干冰噴射進出口位置對草莓速凍過程的影響

寧靜紅，趙延峰，孫朝陽，劉茂

(天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室，天津，300134)

近年來，對速凍食品的需求促進了該領域研究的不斷發展。速凍食品的形式發生了很大變化，冷卻劑從空氣和鹽水到現在部分采用液氮、液態二氧化碳等，溫差和傳熱系數更大，提高了凍結速率[1]。食品種類豐富多樣，凍結方法也不盡相同。由于草莓表皮脆弱，采摘后呼吸強度較高，在常溫下存放2 d左右便開始腐爛[2]，采取速凍的方法使草莓更利于保存。

鼓風凍結的運用較為普遍，流態化凍結利用自下而上的冷空氣實現懸浮態凍結，隧道式凍結能夠實現產品的連續生產。但利用風機提供高速流動的冷空氣需要消耗大量能量，食品干耗較大[3]。間接凍結是利用經低溫介質冷卻的金屬板與食品接觸實現食品凍結，該種方式設備體積小、節省能耗、食品干耗小，但平板接觸式凍結的速度較慢，對食品的形狀有一定限制[4]。近年來液氮速凍因其凍結速度快、解凍后食品質量高等特點，逐漸成為單體速凍食品的主要工業凍結方法之一[5]。樊建等[6]采用噴霧式流態化液氮速凍的方法對草莓速凍進行研究，發現利用-50 ℃以下溫度進行凍結，解凍后凍品質量較好。張慶剛等[7-9]對藍莓進行了液氮流態化速凍研究，發現不同的凍結溫度和風速對藍莓相關品質指標有顯著影響，與冰箱凍結相比，液氮速凍后的藍莓可凍藏更長的時間。劉貴慶等[10]研制了液氮噴霧流化態化速凍機，分析了液氮速凍的缺點主要是費用太高，液氮貯存有較高的要求。因此，尋找一種高效經濟的速凍方式成為當下速凍食品發展的迫切需求。

自然工質干冰價格低廉、容易存儲、環境友好。利用干冰低溫及高相變潛熱的特性，可以快速使封閉空間內食品的溫度下降，從而達到快速凍結目的，能最大限度地保持食品原有的新鮮狀態和營養成分。本文借鑒國內外對食品的模擬分析[11-18]、干冰噴射系統[19-22]及其模擬方法[23-24]，寧靜紅等[25]設計干冰噴射速凍間模型，利用Comsol軟件對速凍間內溫度分布、降溫特性、散熱流場進行模擬，確定最佳的干冰流速、噴射口徑和進出口位置。此外，借鑒食品速凍后理化特性分析方法[26-29]，設計了草莓速凍后理化性質變化的實驗，為進一步設計開發干冰速凍草莓裝置提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 速凍間物理模型

速凍間尺寸為500 mm×500 mm×800 mm。設有4個干冰噴入口(圖1)，1個氣體二氧化碳出口。草莓擱板尺寸400 mm× 400 mm×5 mm，草莓半徑設置為15 mm，高度設置為40 mm，2個草莓間距為15 mm。擱板邊緣草莓距邊界為5 mm，一盤有81個草莓，共擺放4盤，每層擱板相距160 mm。通過改變進出口與擱板位置，優化的速凍間模型，圖1以1種模型為例。

圖1 速凍間模型Fig.1 Model of quick-freezing room

1.2 速凍間結構及數值模擬

1.2.1 干冰進出口位置設定

如圖2所示，進出口共設計了8種模型，分別為進口對稱出口中置模型a、左側4進口右下出口b、進口交替進入右下出口c、進出口同側d、進口不對稱出口中置e、左2上進右2下進左下出f、左側4進口后出口g、左4進口上出口h。

a-進口對稱出口中置；b-左側4進口右下出口；c-進口交替進入右下出口；d-進出口同側；e-進口不對稱出口中置；f-左2上進右2下進左下出；g-左側4進口后出口；h-左4進口上出口圖2 速凍間模型圖Fig.2 Figure of quick-freezing room modle

1.2.2 草莓中心溫度

草莓速凍間模型的干冰入口半徑、出口半徑和擱板厚度等參數分別設定為：25、50、5 mm。出口干冰固相分數為50%，另外50%為氣態二氧化碳。干冰噴射口處流速大，掠過草莓表面速度降低，干冰在草莓表面吸熱發生相變，升華成二氧化碳氣體經出口排出，草莓由表及里溫度逐漸降低，草莓自身的熱阻導致草莓內部溫度下降較外表面緩慢。對不同進出口模型進行模擬，可以準確獲得速凍間的速度場和溫度場。

