对熟肉真空冷却曲线的分析

李改莲 胡春霞 金听祥

摘要对熟肉的真空冷却曲线进行了分析,可以发现:真空冷却曲线由不同的两部分组成,即快速冷却阶段和慢速冷却阶段。真空冷却过程中,快速冷却阶段持续5～10min,产品内部的大部分水蒸发吸热使产品降温都是在快速冷却阶段完成。当产品的饱和压力接近真空室内压力时,慢速冷却阶段出现。对真空冷却过程中的压力、温度变化进行分析,认为产品内外的压差变化导致真空冷却过程中出现快速和慢速2个冷却阶段。

关键字真空冷却;熟肉;饱和压力;冷却速率

中图分类号TS251.6文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)08-0171-02

真空冷却是一种依靠水分蒸发来进行快速冷却的方法。在50年前,真空冷却就已经被应用于莴苣、蘑菇以及切花的预冷[1-4]。近几年来,食品安全问题,尤其是肉制品的安全问题越来越受到世界各国人们的重视,为了减少肉中细菌的繁殖,屠宰以后的热鲜肉应该被迅速冷却。另外,通过把肉煮熟可以破坏肉中病原性微生物的滋养阶段,但是煮的过程并不能杀死所有的微生物。微生物学家推荐熟肉的温度应该被快速降低,特别是在5～60℃温度范围内,细菌特别容易繁殖,熟肉的快速降温可以减少细菌繁殖降低污染[5]。为此真空冷却被作为快速冷却食品的一种冷却方法。

熟肉的真空冷却已经从许多方面被研究,例如,不同的压降速率、熟肉中盐水注射水平和过程条件对产品质量和真空冷却速率的影响[6-8]。Karl McDonald等人研究了真空冷却对产品热物理属性的影响,并且还建立了肉类真空冷却过程中的数学模型,对肉类的真空冷却过程进行了理论模拟[9-16]。在国内,上海交通大学的贺素艳对果蔬真空冷却过程中的传热传质进行了一些研究[17]。然而,很少有人对真空冷却曲线进行分析和研究。该文通过熟肉的真空冷却试验对真空冷却曲线进行了分析研究。

1材料与方法

1.1样品准备

试验所用的样品为猪后腿去骨肉,通过电热锅(型号为RF-P130Y)把样品的中心温度加热到75℃左右,然后样品被冷却。

1.2真空冷却设备

试验所用的真空冷却装置如图1所示。真空冷却装置主要有真空系统和制冷系统2大部分组成,真空室的容积为0.3m3,真空泵由上海真空泵厂制造,型号为2XZ-2,泵的抽速为2L/s。

1.3数据测量和采集

试验过程中的温度是通过T型铜-康铜热电偶进行测量,测量精度为℃。在试验过程中,试验样品的中心温度、表面温度以及真空室内的温度都被测量。真空室内的压力通过压力传感器测量,压力传感器为CPCA-130Z型电容薄膜式绝对压力变送器,精度为Pa。监控和数据采集系统采用北京亚控自动化软件科技有限公司开发的工业自动化通用组态软件组态王5.0。压力和温度信号的数据采集由牛顿模块I-7018P来实现。

2结果与讨论

2.1对真空冷却曲线的分析

图2显示熟肉的真空冷却曲线。冷却曲线揭示了真空冷却期间熟肉平均温度的变化过程。从图中可以看出冷却曲线由快速冷却阶段和慢速冷却阶段2个阶段组成。快速冷却阶段与慢速冷却阶段之间的转变是在真空冷却开始后10～15min出现的。产品内外的压差是真空冷却的主要驱动力。真空冷却刚开始时,熟肉内部与真空室之间存在着比较大的温差。当真空室内的压力达到熟肉温度对应的饱和压力时,熟肉中的水分将会沸腾蒸发。由于大的压差存在,熟肉内部的大部分水分以蒸汽的形式在短时间内蒸发逸出,水分蒸发吸收热量导致熟肉快速降温。因此,大的压差是产生快速冷却阶段的主要原因。慢速冷却阶段至少是由2个原因造成的:一是因为随着时间的变化,在产品内部与真空室之间没有大的温差存在;二是由于熟肉温度对应的饱和压力接近于真空室内的压力,产品内外的压差减小,直接导致水蒸汽蒸发量的减少。随着冷却的进行,压差将会变的越来越小,直到冷却过程结束。

