解凍損失約束下羅非魚凍結(jié)效率控制參數(shù)優(yōu)化研究

楊信廷 李佳鋮 韓佳偉 朱文穎

(1.上海海洋大學信息學院， 上海 201306； 2.北京市農(nóng)林科學院信息技術(shù)研究中心， 北京 100097；3.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯技術(shù)及應用國家工程研究中心， 北京 100097；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流技術(shù)重點實驗室， 北京 100097)

0 引言

速凍技術(shù)可顯著降低食品凍結(jié)過程最大冰晶生成帶的時間[1-2]，降低殘留水對細胞組織內(nèi)部的危害與損傷，進而有效抑制由凍結(jié)引起的食品品質(zhì)損耗[3-4]。因此，速凍技術(shù)已成為行業(yè)內(nèi)主要采用的食品凍結(jié)方法，對有效提升食品凍結(jié)速率與效率具有重要意義。然而，冷凍食品行業(yè)存在多種速凍方式，其對食品速凍速率、均勻性以及解凍后食品品質(zhì)損耗等方面的影響具有顯著差異。速凍過程食品溫度分布規(guī)律與解凍后品質(zhì)變化成為當今相關(guān)學者研究的主要焦點問題之一，對行業(yè)內(nèi)最佳速凍方式選取與促進高均質(zhì)冷凍食品的發(fā)展等具有重要價值[5-9]。

速凍方式主要包括冷風式速凍和浸漬式速凍，食品溫降過程主要受冷介質(zhì)與食品之間熱量交換強度的影響，單純依靠傳感器點位監(jiān)測很難準確表明速凍過程食品溫度時空分布規(guī)律與溫降速率。加之傳感器自身誤差與人為讀寫誤差影響，很難精準評估速凍方式對食品凍結(jié)效率的影響，難以滿足最佳速凍方式選取與效率提升的需求。近年來，計算流體力學(Computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值模擬技術(shù)被廣泛應用于食品冷鏈低溫環(huán)境穩(wěn)定性與均勻性優(yōu)化、食品預冷與速凍效率評估等方面，既可宏觀獲取低溫環(huán)境食品溫度時空變化規(guī)律，又可微觀反映冷介質(zhì)與食品之間對流換熱強度與均勻性，為提升低溫環(huán)境食品工業(yè)加工效率、維持食品品質(zhì)安全與延長貨架期等提供了重要理論基礎與應用借鑒。但相關(guān)研究[10-15]為降低模型構(gòu)建復雜度、增強傳熱傳質(zhì)模擬可操作性，將食品形狀簡化為規(guī)則結(jié)構(gòu)體(如圓柱形、球形、矩形)，不易精準表明食品表面對流換熱強度與食品內(nèi)部溫度時空變化規(guī)律，同時也是加大模擬誤差的主要影響因素。因此，食品外形高真實物理模型構(gòu)建對精準探究食品凍結(jié)過程的傳熱傳質(zhì)具有重要意義。

本文以羅非魚為例，首先，采用3D掃描逆向工程技術(shù)實現(xiàn)魚體高真實三維物理建模，同時基于工業(yè)速凍場景展開不同速凍方式實驗研究。其次，結(jié)合計算流體力學數(shù)值模擬對比分析不同速凍方式下羅非魚溫度時空分布規(guī)律，探明不同速凍方式對羅非魚凍結(jié)速率、均勻性以及水分流失的影響機制。最后，結(jié)合實驗測量驗證CFD模型準確性并提出相關(guān)速凍優(yōu)化方案，以期為魚類最佳速凍方式選取與速凍效率提升等提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 羅非魚原材料

羅非魚取自北京市房山區(qū)琉璃河鎮(zhèn)某漁場，現(xiàn)場捕撈活魚，單魚體質(zhì)量約為1.5 kg，以3條為單位放置于含水與增氧顆粒的儲物箱中，儲物箱尺寸(長×寬×高)為0.55 m×0.4 m×0.3 m，裝箱后立即運輸至實驗室。運至實驗室后，將魚放置魚缸中靜養(yǎng)48 h后開始不同速凍方式下羅非魚凍結(jié)實驗。

