干冰喷射进出口位置对草莓速冻过程的影响

宁静红，赵延峰，孙朝阳，刘茂

(天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室，天津，300134)

近年来，对速冻食品的需求促进了该领域研究的不断发展。速冻食品的形式发生了很大变化，冷却剂从空气和盐水到现在部分采用液氮、液态二氧化碳等，温差和传热系数更大，提高了冻结速率[1]。食品种类丰富多样，冻结方法也不尽相同。由于草莓表皮脆弱，采摘后呼吸强度较高，在常温下存放2 d左右便开始腐烂[2]，采取速冻的方法使草莓更利于保存。

鼓风冻结的运用较为普遍，流态化冻结利用自下而上的冷空气实现悬浮态冻结，隧道式冻结能够实现产品的连续生产。但利用风机提供高速流动的冷空气需要消耗大量能量，食品干耗较大[3]。间接冻结是利用经低温介质冷却的金属板与食品接触实现食品冻结，该种方式设备体积小、节省能耗、食品干耗小，但平板接触式冻结的速度较慢，对食品的形状有一定限制[4]。近年来液氮速冻因其冻结速度快、解冻后食品质量高等特点，逐渐成为单体速冻食品的主要工业冻结方法之一[5]。樊建等[6]采用喷雾式流态化液氮速冻的方法对草莓速冻进行研究，发现利用-50 ℃以下温度进行冻结，解冻后冻品质量较好。张庆刚等[7-9]对蓝莓进行了液氮流态化速冻研究，发现不同的冻结温度和风速对蓝莓相关品质指标有显著影响，与冰箱冻结相比，液氮速冻后的蓝莓可冻藏更长的时间。刘贵庆等[10]研制了液氮喷雾流化态化速冻机，分析了液氮速冻的缺点主要是费用太高，液氮贮存有较高的要求。因此，寻找一种高效经济的速冻方式成为当下速冻食品发展的迫切需求。

自然工质干冰价格低廉、容易存储、环境友好。利用干冰低温及高相变潜热的特性，可以快速使封闭空间内食品的温度下降，从而达到快速冻结目的，能最大限度地保持食品原有的新鲜状态和营养成分。本文借鉴国内外对食品的模拟分析[11-18]、干冰喷射系统[19-22]及其模拟方法[23-24]，宁静红等[25]设计干冰喷射速冻间模型，利用Comsol软件对速冻间内温度分布、降温特性、散热流场进行模拟，确定最佳的干冰流速、喷射口径和进出口位置。此外，借鉴食品速冻后理化特性分析方法[26-29]，设计了草莓速冻后理化性质变化的实验，为进一步设计开发干冰速冻草莓装置提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 速冻间物理模型

速冻间尺寸为500 mm×500 mm×800 mm。设有4个干冰喷入口(图1)，1个气体二氧化碳出口。草莓搁板尺寸400 mm× 400 mm×5 mm，草莓半径设置为15 mm，高度设置为40 mm，2个草莓间距为15 mm。搁板边缘草莓距边界为5 mm，一盘有81个草莓，共摆放4盘，每层搁板相距160 mm。通过改变进出口与搁板位置，优化的速冻间模型，图1以1种模型为例。

图1 速冻间模型Fig.1 Model of quick-freezing room

1.2 速冻间结构及数值模拟

1.2.1 干冰进出口位置设定

如图2所示，进出口共设计了8种模型，分别为进口对称出口中置模型a、左侧4进口右下出口b、进口交替进入右下出口c、进出口同侧d、进口不对称出口中置e、左2上进右2下进左下出f、左侧4进口后出口g、左4进口上出口h。

a-进口对称出口中置；b-左侧4进口右下出口；c-进口交替进入右下出口；d-进出口同侧；e-进口不对称出口中置；f-左2上进右2下进左下出；g-左侧4进口后出口；h-左4进口上出口图2 速冻间模型图Fig.2 Figure of quick-freezing room modle

1.2.2 草莓中心温度

草莓速冻间模型的干冰入口半径、出口半径和搁板厚度等参数分别设定为：25、50、5 mm。出口干冰固相分数为50%，另外50%为气态二氧化碳。干冰喷射口处流速大，掠过草莓表面速度降低，干冰在草莓表面吸热发生相变，升华成二氧化碳气体经出口排出，草莓由表及里温度逐渐降低，草莓自身的热阻导致草莓内部温度下降较外表面缓慢。对不同进出口模型进行模拟，可以准确获得速冻间的速度场和温度场。

