噴霧參數(shù)對豆腐真空冷卻效果的影響

彭鈺航 杜帥華 金聽祥 陳 華 魏 耀 黃 裕 張 盼

(鄭州輕工業(yè)大學能源與動力工程學院 鄭州 450002)

真空冷卻是一種能實現(xiàn)多孔、富水食品快速降溫的冷卻技術(shù)[1]，與冷水冷卻、強制風冷等傳統(tǒng)冷卻方式的原理不同，真空冷卻需要在密閉環(huán)境中利用真空泵營造一個低壓環(huán)境，使產(chǎn)品自身水分在低壓環(huán)境下快速蒸發(fā)達到降低溫度的目的[2]。目前，真空冷卻技術(shù)已廣泛應(yīng)用于快餐、即食食品、配送中心、中央廚房等行業(yè)[3-5]。但食品在經(jīng)過真空冷卻后，會產(chǎn)生較高的質(zhì)量損失[6]，這嚴重限制了真空冷卻技術(shù)的推廣。因此，如何降低真空冷卻后食品的質(zhì)量損失，是真空冷卻技術(shù)亟待解決的問題。

本研究就女性免疫性不孕與慢性生殖道炎癥及微量元素的關(guān)系進行探究與分析，結(jié)果顯示，免疫性不孕的女性患者其陰道分泌物炎性因子(IL-6、IL-8及TNF-α)及血清銅均高于健康正常孕婦，血清硒及鋅均低于健康正常孕婦，且不同分類與病程免疫性不孕者的陰道分泌物炎性因子及血清微量元素指標差異有統(tǒng)計學意義，Logistic分析顯示，上述檢測指標均與女性免疫性不孕有密切關(guān)系，進而肯定了上述指標與女性免疫性不孕的關(guān)系。其中慢性生殖道炎癥導致的炎性細胞因子表達增強可較大程度反映生殖道的炎性損傷，微量元素對于子宮內(nèi)膜及生殖系統(tǒng)其他方面的影響也較大程度存在，且對免疫的失調(diào)影響較大[17-19]。

目前，降低食品真空冷卻質(zhì)量損失的研究主要集中在真空冷卻過程參數(shù)的優(yōu)化、冷卻前補水、新工藝研究等方面?？刂普婵绽鋮s過程的工藝參數(shù)，可以降低產(chǎn)品的質(zhì)量損失。H.M.Ozturk等[7]研究發(fā)現(xiàn)，對萵苣進行真空冷卻，當壓力由1.5 kPa降至1 kPa時，質(zhì)量損失率將減少35.84%。T.Brosnan等[8-10]研究表明適當降低壓降速率，可以降低產(chǎn)品的質(zhì)量損失。宋小勇等[11]研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的裝載量對真空冷卻后產(chǎn)品的質(zhì)量損失有影響。本課題組前期的研究發(fā)現(xiàn)，真空冷卻過程冷卻壓力、物料初始溫度、物料相對表面積以及物料堆疊方式均對產(chǎn)品的失水率有顯著影響[12]。真空冷卻過程的質(zhì)量損失主要是產(chǎn)品內(nèi)部水分的散失，單純調(diào)整工藝參數(shù)并不能從根本上解決質(zhì)量損失的問題。冷卻前補水可以減少食品自身水分的散失，從而達到降低質(zhì)量損失的目的[13-14]。Sun Dawen等[15]研究發(fā)現(xiàn)預冷前噴水可以縮短冷卻時間，減少花卉真空冷卻過程中的質(zhì)量損失。錢驊等[16-17]研究表明，對西蘭花真空預冷前進行補水，可以有效降低失水率，但補水率并非越高越好。冷卻前補水存在補水量難以控制等諸多問題。浸沒式真空冷卻(immersion vacuum cooling，IVC)是目前備受關(guān)注的新型真空冷卻技術(shù)，能有效降低產(chǎn)品的質(zhì)量損失，被廣泛應(yīng)用于熟肉的真空冷卻中[18-19]。M.Houska等[20]將煮熟的牛肉放入肉湯中進行真空冷卻，發(fā)現(xiàn)與直接真空冷卻相比，牛肉放入肉湯后質(zhì)量損失降低。L.Drummond等[21]對比了IVC、真空冷卻(vacuum cooling，VC)和風冷(air blast cooling,ABC)對水煮牛肉冷卻效果的影響，發(fā)現(xiàn)IVC可以獲得更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，且其質(zhì)量損失(6%)少于VC(13.2%)和ABC(7%)。Guo Zhiyu等[22-23]在IVC的基礎(chǔ)上研究了一種新型的鼓泡真空冷卻，發(fā)現(xiàn)鼓泡真空冷卻的質(zhì)量損失比IVC和VC分別少2.5%和12.7%，且冷卻速度(0.1 ℃/s)比IVC(0.07 ℃/s)快。但浸沒式真空冷卻是先將食品淹沒于液體之中，再抽真空對其進行冷卻，存在用水量大、壓力能損失大、冷卻時間長的缺點，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。因此，如何在降低真空冷卻質(zhì)量損失的同時減少冷卻時間及用水量是研究的一個重點。

