基于食品凍結(jié)曲線的小龍蝦液氮速凍裝備設(shè)計與試驗

王 林，安文軒，江 寧，袁 潮，高瑞昌

（1.江蘇大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，南京 210014；3.宿遷楠景水產(chǎn)食品有限公司，江蘇宿遷 223900）

0 引言

小龍蝦，即克氏原螯蝦（Procambarus clarkii），肉質(zhì)鮮美，營養(yǎng)豐富，深受廣大消費者的喜愛，但其清洗和烹制過程繁瑣，難以走入尋常百姓家［1］。2016年以來，預(yù)包裝調(diào)理小龍蝦（pre-packaging prepared crayfish，PC）成為各大電商平臺和線下市場最火爆的食品之一，但其含水率高且富含小分子營養(yǎng)物質(zhì)，常溫下極易腐敗變質(zhì)，貨架期較短［2］。

速凍是延長PC貨架期的有效方式，但傳統(tǒng)的冷風(fēng)凍結(jié)速度慢，組織破壞大，易發(fā)生蛋白質(zhì)變性、脂質(zhì)氧化、持水力下降、解凍汁液流失等劣變［3］。液氮速凍的降溫速度快、凍結(jié)質(zhì)量高、物料干耗低、安全衛(wèi)生無污染，但液氮與物料接觸后產(chǎn)生的急劇熱交換會形成凍結(jié)層外殼，而后內(nèi)部水分結(jié)晶產(chǎn)生的機械應(yīng)力常常會導(dǎo)致物料龜裂［4］。每噸水產(chǎn)品凍結(jié)的液氮損耗量高達1.5～2.0 t，生產(chǎn)成本遠高于傳統(tǒng)的冷風(fēng)凍結(jié)。如何降低物料凍裂率、減少液氮損耗量成為該技術(shù)應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵技術(shù)難題。

食品凍結(jié)是一種典型的伴有相變的熱傳導(dǎo)過程，分為預(yù)冷、結(jié)晶和深冷3個階段。不同階段對溫度的要求存在顯著差異，溫度過高或過低都會增加液氮損耗量，同時溫度過低還會增加物料凍裂率［5］。本文基于食品凍結(jié)曲線，在當(dāng)前單腔體液氮速凍設(shè)備（single-chamber liquid nitrogen quick-freezer，SCF）的基礎(chǔ)上，設(shè)計適用于PC的三腔體液氮速凍設(shè)備（three-chamber liquid nitrogen quick-freezer，TCF），以期降低PC的凍裂率和液氮損耗量，為PC液氮速凍技術(shù)和裝備的改進提供參考和借鑒。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

如圖1所示，TCF由隧道腔體、降溫系統(tǒng)、隔溫裝置和控制平臺組成。

圖1 TCF的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of TCF

隧道腔體（15.0 m×1.6 m×0.5 m）兩端設(shè)有出風(fēng)口、入料口和出料口，從入料口至出料口設(shè)有傳送帶。降溫系統(tǒng)由液氮罐、管道、閥門、加壓裝置、節(jié)流閥、均溫風(fēng)扇和矩陣式布局的霧化噴嘴組成。液氮罐通過管道與噴嘴連通，且在管道上設(shè)有閥門、加壓裝置和節(jié)流閥。均溫風(fēng)扇固定于噴嘴正上方的隧道腔體內(nèi)壁。隔溫裝置包括聚苯乙烯隔溫板（5 cm厚）和卡槽。隔溫板通過卡槽固定于隧道腔體內(nèi)壁，上端和側(cè)面與隧道腔體密封連接，下方與傳送帶之間有10 cm間隙，以便物料運輸。隔溫板將隧道腔體分割為預(yù)冷腔、結(jié)晶腔和深冷腔，每個腔體的長度可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，并設(shè)有溫度感應(yīng)裝置。控制平臺設(shè)于隧道腔體外側(cè)，由MatLab平臺搭建，內(nèi)置模糊PID算法，與溫度傳感器、節(jié)流閥和均溫風(fēng)扇連接，通過節(jié)流閥控制液氮流量，進而精準(zhǔn)控制各腔體溫度。當(dāng)腔體溫度高于設(shè)定溫度時，節(jié)流閥上調(diào)液氮流量；當(dāng)腔體溫度低于設(shè)定溫度時，節(jié)流閥下調(diào)液氮流量。

