不同冷卻終壓對低鹽臘肉真空冷卻效果的影響及模擬研究

宋睿琪,鄒同華,魏東旭,張坤生,惠慶玲

(天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室,天津 300134)

中式臘肉在經過腌制工藝后貯藏時間得到極大的延長,一般可以達到8～10個月[1]。又因其獨特的風味和美觀的色澤,被人們沿用至今[2]。但其含鹽量過高,不符合現代健康食品的發展要求?，F階段臘肉制品企業都在積極采取措施來減少肉制品中的含鹽量,但減少臘肉制品的含鹽量會縮短其保質期,使產品品質難以得到良好的保障。因此有些學者采用對少鹽臘肉進行高溫蒸煮的方式來減少降低含鹽量對臘肉保質期的影響。加熱后的臘肉需冷卻后才能進行到包裝、銷售等后續階段,而采用真空冷卻技術可以有效保障其質量安全并延長保質期[3-5],避免食品發生變質和污染。

真空冷卻是基于多孔介質材料的表面和內部水分的快速蒸發。Alibas等[6]發現與強制空氣冷卻、高流量或低流量水冷相比,真空冷卻將花椰菜從(23±0.5) ℃冷卻至1 ℃耗時36 min和耗能0.51 kW·h,耗時和耗能皆最少。陳華等[7]把水煮豬肉用在普通真空冷卻和浸沒式真空冷卻對通過比分析發現,浸沒式真空冷卻可有效減少失重率。Sun等[8]把豬肉火腿(5～6 kg)的真空冷卻分別與傳統的慢風冷卻、浸沒式冷卻和風冷進行比較,結果發現,真空冷卻時樣品的中心溫度下降最快。James[9]的實驗表明,大塊火腿利用真空冷卻從70 ℃冷卻到10 ℃只需要30 min,而在同樣的降溫范圍,風冷冷卻的時間長達624 min。Ozturk等[10]在肉丸的真空冷卻實驗中發現,真空冷卻過程壓力越低,系統的能效系數越高。隨著科技的進步,模擬仿真技術被逐漸應用到各項研究中,建立準確的數學模型可以有效地促進技術的改進和發明速度。近年來,針對真空冷卻的各方面研究中,一些專家已經成功地建立起了準確的數學模型。Hu等[11]建立了CFD模型用于模擬多孔食品在真空冷卻過程中的溫度分布和失水變化,同時進行實驗進行驗證對比,合理地預測到了冷卻時間和失水率。Drummond等[12]以牛肉為研究對象,進行了浸沒式的真空冷卻實驗,測試了在不同壓力下,牛肉的冷卻速率、溫度變化以及失水率,并建立了數值模型對該冷卻過程進行模擬分析,驗證了該模型的可靠性。Jin等[13]建立了一個模型來描述真空冷卻圓柱形熟肉的水分運動。由于熟肉在冷卻過程中溫度分布不均勻,在熟肉的最高溫度區首先出現沸騰現象。Wang等[14]研究表明即使是在真空室中分層堆砌的熟肉,真空冷卻仍然可以實現比強制空氣冷卻更均勻的冷卻。可以看出,在真空冷卻過程中建立數學模型,可以對該過程的傳熱傳質過程更直觀、有效地進行觀測評估,對真空冷卻領域的研究具有一定的參考價值。盡管如此,真空冷卻過程中的最終壓力對物質的冷卻速率和質量損失率的關系還不是很明確,因此,本文針對目前研究存在的不足,以低鹽臘肉為研究對象,通過計算模擬和實驗驗證,研究不同冷卻最終壓力對真空冷卻速率和質量損失率的影響,探索最佳的冷卻終壓,為臘肉的快速降溫及貯藏提供參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低鹽臘肉 購于臘肉制品商店,每塊約重0.5 kg,呈長條狀。

真空冷凍機 江蘇洽愛納機械有限公司;CPCA-130Z電容薄膜式絕對壓力變送器 上海振太儀表有限公司;XMT808-I型智能顯示控制儀采集并顯示 蚌埠傳感器系統工程有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 真空冷卻機

