李改蓮 胡春霞 金聽祥

摘要對熟肉的真空冷卻曲線進(jìn)行了分析,可以發(fā)現(xiàn):真空冷卻曲線由不同的兩部分組成,即快速冷卻階段和慢速冷卻階段。真空冷卻過程中,快速冷卻階段持續(xù)5～10min,產(chǎn)品內(nèi)部的大部分水蒸發(fā)吸熱使產(chǎn)品降溫都是在快速冷卻階段完成。當(dāng)產(chǎn)品的飽和壓力接近真空室內(nèi)壓力時,慢速冷卻階段出現(xiàn)。對真空冷卻過程中的壓力、溫度變化進(jìn)行分析,認(rèn)為產(chǎn)品內(nèi)外的壓差變化導(dǎo)致真空冷卻過程中出現(xiàn)快速和慢速2個冷卻階段。

關(guān)鍵字真空冷卻;熟肉;飽和壓力;冷卻速率

中圖分類號TS251.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號 1007-5739(2009)08-0171-02

真空冷卻是一種依靠水分蒸發(fā)來進(jìn)行快速冷卻的方法。在50年前,真空冷卻就已經(jīng)被應(yīng)用于萵苣、蘑菇以及切花的預(yù)冷[1-4]。近幾年來,食品安全問題,尤其是肉制品的安全問題越來越受到世界各國人們的重視,為了減少肉中細(xì)菌的繁殖,屠宰以后的熱鮮肉應(yīng)該被迅速冷卻。另外,通過把肉煮熟可以破壞肉中病原性微生物的滋養(yǎng)階段,但是煮的過程并不能殺死所有的微生物。微生物學(xué)家推薦熟肉的溫度應(yīng)該被快速降低,特別是在5～60℃溫度范圍內(nèi),細(xì)菌特別容易繁殖,熟肉的快速降溫可以減少細(xì)菌繁殖降低污染[5]。為此真空冷卻被作為快速冷卻食品的一種冷卻方法。

熟肉的真空冷卻已經(jīng)從許多方面被研究,例如,不同的壓降速率、熟肉中鹽水注射水平和過程條件對產(chǎn)品質(zhì)量和真空冷卻速率的影響[6-8]。Karl McDonald等人研究了真空冷卻對產(chǎn)品熱物理屬性的影響,并且還建立了肉類真空冷卻過程中的數(shù)學(xué)模型,對肉類的真空冷卻過程進(jìn)行了理論模擬[9-16]。在國內(nèi),上海交通大學(xué)的賀素艷對果蔬真空冷卻過程中的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了一些研究[17]。然而,很少有人對真空冷卻曲線進(jìn)行分析和研究。該文通過熟肉的真空冷卻試驗(yàn)對真空冷卻曲線進(jìn)行了分析研究。

1材料與方法

1.1樣品準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用的樣品為豬后腿去骨肉,通過電熱鍋(型號為RF-P130Y)把樣品的中心溫度加熱到75℃左右,然后樣品被冷卻。

1.2真空冷卻設(shè)備

試驗(yàn)所用的真空冷卻裝置如圖1所示。真空冷卻裝置主要有真空系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)2大部分組成,真空室的容積為0.3m3,真空泵由上海真空泵廠制造,型號為2XZ-2,泵的抽速為2L/s。

1.3數(shù)據(jù)測量和采集

試驗(yàn)過程中的溫度是通過T型銅-康銅熱電偶進(jìn)行測量,測量精度為℃。在試驗(yàn)過程中,試驗(yàn)樣品的中心溫度、表面溫度以及真空室內(nèi)的溫度都被測量。真空室內(nèi)的壓力通過壓力傳感器測量,壓力傳感器為CPCA-130Z型電容薄膜式絕對壓力變送器,精度為Pa。監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用北京亞控自動化軟件科技有限公司開發(fā)的工業(yè)自動化通用組態(tài)軟件組態(tài)王5.0。壓力和溫度信號的數(shù)據(jù)采集由牛頓模塊I-7018P來實(shí)現(xiàn)。

