喷雾参数对豆腐真空冷却效果的影响

彭钰航 杜帅华 金听祥 陈 华 魏 耀 黄 裕 张 盼

(郑州轻工业大学能源与动力工程学院 郑州 450002)

真空冷却是一种能实现多孔、富水食品快速降温的冷却技术[1]，与冷水冷却、强制风冷等传统冷却方式的原理不同，真空冷却需要在密闭环境中利用真空泵营造一个低压环境，使产品自身水分在低压环境下快速蒸发达到降低温度的目的[2]。目前，真空冷却技术已广泛应用于快餐、即食食品、配送中心、中央厨房等行业[3-5]。但食品在经过真空冷却后，会产生较高的质量损失[6]，这严重限制了真空冷却技术的推广。因此，如何降低真空冷却后食品的质量损失，是真空冷却技术亟待解决的问题。

本研究就女性免疫性不孕与慢性生殖道炎症及微量元素的关系进行探究与分析，结果显示，免疫性不孕的女性患者其阴道分泌物炎性因子(IL-6、IL-8及TNF-α)及血清铜均高于健康正常孕妇，血清硒及锌均低于健康正常孕妇，且不同分类与病程免疫性不孕者的阴道分泌物炎性因子及血清微量元素指标差异有统计学意义，Logistic分析显示，上述检测指标均与女性免疫性不孕有密切关系，进而肯定了上述指标与女性免疫性不孕的关系。其中慢性生殖道炎症导致的炎性细胞因子表达增强可较大程度反映生殖道的炎性损伤，微量元素对于子宫内膜及生殖系统其他方面的影响也较大程度存在，且对免疫的失调影响较大[17-19]。

目前，降低食品真空冷却质量损失的研究主要集中在真空冷却过程参数的优化、冷却前补水、新工艺研究等方面。控制真空冷却过程的工艺参数，可以降低产品的质量损失。H.M.Ozturk等[7]研究发现，对莴苣进行真空冷却，当压力由1.5 kPa降至1 kPa时，质量损失率将减少35.84%。T.Brosnan等[8-10]研究表明适当降低压降速率，可以降低产品的质量损失。宋小勇等[11]研究发现产品的装载量对真空冷却后产品的质量损失有影响。本课题组前期的研究发现，真空冷却过程冷却压力、物料初始温度、物料相对表面积以及物料堆叠方式均对产品的失水率有显著影响[12]。真空冷却过程的质量损失主要是产品内部水分的散失，单纯调整工艺参数并不能从根本上解决质量损失的问题。冷却前补水可以减少食品自身水分的散失，从而达到降低质量损失的目的[13-14]。Sun Dawen等[15]研究发现预冷前喷水可以缩短冷却时间，减少花卉真空冷却过程中的质量损失。钱骅等[16-17]研究表明，对西兰花真空预冷前进行补水，可以有效降低失水率，但补水率并非越高越好。冷却前补水存在补水量难以控制等诸多问题。浸没式真空冷却(immersion vacuum cooling，IVC)是目前备受关注的新型真空冷却技术，能有效降低产品的质量损失，被广泛应用于熟肉的真空冷却中[18-19]。M.Houska等[20]将煮熟的牛肉放入肉汤中进行真空冷却，发现与直接真空冷却相比，牛肉放入肉汤后质量损失降低。L.Drummond等[21]对比了IVC、真空冷却(vacuum cooling，VC)和风冷(air blast cooling,ABC)对水煮牛肉冷却效果的影响，发现IVC可以获得更优质的产品，且其质量损失(6%)少于VC(13.2%)和ABC(7%)。Guo Zhiyu等[22-23]在IVC的基础上研究了一种新型的鼓泡真空冷却，发现鼓泡真空冷却的质量损失比IVC和VC分别少2.5%和12.7%，且冷却速度(0.1 ℃/s)比IVC(0.07 ℃/s)快。但浸没式真空冷却是先将食品淹没于液体之中，再抽真空对其进行冷却，存在用水量大、压力能损失大、冷却时间长的缺点，不利于大规模工业化生产。因此，如何在降低真空冷却质量损失的同时减少冷却时间及用水量是研究的一个重点。

