真空冷卻過(guò)程中熟肉的水分遷移特性的實(shí)驗(yàn)研究摘要：本文以熟肉為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)真空冷卻過(guò)程中熟肉內(nèi)部溫度場(chǎng)、水分蒸發(fā)速率以及水分含量變化的實(shí)驗(yàn)研究，得出真空冷卻過(guò)程中熟肉內(nèi)部的水分遷移規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：真空冷卻初始階段水分蒸發(fā)速率和產(chǎn)品的溫降幅度較大。隨著產(chǎn)品內(nèi)外壓差的減小，蒸發(fā)速率和溫降速率也會(huì)變小。熟肉的平均水分含量從71％降低到60.69％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析顯示，真空冷卻過(guò)程中的水分遷移由兩部分組成，一部分為由于產(chǎn)品內(nèi)部溫度不同造成不同的化學(xué)勢(shì)引起食品內(nèi)部的水分轉(zhuǎn)移；另一部分為由于壓力降低引起的水分蒸發(fā)或者沸騰后所產(chǎn)生的水蒸氣的遷移，且后者在水分遷移中占主導(dǎo)地位。關(guān)鍵字：真空冷卻熟肉水分遷移1引言真空冷卻是一種依靠水分蒸發(fā)來(lái)進(jìn)行快速冷卻的方法。在50年前，真空冷卻就已經(jīng)被應(yīng)用于萵苣、蘑菇以及切花的預(yù)冷。近幾年來(lái)，食品安全問(wèn)題，尤其是肉制品的安全問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越受到世界各國(guó)人們的重視。另外，通過(guò)把肉煮熟可以破壞肉中病原性微生物的滋養(yǎng)階段。但是煮的過(guò)程并不能殺死所有的微生物。微生物學(xué)家推薦熟肉的溫度應(yīng)該被快速降低，特別是在5℃～60℃溫度范圍內(nèi)，細(xì)菌特別容易繁殖。熟肉的快速降溫可以減少細(xì)菌繁殖降低污染[1]。真空冷卻已經(jīng)被作為快速冷卻食品的一種冷卻方法[2]?？刂剖称返某跏妓趾亢退诌w移對(duì)食品的安全和質(zhì)量是非常重要的[3]。真空冷卻過(guò)程中的水分蒸發(fā)會(huì)使食品內(nèi)部的水分損失一部分，這可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此有必要研究真空冷卻過(guò)程中的水分遷移機(jī)理，國(guó)內(nèi)在這方面的研究很少。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)真空冷卻過(guò)程熟肉內(nèi)部的水分遷移特性作一些初步研究。2實(shí)驗(yàn)裝置、材料與方法2.1實(shí)驗(yàn)材料與裝置本試驗(yàn)所用的樣品為豬后腿去骨肉，通過(guò)電熱鍋（型號(hào)為RF-P130Y）把樣品的中心溫度加熱到75℃左右，然后樣品被稱(chēng)重和冷卻。本實(shí)驗(yàn)所用的主體裝置為真空冷卻機(jī)，如圖1所示。真空冷卻機(jī)主要有真空系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)兩大部分組成，真空室的容積為0.3m3，真空泵由上海真空泵廠(chǎng)制造，型號(hào)為2XZ－2，泵的抽速為2L·s-1。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中真空室內(nèi)的真空度一般控制在610Pa～650Pa。2.2數(shù)據(jù)測(cè)量和采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中樣品的溫度是通過(guò)T型銅－康銅熱電偶進(jìn)行測(cè)量的，測(cè)量精度為℃。在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)樣品的中心溫度、表面溫度以及真空室內(nèi)的溫度都被測(cè)量。真空室內(nèi)的壓力是通過(guò)壓力傳感器來(lái)測(cè)量的，壓力傳感器為CPCA-130Z型電容薄膜式絕對(duì)壓力變送器，精度為Pa。