由文獻可知速凍草莓需在20 min內將中心溫度降至-18 ℃以下，外表面溫度降至-35 ℃以下。通過最大冰晶生成帶越快，速凍凍品的品質越高。每個草莓與其余草莓的中心溫度相差越小，越能保證同批凍品的溫度一致性，生產出的草莓凍品溫度均勻，有效保證凍品的品質，并利于進一步貯藏。

通過模擬得知，速凍間內所有草莓的中心溫度達到-18 ℃及以下時，草莓中心溫度最高和最低的溫度差值按由小到大為：模型a為6.2 ℃、模型c為9.9 ℃、模型f為10.6 ℃、模型h為16.4 ℃、模型b為18.5 ℃、模型d模型為20.2 ℃、模型e為21.5 ℃、模型g為22.7 ℃。可知模型a、模型c草莓的中心溫差小于10 ℃，溫度更加均勻，可以生產出更好的凍品，這是由于模型a結構較對稱，干冰較均勻地噴射至草莓表面。模型c設計的進口雖然不對稱，但由于噴射方向不同，可以更好地利用噴射尾部的干冰，使尾部干冰循環次數增多，各個隔板、位于不同位置的草莓更加充分地接觸干冰，減少熱阻，利于草莓內部的熱量傳出，提高草莓與干冰之間的傳熱效率，因此溫度比較均勻。綜上所述，模型a、模型c可以生產出較高質量的草莓速凍產品。

1.2.3 草莓表面溫度

圖3為草莓表面全部到達-35 ℃以下時的表面溫度圖。可以較為直觀地觀測每個草莓表面的溫度及所有草莓的溫度均勻度。可以看出，溫度最為均勻的是模型c，由于干冰循環次數較快，在模型內不存在滯留，干冰流動過程的擾動較為均勻，較高的流速實現較好的傳熱效果，更利于溫度控制。模型h呈現出位于下部2層草莓的溫度分布不均勻，是由于出口在上，干冰在最下方產生明顯渦旋，增大干冰流動阻力，干冰不能很好地與草莓接觸，導致接觸熱阻增大，傳熱效率減小，不利于草莓的降溫。其余模型大都是位于干冰噴射入口直線上的草莓溫度過低，但是對速凍時間沒有很大的影響。溫度最不均勻的是模型e，這是由于出口設置在中間位置，距離出口較近的第3個干冰入口噴出的干冰幾乎不在速凍間內循環，從出口直接流出，導致干冰損失，這樣不僅造成速凍時間變長，而且造成上面2層草莓溫度過冷。綜上所述，相比其他模型，模型c草莓表面的溫度更為均勻。

a-進口對稱出口中置；b-左側4進口右下出口；c-進口交替進入右下出口；d-進出口同側；e-進口不對稱出口中置；f-左2上進右2下進左下出；g-左側4進口后出口；h-左4進口上出口圖3 不同速凍間模型草莓表面溫度Fig.3 Surface temperature of strawberry in different quick-freezing models

1.2.4 速凍間速度場

干冰進出口位置不同會使速凍間內干冰流體間產生相互擾動，進而形成不同的速度場。圖4為8種模型的干冰速度場。模型c所示干冰流線均勻且流速較大，最后匯集到出口處，速凍空間內充滿干冰的流動軌跡，每個噴入口的干冰尾部被下一個噴嘴出口的沖擊力帶動進入下一次循環，掠過下一層草莓，干冰與草莓充分均勻地接觸，干冰的流動阻力損失小，草莓與干冰間傳熱性能提高，形成良好的流動與傳熱協同效果，因此，草莓的速凍質量要優于其他的模型。模型a、模型e、模型h在速凍間內干冰產生渦旋，擾動較大，不利于干冰流體與草莓充分接觸，影響傳熱效果。模型b、模型d、模型f、模型g的流場較為混亂，干冰流動阻力損失也相應過高，導致部分區域流線較少，流速較低且流動不充分，不能達到良好的速凍效果。綜上所述，模型c可實現流動和傳熱的最佳耦合。

a-進口對稱出口中置；b-左側4進口右下出口；c-進口交替進入右下出口；d-進出口同側；e-進口不對稱出口中置；f-左2上進右2下進左下出；g-左側4進口后出口；h-左4進口上出口圖4 不同速凍間模型的干冰速度場Fig.4 Dry ice velocity fields of different quick-freezing models

