草莓真空预冷理论分析及实验研究

吴冬夏,申 江,张 川,丁 峰

(天津商业大学制冷技术重点实验室,天津 300134)

草莓(FragariaananassaDuch.)是20世纪初从南美洲引进的蔷薇科多年生草本植物。草莓果色鲜艳,柔软多汁,具有很高的营养价值[1]。草莓表面极薄,在收获和运输过程中极易受到伤害,从而感染霉病[2],这是因为草莓具有较高的含水量和较强的代谢能力,因此容易发生细菌感染和腐烂[3]。

真空预冷是一种快速冷却技术,具有冷却速率快、效率高、冷却均匀、效果好的特点[4],采摘之后经过真空预冷处理的草莓,其温度会迅速降低,从而抑制感染和腐烂。目前,真空预冷技术已经在果蔬、肉类制品、焙烤食品及花卉的预冷工艺中广泛应用[5]。目前,很多学者研究了真空预冷压力对果蔬品质的影响,李保国[6]、邸倩倩[7]、申江[8]和Nguyen Van Luu[9]分别研究了真空预冷压力对双孢菇、韭菜和火龙果的影响,发现不同预冷压力对这些果蔬的品质影响较大,宋小勇[10]研究了降压速率对鲜切花的影响,发现中速降压效果优于高速降压和低速降压;在理论方面,张彧[11]和阚安康[1213]对柱状蔬菜真空预冷进行了理论研究,研究了不同压力下柱状蔬菜各参数的理论变化情况。姜莎对草莓预冷之后的贮藏效果进行了研究[14],发现在不同真空预冷压力下预冷并在4 ℃冷藏后草莓的品质各不相同,但是未涉及单独预冷过程对草莓品质的研究,而且缺乏草莓预冷过程的理论分析。

因此,本文对草莓预冷建立了数学模型并进行了理论分析,并对预冷过程中舱内温度、压力以及草莓的温度、冷却速率、失水率、预冷前后的品质进行了实验研究。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

草莓 品种“红颜99”,经过挑选的优质草莓,体积接近、质量均衡(实验组每组6 kg)。

LJQK多功能果蔬保鲜装置 天津商业大学;PALBXIACID5可溶性固形物测试仪 日本ATAGO公司;CheckPoint II CO2呼吸测定仪 Dansensor丹麦;无纸记录仪 GP20;EL204型电子天平 METTLER TOLEDO上海。

1.2 理论方法

1.2.1 数学模型及假设 在草莓真空预冷过程中,当贮藏环境中的大量水蒸气被真空泵抽走后,贮藏环境中水蒸气的化学势会小于草莓表面空气中水蒸气的化学势,使草莓表面的水蒸气向贮藏环境空气侧迁移,这破坏了其表面溶液中自由水间的化学势平衡,草莓内部的自由水再次补充到其表面空气并扩散到贮藏环境空气中,使草莓温度降低。为了简化分析,建立了半径为R的类球型数学模型如图1,并进行了理论假设[15]:将贮藏环境中的空气和水蒸气视为理想气体;将草莓视为类球型物体,且各向同性;在真空预冷过程中,草莓物性参数恒定,且不发生形变;草莓内部水分迁移以液态形式进行,且水分蒸发只发生在草莓表面;传质阻力层很薄,认为仅有传质无换热;假设贮藏环境完全密封,且其温度恒定。

图1 草莓表面水蒸气扩散Fig.1 Vapour diffuse from the surface of strawberry

1.2.2 草莓表面传质阻力层理论分析 草莓表面的传质阻力层是一个薄层气体层,能阻碍草莓表面水分的蒸发。将该传质阻力层细分为上层气体和下层气体,靠近草莓表面的下层气体中水蒸气分压力可以近似等于草莓表面溶液的饱和压力,靠近贮藏环境上层气体的水蒸气分压力可近似等于贮藏环境中水蒸气分压力,并且下层气体水蒸气分压高于上层,因此水蒸气自下而上扩散,定义质流通量为m,扩散距离为y,如图2(a)。在传质阻力层中,水蒸气由草莓表面向贮藏环境中扩散,空气向草莓表面扩散,由于空气不能通过草莓表面,必然会有气体混合物整体向贮藏环境流动,以便草莓表面压力不被破坏,定义这股流动的质平均速度为ν,由于在传质阻力层中空气与水蒸气的混合物总压力P保持不变,所以在传质阻力层中的压力梯度可由图2(b)表示。

