兩種流態(tài)干冰系統(tǒng)對魚凍結(jié)速度的影響

◎ 位興華，趙日晶，黃 東，崔自成

（西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

隨著人們生活品質(zhì)的提高，我國速凍食品的需求量已達(dá)到千萬噸以上[1]。食品速凍指通過冷凍技術(shù)將食品溫度從常溫降低到其凍結(jié)溫度以下，使食物細(xì)胞內(nèi)的水分全部或大部分變成微小冰晶，減少微生物生存和生化過程必需的液態(tài)水，保留食品原有的品質(zhì)。食品速凍需要達(dá)到以下條件。①將食品置于 -40～30 ℃中，使得食品中心溫度降低至-18 ℃以下。②凍結(jié)過程中形成的冰晶應(yīng)細(xì)小，粒徑不超過100 μm。③食品快速通過最大冰晶生成帶（-1～-5 ℃），減少冰晶的大小及數(shù)量，保持食品的品質(zhì)。④食品通過最大冰晶生成帶的時間不超過30 min。⑤食品凍結(jié)后的運(yùn)輸及儲藏環(huán)節(jié)應(yīng)低于-18 ℃[2]。

按照速凍食品的性質(zhì)分類，主要包括水產(chǎn)類、水果蔬菜類、畜禽類及調(diào)制類4種類型[3]。食品在凍結(jié)過程中，其化學(xué)和物理性質(zhì)可能發(fā)生很大的變化[4]，主要問題是食品的脫水，這是由于水被分離成分散的冰晶造成的[5]。大多數(shù)食品材料在冷凍過程中沒有溶質(zhì)結(jié)晶。在冷凍過程中，溶質(zhì)與一定量的未凍結(jié)的水作為增塑劑發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變[6-7]。對于食品而言，以玻璃化的狀態(tài)進(jìn)行儲藏，可以在更大程度上保持其原有品質(zhì)，延緩食品變質(zhì)的速度[8]。實現(xiàn)食品的玻璃態(tài)需要極高的冷凍速率，因此完全的玻璃化轉(zhuǎn)變難以實現(xiàn)，而部分玻璃化是實際生產(chǎn)中的一種可行方式。

現(xiàn)有的速凍方式主要是風(fēng)冷，通過氟利昂制冷系統(tǒng)產(chǎn)生-30 ℃左右的冷風(fēng)，并經(jīng)過蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)將冷風(fēng)送入冷凍裝置，實現(xiàn)對食品的冷凍[9]。空氣作為冷凍介質(zhì)，具有成本低，無任何毒副作用的優(yōu)點。但由于空氣的導(dǎo)熱性能差，需要的冷凍時間長，效率低。液氮憑借其溫度低，冷凍速度快的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于蔬菜、水產(chǎn)品、冰淇淋的冷凍[10]。LUCAS等[11]的研究表明將食品沉浸在液氮中，凍結(jié)速度快，生成的冰晶較小，但易導(dǎo)致食品凍裂。液氨、液態(tài)CO2噴淋速凍裝置可用于蝦等附加值高的水產(chǎn)品及塊狀禽類產(chǎn)品[12]。

干冰具有釋冷量大、安全無毒、成本低廉的優(yōu)點，可作為食品冷凍的高性價比冷源。干冰經(jīng)粉碎后，通過氣體輸送對魚進(jìn)行速凍。液態(tài)CO2的儲存壓力為2.3 Mpa，溫度為-14.86 ℃，釋放到大氣中后轉(zhuǎn)變成氣固兩相混合物，溫度約為-75 ℃，具有較高的冷量。本文研究了兩種流態(tài)干冰系統(tǒng)對魚凍結(jié)速率的影響，對兩種流態(tài)干冰系統(tǒng)的性能進(jìn)行了對比研究。包括高壓空氣裹挾干冰粉末系統(tǒng)及液態(tài)CO2直接噴淋系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)都是氣體輸運(yùn)干冰粉末，區(qū)別在于前者是高壓空氣與干冰粉末混合而成的流態(tài)干冰，后者為氣固CO2混合而成的流態(tài)干冰。