1.2.5 草莓速凍時間

草莓速凍時間直接反應速凍效率和模型的可行性，如圖5所示，8個速凍間內草莓表面和中心的溫度到達設定溫度的時間，當全部草莓中心溫度達到-18 ℃及以下時，速凍完成。由圖5可以看出，模型c的速凍時間最短，更快完成草莓速凍。有效防止最大冰晶帶生成，將草莓細胞中的水份保持小冰晶狀態，減少細胞破壞，防止解凍過程原成分通過水滴流出，保證凍品的質量。

圖5 草莓到達設定溫度時間圖Fig.5 Time chart of strawberry reaching set temperature

2 結果與分析

2.1 優化速凍間的實驗驗證

實驗裝置如圖6所示，從右到左依次為二氧化碳氣瓶、減壓閥、數據獲取子系統、流量調節閥、流量計及臺面下方的草莓速凍間，利用MX100收集草莓內、外溫度變化數據，草莓表皮(約1 mm處)和中心分別插入熱電偶，熱電偶接入橫河MX100數據采集器，溫度變化及凍結溫度曲線由計算機顯示并自動記錄和繪制。進出口位置按模型c設置。

圖6 實驗裝置圖Fig.6 Experimental apparatus diagram

實驗分別改變入口的位置，如模型c、模型f所示，其余位置用橡膠塞和泡沫膠進行封堵。按照模擬優化獲得的不同入口的位置，采集所有草莓表面和中心的溫度到達速凍溫度的時間，并分別與模擬結果進行比較。

2.2 草莓理化性質的變化

分別測量模型c、模型f速凍后草莓理化性質的變化。用XK3190-A19E型電子秤(上海耀華)分別測定速凍前后草莓的質量；通過CR-400型色彩色差儀(柯尼卡美能達)測定草莓的L、a和b值，其中L值為亮度指數；采用2，6-二氯靛酚滴定方法測定速凍前后果品中維生素C的含量；可溶性固形物含量采用PLA-BXIACID5型糖度儀測定(日本ATAGO)；根據花青素甲醇提取液的吸收光譜特性，再利用紫外可見分光光度計在特定波長下測定其吸光度值，最后與標準曲線比較計算花青素的含量。

所測草莓中降溫最慢的草莓溫度達標可以認定實驗結束。模擬中模型c、模型f草莓表面和中心的溫度到達速凍標準的時間如表1所示，誤差為實驗與模擬相比所得結果。綜合分析是草莓形狀與模型橢圓有所差距，草莓越接近模型尺寸，得到的結果越接近模擬的時間,并且熱電偶的布置也會影響干冰的噴射流場狀況。

表1 實驗結果及誤差Table 1 Experimental results and errors

草莓為中國山東省濟南產紅顏草莓，4月份采購于天津市西青區紅旗農貿市場。草莓大小均勻，表面均無破損。結果如表2所示。與速凍草莓標準CXS52—1981(2019版)相比，干冰噴射速凍方式相關參數均優于其要求。

表2 速凍前后草莓參數Table 2 Strawberry parameters before and after quick-freezing

3 結論

通過模擬不同干冰進出口位置的速凍間模型，分析不同結構草莓速凍間對草莓速凍的影響，得出以下結論：

(1)模型a所有草莓中心溫度到達-18 ℃及以下時，草莓中心溫度最高和最低相差較小為6.2 ℃。模型c，全部草莓中心溫度到達-18 ℃及以下時，所有草莓中心溫度最高和最低相差較小為9.9 ℃，可以使凍品溫度均勻，有利于貯藏，模型c草莓表面的溫度較均勻。

(2)模型c干冰流線均勻且流速較大，速凍空間內充滿干冰的流動軌跡，每個噴入口的干冰尾部被下一個噴嘴出口的沖擊力帶動進入下一次循環，掠過下一層草莓，干冰與草莓充分均勻地接觸，干冰的流動阻力損失小，草莓與干冰間傳熱性能提高，形成良好的流動與傳熱協同效果。

(3)通過實驗驗證模擬優化的速凍間模型的結果，模型c內草莓表面和中心溫度達到設定要求，平均誤差分別為2.10%和5.79%。對速凍前后草莓失水率、色澤度、維生素C、可溶性固體和花青素等指標進行測定，其均優于標準中速凍草莓的參數。

綜上所述，模型c滿足草莓速凍生產的需求，干冰速凍可以穩定高效地制取凍品，所得的結果可為進一步設計開發干冰速凍系統提供依據。