1.2 工作原理

通過控制系統(tǒng)精準(zhǔn)設(shè)定預(yù)冷腔、結(jié)晶腔和深冷腔的長度和溫度；打開閥門，液氮在加壓裝置的作用下通過管道經(jīng)節(jié)流閥從霧化噴嘴噴出；同時開啟均溫風(fēng)扇，使液氮在腔體內(nèi)部均勻擴散；控制系統(tǒng)通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)液氮流量，實時精準(zhǔn)控制各腔體溫度；當(dāng)各腔體內(nèi)達到設(shè)定溫度后，啟動傳送帶并設(shè)定傳送速度，在入料口放置待凍結(jié)的物料（PC），經(jīng)傳送帶依次運輸至預(yù)冷腔、結(jié)晶腔和深冷腔；最后在出料口即可獲得目標(biāo)冷凍產(chǎn)品。

2 關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化與分析

2.1 幾何模型的構(gòu)建

如圖2所示，通過Solidworks軟件構(gòu)建液氮冷凍腔體（5 m×1.6 m×0.5 m）和PC（25 cm×25 cm×5 cm）的幾何模型，導(dǎo)入ANASYS ICEM軟件進行六面體網(wǎng)格劃分（精度40 mm）。腔體兩端各設(shè)1個排風(fēng)口（直徑14 cm），內(nèi)部設(shè)有PC（1件）、霧化噴嘴（10只× 5組）和均溫風(fēng)扇（2只× 5組），分別距離腔體底面10，20，40 cm。

圖2 液氮冷凍腔體和PC的幾何模型Fig.2 Geometric model of liquid nitrogen freezing chamber and PC

2.2 速凍過程的數(shù)值模擬

將網(wǎng)格化的液氮冷凍腔體和PC幾何模型調(diào)入Fluent軟件進行模擬計算。設(shè)定邊界條件（出口outflow、風(fēng)機fan、壓力跳躍50 Pa），選擇κ-ε計算模型，導(dǎo)入物料物性參數(shù)［密度1 100 kg/m3、比熱容3.5 kJ/（kg·℃）、導(dǎo)熱系數(shù)0.723 W/（m·K）］，選用有限體積法離散控制方程［6-7］；然后設(shè)置初始條件（物料25 ℃），初始化流場后進行模擬計算（步長5 s），至物料中心溫度為5 ℃時結(jié)束［8］。以理論液氮損耗量為指標(biāo)，優(yōu)化PC在預(yù)冷腔體的最適溫度和時間。同等方法，分別優(yōu)化PC在結(jié)晶腔體（5～-5 ℃）和深冷腔體（-5～-20 ℃）的最適溫度和時間。

PC在預(yù)冷腔、結(jié)晶腔和深冷腔的液氮損耗量、溫度變化動態(tài)及冷凍終點溫度如圖3所示。從圖3（a）可以看出，PC在預(yù)冷腔、結(jié)晶腔和深冷腔的理論液氮損耗量隨著溫度的降低均呈先降低后升高的趨勢，分別在-70，-100，-120 ℃時最低。在此腔體溫度下，PC溫度隨時間快速下降，分別在5.0，7.0，6.0 min達到冷凍目標(biāo)，見圖3（b）。PC在結(jié)晶腔未出現(xiàn)典型的平坦曲線，而是快速跨過結(jié)晶區(qū)，有效避免冰晶特別是大顆粒冰晶的形成，從而使產(chǎn)品具有較高的凍結(jié)質(zhì)量。在冷凍終點，PC呈現(xiàn)相似的溫度云圖，即幾何中心溫度較高，表面和棱角之處溫度較低，見圖3（c）～3（e）。這表明，TCF預(yù)冷腔、結(jié)晶腔和深冷腔的最適溫度分別為-70，-100，-120 ℃，最適時間分別為5.0，7.0，6.0 min。由于PC在傳送帶上勻速直線運動，預(yù)冷腔、結(jié)晶腔和深冷腔的最適長度分別為4.2，5.8，5.0 m。

