干冰噴射進(jìn)出口位置對(duì)草莓速凍過(guò)程的影響

寧?kù)o紅，趙延峰，孫朝陽(yáng)，劉茂

(天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300134)

近年來(lái)，對(duì)速凍食品的需求促進(jìn)了該領(lǐng)域研究的不斷發(fā)展。速凍食品的形式發(fā)生了很大變化，冷卻劑從空氣和鹽水到現(xiàn)在部分采用液氮、液態(tài)二氧化碳等，溫差和傳熱系數(shù)更大，提高了凍結(jié)速率[1]。食品種類豐富多樣，凍結(jié)方法也不盡相同。由于草莓表皮脆弱，采摘后呼吸強(qiáng)度較高，在常溫下存放2 d左右便開始腐爛[2]，采取速凍的方法使草莓更利于保存。

鼓風(fēng)凍結(jié)的運(yùn)用較為普遍，流態(tài)化凍結(jié)利用自下而上的冷空氣實(shí)現(xiàn)懸浮態(tài)凍結(jié)，隧道式凍結(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)。但利用風(fēng)機(jī)提供高速流動(dòng)的冷空氣需要消耗大量能量，食品干耗較大[3]。間接凍結(jié)是利用經(jīng)低溫介質(zhì)冷卻的金屬板與食品接觸實(shí)現(xiàn)食品凍結(jié)，該種方式設(shè)備體積小、節(jié)省能耗、食品干耗小，但平板接觸式凍結(jié)的速度較慢，對(duì)食品的形狀有一定限制[4]。近年來(lái)液氮速凍因其凍結(jié)速度快、解凍后食品質(zhì)量高等特點(diǎn)，逐漸成為單體速凍食品的主要工業(yè)凍結(jié)方法之一[5]。樊建等[6]采用噴霧式流態(tài)化液氮速凍的方法對(duì)草莓速凍進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)利用-50 ℃以下溫度進(jìn)行凍結(jié)，解凍后凍品質(zhì)量較好。張慶剛等[7-9]對(duì)藍(lán)莓進(jìn)行了液氮流態(tài)化速凍研究，發(fā)現(xiàn)不同的凍結(jié)溫度和風(fēng)速對(duì)藍(lán)莓相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)有顯著影響，與冰箱凍結(jié)相比，液氮速凍后的藍(lán)莓可凍藏更長(zhǎng)的時(shí)間。劉貴慶等[10]研制了液氮噴霧流化態(tài)化速凍機(jī)，分析了液氮速凍的缺點(diǎn)主要是費(fèi)用太高，液氮貯存有較高的要求。因此，尋找一種高效經(jīng)濟(jì)的速凍方式成為當(dāng)下速凍食品發(fā)展的迫切需求。

自然工質(zhì)干冰價(jià)格低廉、容易存儲(chǔ)、環(huán)境友好。利用干冰低溫及高相變潛熱的特性，可以快速使封閉空間內(nèi)食品的溫度下降，從而達(dá)到快速凍結(jié)目的，能最大限度地保持食品原有的新鮮狀態(tài)和營(yíng)養(yǎng)成分。本文借鑒國(guó)內(nèi)外對(duì)食品的模擬分析[11-18]、干冰噴射系統(tǒng)[19-22]及其模擬方法[23-24]，寧?kù)o紅等[25]設(shè)計(jì)干冰噴射速凍間模型，利用Comsol軟件對(duì)速凍間內(nèi)溫度分布、降溫特性、散熱流場(chǎng)進(jìn)行模擬，確定最佳的干冰流速、噴射口徑和進(jìn)出口位置。此外，借鑒食品速凍后理化特性分析方法[26-29]，設(shè)計(jì)了草莓速凍后理化性質(zhì)變化的實(shí)驗(yàn)，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)開發(fā)干冰速凍草莓裝置提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 速凍間物理模型

速凍間尺寸為500 mm×500 mm×800 mm。設(shè)有4個(gè)干冰噴入口(圖1)，1個(gè)氣體二氧化碳出口。草莓?dāng)R板尺寸400 mm× 400 mm×5 mm，草莓半徑設(shè)置為15 mm，高度設(shè)置為40 mm，2個(gè)草莓間距為15 mm。擱板邊緣草莓距邊界為5 mm，一盤有81個(gè)草莓，共擺放4盤，每層擱板相距160 mm。通過(guò)改變進(jìn)出口與擱板位置，優(yōu)化的速凍間模型，圖1以1種模型為例。

