適用于船舶環境的超聲波快速批量食品解凍裝備

高瑞林 張健東 李 丹 張春紅*

1.海軍軍醫大學轉化醫學研究中心 上海 200433;2.海軍軍醫大學海軍特色醫學中心 上海 200433

海運以其航程遠、載貨量大、費用低等特點在國際貿易中備受關注,2012—2021年我國海運進出口貿易量保持穩定增長,平均增速5%[1]。大型船舶長遠航行中,快速高效做好船舶人員的飲食供應,對保障船舶人員的生命健康和開展貿易交流十分重要。目前在大型船舶廚房環境下,批量食材在烹飪前需先花費大量時間精力進行解凍處理,嚴重拖延廚房人員飲食保障速率,為此我們決定研發一款裝備加以改善。

1 船舶環境快速批量解凍裝備應用場景

1.1 船舶環境的介紹

船舶在海上航行時,常常具有時間長、風浪顛簸、潮濕等惡劣環境條件,船舶在海上面臨的環境主要由機械物理環境和自然氣候環境組成。機械物理環境是指船舶自身搖擺、船上機器的振動和機械沖擊等,主要來自船身受海浪的拍打和船舶自身機器工作,如柴油機、電機等轉動;氣候環境主要指高溫、高濕、高鹽霧等[2]。對于船舶的廚房環境,除了受海洋環境影響外,炊事作業時空氣中水分和油煙霧比其他地方更多,船舶廚房環境設備相比陸地環境設備有更嚴格的耐腐蝕、抗振動要求,同時船舶廚房空間狹小、所能容納人員有限,盡可能節省勞動力,防治刮傷、蹭傷人員也為設計時需考慮的要點。

1.2 船舶遠航時食品解凍需求

在船舶遠航出海前,需提前補充大量食材,船上人員的保障食品大部分需要冷凍儲藏,如各類牛、羊、魚肉。這些食材在烹飪前,首先需要進行解凍,對于要保證上百人飲食的大型船舶,需要解凍的食材量非產大,目前船上采用熱交換水流解凍,耗時耗力,效率低下,一般要在烹飪前2～3小時就開始處理。如何快速、呈批量解凍食材對于提升廚房人員工作效率,保證船舶人員用餐顯得格外重要。

現有市場上食品解凍裝備大多適合陸地使用環境,并不適用條件惡劣的海洋環境,即使搬到船艙使用,海況惡劣時,解凍裝備常常無法工作,難以滿足船舶廚房人員在烹飪時快速解凍食品的需求。所以,決定研發的快速批量食品解凍裝備必須滿足在船舶劇烈搖擺、高溫、高濕、高鹽霧、海水腐蝕、淡水資源有限的船舶廚房環境中良好應用。

2 現有食品解凍技術

2.1 現有解凍技術的比較

現有的食品解凍技術主要包括以下三類:(1)熱對流解凍,即通過熱交換方式進行解凍,將冷凍的食品放于溫度比較高的水等介質中解凍,受限于解凍食品與介質的接觸面積,解凍食品內外層溫差大,所需解凍時間長,效果差;(2)微波解凍,即將凍結食品置于特定頻率電磁波環境下,冷凍食品得以解凍,該方式的解凍過程不易控制,食品厚薄對解凍效果影響較大,容易過度解凍,而且解凍空間不能存在金屬;(3)超聲波解凍,即利用超聲波發生器產生的超聲波在凍結食品中發生作用,將食品解凍,科研人員發現食品未凍結區對超聲波的吸收遠遠小于已凍結區,在克服熱對流解凍時間長,微波解凍過程控制難等缺陷同時,合適頻率和強度的超聲波可實現快速、高效將食品批量化解凍[3]。解凍速率方面,不同的解凍方法解凍食品的效率有很大區別,一般來講微波解凍速率最快,超聲波次之,水浴或空氣熱對流解凍速率最慢[4]。

2.2 超聲波解凍技術

超聲波是一種超出人類聽覺閾值的機械波,頻率范圍為20～108kHz,分為高頻超聲波和低頻超聲波,能量大于1W/cm2,頻率在20～100kHz之間,屬于低頻高能功率超聲波,在食品的干燥、解凍和過濾等方面運用較多[5-6]。超聲波對介質的作用,主要包括物理效應和化學效應,物理效應為空化效應、機械效應、熱效應,化學效應為自由基效應,超聲波解凍主要是利用超聲波的熱效應,在解凍過程中,超聲波的振動能轉化為熱能,從而使得介質的溫度不斷升高,原冷凍食材得以解凍[7-9]。