2結(jié)果與討論

2.1對真空冷卻曲線的分析

圖2顯示熟肉的真空冷卻曲線。冷卻曲線揭示了真空冷卻期間熟肉平均溫度的變化過程。從圖中可以看出冷卻曲線由快速冷卻階段和慢速冷卻階段2個階段組成。快速冷卻階段與慢速冷卻階段之間的轉(zhuǎn)變是在真空冷卻開始后10～15min出現(xiàn)的。產(chǎn)品內(nèi)外的壓差是真空冷卻的主要驅(qū)動力。真空冷卻剛開始時,熟肉內(nèi)部與真空室之間存在著比較大的溫差。當(dāng)真空室內(nèi)的壓力達(dá)到熟肉溫度對應(yīng)的飽和壓力時,熟肉中的水分將會沸騰蒸發(fā)。由于大的壓差存在,熟肉內(nèi)部的大部分水分以蒸汽的形式在短時間內(nèi)蒸發(fā)逸出,水分蒸發(fā)吸收熱量導(dǎo)致熟肉快速降溫。因此,大的壓差是產(chǎn)生快速冷卻階段的主要原因。慢速冷卻階段至少是由2個原因造成的:一是因?yàn)殡S著時間的變化,在產(chǎn)品內(nèi)部與真空室之間沒有大的溫差存在;二是由于熟肉溫度對應(yīng)的飽和壓力接近于真空室內(nèi)的壓力,產(chǎn)品內(nèi)外的壓差減小,直接導(dǎo)致水蒸汽蒸發(fā)量的減少。隨著冷卻的進(jìn)行,壓差將會變的越來越小,直到冷卻過程結(jié)束。

2.2真空冷卻過程中產(chǎn)品表面溫度、中心溫度以及真空室內(nèi)溫度的變化

圖3顯示了真空冷卻過程中產(chǎn)品表面溫度、中心溫度以及真空室內(nèi)溫度的變化過程。從圖中可以看出,在真空冷卻初始階段,產(chǎn)品的中心溫度比較高,達(dá)到77℃,表面溫度較低,只有47℃。但是中心溫度的溫降速率高于表面溫度的溫降速率,在25min以后,中心溫度已經(jīng)接近于表面溫度。甚至在冷卻結(jié)束后,表面溫度會稍微高于中心溫度。最終的中心溫度和表面溫度分別是6℃和7℃。真空室內(nèi)的溫度從初始的26℃突然降到21℃,然后保持在26℃左右。當(dāng)真空冷卻開始時,中心溫度和表面溫度會很快降到低于真空室內(nèi)的溫度。溫度的快速降低主要是由于產(chǎn)品內(nèi)部的水分蒸發(fā)吸收熱量造成的。另外,在真空冷卻過程中,其他的傳熱方式還有產(chǎn)品內(nèi)部的熱傳導(dǎo)、產(chǎn)品周圍之間的熱對流和熱輻射。當(dāng)真空室內(nèi)的壓力降低時,產(chǎn)品周圍之間的熱對流會減弱,甚至可以忽略不計(jì)。

真空冷卻過程中,產(chǎn)品的顯熱主要被用來蒸發(fā)產(chǎn)品內(nèi)部的水分。理論上,當(dāng)產(chǎn)品的溫度等于真空室內(nèi)的溫度時,產(chǎn)品與外界之間將沒有驅(qū)動力,真空冷卻將停止。但是,真空冷卻沒有停止,產(chǎn)品溫度繼續(xù)降低。這主要是因?yàn)殡S著真空室內(nèi)壓力的降低,產(chǎn)品內(nèi)部的水分還會繼續(xù)蒸發(fā),產(chǎn)品的中心與表面之間存在著熱傳導(dǎo)。另外,由于真空室內(nèi)與產(chǎn)品表面的溫差,使得熱輻射也影響著產(chǎn)品表面溫度的變化,最終使表面溫度高于中心溫度。

2.3真空室內(nèi)壓力以及表面溫度、中心溫度對應(yīng)的飽和壓力的變化

圖4比較了真空冷卻過程中真空室內(nèi)壓力與表面溫度和中心溫度對應(yīng)的飽和壓力。當(dāng)真空室內(nèi)的壓力等于或者低于表面溫度和中心溫度對應(yīng)的飽和壓力時,產(chǎn)品內(nèi)部的水分將開始沸騰蒸發(fā)產(chǎn)生冷卻效應(yīng)。在0～100℃范圍內(nèi),飽和壓力與產(chǎn)品溫度的對應(yīng)的關(guān)系式可以由下式來表達(dá):