針對上述問題，本文將噴霧冷卻和真空冷卻相結(jié)合，提出一種食品真空噴霧冷卻技術(shù)，通過控制噴霧參數(shù)，研究其對食品冷卻效果的影響。此外，豆腐營養(yǎng)價值高，是一種含水量豐富(80%以上)的加工食品。豆腐富含蛋白質(zhì)和脂肪，易于微生物快速繁殖而使其腐敗變質(zhì)。采用真空冷卻技術(shù)可以有效防止豆腐的腐敗變質(zhì)。因此，本文以豆腐為研究對象，研究真空噴霧冷卻過程噴霧高度(如圖1(a)所示)、噴霧流量、噴霧時間、噴霧傾角(如圖1(b)所示)對其冷卻時間和失水率的影響，以期為真空噴霧冷卻的應(yīng)用提供一定的實驗基礎(chǔ)。

Nguyen（2012）發(fā)現(xiàn)當首席執(zhí)行官和董事屬于同一社會網(wǎng)絡(luò)時，CEO不太可能因為業(yè)績不佳而被解雇，董事會成員和CEO之間密切的社會關(guān)系會影響董事會職能的發(fā)揮；Chahine et al.（2014）發(fā)現(xiàn)只有在控制董事會成員與高管的社交聯(lián)系后，董事會獨立性才能發(fā)揮效應(yīng)。那么關(guān)于社會關(guān)系的度量又該如何展開呢？國外大部分學者的研究集中在工作經(jīng)歷、畢業(yè)院校、老鄉(xiāng)、專業(yè)方面 （Kramarzy et al.2007、 Hwang et al.2009、Liu 2010、Nguyen 2011、Hoitash 2011、Fracassi et al.2012等）。

圖1 噴霧高度和噴霧傾角Fig.1 Spray height and spray inclination angle

1 材料和方法

1.1 材料

實驗中所用豆腐尺寸為邊長3 cm的方型豆腐塊，邊長誤差為±0.1 cm，冷卻終壓為(800±50)Pa，冷卻終溫為4 ℃，噴霧水溫為23 ℃，通過恒溫槽對豆腐進行加熱，豆腐的中心溫度達到70 ℃時迅速放入真空冷卻室內(nèi)進行實驗，當真空室內(nèi)壓力降至25 kPa時進行噴霧，熱電偶由豆腐側(cè)表面中心插入，布置在豆腐的幾何中心處，當中心溫度達到4 ℃時結(jié)束實驗，記錄數(shù)據(jù)。所有實驗重復進行5次，取5次中3組數(shù)據(jù)相近的平均值為最終實驗結(jié)果。