图2 传质阻力层中水蒸气扩散Fig.2 Water vapor diffusion in the mass transfer resistance layer

引入扩散系数D来表示物质扩散能力大小,在已知温度T0、压力P0及该状态下的质扩散系数D0时,任意状态下质扩散系数D与温度T、压力P的关系可表示为[16]:

式(1)

采用静坐标进行分析,由斯蒂芬定律,水蒸气和空气的质扩散量可表示为[16]:

式(2)

式(3)

由(3)可得:混合气体整体流速:

式(4)

由气体的总压力P=Pa+pw=常数,求导得:

式(5)

将(5)代入(4)得:

式(6)

将(6)代入(2)得到水蒸气的质扩散量:

式(7)

将(7)从y=0到y=l进行积分,结合边界条件:

y=0时:Ppfw=pa0

式(8)

y=l时:Ppaw=pal

式(9)

式中:paw为贮藏环境中的水蒸气分压;Pfw为草莓模型表面水蒸气分压。

积分得:

式(10)

用M表示单位时间、在单位表面积上草莓水分的扩散量,则(10)可改写为:

式(11)

将(1)代入(11),得:

式(12)

或:

式(13)

由式(12)、(13)可得出,在真空预冷过程中草莓表面水蒸气扩散量随着贮藏环境中水蒸气分压Paw与贮藏环境压力P的减小而增大。由于草莓表面水蒸气扩散量增大时,其冷却速率也会提高,因此当贮藏环境压力降低时,草莓的冷却速率会升高。

1.3 实验方法

1.3.1 处理方法 将新鲜的草莓分成重量相同的A、B、C三组,每组6 kg,分别在定压力为0.5、0.8、1.0 kPa的预冷舱内(舱内体积10 m3)进行真空预冷(通过真空泵的泵吸,舱内压力从大气压力逐渐降低至预冷压力),预冷终温均为3 ℃(以表面温度为基准),并设D组为空白对照组,与A、B、C三组品质、体积、质量完全相同。研究舱内温度、相对湿度和压力的变化情况,对比不同的预冷压力对冷却速率、失水率的影响,以及预冷前后对草莓呼吸强度、可溶性固形物的影响情况。分别将三根热电偶分别插在同一草莓的中心处、1/4处、表面处,草莓堆平放在置物板上,共一层。对比在不同预冷压力下不同位置的温度变化情况。

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 冷却速率 冷却速率以草莓的表面温度作为基准,每隔5 min对草莓表面温度进行一次测量,计算公式为:

式中,vf为草莓以表面温度作为基准的冷却速率, ℃/(kg·h);ΔT为预冷过程中每5 min草莓表面的温度变化值, ℃;m为每组预冷草莓的即时质量,初始质量为6 kg;Δt为预冷时间变化量,为1/12 h。

1.3.2.2 呼吸强度 在不同预冷压力下进行真空预冷之后,从真空预冷舱立刻移入密闭容器放置3 h并采用红外CO2呼吸测定仪测定,计算公式为:

果蔬呼吸强度(mg CO2/(kg·h))

式中,ω1为密封前密闭容器中CO2总量,%;ω2为t时间之后密闭容器中CO2总量,%;V为密闭容器总体积,为1.1 L;V0为测定温度下CO2摩尔体积,取为22.4 L/mol;M为CO2的摩尔质量,取为44 g/mol;Ms为草莓重量,kg;t为测定时果蔬呼吸时间,h。

1.3.2.3 可溶性固形物 在不同预冷压力下进行真空预冷之后,立刻从A、B、C、D四组每组中取3颗草莓,采用PALBXIACID5可溶性固形物测试仪分别测其可溶性固形物,取平均值。

1.3.2.4 失水率 密闭容器内称重传感器的示数变化,失水率计算公式为:

