預(yù)冷技術(shù)應(yīng)用分析

摘要：真空預(yù)冷、壓差預(yù)冷的概念和應(yīng)用過程。在研究中發(fā)現(xiàn)真空預(yù)冷用于預(yù)冷柔軟的蔬菜類食品，如生菜等的時候比壓差預(yù)冷更有效果。另外真空預(yù)還可以用來處理湯汁類食品。壓差預(yù)冷也有它獨到的優(yōu)點，系統(tǒng)簡單，操作簡單，節(jié)約能源并且效果很好。它可以用來預(yù)冷硬度較大的蔬菜類食品如黃瓜、西紅柿等。兩種預(yù)冷方式對應(yīng)于不同的食品有各自的優(yōu)點。在預(yù)冷速度上真空預(yù)冷要快于壓差預(yù)冷，在預(yù)冷失重上壓差預(yù)冷比真空預(yù)冷好很多。

前言

 自從我國實施“菜籃子工程”以來，產(chǎn)銷發(fā)生了巨大的變化：（1）果蔬的產(chǎn)銷已經(jīng)有原來的供量偏緊轉(zhuǎn)向常年總量有余的總量平衡；（2）隨著大中城市居民生活水平的提高，對果蔬和各種食品的要求越來越高，不僅要求一年四季種類齊全，更注重食品的新鮮、營養(yǎng)、清潔、環(huán)保等品質(zhì)指標；（3）各種食品尤其是果蔬品種的流通領(lǐng)域由原來的國營市場為主的單一渠道發(fā)展成多渠道的流通網(wǎng)絡(luò)。然而，長期以來，食品加工后的冷藏鏈一直沒有健全，大部分的食用產(chǎn)品經(jīng)過生產(chǎn)加工后就直接進入市場銷售。而在運輸和積存的過程中造成了很大的浪費，使生產(chǎn)量和銷售量之間的落差很大，給國家和人民造成很大的損失。實踐證明這種冷藏鏈的不健全主要是生產(chǎn)后的預(yù)冷步驟不受重視造成的。

預(yù)冷的概念最早是由Powell和他的助手于1904年在美國的農(nóng)業(yè)部提出的。預(yù)冷是利用低溫處理方法將采摘后的果蔬和剛生產(chǎn)出來的食品的品溫迅速降低到工藝要求溫度的操作過程。預(yù)冷后的果蔬不僅品質(zhì)較高，有利于防止貯存過程中的質(zhì)量損失，而且降低了冷藏車、冷藏船和冷藏庫等的冷負荷，實現(xiàn)冷藏、貯運裝置的節(jié)能運行。因此，美國、日本、澳大利亞等發(fā)達國家把預(yù)冷作為果蔬采摘后的必不可少的首道工序。此外，今年來預(yù)冷的領(lǐng)域大大擴展，尤其在食品工業(yè)的嘗試取得偉大的成績。目前，發(fā)展的趨勢是把預(yù)冷技術(shù)融合到處理市售食品之中。例如：預(yù)冷熟肉、熟食等。

在過去的幾年中，預(yù)冷已經(jīng)被提上日程，一步步走進人們的視線，目前，已經(jīng)被熟知的預(yù)冷方式主要有空氣預(yù)冷、水預(yù)冷、冰預(yù)冷、和真空預(yù)冷四種方法。 但是對于冰預(yù)冷來說，冰點溫度較高，不適合預(yù)冷溫度較低的貨物，且預(yù)冷速度慢；其次，冰占據(jù)大量體積，減少貨物的裝載容量；此外，冰溶解后產(chǎn)生的水會污染貨物，成為其腐敗的直接原因。因此它的應(yīng)用逐漸淡出預(yù)冷方式的主流；水預(yù)冷也是由于預(yù)冷速度慢、并且容易造成產(chǎn)品的污染等缺點而淡出預(yù)冷市場?，F(xiàn)在重點發(fā)展的方式是真空預(yù)冷和壓差預(yù)冷，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)它們不但速度快，預(yù)冷效果好，而且造成污染的機率小。真空預(yù)冷是利用減壓的方式，促成產(chǎn)品體內(nèi)水分低溫下沸騰蒸發(fā)帶走蒸發(fā)潛熱，實現(xiàn)產(chǎn)品的預(yù)冷。壓差預(yù)冷是利用風機產(chǎn)生的壓差是冷風在產(chǎn)品的表面流過帶走產(chǎn)品的體熱實現(xiàn)預(yù)冷。這些預(yù)冷方式的應(yīng)用給產(chǎn)品的保存和運輸帶來了很大的方便，從而提高了它們的產(chǎn)銷量。在歐洲和美洲的發(fā)達國家中預(yù)冷已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

