劉瑩，曲文娟，楊斯宇，馬海樂，潘忠禮，蔣群輝

（1.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）（2.江蘇大學(xué)食品物理加工研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）（3.美國加州大學(xué)戴維斯分校生物與農(nóng)業(yè)工程系，美國加州 95616）（4.鎮(zhèn)江美博紅外科技有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

近年來，催化紅外干法去皮技術(shù)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，催化紅外技術(shù)是以天然氣為能源，在鈀、鉑金等催化劑的作用下，天然氣與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生能量。催化式紅外的能量直接由天然氣轉(zhuǎn)換為紅外輻射能，具有轉(zhuǎn)化高效以及綠色安全的特點(diǎn)，且其僅加熱水果表面的淺層，可以有效保護(hù)食用果肉的完整性和產(chǎn)品質(zhì)量[1-3]，因此紅外去皮技術(shù)被認(rèn)為是一種可持續(xù)的水果去皮方法。目前國內(nèi)外對于將紅外技術(shù)和設(shè)備應(yīng)用于西紅柿、梨、桃等水果脫皮的研究已有報道，紅外技術(shù)可以成功實(shí)現(xiàn)水果的去皮處理[4]，但存在去皮效率低，設(shè)備能耗高等問題。據(jù)報道紅外去皮效果受輻射、傳導(dǎo)和對流等傳熱相關(guān)因素的影響[4]。在西紅柿紅外去皮過程中，西紅柿的果皮表面暴露于紅外輻射和周圍熱空氣的自然對流中；在西紅柿內(nèi)部，傳導(dǎo)是主要的傳熱機(jī)制，因此需要同時考慮內(nèi)部的傳導(dǎo)傳熱和外表面的輻射對流傳熱對西紅柿去皮效果的影響。其次，西紅柿的溫度分布還受各種紅外加工因素的影響，如西紅柿與紅外發(fā)生器之間的輻射距離、紅外發(fā)生器的表面溫度以及紅外加熱時間等。因此，了解原料表面和內(nèi)部的溫度分布，掌握紅外設(shè)備在紅外去皮過程中的傳熱機(jī)制，對于優(yōu)化紅外去皮工藝、高效設(shè)計紅外去皮設(shè)備、兼顧高效去皮性能和低能耗具有重要的意義，亟需開展相關(guān)研究。

目前大多采用傳熱模型來描述不同食品加工過程的傳熱機(jī)制[5-7]。研究人員使用不同的方法來建立傳熱模型，例如半無限體瞬態(tài)傳熱近似解法[8]、漫灰表面在封閉空間中的輻射交換方法[9]、半立方體算法[10]、有限差分法[11]等。與其它幾種傳熱模型相比，Li等[12]研究發(fā)現(xiàn)采用COMSOL軟件中的半立方體算法計算輻射傳熱模型，結(jié)果更加精準(zhǔn)。因此，本研究采用COMSOL軟件來建立西紅柿催化紅外去皮過程中的傳熱模型。溫度被認(rèn)為是果蔬脫皮加工過程中導(dǎo)致果皮松動的主要原因[13]，也是設(shè)備能耗計算的重要依據(jù)之一。因此，通過傳熱模型監(jiān)測紅外去皮過程中西紅柿表面和內(nèi)部溫度分布對于提高去皮效率、降低能耗具有重要意義。目前國內(nèi)外紅外加工設(shè)備大多采用靜態(tài)加工設(shè)計或傳送帶傳遞式設(shè)計，存在對加工原料適用性差、加熱覆蓋面窄、加熱均勻性差、產(chǎn)品去皮率低、果肉品質(zhì)差、能耗高等問題[14,15]。為了解決上述問題，本研究創(chuàng)新設(shè)計了一臺結(jié)構(gòu)設(shè)計更為合理、科學(xué)的燃?xì)?滾輪傳送式催化紅外加工設(shè)備，通過滾輪自轉(zhuǎn)以及齒輪帶動傳送，使得西紅柿在處理過程中360°翻滾前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)表皮加熱全覆蓋，使原料受熱更均勻，從而達(dá)到較高的去皮效率；此外還在設(shè)備前端安裝了燃?xì)饧訜岚l(fā)生器，借助直燃火焰迅速加熱果蔬表皮，使其表面迅速升溫以縮短后段催化紅外處理時間，減少果肉品質(zhì)損失，降低加工能耗。目前國內(nèi)外未見有該新型設(shè)備以及將其應(yīng)用于果蔬脫皮加工技術(shù)的相關(guān)報道，因此亟需提供一套該裝備下西紅柿脫皮加工研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為果蔬去皮產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)化發(fā)展提供一套高效節(jié)能和綠色環(huán)保的紅外加工設(shè)備和技術(shù)方案。