式中,G1为草莓预冷前初始重量,即6 kg;G2为预冷过程中草莓的重量,kg。

1.4 数据处理

通过Excel软件处理数据和初步分析,采用Origin软件绘图并分析图形变化趋势。

2 结果与分析

2.1 不同预冷压力对草莓温度与舱内温度的影响

图3～图5分别是在三种不同预冷压力下草莓表面温度、1/4处温度、中心温度以及舱内温度的变化情况。从图中可以得出以下结论:舱内温度刚开始先急速下降,随后缓慢上升,最终保持恒定,与文献[14]所测得的舱内温度变化趋势相同,温度最终保持在12 ℃左右,由图可以看出舱内温度变化趋势与预冷压力无关;在不同预冷压力下,草莓的表面温度、1/4处温度、中心温度均呈下降趋势,其表面与中心的温度变化趋势与文献[14]相同。而且,草莓1/4处温度与中心温度接近并且高于草莓表面温度,当真空预冷压力为0.5 kPa时,三处温差最大;预冷压力为0.5、0.8、1.0 kPa时,草莓表面由初始温度降到3 ℃所用的时间分别为45、110、230 min,这说明真空预冷压力越低,草莓达到设定温度的时间越短。

图3 预冷压力为0.5 kPa时草莓温度与舱内温度的变化情况Fig.3 Changes of strawberry temperature and cabin temperature with vacuum precooling pressure of 0.5 kPa

图4 预冷压力为0.8 kPa时草莓温度与舱内温度的变化情况Fig.4 Changes of strawberry temperature and cabin temperature with vacuum precooling pressure of 0.8 kPa

图5 预冷压力为1.0 kPa时草莓温度与舱内温度的变化情况Fig.5 Changes of strawberry temperature and cabin temperature with vacuum precooling pressure of 1.0 kPa

2.2 不同预冷压力下舱内相对湿度的变化情况

图6～图8分别是0.5、0.8、1.0 kPa三种预冷压力下舱内压力与相对湿度的变化情况。可以看出不同预冷压力下舱内压力与相对湿度有相同的变化趋势:舱内压力从100 kPa降到三种设定预冷压力(0.5、0.8、1.0 kPa)时间均为35 min,之后通过控制真空泵的截止阀维持真空舱内预冷压力处于恒定状态;舱内相对湿度在预冷的初始阶段呈快速下降趋势,当预冷到30 min后舱内相对湿度又呈现急剧上升趋势,直到相对湿度趋于平缓。这是因为预冷初期抽真空的过程中,舱内空气被真空泵抽出,水蒸气分压力减小,所以相对湿度降低。随着舱内压力下降到草莓表面水分蒸发所对应的压力时,草莓表面水分开始蒸发,使得舱内水蒸气分压增大,相对湿度增大,当表面水分蒸发完成之后,舱内相对湿度趋于平缓[17]。

图6 预冷压力为0.5 kPa时舱内压力与相对湿度的变化情况Fig.6 Changes of cabin pressure and relative humidity with vacuum precooling pressure of 0.5 kPa

图7 预冷压力为0.8 kPa时舱内压力与相对湿度的变化情况Fig.7 Changes of cabin pressure and relative humidity with vacuum precooling pressure of 0.8 kPa

图8 预冷压力为1.0 kPa时舱内压力与相对湿度的变化情况Fig.8 Changes of cabin pressure and relative humidity with vacuum precooling pressure of 1.0 kPa

2.3 不同预冷压力对草莓冷却速率的影响

图9是草莓在不同预冷压力下冷却速率的变化情况。可以看到三种预冷压力下冷却速率变化趋势大致相同:在0～20 min先迅速上升再降低,其中0.8 kPa和1.0 kPa的冷却速率在20 min之后再次上升然后逐渐降低直至趋于平稳。之所以会再次上升是因为在15～20 min时,舱内压力降至草莓表面水分开始蒸发的压力,此时草莓表面的水分开始蒸发,由于水的汽化潜热值远大于草莓自身比热,因此即使草莓自身水分蒸发量很小,其温度会有大幅度降低,所以冷却速率会再次升高[18]。对整个预冷过程的冷却速率进行计算,忽略草莓的质量变化(质量变化的最大值仅为0.2 kg),得到0.5、0.8、1.0 kPa三种预冷压力下冷却速率2.36、0.93、0.46 ℃/(kg·h),这说明预冷压力越低,冷却速率越大,与图上三个折线位置所反映的大小程度一致,与之前理论分析的结论也一致。

图9 草莓在不同预冷压力下的冷却速率Fig.9 The cooling rate of strawberry under three kinds of precooling pressures