圖1 速凍間模型Fig.1 Model of quick-freezing room

1.2 速凍間結(jié)構(gòu)及數(shù)值模擬

1.2.1 干冰進(jìn)出口位置設(shè)定

如圖2所示，進(jìn)出口共設(shè)計(jì)了8種模型，分別為進(jìn)口對(duì)稱出口中置模型a、左側(cè)4進(jìn)口右下出口b、進(jìn)口交替進(jìn)入右下出口c、進(jìn)出口同側(cè)d、進(jìn)口不對(duì)稱出口中置e、左2上進(jìn)右2下進(jìn)左下出f、左側(cè)4進(jìn)口后出口g、左4進(jìn)口上出口h。

a-進(jìn)口對(duì)稱出口中置；b-左側(cè)4進(jìn)口右下出口；c-進(jìn)口交替進(jìn)入右下出口；d-進(jìn)出口同側(cè)；e-進(jìn)口不對(duì)稱出口中置；f-左2上進(jìn)右2下進(jìn)左下出；g-左側(cè)4進(jìn)口后出口；h-左4進(jìn)口上出口圖2 速凍間模型圖Fig.2 Figure of quick-freezing room modle

1.2.2 草莓中心溫度

草莓速凍間模型的干冰入口半徑、出口半徑和擱板厚度等參數(shù)分別設(shè)定為：25、50、5 mm。出口干冰固相分?jǐn)?shù)為50%，另外50%為氣態(tài)二氧化碳。干冰噴射口處流速大，掠過(guò)草莓表面速度降低，干冰在草莓表面吸熱發(fā)生相變，升華成二氧化碳?xì)怏w經(jīng)出口排出，草莓由表及里溫度逐漸降低，草莓自身的熱阻導(dǎo)致草莓內(nèi)部溫度下降較外表面緩慢。對(duì)不同進(jìn)出口模型進(jìn)行模擬，可以準(zhǔn)確獲得速凍間的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。

由文獻(xiàn)可知速凍草莓需在20 min內(nèi)將中心溫度降至-18 ℃以下，外表面溫度降至-35 ℃以下。通過(guò)最大冰晶生成帶越快，速凍凍品的品質(zhì)越高。每個(gè)草莓與其余草莓的中心溫度相差越小，越能保證同批凍品的溫度一致性，生產(chǎn)出的草莓凍品溫度均勻，有效保證凍品的品質(zhì)，并利于進(jìn)一步貯藏。

通過(guò)模擬得知，速凍間內(nèi)所有草莓的中心溫度達(dá)到-18 ℃及以下時(shí)，草莓中心溫度最高和最低的溫度差值按由小到大為：模型a為6.2 ℃、模型c為9.9 ℃、模型f為10.6 ℃、模型h為16.4 ℃、模型b為18.5 ℃、模型d模型為20.2 ℃、模型e為21.5 ℃、模型g為22.7 ℃。可知模型a、模型c草莓的中心溫差小于10 ℃，溫度更加均勻，可以生產(chǎn)出更好的凍品，這是由于模型a結(jié)構(gòu)較對(duì)稱，干冰較均勻地噴射至草莓表面。模型c設(shè)計(jì)的進(jìn)口雖然不對(duì)稱，但由于噴射方向不同，可以更好地利用噴射尾部的干冰，使尾部干冰循環(huán)次數(shù)增多，各個(gè)隔板、位于不同位置的草莓更加充分地接觸干冰，減少熱阻，利于草莓內(nèi)部的熱量傳出，提高草莓與干冰之間的傳熱效率，因此溫度比較均勻。綜上所述，模型a、模型c可以生產(chǎn)出較高質(zhì)量的草莓速凍產(chǎn)品。