针对上述问题，本文将喷雾冷却和真空冷却相结合，提出一种食品真空喷雾冷却技术，通过控制喷雾参数，研究其对食品冷却效果的影响。此外，豆腐营养价值高，是一种含水量丰富(80%以上)的加工食品。豆腐富含蛋白质和脂肪，易于微生物快速繁殖而使其腐败变质。采用真空冷却技术可以有效防止豆腐的腐败变质。因此，本文以豆腐为研究对象，研究真空喷雾冷却过程喷雾高度(如图1(a)所示)、喷雾流量、喷雾时间、喷雾倾角(如图1(b)所示)对其冷却时间和失水率的影响，以期为真空喷雾冷却的应用提供一定的实验基础。

Nguyen（2012）发现当首席执行官和董事属于同一社会网络时，CEO不太可能因为业绩不佳而被解雇，董事会成员和CEO之间密切的社会关系会影响董事会职能的发挥；Chahine et al.（2014）发现只有在控制董事会成员与高管的社交联系后，董事会独立性才能发挥效应。那么关于社会关系的度量又该如何展开呢？国外大部分学者的研究集中在工作经历、毕业院校、老乡、专业方面 （Kramarzy et al.2007、 Hwang et al.2009、Liu 2010、Nguyen 2011、Hoitash 2011、Fracassi et al.2012等）。

图1 喷雾高度和喷雾倾角Fig.1 Spray height and spray inclination angle

1 材料和方法

1.1 材料

实验中所用豆腐尺寸为边长3 cm的方型豆腐块，边长误差为±0.1 cm，冷却终压为(800±50)Pa，冷却终温为4 ℃，喷雾水温为23 ℃，通过恒温槽对豆腐进行加热，豆腐的中心温度达到70 ℃时迅速放入真空冷却室内进行实验，当真空室内压力降至25 kPa时进行喷雾，热电偶由豆腐侧表面中心插入，布置在豆腐的几何中心处，当中心温度达到4 ℃时结束实验，记录数据。所有实验重复进行5次，取5次中3组数据相近的平均值为最终实验结果。

1.2 仪器和设备

真空喷雾冷却实验平台如图2所示，真空室由1Cr18Ni9Ti不锈钢板焊接而成，容积为0.2 m3，外用方槽钢加强。SOGEVAC系列SV25B单级油封旋片真空泵，极限压力小于50 Pa，抽速为22.5 m3/h(6.25 L/s)。SUP-P300扩散硅压力变送器，测量范围为绝压0～100 kPa，测量精度为±0.5%。喷雾装置中喷嘴型号为60°实心0.4，压力传感器为SUP-P300扩散硅压力变送器，测量水压范围为0～1 MPa，测量精度为±0.5%；温度传感器为k型热电偶，其基本误差限为±0.75%t。低温恒温槽型号DC-3010，温度波动为±0.05 ℃。精密电子天平型号ES500，精度为0.001 g。PE管依次连接流量计、水泵和净水器。

图2 真空喷雾冷却系统Fig.2 System of vacuum spray cooling

1.3 实验方法

豆腐采购于超市，挑选晶莹嫩白的豆腐，无任何机械损伤，购买后采用保鲜膜包覆，10 min内送至实验室，实验前放在4 ℃的冰箱进行保存。

1.4 测量方法

豆腐在冷却过程中的质量损失主要是因水分的散失，失水率的大小直接反应其质量损失情况,失水率的计算公式：

(1)

