范 磊，李保國(guó)，雷海斌，蘇樹(shù)強(qiáng)

（1.上海理工大學(xué)食品科學(xué)與工程研究所，上海 200093;2.上海錦立保鮮科技有限公司，上海 201201)

真空冷卻過(guò)程中飛濺現(xiàn)象分析及其防止研究

范 磊1，李保國(guó)1，雷海斌2，蘇樹(shù)強(qiáng)2

（1.上海理工大學(xué)食品科學(xué)與工程研究所，上海 200093;2.上海錦立保鮮科技有限公司，上海 201201)

真空快速冷卻帶湯汁食品時(shí)，會(huì)發(fā)生湯汁飛濺現(xiàn)象。以水為研究對(duì)象，在真空冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)可視窗觀(guān)察分析了容器中的熱水在冷卻過(guò)程中沸騰飛濺現(xiàn)象;并提出采用控制沖氣閥門(mén)的啟閉，使用梯度降溫方法可有效防止沸騰飛濺的發(fā)生，使失水率減少16%，但冷卻時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)了5～10min。

真空冷卻，飛濺，防止

真空冷卻技術(shù)是將被冷卻含水食品或農(nóng)產(chǎn)品物料放在真空冷卻室，利用真空泵抽除真空室內(nèi)空氣，物料內(nèi)部水分在低壓狀態(tài)下蒸發(fā)，在吸收自身熱量的同時(shí)，使物料內(nèi)能減少和溫度降低的一種冷卻方式。真空冷卻技術(shù)具有能量利用系數(shù)高、被冷卻物料各部位溫度下降均勻、冷卻過(guò)程在真空無(wú)菌狀態(tài)下進(jìn)行、冷卻過(guò)程不受包裝容器和材料的限制、冷卻速度快等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。真空冷卻技術(shù)早期只應(yīng)用于蔬菜和鮮花的冷卻保鮮[5-6]，目前，國(guó)內(nèi)真空冷卻技術(shù)已在出口蔬菜基地應(yīng)用，在熟食制品方面也已進(jìn)行了對(duì)熟肉等食品的實(shí)驗(yàn)研究[7-8]。由于在真空條件下，液體的沸點(diǎn)會(huì)降低，所以在運(yùn)用真空冷卻技術(shù)對(duì)熟食品尤其是對(duì)含有湯汁的熟食品或液體食品進(jìn)行降溫時(shí)會(huì)發(fā)生飛濺現(xiàn)象，這種飛濺會(huì)影響食品的含水率，進(jìn)而影響食品的品質(zhì)和口味;另外飛濺出的液體會(huì)污染真空室，給操作和應(yīng)用帶來(lái)不便。因此，如何控制帶湯汁熟食品或液態(tài)食品真空冷卻過(guò)程中的飛濺，是生產(chǎn)中急需解決的問(wèn)題。本文以容器中盛水，研究了在真空冷卻過(guò)程中發(fā)生飛濺過(guò)程機(jī)理。

1 儀器與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

采用上海錦立保鮮科技有限公司研制的VCE-15型真空實(shí)驗(yàn)預(yù)冷機(jī)，如圖1所示，主要由真空箱體、捕水器、真空系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)等組成。食品降溫在真空箱體內(nèi)實(shí)現(xiàn)，真空箱尺寸為650mm×680mm×449mm的長(zhǎng)方體，采用不銹鋼材料，內(nèi)壁拋光，在真空箱內(nèi)設(shè)置有4只熱電偶溫度傳感器和5只熱敏電阻溫度傳感器，以測(cè)量真空箱內(nèi)溫度和物料各點(diǎn)溫度，真空箱內(nèi)還安裝有真空壓力傳感器，以測(cè)量真空度。另外，在真空箱內(nèi)設(shè)有內(nèi)置式捕水器，蒸發(fā)出來(lái)的水蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝后，真空箱內(nèi)的空氣由真空泵抽走。在真空箱上部裝有充氣電磁閥，可用于物料真空冷卻后復(fù)壓;安裝滲氣閥，用于控制真空箱內(nèi)的真空度，防止真空度過(guò)低，對(duì)果蔬造成冷害。真空泵為旋片式真空泵，抽速大，抽真空速率為20m3/h，效率高。真空冷卻實(shí)驗(yàn)裝置采用微機(jī)自動(dòng)控制，所有的溫度、真空度等數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。