1.2.3 草莓表面溫度

圖3為草莓表面全部到達(dá)-35 ℃以下時(shí)的表面溫度圖?？梢暂^為直觀地觀測(cè)每個(gè)草莓表面的溫度及所有草莓的溫度均勻度?？梢钥闯?，溫度最為均勻的是模型c，由于干冰循環(huán)次數(shù)較快，在模型內(nèi)不存在滯留，干冰流動(dòng)過(guò)程的擾動(dòng)較為均勻，較高的流速實(shí)現(xiàn)較好的傳熱效果，更利于溫度控制。模型h呈現(xiàn)出位于下部2層草莓的溫度分布不均勻，是由于出口在上，干冰在最下方產(chǎn)生明顯渦旋，增大干冰流動(dòng)阻力，干冰不能很好地與草莓接觸，導(dǎo)致接觸熱阻增大，傳熱效率減小，不利于草莓的降溫。其余模型大都是位于干冰噴射入口直線上的草莓溫度過(guò)低，但是對(duì)速凍時(shí)間沒(méi)有很大的影響。溫度最不均勻的是模型e，這是由于出口設(shè)置在中間位置，距離出口較近的第3個(gè)干冰入口噴出的干冰幾乎不在速凍間內(nèi)循環(huán)，從出口直接流出，導(dǎo)致干冰損失，這樣不僅造成速凍時(shí)間變長(zhǎng)，而且造成上面2層草莓溫度過(guò)冷。綜上所述，相比其他模型，模型c草莓表面的溫度更為均勻。

a-進(jìn)口對(duì)稱出口中置；b-左側(cè)4進(jìn)口右下出口；c-進(jìn)口交替進(jìn)入右下出口；d-進(jìn)出口同側(cè)；e-進(jìn)口不對(duì)稱出口中置；f-左2上進(jìn)右2下進(jìn)左下出；g-左側(cè)4進(jìn)口后出口；h-左4進(jìn)口上出口圖3 不同速凍間模型草莓表面溫度Fig.3 Surface temperature of strawberry in different quick-freezing models

1.2.4 速凍間速度場(chǎng)

干冰進(jìn)出口位置不同會(huì)使速凍間內(nèi)干冰流體間產(chǎn)生相互擾動(dòng)，進(jìn)而形成不同的速度場(chǎng)。圖4為8種模型的干冰速度場(chǎng)。模型c所示干冰流線均勻且流速較大，最后匯集到出口處，速凍空間內(nèi)充滿干冰的流動(dòng)軌跡，每個(gè)噴入口的干冰尾部被下一個(gè)噴嘴出口的沖擊力帶動(dòng)進(jìn)入下一次循環(huán)，掠過(guò)下一層草莓，干冰與草莓充分均勻地接觸，干冰的流動(dòng)阻力損失小，草莓與干冰間傳熱性能提高，形成良好的流動(dòng)與傳熱協(xié)同效果，因此，草莓的速凍質(zhì)量要優(yōu)于其他的模型。模型a、模型e、模型h在速凍間內(nèi)干冰產(chǎn)生渦旋，擾動(dòng)較大，不利于干冰流體與草莓充分接觸，影響傳熱效果。模型b、模型d、模型f、模型g的流場(chǎng)較為混亂，干冰流動(dòng)阻力損失也相應(yīng)過(guò)高，導(dǎo)致部分區(qū)域流線較少，流速較低且流動(dòng)不充分，不能達(dá)到良好的速凍效果。綜上所述，模型c可實(shí)現(xiàn)流動(dòng)和傳熱的最佳耦合。

a-進(jìn)口對(duì)稱出口中置；b-左側(cè)4進(jìn)口右下出口；c-進(jìn)口交替進(jìn)入右下出口；d-進(jìn)出口同側(cè)；e-進(jìn)口不對(duì)稱出口中置；f-左2上進(jìn)右2下進(jìn)左下出；g-左側(cè)4進(jìn)口后出口；h-左4進(jìn)口上出口圖4 不同速凍間模型的干冰速度場(chǎng)Fig.4 Dry ice velocity fields of different quick-freezing models

1.2.5 草莓速凍時(shí)間

草莓速凍時(shí)間直接反應(yīng)速凍效率和模型的可行性，如圖5所示，8個(gè)速凍間內(nèi)草莓表面和中心的溫度到達(dá)設(shè)定溫度的時(shí)間，當(dāng)全部草莓中心溫度達(dá)到-18 ℃及以下時(shí)，速凍完成。由圖5可以看出，模型c的速凍時(shí)間最短，更快完成草莓速凍。有效防止最大冰晶帶生成，將草莓細(xì)胞中的水份保持小冰晶狀態(tài)，減少細(xì)胞破壞，防止解凍過(guò)程原成分通過(guò)水滴流出，保證凍品的質(zhì)量。

圖5 草莓到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)間圖Fig.5 Time chart of strawberry reaching set temperature