1.2 實驗方案

本研究主要針對冷風式與兩種浸漬式速凍方式展開相關(guān)的實驗研究，其中浸漬式速凍方式所采用的流體介質(zhì)主要包括氯化鈉、氯化鈣溶液且質(zhì)量分數(shù)均為23.1%。依據(jù)國際制冷協(xié)會規(guī)定，本文以羅非魚肉中心溫度從初始值降至-15℃時所需要的時間作為凍結(jié)終止時間[16]。為盡量降低不確定性因素對實驗數(shù)據(jù)的影響，每組速凍實驗重復操作3次，不同速凍方式具體實驗步驟如下：

冷風式速凍：鮮活羅非魚擊暈后，去鱗、剖肚去內(nèi)臟和腮，用無菌蒸餾水洗凈，吸水紙吸干表面水分。將制作好的羅非魚按編號于不銹鋼架中平攤放置，魚肉中心處插入溫度傳感器后放入-20℃和送風口風速9 m/s的恒溫恒濕箱中(圖1)，每3 min溫度傳感器采集一次數(shù)據(jù)并傳回計算機，待魚肉中心溫度到-15℃后，取出稱量。

圖1 恒溫恒濕箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Constant temperature and humidity box1.恒溫恒濕箱 2.電源控制器 3.風速傳感器 4.制冷機組 5.加濕系統(tǒng) 6.風機 7.加熱器 8.控制觸控板 9.不銹鋼架 10.溫度傳感器 11.出風口

氯化鈉浸漬速凍：鮮活羅非魚擊暈后，去鱗、剖肚去內(nèi)臟和腮，用無菌蒸餾水洗凈，吸水紙吸干表面水分。將羅非魚按編號放入保溫箱中并固定，然后注入溫度為-20℃的氯化鈉冷凍液直至羅非魚全部浸沒于冷凍液中，魚肉中心處插入溫度傳感器后放入恒溫恒濕箱內(nèi)，每3 min溫度傳感器采集一次數(shù)據(jù)并傳回計算機，待魚肉中心溫度達到-15℃后，取出稱量。

圖2 速凍模型Fig.2 Quick-freezing model

氯化鈣浸漬速凍：將氯化鈉冷凍液換成氯化鈣冷凍液，其余步驟同上氯化鈉浸漬速凍。

解凍損失率是評價解凍過程中魚肉失水程度的指標，它直接影響魚肉的品質(zhì)和組織狀態(tài)。解凍損失越小，肉的品質(zhì)越好。若解凍的汁液不能及時地被細胞吸收，汁液大量流失將嚴重影響其品質(zhì)特性。測量魚肉樣品在解凍前質(zhì)量w0，然后在4℃冰箱中解凍，直到魚的幾何中心溫度達到4℃。然后用濾紙瀝干魚并立即稱其質(zhì)量w1。為盡量降低不確定性因素對實驗數(shù)據(jù)的影響，解凍損失實驗與速凍實驗同樣重復操作3次。解凍損失率計算公式為[17]

(1)

1.3 實驗設備參數(shù)

HANDYSCAN BLACK型掃描儀，加拿大形創(chuàng)有限公司，精度0.002 5 mm，測量分辨率0.025 mm，網(wǎng)格分辨率0.100 mm。MX100型溫度傳感器，日本Yokogawa公司，量程-35～900℃，分辨率0.1℃，測量精度±0.75℃。TES-134型風速儀，臺灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司，量程0～30 m/s，分辨率0.01 m/s，精度±3%。ZH-RTH-225C型恒溫恒濕箱(圖1)，香港正航儀器有限公司，溫度范圍-20～150℃，相對濕度范圍40%～95%，整機尺寸(長×寬×高)為1.2 m×1 m×2 m，分別為箱體、制冷系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)。

2 CFD模型構(gòu)建

2.1 物理模型構(gòu)建

取單條羅非魚進行3D掃描，對魚體表面進行光順處理后導入ANSYS ICEM進行模型構(gòu)建(圖2)。冷風式速凍模型中魚頭對準入口處，分1層18條魚6行3列平行擺放，箱體尺寸(長×寬×高)為1.2 m×1 m×0.6 m，壁面為無厚度。氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍中每層6條魚分3行2列，總共3層擺放，箱體尺寸(長×寬×高)為1 m×0.9 m×0.9 m，壁面為無厚度。液流化速凍模型(圖3)中每層6條魚分3行2列，總共3層擺放，分頭朝入口水平放置、背朝入口水平放置、豎直放置3種擺放方式，箱體尺寸(長×寬×高)為1 m×0.9 m×0.9 m，壁面為無厚度。

