接觸式超聲波輔助平板冷凍對(duì)胡蘿卜冷凍速率的影響

周新麗 滕 蕓 戴 澄

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院 上海 200093)

接觸式超聲波輔助平板冷凍對(duì)胡蘿卜冷凍速率的影響

周新麗 滕 蕓 戴 澄

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院 上海 200093)

超聲波可以促進(jìn)晶核形成，縮短凍結(jié)時(shí)間并且獲得較高的凍結(jié)品質(zhì)，但該技術(shù)目前多用于液態(tài)樣品或浸漬冷凍過(guò)程，在固體果蔬樣品平板冷凍過(guò)程中的應(yīng)用未見(jiàn)報(bào)道。本文設(shè)計(jì)制作了一種接觸式超聲波輔助冷凍平板，用于固體果蔬的冷凍過(guò)程，并進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)：1)在-1 ℃施加10 s不同功率(0 W，122.6 W，178.7 W，229.8 W)的超聲波；2)在-1 ℃施加178.7 W超聲波，作用0 s，5 s，10 s，15 s；3)在不同階段(預(yù)冷段，相變段，終了段)施加178.7 W的超聲波10 s。分別研究了超聲波的作用功率、作用時(shí)間、作用階段等參數(shù)對(duì)胡蘿卜冷凍速率的影響，結(jié)果表明：在相變階段作用178.7 W的超聲波10 s，能顯著降低樣品通過(guò)最大冰晶生成段的時(shí)間tcf和總凍結(jié)時(shí)間ttf，提高樣品的冷凍速率。

超聲波；平板冷凍；冷凍速率；胡蘿卜

冷凍是能夠保持食物感官特性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的一種廣泛應(yīng)用的保鮮方法[1]。凍結(jié)速率是影響速凍食品質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)樗鼪Q定了冰晶的尺寸類型，細(xì)胞脫水和組織結(jié)構(gòu)的損傷程度。快速凍結(jié)容易產(chǎn)生顆粒較多尺寸較小的細(xì)晶，均勻地分布在細(xì)胞內(nèi)部和外部，細(xì)胞損傷小，凍結(jié)食品品質(zhì)好；而緩慢的凍結(jié)則產(chǎn)生大顆粒的冰晶，絕大部分分布在細(xì)胞的外部區(qū)域，細(xì)胞損傷大，凍結(jié)食品品質(zhì)有所降低[2-4]。

功率超聲波可以作為輔助手段用于許多食品加工的單元化操作中，因其獨(dú)特的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)而在功能活性成分提取、食品殺菌與保鮮、食品結(jié)晶與凍結(jié)、食品干燥等方面有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[5-7]。已有實(shí)驗(yàn)證明，超聲波輔助凍結(jié)能夠控制結(jié)晶，提高冷凍速率和冷凍食品的質(zhì)量[8]。L. Bing等[9]在超聲波輔助浸漬冷凍馬鈴薯的研究中，比較不同的功率水平、處理時(shí)間和冷凍階段對(duì)凍結(jié)速率的影響。P. Comandini等[10]通過(guò)研究功率超聲對(duì)馬鈴薯浸漬冷凍參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在凍結(jié)過(guò)程中，預(yù)期的成核和凍結(jié)時(shí)間的減少可能會(huì)對(duì)冷凍食品的性能造成很大的影響。S. Q. Hu等[11]探討了超聲波對(duì)冷凍面團(tuán)凍結(jié)過(guò)程中冷凍速率的影響，表明超聲功率從280 W增加到360 W時(shí)，在凍結(jié)過(guò)程的相變階段，凍結(jié)速率和凍結(jié)時(shí)間縮短超過(guò)11%。L. Bing等[12-14]分別在對(duì)馬鈴薯[12]，蘋果[13]，西蘭花[14]等的研究中也得出：利用功率超聲波能有效促進(jìn)浸漬冷凍水果和蔬菜的凍結(jié)速率。

在超聲波輔助冷凍的研究中，超聲波的作用方式大致分為兩種：一種是通過(guò)超聲波水浴向樣品傳遞超聲波，即浸漬冷凍；另一種是樣品本身為即為液體。這是由于液體與聲波間的聲阻抗很低，十分利于超聲波的傳播。而聲能在食品組織中的傳播效率并不高，所以輔助成核的實(shí)驗(yàn)對(duì)象很少為固體樣品。但在食品加工過(guò)程中，很多冷凍過(guò)程是通過(guò)冷板來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此用液體作為超聲波的傳播環(huán)境顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此，本文設(shè)計(jì)并制作了一種接觸式超聲波輔助冷凍平板，用于固體果蔬的冷凍過(guò)程，探索不同的超聲波輔助冷凍的條件(作用功率、作用時(shí)間、作用階段)對(duì)胡蘿卜冷凍速率的影響，優(yōu)化接觸式超聲波輔助平板冷凍工藝參數(shù)，為超聲波輔助平板冷凍過(guò)程提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

