快速冻结是重要的食品保鲜技术之一,能最大程度地保留食品的感官、营养,并利于储存、延长货架期且不需要添加任何防腐剂,符合当今人们对食品绿色、方便和保健的三大追求,逐渐成为备受欢迎的食品种类之一。速冻食品是采用新鲜的原料,经过适当的处理和急速冷冻,于-18~-20℃的低温条件下送达消费点的低温产品。

随着速冻食品需求量的日益增多,研究影响其品质变化的因素是非常必要的。参考文献分别利用不同的冷冻方法处理同样的原料,研究它们冻结后的品质、货架期等,结果表明速冻食品的质量取决于冻结速率,冻结速率影响冰晶的大小与分布位置,与冰晶大小成反比。Fennema等研究也证实了冻结速率会影响食品品质。Alhamdan等分别采用液氮超低温冻结、单体快速冷冻和传统的慢冻方式处理新鲜食品及其货架期,发现液氮冻结的食品在相同储存期内品质最好,即冻结速率越快,冰晶成核速度大于生长速度,这时晶体的体积小、数量多、分布均匀,对食品内部组织细胞的伤害小,而冻结速率的快慢很大程度上依赖于冻结设备的性能。因此,设备性能好坏会直接影响冷冻食品的品质,而且速冻设备在冷冻食品加工生产线上的初投资也最大、能耗最高,所以对速冻设备的研发、设计和优化至关重要。本文主要根据目前国内速冻设备的现状,分别从能耗、气流分布和冻结时间三个方面,综述了影响速冻设备性能的因素。

1 速冻设备的现状

速冻设备研究的背景

20世纪20年代,速冻设备的发展起源于美国,以世界上第一台速冻机的问世为标志,迄今为止,美、日、西欧等发达国家速冻设备的种类已达20余种,且设备规格齐全、单位时间生产量大且自动化程度高,而我国速冻设备产业起步相对较晚。1973年我国食品厂首次引进日本的速冻设备进行速冻食品的生产加工。后来,随着速冻食品的需求量增加,开始注重对国产速冻设备的研发。1985年开始相继自主开发研制了不同规格的十多种类型的速冻设备。亚洲人口基数大,对速冻食品的需求量大,目前亚洲已成为全球速冻设备规模最大的市场,占全球的39%,速冻设备产业发展前景广阔。目前我国研发的速冻设备与国外同类设备在性能指标、结构设计、清洁便捷程度(如冻结区内设置圆形倒角、倾斜面,不易生长细菌,而且机组各个面处于完全可视化范围内,利于观察,及时清扫等)和自控性能等方面的差距仍然很大。

速冻设备的分类

速冻设备依据不同角度有不同的分类,例如: 按冻结速度分为快速冻结(5~20cm/h)、中速冻结(1~5cm/h)和慢速冻结(0.1~1cm/h)设备,三种冻结速度使食品冻结后内部冰晶大小、形状和分布均有差异;按冷却介质分4类,即空气循环式冻结、喷淋式冻结、接触式冻结和浸渍式冻结;空气冻结方式中应用较广的是隧道式、螺旋式和流态化式冻结装置。

速冻设备的种类较多,但不同的速冻设备优缺点各异,而速冻设备的性能直接影响速冻食品的品质,因此合理选择设备对保证食品的品质至关重要。鲁珺等分别采用液氮速冻、平板速冻和冷柜冻结方法处理大小相近的同批银鲳鱼,并在相同的贮藏条件下储存一段时间后,发现使用液氮冻结时银鲳鱼中挥发性盐基氮值(TVB-N)和K值最小,且盐溶性蛋白浓度下降最缓慢,表明三种冻结方法中液氮冻结最能有效地保持银鲳鱼的品质。Boonsumrej等分别采用鼓风和超低温两种冻结方式对虎虾进行冷冻,且用相同的解冻方法,发现采用超低温冻结,虎虾解冻后损失较少,品质良好。

