豬胴體冷卻降溫特性及耗能分析

許明曙，張 良，陳 玉，張 廉，秦單峰，崔健林，孫世濱

（1. 浙江青蓮食品股份有限公司，浙江 嘉興 314317；2. 上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093；3. 浙江青蓮生豬產(chǎn)業(yè)研究院，浙江 嘉興 313199）

豬肉是我國價值最大的農(nóng)副產(chǎn)品。改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對于肉類的需求量也越來越大，我國豬肉生產(chǎn)發(fā)展迅速，2004年我國生豬出欄頭數(shù)達(dá)6.18億頭，豬肉總產(chǎn)量達(dá)4 707.6萬t，均居世界首位。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)，到2018年，世界豬肉銷售量達(dá)到頂峰，為1.12億t，我國占比達(dá)49.26%，遠(yuǎn)超排名第二的歐盟27國的19.01%。2019年受非洲豬瘟病的持續(xù)影響，我國豬肉產(chǎn)量有所回落，但仍維持在4 255萬t。2015年我國人均豬肉年消耗量達(dá)到最高值，人均豬肉年消耗量為40.3 kg，即使在2019年豬肉產(chǎn)量大幅度減少的情況下，人均豬肉年消耗量仍有27.1 kg。2019年受非洲豬瘟病的影響，國內(nèi)肉類飲食結(jié)構(gòu)開始變化，豬肉“一家獨(dú)大”的狀況逐漸改變，肉類呈現(xiàn)多樣性消費(fèi)趨勢，增加了對牛肉、羊肉、禽類和雞蛋的消費(fèi)。雖牛、羊、禽類作為替代品發(fā)揮了一定的作用，但占比較小，例如2019年，豬、牛、羊、禽類產(chǎn)量為7 649萬t，其中牛、羊、禽類產(chǎn)量占比分別為8.7%、5.9%、29.3%。隨著人們生活水平的提高和健康意識的增強(qiáng)，消費(fèi)者現(xiàn)在關(guān)注的不再是“吃得多”的問題，而是“吃得好、吃得健康”的問題。近年來我國豬肉消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，呈現(xiàn)從冷凍肉到熱鮮肉，再從熱鮮肉到冷鮮肉的發(fā)展趨勢，形成了“熱鮮肉廣天下，冷凍肉爭天下，冷鮮肉甲天下”的格局。冷鮮肉及深加工制品在豬肉消費(fèi)總量中占比明顯增加，冷鮮肉在豬肉消費(fèi)中占比將達(dá)40%左右。

目前肉類市場中冷鮮豬肉最受大眾歡迎，但豬肉上市前要經(jīng)歷生豬宰殺、食品加工、物流和銷售等諸多環(huán)節(jié)，如何對豬肉生產(chǎn)過程實(shí)行質(zhì)量管控，保證食品安全，相關(guān)豬肉肉制品加工行業(yè)對此投入了很大的精力，相關(guān)技術(shù)也得到迅速發(fā)展，對肉制品質(zhì)量的關(guān)注度也迅速提高。根據(jù)豬肉加工工藝，降溫處理的冷鮮豬肉需經(jīng)過冷卻排酸處理，有效控制冷卻排酸過程中的溫度提高了冷鮮豬肉的質(zhì)量和營養(yǎng)，促進(jìn)了冷鮮豬肉的銷售，同時也會對豬肉的生產(chǎn)企業(yè)提出能耗和技術(shù)上的要求，增加的冷卻設(shè)備和動力電能將增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。大多數(shù)企業(yè)對冷鮮肉的加工處理就是把宰殺后的豬胴體直接送入0 ～ 4 ℃冷卻間進(jìn)行冷卻，缺少對冷卻過程中豬胴體內(nèi)部溫度變化以及所需冷量的深入研究，這不利于冷鮮肉的質(zhì)量控制和冷鮮肉冷加工過程中的能量控制。本文將通過實(shí)驗(yàn)測試在整個冷卻過程中豬胴體不同深度的溫度，分析豬胴體在冷卻過程中的溫度變化趨勢及內(nèi)在影響因素，提出在豬胴體冷卻過程可供參考的既能提高冷鮮肉質(zhì)量、又能降低能耗的優(yōu)化方案。

