

圖3～圖5分別是在三種不同預冷壓力下草莓表面溫度、1/4處溫度、中心溫度以及艙內溫度的變化情況。從圖中可以得出以下結論:艙內溫度剛開始先急速下降,隨后緩慢上升,最終保持恒定,與文獻[14]所測得的艙內溫度變化趨勢相同,溫度最終保持在12 ℃左右,由圖可以看出艙內溫度變化趨勢與預冷壓力無關;在不同預冷壓力下,草莓的表面溫度、1/4處溫度、中心溫度均呈下降趨勢,其表面與中心的溫度變化趨勢與文獻[14]相同。而且,草莓1/4處溫度與中心溫度接近并且高于草莓表面溫度,當真空預冷壓力為0.5 kPa時,三處溫差最大;預冷壓力為0.5、0.8、1.0 kPa時,草莓表面由初始溫度降到3 ℃所用的時間分別為45、110、230 min,這說明真空預冷壓力越低,草莓達到設定溫度的時間越短。

圖3 預冷壓力為0.5 kPa時草莓溫度與艙內溫度的變化情況Fig.3 Changes of strawberry temperature and cabin temperature with vacuum precooling pressure of 0.5 kPa

圖4 預冷壓力為0.8 kPa時草莓溫度與艙內溫度的變化情況Fig.4 Changes of strawberry temperature and cabin temperature with vacuum precooling pressure of 0.8 kPa

圖5 預冷壓力為1.0 kPa時草莓溫度與艙內溫度的變化情況Fig.5 Changes of strawberry temperature and cabin temperature with vacuum precooling pressure of 1.0 kPa

2.2 不同預冷壓力下艙內相對濕度的變化情況

圖6～圖8分別是0.5、0.8、1.0 kPa三種預冷壓力下艙內壓力與相對濕度的變化情況?？梢钥闯霾煌A冷壓力下艙內壓力與相對濕度有相同的變化趨勢:艙內壓力從100 kPa降到三種設定預冷壓力(0.5、0.8、1.0 kPa)時間均為35 min,之后通過控制真空泵的截止閥維持真空艙內預冷壓力處于恒定狀態(tài);艙內相對濕度在預冷的初始階段呈快速下降趨勢,當預冷到30 min后艙內相對濕度又呈現急劇上升趨勢,直到相對濕度趨于平緩。這是因為預冷初期抽真空的過程中,艙內空氣被真空泵抽出,水蒸氣分壓力減小,所以相對濕度降低。隨著艙內壓力下降到草莓表面水分蒸發(fā)所對應的壓力時,草莓表面水分開始蒸發(fā),使得艙內水蒸氣分壓增大,相對濕度增大,當表面水分蒸發(fā)完成之后,艙內相對濕度趨于平緩[17]。

圖6 預冷壓力為0.5 kPa時艙內壓力與相對濕度的變化情況Fig.6 Changes of cabin pressure and relative humidity with vacuum precooling pressure of 0.5 kPa

圖7 預冷壓力為0.8 kPa時艙內壓力與相對濕度的變化情況Fig.7 Changes of cabin pressure and relative humidity with vacuum precooling pressure of 0.8 kPa

圖8 預冷壓力為1.0 kPa時艙內壓力與相對濕度的變化情況Fig.8 Changes of cabin pressure and relative humidity with vacuum precooling pressure of 1.0 kPa

2.3 不同預冷壓力對草莓冷卻速率的影響

圖9是草莓在不同預冷壓力下冷卻速率的變化情況?？梢钥吹饺N預冷壓力下冷卻速率變化趨勢大致相同:在0～20 min先迅速上升再降低,其中0.8 kPa和1.0 kPa的冷卻速率在20 min之后再次上升然后逐漸降低直至趨于平穩(wěn)。之所以會再次上升是因為在15～20 min時,艙內壓力降至草莓表面水分開始蒸發(fā)的壓力,此時草莓表面的水分開始蒸發(fā),由于水的汽化潛熱值遠大于草莓自身比熱,因此即使草莓自身水分蒸發(fā)量很小,其溫度會有大幅度降低,所以冷卻速率會再次升高[18]。對整個預冷過程的冷卻速率進行計算,忽略草莓的質量變化(質量變化的最大值僅為0.2 kg),得到0.5、0.8、1.0 kPa三種預冷壓力下冷卻速率2.36、0.93、0.46 ℃/(kg·h),這說明預冷壓力越低,冷卻速率越大,與圖上三個折線位置所反映的大小程度一致,與之前理論分析的結論也一致。