圖3 基于數(shù)值模擬的PC在預(yù)冷腔、結(jié)晶腔和深冷腔的液氮損耗量、溫度變化動態(tài)及冷凍終點溫度云圖Fig.3 Liquid nitrogen loss, temperature change dynamics and temperature nephogram at freezing end point of PC in precooling chamber, crystallization chamber and deep cooling chamber based on numerical simulation

3 速凍試驗

3.1 材料

PC［香辣味、（35±5）g/只、25 cm×25 cm×5 cm］由宿遷楠景水產(chǎn)食品有限公司提供；液氮速凍設(shè)備定制于深圳市德捷力低溫技術(shù)有限公司；XMTJK408型多通道智能測控儀、PT1000型溫度傳感器，艾瑞迪科技有限公司；TA-XT2i型食品物性測試儀，英國SMS公司；UltraScan PRO型色差儀，美國HunterLab公司。

3.2 方法

基于數(shù)值模擬結(jié)果，設(shè)定TCF預(yù)冷腔（4.2 m，-70 ℃），結(jié)晶腔（5.8 m，-100 ℃）和深冷腔（5.0 m，-120 ℃）的長度和溫度；打開降溫系統(tǒng)，當(dāng)各腔體達到設(shè)定溫度后，啟動傳送帶并調(diào)節(jié)速度為0.83 m/min；在入料口的傳送帶上放置帶有溫度傳感器的PC（25 ℃），每隔30 s記錄1次物料溫度，至PC到達出料口。再以同等方法觀測PC在SCF（-100 ℃）中的溫度變化動態(tài)（25～-20 ℃）。

將液氮速凍PC靜水解凍至20 ℃，取第2～3腹節(jié)肌肉，利用食品物性測試儀和色差儀分別測定質(zhì)構(gòu)和色澤［9-10］；取全部尾肉，參照GB 5009.3-2016，GB 5009.237-2016，GB 5009.181-2016和GB 5009.228-2016，分別測定水分、pH值、丙二醛和揮發(fā)性鹽基氮；利用含0.6 mol/L KCl的Tris-Maleate溶液提取尾肉蛋白，再以雙縮脲，DTNB，DNPH和ANS方法分別測定鹽溶性蛋白、巰基、羰基和表面疏水性［11］。選擇27名經(jīng)驗型評價員，根據(jù)GB/T 12311-2012對尾肉進行總體差別檢驗；再選擇10名訓(xùn)練型評價員對尾肉進行定量描述檢驗［12］。數(shù)據(jù)以至少3次獨立樣品測定的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，統(tǒng)計分析利用Student’s t檢驗，P＜0.05被認(rèn)為存在顯著性差異。

3.3 結(jié)果與分析

如圖4所示，SCF和TCF速凍PC中心溫度的試驗值均圍繞模擬值上下波動，總體吻合良好，但存在一定的誤差。PC在TCF中的最大誤差為2.7 ℃，發(fā)生在第13.0 min；在SCF中的最大誤差為2.9 ℃，發(fā)生在第15.0 min，這可能是因為在試驗過程中PC物性參數(shù)隨著溫變和相變而變化，但在模擬計算過程中所有參數(shù)均為固定值。PC在TCF中的試驗和模擬凍結(jié)時間完全一致（18 min），比在SCF中的模擬和試驗凍結(jié)時間（20 min）降低10.0%。TCF的理論和實測液氮損耗量（1.54，1.59 t）均顯著低于SCF（1.75，1.87 t），分別降低12.4%和15.0%，有效節(jié)約了生產(chǎn)成本。這主要是由于PC在TCF中的凍結(jié)時間較短，且預(yù)冷腔內(nèi)溫度較高。