厚5 mm，直徑33 mm圓柱狀新鮮胡蘿卜切片，放入冰箱待用。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

超聲波輔助成核由自制的超聲波平板實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。設(shè)備由一個(gè)功率可調(diào)式超聲波發(fā)生器(THD-2010A, TAIHEDA)、4個(gè)超聲波振子以及一個(gè)不銹鋼平板(長(zhǎng)寬20 mm，厚度2 mm)組成。超聲振子被均勻地固定在不銹鋼平板上。通過(guò)發(fā)生器可在0～240 W范圍內(nèi)調(diào)節(jié)超聲波平板的輸出功率。

圖1 超聲波平板設(shè)備圖Fig.1 Experimental equipment for ultrasound-assisted freezing

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先將超聲波平板放置于冷凍干燥機(jī)內(nèi)的冷板上提前預(yù)冷2 h，預(yù)冷溫度為-40 ℃。預(yù)冷結(jié)束后，從冰箱取出三片胡蘿卜片，于幾何中心插入一根T型熱電偶，并同時(shí)置于凍干機(jī)內(nèi)的超聲波平板上。注意每次放置樣品于平板上的位置盡量保持一致，以保證每次實(shí)驗(yàn)樣品所吸收的聲能一致。溫度采集卡每0.5 s采集一次數(shù)據(jù)。

當(dāng)樣品溫度降至實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)向樣品施加指定參數(shù)的超聲波。隨后，胡蘿卜樣品繼續(xù)冷凍至-30 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，保存溫度數(shù)據(jù)，取出實(shí)驗(yàn)樣品，進(jìn)行下一組參數(shù)的實(shí)驗(yàn)。為了研究超聲波作用的最佳參數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同超聲波功率、作用時(shí)間以及作用階段對(duì)胡蘿卜平板冷凍速率的影響。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：

1)超聲波功率：0 W，122.6 W，178.7 W，229.8 W。超聲波作用時(shí)間固定為10 s，作用溫度-1 ℃；

2)超聲波作用時(shí)間：0 s，5 s，10 s，15 s。超聲波功率固定為178.7 W，作用溫度為-1 ℃；

3)超聲波作用階段：預(yù)冷段(4 ℃～0 ℃)，相變段(-1 ℃～-7 ℃)，終了段(-7 ℃～-30 ℃)，超聲波作用功率和時(shí)間分別為178.7 W和10 s。

相同參數(shù)下的平行實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次以上，利用繪圖分析軟件(Origin 8.0)取平行實(shí)驗(yàn)的平均值繪制凍結(jié)曲線。凍結(jié)速率的比較參照T.M.Ngapo等[15]的方法，將樣品通過(guò)-1 ℃～-7 ℃溫度段的時(shí)間tcf作為比較冷凍效率的特征參數(shù)，因?yàn)榇蟛糠值谋г谠摐囟榷涡纬伞Ｍ瑫r(shí)樣品從初始溫度4 ℃降溫至-30 ℃的總耗時(shí)ttf也被用來(lái)比較各實(shí)驗(yàn)組樣品間的凍結(jié)速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波作用功率對(duì)冷凍速率的影響

圖2所示為胡蘿卜樣品在-1 ℃，施加10 s不同功率(0 W，122.6 W，178.7 W，229.8 W)的超聲波后的凍結(jié)曲線。結(jié)合表1可得，在122.6 W超聲波作用下的凍結(jié)曲線和空白樣品的凍結(jié)曲線基本重合，超聲組和空白組的tcf分別為149 s和145 s。當(dāng)超聲強(qiáng)度提升至178.7 W時(shí)，樣品的凍結(jié)速率有了顯著提升(P<0.05)，tcf縮減至79 s，而總凍結(jié)時(shí)間ttf從空白組的587 s降低至488 s。當(dāng)進(jìn)一步提升超聲波功率至229.8 W時(shí)，該組樣品的凍結(jié)曲線開(kāi)始呈現(xiàn)了與其他三組樣品不同的趨勢(shì)。由圖可知，在-1 ℃～-5 ℃溫度段，229.8 W的凍結(jié)曲線幾乎與178.7 W完全重合，但從-5 ℃開(kāi)始，229.8 W的凍結(jié)曲線的斜率開(kāi)始逐漸平緩，且這種平緩趨勢(shì)的保持時(shí)間比任何一組的凍結(jié)曲線都要長(zhǎng)，相對(duì)應(yīng)該曲線的tcf和ttf也是四組樣品中最久的，分別是199 s和684.5 s。