实验所用的喷嘴为旋流雾化喷嘴，旋流雾化喷嘴在喷雾时呈锥形喷雾，喷雾流场从中心向外，依次为主流区、卷吸区和喷雾外缘区，而喷雾液滴主要分布在主流区，随喷雾高度增加，喷雾锥角不变，但主流区会外移，单位面积的液滴数反而减小[24]。图4所示为不同喷雾高度下液膜在豆腐表面的铺展情况。如图4(a)、(b)所示，受旋流雾化喷嘴喷雾特性的影响，喷雾高度较低时，豆腐的冷却面处于喷雾主流区，雾化液滴可以全部快速喷射至豆腐表面，液滴冲刷强化换热，快速带走产品的热量，使冷却速度加快。而随着喷雾高度的增加，如图4(c)～(e)所示，由于液滴在真空喷射过程中蒸发甚至闪蒸，造成液滴下落动量减小，冲刷能力减弱，会形成厚液膜附在豆腐表面上，影响传热，同时，由于高度增加，喷雾主流区外移，喷雾液滴不能全部喷射到豆腐上表面，部分液滴喷射到豆腐冷却面外，造成有效喷雾水量的减少，从而传热减弱，冷却时间增加。

2 实验结果及分析

2.1 喷雾高度对豆腐真空喷雾冷却效果的影响

图3所示为喷雾高度对真空喷雾冷却冷却时间的影响。实验过程选取的喷雾高度分别为1、3、5、7、9 cm。由图3可知，冷却时间均随喷雾高度的增加而增加。当喷雾流量为5 mL/min时，喷雾高度由1 cm增至9 cm，冷却时间由12.08 min增至14.75 min，增幅为22.10%；当喷雾流量为14 mL/min时，喷雾高度由1 cm增至9 cm，冷却时间由15.25 min增至18.75 min，增幅为22.95%。

ReLU(Rectified Linear Unit)是一种线性的激活函数,具有计算简单、效率高,且不会出现梯度饱和现象等特点,本文采用ReLU函数,以加快网络训练速度.

图3 喷雾高度对真空喷雾冷却冷却时间的影响Fig.3 Effect of spray height on the cooling time of vacuum spray cooling

式中：L为失水率；x1、x2分别为豆腐冷却前、后的质量，kg。

1.2方法手术采用宫腔镜。在月经结束后4~7 d内进行手术,术前常规检查,然后进行妇科检查,根据诊断进行手术。盆腔粘连:膜性粘连、纤维肌性粘连可在宫腔镜下分离或用手术剪除。

图4 不同喷雾高度下液膜在豆腐表面的铺展情况Fig.4 Spreading of liquid membrane on tofu surface under different spray heights

本文实验研究了喷雾参数对豆腐真空冷却效果的影响，发现受喷雾参数的影响，其传热和传质过程呈现不同的性质，得到结论如下：

图5 喷雾高度对真空喷雾冷却失水率的影响Fig.5 Effect of spray height on water loss rate of vacuum spray cooling

造成该现象的原因是：当喷雾高度较低时，喷嘴喷出的液滴会全部打在豆腐的上表面，满溢后，多余的水沿着上表面某处流走；但随着喷雾高度的增加，喷雾主流区外移，会有一部分液滴打在豆腐的侧面，侧面被液膜覆盖的面积随高度的增加而增加，使失水率降低；当喷雾高度继续增加，液滴打在豆腐上表面和侧面形成的液膜覆盖面积达到饱和，使喷雾高度的继续增加对失水率无显著影响。此外，液膜覆盖豆腐表面，原本由豆腐和真空腔之间的压力梯度，转化为豆腐和表面液膜之间的压力梯度，压力梯度减小，阻止了内部水分的蒸发，使失水率降低。综合对比喷雾高度对冷却时间和失水率的影响效果，在实验范围内，5 cm的喷雾高度冷却效果最佳。

2.2 喷雾流量对豆腐真空喷雾冷却效果的影响

1)喷雾高度对降低质量损失具有显著作用，本实验范围内，当喷雾流量相同时，随着喷雾高度由1 cm增至9 cm，冷却时间呈增加的趋势，但失水率先降低后趋于稳定。

图6 喷雾流量对真空喷雾冷却冷却时间的影响Fig.6 Effect of spray flow rate on the cooling time of vacuum spray cooling

