真空冷却过程中熟肉的水分迁移特性的实验研究

摘要：本文以熟肉为实验材料，对真空冷却过程中熟肉内部温度场、水分蒸发速率以及水分含量变化的实验研究，得出真空冷却过程中熟肉内部的水分迁移规律。结果发现：真空冷却初始阶段水分蒸发速率和产品的温降幅度较大。随着产品内外压差的减小，蒸发速率和温降速率也会变小。熟肉的平均水分含量从71％降低到60.69％。实验结果和理论分析显示，真空冷却过程中的水分迁移由两部分组成，一部分为由于产品内部温度不同造成不同的化学势引起食品内部的水分转移；另一部分为由于压力降低引起的水分蒸发或者沸腾后所产生的水蒸气的迁移，且后者在水分迁移中占主导地位。

1 引言

真空冷却是一种依靠水分蒸发来进行快速冷却的方法。在50年前，真空冷却就已经被应用于莴苣、蘑菇以及切花的预冷。近几年来，食品安全问题，尤其是肉制品的安全问题已经越来越受到世界各国人们的重视。另外，通过把肉煮熟可以破坏肉中病原性微生物的滋养阶段。但是煮的过程并不能杀死所有的微生物。微生物学家推荐熟肉的温度应该被快速降低，特别是在5℃～60℃温度范围内，细菌特别容易繁殖。熟肉的快速降温可以减少细菌繁殖降低污染[1]。真空冷却已经被作为快速冷却食品的一种冷却方法[2]。

控制食品的初始水分含量和水分迁移对食品的安全和质量是非常重要的[3]。真空冷却过程中的水分蒸发会使食品内部的水分损失一部分，这可能会对产品的质量产生影响。因此有必要研究真空冷却过程中的水分迁移机理，国内在这方面的研究很少。本文通过实验对真空冷却过程熟肉内部的水分迁移特性作一些初步研究。

2 实验装置、材料与方法

2.1 实验材料与装置

本试验所用的样品为猪后腿去骨肉，通过电热锅（型号为RF-P130Y）把样品的中心温度加热到75℃左右，然后样品被称重和冷却。

本实验所用的主体装置为真空冷却机，如图1所示。真空冷却机主要有真空系统和制冷系统两大部分组成，真空室的容积为0.3m3，真空泵由上海真空泵厂制造，型号为2XZ－2，泵的抽速为2L·s-1。实验过程中真空室内的真空度一般控制在610Pa～650Pa。

2.2 数据测量和采集

实验过程中样品的温度是通过T型铜－康铜热电偶进行测量的，测量精度为 ℃。在试验过程中，试验样品的中心温度、表面温度以及真空室内的温度都被测量。真空室内的压力是通过压力传感器来测量的，压力传感器为CPCA-130Z型电容薄膜式绝对压力变送器，精度为 Pa。监控和数据采集系统采用北京亚控自动化软件科技有限公司开发的工业自动化通用组态软件组态王5.0。压力和温度信号的数据采集由牛顿模块I-7018P来实现。熟肉含水量变化和水分的蒸发速率通过电子天平（JA12002）在线进行实时测量，电子天平读数的时间间隔为30s/次，最大允许误差为0.1g。熟肉冷却前后的含水量测定按照GB9695.15－88来进行。

水分的蒸发速率可以通过下式来表达：

（1）

式中 为时间间隔， 为时间，min， 为 时刻样品的质量，g。

真空冷却过程中，样品的水分含量可以通过下式来计算：

（2）

式中 m0为样品的初始质量，g；W0为样品的初始水分含量，％， 。

1－放气阀；2－质量传感器；3－试验样品；4－热电偶；5－压力传感器；

6－真空室；7－电子天平；8－收集数据的计算机；9－温度采集器；10－制冷剂出口；

11－制冷剂进口；12－冷阱；13－真空泵；14－压力采集器；15－I-7018P牛顿模块

图1 实验用真空冷却系统示意图

3 实验结果与分析

图2显示了真空冷却过程熟肉中水分的蒸发速率。从图中可以看出，真空泵刚开始时水分的蒸发速率很低，只有0.65g/min左右。然后水分蒸发速率迅速上升，达到最大的2.8g/min，并持续了几分钟，从第十分钟开始，真空冷却的蒸发速率就一直很小。

图 3显示了真空冷却过程中熟肉水分含量变化。由于实验条件的限制，只能从图3中看出真空冷却过程中熟肉平均水分含量的变化。但是从冷却前后测定的水分含量来看，冷却前熟肉中心与表面的水分含量差别不是很大，冷却前熟肉中心水分含量为73.51％，表面水分含量为71.3％，两者之差只有2.21％。冷却后熟肉中心与表面的水分含量有很明显的差别，中心水分含量为69.48％，表面水分含量为61.04％，中心与表面水分含量之差高达8.44％。真空冷却过程中，水分蒸发的结果使得熟肉的平均水分含量从71％降低到60.69％。?