圖1 真空預(yù)冷裝置Fig.1 Schematic diagram of the vacuum cooling equipment

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)以水為研究對(duì)象，將裝有350g水的玻璃容器放入真空室內(nèi)的托盤(pán)上（容器直徑為10.0cm，高14.7cm，裝水高5.9cm)，在水中插入熱電偶，關(guān)閉密封門(mén)并緊鎖，接通電源，通過(guò)觸摸屏或計(jì)算機(jī)設(shè)定真空壓力以及預(yù)冷終溫，按“自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)”選項(xiàng)，進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。首先制冷機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)冷阱溫度下降至-6℃時(shí)，真空泵自動(dòng)啟動(dòng)抽真空，開(kāi)始預(yù)冷;制冷機(jī)在冷阱溫度降至-17℃自動(dòng)停止，在冷阱溫度上升至-13℃又自動(dòng)起動(dòng)，以防止制冷機(jī)液擊;真空泵在冷阱溫度低于-6℃下起動(dòng)，高于-6℃停止，防止水蒸氣進(jìn)入真空泵;當(dāng)物料溫度降至設(shè)定溫度時(shí)，制冷機(jī)、真空泵停止，滲氣閥與充氣閥打開(kāi)，放水閥延時(shí)打開(kāi)，我們將這種機(jī)器自動(dòng)運(yùn)行進(jìn)行真空冷卻方法設(shè)定為方法A。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的壓力和溫度變化由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集記錄，并可通過(guò)曲線(xiàn)顯示出來(lái)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)觀(guān)察窗進(jìn)行拍攝。

2 結(jié)果與分析

2.1 飛濺過(guò)程研究

將自來(lái)水加熱到70℃放入真空預(yù)冷室，進(jìn)行冷卻，將預(yù)冷終溫設(shè)為15℃，真空度終壓設(shè)定為900～1500Pa，參數(shù)設(shè)定好后，啟動(dòng)機(jī)器開(kāi)始冷卻，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)獲得真空室壓力、溫度變化曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 時(shí)間-溫度、壓力曲線(xiàn)圖Fig.2 Time-temperature，pressure curve

在對(duì)應(yīng)的壓力和溫度變化條件下，通過(guò)真空室上的觀(guān)測(cè)窗觀(guān)察到熱水在真空冷卻過(guò)程中沸騰飛濺現(xiàn)象，可分為沸騰前、沸騰期、飛濺期和飛濺后期4個(gè)過(guò)程。

2.1.1 沸騰前 此時(shí)機(jī)器處于制冷系統(tǒng)啟動(dòng)對(duì)冷阱降溫時(shí)期，真空泵沒(méi)有啟動(dòng)，真空室壓力還處于大氣壓力。真空泵開(kāi)始啟動(dòng)，但由于真空箱體內(nèi)壓力還沒(méi)有達(dá)到液體所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力，所以沒(méi)有沸騰發(fā)生，真空室內(nèi)只是出現(xiàn)少量蒸汽，這是自然蒸發(fā)產(chǎn)生的，液體表面沒(méi)有出現(xiàn)任何波動(dòng)。

2.1.2 沸騰期 隨著抽真空的繼續(xù)，液面開(kāi)始波動(dòng)，進(jìn)入沸騰期，對(duì)應(yīng)圖2所示的0～100s，此時(shí)真空室壓力已經(jīng)達(dá)到液體所對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓力，并且液體表面壓力低于液體內(nèi)部壓力，所以在液體表面最先產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，隨后在液體內(nèi)部開(kāi)始沸騰，這一過(guò)程由于氣泡較多，所以沸騰會(huì)一直存在，但由于此階段的真空室壓力下降緩慢，真空室內(nèi)壓力僅從常壓下降至14357Pa，溫度從70℃下降至59℃，所以沸騰程度并不激烈，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有水滴濺出，僅靠蒸發(fā)失水。

2.1.3 飛濺期 這一過(guò)程時(shí)間從100s到220s，壓力從14357Pa降到2087Pa，溫度是從59℃降至30℃左右。從圖2中可看出該階段的壓力和溫度曲線(xiàn)顯著下降，壓力的急劇降低導(dǎo)致水的沸騰加劇，在此階段的前期，由于連續(xù)的沸騰不斷加劇，使部分水分飛濺而出，飛濺高度可達(dá)20cm。在此階段的后期，液體內(nèi)部氣泡數(shù)量減少，沸騰間斷發(fā)生，開(kāi)始時(shí)液體內(nèi)部產(chǎn)生一些小氣泡，小氣泡不斷聚集在一起形成大的氣泡，當(dāng)大氣泡升至液面時(shí)破裂，產(chǎn)生較大的能量，導(dǎo)致有大量的水飛濺而出，飛濺高度可達(dá)50cm。

2.1.4 飛濺后期 該過(guò)程從220s到預(yù)冷結(jié)束，溫度從30℃降至15℃，壓力從2087Pa降至1200Pa，此階段雖然真空室壓力已經(jīng)達(dá)到液體所對(duì)應(yīng)的飽和壓力，但是液體并沒(méi)有表現(xiàn)出沸騰現(xiàn)象，這是因?yàn)橐后w沸騰波動(dòng)主要由氣泡的擾動(dòng)引起，在飛濺后期液體內(nèi)部已經(jīng)不含氣體，沒(méi)有氣泡產(chǎn)生，所以不會(huì)出現(xiàn)沸騰和飛濺，但是液體的蒸發(fā)還在進(jìn)行，所以液體的溫度會(huì)不斷降低，直至降到預(yù)冷終溫。