圖3 液流化速凍模型Fig.3 Hydrofluidization quick-freezing model

2.2 數(shù)學模型

2.2.1模型假設

在建立物理模型時，對其作出以下假設：魚肉大小均勻、體積相等；忽略傳感器對裝置內(nèi)部流場的影響；魚肉內(nèi)部只存在導熱，不計相變過程中的對流和傳質(zhì)，已凍結(jié)區(qū)的顯熱和凍結(jié)過程中釋放的潛熱通過凍結(jié)層以導熱的形式傳遞，并向環(huán)境釋放；冷凍初始時，魚肉內(nèi)部水分分布均勻且一致；冷風式速凍內(nèi)部冷空氣為不可壓縮流體，且物性不隨溫度變化。

2.2.2控制方程

(1)流體區(qū)域

將瞬態(tài)的流體區(qū)域視為不可壓縮流體，利用平均雷諾數(shù)納維-斯托克斯方程(Reynolds-averaged Navier-Stokes，RANS)進行求解，連續(xù)性方程、動量方程、能量方程分別為

(2)

(3)

(4)

式中t——時間，s

p——壓強，Pa

xi、xj——笛卡爾坐標

ui、uj——流體時均速度，m/s

ρa——流體密度，kg/m3

μa——流體動力粘度，Pa·s

u′i、u′j——流體脈動速度，m/s

g——重力加速度，m/s2

cp,a——流體比熱容，J/(kg·K)

T——流體溫度，K

λa——流體熱導率，W/(m·K)

T′——流體脈動溫度，K

在實驗中，冷風式速凍時冷空氣會快速充滿整個箱體，因此冷風式速凍、氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍、液流化速凍中，箱體內(nèi)部流體溫度Ta等于初始流體溫度T0。

(2)羅非魚肉區(qū)域

羅非魚肉的速凍過程是一個復雜的、變物性的非穩(wěn)態(tài)導熱問題[18]和對流換熱問題，羅非魚內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)導熱的三維數(shù)學模型為

(5)

式中x、y、z——幾何點坐標

c——羅非魚比熱容，J/(kg·K)

λ——羅非魚熱導率，W/(m·K)

ρ——羅非魚肉密度，kg/m3

2.2.3熱物性參數(shù)

羅非魚肉的熱物性會隨著溫度而變化，表觀比熱容變化尤為明顯，以冰點為突變點劇增，而后又隨著魚肉內(nèi)水分凍結(jié)吸收熱焓而逐漸降低，因此以溫度為變量的非線性多項式模型預測冰點以下的表觀比熱。

冰點預測模型和表觀比熱容分別為[19]

Tf=-2.16+2.62Xw-27.47Xa+4.03Xp

(6)

(7)

相變熱焓預測模型為[19]

(8)

式中Tf——冰點,℃

Xw——含水率,%

Xa——灰分質(zhì)量分數(shù),%

Xp——蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù),%

Capp——表觀比熱容，J/(g·K)

Xl——脂肪質(zhì)量分數(shù)，%

H——熱焓,J/g

Hf——冰點處熱焓，J/g

把羅非魚看作為固體，其熱導率計算方式為[20]

k=∑viki

(9)

式中ki——組分i熱導率，W/(m·K)

vi——每個組分體積分數(shù),%

為了計算每個組分的k，使用取決于溫度T(℃) 的方程[20]

kw=0.571 09+1.762 5×10-3T-6.703 6×10-6T2

(10)

kp=0.178 81+1.195 8×10-3T-2.717 8×10-6T2

(11)

kl=0.180 71-2.760 4×10-3T-1.774 9×10-7T2

(12)

ka=0.329 61+1.401 1×10-3T-2.906 9×10-6T2

(13)

式中kw、kp、kl、ka——水、蛋白質(zhì)、脂肪、灰分熱導率,W/(m·K)