空化氣泡強(qiáng)烈震蕩而產(chǎn)生的微射流(micro streaming)能顯著提高傳熱傳質(zhì)速率[16-18]。而具體表現(xiàn)在超聲波輔助冷凍方面，微射流可以降低冰晶與周邊液體間的傳熱傳質(zhì)阻力，從而提升凍結(jié)速率[19]。另外，瞬時(shí)空化氣泡的內(nèi)爆能夠打破冰晶/液體界面間的熱與速度邊界層，降低傳熱阻力并在爆點(diǎn)周圍產(chǎn)生劇烈的攪動(dòng)[20]。所以在178.7 W超聲波的作用下，能夠顯著降低樣品通過(guò)最大冰晶生成段的時(shí)間tcf(-1 ℃～-7 ℃)。

圖2 不同超聲波功率對(duì)胡蘿卜平板冷凍速率的影響Fig.2 The effect of ultrasound power on plate freezing rate of carrot

表1 不同超聲波功率下胡蘿卜樣品的凍結(jié)時(shí)間

在該實(shí)驗(yàn)條件下，122.6 W的超聲強(qiáng)度不足以在樣品中產(chǎn)生空化效應(yīng)，即沒(méi)有對(duì)凍結(jié)過(guò)程產(chǎn)生任何影響。而229.8 W超聲波作用下的凍結(jié)曲線可明顯看出tcf和ttf都遠(yuǎn)高于對(duì)照組，說(shuō)明該功率下的超聲波在樣品中產(chǎn)生了額外的熱量，延緩了凍結(jié)過(guò)程。

2.2 超聲波作用時(shí)間對(duì)冷凍速率的影響

圖3所示為在不同超聲波作用時(shí)間下(0 s，5 s，10 s，15 s)胡蘿卜樣品的凍結(jié)曲線。其中作用溫度為-1 ℃，超聲功率為178.7 W。如圖所示，5 s超聲作用下的凍結(jié)曲線與空白曲線幾乎重合，由表2定量可知，該組樣品的tcf為137 s，相較于空白組149 s提升12 s，說(shuō)明5 s超聲波的施加對(duì)樣品的凍結(jié)過(guò)程稍有改善。而在10 s超聲波作用下的樣品其tcf下降至79 s，相比于對(duì)照組降低53%，同時(shí)總凍結(jié)時(shí)間相較于對(duì)照組縮短了99 s。當(dāng)進(jìn)一步提升超聲波作用時(shí)間至15 s后，該組樣品的凍結(jié)曲線比其他組平緩，其中tcf值幾乎與對(duì)照組相同為146 s，總凍結(jié)時(shí)間ttf為672.5 s，比對(duì)照組增加85.5 s。

圖3 不同超聲波作用時(shí)間對(duì)胡蘿卜平板冷凍速率的影響Fig.3 The effect of ultrasonic exposure time on plate freezing rate of carrot

表2 不同超聲波作用時(shí)間下胡蘿卜樣品的凍結(jié)時(shí)間

進(jìn)一步對(duì)比這兩組樣品的tcf時(shí)可知，5 s超聲波的作用能夠縮減樣品通過(guò)最大冰晶成核帶的時(shí)間，而當(dāng)作用時(shí)間延長(zhǎng)至10 s時(shí)，效果更為顯著。這是由于超聲波作用時(shí)間越長(zhǎng)，由空化效應(yīng)在樣品中產(chǎn)生攪動(dòng)的時(shí)間也越長(zhǎng)，促進(jìn)換熱的效果也就越持久[21]。但過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的超聲波如同功率過(guò)高的超聲波一樣，會(huì)在傳播介質(zhì)中產(chǎn)生額外的熱量，若這些熱量不能及時(shí)被冷源帶走，多余的熱量就會(huì)延緩凍結(jié)過(guò)程。因此在15 s超聲波作用下的樣品一方面由于空化效應(yīng)提高了樣品與冷源間的換熱系數(shù)，但另一方面，長(zhǎng)時(shí)間超聲產(chǎn)生的多余的熱量抵消了超聲空化提升換熱效率的作用，所以15 s超聲作用下樣品的tcf值與對(duì)照組十分接近。

2.3 超聲波作用階段對(duì)冷凍速率的影響

圖4所示為在不同階段(預(yù)冷段，相變段，終了段)作用超聲波對(duì)胡蘿卜凍結(jié)過(guò)程的影響。當(dāng)10 s, 178.7 W超聲波作用于凍結(jié)初始段時(shí)(4 ℃～0 ℃)由圖可知該組樣品初始凍結(jié)速率是四組中最快的并且最先達(dá)到凍結(jié)溫度，但相比于對(duì)照曲線，tcf由149 s延長(zhǎng)至171 s。由表3可知，當(dāng)超聲波作用于相變段(-1 ℃～-7 ℃)時(shí)，無(wú)論是tcf還是ttf都大幅降低，凍結(jié)速率得到顯著改善。而當(dāng)超聲波作用于凍結(jié)終了段時(shí)，-7 ℃～-30 ℃溫度段的降溫速率有所提升，但總凍結(jié)時(shí)間變化不大。