1.2.1.1 工作原理 為了探究臘肉在真空冷卻過程中傳熱傳質的變化以及變工況的實現,本實驗對常規真空冷卻設備進行改進,使其具有穩壓功能,本真空冷卻裝置主要由真空系統、制冷系統和真空蓄能器組成。采用380 V三相交流電源,裝機功率:制冷機組功率為2.25 kW,采用R404a 制冷劑,蒸發溫度為-35 ℃。冷風機1.08 kW。水環泵1.45 kW,旋片泵1.5 kW,極限真空度低于100 Pa。實驗設備系統原理如圖1所示。

圖1 真空冷卻機系統原理圖Fig.1 Principle diagram of vacuum cooler system

真空系統中水環泵與真空腔室直接相連,旋片泵經由冷阱與真空腔室相連,兩個泵先后運行工作維持整個系統處于低壓狀態,真空蓄能罐與旋片泵并聯,且一路旁通與冷阱相連,配合多個電磁閥保證真空腔室壓力維持在極小范圍內波動。本實驗設備配置真空蓄能罐和相關電路自動控制實現壓力調節并穩壓。在真空冷卻前,提前將真空蓄能罐的壓力穩定在設定值,在真空冷卻過程中真空腔室壓力如果超過設定值,則連通蓄能罐與真空腔室,蓄能罐吸收壓力能,從而實現精確調壓并穩壓的作用。

1.2.1.2 數據測量及采集 將臘肉切成0.4 kg的磚塊形,將臘肉放入沸水中蒸煮至中心溫度到80 ℃,擦拭表面水分,快速將加熱后的臘肉放入真空腔室,選擇不同冷卻工藝,設定冷卻參數,啟動真空冷卻機,對臘肉進行冷卻,當中心溫度冷卻至20 ℃實驗結束。

1.2.1.3 檢測指標的測定 實驗過程中物料溫度采用WZP-Pt100鎧裝鉑電阻測量,真空腔體內壓力變化采用電容薄膜式絕對壓力變送器測量,測量精確度為±0.5%。采用平行梁式稱重傳感器,測量質量變化,測量精確度為±0.05%,物料的質量損失由公式(1)計算:

式(1)

式中:A:質量損失,%;W0:物料真空冷卻前的質量,g;Wt:時刻t物料的質量,g;Δt:稱重傳感器傳輸數據時間間隔。

1.2.2 臘肉真空冷卻過程數學模型

1.2.2.1 數學模型 實際真空冷卻過程極其復雜,為建立真空冷卻過程中的傳熱傳質模型,要對問題作出一些假設,將實際模型進行合理簡化,便于方程求解[15]。對物料的冷卻過程的假設如下:傅里葉定律適用于物料內全部區域;物料內部結構均勻、剛性且各向同性,冷卻過程中沒有應力影響;在真空冷卻過程中,產品的熱物性參數一直保持不變;計算初始時,物料溫度和水分分布是均勻的;物料表面的輻射熱等值為恒定的熱流量;冷卻過程中無化學反應發生。

物料的真空冷卻過程是一個多物理場的問題,本模型主要包括壓力、熱傳導兩個物理場,涉及到的數學模型如下:

物料在真空冷卻過程中的換熱方程:

式(2)

初始條件：T(x,y,z,t=0)=T0

式(3)

式(4)

式(5)

式中:ρ:物料等效體積密度,kg/m3;C:物料的比熱,J/(kg·K);T:物料的溫度, ℃;T0:物料的初始溫度, ℃;t:物料的冷卻時間,s;λ:物料的導熱系數,W·(m· ℃)-1;r:物料中心到任一點的徑向變量,m;qv:物料單位體積水分蒸發吸收的熱量,W·m-3;Tamb:環境溫度,K;h:物料與外界當量傳熱系數,即物料表面與空氣的對流換熱及其與腔體輻射換熱的換熱系數當量和,W/(m2·s)。

qsf表示物料表面單位面積蒸發的熱量,W·m-2;表達式[16-17]為:

式(6)