1.2 儀器和設(shè)備

真空噴霧冷卻實驗平臺如圖2所示，真空室由1Cr18Ni9Ti不銹鋼板焊接而成，容積為0.2 m3，外用方槽鋼加強。SOGEVAC系列SV25B單級油封旋片真空泵，極限壓力小于50 Pa，抽速為22.5 m3/h(6.25 L/s)。SUP-P300擴散硅壓力變送器，測量范圍為絕壓0～100 kPa，測量精度為±0.5%。噴霧裝置中噴嘴型號為60°實心0.4，壓力傳感器為SUP-P300擴散硅壓力變送器，測量水壓范圍為0～1 MPa，測量精度為±0.5%；溫度傳感器為k型熱電偶，其基本誤差限為±0.75%t。低溫恒溫槽型號DC-3010，溫度波動為±0.05 ℃。精密電子天平型號ES500，精度為0.001 g。PE管依次連接流量計、水泵和凈水器。

圖2 真空噴霧冷卻系統(tǒng)Fig.2 System of vacuum spray cooling

1.3 實驗方法

豆腐采購于超市，挑選晶瑩嫩白的豆腐，無任何機械損傷，購買后采用保鮮膜包覆，10 min內(nèi)送至實驗室，實驗前放在4 ℃的冰箱進行保存。

1.4 測量方法

豆腐在冷卻過程中的質(zhì)量損失主要是因水分的散失，失水率的大小直接反應(yīng)其質(zhì)量損失情況,失水率的計算公式：

(1)

實驗所用的噴嘴為旋流霧化噴嘴，旋流霧化噴嘴在噴霧時呈錐形噴霧，噴霧流場從中心向外，依次為主流區(qū)、卷吸區(qū)和噴霧外緣區(qū)，而噴霧液滴主要分布在主流區(qū)，隨噴霧高度增加，噴霧錐角不變，但主流區(qū)會外移，單位面積的液滴數(shù)反而減小[24]。圖4所示為不同噴霧高度下液膜在豆腐表面的鋪展情況。如圖4(a)、(b)所示，受旋流霧化噴嘴噴霧特性的影響，噴霧高度較低時，豆腐的冷卻面處于噴霧主流區(qū)，霧化液滴可以全部快速噴射至豆腐表面，液滴沖刷強化換熱，快速帶走產(chǎn)品的熱量，使冷卻速度加快。而隨著噴霧高度的增加，如圖4(c)～(e)所示，由于液滴在真空噴射過程中蒸發(fā)甚至閃蒸，造成液滴下落動量減小，沖刷能力減弱，會形成厚液膜附在豆腐表面上，影響傳熱，同時，由于高度增加，噴霧主流區(qū)外移，噴霧液滴不能全部噴射到豆腐上表面，部分液滴噴射到豆腐冷卻面外，造成有效噴霧水量的減少，從而傳熱減弱，冷卻時間增加。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 噴霧高度對豆腐真空噴霧冷卻效果的影響

圖3所示為噴霧高度對真空噴霧冷卻冷卻時間的影響。實驗過程選取的噴霧高度分別為1、3、5、7、9 cm。由圖3可知，冷卻時間均隨噴霧高度的增加而增加。當噴霧流量為5 mL/min時，噴霧高度由1 cm增至9 cm，冷卻時間由12.08 min增至14.75 min，增幅為22.10%；當噴霧流量為14 mL/min時，噴霧高度由1 cm增至9 cm，冷卻時間由15.25 min增至18.75 min，增幅為22.95%。

ReLU(Rectified Linear Unit)是一種線性的激活函數(shù),具有計算簡單、效率高,且不會出現(xiàn)梯度飽和現(xiàn)象等特點,本文采用ReLU函數(shù),以加快網(wǎng)絡(luò)訓練速度.

