真空预冷技术在果蔬保鲜体系中的应用

2008年11月22 00:00:00 来源:中国制冷空调技术网

摘要:近年来,随着高质量的冷冻食品需求的增长,真空预冷技术被越来越多地应用到食品保鲜领域中。本文在简要介绍了真空预冷的原理、特点和装置的基础上,进行了果蔬真空预冷过程的理论分析,概述了真空预冷技术在果蔬保鲜体系中的应用,分析了该技术目前存在的一些问题,以便于真空预冷技术的进一步研究与推广。

0 前言

果蔬的一个重要质量指标就是鲜度,而且消费者对其鲜度的要求也越来越高。常温保存已不能满足人们对其鲜度的要求。降低温度是一种普遍采用的有效办法。果蔬收获后,如何迅速消除田间热,使其温度(中心温度)降至接近冰点,是关键的一步[1]。真空预冷正是实现这种预冷的好方法。它是目前技术含量最高的果蔬类预冷技术。在欧美、日本等发达国家,真空预冷技术已经被广泛用于果蔬的保鲜。实际上,真空冷却已经受到了极大的关注,它的应用延伸到了花卉、蘑菇、鱼、肉、火腿等产品加工上[2]。本文将对真空预冷技术在果蔬保鲜体系中应用的研究成果和现状作一较全面的综述,以利于进一步推动真空预冷在该领域中的应用。

1 真空预冷技术的原理

水在一个大气压下,沸点为100℃,蒸发潜热为2256kJ/kg,降低气压时,水的沸点也随之降低。当气压为613Pa时,水的沸点为0℃,蒸发潜热为 2500kJ/kg。真空预冷是利用降压来降低水的沸点,靠水份气化带走果蔬产品热量的冷却方法。因此,只要维持一定的真空度,果蔬的水分就会在低温下气化,同时消耗较多的热量,所需潜热绝大部分来自于物品本身释放的显热量,结果导致物品能极其迅速地低温冷却[3]。其中绝大部分的水在果蔬外表面气化,也有可能一部分的水(自由水)在细胞之间气化[4]。

2 真空预冷的特点

果蔬冷却的传统方法有:强制通风冷却、差压通风预冷、冰水冷却等方法。其共同的特点是处理时间长、温度均匀性差、对果蔬有局部损伤、处理量有限等不足之处[5]。相比之下,真空预冷具有如下优点:

(1)降温速度快。冷却时间只需20~30min。可以快速地抑制果蔬的呼吸作用,控制温度[5],如用冷藏库则需10~12h。

(2)冷却均匀。由于预冷箱内各点的压力均衡,果蔬个体本身都形成了类似的冷却系统,而且果蔬处于真空与较低温度下,冷却时各部分温度梯度较小。因此,冷却比较均匀。

(3)效果好。真空环境可以杀菌,果蔬的洁净度高;真空预冷处理时间短,果蔬的内部结构并未破坏,也不会产生局部变形,保持原有的形态和风味;有研究表明:真空预冷后,果蔬的保鲜期更长,适合较长时间贮藏及长途运输,可在更大的范围内销售。

同时,也存在一些问题:

(1)真空预冷设备价格较高,一次性投资较大。

(2)对于表面积相对小的果蔬,如黄瓜、西红柿,冷却效果不理想,不适合采用此

冷却方式。

(3)采用真空预冷却时,最好使被冷却物质(特别是蔬菜)表面的传热速率与其内部的传热速率相近。否则,如果勉强用一般的真空冷却方法冷却,必将造成冷却速率提高不大,干耗增加的后果。虽然可以采用真空加水冷却的办法来减少干耗,但不是最好的办法。

3 真空预冷装置

真空预冷装置由真空容器、抽气系统、制冷系统以及控制系统组成。如图1所示。

图1 真空预冷装置结构示意图

真空容器是用来盛放果蔬的器具,它必须能承受外压105Pa。通常有箱形和圆筒形两种,内侧进行防腐处理,外侧喷涂高强度防锈材料[6]。

制冷系统起着把从果蔬中气化出来的水蒸汽冷却成水滴的作用。水在655.6Pa和1℃时变成水蒸气,其体积增大近19万倍。系统中增加了制冷设备,就可以保持真空槽内稳定的真空度[7]。对小型真空预冷装置应选择水冷或风冷的氟利昂冷凝机组,大型真空预冷装置则可以采用氨系统。

抽气系统的关键部件是真空泵,它需要将真空室的压力从常压在20~30min内抽至665Pa[3]。选用时应该综合考虑抽气速率、功率、噪音、振动等因素。

控制系统有手动、自动之分。主要对温度和压力进行控制,实现节能和防冻害。如采用微型计算机及定序器等则可实现全自动运行[8]。

为了优化运行与管理,真空预冷装置分为间歇式、连续式、移动式。间歇式真空预冷装置一般用于小规模生产,连续式真空预冷装置用于大型加工厂,移动式真空预冷装置便于异地使用[6]。

4 果蔬真空预冷过程的理论分析

4.1 真空预冷过程

I—抽真空阶段 II—冷却阶段 III—复压阶段

图2 菜心真空预冷质量、温度和压力的变化曲线

果蔬在真空室内的预冷大致可以分成三个阶段,现以菜心预冷过程曲线图[9]为例加以说明。

(1)抽真空阶段。从一个大气压抽至果蔬温度对应的饱和蒸汽压力。如图2所示,这个过程中尽管压力迅速降低,但果蔬的温度并没有明显下降,质量也无明显变化。此阶段历时约9 min,占整个预冷过程时间的59%左右。