1真空預(yù)冷

1.1原理

所謂真空預(yù)冷是指將所需預(yù)冷的產(chǎn)品放置在密閉的容器中，對其進行減壓，引發(fā)產(chǎn)品本身水分蒸發(fā)，帶走大量的蒸發(fā)潛熱而被冷卻的預(yù)冷方法。用atm表示大氣壓，在一個大氣壓下水沸騰發(fā)生在100℃。當大氣壓低于一個標準大氣壓時候，有壓力和溫度的飽和關(guān)系可知水分沸騰蒸發(fā)的溫度必定降低。（如圖1-1）  

因此，我們利用真空泵、真空室、冷凝器三個部分組成的真空預(yù)冷系統(tǒng)（如圖1-2）便可以完成產(chǎn)品在低溫下水分減壓沸騰蒸發(fā)，帶走自身的蒸發(fā)潛熱實現(xiàn)產(chǎn)品的降溫預(yù)冷。

在應(yīng)用過程當中，由于該系統(tǒng)利用自身的蒸發(fā)潛能，因此它只適用于含有較高水分的產(chǎn)品。另外在 真空預(yù)冷過程中由于整個系統(tǒng)溫度較低，低壓水蒸汽會在連接真空室的導(dǎo)管內(nèi)冷凝回流堵塞導(dǎo)管而造成真空室內(nèi)壓力回升，阻止水分的蒸發(fā)，影響預(yù)冷效果。為解決這一問題，可以在真空室內(nèi)加裝冷凝器，使低壓的水蒸氣直接進入冷凝器液化為水再通過排水系統(tǒng)直接排出。最后，通過調(diào)節(jié)真空室的壓力來準確控制預(yù)冷產(chǎn)品的溫度。                                                                                   

真空預(yù)冷是一種技術(shù)含量較高，效率也較高的預(yù)冷方式，但是它需要合理、準確的操作才可以實現(xiàn)。下面講述典型的真空預(yù)冷循環(huán)。首先將產(chǎn)品放進密閉的真空室內(nèi)，開啟真空泵，將壓力一直下降到與產(chǎn)品初始溫度相一致的飽和壓力。這一降壓過程依真空室的尺寸大小以及真空泵的功率不同而適當把握工作時間，一般降壓時間維持7—10分鐘即可。當真空室內(nèi)的壓力達到工作要求時產(chǎn)品內(nèi)的水分就開始蒸發(fā)，產(chǎn)生的水蒸氣被真空泵排出室外。真空泵在此過程中只起到減壓的作用而并沒有產(chǎn)生冷量。另外在真空室內(nèi)加裝冷凝器可以使水氣迅速液化排出，促使室內(nèi)壓力大幅度降低而達到水迅速蒸發(fā)的目的。預(yù)冷過程一直維持到使產(chǎn)品達到儲藏要求為止。

2、壓差預(yù)冷

2-1原理

壓差預(yù)冷是空氣預(yù)冷的一種新形式，其原理圖（如2-1），它是利用壓差風機的抽吸作用，在包裝容器的兩側(cè)形成一定的壓力差，使冷空氣經(jīng)過包裝容器上的通風孔強制通過包裝容器內(nèi)部與預(yù)冷產(chǎn)品表面直接進行換熱，從而使物品快速、均勻的冷卻到工藝要求的溫度范圍的預(yù)冷方法