考慮到隨著溫度降低水會變成冰，需要估算冰的熱導率作為溫度的函數(shù)，得出方程[20]

kice=2.219 6-6.248 6×10-3T+1.015 4×10-4T2

(14)

冷凍過程中冰質(zhì)量分數(shù)的計算可以通過文獻[21]提出的方程給出，是關(guān)于溫度、冰點和總含水率的函數(shù)。文獻[22]通過實驗證明了該方程在冰點為-2～-0.4℃以及冷凍溫度在-45℃至冰點溫度范圍內(nèi)能提供較好的精度,計算方程為

(15)

式中xice——冰質(zhì)量分數(shù),%

xwo——總含水率,%

羅非魚肉單個組分密度在速凍過程中隨溫度變化，通過單個組分密度計算羅非魚肉的密度，羅非魚單個組分密度和羅非魚魚肉密度計算方程為[20]

ρw=9.971 8×102+3.143 9×10-3T- 3.757 4×10-3T2

(16)

ρp=1.330 0×103-0.518 4T

(17)

ρl=9.255 9×102-0.417 57T

(18)

ρash=2.432 8×103-0.280 63T

(19)

ρice=9.168 9×102-0.130 7T

(20)

ρ=ρwxw+ρpxp+ρlxl+ρaxa+ρicexice

(21)

式中-40℃≤T≤150℃，ρw、ρp、ρl、ρash、ρice、ρ分別為水的組分密度、蛋白質(zhì)的組分密度、脂肪的組分密度、灰分的組分密度、冰的組分密度、羅非魚肉的密度。

2.3 初始條件

本文認為羅非魚內(nèi)部為均勻介質(zhì)，溫度均勻，初始時裝置內(nèi)部流體域的溫度也視為定值，初始條件：t=0時，羅非魚初始溫度T為20℃。

邊界條件如下：

(1)冷風式速凍采用速度(velocity-inlet)入口，送風風速為9 m/s，溫度為-20℃，湍流強度和湍流粘性比分別為3.4%和2.2，出口采用自由出流(outflow)邊界條件，此處冷空氣是充分發(fā)展流動的，在outflow邊界上的所有變量(除壓力)梯度為零，如速度分量u、v、w和溫度T等。魚肉壁面和裝置壁面溫度分別設置為無厚度的耦合壁面(WALL)和無厚度的-20℃恒溫壁面。

(2)因為氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍方式下不存在入口和出口，因此，僅需設置壁面(WALL)為無厚度的-20℃恒溫壁面。

(3)液流化速凍采用速度(velocity-inlet)入口，入口流速分別為1、1.5、2、2.5、3 m/s，溫度為 -20℃， 湍流強度和湍流粘性比分別為5%和10。

2.4 網(wǎng)格劃分與數(shù)值模擬方法

采用ANSYS ICEM 進行模型的網(wǎng)格劃分，設置網(wǎng)格類型為Tetra/Mixed，冷風式速凍模型和液流化速凍模型中入口和出口由于速度較快網(wǎng)格需要適當加密。冷風式速凍模型進行網(wǎng)格化和網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)化后共有2 966 196個單元，483 182個節(jié)點，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.38；氯化鈉和氯化鉀浸漬速凍模型進行網(wǎng)格化和網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)化后共有2 004 304個單元，366 804 個節(jié)點，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.4；液流化速凍模型進行網(wǎng)格化和網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)化后3種擺放位置分別有3 228 501、3 209 837、3 166 245個單元和527 908、524 941、517 646個節(jié)點，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.41。上述模型網(wǎng)格質(zhì)量評價要求依據(jù)文獻[23]確定，在其所有壁面上，采用邊界層網(wǎng)格，其厚度要求均由y+小于5確定，最大歪斜度和壁面y+均分別小于0.95和4。通過理查森外推法[24-25]估算由此產(chǎn)生的空間離散誤差，冷風式速凍模型中通過容器的質(zhì)量流量誤差大約為2.8%，魚肉表面的平均傳熱率誤差約為4.9%，壁面剪切應力誤差約為0.25%；氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍模型中通過容器的質(zhì)量流量誤差大約為2.5%，魚肉表面的平均傳熱率誤差約為5.1%，壁面剪切應力誤差約為0.22%；液流化速凍模型中通過容器的質(zhì)量流量誤差大約為2.7%，魚肉表面的平均傳熱率誤差約為4.6%，壁面剪切應力誤差約為0.28%。進一步網(wǎng)格加密后，冷風式速凍為3 288 491個單元，氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍2 299 322單元，液流化速凍分別為3 429 383、3 429 922、3 452 332個單元，網(wǎng)格質(zhì)量變化均小于0.01，質(zhì)量流量誤差變化均小于0.3%，平均傳熱率變化和壁面剪切應力誤差均小于0.1%。