(2)冷却阶段。果蔬中的水份不断气化。如图2所示,在这个过程中压力继续缓慢降低,温度发生明显下降,菜心质量也在这个阶段中出现减少。此阶段历时约5 min,占整个预冷过程时间的33%左右。

(3)复压阶段。压力急剧恢复到常压。如图2所示,在这个过程中由于直接从外界环境吸入空气,物料终温有所回升,菜心的叶温回升较大,而茎温几乎不变。此阶段历时约1.2 min,占整个预冷过程时间的8%左右。

4.2 真空预冷效果及加水预冷技术

在减压过程中,水份越容易气化的果蔬,冷却效果越好。Nobel[10]认为果蔬的外表面积与其体积之比、果蔬本身组织构造的粗密、自由水含量的多少决定了其真空冷却的效果。也就是说,外表面积与体积之比越大,组织构造越粗糙,自由水含量越高,就越适合于用真空冷却。根据果蔬的物理性质和组织结构可将果蔬真空预冷对象分为三类:

A类果蔬冷却至0℃附近时大约需10~20min。几乎都是叶菜类,这类果蔬的特点是表面积比较大、组织柔软、其结构有利于水分散发。

B类果蔬冷却速度较慢,如菜豆、草莓与菜花,表面积相对小,组织坚硬。

C类果蔬包括黄瓜、番茄、桃子、马铃薯等在真空预冷中效果最差。这类果蔬的特点是表面积相对小、表皮厚、组织较致密,水分气化困难[3]。因而不适宜用真空冷却。

真空预冷时,一般要求果蔬水份损失不超过3%,否则将造成保鲜品萎缩。为了保持真空预冷冷却速度快的优点,又要克服干耗大的弊端,在果蔬表面补水,让其代替果蔬内部的水分气化,这就是真空加水预冷技术。它是通过真空室中的喷淋装置向果蔬喷水,抽真空时水分气化吸热对果蔬进行间接冷却的方法。加水过程又分抽真空前预加水和抽真空中加水两种方法[11]。试验表明[12],后一种加水方法的冷却效果高于前一种加水方法,特别是对番茄的冷却效果更为明显。在这种方法中,喷水时刻是在真空室压力约为1333Pa时,喷水多次,每次约10秒种。另外,也可以在果蔬采收前1~2天田间浇一次水,使菜本身有足够的水量 [13]。

5 真空预冷技术在果蔬保鲜体系中的应用

欧美、日本等发达国家为了获得高质量的速冻产品,已把真空预冷作为果蔬采摘后,必须进行的第一道工序[1]。在国内,目前尚处于起步阶段,随着对外交往与人们生活水平的提高,真空预冷必将越来越被重视。其次,合肥工业大学的周永安等人[14]对果蔬真空预冷保鲜作出了经济效益分析,文中以预冷无花果为例,指出果蔬真空预冷保鲜可以同时获得经济效益和社会效益,具有广阔的发展前景。

真空预冷技术的应用研究比较丰富,但还是以蔬菜研究为主。就国内而言,相关研究也比较多。上海市蔬菜公司的任铁华[15]研究了多种蔬菜的真空预冷,指出应根据蔬菜品种贮藏要求和货架寿命,决定是否喷淋和喷淋的水量与时间;华南农业大学的陈羽白等人[9]采用实际生产使用的真空预冷设备对菜心进行小批量的真空预冷试验,考察了预冷过程中菜心的质量损失、温度随时间的变化情况及相互关系,以及真空预冷对菜心品质的影响;台北科技大学的郑鸿斌等人[16]利用自行开发的全自动化的真空预冷机进行实验,并指出将叶菜类(小白菜、青葱、空心菜、菠菜等) 置于真空腔进行抽真空进行实验,发现在7分钟左右各类蔬菜的温度降至4℃左右,又将液态水置于真空腔后进行抽真空,发现在13~14分钟后其温度会下降至 0℃以下。

同时,也出现了一些将真空预冷技术和其它技术相结合的保鲜方法。洛阳工学院的王志华等人[17]介绍了花卉果蔬的真空预冷和预冷气调保鲜贮藏,指出该技术与其它的保鲜贮藏技术相比,具有明显的优势。闽西大学的石小琼等人[18]将真空预冷技术配合塑料薄膜袋包装应用于冷藏保鲜子芋的预处理,研究表明是可行的,为提高子芋冷藏的保鲜效果提供了一个技术措施;谭经望[19]指出采用真空预冷和简易气调包装相结合的方法控制环境气体组分,形成简易气调状态。

6 真空预冷技术的展望

纵观国内外关于真空预冷的研究,不难发现,对真空预冷技术的研究还存在一些问题,例如:这些研究大多强调和重视应用,缺乏对真空冷却机理的基础研究;对真空预冷过程中内部的热质传递研究比较少;对温度和压力的准确控制、湿度和果蔬重量变化规律、复压时间的影响和过程的能耗等研究也比较少。只有上述问题都得到充分的研究后,再结合仿真模拟,才能优化运行管理,设计出高效节能型的真空预冷设备,特别是对真空冷却过程的仿真模拟研究能够减少实验投入、缩短实验周期,具有重要的理论意义和现实意义[20]。

同时,为了使该技术能够更具有实用性,需要社会对食品安全的要求,设备设计应符合HACCP(危害分析和关键点控制)要求:对于果蔬保鲜体系中确证有危害的环节,建立关键控制点,找到关键控制点以后,必须确定该控制点的限度,建立检测控制点的具体措施,采取纠正措施的行动方案,并有完全的文档记录[ 21]。

在设备方面,可以尝试开发真空预冷、真空低温干燥、冷冻干燥等多功能于一体的装置[22]。

可见,对于真空预冷技术的研究还有很大空间,随着研究的深入,将会进一步促进其在果蔬保鲜体系中的应用。


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