研究擬通過建立三維傳熱模型揭示西紅柿紅外去皮過程中的傳熱機(jī)制，更好的用于紅外加工技術(shù)方案和裝備的設(shè)計與改進(jìn)，擬開展以下研究內(nèi)容：（1）建立基于紅外輻射加熱的三維可視化傳熱模型，利用模型對新型燃?xì)?滾輪傳送式催化紅外設(shè)備下西紅柿紅外去皮過程的表面和內(nèi)部不同位置的溫度進(jìn)行預(yù)測，并與雙板靜態(tài)催化紅外設(shè)備進(jìn)行比較，分析該設(shè)備的特點(diǎn)；（2）通過溫度預(yù)測值和實(shí)測值的比較，分析模型的擬合程度；（3）計算紅外設(shè)備的加工能耗，篩選出低能耗的紅外加工設(shè)備。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

新鮮西紅柿：市售，顏色鮮紅，成熟度一致，無明顯病蟲害和疤痕。

1.2 主要儀器與設(shè)備

雙板靜態(tài)催化紅外設(shè)備（見圖1），江蘇大學(xué)聯(lián)合鎮(zhèn)江美博紅外科技有限公司自制；燃?xì)?滾輪傳送式催化紅外設(shè)備（見圖2），江蘇大學(xué)聯(lián)合鎮(zhèn)江美博紅外科技有限公司自制；HT-9815熱電偶測溫儀（K型，溫度感應(yīng)頭直徑1 mm，感溫長度1 m，誤差±1 ℃），深圳鑫思特科技有限公司；AT600+手持式紅外測溫儀，香港?，攦x器儀表有限公司；MNT-150電子游標(biāo)卡尺（精度0.01 mm），上海美耐特實(shí)業(yè)有限公司。

1.3 西紅柿紅外加熱處理

將西紅柿在20±1 ℃下靜置2 h以保證所有西紅柿具有相同的初始溫度。然后分別在雙板靜態(tài)催化紅外最優(yōu)參數(shù)（催化紅外表面溫度450 ℃，輻射距離25 cm，紅外加熱時間5 min）和燃?xì)?滾輪傳送式催化紅外最優(yōu)參數(shù)（燃?xì)饣鹧婕訜釙r間10 s，輻射距離9 cm，催化紅外表面溫度350 ℃，紅外加熱時間4 min）下對西紅柿進(jìn)行紅外加熱處理。每個試驗(yàn)均做3次平行試驗(yàn)。

在雙板靜態(tài)催化紅外試驗(yàn)過程中，首先通入液化氣使紅外發(fā)生器（2）的表面溫度達(dá)到450 ℃，然后將西紅柿放在網(wǎng)狀樣品擺放板（6）上紅外加熱5 min，西紅柿的頂端面向上方催化紅外板，底部面向下方催化紅外板，保證整個西紅柿均可以受到紅外輻照。