2.2 回壓真空預(yù)冷對(duì)飛濺的影響

在真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)水溫降低到某個(gè)值時(shí)，通過(guò)控制充氣閥進(jìn)行回壓，當(dāng)回壓到15000Pa，重新進(jìn)行抽真空進(jìn)行降溫操作，直至水溫達(dá)到所設(shè)定的預(yù)冷終溫15℃。運(yùn)用回壓真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度、壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖3～圖6所示。本文之所以選擇在55℃到40℃進(jìn)行回壓是因?yàn)楫?dāng)選擇大于55℃進(jìn)行回壓時(shí)對(duì)整個(gè)預(yù)冷過(guò)程幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響，飛濺依舊還很厲害，而選擇低于40℃進(jìn)行回壓時(shí)，由于在到達(dá)回壓溫度時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生了很厲害的飛濺，如再進(jìn)行回壓對(duì)整個(gè)失水已無(wú)作用，所以選擇在55℃到40℃進(jìn)行回壓。

圖3～圖6將真空室壓力分別降低到11500、8875、6835、5105Pa，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的水溫分別降到55、50、45、40℃，然后回壓至15000Pa再繼續(xù)抽真空進(jìn)行冷卻作業(yè)。由于回壓壓差較大，均能有效抑制氣泡的生成，從而防止飛濺現(xiàn)象。圖3～圖6當(dāng)降至55、50、45、40℃后回壓一次，就不會(huì)再次發(fā)生沸騰現(xiàn)象，這是因?yàn)樵谶@些溫度對(duì)應(yīng)的壓力進(jìn)行回壓時(shí)可以很有效地破壞掉水內(nèi)部存在的氣泡。將圖3～圖6所對(duì)應(yīng)方法設(shè)定為方法A、方法B、方法C、方法D。表1為各種方法降溫失水情況和預(yù)冷時(shí)間。

圖3 方法A：55℃回壓示意圖Fig.3 Method A：55℃back pressure diagram

圖4 方法B：50℃回壓示意圖Fig.4 Method B：55℃back pressure diagram

圖5 方法C：45℃回壓示意圖Fig.5 Method C：45℃back pressure diagram

圖6 方法D：40℃回壓示意圖Fig.6 Method D：40℃back pressure diagram

由表1可看出，當(dāng)采用直接法進(jìn)行降溫時(shí)，雖然預(yù)冷時(shí)間很短，但是由于產(chǎn)生沸騰飛濺失水嚴(yán)重，而水分在熟食品中具有很重要的作用，如果失水過(guò)多將會(huì)影響食品質(zhì)量和感官，采用回壓真空預(yù)冷，從方法A到方法D可看出，由于沒(méi)有飛濺現(xiàn)象發(fā)生，失水率均顯著減少，雖然采用梯度降溫可以有效地防止飛濺，減少失水，但是預(yù)冷時(shí)間有所增加，結(jié)合失水率以及預(yù)冷時(shí)間，方法A也就是真空壓力為11500Pa時(shí)進(jìn)行回壓是最佳的回壓真空預(yù)冷方法。

表1 不同真空冷卻方法失水及預(yù)冷時(shí)間對(duì)比Table 1 Comparative table of pre-cooling time and water loss for different methods

3 結(jié)論

隨著真空預(yù)冷技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，熟食品尤其是液態(tài)和帶湯汁食品真空預(yù)冷飛濺問(wèn)題將會(huì)越來(lái)越突出。本文采用熱水作為研究對(duì)象，觀(guān)察到真空預(yù)冷飛濺可以分為四個(gè)過(guò)程，每個(gè)過(guò)程有不同的表現(xiàn)形式，采用回壓降溫可以有效地防止飛濺現(xiàn)象。當(dāng)壓力降至11500Pa，然后回壓至15000Pa，可以很明顯地防止飛濺，從而減少失水，該方法可為熟食品真空預(yù)冷飛濺現(xiàn)象的防止研究提供參考。

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Study on the splash of vacuum cooling process and avoiding splash

FAN Lei1，LI Bao-guo1，LEI Hai-bin2，SU Shu-qiang2
（1.Institute of Food Science and Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China;2.Shanghai General Cooling Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201201，China)

When vacuum cooling the food with soup，there was the phenomenon of soup splashing.The hot water boiling and splashing during vacuum cooling process were studied through an observation window opened in the container.Adopting the means of controlling the filling gas valve opening and closing and using the gradient cooling method could effectively prevent the occurrence of the boiling splash.The water loss rate decreased to 16%，but the relative cooling time extended of 5～10 minutes.

vacuum cooling;splash;prevention

TS205.9

A

1002-0306（2012)07-0127-03

2011－05－26

范磊（1985-)，男，碩士研究生，研究方向：食品貯藏保鮮技術(shù)。

上海市農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（113919N 0400);上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目（09ZZ159);上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目。