综上可知,不同的速冻设备对同一食品进行冻结、解冻后的品质会不同,因此应该依据被冻食品的特点和要求合理地选择速冻设备。在这几种常用的冻结方法中,直接接触式、流化床式冻结设备对食品的形状有要求; 出于运行经济性的考虑,液氮喷淋式冻结设备使用还不够广泛。因此,空气式速冻装置仍是目前使用最广的设备,尤其是隧道式和螺旋式速冻设备。

2 速冻设备的性能优化

影响速冻设备能耗的因素

近年来我国速冻食品年产量增长较快,占据全球速冻食品总量的三分之一。我国速冻设备主要应用于冷冻水产品、肉禽类和果蔬食品领域,而速冻设备的运行能耗比其它类型同容积的冻结设备高,因此速冻设备的节能需特别重视。下文将从压缩机选型、蒸发器传热以及其他方面综述影响速冻设备能耗的因素。

压缩机的选型 压缩机是速冻设备动力的来源也是耗能最大的部件,因此其设计选型对系统能耗至关重要。Widell等利用MATLAB软件对比分析了压缩机电机上是否安装变速驱动装置对隧道式速冻设备系统的影响,研究发现在压缩机电机上安装变速驱动装置能提高系统能效且便于调节容量。汤青等在蒸发温度为-35℃条件下,对比分析了使用单级压缩、单机双极压缩和单机单、双极切换压缩对制冷系统的COP的影响,发现单机单、双极切换压缩在速冻系统中的节能效果最佳。张金翠等在相同的运行工况下(蒸发温度-40~-60℃)对比了自动复叠和单机双级压缩两套系统,研究表明随蒸发温度的降低,复叠式系统具有冻结速度快和耗能低等特点。王衍智等在相同工况下对比几种不同的制冷机组,发现单机双极变频螺杆机组最适合应用于大型低温速冻设备。张建一等通过实验现场测试发现压缩机与冷凝压力存在最佳匹配,在最匹配时制冷效率高。综上可知,在不同的运行工况,速冻装置压缩机的选型方案可以不同,可以根据不同的冻结温度,合理选择制冷循环及其压缩机。

蒸发器的传热 在速冻系统内,蒸发器是必备的换热部件,其性能的优劣直接影响速冻设备的制冷效果和能耗高低,因此蒸发器传热传质的研究对系统的优化至关重要。张玲等研究了速冻设备蒸发器的传热,对比了在有霜运行时,等节距和变节距翅片对蒸发器传热的影响,研究发现变节距翅片能有效缓解结霜带来的能量损失。郑传祥等的研究表明不结霜条件下,采用叉排、小管径的蒸发器传热系数较高。此外制冷剂的供液方式也会影响蒸发器的传热系数,曹晓程等采用三种供液方式(射流泵节流供液、热力膨胀阀供液和液泵供液)对比分析了平板速冻机系统性能,发现射流泵供液系统的能耗最低。杜宇等研究了重力供液和直接膨胀供液对速冻设备蒸发器运行特性的影响,发现重力供液传热性能优于直接膨胀供液。由此可知,蒸发器在有霜和无霜条件下翅片形状、是否变节距、管径大小以及管子排列方式等,对蒸发器传热性能影响至关重要。今后可以着重研究蒸发器管道的设计和布置等,设计更有利于换热的盘管或采用高效板式换热器,进而提高蒸发器的传热效率,达到减少蒸发器尺寸、提高蒸发温度、提高制冷系统运行经济型的目的。

2.1.3 其他影响因素 黄仲兴研究提高速冻冷库制冷效率的途径时,发现选用较大蒸发面积的冷风机,以及使用水冷机组时偏大选用冷却塔的规格,能显著提高制冷机组的制冷量。张亮等研究流场均衡性对隧道式速冻机能耗的影响,研究结果表明流场分布越均匀,换气速率越小,单冻机耗冷量越小,可以实现节能。孙勇等分析了吹风式速冻装置料口跑冷的机理,提出了料口高度对装置内部冷空气泄露速度的影响远大于宽度; 若同侧双料口,要进行隔断,且尽量处于同一高度的改进方案。