在燃?xì)?滾輪傳送式催化紅外試驗(yàn)過程中，首先打開前段的燃?xì)獍l(fā)生器（1），使西紅柿依次進(jìn)入燃燒火焰中加熱10 s。然后再通過換向氣缸（2）和前段調(diào)速電機(jī)（3）帶動換向輪（4）來控制中段的換向槽（5）切換方向，使西紅柿以一定的速度按照順序依次通過導(dǎo)向槽（6）分別進(jìn)入3條傳送滾筒鏈（8）中。然后通過后段調(diào)速電機(jī)（10）帶動同步輪（11）和導(dǎo)向裝置（12）帶動傳送滾筒鏈向前移動，以及通過齒條（7）的向前移動帶動滾輪自轉(zhuǎn)，共同實(shí)現(xiàn)西紅柿以一定的速度在傳送滾筒鏈上的 360°翻滾前進(jìn)，使西紅柿在350 ℃的催化紅外發(fā)生器（9）下紅外加熱4 min。

1.4 西紅柿表面和內(nèi)部溫度的測定

分別對雙板靜態(tài)催化紅外和燃?xì)?滾輪傳送式催化紅外處理過程中的西紅柿溫度進(jìn)行監(jiān)測，其具體測定位置分別見圖3a和圖3b。采用手持式紅外測溫儀測定西紅柿的表面溫度，測定位置分別為S1～S8；采用插線式熱電偶測溫儀測定西紅柿的內(nèi)部溫度，測定位置分別位于皮下1、5、10和20 mm處，記為I1～I(xiàn)8，為了確保定位的準(zhǔn)確性，用游標(biāo)卡尺在熱電偶插線上預(yù)先標(biāo)定好測定位置以幫助熱電偶快速準(zhǔn)確地插入到位置I1～I(xiàn)8處，同時手動同步轉(zhuǎn)動熱電偶測溫儀以實(shí)現(xiàn)西紅柿運(yùn)動時溫度的在線實(shí)時監(jiān)測。在靜態(tài)催化紅外設(shè)備中，S1和S2分別位于花尖（頂部）和莖端（底部）處，均面向催化紅外發(fā)生器；S3和S4均位于西紅柿最大直徑處，且在同一緯度上，位于遠(yuǎn)離紅外發(fā)生器的開放區(qū)域。在燃?xì)?滾輪傳送式紅外設(shè)備中，S5和S6均面向紅外發(fā)生器，位于西紅柿最大直徑處，且在同一緯度上；S7和S8分別位于花尖和莖端處，均位于遠(yuǎn)離發(fā)生器的開放區(qū)域。每個西紅柿樣品在每個位置上均進(jìn)行6次溫度測定，取溫度平均值進(jìn)行模型驗(yàn)證。

1.5 傳熱模型的建立

1.5.1 模型假設(shè)

為了精簡模型計算步驟，本研究在建模過程中做如下假設(shè)：（1）基于報道發(fā)現(xiàn)的紅外在食品表面的有限滲透特性[16]，本研究假設(shè)紅外輻射的穿透深度＜1 mm，且所有的紅外能量全部被西紅柿表皮吸收；（2）由于西紅柿果實(shí)不透明，本研究假設(shè)紅外入射能量均被西紅柿表皮吸收，西紅柿表皮紅外反射率＜5%；（3）基于報道發(fā)現(xiàn)紅外發(fā)射率與溫度無關(guān)[17]，根據(jù)材質(zhì)不同本研究中西紅柿表面輻射率設(shè)為0.95，催化紅外發(fā)生器表面輻射率設(shè)為0.97；（4）基于封閉理論[18]，本研究假設(shè)所有參與紅外輻射的接觸面均為漫反射表面；（5）本研究假設(shè)西紅柿果肉和果皮為同一材質(zhì)，因此西紅柿整體具有相似的熱力學(xué)性質(zhì)；（6）由于西紅柿表皮覆蓋大量蠟質(zhì)層[19]，且本研究紅外處理時間較短（4～5 min），因此本研究假設(shè)紅外加熱過程中西紅柿表皮沒有水分喪失，水分傳質(zhì)可被忽略。