1－冷風機，2—壓差風機，3—靜壓箱，4—包裝箱，5—預(yù)冷庫

圖2-1  壓差預(yù)冷原理圖

 壓差預(yù)冷系統(tǒng)中主要由；冷風機、壓差風機、靜壓箱、包裝箱和預(yù)冷庫組成。要進行壓差預(yù)冷首先選取預(yù)冷產(chǎn)品，將產(chǎn)品進行凈污處理。拿農(nóng)作物來說，帶有的泥沙量越多預(yù)冷效果越差。之后將產(chǎn)品放入包裝箱內(nèi)，啟動壓差風機使包裝箱兩側(cè)產(chǎn)生靜壓差，之后啟動冷風機，冷風在壓差的作用下流過包裝箱與產(chǎn)品直接接觸換熱。通過調(diào)節(jié)靜壓箱內(nèi)變頻風機的頻率控制靜壓的大小。冷風從包裝箱了另一側(cè)流出再進入冷風機形成循環(huán)。實現(xiàn)產(chǎn)品的預(yù)冷。

3、不同預(yù)冷方式在加工產(chǎn)品方面的比較

   目前，美國、日本、澳大利亞等發(fā)達國家已把預(yù)冷作為果蔬采摘后以及食品加溫后必不可少的工序。在我國，隨著人民生活水平的提高和對預(yù)冷認識的加深，預(yù)冷也將會應(yīng)用的越來越廣泛。以下內(nèi)容闡述了真空預(yù)冷和壓差預(yù)冷對于不同的產(chǎn)品所具有的優(yōu)勢和不足。

   真空預(yù)冷的優(yōu)點中最重要的是它可以大大的縮短預(yù)冷時間。（如表3-1）。從表中我們可以看出真空預(yù)冷在預(yù)冷時間上的極大的優(yōu)勢，從預(yù)冷理念上分析真空預(yù)冷所具有的優(yōu)勢是由于和壓差預(yù)冷不同的預(yù)冷機制造成的。前者是通過水蒸發(fā)而獲得冷量而后者是利用冷風掠過產(chǎn)品表面帶走熱量，即熱量交換和傳遞來實現(xiàn)的，從導(dǎo)熱和蒸發(fā)換熱的效率上來比較不到1：16，在預(yù)冷時間上的差別就有了理論依據(jù)。冷卻時間的縮短不僅可以保證易腐食品的質(zhì)量，而且從衛(wèi)生角度看更加保險，同時降低了運行成本。

3-1  預(yù)冷時間比較表

   真空預(yù)冷與壓差預(yù)冷不同，它是通過水蒸氣的蒸發(fā)來實現(xiàn)的，蒸發(fā)過程同時發(fā)生在產(chǎn)品的內(nèi)部和表面，因此產(chǎn)品中有穩(wěn)定的溫度分布。例如：有一堆水果同時被真空預(yù)冷，所有的產(chǎn)品的溫度可以在同樣的速率下降低，包括頂部的，中部的和底部的，對于尺寸較大的產(chǎn)品來說，用真空預(yù)冷時，產(chǎn)品表面和中心的溫度差比壓差預(yù)冷要小的多了。

從預(yù)冷的理論方面來講，真空預(yù)冷和壓差預(yù)冷所適用的產(chǎn)品種類有較大的區(qū)別。（如下表3-2）

表3-2    預(yù)冷產(chǎn)品比較

   最近的研究表明真空預(yù)冷不但用于食品保鮮方面效果突出，在鮮花的保鮮方面也有很明顯的成績。鮮花的生命很脆弱，如果把它們放在壓差預(yù)冷的條件下，根本無法接受預(yù)冷就會受到損傷，因為它經(jīng)不起包裝箱兩側(cè)由壓差造成的冷風力影響。實驗證明真空預(yù)冷瓶內(nèi)水仙花和百合花使其延長保鮮壽命收到了很好的效果。將真空預(yù)冷到2℃后的鮮花放在室溫19-20℃的水中，可以保存7-8天的新鮮度，而不經(jīng)過預(yù)冷處理的鮮花只能保存2-3天的時間，另外經(jīng)過處理后的鮮花無論是放在水中還是放在平面上都是一樣的保持新鮮，這就給花朵的運輸帶來了極大的方便。

   預(yù)冷在歐洲和美洲的國家中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，在處理生菜等小蔬菜食品方面真空預(yù)冷比壓差預(yù)冷更有優(yōu)勢。這依然是由于真空預(yù)冷理想的預(yù)冷速率。例如在30分鐘內(nèi)就可以將3-5公斤的生菜從25℃冷卻到1℃，并使生菜的各部分組織結(jié)構(gòu)不受到損傷，菌類迅速死亡，比起壓差預(yù)冷下加PVC薄膜包裝毫不遜色。