综上可知,速冻设备在运行工况下设备的选型、系统结构的设计以及流场的特性均对速冻设备能耗有影响,因此在今后的研究和设计速冻设备时需综合考虑这三个因素,寻求最佳的设计方案。

内部流场的研究

在研发速冻机时,速冻装置内部的流场不仅影响速冻设备的传热性能,而且对被冻食品的品质和干耗有影响,因而研究速冻设备内部流场至关重要。Amarante等利用热流传感器分析了隧道式和流化床式速冻设备,研究表明速度场分布不均匀性是影响传热效率的主要因素。因此,优化速冻机内部流场对提高速冻机性能、改进速冻设备至关重要。张珍等研究了上下冲击式速冻设备内静压箱流场分布,建立物理数学模型,模拟静压箱内速度场和压力场,发现在均风板和隔板间增设导流板后,提高了流场内气流组织的均匀性,使压力场分布更均匀,增加了速冻装置结构的稳定性。梁亚星等对比了扩口形和等径形的液氮喷雾式速冻设备出口风道对风速场的影响,发现等径形的速度场均匀性好。因此在速冻设备合适的位置增设导流板会提高流场均匀性,进而从性能、设计上优化速冻设备。段雪涛等对板带式速冻机建立二维模型,利用PHOENICS软件模拟速冻设备内部的流场,分析风速大小和栅格的加入对速冻设备内流场的影响,研究发现风速大小、生产量与能耗之间存在最佳匹配,加入格栅后速冻设备内速度场、温度场的均匀性都有所提高。徐斌等又进一步模拟阐述了板带式速冻机不同的流动通道高度、进口空气流速和进口夹角对流场的影响,得出最佳气流分布所对应的通道高度、进口风速,为以后板式速冻机的研发设计提供了依据。张珍等运用CFD模拟技术模拟了上下均风孔板的速冻装置中流场及温度场,对比了冻结区内孔板不同开口率下的压力分布情况,得出孔板开孔率5%时,压力分布较为均匀,减少应力集中,对孔板和隔板之间的区域起到保护作用。牛新朝用CFD模拟了-60℃低温速冻柜内流场及温度场,发现送风口与回风口的布置方式对速冻柜内流场分布有影响,并最终得出送风口采用上下布置,且回风口位于送风口中间时,流场均匀性最佳。

由上述可知,针对不同的冻结设备其内部流场的影响因素不同,CFD模拟技术可以相对准确地模拟整个速冻设备内部的速度场、压力场和温度场的分布,直观地分析出流场的特点,通过调整设计参数可以有效地改进速冻设备的设计,以及发现设备在设计和使用中存在的不足,表明数值模拟技术对于设计和优化速冻设备可提供有效的参考。

冻结时间的研究

食品冻结过程所消耗的能量占总能耗比重最大,冻结时间也直接影响生产商的运行成本以及食品的质量,是衡量速冻设备整体性能的重要因素之一。

影响食品冻结时间的因素 食品冻结时间是被冻结食品从初始状态冻结至所需温度所用的时间。冻结时间受被冻食品的几何尺寸、边界条件和初始条件等影响,而且在冻结过程中食品物性具有时变性,食品结构存在复杂性,因此准确计算冻结时间比较困难。可以依据不同食品的特点,相对准确地预测食品冻结时间,从而合理匹配速冻设备,进而合理地控制速冻装置的运行,使设备高效运行的同时保证产品质量、降低能耗。

食品冻结时间的计算 基于食品冻结时间预测的复杂性,计算冻结时间的方法各不相同。Pham等通过对比分析计算冻结时间的四个经典模型:CE、P1、P2、SM,研究低水分、低冰点的食品在冻结时间计算的准确程度,研究表明对该类食品冻结时间预测最为准确的模型是P1。李杰等分析总结了预测食品冻结时间的三种方法,得出简单公式法易掌握但准确度低,数值模拟法成本低且值得推广,在模拟形状复杂的食品和同时存在传热传质的冻结过程中具有优势,而人工神经网络法是在数值模拟基础上的补充完善。Min等食品冻结时间的经验公式出发,开发了冻结时间的计算程序,考虑了食品厚度、冷却介质温度和吹风速度对隧道式速冻设备冻结时间的影响,计算结果准确快速,得出根据冻结时间选择速冻设备的运行工况,使系统更节能。