1 豬胴體冷卻工藝要求

冷卻生鮮豬肉是指通過檢驗(yàn)檢疫合格后的胴體在經(jīng)過冷卻處理后，其腿部肌肉深層中心溫度在24 h降至0～7 ℃，并在后續(xù)包裝、貯藏、流通和銷售過程中環(huán)境溫度始終保持在0～4 ℃范圍內(nèi)的生鮮肉。但是，豬在宰殺后其胴體內(nèi)所含糖原還將發(fā)生無氧分解，釋放乳酸和熱量，胴體內(nèi)溫度會上升，可達(dá)到40 ℃以上，在冷卻工藝上需迅速排除熱量，最重要的是需迅速降低豬胴體的溫度和含濕量，以降低酶的作用及微生物的生長繁殖能力。研究表明，將豬宰殺后迅速冷卻，使胴體溫度在較短時間內(nèi)降至20～25 ℃，可有效降低PSE（pale soft exudative ）肉的發(fā)生率。豬胴體的快速冷卻以及對冷卻過程的有效控制，更有利于控制宰殺后胴體內(nèi)糖原的消耗和pH，適宜的pH可以使豬肉肌纖維細(xì)胞溶酶體中的組織蛋白酶發(fā)揮作用，緩慢地分解肌肉中蛋白質(zhì)為小分子肽或氨基酸，這不僅使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)松弛，還賦予豬肉特殊的香味和鮮味，達(dá)到成熟。成熟的豬肉有良好的口感和豐富的營養(yǎng)。豬肉成熟時間與豬胴體的溫度緊密相關(guān)。大量研究表明，豬胴體溫度和豬肉成熟時間的關(guān)系如圖1所示。豬肉成熟速度隨豬胴體溫度的升高而加快，但是簡單地采用提高豬胴體溫度的方法促進(jìn)豬肉成熟是危險(xiǎn)的，特別是提高豬胴體表面溫度會加速微生物的繁殖。若為了控制微生物的繁殖采取低溫成熟的方法，又使得豬肉成熟時間偏長。

圖1 豬胴體溫度和成熟時間的關(guān)系Fig. 1 Relationship between pork temperature and maturity time

由此可見，控制豬胴體在冷卻過程中的溫度變化顯得尤為重要。對豬胴體的冷卻降溫研究中，陳韜等通過實(shí)驗(yàn)比較了在不同空氣環(huán)境溫度和空氣流速下不同厚度豬胴體的降溫曲線，并計(jì)算得到豬肉降溫過程相應(yīng)的傳熱系數(shù)；甄仌等對對流條件下豬肉冷卻時的溫度場進(jìn)行了仿真模擬，得出豬胴體在冷卻過程中的溫度變化規(guī)律。但是，對豬胴體實(shí)際降溫規(guī)律的研究較少，從文獻(xiàn)[2]中我國對片豬肉生鮮標(biāo)準(zhǔn)以及豬肉成熟時間來看，將豬肉保持在7～10 ℃左右時能較好地保持豬肉的質(zhì)量。由于豬在宰殺后的初期，其胴體溫度較高，需要有個快速冷卻過程以便盡快降低豬胴體表面的含濕量和溫度，使胴體表面處于有效抑制微生物作用的狀態(tài)。當(dāng)冷卻降溫過程進(jìn)入穩(wěn)定期后再將豬胴體送入0～4 ℃冷卻間冷卻，從而保證豬胴體的冷卻條件。

豬胴體冷卻過程的合理降溫關(guān)系到動力配置和初步投資，恰當(dāng)?shù)慕禍厮俣瓤梢栽诒ＷC冷卻工藝的基礎(chǔ)上合理布置冷卻設(shè)備的投入量。根據(jù)豬胴體溫度變化特性可精確計(jì)算豬胴體在冷卻過程中的熱負(fù)荷。一般熱負(fù)荷計(jì)算式為

式中：為熱負(fù)荷，kJ；為豬肉質(zhì)量，kg；C為豬肉比熱，值為[0.837 + 3.34] kJ·(kg·℃)，為豬肉的含水率，%；△為溫差，℃。

由于豬剛被宰殺，其胴體存在大量糖原。在冷卻開始時，這些糖原的生化分解會產(chǎn)生許多附加熱量，要在豬胴體冷卻過程初期精確計(jì)算負(fù)荷，就需要評估豬胴體的熱負(fù)荷構(gòu)成機(jī)制和初始溫度。豬胴體開始冷卻時的熱負(fù)荷構(gòu)成機(jī)制比較復(fù)雜，難以用較規(guī)律的計(jì)算方法進(jìn)行描述。通過實(shí)驗(yàn)測試可直觀地了解豬胴體冷卻降溫過程中的溫度變化，這對豬胴體冷卻時的熱負(fù)荷計(jì)算和冷卻設(shè)備的選型有指導(dǎo)意義。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

豬胴體平面尺寸相對較大，厚度相對較小，且厚度尺寸不均勻，因此考慮到最不利因素將測試的典型位置選取在豬胴體最厚的后腿肉部位。豬胴體的熱量是通過其肌肉、脂肪層和表皮將熱量從內(nèi)部向外傳導(dǎo)，最終經(jīng)過與周邊冷空氣對流換熱將熱量擴(kuò)散到環(huán)境中。對具有大平面、小厚度特點(diǎn)的豬胴體，其傳熱類似于大平板特性，在厚度方向具有對稱性，因此選取測點(diǎn)時只考慮胴體的一半厚度。選取8個豬胴體溫度測點(diǎn)，分別為冷卻間環(huán)境空氣、胴體表面，皮下1 、2 、3 、4 、5 cm，以及后腿中心部位的溫度（約深8 cm）?？紤]到在冷卻過程中豬胴體的移動性，采用金科JK808手持多路溫度測試儀進(jìn)行現(xiàn)場跟蹤測試。測試現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 豬胴體測試現(xiàn)場圖Fig. 2 On-site test of pig carcass

