柱形蔬菜的真空預冷實驗

2010-03-03 楊啟容青島大學機電工程學院

　　實驗研究了芹菜、白菜、胡蘿卜等柱形蔬菜在真空預冷過程中蔬菜表面溫度、內部某一位置溫度、中心溫度以及真空室的溫度、真空室的壓力隨時間的變化規律, 同時研究了蔬菜真空預冷后的失水情況。結果表明,對于柱形葉菜類蔬菜真空預冷是一種十分有效的冷卻方式。實驗中使用了羅茨水環機組代替旋片式真空泵來解決真空泵潤滑油乳化所帶來的問題, 并取得了良好的實驗效果。

　　蔬菜采收后預冷是保持蔬菜新鮮、延緩其衰老變質的一種有效方法, 對于不同的蔬菜又可分別采取冷風預冷、差壓預冷、真空預冷和水預冷等4 種方法。近年來, 真空冷卻在食品工業領域得到了廣泛應用。

　　與吹風式、浸水式等傳統冷卻方式相比, 真空預冷可大大縮短冷卻時間, 并使食品內部溫度場更為均勻。顯然, 從保鮮角度講, 真空預冷裝置是目前最理想的蔬菜冷卻制冷設備。人們已對球形和平板狀食品作了一些研究 , 本文對芹菜、白菜、胡蘿卜等柱形蔬菜進行研究。

　　目前, 大多數真空預冷裝置所使用的真空泵均為旋片泵。加了氣鎮裝置的旋片式真空泵雖然能抽除含有小部分水蒸氣及大量永久氣體的混合氣體,但是在真空預冷過程中, 由于蔬菜內部的水分蒸發,將有大量的水蒸氣被抽入到旋片泵內, 而水蒸氣將凝結在泵腔內。這將導致真空泵潤滑油發生乳化變質, 嚴重影響真空泵所能達到的極限壓力, 潤滑性能下降、磨損加劇、不能正常工作, 甚至使泵體及轉子等零部件發生嚴重銹蝕, 造成整機報廢。因此, 本實驗采用羅茨水環機組。由于使用水環泵作為前級泵, 機組可以承受一定量的水蒸氣的存在, 在對少量蔬菜進行實驗的情況下, 可以免加其他附加設備, 延長真空泵的使用壽命, 同時完全可以達到冷卻蔬菜的目的。

1、實驗裝置

　　真空預冷實驗裝置包括真空冷卻系統和測量系統。預冷裝置示意圖如圖1 所示。

真空預冷裝置示意圖

圖1　真空預冷裝置示意圖

1. 數據采集儀　2. 熱電偶　3. 蔬菜　4. 真空室　5. 球閥　6. 羅茨泵　7. 支架　8. 真空電磁閥　9. 水環泵

1.1、真空冷卻系統

　　真空冷卻系統包括真空室、支架和真空泵, 其中真空泵為羅茨水環機組。實驗開始時, 首先打開水環泵, 當真空室內壓力達到羅茨泵開啟設定值時打開羅茨泵, 使2 臺真空泵串聯工作, 從而使真空室內的壓力達到規定值, 并維持該壓力直至實驗結束。

　　在羅茨水環機組運行過程中需要注意: ①保證水環泵進水的溫度盡可能接近設計運行工況以及水量充足。進水溫度高將導致水環泵抽力降低, 而進水量不足將導致水環泵不能形成正常的水環而無法抽真空。②保證羅茨泵的冷卻水循環, 否則機組在運行1 h 左右時會由于羅茨泵過熱保護而停機。

1.2、測量系統

　　測量系統由測壓、測溫和稱量3 部分組成。溫度由布置在真空室內的8 對熱電偶進行測量, 測量精度為011 K。在實驗過程中, 2 對熱電偶布置在蔬菜中心, 2 對布置在蔬菜表面, 2 對布置在中心與表面之間的位置以作參考, 另外2 對則懸掛在真空室內。各支熱電偶測得的數據由數據采集儀接收并記錄,然后按位置取平均值作為蔬菜的中心溫度、表面溫度、參考點溫度以及真空室的溫度。稱量裝置是一個電子天平, 用來測量物料干燥前、后的質量, 其差值即為物料真空預冷的質量損失。

　　真空室內的壓力由抽氣口外接的真空壓力表讀出, 其精度可以達到100 Pa。

1.3、蔬菜分類及處理

　　根據真空預冷的性質, 用于真空預冷的蔬菜可以分為3 類:A 類蔬菜, 幾乎都是葉菜類, 其特點是比表面積(表面積與體積的比值) 大、組織柔軟, 其結構有利于水分散發。B 類蔬菜如菜豆、草莓與菜花,比表面積小, 組織堅硬。C 類蔬菜包括黃瓜、胡蘿卜、番茄、馬鈴薯等, 這類蔬菜特點是比表面積小、表皮厚、組織較致密, 水分蒸發困難。

　　實驗中從A 類蔬菜中選取了芹菜和白菜, 從C類蔬菜中選取胡蘿卜作為樣品。對于芹菜和白菜, 將熱電偶分別粘貼在葉片上和插入其內部。胡蘿卜洗凈后, 在其表面切一個小口, 將熱電偶放入其中, 以保證熱電偶和蔬菜的緊密接觸, 中心溫度及參考點溫度仍為將熱電偶插入測量。

2、實驗結果

2.1、真空室壓力曲線

　　蔬菜的真空預冷過程一般分為2 個階段。第1階段, 真空室壓力從大氣壓降到與蔬菜溫度對應的飽和壓力, 在這一階段, 蔬菜內部水分蒸發很慢, 溫度基本保持不變。當真空室壓力降到與蔬菜溫度對應的飽和壓力時, 真空預冷第2 階段開始, 在這個階段蔬菜開始失去水分并迅速冷卻。

　　旋片真空泵與羅茨水環機組得到的真空室壓力曲線如圖2 所示。由圖可以看出, 使用旋片真空泵和羅茨水環機組產生的真空室壓力變化曲線是有一定區別的。羅茨水環機組在運行時, 首先開啟水環泵由水環泵獨立工作, 直至真空室壓力達到羅茨泵的開啟壓力時, 再啟動羅茨泵由2 臺真空泵串聯工作, 最后使真空室內的壓力降至規定值(667 Pa)。但從圖中也可以看出, 羅茨水環機組與旋片真空泵相比, 真空室壓力基本是在同樣的時間內降至規定值,二者效果基本相當。但是在對少量蔬菜進行實驗時,由于羅茨水環機組可以承受一定的水蒸氣, 不存在潤滑油乳化的問題, 不會影響真空泵的運行工況, 因而可以免加制冷系統, 不僅延長真空泵的使用壽命,而且節省了費用。

真空室壓力曲線比較

圖2　真空室壓力曲線比較

(a) 第1 階段　(b) 第2 階段

2.2、蔬菜預冷過程溫度變化

　　由圖3 可以看出, 屬于A 類蔬菜的芹菜和白菜, 其真空預冷時所需的降溫時間短(降至4℃最多需要18 min) , 且中心與表面溫差不大, 降溫效果好, 這與真空技術網另文介紹的結論是一致的。而屬于C 類蔬菜的胡蘿卜(圖4) , 其真空預冷的效果遠不如以上2 種A 類蔬菜, 不僅降溫所需時間長(表面降至4℃左右需要28 min) , 且降溫過程中表面與中心的溫差較大(3℃以上)。因此真空預冷更適合于比表面積大的葉菜類。但無論何種蔬菜, 它們在真空預冷過程中溫度變化曲線的趨勢還是十分相似的。