圖3 噴霧高度對真空噴霧冷卻冷卻時間的影響Fig.3 Effect of spray height on the cooling time of vacuum spray cooling

式中：L為失水率；x1、x2分別為豆腐冷卻前、后的質(zhì)量，kg。

1.2方法手術(shù)采用宮腔鏡。在月經(jīng)結(jié)束后4~7 d內(nèi)進行手術(shù),術(shù)前常規(guī)檢查,然后進行婦科檢查,根據(jù)診斷進行手術(shù)。盆腔粘連:膜性粘連、纖維肌性粘連可在宮腔鏡下分離或用手術(shù)剪除。

圖4 不同噴霧高度下液膜在豆腐表面的鋪展情況Fig.4 Spreading of liquid membrane on tofu surface under different spray heights

本文實驗研究了噴霧參數(shù)對豆腐真空冷卻效果的影響，發(fā)現(xiàn)受噴霧參數(shù)的影響，其傳熱和傳質(zhì)過程呈現(xiàn)不同的性質(zhì)，得到結(jié)論如下：

圖5 噴霧高度對真空噴霧冷卻失水率的影響Fig.5 Effect of spray height on water loss rate of vacuum spray cooling

造成該現(xiàn)象的原因是：當噴霧高度較低時，噴嘴噴出的液滴會全部打在豆腐的上表面，滿溢后，多余的水沿著上表面某處流走；但隨著噴霧高度的增加，噴霧主流區(qū)外移，會有一部分液滴打在豆腐的側(cè)面，側(cè)面被液膜覆蓋的面積隨高度的增加而增加，使失水率降低；當噴霧高度繼續(xù)增加，液滴打在豆腐上表面和側(cè)面形成的液膜覆蓋面積達到飽和，使噴霧高度的繼續(xù)增加對失水率無顯著影響。此外，液膜覆蓋豆腐表面，原本由豆腐和真空腔之間的壓力梯度，轉(zhuǎn)化為豆腐和表面液膜之間的壓力梯度，壓力梯度減小，阻止了內(nèi)部水分的蒸發(fā)，使失水率降低。綜合對比噴霧高度對冷卻時間和失水率的影響效果，在實驗范圍內(nèi)，5 cm的噴霧高度冷卻效果最佳。

2.2 噴霧流量對豆腐真空噴霧冷卻效果的影響

1)噴霧高度對降低質(zhì)量損失具有顯著作用，本實驗范圍內(nèi)，當噴霧流量相同時，隨著噴霧高度由1 cm增至9 cm，冷卻時間呈增加的趨勢，但失水率先降低后趨于穩(wěn)定。

圖6 噴霧流量對真空噴霧冷卻冷卻時間的影響Fig.6 Effect of spray flow rate on the cooling time of vacuum spray cooling

圖7 不同噴霧流量下豆腐表面形成液膜的厚度情況Fig.7 Thickness of liquid film formed on tofu surface under different spray flow rates

圖8所示為噴霧流量對真空噴霧冷卻失水率的影響。由圖8可知，噴霧高度為1 cm時，對應(yīng)噴霧流量下，豆腐的失水率分別為5.67%、5.62%、5.43%、5.65%和5.59%；噴霧高度為3 cm時，對應(yīng)噴霧流量下，豆腐的失水率分別為4.36%、4.38%、4.29%、4.40%和4.34%；噴霧高度為5 cm時，對應(yīng)噴霧流量下，豆腐的失水率分別為3.08%、2.97%、3.02%、3.01%和3.07%；噴霧高度為7 cm時，對應(yīng)噴霧流量下，豆腐的失水率分別為3.11%、3.05%、3.07%、3.06%和3.17%；噴霧高度為9 cm時，對應(yīng)噴霧流量下，豆腐的失水率分別為2.93%、3.07%、2.99%、3.05%和3.01%。在實驗的流量范圍內(nèi)，噴霧流量對失水率無顯著影響(P>0.05)。原因是噴霧高度較低時，噴霧區(qū)域較小，僅在豆腐上表面形成一層液膜，多余的水會溢出，沿表面某處流走，此時，流量的變化僅影響了水溢出的速度，并不能改變液膜在豆腐表面的覆蓋情況；而噴霧高度較高時，噴霧區(qū)域大于豆腐上表面面積，部分液滴會噴射到豆腐側(cè)面，使豆腐上表面和側(cè)面均被液膜覆蓋。雖然流量的增加增強了液膜更新速度，但對相同高度下液膜在豆腐表面的覆蓋情況無影響，因此，在實驗范圍內(nèi)，噴霧流量對失水率的影響并不顯著。