2.2 實(shí)驗(yàn)工況及實(shí)測數(shù)據(jù)

測試工作在浙江青蓮食品有限公司新興廠冷庫進(jìn)行。測試工況為豬胴體在-10～-5 ℃冷卻間快速冷卻1 h；經(jīng)快速冷卻后將豬胴體送入0～4 ℃冷卻間繼續(xù)冷卻1 h；豬胴體直接送入0～4 ℃冷卻間冷卻2 h。測試結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 豬胴體快速冷卻時測點(diǎn)溫度變化Fig. 3 Temperature changes of the measuring points in the pig carcass during the first rapid cooling stage

由圖3中可見，經(jīng)快速冷卻的豬胴體表面溫度大約在50 min時可以降至10 ℃，1 h后可以降至6～7 ℃，在豬胴體表面能較快地形成低溫干燥膜，有利于抵御外部微生物的侵入。

由圖4中可知，在豬胴體快速冷卻后送入0～4 ℃冷卻間繼續(xù)冷卻的過程中，豬胴體表面溫度和淺層測點(diǎn)溫度有所回升，與環(huán)境溫度間存在傳熱溫差。冷卻1 h后，豬胴體表面溫度和環(huán)境溫度均趨于穩(wěn)定，豬胴體內(nèi)部各測點(diǎn)間溫差趨于均衡，進(jìn)入豬胴體降溫穩(wěn)定期。

圖4 豬胴體快速冷卻后繼續(xù)在0～4 ℃冷卻間冷卻的測點(diǎn)溫度變化Fig. 4 Temperature changes of the measuring points in the pig carcass during the second cooling stage of 0～4 ℃

由圖5中可知，豬胴體直接送入0～4 ℃冷卻間冷卻時，冷量配置明顯偏小。冷卻2 h后豬胴體表面溫度仍在13 ℃左右，環(huán)境溫度仍有上升趨勢，豬胴體內(nèi)各測點(diǎn)溫度的傳熱梯度構(gòu)成不均勻，還沒達(dá)到穩(wěn)定傳熱階段。

圖5 豬胴體直接在0～4 ℃冷卻間冷卻時測點(diǎn)溫度變化Fig. 5 Temperature changes of the measuring points in the pig carcass during the single cooling process of 0～4 ℃

2.3 實(shí)驗(yàn)分析

豬胴體測試數(shù)據(jù)顯示，在冷卻開始時，由于豬剛被宰殺，豬胴體僅經(jīng)過1～2 h的預(yù)處理，體內(nèi)的有糖原還處于生化分解狀態(tài)，會釋放大量的熱量，此時實(shí)際冷卻熱負(fù)荷大于通過肉類冷卻熱負(fù)荷計(jì)算公式得到的結(jié)果，若按計(jì)算結(jié)果配置冷卻設(shè)備會造成冷卻速度達(dá)不到要求。新興廠低溫快速冷卻間的冷量配置為13～15 kW·t，0～4 ℃普通冷卻間的冷量配置為7～9 kW·t。對比圖3、5可知，快速冷卻時的降溫速度明顯快于0～4 ℃普通冷卻時的降溫速度。從冷卻溫度曲線可見，快速冷卻間的冷量配置剛好與開始冷卻時豬胴體產(chǎn)生的熱負(fù)荷相匹配。若豬胴體剛開始冷卻就直接送入普通冷卻間，將會出現(xiàn)冷卻速度偏慢的現(xiàn)象。根據(jù)銷售人員的反饋，在商品品相和豬肉的持水性、嫩度等豬肉品質(zhì)方面，經(jīng)過快速冷卻的豬肉比在普通冷卻間冷卻的要好很多。

圖4的豬胴體冷卻曲線顯示，豬胴體經(jīng)過1 h快速冷卻后再送入0～4 ℃冷卻間冷卻時，由于豬胴體已趨于穩(wěn)定傳熱階段，熱負(fù)荷量明顯減少，采用普通冷卻間進(jìn)行冷卻基本能滿足冷卻負(fù)荷的冷量配置要求。

3 結(jié) 論

（1）在豬胴體開始冷卻時，其熱負(fù)荷不能簡單地采用肉類冷卻熱負(fù)荷計(jì)算公式計(jì)算，要充分考慮剛宰殺后豬胴體內(nèi)糖原生化作用所產(chǎn)生的熱量的影響。

（2）豬胴體的冷卻根據(jù)其熱負(fù)荷的特點(diǎn)宜采用兩段式冷卻方式。

（3）在冷卻間的冷量配置上應(yīng)根據(jù)豬胴體熱負(fù)荷特點(diǎn)進(jìn)行配置。在豬胴體剛開始冷卻時，熱負(fù)荷較大，需按一般計(jì)算獲取的熱負(fù)荷的2倍進(jìn)行配置冷量。當(dāng)豬胴體熱負(fù)荷趨于平緩后應(yīng)降低冷卻設(shè)備的冷量配置，避免大馬拉小車現(xiàn)象，從而達(dá)到節(jié)能效果。