將模型的網(wǎng)格導入Fluent，在操作條件中激活重力項，計算時采用SSTk-ω湍流模型[26-27]，基于壓力求解器，壓力速度耦合方法采用SIMPLE算法，動量、湍動能、擴散率、能量的離散格式為二階迎風格式,利用UDF接口把羅非魚肉的比熱容和熱導率導入控制方程中。在模擬氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍時，因其自然對流的溫度和速度比較小，為防止當作殘差收斂需要開啟雙倍精度。

2.5 模型驗證方法

由于本文模擬了多條魚在不同速凍條件下的魚肉的溫度分布情況，為了反映整體模擬的準確性，故取魚肉中心平均溫度為參考值。通過均方根誤差(RMSE)和平均絕對百分比誤差(MAPE)比較實測和模擬的溫度來確定模型的有效性。

3 結(jié)果分析

3.1 模型驗證

圖4 溫度模擬值與實測值比較Fig.4 Comparison between simulated and experimental temperature values

圖4為不同速凍方式下魚肉中心溫度模擬值與實測值的對比。從圖4可以看出，冷風式速凍、氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍其最大溫度偏差分別為1.39、1.81、1.64℃，最終模擬與實驗所需的凍結(jié)時間最大偏差分別為3.95%、6.89%、4.76%，其最大均方根誤差、最大平均絕對百分比誤差分別為1.017℃、18.9%(表1)。因此，CFD模擬值與實測值基本一致，驗證了模擬結(jié)果的準確性與可靠性。本研究模擬值和實測值之間存在偏差可能主要歸因于速凍裝置3D結(jié)構(gòu)的簡化。此外，雖然其在現(xiàn)有的熱物性參數(shù)預測模型的基礎上，建立的數(shù)值模擬方法預測的凍結(jié)時間與實驗的凍結(jié)時間吻合度高，但凍結(jié)過程中的溫度偏差，主要是因為模擬忽略了魚肉內(nèi)部組織中的液體是一種多組分溶液，其相變時液固區(qū)的成分會不斷變化，且存在測量儀器自身誤差和溫度的波動以及模擬過程值的脈動等偏差原因。

表1 均方根誤差與平均絕對百分比誤差Tab.1 Root mean square error and mean absolute percentage error

3.2 速凍過程魚肉溫度變化規(guī)律與均勻性

3.2.1凍結(jié)過程魚肉溫度變化規(guī)律

圖5 不同速凍方式下魚肉中心溫度比較Fig.5 Comparison of temperature in center of fish by different quick-freezing methods

圖5為羅非魚在冷風式速凍、氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍過程中魚肉的中心溫度變化曲線。在速凍初期，魚肉中心平均溫度從20℃下降到約0℃過程中，3種速凍方式的溫度曲線均快速下降；當中心平均溫度降至0℃以后，溫度曲線下降明顯變緩；當中心平均溫度降至約-5℃后，溫度曲線的下降又逐漸變陡。因為魚肉凍結(jié)過程可以分為3個階段。第1階段魚肉中心溫度從初溫急劇下降至魚肉冰點溫度附近，此階段魚肉會放出顯熱使溫度略有回升，但顯熱相比整個階段全部放出的熱量較小，所以降溫速度快，曲線較為陡峭。第2階段為魚肉組織內(nèi)部冰晶生成階段，該階段魚肉組織中大部分水分開始凍結(jié)成冰，從而導致魚肉的比熱發(fā)生劇烈變化，劇烈變化放出了大量的相變潛熱，從而導致溫度曲線下降變緩。第3階段，魚肉中殘留的水分繼續(xù)結(jié)冰，魚肉的比熱變化不再劇烈，已經(jīng)結(jié)冰的繼續(xù)降溫至終溫。由于冰的比熱比水小，進一步降溫放出的顯熱比較小，所以降溫曲線沒有初期降溫曲線陡峭。冷風式速凍凍結(jié)時間相比氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍的凍結(jié)時間慢約73%，而氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍凍結(jié)時間基本相同，但仍有些細微差別，這與兩種冷凍液的熱導率不同有關(guān)。