目前,索原杰、宣曉婷等人研究證明,超聲波技術在食品解凍中的應用已日趨成熟,與現有船舶廚房解凍方法(熱交換解凍)相比,超聲波解凍技術解凍迅速、均勻,解凍后食品的營養和口感都能得以較好保存[9]。因此決定采用超聲波解凍技術,以溫水為傳遞介質來開發船舶廚房環境中的食品解凍裝備具有完全的可行性。

3 船舶環境下使用的超聲波解動裝備

3.1 船舶環境下使用超聲波解凍裝備的原理和組成

本項目研發的船舶廚房環境快速批量超聲波解凍裝備,工作原理為采用溫水為傳遞介質,將高能超聲波快速傳遞到溫水中浸泡的冷凍食品處進行解凍,設備主要由超聲波發生器、電路控制器、解凍腔室、減振機構、殼體五部分組成;超聲波發生器可進行超聲波定頻、單頻、多頻掃頻多種工作模式,電路控制器實現定時間歇工作、水位控制功能;在解凍腔室內可貼合薄膜袋使用,薄膜袋阻止了食品中微生物覆著在解凍腔室內壁,使用后將其撤除便于消毒清洗,防止或減少了廚房病菌傳播;減振機構大幅減輕來自船體振動搖擺,增強對船舶復雜環境的適應性能;采用計算機三維制圖技術進行研發設計,超聲波解凍裝備如圖1、圖2所示,在船舶缺乏淡水時,本裝備還可以與海水凈化器連接,將海水過濾后解凍。

圖2 超聲波解凍裝備整體圖

3.2 材料

物質材料的選用與設備工作所在船舶環境息息相關,裝備的零部件要耐海水腐蝕,重量輕,便于安裝和搬運。底面和側面減振機構要減輕振動,采用彈性材料組裝設計,彈性材料為橡膠、乳膠等柔性防水材料,海綿、棉布具有吸水性,可引起設備腐蝕,排除應用;底座、解凍室需承受一定重量可采用耐腐蝕性合金制作,可選不銹鋼、鈦合金、哈氏合金等;蓋體相對承載力較小,可采用食品級塑料制作;在解凍室內壁要貼合薄膜袋,要確保薄膜袋與出水口之間密封性較好,不會滲漏,用橡膠密封圈密封;薄膜袋隔開了解凍室內壁與解凍介質的接觸,可大幅降低腐蝕、阻止微生物的傳播,該薄膜袋由可在海水中降解的環保材料制成,保護環境,避免帶來海洋垃圾。

3.3 適合船舶使用性能

本超聲波解凍裝備可很好地適應船舶廚房環境,主要具備以下五大特點:(1)采用超聲波解凍技術,解凍效率高,解凍均勻,食品營養和口感保持較好;(2)在裝備底面、側面設置彈性減振墊適應船舶的搖擺和振動環境;(3)材料采用耐腐蝕性材料制成,解凍時還可在解凍室內壁貼合可海水降解的薄膜袋使用,防腐蝕同時還可防止生冷食品中的病菌傳播,保證食品衛生安全;(4)入水口與海水過濾器可直接連接,在淡水缺乏時可采用海水解凍,節約水資源;(5)蓋體把手和出水口均采用防撞創新設計,在船舶擺動環境中,可避免碰撞到作業人員。

3.4 樣機試用

制作第一代原理樣機,為滿足船舶廚房大批解凍物資需求,加工制作時我們將設備解凍腔尺寸盡可能做大,考慮到把手內凹設計會占據較大解凍腔空間,就將其設置在頂板上面同樣也可以達到防撞效果,配備海軍特色醫學研究中心特種被裝食品研究室自主研發的可海水降解薄膜袋使用,第一代原理樣機如圖3、圖4所示,第一代解凍裝備樣機參數指標如下表,我們將該原理樣機配發給某部隊遠洋航行船舶試用,載重2萬噸以上,5級中浪海況下,設備運轉良好,解凍效率明顯比原來水流熱交換解凍方式有較大提高;廚房人員問卷反饋,原來100kg各種肉類解凍需花費2～3小時,現在只需要半小時即可完成,清潔環保需改進的地方為在防撞設計上還需進一步優化。

樣機參數表

圖3 樣機正面圖

A.海水全溶解環保袋使用方式 B.海水全溶解環保袋溶解效果

結語

隨著祖國的日益強盛,未來國際間交流通過海洋開展會越來越多,研究適用船舶環境食品解凍裝備,對提升船舶人員的飲食保障效率,減輕廚房人員的工作量很有必要。適用船舶環境的超聲波快速批量解凍裝備,應用超聲波特有性質進行工作,超聲波除可以解凍食品外,一定頻率超聲波還具有滅菌、清洗果蔬廚具等功能。未來船舶環境使用超聲波食品解凍裝備可在保證解凍食品質量和解凍效率基礎上,開發兼具清洗、消毒等多功能一體化裝備,具有更廣泛的市場前景。