1.5.2 三維傳熱模型的建立

本研究利用 COMSOL軟件（COMSOL Multiphysics-5.4，2018）建立紅外輻射加熱的三維傳熱模型，建模過程如下：（1）首先對西紅柿和催化紅外發(fā)生器組成的系統(tǒng)進(jìn)行幾何建模（見圖4）；（2）分別設(shè)置催化紅外發(fā)生器的材料屬性（AISI 4340型鋼）以及西紅柿的熱特性參數(shù)（見表 1）；（3）選擇“固體傳熱”模塊和“表面對表面輻射”模塊，將二者耦合為“表面對表面輻射傳熱”；在“固體傳熱”模塊中，分別設(shè)置西紅柿初始溫度（20±1 ℃）、催化紅外表面溫度、環(huán)境溫度（20±1 ℃）以及對流傳熱系數(shù)，并設(shè)置模型的初始條件和邊界條件。在“表面對表面輻射”模塊中分別將西紅柿和催化紅外發(fā)生器的表面設(shè)置為漫反射表面。（4）上述參數(shù)設(shè)置完成后，對西紅柿和催化紅外發(fā)生器組成的系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格構(gòu)建，其中西紅柿幾何域網(wǎng)格劃分如圖5所示；（5）利用非線性系統(tǒng)求解器采用牛頓-拉普森迭代法進(jìn)行數(shù)值求解，得到西紅柿三維可視化的溫度分布圖。

1.5.3 西紅柿幾何域網(wǎng)格劃分的獨(dú)立性研究

由于西紅柿自身的對稱性和催化紅外發(fā)生器設(shè)置參數(shù)（即表面溫度和輻射距離）的恒定，本研究使用四分之一的西紅柿作為計算域。利用COMSOL軟件建立了14087個由四面體區(qū)域單元組成的物理控制網(wǎng)格：在西紅柿的表面和下方1 cm處創(chuàng)建極細(xì)的網(wǎng)格；在西紅柿的中心創(chuàng)建幾何增長率為1.35，曲率分辨率為1.05的放大網(wǎng)格，具體網(wǎng)格劃分如圖5所示。

1.5.4 模型邊界條件和初始條件的設(shè)定

西紅柿內(nèi)部的傳導(dǎo)熱傳遞遵循傅里葉方程，方程經(jīng)推導(dǎo)最終表達(dá)式如下：

式中：

ρ——西紅柿的密度，kg/m3；

cp——西紅柿的比熱容，J/kg·℃；

T——西紅柿的內(nèi)部溫度，℃；

t——催化紅外加熱時間，s；

▽——微分算子；

k——西紅柿的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃。

西紅柿表面的熱傳遞主要為紅外輻射和自然對流，后者遵循牛頓冷卻定律，因此，第一個邊界條件定義為：

在西紅柿中心點(diǎn)（x=0，y=0，z=0），將對稱的邊界條件作為第二個邊界條件，定義為：

假設(shè)西紅柿的初始溫度均勻且恒定。因此，初始條件定義為：

式中：

Tini——西紅柿的初始溫度，℃。

1.5.5 西紅柿的熱特性

記者散后，葉曉曉一屁股跌在凳子上，她欲言又止，她想說：為什么突然加了這么個活動？為什么事先都不跟我商量？甚至連通知一聲都沒有？！

西紅柿的熱特性均為溫度的相關(guān)函數(shù)[20]，其具體計算式如表1所示。對流傳熱系數(shù)按 照 Li等[17]報道的方法計算。

表1 西紅柿的熱特性和溫度的關(guān)系Table 1 The relationship between thermal properties of tomato and temperature

1.5.6 模型驗(yàn)證

為評價模型的準(zhǔn)確性，對所有預(yù)測溫度與實(shí)測溫度進(jìn)行線性回歸分析，計算估計標(biāo)準(zhǔn)誤差（EESE，℃）和決定系數(shù)（R2）。EESE值越小，R2值越大，表明模型擬合程度越高。EESE計算公式如下：