圖4 不同超聲波作用階段對(duì)胡蘿卜平板冷凍速率的影響Fig.4 The effect of ultrasonic phase stage on plate freezing rate of carrot

表3 不同超聲波作用階段下胡蘿卜樣品凍結(jié)時(shí)間

在預(yù)冷段由于水分還沒(méi)有發(fā)生相變，因此該階段只有顯熱被釋放，而超聲波的施加能夠增加樣品與冷板間的導(dǎo)熱系數(shù)，提高顯熱的釋放速度。雖然樣品前期的凍結(jié)速率有所提升，但tcf和ttf沒(méi)有得到改善，因此在預(yù)冷段施加超聲波不能有效改善凍結(jié)工藝。而在相變階段，水被凍結(jié)成冰的過(guò)程中，將有大量潛熱需要被移除并且大部分冰晶將在該階段生成，因此樣品中冰晶生成的大小以及數(shù)量取決于通過(guò)該凍結(jié)階段的時(shí)間。而越快通過(guò)該凍結(jié)階段，被凍樣品的最終質(zhì)量越好[22]。因此在該階段施加超聲波的作用，一方面由于超聲振動(dòng)，提高了樣品與制冷介質(zhì)的對(duì)流傳熱系數(shù)，加快了相變潛熱的移除；另一方面，超聲波在液體介質(zhì)中產(chǎn)生的空化效應(yīng)能有效提高冰晶的成核率，降低晶核的大小以及加快冰晶的成長(zhǎng)速度。而當(dāng)超聲波作用于終了段時(shí)，雖然能夠提升后期產(chǎn)品的降溫速率，但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看沒(méi)有改善總凍結(jié)時(shí)間，因此對(duì)改善產(chǎn)品凍結(jié)過(guò)程的意義不大。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種接觸式超聲波輔助平板冷凍法，并將其應(yīng)用于胡蘿卜的冷凍過(guò)程。分別研究了超聲波的作用功率、作用時(shí)間、作用階段等參數(shù)對(duì)胡蘿卜冷凍速率的影響，結(jié)果表明：178.7 W的超聲波于相變階段作用10 s，能夠有效降低樣品通過(guò)最大冰晶生成段的時(shí)間tcf和總凍結(jié)時(shí)間ttf。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，空化效應(yīng)最為顯著，它能有效促進(jìn)空化氣泡的產(chǎn)生和微射流的發(fā)生。空化氣泡可以作為冰核，增加冰晶的成核速率；微射流可以降低冰晶與周邊液體間的傳熱傳質(zhì)阻力，提升凍結(jié)速率。因此，該接觸式超聲波輔助平板冷凍法能夠有效提高固體樣品的冷凍速率。

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About the corresponding author

Zhou Xinli,female,Ph.D., associate professor, School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,+86 13817547878,E-mail:zjulily@163.com. Research fields: food refrigeration and freeze-drying.

Influence of Contact Ultrasound Assisted Vibrating Plate on the Freezing Rate of Carrot

Zhou Xinli Teng Yun Dai Cheng

(School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai，200093, China)

Ultrasound can promote the formation of crystal nucleus, shorten the freezing time and get a higher quality freeze, but the technology is currently used for the liquid samples or immersion freezing process, and solid samples were barely taken into account. In this paper, the contact ultrasonic assisted vibrating plate was designed and set up, which is used for the freezing process of solid fruits and vegetables. The effects of ultrasound power, exposure time and phase stage on the freezing rate of the carrot were investigated. The experiments are divided into three groups: 1)applying ultrasound with different powers (0 W,122.6 W,178.7 W,229.8 W) for 10 s at -1 ℃; 2)applying 178.7 W ultrasound at -1 ℃ for 0 s,5 s,10 s,15 s respectively; 3)applying 178.7 W ultrasound for 10 s during different phase stages. The results showed that the optimum condition is applying 178.7 W ultrasound for 10 s during transition phase，which can significantly reduce thetcf(characteristic freezing times) andttf( total freezing times) and increase the freezing rate of samples.

ultrasound; plate freezing; freeze rate; carrot

0253- 4339(2017) 02- 0109- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.109

國(guó)家自然科學(xué)基金(51376132)資助項(xiàng)目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51376132).)

2016年8月22日

TS205.7;TS255.3

A

周新麗，女，博士，副教授，上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，13817547878，E-mail:zjulily@163.com。研究方向：食品冷凍冷藏與冷凍干燥。