式中,hvg:蒸發潛熱,kJ·kg-1;mv:單位體積的蒸發速率,kJ·(m·s)-1;D:孔隙的直徑,m。

真空冷卻過程中,水分從物料中蒸發,物料單位體積的蒸發速率[18]為:

式(7)

在方程(8)中,hm=8.4×10-7kg·(Pa·m2·s)-1是物料的沸騰系數;Pvc:真空室的壓力,Pa;Psat:物料溫度T對應下的飽和溫度,Pa;Psat與物料溫度T的關系式可以表達[19]為:

式(8)

1.2.2.2 模型熱物性參數確定 模型中使用的參數如表1所示。

表1 模型中的參數Table 1 Quantitative parameters in the model

使用COMSOL Multiphysics5.4a軟件進行模擬計算、采用Excel軟件處理數據,采用SPSS 19.0軟件的單因素分析方法進行數據顯著性分析,采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同冷卻終壓下真空腔室壓力變化

圖2顯示了不同冷卻終壓(100、1000、2000 Pa)的壓力變化曲線。為保證壓力測量的精度,所選真空規管的量程為0～5120 Pa,所以圖中未能顯示5120～101325.1 Pa的壓力值。由圖2可見,5000～2000 Pa這一階段,每條曲線下降速率基本一致。當曲線下降到一定值時,曲線突然陡升然后又接著下降,曲線逐漸趨于平緩。這是由于在真空泵啟動開始,壓力不斷下降最終趨近一個壓力值,該壓力值根據泵的極限和真空系統的氣密性相關,但由于系統內配置了穩壓裝置,可以利用真空蓄能罐和相關電路自動控制實現壓力調節并穩定。例如,1000 Pa終壓曲線,從5000 Pa下降至929 Pa突然陡升至1530 Pa,接著不斷緩慢下降,最終在963～1041 Pa之間波動。觀察數據得出,實驗設備的冷卻最終壓力可以維持在設定值上下50 Pa之間。

圖2 不同最終壓力下真空腔室壓力變化Fig.2 Pressure variation of vacuum cavityunder different final pressures

2.2 不同冷卻終壓對臘肉溫度的影響

圖3和圖4分別顯示了在不同冷卻終壓下(100、1000、2000 Pa)真空冷卻過程中臘肉中心和表面溫度的變化圖,當樣品中心溫度從80 ℃降低為20 ℃過程中所消耗的時間分別為:28、33、58 min。由圖3、圖4可知,在真空冷卻初期,各個壓力條件下的表面溫度和中心溫度快速下降,在5 min內都從80 ℃左右降至30 ℃,曲線趨勢基本一致,但中心溫度下降速度較表面溫度更快,2000 Pa的條件下冷卻平均速率1.07 ℃/min,而100 Pa的條件下冷卻平均速率為1.57 ℃/min,結果表明,冷卻終壓對熟制臘肉的冷卻速率有影響。在真空冷卻開始階段,冷卻終壓越低,溫度下降速度越快。這是因為真空腔室壓力越低,該溫度下水對應的飽和壓力差越大,因水的沸騰蒸發產生的冷效應就越強,物料的溫度越低[22]。且臘肉相比于鮮豬肉的自由水含量較少,同時表面有一層厚厚的油脂將臘肉表面的細小孔隙堵住,阻礙水分蒸發,增大了水分傳質阻力[23]。在5 min后冷卻速度減慢,曲線下降趨勢減緩,且冷卻終壓越高,減緩趨勢越明顯。

圖3 不同最終壓力下模擬與實驗中心溫度變化Fig.3 Center temperature variation of simulationand experiment under different final pressures

圖4 不同最終壓力下模擬與實驗表面溫度變化Fig.4 Surface temperature variation of simulationand experiment under different final pressures