1 系統(tǒng)及設(shè)備

1.1 高壓空氣裹挾干冰粉末系統(tǒng)

高壓空氣裹挾干冰粉末系統(tǒng)包括兩部分，即空壓機(jī)及干燥冷卻設(shè)備，干冰顆粒機(jī)及干冰粉碎機(jī)，見圖1。空氣經(jīng)壓縮后溫度升高，如果直接和干冰粉末混合會消耗部分冷量。因此，通過空氣冷凍干燥機(jī)對高溫的壓縮空氣進(jìn)行冷卻降溫并初步干燥。為除去空氣中的水分及壓縮過程帶出的潤滑油，防止食品被污染，通過吸附式干燥機(jī)對空氣進(jìn)行徹底干燥并去除雜質(zhì)。液態(tài)CO2釋放到常壓下會變成氣固兩相，在干冰顆粒機(jī)中壓縮成固體顆粒，再通入干冰粉碎機(jī)研磨成粉末。最終，高壓空氣與干冰粉末混合之后經(jīng)過噴頭噴淋到魚體表面。該系統(tǒng)需要干冰顆粒機(jī)對氣固兩相CO2進(jìn)行壓縮，在此過程中氣相CO2會逸出，造成CO2冷量的浪費(fèi)，利用率降低。同時該系統(tǒng)的設(shè)備多，投資高。

圖1 高壓空氣裹挾干冰粉末系統(tǒng)示意圖

1.2 液態(tài)CO2直接噴淋系統(tǒng)

杜瓦瓶中的CO2為氣液飽和狀態(tài)，壓力為 2.3 MPa，壓力降低后部分液態(tài)CO2氣化并帶走大量的熱量，使得其余部分的液體溫度降低。2.3 MPa壓力下的液態(tài)CO2氣化潛熱為270.61 kJ·kg-1。壓力降低到大氣壓時，液態(tài)CO2會變成氣固兩相混合物。其中，固態(tài)干冰的升華潛熱為573 kJ·kg-1。液態(tài)CO2直接噴淋，可以同時利用氣相和固相CO2的冷量。經(jīng)研究表明，氣固兩相CO2混合物的溫度為-75 ℃。通過閥門控制CO2噴淋的流量及流速。噴頭通過20 mm外螺紋與管路連接，其橢圓形孔的等效直徑為4.4 mm。液態(tài)CO2直接噴淋系統(tǒng)見圖2。

圖2 液態(tài)CO2直接噴淋系統(tǒng)示意圖

1.3 傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

通過OMEGA高精度T型熱電偶測量魚體溫度，該熱電偶測溫范圍為-267～-260 ℃，測量誤差約為0.75%～1.5%，輸出信號為0～5 V電壓。選擇材料為鯽魚，去除鱗片及內(nèi)臟，并清洗干凈。為監(jiān)測魚體不同位置的溫度，分別在魚上表面、魚體內(nèi)、魚下表面布置T型熱電偶，如圖3所示。熱電偶插入魚的皮下組織，用塑料綁帶固定。魚上表面可與流態(tài)干冰直接接觸，降溫速度較快。魚體內(nèi)及魚下表面需通過魚肉的導(dǎo)熱實現(xiàn)降溫，降溫速度較慢。采用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀來監(jiān)測溫度，型號為34970A，掃描時間間隔為1 s，通過配套的數(shù)據(jù)采集軟件對溫度進(jìn)行實時檢測，并且儲存及導(dǎo)出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集儀見圖4。

