李賀強，鄒同華，汪偉，張坤生

（天津商業(yè)大學天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津 300134）

作為日常生活中不可或缺的食物，熟肉制品的安全問題越來越受到世界各國的關(guān)注和重視，人們對熟肉制品的品質(zhì)要求也越來越挑剔[1-2]。研究表明，溫度是影響熟食品安全的重要因素之一，其中熟肉制品冷卻溫度在41℃～46℃時，肉類中的病原性微生物會大量繁殖產(chǎn)生毒素，最終影響冷卻后熟肉制品的品質(zhì)和保質(zhì)期[3-5]。因此，為了使熟肉制品在加工過程中快速通過此區(qū)域，很多國家制定了熟食品的冷卻時間，美國對熟食品冷卻的要求是從60℃冷卻至21℃在2 h以內(nèi)完成，從21℃冷卻到5℃或者更低溫度要在4 h以內(nèi)完成[6]；歐洲一些國家要求熟肉冷卻從74℃到4℃的時間不超過2.5 h[7]。

當前，熟肉制品所使用的冷卻方式主要有：空氣冷卻、冷水冷卻、真空冷卻等[8-12]，熟肉制品冷卻過程中所使用的冷卻設備功能較為單一，不能滿足熟肉制品對不同冷卻條件的要求以及不同食品對不同冷卻方式的要求，加之國內(nèi)外對于多功能真空冷卻機的研究較少[13-16]，對蒸煮豬肉采用不同冷卻方式的最佳冷卻條件的研究也鮮有見聞。因此，本文設計了一種復合真空冷卻機，并以豬肉為原材料，使用復合真空冷卻機通過設定不同冷卻條件，從冷卻速率、冷卻后的失重率[17-18]和能耗3個方面研究熟肉冷卻的最佳冷卻工藝，為今后熟肉應對不同需求所采用的不同冷卻條件提供了參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 材料與儀器

豬前腿肉5 kg：市售。

Testo425型手持熱線風速儀：德國儀器國際貿(mào)易有限公司；PT100鉑電阻：上海卓蕊科技應用發(fā)展有限公司；CPCA-130型絕對壓力變送器：上海振太儀表有限公司；JHBL-3型平行梁式稱重傳感器：蚌埠傳感器系統(tǒng)工程有限公司；WT330型數(shù)字功率計：日本橫河公司。

1.1.2 復合真空冷卻機

本課題組設計了一種新型的熟食品復合真空冷卻機，其原理圖如圖1所示。

圖1 復合真空冷卻機原理圖Fig.1 Schematic diagram of composite vacuum cooler

該裝置主要由真空室、水環(huán)泵、旋片泵、制冷系統(tǒng)、冷風機、套管換熱器、捕水器和真空蓄能器組成。采用380 V三相交流電源，裝機功率為：制冷機組2.25 kW，采用R404a制冷劑，蒸發(fā)溫度最低達到-35℃，冷風機1.08 kW。水環(huán)泵1.45 kW，旋片泵1.5 kW，極限真空度為100 Pa。復合真空冷卻機具有自動控制系統(tǒng)，通過傳感器可以將壓力、溫度和重量的信息傳輸?shù)娇删幊踢壿嬁刂破鳎╬rogrammable logic controller，PLC），該控制器可以根據(jù)設定的冷卻條件執(zhí)行控制操作，系統(tǒng)有自檢裝置，可對異樣情況自動報警?？蓪崿F(xiàn)的冷卻功能有冷風冷卻、真空冷卻、冷風加真空的混合冷卻以及超聲補水真空冷卻。

1.2 方法

將豬前腿肉進行簡單的清理，去除表面的脂肪和筋膜組織，分割成10塊，單個重約0.5 kg的形狀、大小大致相等的立方體（10 cm×10 cm×10 cm），在豬肉表面和中心分別布置熱電偶，將豬肉放入沸水中蒸煮至中心溫度為80℃并保持15 min，而后取出豬肉迅速擦拭表面水分，將蒸煮豬肉置于復合真空冷卻機的真空室內(nèi)，分別設定不同冷卻條件進行冷卻試驗。

1）冷風冷卻：設定冷風流速為6.2 m/s，風量固定為700 m3/h，冷風溫度分別為-10、0、10℃進行冷卻試驗，當樣品中心溫度降至10℃時，停止冷卻，取出樣品進行稱重，記錄數(shù)據(jù)。