由文献可知速冻草莓需在20 min内将中心温度降至-18 ℃以下，外表面温度降至-35 ℃以下。通过最大冰晶生成带越快，速冻冻品的品质越高。每个草莓与其余草莓的中心温度相差越小，越能保证同批冻品的温度一致性，生产出的草莓冻品温度均匀，有效保证冻品的品质，并利于进一步贮藏。

通过模拟得知，速冻间内所有草莓的中心温度达到-18 ℃及以下时，草莓中心温度最高和最低的温度差值按由小到大为：模型a为6.2 ℃、模型c为9.9 ℃、模型f为10.6 ℃、模型h为16.4 ℃、模型b为18.5 ℃、模型d模型为20.2 ℃、模型e为21.5 ℃、模型g为22.7 ℃。可知模型a、模型c草莓的中心温差小于10 ℃，温度更加均匀，可以生产出更好的冻品，这是由于模型a结构较对称，干冰较均匀地喷射至草莓表面。模型c设计的进口虽然不对称，但由于喷射方向不同，可以更好地利用喷射尾部的干冰，使尾部干冰循环次数增多，各个隔板、位于不同位置的草莓更加充分地接触干冰，减少热阻，利于草莓内部的热量传出，提高草莓与干冰之间的传热效率，因此温度比较均匀。综上所述，模型a、模型c可以生产出较高质量的草莓速冻产品。

1.2.3 草莓表面温度

图3为草莓表面全部到达-35 ℃以下时的表面温度图。可以较为直观地观测每个草莓表面的温度及所有草莓的温度均匀度。可以看出，温度最为均匀的是模型c，由于干冰循环次数较快，在模型内不存在滞留，干冰流动过程的扰动较为均匀，较高的流速实现较好的传热效果，更利于温度控制。模型h呈现出位于下部2层草莓的温度分布不均匀，是由于出口在上，干冰在最下方产生明显涡旋，增大干冰流动阻力，干冰不能很好地与草莓接触，导致接触热阻增大，传热效率减小，不利于草莓的降温。其余模型大都是位于干冰喷射入口直线上的草莓温度过低，但是对速冻时间没有很大的影响。温度最不均匀的是模型e，这是由于出口设置在中间位置，距离出口较近的第3个干冰入口喷出的干冰几乎不在速冻间内循环，从出口直接流出，导致干冰损失，这样不仅造成速冻时间变长，而且造成上面2层草莓温度过冷。综上所述，相比其他模型，模型c草莓表面的温度更为均匀。

a-进口对称出口中置；b-左侧4进口右下出口；c-进口交替进入右下出口；d-进出口同侧；e-进口不对称出口中置；f-左2上进右2下进左下出；g-左侧4进口后出口；h-左4进口上出口图3 不同速冻间模型草莓表面温度Fig.3 Surface temperature of strawberry in different quick-freezing models

1.2.4 速冻间速度场

干冰进出口位置不同会使速冻间内干冰流体间产生相互扰动，进而形成不同的速度场。图4为8种模型的干冰速度场。模型c所示干冰流线均匀且流速较大，最后汇集到出口处，速冻空间内充满干冰的流动轨迹，每个喷入口的干冰尾部被下一个喷嘴出口的冲击力带动进入下一次循环，掠过下一层草莓，干冰与草莓充分均匀地接触，干冰的流动阻力损失小，草莓与干冰间传热性能提高，形成良好的流动与传热协同效果，因此，草莓的速冻质量要优于其他的模型。模型a、模型e、模型h在速冻间内干冰产生涡旋，扰动较大，不利于干冰流体与草莓充分接触，影响传热效果。模型b、模型d、模型f、模型g的流场较为混乱，干冰流动阻力损失也相应过高，导致部分区域流线较少，流速较低且流动不充分，不能达到良好的速冻效果。综上所述，模型c可实现流动和传热的最佳耦合。

a-进口对称出口中置；b-左侧4进口右下出口；c-进口交替进入右下出口；d-进出口同侧；e-进口不对称出口中置；f-左2上进右2下进左下出；g-左侧4进口后出口；h-左4进口上出口图4 不同速冻间模型的干冰速度场Fig.4 Dry ice velocity fields of different quick-freezing models