综上可知,计算食品冻结时间的方法较多,但对具有不同热物性、不同形状的食品,计算结果的准确度存在差异,因而开发新的、适用性广的计算模型是研究的热点之一。

食品冻结时间计算的优化国内外关于冻结时间的研究颇多,一般是交叉使用模拟法、实验法和经验公式法三种方法。Okita等采用CFD模拟鼓风方式中三种容积不同番石榴果肉的冻结时间,研究结果表明利用模拟法和实验法获得的冻结时间趋势一致但存在误差,可能是网格划分不合理造成的。Kim等对比了有无电磁加热处理对大蒜冻结时间的影响,研究结果表明采用电磁热处理后通过最大冰晶带的时间缩短,且保持较好的硬度、新鲜度。Kim等通过对液氮喷淋速冻装置增设硅树脂作为冷却剂的预冷装置,发现增设预冷装置后,食品冻结时间大大缩短。李杰等利用CFD模拟软件研究了虾仁在鼓风冻结装置中的冻结时间,得出吹风速度、方向、大小以及送风温度均影响虾仁冻结时间,且随送风温度降低冻结时间减少的趋势会变缓。Gon~i等结合核磁共振成像的图像处理和放样对食品进行几何建模,为食品建模的精确性提供了技术支持。Santos等基于焓和基尔霍夫结合的传热方程,用MATLAB6.5软件对蘑菇冻结时间进行模拟,模拟得出冻结时间温度曲线与实验结果基本吻合,最大的绝对误差小于3.2℃。邵双全等基于食品物性具有时变性特点,首先对不同温度下枸杞的各个物性进行计算,然后采用FLUENT软件的simple算法,建立二维模型对枸杞鲜果的冻结过程进行模拟,模拟结果与实验结果能很好地吻合。

因为基于软件操作的研究周期短、节省物力,故利用软件模拟计算冻结时间的研究较多,但模型的建立、网格的划分和计算机内存的有限在很大程度上限制了模拟结果的准确性。目前有关食品冻结的模拟软件很多,但适用范围和精确度不同,软件的选择对冻结时间模拟结果的影响较大。进行不同速冻设备中食品冻结时间的计算时,应根据不同食品的特点,选择计算模型、物性参数,或者确定相关设备运行参数进行食品冻结时间的计算。

未来速冻设备发展的展望

目前对速冻设备的研究,主要从优化速冻设备性能的角度考虑,可归纳为三个方面:降低设备能耗,相关研究者已经从系统结构设计、设备选型以及制冷剂供液方式等方面入手;优化设备内部的流场,关注速冻装置内流场的均匀性、气流组织分布; 冻结时间,冻结时间是影响速冻食品品质的重要因素之一,准确计算和预测食品冻结时间是速冻设备优化设计的一个重要指标。根据目前我国设计和生产的速冻机的现状,基于速冻设备在食品加工生产中节能和对于食品品质的重要性,在今后的研究中还可以重点关注以下方面:首先,由于压缩机能耗是系统整体性能的一个重要指标,因此根据不同速冻设备的特点,对压缩机、风机等进行合理选型;其次利用数字成像技术、核磁共振技术等进行食品的建模,提高模型准确性,通过计算机模拟技术对比分析速冻设备各部件的布置和设计、部件形状等对设备内部速度场、压力场、温度场的影响,从而优化设备的设计; 最后,在模拟和实验的基础上,探究计算冻结时间的可靠方法,并对不同冻结设备所冻结食品的冻结时间进行数据积累,为进一步研究不同食品冻结时间提供有效的依据。总之,该领域今后研究的热点是在综合考虑设备能耗、冻结时间和流场分布三个因素的基础上对速冻设备性能优化。

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