監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用北京亞控自動(dòng)化軟件科技有限公司開(kāi)發(fā)的工業(yè)自動(dòng)化通用組態(tài)軟件組態(tài)王5.0。壓力和溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集由牛頓模塊I-7018P來(lái)實(shí)現(xiàn)。熟肉含水量變化和水分的蒸發(fā)速率通過(guò)電子天平（JA12002）在線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，電子天平讀數(shù)的時(shí)間間隔為30s/次，最大允許誤差為0.1g。熟肉冷卻前后的含水量測(cè)定按照GB9695.15－88來(lái)進(jìn)行。水分的蒸發(fā)速率可以通過(guò)下式來(lái)表達(dá)：（1）式中為時(shí)間間隔，為時(shí)間，min，為時(shí)刻樣品的質(zhì)量，g。真空冷卻過(guò)程中，樣品的水分含量可以通過(guò)下式來(lái)計(jì)算：（2）式中m0為樣品的初始質(zhì)量，g；W0為樣品的初始水分含量，％，。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析圖2顯示了真空冷卻過(guò)程熟肉中水分的蒸發(fā)速率。從圖中可以看出，真空泵剛開(kāi)始時(shí)水分的蒸發(fā)速率很低，只有0.65g/min左右。然后水分蒸發(fā)速率迅速上升，達(dá)到最大的2.8g/min，并持續(xù)了幾分鐘，從第十分鐘開(kāi)始，真空冷卻的蒸發(fā)速率就一直很小。圖3顯示了真空冷卻過(guò)程中熟肉水分含量變化。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，只能從圖3中看出真空冷卻過(guò)程中熟肉平均水分含量的變化。但是從冷卻前后測(cè)定的水分含量來(lái)看，冷卻前熟肉中心與表面的水分含量差別不是很大，冷卻前熟肉中心水分含量為73.51％，表面水分含量為71.3％，兩者之差只有2.21％。冷卻后熟肉中心與表面的水分含量有很明顯的差別，中心水分含量為69.48％，表面水分含量為61.04％，中心與表面水分含量之差高達(dá)8.44％。真空冷卻過(guò)程中，水分蒸發(fā)的結(jié)果使得熟肉的平均水分含量從71％降低到60.69％。?真空冷卻過(guò)程中熟肉內(nèi)部溫度場(chǎng)和真空室內(nèi)壓力的變化過(guò)程。對(duì)比曲線(xiàn)可以看出：在真空冷卻的初始階段，熟肉的中心溫度較高，達(dá)到63℃，表面溫度較低，只有41℃，從中心到表面的溫度是逐漸降低的。真空冷卻的前十分鐘內(nèi)，熟肉溫度的降幅較大，最大降幅可以達(dá)到40℃左右。隨著時(shí)間的變化，真空冷卻的降幅逐漸減小，這主要是由于真空冷卻的蒸發(fā)速率變小的原因，這一點(diǎn)可以在圖2中看出。在真空冷卻結(jié)束時(shí)，中心與表面的溫度基本一致。真空冷卻過(guò)程中真空室內(nèi)真空壓力的變化，由于實(shí)驗(yàn)中的真空壓力測(cè)量范圍為10～10000Pa，所以高于10000Pa的壓力沒(méi)有顯示。當(dāng)真空冷卻開(kāi)始時(shí)，在五分鐘內(nèi)，真空室內(nèi)的壓力從大氣壓降低到610Pa左右，此后真空室內(nèi)的壓力就一直保持在610Pa左右直至真空冷卻結(jié)束。4水分遷移特性的分析熟肉中的水分主要包含自由水和結(jié)合水，在真空冷卻過(guò)程發(fā)生轉(zhuǎn)移的水都是自由水。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，熟肉中心的水分含量在真空冷卻前后并沒(méi)有太大的變化，這就說(shuō)明真空冷卻時(shí)，熟肉內(nèi)部自由水遷移的驅(qū)動(dòng)力不僅僅取決于水分含量梯度，那么在真空冷卻過(guò)程中熟肉內(nèi)部水分遷移的主要驅(qū)動(dòng)力是什么呢？可以設(shè)想，由于隨著壓力的降低，水的沸點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)降低，因此當(dāng)熟肉溫度高于相同壓力下水蒸氣的飽和溫度時(shí)，熟肉內(nèi)部的水分就會(huì)劇烈地汽化達(dá)到沸騰。