1.2.5 草莓速冻时间

草莓速冻时间直接反应速冻效率和模型的可行性，如图5所示，8个速冻间内草莓表面和中心的温度到达设定温度的时间，当全部草莓中心温度达到-18 ℃及以下时，速冻完成。由图5可以看出，模型c的速冻时间最短，更快完成草莓速冻。有效防止最大冰晶带生成，将草莓细胞中的水份保持小冰晶状态，减少细胞破坏，防止解冻过程原成分通过水滴流出，保证冻品的质量。

图5 草莓到达设定温度时间图Fig.5 Time chart of strawberry reaching set temperature

2 结果与分析

2.1 优化速冻间的实验验证

实验装置如图6所示，从右到左依次为二氧化碳气瓶、减压阀、数据获取子系统、流量调节阀、流量计及台面下方的草莓速冻间，利用MX100收集草莓内、外温度变化数据，草莓表皮(约1 mm处)和中心分别插入热电偶，热电偶接入横河MX100数据采集器，温度变化及冻结温度曲线由计算机显示并自动记录和绘制。进出口位置按模型c设置。

图6 实验装置图Fig.6 Experimental apparatus diagram

实验分别改变入口的位置，如模型c、模型f所示，其余位置用橡胶塞和泡沫胶进行封堵。按照模拟优化获得的不同入口的位置，采集所有草莓表面和中心的温度到达速冻温度的时间，并分别与模拟结果进行比较。

2.2 草莓理化性质的变化

分别测量模型c、模型f速冻后草莓理化性质的变化。用XK3190-A19E型电子秤(上海耀华)分别测定速冻前后草莓的质量；通过CR-400型色彩色差仪(柯尼卡美能达)测定草莓的L、a和b值，其中L值为亮度指数；采用2，6-二氯靛酚滴定方法测定速冻前后果品中维生素C的含量；可溶性固形物含量采用PLA-BXIACID5型糖度仪测定(日本ATAGO)；根据花青素甲醇提取液的吸收光谱特性，再利用紫外可见分光光度计在特定波长下测定其吸光度值，最后与标准曲线比较计算花青素的含量。

所测草莓中降温最慢的草莓温度达标可以认定实验结束。模拟中模型c、模型f草莓表面和中心的温度到达速冻标准的时间如表1所示，误差为实验与模拟相比所得结果。综合分析是草莓形状与模型椭圆有所差距，草莓越接近模型尺寸，得到的结果越接近模拟的时间,并且热电偶的布置也会影响干冰的喷射流场状况。

表1 实验结果及误差Table 1 Experimental results and errors

草莓为中国山东省济南产红颜草莓，4月份采购于天津市西青区红旗农贸市场。草莓大小均匀，表面均无破损。结果如表2所示。与速冻草莓标准CXS52—1981(2019版)相比，干冰喷射速冻方式相关参数均优于其要求。

表2 速冻前后草莓参数Table 2 Strawberry parameters before and after quick-freezing

3 结论

通过模拟不同干冰进出口位置的速冻间模型，分析不同结构草莓速冻间对草莓速冻的影响，得出以下结论：

(1)模型a所有草莓中心温度到达-18 ℃及以下时，草莓中心温度最高和最低相差较小为6.2 ℃。模型c，全部草莓中心温度到达-18 ℃及以下时，所有草莓中心温度最高和最低相差较小为9.9 ℃，可以使冻品温度均匀，有利于贮藏，模型c草莓表面的温度较均匀。

(2)模型c干冰流线均匀且流速较大，速冻空间内充满干冰的流动轨迹，每个喷入口的干冰尾部被下一个喷嘴出口的冲击力带动进入下一次循环，掠过下一层草莓，干冰与草莓充分均匀地接触，干冰的流动阻力损失小，草莓与干冰间传热性能提高，形成良好的流动与传热协同效果。

(3)通过实验验证模拟优化的速冻间模型的结果，模型c内草莓表面和中心温度达到设定要求，平均误差分别为2.10%和5.79%。对速冻前后草莓失水率、色泽度、维生素C、可溶性固体和花青素等指标进行测定，其均优于标准中速冻草莓的参数。

综上所述，模型c满足草莓速冻生产的需求，干冰速冻可以稳定高效地制取冻品，所得的结果可为进一步设计开发干冰速冻系统提供依据。