式中：

Tpre(i)——預(yù)測溫度，℃；

Texp(i)——實(shí)測溫度，℃；

N——溫度值的個數(shù)。

加熱均勻性是評價設(shè)備加熱性能的一個關(guān)鍵指標(biāo)[21]。表面溫度均勻性指數(shù)（STUI）可以量化加熱均勻性[17]。因此，本研究選取STUI來評價加熱均勻性，具體計算公式見式（6）。STUI值越小，說明溫度分布越均勻。

1.6 能耗的計算

能耗計算參照文獻(xiàn)[22]，采用電監(jiān)測儀記錄氣缸和滾輪的電耗（kW·h）；采用電子秤稱量直燃火焰和催化紅外的液化氣消耗量（kg）。兩臺設(shè)備能耗均以處理單位質(zhì)量（1 kg）西紅柿的能耗來計算，單位為kJ/kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外加熱過程中西紅柿不同部位的溫度分布結(jié)果

由圖6a和c可知，紅外加熱初始階段（靜態(tài)紅外設(shè)備＜160 s；滾輪紅外設(shè)備＜100 s），西紅柿表面溫度快速上升，可能是由于西紅柿果皮短時間內(nèi)吸收了紅外輻射能，造成了分子運(yùn)動加劇，導(dǎo)致表面溫度迅速升高，與 Onwude等[7]發(fā)現(xiàn)紅外熱源導(dǎo)致甘薯溫度急劇升高的結(jié)論一致。隨著紅外加熱時間的不斷增加，表面溫度增幅速率有所變緩。對于滾輪紅外設(shè)備（圖6c），西紅柿的 4個表面溫度最終達(dá)到 53.88 ℃至60.32 ℃之間；直接面向催化紅外發(fā)生器的 S5（60.32 ℃）和S6（57.98 ℃）處的溫度較高，而開放區(qū)域S7和S8（56.04 ℃和53.88 ℃）處的溫度略低。這是由于滾動過程中S7和S8與紅外發(fā)射器之間的距離略遠(yuǎn)于S5和S6處，吸收到的紅外輻射能略低，從而導(dǎo)致其溫度略低，與Li等[23]發(fā)現(xiàn)開放區(qū)域的物體溫度低于直面紅外發(fā)生器區(qū)域的溫度的結(jié)論一致。西紅柿表面4個位置的最大溫差為6.44 ℃，數(shù)值較低，說明在滾輪紅外設(shè)備的滾輪帶動下西紅柿360°翻滾，表面受熱更均勻，并未出現(xiàn)溫度過低或過高的現(xiàn)象。對于靜態(tài)紅外設(shè)備（圖 6a），4個表面溫度最終達(dá)到54.90 ℃至94.60 ℃之間。S1花尖處由于直接面向催化紅外發(fā)生器，因此溫度最高（94.60 ℃），而S2處溫度為71.97 ℃，雖然S1和S2都直接面向紅外發(fā)射器，但兩者之間的溫度相差22.63 ℃，可能是由于S2位于西紅柿底部的內(nèi)凹陷處，對紅外輻射有阻擋作用，因此S2處的溫度顯著低于S1處[17]。開放區(qū)域S3和S4處的溫度（55.20 ℃和54.90 ℃）顯著低于S1和S2處，與滾輪紅外設(shè)備中開放區(qū)域S7和S8處溫度低于直面紅外發(fā)生器S5和S6處溫度的結(jié)論一致，均是由輻射作用較低造成的。此外，靜態(tài)紅外設(shè)備下西紅柿表面4個位置的最大溫差為39.70 ℃，表明西紅柿表面出現(xiàn)了過熱或過冷的現(xiàn)象，與劉自暢[24]研究發(fā)現(xiàn)西紅柿靠近紅外發(fā)射器的一端會出現(xiàn)加熱過度，另一端會出現(xiàn)加熱不足的現(xiàn)象一致。過熱容易使西紅柿表面出現(xiàn)結(jié)皮現(xiàn)象，造成表皮燒焦，會導(dǎo)致果肉硬度和內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)的部分損失，對果肉品質(zhì)產(chǎn)生不利影響[22]，而過冷容易導(dǎo)致果皮難以去除，去皮率降低[25]，因此過冷或過熱的溫度現(xiàn)象均不利于產(chǎn)品去皮加工。