   預(yù)冷蘑菇是真空法的一項專利應(yīng)用。蘑菇的滲透結(jié)構(gòu)和高潮濕性滿足了真空預(yù)冷實現(xiàn)的條件。研究指出真空預(yù)冷法可以把儲藏102小時以后的蘑菇在延長24小時。另外真空法保存稍微變質(zhì)的蘑菇比壓差法好很多。蘑菇本身是一種食用菌，如果被其他的惡性菌侵染腐蝕很快，真空法依靠理想的冷卻速率可以達到保藏的效果，而壓差預(yù)冷不能那么快的使蘑菇表面的霉菌凍結(jié)死亡，即不能很好的保藏質(zhì)量較差的蘑菇。

   真空預(yù)冷法在處理松軟食品如：面包、蛋糕、果凍、果醬等含有較高黏膠性纖維結(jié)構(gòu)的食物時也收到很好的效果。真空預(yù)冷過程由于環(huán)境壓力低于產(chǎn)品內(nèi)部壓力，因此不會使產(chǎn)品產(chǎn)生褶皺，塌陷等損壞。在傳統(tǒng)的預(yù)冷方式中包括壓差預(yù)冷對于處理高纖維的產(chǎn)品存在的問題除了會損壞產(chǎn)品的形狀外，主要表現(xiàn)在預(yù)冷效率大為降低，因為組織中大量的黏膠纖維結(jié)構(gòu)對熱量的傳導(dǎo)和疏散起到很大的阻滯作用，工作耗時大，耗能高，經(jīng)濟效益低。例如：預(yù)冷50Kg的含有酸乳酪的果脯真空法用1.2個小時就可以完成，用壓差法需要11個小時。

   真空法雖然具有不可替代的優(yōu)點，但是它的應(yīng)用受到很大的限制。①觀察可以真空預(yù)冷的產(chǎn)品得知此類產(chǎn)品都具有結(jié)構(gòu)上的相同點就是高潮濕性和痛透的氣孔組織，這些也是真空預(yù)冷得以進行的前提條件。但是在生活中有很大的一部分的產(chǎn)品是不滿足這些要求的。如：蘋果、梨、西紅柿等具有光滑果皮的食物應(yīng)用真空法預(yù)冷就很困難了。②真空預(yù)冷的高縮水性也給產(chǎn)品生產(chǎn)商選用此方法增加了顧慮。一般情況下用壓差預(yù)冷以及其他的預(yù)冷方法處理產(chǎn)品時，縮水失重大約為2-3％左右，而用真空法達到了11％左右（如下表3-3）。這與生產(chǎn)商的經(jīng)濟利益聯(lián)系起來就不劃算了。

3-3 預(yù)冷失重比較

雖然真空預(yù)冷很有市場潛力，但是從綜合利益上來分析壓差預(yù)冷還是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛的預(yù)冷方式。壓差預(yù)冷通常采用中心抽吸式、側(cè)面抽吸式和隧道式三種形式縮小了生產(chǎn)所需空間，庫容利用更加合理，其預(yù)冷方式比其他預(yù)冷方式如水預(yù)冷、冰預(yù)冷，更為均勻。適用于各種果蔬，尤其對蘋果、黃瓜等硬度較大的果蔬效果更佳。預(yù)冷過程中減少了水分蒸發(fā)造成的產(chǎn)品表面凝縮，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。在對產(chǎn)品預(yù)冷后的色澤和口感上的調(diào)查表明壓差預(yù)冷較真空預(yù)冷有更高的可接受程度，這主要是從失水的方面考慮，真空預(yù)冷失水較大必然造成產(chǎn)品變硬是口感下降，而壓差預(yù)冷就不存在這樣的問題了。最后從兩種系統(tǒng)的總投資費用上比較壓差預(yù)冷要比真空預(yù)冷更節(jié)約，但是生產(chǎn)的運行費用較高，另外生產(chǎn)過程中碼垛堆積費時，總之在生產(chǎn)應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品的需要合理選用預(yù)冷系統(tǒng)以達到省時節(jié)能高效的綜合目的。