3.2.2凍結(jié)均勻性

為了準確顯示內(nèi)部溫度場的分布，本文選取羅非魚肉整體平均溫度Tavg為15、5、-5、-15℃時具有代表性的中心切面(圖2)作為溫度場分析對象。圖6為羅非魚在冷風式速凍、氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍過程中魚肉中心部位的溫度分布。隨著溫度的降低，冷風式速凍不同位置魚肉溫度分布差異越來越明顯，而兩種浸漬速凍則沒有明顯的差異。為進一步對比分析不同時刻箱內(nèi)魚肉個體間溫度差異性，選用文獻[26,28]給出的變異系數(shù)量化表示速凍過程魚肉的溫度分布均勻性(圖7)。

圖6 不同速凍方式下魚肉中心切面溫度分布云圖Fig.6 Temperature distribution clouds of central section of fish by different quick-freezing methods

圖7 不同速凍方式下溫度變異系數(shù)變化曲線Fig.7 Variation curves of temperature coefficient by different quick-freezing methods

圖8 不同速凍方式下魚肉中心切面速度散點圖Fig.8 Scatter diagrams of central section velocity of fish meat by different quick-freezing methods

從圖7可以看出，3種速凍方式中變異系數(shù)開始迅速變大，然后冷風式速凍在10 min左右會有一段下降趨勢但又開始變大，然后在110 min左右開始穩(wěn)定，而氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍則在4 min左右開始逐漸下降并最終趨于穩(wěn)定且凍結(jié)均勻性提升10～40倍。因為冰點附近魚肉需要吸收大量的熱量導致溫度變化變小，所以會有一段下降趨勢，之后冷風式速凍空氣對流速度不均勻(圖8)導致不同位置魚肉對流換熱系數(shù)的不同，從而影響魚肉與空氣的換熱效率，導致溫差隨著時間的推移愈發(fā)變大。氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍由于冷凍液只存在細微的自然對流對凍結(jié)過程基本無影響，魚肉溫度分布均勻，由外向內(nèi)呈現(xiàn)明顯的階梯狀分布。魚肉速凍過程溫度分布不均勻會導致魚肉品質(zhì)的差異，影響魚肉品質(zhì)的保持。

3.3 解凍損失對羅非魚品質(zhì)的影響

羅非魚解凍損失率最高的是冷風式速凍方式，為4.34%，其次是氯化鈣浸漬速凍，為3.92%，氯化鈉浸漬速凍為3.89%。兩種浸漬速凍方式下羅非魚解凍后水分流失率分別比冷風式速凍方式降低10.37%和9.68%左右。較低的水分流失率可能主要歸因于浸漬速凍下非常高的冷凍速率與均勻性，加速了魚肉體內(nèi)均勻細小冰晶的形成，有效抑制了大冰晶生成而誘發(fā)魚肌肉組織機械損傷問題。而冷風式速凍產(chǎn)生的大冰晶對魚的肌肉組織造成很大的損傷，極易導致肌肉組織結(jié)構(gòu)被嚴重破壞，部分融化的水解凍后無法返回細胞內(nèi)，進而導致魚肉解凍后高的水分流失率。

3.4 氯化鈉浸漬速凍方式優(yōu)化

3.4.1不同流速下速凍效率比較

圖9 不同入口流速下魚肉中心溫度比較與均勻性 動態(tài)變化曲線Fig.9 Comparison of temperature in center of fish meat and dynamic variation of uniformity at different inflow velocities