盡管西紅柿表面溫度較高，但是內(nèi)部溫度仍處于相對較低的水平（圖6b、d），主要是由于西紅柿內(nèi)部的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，使得內(nèi)部升溫較慢，與Vidyarthi等[18]研究發(fā)現(xiàn)西紅柿經(jīng)輻射傳熱后其中心溫度沒有大幅升高的結(jié)論一致。在滾輪紅外設(shè)備加熱過程中（圖6d），西紅柿內(nèi)部升溫緩慢，4個內(nèi)部溫度最終達(dá)到30.85 ℃至 49.10 ℃之間。靠近西紅柿表面的 I5（49.10 ℃）和I6（42.80 ℃）處的溫度較高，而靠近中心點(diǎn)I7和I8處的溫度較低（39.60 ℃和30.85 ℃），這是因?yàn)樵娇拷鼉?nèi)部，熱傳導(dǎo)效應(yīng)越弱，故溫度越低。此外還發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部4個位置的最大溫差為18.25 ℃，溫差較低，說明滾動狀態(tài)下紅外加熱西紅柿的內(nèi)部溫度分布相對均勻，有利于保護(hù)果肉品質(zhì)。對于靜態(tài)紅外設(shè)備（圖6b），西紅柿內(nèi)部升溫較快，4個內(nèi)部溫度最終達(dá)到 22.54 ℃至 92.45 ℃之間?？拷砻娴?I1（92.45 ℃）和I2（61.30 ℃）處的溫度較高，而靠近中心點(diǎn)I3和I4處的溫度較低（34.30 ℃和22.54 ℃），與滾輪紅外設(shè)備中靠近表皮I5和I6處溫度高于靠近內(nèi)部I7和I8處溫度的結(jié)論一致。此外，4個內(nèi)部位置的最大溫差為69.91 ℃，溫差較大，表明靜止?fàn)顟B(tài)下紅外加熱西紅柿的內(nèi)部溫度分布非常不均勻，會對果肉品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。

根據(jù)上述結(jié)果得出，靜態(tài)紅外設(shè)備加熱過程中，西紅柿表皮溫度升溫過高（表面最高溫度可達(dá)94.60 ℃），且表皮溫度分布不均勻（最大溫差約39.70 ℃），容易出現(xiàn)過冷或過熱的現(xiàn)象，會導(dǎo)致西紅柿去皮性能較差；西紅柿內(nèi)部升溫顯著（內(nèi)部最高溫度可達(dá)92.45 ℃），且內(nèi)部溫度分布不均勻（最大溫差約69.91 ℃），會對西紅柿果肉品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。而滾輪紅外設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)西紅柿表皮的快速加熱（表面最高溫度為60.32 ℃），且加熱西紅柿表皮溫度分布較均勻（最大溫差約6.44 ℃），有利于保證西紅柿良好的去皮性能；內(nèi)部溫度增幅不大（內(nèi)部最高溫度為49.10 ℃），且內(nèi)部溫度分布也較均勻（最大溫差約18.25 ℃），有利于保障果肉品質(zhì)。因此針對果蔬的紅外去皮加工，滾輪紅外加工方式顯著優(yōu)于靜態(tài)紅外加工方式。