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)化速凍間的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，從右到左依次為二氧化碳?xì)馄?、減壓閥、數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)及臺(tái)面下方的草莓速凍間，利用MX100收集草莓內(nèi)、外溫度變化數(shù)據(jù)，草莓表皮(約1 mm處)和中心分別插入熱電偶，熱電偶接入橫河MX100數(shù)據(jù)采集器，溫度變化及凍結(jié)溫度曲線由計(jì)算機(jī)顯示并自動(dòng)記錄和繪制。進(jìn)出口位置按模型c設(shè)置。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.6 Experimental apparatus diagram

實(shí)驗(yàn)分別改變?nèi)肟诘奈恢?，如模型c、模型f所示，其余位置用橡膠塞和泡沫膠進(jìn)行封堵。按照模擬優(yōu)化獲得的不同入口的位置，采集所有草莓表面和中心的溫度到達(dá)速凍溫度的時(shí)間，并分別與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

2.2 草莓理化性質(zhì)的變化

分別測(cè)量模型c、模型f速凍后草莓理化性質(zhì)的變化。用XK3190-A19E型電子秤(上海耀華)分別測(cè)定速凍前后草莓的質(zhì)量；通過(guò)CR-400型色彩色差儀(柯尼卡美能達(dá))測(cè)定草莓的L、a和b值，其中L值為亮度指數(shù)；采用2，6-二氯靛酚滴定方法測(cè)定速凍前后果品中維生素C的含量；可溶性固形物含量采用PLA-BXIACID5型糖度儀測(cè)定(日本ATAGO)；根據(jù)花青素甲醇提取液的吸收光譜特性，再利用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在特定波長(zhǎng)下測(cè)定其吸光度值，最后與標(biāo)準(zhǔn)曲線比較計(jì)算花青素的含量。

所測(cè)草莓中降溫最慢的草莓溫度達(dá)標(biāo)可以認(rèn)定實(shí)驗(yàn)結(jié)束。模擬中模型c、模型f草莓表面和中心的溫度到達(dá)速凍標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間如表1所示，誤差為實(shí)驗(yàn)與模擬相比所得結(jié)果。綜合分析是草莓形狀與模型橢圓有所差距，草莓越接近模型尺寸，得到的結(jié)果越接近模擬的時(shí)間,并且熱電偶的布置也會(huì)影響干冰的噴射流場(chǎng)狀況。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差Table 1 Experimental results and errors

草莓為中國(guó)山東省濟(jì)南產(chǎn)紅顏草莓，4月份采購(gòu)于天津市西青區(qū)紅旗農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。草莓大小均勻，表面均無(wú)破損。結(jié)果如表2所示。與速凍草莓標(biāo)準(zhǔn)CXS52—1981(2019版)相比，干冰噴射速凍方式相關(guān)參數(shù)均優(yōu)于其要求。

表2 速凍前后草莓參數(shù)Table 2 Strawberry parameters before and after quick-freezing

3 結(jié)論

通過(guò)模擬不同干冰進(jìn)出口位置的速凍間模型，分析不同結(jié)構(gòu)草莓速凍間對(duì)草莓速凍的影響，得出以下結(jié)論：

(1)模型a所有草莓中心溫度到達(dá)-18 ℃及以下時(shí)，草莓中心溫度最高和最低相差較小為6.2 ℃。模型c，全部草莓中心溫度到達(dá)-18 ℃及以下時(shí)，所有草莓中心溫度最高和最低相差較小為9.9 ℃，可以使凍品溫度均勻，有利于貯藏，模型c草莓表面的溫度較均勻。

(2)模型c干冰流線均勻且流速較大，速凍空間內(nèi)充滿干冰的流動(dòng)軌跡，每個(gè)噴入口的干冰尾部被下一個(gè)噴嘴出口的沖擊力帶動(dòng)進(jìn)入下一次循環(huán)，掠過(guò)下一層草莓，干冰與草莓充分均勻地接觸，干冰的流動(dòng)阻力損失小，草莓與干冰間傳熱性能提高，形成良好的流動(dòng)與傳熱協(xié)同效果。

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬優(yōu)化的速凍間模型的結(jié)果，模型c內(nèi)草莓表面和中心溫度達(dá)到設(shè)定要求，平均誤差分別為2.10%和5.79%。對(duì)速凍前后草莓失水率、色澤度、維生素C、可溶性固體和花青素等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，其均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)中速凍草莓的參數(shù)。

綜上所述，模型c滿足草莓速凍生產(chǎn)的需求，干冰速凍可以穩(wěn)定高效地制取凍品，所得的結(jié)果可為進(jìn)一步設(shè)計(jì)開發(fā)干冰速凍系統(tǒng)提供依據(jù)。