圖8 噴霧流量對真空噴霧冷卻失水率的影響Fig.8 Effect of spray flow rate on water

2.3 噴霧時間對豆腐真空噴霧冷卻效果的影響

總之，小學數(shù)學課堂教學如何提升有效性是現(xiàn)在教師普遍關(guān)注的重點問題。教師要在課堂教學實踐中不斷摸索和總結(jié)各種有效的教學方式、方法，逐步完善現(xiàn)代小學數(shù)學課堂教學手段和教學理念。

圖9 噴霧時間對真空噴霧冷卻冷卻時間和失水率的影響Fig.9 Effect of spray time on cooling time and water loss rate of vacuum spray cooling

因此，針對不同冷卻需求的產(chǎn)品，減少噴霧時間，在適當增加一部分質(zhì)量損失的情況下，可以快速獲得需要的冷卻溫度；而當需要保證產(chǎn)品質(zhì)量時，應(yīng)增加噴霧時間，雖然冷卻時間增加，但有效降低了產(chǎn)品的質(zhì)量損失。

無限多樣性的市場主體。該媒體市場包含 IPTV、數(shù)字電視等新興媒體，同時也包含傳統(tǒng)媒體。這些媒體既有草根媒體，同時也包含全媒體。在這部分媒體運行的過程中，信息傳輸可以綜合利用多種表現(xiàn)方法。由此可見，這個全新的媒體市場中擁有無限多樣性的市場主體。另一方面，在新的時期，隨著媒體市場的一體化，傳播平臺已經(jīng)無法對它們之間的競爭產(chǎn)生限制和影響。時間

2.4 噴霧傾角對豆腐真空噴霧冷卻效果的影響

圖10所示為不同噴霧傾角(分別為90°、75°、60°以及45°)噴霧情況。圖11所示為噴霧傾角對真空噴霧冷卻冷卻時間的影響。由圖11可知，不同噴霧傾角下，降溫曲線的趨勢相同，但噴霧傾角為90°時，降溫速率較慢。由圖12可知，隨著噴霧傾角的降低，冷卻時間先降低后基本不變，當噴霧傾角為90°時，冷卻時間為14.12 min，而當噴霧傾角為75°、60°和45°時，冷卻時間分別為12.58 min、12.83 min和12.75 min，無顯著差異(P>0.05)。

圖9所示為噴霧時間對真空噴霧冷卻冷卻時間和失水率的影響。由圖9可知，噴霧時間對豆腐傳熱傳質(zhì)效果具有顯著影響。與只進行真空冷卻的實驗組相比，噴霧時間增加，豆腐冷卻時間增加，但失水率降低。與真空冷卻相比，當噴霧時間為0.25 min時，真空噴霧冷卻下的豆腐失水率為6.06%，降低42.23%，而冷卻時間為8.75 min，增長8.29%；而當噴霧時間為14.5 min時，冷卻結(jié)束后失水率為2.93%，降低72.07%，但冷卻時間為15.50 min，增長91.83%。

圖11 噴霧傾角對真空噴霧冷卻冷卻時間的影響Fig.11 Effect of spray inclination angle on the cooling time of vacuum spray cooling