4、實現(xiàn)預(yù)冷的技術(shù)關(guān)鍵和影響因素

4-1真空預(yù)冷

   真空預(yù)冷的實現(xiàn)首先要求系統(tǒng)的合理配置和安裝，選用與所用真空室相匹配的真空泵，一達到安全節(jié)能的效果；第二對預(yù)冷的產(chǎn)品有高度的選擇性，它要求產(chǎn)品具有通透的氣孔結(jié)構(gòu)和高含水量。第三對真空室內(nèi)的氣壓要求有精確的控制，產(chǎn)品的水分一旦開始大量蒸發(fā)必然造成對室內(nèi)壓力的影響，影響過大時會導(dǎo)致蒸發(fā)的停滯，因此必修保證室內(nèi)的壓力穩(wěn)定，加裝冷凝器可以收到很好的效果。

4-2壓差預(yù)冷

   壓差預(yù)冷的實現(xiàn)也受到很多外界條件的影響。首先，預(yù)冷前準備工作的工作量較大，要對產(chǎn)品進行分類碼垛放進包裝箱，因為不同的碼垛方式在預(yù)冷過程中形成不同的氣孔編排形式，對冷風流過時造成的壓降有很大的影響。對于不同直徑，不同堆碼形式的橘子在一定的空氣流速下進行的壓降測試如下表（表4-1）。其計算公式如下：

    △P=cLυaDb/ε3        

   △P—壓力降。Pa

    L—空氣流過長度。m

   υ—箱體橫截面空氣平均流速，m/s

   ε—物品堆放的孔隙率：（總?cè)萘俊a(chǎn)品占用容積）/總?cè)萘?o:p>

D—產(chǎn)品（多空介質(zhì)）的平均當量直徑，m

4-1 系數(shù)a、b、c的數(shù)值

第二，壓差預(yù)冷的系統(tǒng)設(shè)計中對箱體的開孔位置有嚴格的要求。因為不同的開口位置造成不同的冷風進入方向和冷風進入量。它要依照所須大量預(yù)冷的產(chǎn)品來進行設(shè)計。

5、結(jié)束語

    在上文中介紹了真空預(yù)冷和壓差預(yù)冷的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)流程以、對不同產(chǎn)品應(yīng)用時候的優(yōu)缺點以及系統(tǒng)合理工作的技術(shù)要求和影響因素。

    真空預(yù)冷大大縮短生產(chǎn)時間而提高產(chǎn)量雖然會造成較大的質(zhì)量損失，但是目前已經(jīng)通過增設(shè)合理的預(yù)冷步驟而得到很大的改善。如加裝加濕器和噴淋器等在預(yù)冷進行中增加濕氣；或者在預(yù)冷前對產(chǎn)品進行鹽水注射，些方式都使失去的水分得到彌補。在預(yù)冷生菜和肉食產(chǎn)品時質(zhì)地鮮美，味道可口，從給予生活便利方面來講就是一筆很大的財富。從安全意識方面講真空預(yù)冷只與真空室內(nèi)的少量空氣接觸，從而阻斷了細菌的傳播路徑，使產(chǎn)品的衛(wèi)生質(zhì)量更高。但是由于對產(chǎn)品的高選擇性在普及上受到很大的限制，因此仍需進一步研究和更完善的系統(tǒng)。

    壓差預(yù)冷從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上講僅僅需要在普通冷庫基礎(chǔ)上加設(shè)靜壓箱和壓差風機，這樣大大減少初投資，結(jié)構(gòu)簡單容易操作，干耗小，對所預(yù)冷產(chǎn)品的要求低。這些優(yōu)點使其在預(yù)冷領(lǐng)域廣泛普及。壓差預(yù)冷應(yīng)用箱體內(nèi)冷風交換熱量，使箱體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，必須考慮冷風的流量和流速以及方向等問題，只有優(yōu)化包裝箱內(nèi)的氣流組織，產(chǎn)品才能迅速降溫，冷卻均勻。

對于小型的預(yù)冷系統(tǒng)應(yīng)盡可能的根據(jù)預(yù)冷產(chǎn)品的品質(zhì)、形態(tài)等特征選用單一的預(yù)冷方式。但是對于預(yù)冷產(chǎn)品種類多，品質(zhì)復(fù)雜的大型預(yù)冷系統(tǒng)來說應(yīng)該將兩種預(yù)冷方式聯(lián)合起來應(yīng)用，以求達收到最高的經(jīng)濟效益。