圖3 魚體檢測的T型熱電偶圖

圖4 傳感器布置及數(shù)據(jù)采集儀圖

2 高壓空氣裹挾干冰粉末與液態(tài)CO2直接噴淋對比

通過兩種流態(tài)干冰噴淋系統(tǒng)對魚進(jìn)行冷凍，測得魚體不同位置溫度，并截取魚體溫度從-1 ℃降低到 -5 ℃的數(shù)據(jù)。通過高壓空氣裹挾干冰粉末進(jìn)行噴淋，魚體凍結(jié)速度如圖5所示，魚的上表面從-1 ℃下降至 -5 ℃需69 s。表明魚的上表面可迅速通過最大冰晶生成帶。但此時，魚體內(nèi)溫度及下表面溫度未達(dá)到冰晶帶的下限溫度，表明魚上表面溫度繼續(xù)降低，魚體內(nèi)及下表面才能通過最大冰晶生成帶。隨著流態(tài)干冰的繼續(xù)噴淋，魚體內(nèi)的溫度逐漸達(dá)到-1 ℃，通過最大冰晶生成帶的時間約為4 min。此時魚上表面溫度已下降至-43 ℃，但魚的下表面未達(dá)到-1 ℃，表明流態(tài)干冰中的干冰粉末含量有待進(jìn)一步提高，從而實現(xiàn)魚表面及體內(nèi)的溫度通過最大冰晶生成帶。通過液態(tài)CO2直接噴淋，魚體凍結(jié)速度如圖6所示。魚上表面從 -1 ℃下降至-5 ℃僅需4 s，凍結(jié)速率達(dá)到1 ℃·s-1，凍結(jié)速度大幅提高。魚體內(nèi)從-1 ℃下降至-5 ℃需105 s，通過最大冰晶生成帶的時間縮短了56.3%。魚下表面僅達(dá)到-1 ℃，未能通過最大冰晶生成帶。

圖5 魚的凍結(jié)速度圖（高壓空氣裹挾干冰粉末）

圖6 魚的凍結(jié)速度圖（液態(tài)CO2直接噴淋）

對比兩種流態(tài)干冰系統(tǒng)可得，液態(tài)CO2直接噴淋可加快魚的凍結(jié)速度，使得魚體以更快的速度通過最大冰晶生成帶，減少冰晶的生成，更好的保持魚的品質(zhì)。同時，液態(tài)CO2直接噴淋可使魚體內(nèi)通過最大冰晶生成帶，高壓空氣裹挾干冰粉末系統(tǒng)未能實現(xiàn)這一目標(biāo)。對于兩種流態(tài)干冰系統(tǒng)，魚的下表面始終未能接觸到流態(tài)干冰，溫度下降緩慢，未能通過最大冰晶生成帶。可通過翻轉(zhuǎn)裝置將魚翻面，實現(xiàn)魚的上下表面均可與流態(tài)干冰直接接觸，從而加快凍結(jié)速度。

3 結(jié)論

本文使用了兩種流態(tài)干冰系統(tǒng)，通過對比分析兩種系統(tǒng)對魚冷凍速度的影響，得出以下主要結(jié)論。

（1）高壓空氣裹挾干冰粉末進(jìn)行噴淋，魚體上表面及魚體內(nèi)通過最大冰晶生成帶（-1=～-5 ℃）分別需要69 s及4 min。凍結(jié)速度較慢，且魚體下表面未能通過最大冰晶生成帶。

（2）液態(tài)CO2直接噴淋，魚體上表面及魚體內(nèi)通過最大冰晶生成帶（-1～-5 ℃）分別需要4 s及105 s。魚上表面冷凍速度達(dá)到1 ℃·s-1，魚體內(nèi)通過最大冰晶生成帶的時間縮短了56.3%。表明液態(tài)CO2直接噴淋可大幅提高魚的凍結(jié)速度。

（3）高壓空氣裹挾干冰粉末系統(tǒng)中，干冰顆粒的生成過程會有部分氣態(tài)CO2逸出，耗費(fèi)一部分冷量，液態(tài)CO2利用率低。液態(tài)CO2直接噴淋系統(tǒng)中，釋壓產(chǎn)生的氣固兩相CO2可用于冷凍魚，冷量得以充分利用，液態(tài)CO2利用率高。

（4）兩種流態(tài)干冰系統(tǒng)中，魚體下表明溫度均未達(dá)到-5 ℃，未能通過最大冰晶生成帶。原因是魚體下表面不能直接接觸流態(tài)干冰，只能通過魚體自身的導(dǎo)熱實現(xiàn)降溫。可通過翻轉(zhuǎn)裝置，實現(xiàn)魚的上下表明交替直接接觸流態(tài)干冰，提升凍結(jié)速率，達(dá)到凍結(jié)效果。