圖12 噴霧傾角對真空噴霧冷卻冷卻效果的影響Fig.12 Effect of spray inclination angle on the cooling effect of vacuum spray cooling

主要原因是當噴霧傾角為90°時(圖10(a))，噴霧液滴在接觸到豆腐表面后會整體覆蓋在豆腐表面，形成厚液膜，阻礙傳熱。隨著噴霧傾角的減小，液滴在豆腐表面的流動加快，傳熱得以強化(圖10(b)～(d))，但從實驗結(jié)果而言，當傾角變化至一定程度后，對傳熱的影響較小，制約其降溫的主要原因可能是內(nèi)部水分遷移等傳質(zhì)規(guī)律的影響。

圖10 不同噴霧傾角的噴霧情況Fig.10 Spray conditions with different spray inclination angles

失水率隨噴霧傾角的減小呈增大的趨勢。實驗過程中，隨著噴霧傾角的減小，覆蓋在豆腐表面的水膜面積會減小，導致失水率增加。同樣說明失水率和液膜的覆蓋情況有關(guān)，液膜的存在可以有效降低真空噴霧冷卻的失水率，液膜覆蓋面積越大，失水率越低，反之則失水率越高。

3 結(jié)論

圖5所示為噴霧高度對真空噴霧冷卻失水率的影響。由圖5可知，在實驗的范圍內(nèi)，失水率隨噴霧高度的增加，呈先減小后基本不變的趨勢。當噴霧高度由1 cm增至5 cm時，失水率隨之降低，而當噴霧高度為5、7、9 cm時，失水率基本保持不變。

圖6所示為噴霧流量對真空噴霧冷卻冷卻時間的影響。實驗選取的噴霧流量分別為5、7、9、12、14 mL/min。由圖6可知，當豆腐的中心溫度冷卻至4 ℃時，所需的冷卻時間均隨噴霧流量的增加而增加。噴霧高度為1 cm時，當噴霧流量由5 mL/min增至14 mL/min，冷卻時間由11.92 min增至15.58 min，增幅為30.70%；噴霧高度為9 cm時，當噴霧流量由5 mL/min增至14 mL/min，冷卻時間由14.33 min增至18.17 min，增幅為26.80%。原因是噴霧流量較小時，噴出的液滴在行進到豆腐表面的過程中，能得到充分的蒸發(fā)，到達表面的液滴粒徑更小，溫度更低，更有利于換熱；另一方面，受旋流霧化噴嘴噴霧特性的影響[24]，噴霧流量增大會使噴霧錐角增大，主流區(qū)擴大，造成有效噴霧水量減少；在較小的流量范圍內(nèi)，當噴霧高度相同時，隨著噴霧流量的增加(如圖7所示)，大量液滴在豆腐表面形成液膜，由于豆腐表面液膜的更新速度小于水膜的堆積速度，造成液膜厚度增加，傳熱熱阻增大，降低了真空噴霧冷卻換熱能力。

2)噴霧高度相同時，在較小的流量范圍下(5～14 mL/min)，噴霧流量對豆腐的失水率無顯著影響，但冷卻時間會隨噴霧流量的增大而增加。

3)實驗范圍內(nèi)，隨著噴霧時間增長，冷卻時間增加，但失水率顯著降低。當噴霧時間由0 min增至14.5 min時，冷卻時間由8.08 min增至15.50 min，增幅為91.83%，失水率由10.49%降至2.93%，降幅達72.07%。

4)當噴霧傾角由90°降至45°，失水率由2.97%增至6.44%，冷卻時間呈先降低后基本不變的趨勢。

5)與真空冷卻相比，真空噴霧冷卻可以有效降低產(chǎn)品的失水率，為降低真空冷卻過程的質(zhì)量損失提供了一種新思路。但本文僅對真空噴霧冷卻進行了相關(guān)實驗研究，下一步將通過模擬計算的方法從理論上對真空噴霧冷卻進行更深入的研究。