2.2 西紅柿溫度分布的三維可視化模擬結(jié)果

西紅柿經(jīng)2臺紅外設(shè)備加熱處理后，整體溫度分布的三維可視化模擬結(jié)果（圖 7）表明，紅外加熱對西紅柿表皮產(chǎn)生了劇烈的熱沖擊，導(dǎo)致西紅柿表面溫度急劇升高，而果肉內(nèi)部溫度增幅較低，說明紅外輻射加熱技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)西紅柿表面的快速加熱，有利于脫皮加工，與 Eskandari等[26]研究發(fā)現(xiàn)紅外輻射使榛子表面迅速加熱造成其果皮松動易于去皮的結(jié)論一致。由表2可知，2臺設(shè)備加熱處理下西紅柿表面溫度的STUI值均較低，分別為0.16和0.13，說明西紅柿表面溫度分布較均勻[27]。此外還發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)紅外設(shè)備下西紅柿表面最高溫度和平均溫度以及內(nèi)部溫度均高于滾輪紅外設(shè)備。綜上所述，本研究建立的三維可視化模型能夠清楚地反映不同設(shè)備類型對產(chǎn)品加熱性能的影響。與靜態(tài)紅外設(shè)備相比，滾輪紅外設(shè)備具有更優(yōu)越的加熱性能，更適合用于果蔬去皮加工。

2.3 模型驗(yàn)證結(jié)果

另取其它紅外加熱時間下的西紅柿樣品進(jìn)行傳熱模型驗(yàn)證試驗(yàn)。測定西紅柿表面和內(nèi)部溫度，即為實(shí)測值；利用傳熱模型方程計算西紅柿表面和內(nèi)部溫度，即為預(yù)測值，具體數(shù)據(jù)見圖8。

利用圖8的數(shù)據(jù)計算預(yù)測值和實(shí)測值之間的EESE值，結(jié)果如表3所示。對西紅柿不同位置上的溫度預(yù)測值與實(shí)測值進(jìn)行線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，所有回歸方程的決定系數(shù)R2均≥0.93，表明傳熱模型的擬合效果良好，能夠很好地對紅外加熱過程中不同位置的溫度變化進(jìn)行預(yù)測。本研究結(jié)果與Vidyarthi等[18]建立的傳熱模型的預(yù)測曲線和實(shí)測曲線吻合較好的結(jié)論一致?？傮w上，滾輪紅外設(shè)備和靜態(tài)紅外設(shè)備下的預(yù)測和實(shí)測外部和內(nèi)部溫度的變化趨勢基本一致。

由表3可知，滾輪紅外設(shè)備下的溫度預(yù)測值和實(shí)測值之間的EESE值均較低，平均值為1.35 ℃，而靜態(tài)紅外設(shè)備下兩者之間的EESE值整體偏高（平均值為4.26 ℃）。預(yù)測與實(shí)測溫度分布之間的微小差異可能是由熱電偶在西紅柿內(nèi)部的微小位移造成的，與Li等[23]研究發(fā)現(xiàn)熱電偶偏移導(dǎo)致溫度與模型預(yù)測值有誤差的結(jié)論一致。此外還發(fā)現(xiàn)，S1、S2、S5、S6（面向催化紅外發(fā)生器）和I1、I2、I5、I6（位于皮下1 mm）處的EESE值相對較高，可能是由于這8處最靠近紅外發(fā)生器，紅外高溫加熱使得西紅柿表皮和皮下果肉溫度急劇上升，會破壞表皮細(xì)胞及皮下細(xì)胞，細(xì)胞破裂[18]，從而導(dǎo)致溫度測量誤差較大，與Li等[28]發(fā)現(xiàn)在紅外加熱下由于溫度升高，導(dǎo)致細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)消失，皮膚層松動或分離的結(jié)論一致。盡管存在一定的測定誤差，但預(yù)測值和實(shí)際值之間整體誤差較小，說明預(yù)測值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間還是比較吻合。線性回歸（R2≥0.93）和EESE值（0.13～10.80 ℃）結(jié)果均表明，傳熱模型擬合效果良好，能夠較好地描述紅外加熱過程中西紅柿表面和內(nèi)部不同位置的溫度變化。