圖9 草莓在不同預冷壓力下的冷卻速率Fig.9 The cooling rate of strawberry under three kinds of precooling pressures

2.4 不同預冷壓力對草莓呼吸強度的影響

由圖10可以看出不同預冷壓力以及是否預冷對草莓呼吸強度的影響較大。在0.5、0.8、1.0 kPa以及無預冷情況下其呼吸強度平均值分別為11.8、14.2、15.9、26.1 mg CO2/(kg·h)。0.5 kPa時草莓的呼吸強度最低,而不進行預冷處理的草莓呼吸強度最高,且不預冷的草莓呼吸強度明顯高于預冷組草莓的呼吸強度,三個預冷組的草莓呼吸強度隨著預冷壓力的降低而減弱,0.5 kPa時的呼吸強度為1.0 kPa時呼吸強度的75%,僅為不預冷情況時呼吸強度的46%。

圖10 不同預冷壓力對草莓呼吸強度的影響Fig.10 The influence of precooling pressures on the respiration intensity of strawberry注:不同字母代表數據有顯著性差異,p<0.05；圖11同。

2.5 不同預冷壓力對可溶性固形物的影響

圖11是不同預冷壓力下草莓可溶性固形物的含量,0.5、0.8、1.0 kPa以及無預冷情況下其可溶性固形物平均值分別為10.4%、10.5%、10.3%、10.5%,可以看出草莓真空預冷前后其可溶性固形物基本保持不變,并且不同的真空預冷壓力對草莓的可溶性固形物數值的影響也很小,可認為草莓的可溶性固形物含量不受預冷以及預冷壓力的影響。

圖11 不同預冷壓力對草莓可溶性固形物的影響Fig.11 The influence of precooling pressures on strawberry soluble solids

2.6 不同預冷壓力對草莓失水率的影響

圖12給出了三種預冷壓力下草莓預冷過程中失水率的變化情況,由于預冷壓力為0.5和0.8 kPa時的預冷時間短,因此預冷結束的時間比1.0 kPa下預冷結束的時間早,所以不考慮0.5和0.8 kPa的預冷壓力下結束之后的失水率。從圖中可以看出預冷壓力對失水率的影響較大,隨著預冷壓力的升高,草莓的失水率越來越大,且失水率呈先快速增長隨后緩慢增長的趨勢。在0.5、0.8、1.0 kPa的預冷壓力下草莓完成預冷時的失水率分別為1.67%、2.17%、3.33%。由此可見,預冷壓力越低,草莓失水率越低,該結論與文獻[14]不同預冷壓力下(300、500、700 Pa)得到的結論相同。

圖12 三種預冷壓力下草莓失水率隨時間的變化情況Fig.12 The changing trend of water loss under three kinds of precooling pressures

3 結論

在草莓真空預冷過程中,當貯藏環(huán)境中水蒸氣分壓、貯藏環(huán)境壓力減小,草莓表面水蒸氣擴散量增大,草莓的冷卻速率提高。預冷艙內溫度先下降后上升,最終恒定在12 ℃左右,且艙內溫度變化趨勢與預冷壓力無關,草莓的表面溫度降溫速率高于1/4處溫度與中心溫度的降溫速率,預冷壓力越低,草莓達到設定溫度的時間越短;艙內相對濕度在不同預冷壓力下變化趨勢相同:先下降后上升最后趨于穩(wěn)定。不同預冷壓力對草莓的冷卻速率影響顯著,0.5、0.8、1.0 kPa三種預冷壓力下冷卻速率分別為2.36、0.96、0.46 ℃/(kg·h),真空預冷壓力越低,草莓冷卻速率越大,且冷卻速率呈現先增長后降低再增長再降低的趨勢;是否進行真空預冷以及不同的預冷壓力對草莓的可溶性固形物的含量幾乎沒有影響，但對草莓的呼吸強度影響較大,并且有預冷壓力越低,呼吸強度越弱,在0.5 kPa時其呼吸強度僅為12 mg CO2/(kg·h),不同預冷壓力對草莓失水率的影響明顯,預冷壓力越低,草莓失水率越低,0.5 kPa的預冷壓力下草莓預冷完成時的失水率僅為1.67%。

草莓真空預冷還需進一步模擬分析,通過模擬得出預冷艙內壓力與草莓表面水蒸氣擴散量的關系并與理論分析的結果進行對比;本文僅對每組6 kg的草莓裝載量進行了研究,后期還需要增加或者減少草莓的裝載量,研究預冷艙內草莓不同的裝載量對草莓溫度變化、失水率、冷卻速率以及品質的影響。

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