2）真空冷卻：設定真空度為4 800 Pa，冷阱溫度分別為-35、-25、-15℃進行冷卻試驗，當樣品中心溫度降至10℃時，停止冷卻，取出樣品進行稱重，記錄數(shù)據(jù)。

3）冷風加真空的混合冷卻：設定冷風流速依然為6.2 m/s，真空度為4 800 Pa，當冷風冷卻至樣品中心溫度分別為70、65、60℃時再對樣品進行真空冷卻，直至其中心溫度降至10℃時，停止冷卻，取出樣品進行稱重，記錄數(shù)據(jù)。

4）超聲補水真空冷卻：設定真空度為4 800 Pa，超聲頻率為（1.7±0.17）MHz，對樣品先進行真空冷卻，當其中心溫度降至40℃時，再進行60 s的超聲補水，補水結(jié)束后繼續(xù)進行真空冷卻，直至中心溫度降至10℃時結(jié)束冷卻，取出樣品進行稱重，記錄數(shù)據(jù)。

最后，通過對比4種冷卻方式的冷卻時間、失重率和能耗3個指標，選出最優(yōu)的冷卻方式。當某一冷卻方式不少于兩個指標優(yōu)于其它冷卻方式且當有兩個指標優(yōu)于其它方式時最差指標也不能為其它冷卻方式中最差的，則這一冷卻方式即為蒸煮豬肉的最優(yōu)冷卻工藝。

1.3 指標的測定

1.3.1 冷卻時間的測定

復合真空冷卻機有PLC存儲單元，在進行冷卻之前已經(jīng)設定從樣品中心溫度80℃每間隔5 s自動記錄樣品溫度至樣品中心溫度為10℃時停止記錄，試驗結(jié)束后導出數(shù)據(jù)進行分析。

1.3.2 失重率的測定

復合真空冷卻機的真空室內(nèi)配備電子秤，分別記錄冷卻前后熟肉的質(zhì)量，按公式計算失重率。

式中：m0為冷卻前熟肉中心溫度為80℃時的質(zhì)量，g；m1為冷卻后熟肉中心溫度為10℃時的質(zhì)量，g。

1.3.3 冷卻能耗的測定

冷卻前設定了冷卻過程從樣品中心溫度80℃每間隔5 s自動記錄樣品功率至樣品中心溫度為10℃時停止記錄，根據(jù)導出的功率數(shù)據(jù)計算出系統(tǒng)的總能耗。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗的測試結(jié)果以3次平行試驗后的平均值表示，采用Origin8.0和AutoCAD2014進行繪圖，使用SPSS18.0軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 冷風冷卻

2.1.1 冷卻時間的變化

圖2展示了不同冷風溫度下蒸煮豬肉中心溫度的變化。

圖2 不同冷風溫度下蒸煮豬肉中心溫度的變化Fig.2 Changes of center temperature of cooked pork at different cold air temperatures

從圖2中可以看出，冷卻初始時，熟肉中心溫度下降迅速，冷卻速率較快，隨后溫度下降趨勢逐漸趨于平緩，直至冷卻結(jié)束。其中，-10℃冷風溫度下的冷卻速率最快，將蒸煮豬肉中心溫度從80℃冷卻至10℃用時3 725 s；10℃冷風溫度下的冷卻速率最慢，且試驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于蒸煮豬肉所在真空室三面為玻璃，試驗過程中受外部光線熱輻射作用，10℃冷風溫度下當蒸煮豬肉中心溫度降至14.4℃時溫度已不再下降，視為冷卻結(jié)束。試驗結(jié)果表明，冷卻的冷風溫度越低，冷卻時間越短，冷卻速率越快，這也符合冷卻的客觀規(guī)律。

2.1.2 失重率和能耗的變化

圖3展示了不同冷風溫度冷卻后失重率和能耗的變化。

圖3 不同冷風溫度冷卻后失重率和能耗的變化Fig.3 Changes of weight loss rate and energy consumption after cooling by different cold air temperatures