基于以上分析，本研究提出一種氯化鈉液流化速凍方案，并綜合比較分析不同入口流速、魚體朝向?qū)︳~肉速凍效率的影響，以優(yōu)化氯化鈉液流化速凍方案設計。圖9為魚體頭朝入口水平放置時不同入口流速下魚肉中心溫度比較與均勻性動態(tài)變化規(guī)律。從圖9a可以看出，魚肉溫降速率隨著入口流速的增大而不斷增大，特別是當入流流速從1 m/s增長至2.5 m/s期間，但當入口流速超過2.5 m/s以后，凍結(jié)速率并無顯著提高。這可能歸因于表面換熱系數(shù)隨著入口流速增大而不斷增大，但當入口流速超過2.5 m/s以后表面換熱系數(shù)對魚肉降溫速率影響變小，魚肉內(nèi)部熱導率成為主要影響因素。從圖9b可以看出溫度變異系數(shù)在整個速凍過程中呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在速凍開始的一定時間段內(nèi)，不同流速下溫度變異系數(shù)變化基本相同。隨著入口流速增大，溫度變異系數(shù)呈不斷降低趨勢，在整個速凍過程，入口流速越大，其變異系數(shù)越小，冷卻均勻性越高，但當入口流速超過2.5 m/s時，溫度變異系數(shù)降低幅度并不顯著。綜上，通過綜合考慮不同入口流速對凍結(jié)速率、溫度均勻性的影響，本研究選定2.5 m/s作為氯化鈉液流化速凍方式最佳入口流速。

3.4.2不同魚體朝向下速凍效率比較

圖10為入口流速為2.5 m/s時不同擺放方式下魚肉中心溫度比較與均勻性動態(tài)變化規(guī)律。從圖10a可以看出，魚體背朝入口水平放置凍結(jié)速率最快，其次為頭朝入口水平放置，最后為豎直放置。這可能是因為擺放方式的不同導致內(nèi)部流場流速不同，從而影響魚體表面換熱系數(shù)。整個速凍過程中，凍結(jié)速率越大，其變異系數(shù)越小，冷卻均勻性越高，結(jié)合3個不同擺放方式下溫度變異系數(shù)變化曲線(圖10b)，魚體背朝入口水平放置的溫度變異系數(shù)最小，且相比其它擺放位置的均勻性具有顯著提高，其次是魚體頭朝入口水平放置，最后為魚體豎直放置。因此，結(jié)合入口流速和擺放方式綜合考慮，本研究選定2.5 m/s作為氯化鈉液流化速凍方式最佳入口流速，魚體背朝入口水平放置為最佳擺放方式。

圖10 不同擺放方式下魚肉中心溫度比較與均勻性 動態(tài)變化曲線Fig.10 Comparison of temperature in center of fish meat and dynamic variation of uniformity under different placement modes

4 結(jié)論

(1)結(jié)合3D掃描逆向建模與CFD數(shù)值模擬技術(shù)構(gòu)建了羅非魚不同速凍方式下熱傳遞數(shù)值模型，揭示了羅非魚與冷介質(zhì)之間的熱量耦合傳遞機制，直觀獲取了不同速凍方式下羅非魚凍結(jié)速率、溫度時空分布均勻性動態(tài)變化規(guī)律，并結(jié)合解凍損失實驗得出了不同速凍方式對羅非魚解凍后水分流失率的差異性影響，最后綜合冷風式速凍、氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍的對比結(jié)果提出了氯化鈉液流化速凍并進行優(yōu)化。

(2)通過對比模擬值與實測值得出，CFD模型最大均方根誤差與平均絕對百分比誤差分別為1.017℃與18.9%，充分體現(xiàn)了所建傳熱模型的準確性與實驗方案設計的合理性。其次，不同速凍方式下魚肉的凍結(jié)速率和均勻性具有顯著差異，通過對比魚肉中心點溫度以及瞬時溫度均勻性得出氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍的凍結(jié)速率相比冷風式速凍快約73%且凍結(jié)均勻性更高。對比解凍后的水分流失率得出氯化鈉和氯化鈣浸漬速凍相比冷風式速凍具有更好的保水性，且水分流失率分別降低10.37%和9.68%。最后，綜合不同入口流速和羅非魚擺放方式對凍結(jié)速率、均勻性及能耗的影響，確定流速為2.5 m/s、擺放方式為背朝入口水平放置的氯化鈉液流化速凍為最佳。