圖4 PC在SCF和TCF中的溫度變化動態(tài)及液氮損耗量Fig.4 Temperature change dynamics and liquid nitrogen loss of PC in SCF and TCF

如表1所示，在凍裂率方面，TCF-PC（6.5%）顯著低于SCF-PC（10.9%），降低40.4%，主要是由于PC在SCF預(yù)冷腔的溫差較大，物料和液氮接觸后產(chǎn)生急劇熱交換形成凍結(jié)層外殼，而后內(nèi)部水分結(jié)晶產(chǎn)生的機械應(yīng)力導(dǎo)致了物料龜裂［13-14］。在質(zhì)構(gòu)方面，TCF-PC的硬性、彈性、內(nèi)聚性、回復(fù)性和咀嚼性均顯著高于SCF-PC，可能是因為前者可以快速跨過結(jié)晶區(qū)，避免大顆粒冰晶形成而導(dǎo)致的質(zhì)構(gòu)劣變［15-16］。在色澤方面，TCF-PC的紅度（a*）與SCF-PC相同，但亮度（L*）和黃度（b*）存在顯著差異，可能與蛋白質(zhì)、脂類和蝦青素的氧化程度有關(guān)［17］。在化學(xué)組分方面，TCF-PC與SCFPC的pH值、丙二醛、巰基、羰基和表面疏水性均無顯著性差異，但前者的水分顯著高于后者，可能是前者較快的結(jié)晶和凍結(jié)速度更好地駐留了蛋白質(zhì)的持水能力，減少解凍時的水分流失［18］。TCFPC的揮發(fā)性鹽基氮顯著低于SCF-PC，而前者的鹽溶性蛋白顯著高于后者，表明前者更有利于保護蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，抑制蛋白質(zhì)的變性、分解或交聯(lián)［19］。

表1 SCF和TCF速凍PC的理化特性Tab.1 Physicochemical properties of PC frozen by SCF and TCF

在差別檢驗中共有25人正確選擇，大于臨界值（16人，α=0.01），表明TCF-PC與SCF-PC存在顯著感官差異。如圖5描述檢驗表明，TCF-PC與SCF-PC的外觀和氣味無顯著差異，前者的滋味（8.2分）顯著低于后者（8.8分），可能是由于前者較好地保持了物料的質(zhì)構(gòu)特性而不利于外源調(diào)味物質(zhì)的滲透。然而，TCF-PC的色澤（8.8分）和質(zhì)地（9.0分）顯著高于SCF-PC（8.2，8.1分），結(jié)果與其理化特性一致。

圖5 SCF和TCF速凍PC的感官描述檢驗雷達圖Fig.5 Radar chart of sensory description test of PC frozen by SCF and TCF

4 結(jié)語

本文基于食品凍結(jié)曲線，通過數(shù)值模擬和試驗驗證，設(shè)計優(yōu)化TCF，包括預(yù)冷腔（4.2 m，-70 ℃）、結(jié)晶腔（5.8 m，-100 ℃）和深冷腔（5.0 m，-120 ℃）。相較于SCF，TCF使PC的凍裂率降低40.4%，液氮損耗量下降15.0%，凍結(jié)時間縮短10.0%，感官和理化品質(zhì)顯著提高，為一種“節(jié)能、省時、高質(zhì)”的PC速凍裝備，作為SCF的改進產(chǎn)品具有良好的應(yīng)用前景。若根據(jù)物料的物性參數(shù)，優(yōu)化各腔體的長度和溫度，該設(shè)備亦可應(yīng)用于其他食品的速凍加工。