從圖3中可以看出，冷風溫度為-10℃時蒸煮豬肉冷卻結(jié)束后的失重率最小，為3.32%，但能耗卻最大，為1.11 kW·h；而冷風溫度為0℃時蒸煮豬肉冷卻結(jié)束后的失重率卻最大，達到6.51%，高于冷風溫度為10℃時的失重率，而冷風溫度為10℃時冷卻結(jié)束后的能耗卻低于0℃冷風冷卻的能耗。分析原因，在能耗方面，冷卻溫度越低，壓縮機做功越多，能耗也就越高；失重率方面，有研究證明，熟肉等食品內(nèi)部多為多孔結(jié)構(gòu)，其微通道尺寸多為0.1 μm～10 μm[19]，而經(jīng)過熱加工的食品內(nèi)部均有一定量的氣體[20-21]，當食品內(nèi)部過熱度或者外部過冷度增加到一定程度的時候就會有氣泡產(chǎn)生，氣泡的逃逸勢必會帶走孔隙中的水分和食品內(nèi)部的熱量[20]，從而使食品達到冷卻降溫的目的，所以蒸煮豬肉在冷風溫度為-10℃時，由于較低的溫度使得肉品表面部分結(jié)冰，阻止了肉品內(nèi)部一部分氣泡向表面的移動和水分的蒸發(fā)[16]，而在冷風溫度為0℃時，由于處于冰與水的臨界溫度，肉品內(nèi)部溫度高于表面，肉品表面并未結(jié)冰，較大的溫差加快了肉品表面水分的蒸發(fā)速率和肉品內(nèi)部向表面的傳熱傳質(zhì)速率，而當冷風溫度為10℃時，肉品中心溫度達到14.4℃時溫度已不再變化，此時肉品表面溫度已接近10℃，較小的內(nèi)外溫差大大減小了肉品內(nèi)部向外部的傳熱傳質(zhì)速率，所以0℃冷風溫度下冷卻后的失重率高于10℃冷風溫度的失重率。

2.2 真空冷卻

2.2.1 冷卻時間的變化

圖4展示了真空冷卻中不同冷阱溫度下蒸煮豬肉中心溫度的變化。

圖4 不同冷阱溫度下蒸煮豬肉中心溫度的變化Fig.4 Changes of cooked pork center temperature at different cold trap temperatures

由圖4可知，冷阱溫度為-25℃時的降溫速率最快，-35℃冷阱溫度下的降溫速率反而最慢，從食品的孔隙分析能較好地解釋，在真空條件下較低的冷卻溫度使得蒸煮豬肉表面溫度迅速下降至水的冰點，肉品表面的水分未來得及蒸發(fā)就已經(jīng)結(jié)冰，冰晶堵住了食品表面的孔隙，從而阻止了肉品內(nèi)部氣泡向外部的流動以及內(nèi)部水分向外部的擴散和蒸發(fā)，降低了內(nèi)部與表面的傳熱傳質(zhì)速率，所以肉品中心溫度相較于其它試驗組反而較高。Drummond等[22]的研究發(fā)現(xiàn)熟肉冷卻中水的蒸發(fā)和蒸汽的擴散是主要的傳熱傳質(zhì)過程；Sun等[23]通過蒸汽在孔隙中的擴散和多孔介質(zhì)中的蒸汽運動解釋了豬肉火腿的真空冷卻過程。所以，孔隙中的冰晶勢必會影響肉品內(nèi)水分的流動和蒸汽的蒸發(fā)效率。-25℃冷阱溫度下蒸煮豬肉中心溫度從80℃冷卻至10℃僅用時320 s，均小于-15℃和-35℃冷阱溫度下的冷卻時間，但冷卻時間都在600 s以內(nèi)。同時也可以看出，真空冷卻速率要明顯快于空氣冷風冷卻，這也符合冷卻的客觀規(guī)律。

2.2.2 失重率和能耗的變化

真空冷卻中不同冷阱溫度下蒸煮豬肉冷卻結(jié)束后的失重率和能耗的變化如圖5所示。

圖5 不同冷阱溫度冷卻后失重率和能耗的變化Fig.5 Changes of weight loss rate and energy consumption after cooling at different cold trap temperatures

由圖5可知，冷阱溫度-35、-25、-15℃的失重率分別為8.48%、11.11%、11.3%，失重率的大小也驗證了圖4中的分析。 能耗分別為0.5、0.26、0.24 kW·h，即真空冷卻的冷阱溫度越低，冷卻后的失重率越小，冷卻后的能耗越大。這是由于冷阱溫度越低，壓縮機做功越多，能耗就越高；較低的冷阱溫度使得冷卻開始時熟肉表面結(jié)冰，減小了熟肉內(nèi)部水分向外部的擴散和蒸發(fā)，熟肉失重率也就越小。