2.4 不同预冷压力对草莓呼吸强度的影响

由图10可以看出不同预冷压力以及是否预冷对草莓呼吸强度的影响较大。在0.5、0.8、1.0 kPa以及无预冷情况下其呼吸强度平均值分别为11.8、14.2、15.9、26.1 mg CO2/(kg·h)。0.5 kPa时草莓的呼吸强度最低,而不进行预冷处理的草莓呼吸强度最高,且不预冷的草莓呼吸强度明显高于预冷组草莓的呼吸强度,三个预冷组的草莓呼吸强度随着预冷压力的降低而减弱,0.5 kPa时的呼吸强度为1.0 kPa时呼吸强度的75%,仅为不预冷情况时呼吸强度的46%。

图10 不同预冷压力对草莓呼吸强度的影响Fig.10 The influence of precooling pressures on the respiration intensity of strawberry注:不同字母代表数据有显著性差异,p<0.05；图11同。

2.5 不同预冷压力对可溶性固形物的影响

图11是不同预冷压力下草莓可溶性固形物的含量,0.5、0.8、1.0 kPa以及无预冷情况下其可溶性固形物平均值分别为10.4%、10.5%、10.3%、10.5%,可以看出草莓真空预冷前后其可溶性固形物基本保持不变,并且不同的真空预冷压力对草莓的可溶性固形物数值的影响也很小,可认为草莓的可溶性固形物含量不受预冷以及预冷压力的影响。

图11 不同预冷压力对草莓可溶性固形物的影响Fig.11 The influence of precooling pressures on strawberry soluble solids

2.6 不同预冷压力对草莓失水率的影响

图12给出了三种预冷压力下草莓预冷过程中失水率的变化情况,由于预冷压力为0.5和0.8 kPa时的预冷时间短,因此预冷结束的时间比1.0 kPa下预冷结束的时间早,所以不考虑0.5和0.8 kPa的预冷压力下结束之后的失水率。从图中可以看出预冷压力对失水率的影响较大,随着预冷压力的升高,草莓的失水率越来越大,且失水率呈先快速增长随后缓慢增长的趋势。在0.5、0.8、1.0 kPa的预冷压力下草莓完成预冷时的失水率分别为1.67%、2.17%、3.33%。由此可见,预冷压力越低,草莓失水率越低,该结论与文献[14]不同预冷压力下(300、500、700 Pa)得到的结论相同。

图12 三种预冷压力下草莓失水率随时间的变化情况Fig.12 The changing trend of water loss under three kinds of precooling pressures

3 结论

在草莓真空预冷过程中,当贮藏环境中水蒸气分压、贮藏环境压力减小,草莓表面水蒸气扩散量增大,草莓的冷却速率提高。预冷舱内温度先下降后上升,最终恒定在12 ℃左右,且舱内温度变化趋势与预冷压力无关,草莓的表面温度降温速率高于1/4处温度与中心温度的降温速率,预冷压力越低,草莓达到设定温度的时间越短;舱内相对湿度在不同预冷压力下变化趋势相同:先下降后上升最后趋于稳定。不同预冷压力对草莓的冷却速率影响显著,0.5、0.8、1.0 kPa三种预冷压力下冷却速率分别为2.36、0.96、0.46 ℃/(kg·h),真空预冷压力越低,草莓冷却速率越大,且冷却速率呈现先增长后降低再增长再降低的趋势;是否进行真空预冷以及不同的预冷压力对草莓的可溶性固形物的含量几乎没有影响，但对草莓的呼吸强度影响较大,并且有预冷压力越低,呼吸强度越弱,在0.5 kPa时其呼吸强度仅为12 mg CO2/(kg·h),不同预冷压力对草莓失水率的影响明显,预冷压力越低,草莓失水率越低,0.5 kPa的预冷压力下草莓预冷完成时的失水率仅为1.67%。

草莓真空预冷还需进一步模拟分析,通过模拟得出预冷舱内压力与草莓表面水蒸气扩散量的关系并与理论分析的结果进行对比;本文仅对每组6 kg的草莓装载量进行了研究,后期还需要增加或者减少草莓的装载量,研究预冷舱内草莓不同的装载量对草莓温度变化、失水率、冷却速率以及品质的影响。

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