图7 不同喷雾流量下豆腐表面形成液膜的厚度情况Fig.7 Thickness of liquid film formed on tofu surface under different spray flow rates

图8所示为喷雾流量对真空喷雾冷却失水率的影响。由图8可知，喷雾高度为1 cm时，对应喷雾流量下，豆腐的失水率分别为5.67%、5.62%、5.43%、5.65%和5.59%；喷雾高度为3 cm时，对应喷雾流量下，豆腐的失水率分别为4.36%、4.38%、4.29%、4.40%和4.34%；喷雾高度为5 cm时，对应喷雾流量下，豆腐的失水率分别为3.08%、2.97%、3.02%、3.01%和3.07%；喷雾高度为7 cm时，对应喷雾流量下，豆腐的失水率分别为3.11%、3.05%、3.07%、3.06%和3.17%；喷雾高度为9 cm时，对应喷雾流量下，豆腐的失水率分别为2.93%、3.07%、2.99%、3.05%和3.01%。在实验的流量范围内，喷雾流量对失水率无显著影响(P>0.05)。原因是喷雾高度较低时，喷雾区域较小，仅在豆腐上表面形成一层液膜，多余的水会溢出，沿表面某处流走，此时，流量的变化仅影响了水溢出的速度，并不能改变液膜在豆腐表面的覆盖情况；而喷雾高度较高时，喷雾区域大于豆腐上表面面积，部分液滴会喷射到豆腐侧面，使豆腐上表面和侧面均被液膜覆盖。虽然流量的增加增强了液膜更新速度，但对相同高度下液膜在豆腐表面的覆盖情况无影响，因此，在实验范围内，喷雾流量对失水率的影响并不显著。

图8 喷雾流量对真空喷雾冷却失水率的影响Fig.8 Effect of spray flow rate on water

2.3 喷雾时间对豆腐真空喷雾冷却效果的影响

总之，小学数学课堂教学如何提升有效性是现在教师普遍关注的重点问题。教师要在课堂教学实践中不断摸索和总结各种有效的教学方式、方法，逐步完善现代小学数学课堂教学手段和教学理念。

图9 喷雾时间对真空喷雾冷却冷却时间和失水率的影响Fig.9 Effect of spray time on cooling time and water loss rate of vacuum spray cooling

因此，针对不同冷却需求的产品，减少喷雾时间，在适当增加一部分质量损失的情况下，可以快速获得需要的冷却温度；而当需要保证产品质量时，应增加喷雾时间，虽然冷却时间增加，但有效降低了产品的质量损失。

无限多样性的市场主体。该媒体市场包含 IPTV、数字电视等新兴媒体，同时也包含传统媒体。这些媒体既有草根媒体，同时也包含全媒体。在这部分媒体运行的过程中，信息传输可以综合利用多种表现方法。由此可见，这个全新的媒体市场中拥有无限多样性的市场主体。另一方面，在新的时期，随着媒体市场的一体化，传播平台已经无法对它们之间的竞争产生限制和影响。时间

2.4 喷雾倾角对豆腐真空喷雾冷却效果的影响

图10所示为不同喷雾倾角(分别为90°、75°、60°以及45°)喷雾情况。图11所示为喷雾倾角对真空喷雾冷却冷却时间的影响。由图11可知，不同喷雾倾角下，降温曲线的趋势相同，但喷雾倾角为90°时，降温速率较慢。由图12可知，随着喷雾倾角的降低，冷却时间先降低后基本不变，当喷雾倾角为90°时，冷却时间为14.12 min，而当喷雾倾角为75°、60°和45°时，冷却时间分别为12.58 min、12.83 min和12.75 min，无显著差异(P>0.05)。

图9所示为喷雾时间对真空喷雾冷却冷却时间和失水率的影响。由图9可知，喷雾时间对豆腐传热传质效果具有显著影响。与只进行真空冷却的实验组相比，喷雾时间增加，豆腐冷却时间增加，但失水率降低。与真空冷却相比，当喷雾时间为0.25 min时，真空喷雾冷却下的豆腐失水率为6.06%，降低42.23%，而冷却时间为8.75 min，增长8.29%；而当喷雾时间为14.5 min时，冷却结束后失水率为2.93%，降低72.07%，但冷却时间为15.50 min，增长91.83%。