式中,Psat是飽和壓力(Pa);T 是產(chǎn)品的溫度(K)。

通過比較真空室內(nèi)壓力與表面溫度和中心溫度對應(yīng)的飽和壓力,可以發(fā)現(xiàn)真空冷卻過程中壓力變化會出現(xiàn)幾種情況。首先,當(dāng)真空冷卻剛開始時,真空室內(nèi)壓力迅速降低,但是真空室內(nèi)的壓力仍然高于產(chǎn)品溫度對應(yīng)的飽和壓力,此時產(chǎn)品內(nèi)部的水分沒有蒸發(fā),也不會產(chǎn)生冷卻效應(yīng)。其次,隨著真空室內(nèi)壓力的降低,真空室內(nèi)的壓力將會接近、等于和小于產(chǎn)品溫度對應(yīng)的飽和壓力。產(chǎn)品內(nèi)外的壓差將會變大,內(nèi)部的水分開始沸騰,以水蒸汽的形式從產(chǎn)品逸出。由于產(chǎn)品中心的初始溫度高于表面溫度,根據(jù)飽和壓力與溫度的關(guān)系式,產(chǎn)品初始中心溫度對應(yīng)的飽和壓力一定高于表面溫度對應(yīng)的飽和壓力,這一點(diǎn)也可以從圖4中看出。這樣真空室內(nèi)的壓力將先達(dá)到產(chǎn)品中心溫度對應(yīng)的飽和壓力,產(chǎn)品中心的水分先沸騰蒸發(fā),然后當(dāng)壓力達(dá)到表面溫度對應(yīng)的飽和壓力時,表面的水分才開始蒸發(fā)。產(chǎn)品內(nèi)部的水分沸騰蒸發(fā)后,產(chǎn)品的溫度、飽和壓力以及真空室內(nèi)的壓力快速降低。而且當(dāng)水分開始沸騰后,水分將一直蒸發(fā),直到真空冷卻過程結(jié)束。第三,由于0℃對應(yīng)的飽和壓力是610Pa,因此,當(dāng)真空室內(nèi)的壓力達(dá)到650Pa,真空系統(tǒng)的放氣閥被打開使空氣漏入以保持真空室內(nèi)壓力在650 Pa,這樣可以阻止真空室壓力連續(xù)降低到低于610Pa。如果低于610Pa,產(chǎn)品內(nèi)部的水分可能會結(jié)冰,這會對產(chǎn)品造成損害。這種情況下,隨著飽和壓力的降低,而真空室內(nèi)壓力基本保持不變,產(chǎn)品內(nèi)外的壓差將會減小。當(dāng)產(chǎn)品內(nèi)外的壓差開始減小時,產(chǎn)品的快速冷卻階段結(jié)束。從圖3、圖4中可以發(fā)現(xiàn),快速冷卻階段持續(xù)在5～10min左右。

3 結(jié)論

該文分析了熟肉的真空冷卻曲線,從中可以發(fā)現(xiàn),真空冷卻曲線由兩部分組成:快速冷卻階段和慢速冷卻階段。快速冷卻階段在真空冷卻剛開始后出現(xiàn),持續(xù)5～10min。真空冷卻過程,產(chǎn)品內(nèi)外的壓差是水分逸出的主要驅(qū)動力。當(dāng)產(chǎn)品溫度對應(yīng)的飽和壓力接近或者等于真空室內(nèi)的壓力時,慢速冷卻階段開始出現(xiàn)。產(chǎn)品內(nèi)部的大部分水分蒸發(fā)都是出現(xiàn)在快速冷卻階段,在這期間,產(chǎn)品的顯熱被用來蒸發(fā)水分,從而使產(chǎn)品能夠快速降溫。雖然在慢速冷卻階段,產(chǎn)品內(nèi)外的壓差變小,但是蒸發(fā)一直在進(jìn)行,直到真空冷卻過程結(jié)束為止。

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