2.3 冷風加真空的混合冷卻方式

2.3.1 冷卻時間的變化

從以上結(jié)果可以看出，真空冷卻的速率明顯快于冷風冷卻，能耗也小于冷風冷卻，但冷卻后肉品的失重率卻高于冷風冷卻，兩種冷卻方式各有優(yōu)缺點。為了發(fā)揮兩種冷卻方式的優(yōu)點，使用復合真空冷卻機對蒸煮豬肉先進行冷風冷卻，當熟肉中心溫度分別達到70、65、60℃時，再進行真空冷卻，直至熟肉中心溫度達到10℃時冷卻終止，其中冷風冷卻選擇最佳冷風溫度-10℃，真空冷卻選擇最佳冷阱溫度-25℃。

圖6展示了不同冷風冷卻終溫下混合冷卻的溫度變化。

圖6 混合冷卻中蒸煮豬肉中心溫度的變化Fig.6 Change of center temperature of cooked pork in mixed cooling

由圖6可知，冷風冷卻終溫為65℃時，混合冷卻速率最快，用時1 280 s；其次是冷風冷卻終溫為70℃時，混合冷卻至10℃用時2 005 s；最后是冷風冷卻終溫為60℃時，混合冷卻至10℃用時2310 s。冷風冷卻終溫為70℃時，前期冷卻速率較快，當后期進入到真空冷卻時，冷卻開始時溫度下降迅速，隨后溫度下降速率趨于平緩且冷卻結(jié)束所用時間卻延長了；而冷風冷卻終溫為65℃時，冷卻結(jié)束前的冷卻速率雖然介于冷風冷卻終溫為60、70℃之間，但整體的冷卻結(jié)束用時最短。原因可能是冷風冷卻終溫為70℃時，前期冷風冷卻時間較短，肉品水分損失少，當進行真空冷卻時，由于冷阱溫度與肉品表面較大的溫差，肉品表面結(jié)冰降低了肉品水分的蒸發(fā)和內(nèi)部向外表面的傳熱傳質(zhì)速率，延長了真空冷卻整體時長。當冷風冷卻終溫為60℃時，冷風冷卻時間較長，冷卻過程中肉品水分損失較多，所以之后的真空冷卻肉品內(nèi)部水分較少，不利于內(nèi)部向外表面的傳熱傳質(zhì)過程，導致真空冷卻時間有所延長。

2.3.2 失重率和能耗的變化

圖7展示了不同冷風冷卻終溫下混合冷卻的失重率和能耗的變化。

從圖7中可以明顯看出，當冷風冷卻終溫為65℃時，混合冷卻結(jié)束后的失重率和能耗均是最小的，分別為5.88%和0.38 kW·h，失重率要小于冷風冷卻終溫為60℃的6.82%和冷風冷卻終溫為70℃的8.75%，能耗也要小于冷風冷卻終溫為60℃的0.77 kW·h和冷風冷卻終溫為70℃的0.74 kW·h。綜上所述，冷風加真空的混合冷卻方式，在冷風冷卻的冷風溫度為-10℃和真空冷卻的冷阱溫度-25℃，當冷風冷卻終溫為65℃時，既能加快蒸煮豬肉整體的冷卻速率，又能降低肉品冷卻的失重率和能耗。

圖7 不同冷風冷卻終溫冷卻后失重率和能耗的變化Fig.7 Changes of weight loss rate and energy consumption after cooling with different final temperatures of cold air cooling

2.4 超聲補水真空冷卻

相比其它冷卻方式，真空冷卻具有冷卻時間短，冷卻速率塊，冷卻耗能少的優(yōu)點，但真空冷卻后的肉品水分損失較多，失重率較大。因此，本研究設計的復合真空冷卻機可實現(xiàn)真空冷卻過程中進行超聲補水的功能，本研究的超聲補水過程采用真空冷卻中冷卻效果最優(yōu)的冷阱溫度為-25℃下進行。圖8展示了真空冷卻加超聲補水過程中的溫度變化。

圖8 超聲補水真空冷卻中的溫度變化Fig.8 Temperature change in vacuum cooling with ultrasonic water replenishment

由圖8可知，真空冷卻初始階段蒸煮豬肉中心和表面溫度迅速降低，當真空冷卻中肉品中心溫度達到40℃時，進行超聲補水，此時肉品中心和表面溫度有一小段上升階段，當補水結(jié)束后溫度又迅速降低，當冷卻進行至400 s左右，溫度下降趨勢逐漸平緩，直至冷卻時間為970 s，肉品中心溫度到達10℃時冷卻終止。