图 4和5分别显示了真空冷却过程中熟肉内部温度场和真空室内压力的变化过程。对比图4中的曲线可以看出：在真空冷却的初始阶段，熟肉的中心温度较高，达到 63℃，表面温度较低，只有41℃，从中心到表面的温度是逐渐降低的。真空冷却的前十分钟内，熟肉温度的降幅较大，最大降幅可以达到40℃左右。随着时

间的变化，真空冷却的降幅逐渐减小，这主要是由于真空冷却的蒸发速率变小的原因，这一点可以在图2中看出。在真空冷却结束时，中心与表面的温度基本一致。图 5显示了真空冷却过程中真空室内真空压力的变化，由于实验中的真空压力测量范围为10～10000Pa，所以高于10000Pa的压力没有显示在图5中。从图5中可以看出，当真空冷却开始时，在五分钟内，真空室内的压力从大气压降低到610Pa左右，此后真空室内的压力就一直保持在610Pa左右直至真空冷却结束。

图4 真空冷却熟肉内部温度场的变化

图5 真空冷却室内的压力变化(由于刻度的关系，初始部分的压力变化在图中没有显示)

4 水分迁移特性的分析

熟肉中的水分主要包含自由水和结合水，在真空冷却过程发生转移的水都是自由水。从实验的结果来看，熟肉中心的水分含量在真空冷却前后并没有太大的变化，这就说明真空冷却时，熟肉内部自由水迁移的驱动力不仅仅取决于水分含量梯度，那么在真空冷却过程中熟肉内部水分迁移的主要驱动力是什么呢？可以设想，由于随着压力的降低，水的沸点也会相应降低，因此当熟肉温度高于相同压力下水蒸气的饱和温度时，熟肉内部的水分就会剧烈地汽化达到沸腾。从图4中可见，在真空冷却过程中，产品失去了很多热能，产品的中心温度下降的幅度较大，产品的显热主要被用于自由水的蒸发和沸腾了。另一方面，在真空冷却过程中，产品的中心温度总是高于产品表面的温度，这标明产品内部也存在着热传导。由于肉类的导热系数比较小，因温差向表面传导的热量只占汽化带走热量的很小一部分。在产品内部由于温度不同，会造成化学势不同，水分就要沿着化学势降低的方向运动，从而造成熟肉中水分的转移。因此可以认为真空冷却过程中产品内部的温度变化与水分迁移有关。

通过上述分析可以认为，在真空冷却过程中自由水的迁移可以由两部分组成：一部分为温差作用下水分的迁移。根据热力学定律，熟肉中自由水的化学势（ ）可以表示为[4]：

（3）

另一部分为在压力梯度下，由于压力降低而引起水分蒸发或沸腾后所产生的水蒸气的迁移。而且，后者在真空冷却过程中水分迁移过程中占主导地位。当真空室内的压力等于或者低于表面温度和中心温度对应的饱和压力时，产品内部的水分将开始沸腾蒸发产生冷却效应。在0℃～100℃范围内，饱和压力与产品温度的对应的关系式可以由下式来表达[5]：

（4）

这里， 是饱和压力, ; 是产品的温度, 。

由于压力梯度引起的水分迁移在真空冷却过程中占据主导地位，因此在真空冷却初始阶段，随着真空室内压力的快速降低，相应的产品内外的压力梯度也变大，从而导致高的水蒸气蒸发速率和产品温度的快速降低，这一点可以明显的从图2和4中看出。当真空室内压力达到610Pa左右时，真空室内的压力将不再降低，产品内外的压力梯度也会相应的减小，蒸发速率和产品的温降速率也变小。

5 结论

本文对熟肉真空冷却过程中的水分迁移进行了实验研究，结果表明：真空冷却初始阶段水分蒸发速率和产品的温降幅度较大。随着产品内外压差的减小，蒸发速率和温降速率也会变小。真空冷却结束后，熟肉的平均水分含量从71％降低到60.69％。同时根据实验结果对真空冷却过程中内部自由水的迁移机理和驱动力进行了理论分析，发现真空冷却过程中的水分迁移由两部分组成，一部分为由于产品内部温度不同造成不同的化学势引起食品内部的水分转移；另一部分为由于压力降低引起的水分蒸发或者沸腾后所产生的水蒸气的迁移。关于真空冷却过程中水分迁移的数学模型需要进一步的探讨和研究。