图11 喷雾倾角对真空喷雾冷却冷却时间的影响Fig.11 Effect of spray inclination angle on the cooling time of vacuum spray cooling

图12 喷雾倾角对真空喷雾冷却冷却效果的影响Fig.12 Effect of spray inclination angle on the cooling effect of vacuum spray cooling

主要原因是当喷雾倾角为90°时(图10(a))，喷雾液滴在接触到豆腐表面后会整体覆盖在豆腐表面，形成厚液膜，阻碍传热。随着喷雾倾角的减小，液滴在豆腐表面的流动加快，传热得以强化(图10(b)～(d))，但从实验结果而言，当倾角变化至一定程度后，对传热的影响较小，制约其降温的主要原因可能是内部水分迁移等传质规律的影响。

图10 不同喷雾倾角的喷雾情况Fig.10 Spray conditions with different spray inclination angles

失水率随喷雾倾角的减小呈增大的趋势。实验过程中，随着喷雾倾角的减小，覆盖在豆腐表面的水膜面积会减小，导致失水率增加。同样说明失水率和液膜的覆盖情况有关，液膜的存在可以有效降低真空喷雾冷却的失水率，液膜覆盖面积越大，失水率越低，反之则失水率越高。

3 结论

图5所示为喷雾高度对真空喷雾冷却失水率的影响。由图5可知，在实验的范围内，失水率随喷雾高度的增加，呈先减小后基本不变的趋势。当喷雾高度由1 cm增至5 cm时，失水率随之降低，而当喷雾高度为5、7、9 cm时，失水率基本保持不变。

图6所示为喷雾流量对真空喷雾冷却冷却时间的影响。实验选取的喷雾流量分别为5、7、9、12、14 mL/min。由图6可知，当豆腐的中心温度冷却至4 ℃时，所需的冷却时间均随喷雾流量的增加而增加。喷雾高度为1 cm时，当喷雾流量由5 mL/min增至14 mL/min，冷却时间由11.92 min增至15.58 min，增幅为30.70%；喷雾高度为9 cm时，当喷雾流量由5 mL/min增至14 mL/min，冷却时间由14.33 min增至18.17 min，增幅为26.80%。原因是喷雾流量较小时，喷出的液滴在行进到豆腐表面的过程中，能得到充分的蒸发，到达表面的液滴粒径更小，温度更低，更有利于换热；另一方面，受旋流雾化喷嘴喷雾特性的影响[24]，喷雾流量增大会使喷雾锥角增大，主流区扩大，造成有效喷雾水量减少；在较小的流量范围内，当喷雾高度相同时，随着喷雾流量的增加(如图7所示)，大量液滴在豆腐表面形成液膜，由于豆腐表面液膜的更新速度小于水膜的堆积速度，造成液膜厚度增加，传热热阻增大，降低了真空喷雾冷却换热能力。

2)喷雾高度相同时，在较小的流量范围下(5～14 mL/min)，喷雾流量对豆腐的失水率无显著影响，但冷却时间会随喷雾流量的增大而增加。

3)实验范围内，随着喷雾时间增长，冷却时间增加，但失水率显著降低。当喷雾时间由0 min增至14.5 min时，冷却时间由8.08 min增至15.50 min，增幅为91.83%，失水率由10.49%降至2.93%，降幅达72.07%。

4)当喷雾倾角由90°降至45°，失水率由2.97%增至6.44%，冷却时间呈先降低后基本不变的趋势。

5)与真空冷却相比，真空喷雾冷却可以有效降低产品的失水率，为降低真空冷却过程的质量损失提供了一种新思路。但本文仅对真空喷雾冷却进行了相关实验研究，下一步将通过模拟计算的方法从理论上对真空喷雾冷却进行更深入的研究。