在進行超聲補水過程中所使用的潔凈水溫度為19℃，室內(nèi)空氣溫度為21℃，但補水階段肉品溫度卻有一段明顯的上升。原因可能是當真空冷卻至肉品中心溫度為40℃時，由于肉品周圍溫度場的溫度值取決于肉品蒸發(fā)的氣態(tài)水的水溫，所以在突然的復壓過程中周圍溫度場的熱量勢必會被帶回肉品中，由此導致超聲補水過程中肉品溫度的升高。

表1展示了超聲補水真空冷卻在冷卻結(jié)束后的失重率和能耗的情況。

表1 超聲補水真空冷卻在冷卻結(jié)束后的失重率和能耗的變化Table 1 Changes of weight loss rate and energy consumption of vacuum cooling with ultrasonic water replenishment after cooling

從表1中可以看出，相比于冷阱溫度在-25℃單獨進行真空冷卻，超聲補水真空冷卻在冷卻結(jié)束后的失重率明顯減小，由于冷卻過程增加了超聲補水過程，能耗有所增加。對于使用真空冷卻方式而又要求較小失重率的食品，可采用此冷卻方法。

2.5 對比分析

為了減少食品的冷卻損失以及提高食品冷卻后的加工效率，無論采用何種冷卻方式都應最大限度縮短冷卻時間。蒸煮豬肉在4種冷卻方式下的最優(yōu)冷卻時間見圖9，在最佳冷卻時間下的4種冷卻方式的失重率和能耗的對比見圖10。

圖9 蒸煮豬肉在4種冷卻方式下的最優(yōu)冷卻時間Fig.9 The optimal cooling time of cooked pork under the four cooling methods

圖10 蒸煮豬肉在最佳冷卻時間下的4種冷卻方式的失重率和能耗的對比Fig.10 Comparison of the weight loss rate and energy consumption of the four cooling methods of cooked pork under the optimal cooling time

由圖9和圖10可以看出，單獨的冷風冷卻所使用的冷卻時間太長，嚴重影響冷卻后蒸煮豬肉的品質(zhì)，冷卻耗能太高，提高了成本；而單獨的真空冷卻雖然冷卻時間和能耗優(yōu)于其它試驗組，但冷卻后肉品的失重率卻遠高于其它試驗組，所以單獨的真空冷卻雖然能極大的縮短冷卻時間和使用更小的能耗，但冷卻后熟肉的失重率也是最大的，這對于冷卻后熟肉的品質(zhì)損失影響太大，不利于熟肉冷卻后的加工和銷售，所以依托于單獨的冷卻方式已經(jīng)不具有優(yōu)勢。而超聲補水真空冷卻所用的冷卻時間較少，用時970 s，在對比冷卻后的失重率和能耗可以看出，相較于冷風加真空的混合冷卻方式，使用超聲補水真空冷卻方式雖然冷卻耗能有所增大，但卻明顯減少了冷卻后蒸煮豬肉的質(zhì)量損失，其次，超聲補水真空冷卻的冷卻時間和冷卻后的失重率兩個指標均優(yōu)于混合冷卻方式且冷卻后的能耗也與混合冷卻相差不多，滿足最佳冷卻方式的選擇條件。所以，超聲補水真空冷卻是蒸煮豬肉的最優(yōu)冷卻工藝。

3 結(jié)論

復合真空冷卻機可以很好的實現(xiàn)冷風冷卻、真空冷卻、冷風加真空的混合冷卻以及超聲補水真空冷卻等多種冷卻方式，可根據(jù)不同食品對冷卻的要求實現(xiàn)不同的冷卻方式及條件。通過對蒸煮豬肉進行不同的冷卻試驗進一步驗證復合真空冷卻機的實用性，研究結(jié)果也表明單一冷卻方式已經(jīng)不能滿足蒸煮豬肉冷卻后對高品質(zhì)的要求，從冷卻速率、失重率和能耗3個方面綜合考慮可以看出，蒸煮豬肉的冷風冷卻最佳冷風溫度為-10℃，真空冷卻最佳冷阱溫度為-25℃，冷風加真空的混合冷卻在冷風冷卻終溫為65℃時對熟肉冷卻后的影響最小，但綜合考慮后可得，超聲補水真空冷卻對于蒸煮豬肉冷卻是最優(yōu)的冷卻方式。