表2 不同設(shè)備對西紅柿表面溫度的影響Table 2 Effect of different equipment on the surface temperature of tomato

表3 溫度預(yù)測值與實(shí)測值之間的EESE值Table 3 EESE values between the predicted temperature values and measured temperature values

表4 不同設(shè)備的單位質(zhì)量能耗(kJ/kg)Table 4 Energy consumption per unit mass of different equipments (kJ/kg)

2.4 設(shè)備能耗計算結(jié)果

由表4可知，燃?xì)?滾輪傳送式催化紅外設(shè)備（加熱時間4.17 min，總能耗為122.25 kJ/kg）比雙板靜態(tài)催化紅外設(shè)備（加熱時間 5 min，總能耗為 187.49 kJ/kg）更高效節(jié)能，不僅縮短了16.60%的加熱時間，而且節(jié)約了34.80%的能耗。這是由于滾輪紅外設(shè)備的360°翻轉(zhuǎn)設(shè)計使得西紅柿受熱更均勻（已由2.1和2.2的結(jié)果證實(shí)），加熱效率更高，與劉自暢[24]研究發(fā)現(xiàn)紅外設(shè)備的翻轉(zhuǎn)物料設(shè)計可以使得西紅柿受輻射加熱更加均勻有序且有利于提高西紅柿的加熱效率的結(jié)論一致。由此得出，燃?xì)?滾輪傳送式催化紅外設(shè)備更高效節(jié)能，且可實(shí)現(xiàn)自動連續(xù)化生產(chǎn)，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，在果蔬去皮領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景及工業(yè)化推廣價值。

3 結(jié)論

為了提高紅外干法去皮的加工性能，建立了紅外輻射加熱過程的三維可視化傳熱模型，同時驗(yàn)證了該模型的精確度。通過監(jiān)測溫度分布發(fā)現(xiàn)，與雙板靜態(tài)催化紅外設(shè)備相比，燃?xì)?滾輪傳送式催化紅外設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)西紅柿表皮的快速加熱（表面最高溫度為60.32 ℃），且溫度分布更均勻（最大溫差約6.44 ℃），更有利于保證西紅柿良好的去皮性能；西紅柿內(nèi)部溫度增幅較低（內(nèi)部最高溫度為49.10 ℃），且溫度分布也比較均勻（最大溫差約18.25 ℃），更有利于保障果肉品質(zhì)。因此針對果蔬的脫皮加工，表面溫度分布均勻且內(nèi)部升溫不高的燃?xì)?滾輪傳送式紅外加熱設(shè)備更優(yōu)。西紅柿表面和內(nèi)部溫度的傳熱模型預(yù)測值和實(shí)測值之間擬合較好（R2≥0.93），且兩者之間的EESE值較低（0.13～10.80 ℃），表明傳熱模型擬合效果良好，能夠很好地反映不同紅外加工設(shè)備下西紅柿表面和內(nèi)部不同位置的溫度分布，可以預(yù)測不同設(shè)備對產(chǎn)品的加熱性能的影響。與雙板靜態(tài)催化紅外設(shè)備相比，燃?xì)?滾輪傳送式催化紅外設(shè)備即縮短了 16.60%的加熱時間，又節(jié)約了34.80%的能耗，更高效節(jié)能，在果蔬去皮領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景及工業(yè)化推廣價值。由于西紅柿果肉和果皮的營養(yǎng)成分不同，故兩者的熱特性略有不同，會帶來一定程度的溫度預(yù)測誤差，因此描述復(fù)雜物體的表面和內(nèi)部傳熱現(xiàn)象需要建立更精準(zhǔn)的模型，未來的研究還需要進(jìn)一步分析果蔬果皮和果肉各自的熱性能，以提高傳熱模型的準(zhǔn)確性和適用性。