對實驗數據與模擬數據進行分析可知,在不同的最終壓力下,本文模型預測的溫度和質量損失變化曲線與實驗測得變化曲線基本一致,驗證了模型的可靠性。其中模擬計算測得在100、1000、2000 Pa條件下,樣品中心溫度從80 ℃降至20 ℃各實驗組所需時間分別為:25、31、57 min。且可以看出,不論是模擬曲線還是實驗曲線都明顯反映出,最終壓力越低,中心和表面冷卻速率越快,即冷卻到指定溫度所需的時間越短。隨著冷卻時間的推移,最終壓力越低,其溫度下降速率越快。因為單位時間內蒸發產生冷量由蒸發速率決定,蒸發速率又由物料的飽和蒸氣壓與真空腔室壓力的差值決定,壓力差值越大,蒸發速率越快,產生冷量越大,反之亦然[24]。

2.3 冷卻終壓對質量損失的影響

圖5顯示在不同冷卻終壓下真空冷卻過程中臘肉質量損失的變化情況。其中:冷卻終壓為100 Pa時,實驗測得損失率為8.0%,模擬計算得出的損失率為8.5%,當冷卻終壓為2000 Pa條件下實驗測得損失為7.0%,模擬計算得出的結果為7.5%。在真空冷卻初期,各個條件下的質量損失變化基本一致,而在后面的階,當冷卻終段,最終壓力越高的曲線上升趨勢越緩慢。結果表明,冷卻終壓對熟制臘肉的質量損失產生明顯影響。主要原因有以下兩種[25-26]:一是物料內的熱量散失主要來源于水分的蒸發和環境對流及輻射,而終壓越低,水分蒸發越劇烈,單位時間水分蒸發吸收熱量占物料內總熱量比例越大,所以終壓越低,則需要更多的水分蒸發吸熱,從而質量損失較大;二是在蒸發過程中水分以氣態的形式遷移,在遷移的過程中會攜帶液態水進行移動,在終壓較高的情況下,氣體被抽走的速率是較慢的,水蒸氣在物料中停留的時間就越長,則會有更多的水蒸氣被物料吸收,減緩了質量的損失[27]。

圖5同時還顯示了不同最終壓力下模擬與實驗質量損失變化。觀察發現在模擬曲線和實驗曲線中,得出最終壓力越低,質量損失越大的規律。因為最終壓力越低,單位時間內水分的蒸發量越大,此外,壓力越低對應的飽和溫度也越低,物料降溫所需的冷量相應提高,導致水分蒸發總量越大[28],這也驗證了上文得出的結論。

圖5 不同最終壓力下模擬與實驗質量損失變化Fig.5 Variation of weight loss of simulationand experiment under different final pressures

2.4 擬合曲線

為探究不同最終壓力對冷卻速率和質量損失影響的規律,模擬計算不同最終壓力下中心溫度冷卻至20 ℃所需的時間以及質量損失,并以最終壓力為自變量,分別以冷卻時間和質量損失為因變量擬合成曲線。如圖6、圖7所示,模擬計算的冷卻時間與最終壓力近似呈指數函數關系,壓力越低,冷卻時間越短。而質量損失與最終壓力近似呈線性關系,壓力越低,質量損失越大。

圖6 冷卻時間與最終壓力的擬合曲線Fig.6 Fitting curve of final pressure and cooling time

圖7 質量損失與最終壓力的擬合曲線Fig.7 Fitting curve of final pressure and mass loss

3 結論

本文使用COMSOL Multiphysics軟件,采用傳熱傳質模型,對低鹽臘肉真空冷卻過程進行計算模擬,并將計算模擬結果與實驗測得數據進行了對比,結果表明:采用熱質耦合傳遞模型,可以很好地模擬物料真空冷凍過程中的冷卻速率和質量損失率隨最終壓力的變化規律,計算模擬結果與實驗測量的結果基本一致。且實驗測量和計算模擬都可以得出,隨著冷卻終壓的降低,物料降溫速率增大,質量損失率增加。通過擬合實驗測量的冷卻時間和最終壓力的數據和質量損失率與最終壓力的數據發現,冷卻時間與冷卻終壓呈指數函數關系,而質量損失與冷卻終壓呈線性函數關系。該研究表明,數值模擬能很好地反映出在真空冷卻中臘肉的冷卻耗時和質量損失,而冷耗時間和質量損失也是衡量真空冷卻工藝優劣的重要標準,因此本研究為真空冷卻臘肉的工藝優化提供了理論依據及參考。