2.2真空冷却过程中产品表面温度、中心温度以及真空室内温度的变化

图3显示了真空冷却过程中产品表面温度、中心温度以及真空室内温度的变化过程。从图中可以看出,在真空冷却初始阶段,产品的中心温度比较高,达到77℃,表面温度较低,只有47℃。但是中心温度的温降速率高于表面温度的温降速率,在25min以后,中心温度已经接近于表面温度。甚至在冷却结束后,表面温度会稍微高于中心温度。最终的中心温度和表面温度分别是6℃和7℃。真空室内的温度从初始的26℃突然降到21℃,然后保持在26℃左右。当真空冷却开始时,中心温度和表面温度会很快降到低于真空室内的温度。温度的快速降低主要是由于产品内部的水分蒸发吸收热量造成的。另外,在真空冷却过程中,其他的传热方式还有产品内部的热传导、产品周围之间的热对流和热辐射。当真空室内的压力降低时,产品周围之间的热对流会减弱,甚至可以忽略不计。

真空冷却过程中,产品的显热主要被用来蒸发产品内部的水分。理论上,当产品的温度等于真空室内的温度时,产品与外界之间将没有驱动力,真空冷却将停止。但是,真空冷却没有停止,产品温度继续降低。这主要是因为随着真空室内压力的降低,产品内部的水分还会继续蒸发,产品的中心与表面之间存在着热传导。另外,由于真空室内与产品表面的温差,使得热辐射也影响着产品表面温度的变化,最终使表面温度高于中心温度。

2.3真空室内压力以及表面温度、中心温度对应的饱和压力的变化

图4比较了真空冷却过程中真空室内压力与表面温度和中心温度对应的饱和压力。当真空室内的压力等于或者低于表面温度和中心温度对应的饱和压力时,产品内部的水分将开始沸腾蒸发产生冷却效应。在0～100℃范围内,饱和压力与产品温度的对应的关系式可以由下式来表达:

式中,Psat是饱和压力(Pa);T 是产品的温度(K)。

通过比较真空室内压力与表面温度和中心温度对应的饱和压力,可以发现真空冷却过程中压力变化会出现几种情况。首先,当真空冷却刚开始时,真空室内压力迅速降低,但是真空室内的压力仍然高于产品温度对应的饱和压力,此时产品内部的水分没有蒸发,也不会产生冷却效应。其次,随着真空室内压力的降低,真空室内的压力将会接近、等于和小于产品温度对应的饱和压力。产品内外的压差将会变大,内部的水分开始沸腾,以水蒸汽的形式从产品逸出。由于产品中心的初始温度高于表面温度,根据饱和压力与温度的关系式,产品初始中心温度对应的饱和压力一定高于表面温度对应的饱和压力,这一点也可以从图4中看出。这样真空室内的压力将先达到产品中心温度对应的饱和压力,产品中心的水分先沸腾蒸发,然后当压力达到表面温度对应的饱和压力时,表面的水分才开始蒸发。产品内部的水分沸腾蒸发后,产品的温度、饱和压力以及真空室内的压力快速降低。而且当水分开始沸腾后,水分将一直蒸发,直到真空冷却过程结束。第三,由于0℃对应的饱和压力是610Pa,因此,当真空室内的压力达到650Pa,真空系统的放气阀被打开使空气漏入以保持真空室内压力在650 Pa,这样可以阻止真空室压力连续降低到低于610Pa。如果低于610Pa,产品内部的水分可能会结冰,这会对产品造成损害。这种情况下,随着饱和压力的降低,而真空室内压力基本保持不变,产品内外的压差将会减小。当产品内外的压差开始减小时,产品的快速冷却阶段结束。从图3、图4中可以发现,快速冷却阶段持续在5～10min左右。

3 结论

该文分析了熟肉的真空冷却曲线,从中可以发现,真空冷却曲线由两部分组成:快速冷却阶段和慢速冷却阶段。快速冷却阶段在真空冷却刚开始后出现,持续5～10min。真空冷却过程,产品内外的压差是水分逸出的主要驱动力。当产品温度对应的饱和压力接近或者等于真空室内的压力时,慢速冷却阶段开始出现。产品内部的大部分水分蒸发都是出现在快速冷却阶段,在这期间,产品的显热被用来蒸发水分,从而使产品能够快速降温。虽然在慢速冷却阶段,产品内外的压差变小,但是蒸发一直在进行,直到真空冷却过程结束为止。

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