從圖4中可見(jiàn)，在真空冷卻過(guò)程中，產(chǎn)品失去了很多熱能，產(chǎn)品的中心溫度下降的幅度較大，產(chǎn)品的顯熱主要被用于自由水的蒸發(fā)和沸騰了。另一方面，在真空冷卻過(guò)程中，產(chǎn)品的中心溫度總是高于產(chǎn)品表面的溫度，這標(biāo)明產(chǎn)品內(nèi)部也存在著熱傳導(dǎo)。由于肉類(lèi)的導(dǎo)熱系數(shù)比較小，因溫差向表面?zhèn)鲗?dǎo)的熱量只占汽化帶走熱量的很小一部分。在產(chǎn)品內(nèi)部由于溫度不同，會(huì)造成化學(xué)勢(shì)不同，水分就要沿著化學(xué)勢(shì)降低的方向運(yùn)動(dòng)，從而造成熟肉中水分的轉(zhuǎn)移。因此可以認(rèn)為真空冷卻過(guò)程中產(chǎn)品內(nèi)部的溫度變化與水分遷移有關(guān)。通過(guò)上述分析可以認(rèn)為，在真空冷卻過(guò)程中自由水的遷移可以由兩部分組成：一部分為溫差作用下水分的遷移。根據(jù)熱力學(xué)定律，熟肉中自由水的化學(xué)勢(shì)（）可以表示為[4]：（3）另一部分為在壓力梯度下，由于壓力降低而引起水分蒸發(fā)或沸騰后所產(chǎn)生的水蒸氣的遷移。而且，后者在真空冷卻過(guò)程中水分遷移過(guò)程中占主導(dǎo)地位。當(dāng)真空室內(nèi)的壓力等于或者低于表面溫度和中心溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，產(chǎn)品內(nèi)部的水分將開(kāi)始沸騰蒸發(fā)產(chǎn)生冷卻效應(yīng)。在0℃～100℃范圍內(nèi)，飽和壓力與產(chǎn)品溫度的對(duì)應(yīng)的關(guān)系式可以由下式來(lái)表達(dá)[5]：（4）這里，是飽和壓力,;是產(chǎn)品的溫度,。由于壓力梯度引起的水分遷移在真空冷卻過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位，因此在真空冷卻初始階段，隨著真空室內(nèi)壓力的快速降低，相應(yīng)的產(chǎn)品內(nèi)外的壓力梯度也變大，從而導(dǎo)致高的水蒸氣蒸發(fā)速率和產(chǎn)品溫度的快速降低，這一點(diǎn)可以明顯的從圖2和4中看出。當(dāng)真空室內(nèi)壓力達(dá)到610Pa左右時(shí)，真空室內(nèi)的壓力將不再降低，產(chǎn)品內(nèi)外的壓力梯度也會(huì)相應(yīng)的減小，蒸發(fā)速率和產(chǎn)品的溫降速率也變小。5結(jié)論本文對(duì)熟肉真空冷卻過(guò)程中的水分遷移進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：真空冷卻初始階段水分蒸發(fā)速率和產(chǎn)品的溫降幅度較大。隨著產(chǎn)品內(nèi)外壓差的減小，蒸發(fā)速率和溫降速率也會(huì)變小。真空冷卻結(jié)束后，熟肉的平均水分含量從71％降低到60.69％。同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)真空冷卻過(guò)程中內(nèi)部自由水的遷移機(jī)理和驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了理論分析，發(fā)現(xiàn)真空冷卻過(guò)程中的水分遷移由兩部分組成，一部分為由于產(chǎn)品內(nèi)部溫度不同造成不同的化學(xué)勢(shì)引起食品內(nèi)部的水分轉(zhuǎn)移；另一部分為由于壓力降低引起的水分蒸發(fā)或者沸騰后所產(chǎn)生的水蒸氣的遷移。關(guān)于真空冷卻過(guò)程中水分遷移的數(shù)學(xué)模型需要進(jìn)一步的探討和研究。參考文獻(xiàn)[1]S,J,James,C,James.Meatrefrigeration[M].USA,NewYork:CRCPressLLC,2000.[2]KarlMcDonald,Da-WenSun.Vacuumcoolingtechnologyforthefoodprocessingindustry:areview.JournalofFoodEngineering[J],2000,45:55~65.[3]T,P,Labuza,C,R,Hyman.Moisture