柱形蔬菜的真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)研究了芹菜、白菜、胡蘿卜等柱形蔬菜在真空預(yù)冷過(guò)程中蔬菜表面溫度、內(nèi)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(shí)間的變化規(guī)律, 同時(shí)研究了蔬菜真空預(yù)冷后的失水情況。結(jié)果表明,對(duì)于柱形葉菜類(lèi)蔬菜真空預(yù)冷是一種十分有效的冷卻方式。實(shí)驗(yàn)中使用了羅茨水環(huán)機(jī)組代替旋片式真空泵來(lái)解決真空泵潤(rùn)滑油乳化所帶來(lái)的問(wèn)題, 并取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

　　蔬菜采收后預(yù)冷是保持蔬菜新鮮、延緩其衰老變質(zhì)的一種有效方法, 對(duì)于不同的蔬菜又可分別采取冷風(fēng)預(yù)冷、差壓預(yù)冷、真空預(yù)冷和水預(yù)冷等4 種方法。近年來(lái), 真空冷卻在食品工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　與吹風(fēng)式、浸水式等傳統(tǒng)冷卻方式相比, 真空預(yù)冷可大大縮短冷卻時(shí)間, 并使食品內(nèi)部溫度場(chǎng)更為均勻。顯然, 從保鮮角度講, 真空預(yù)冷裝置是目前最理想的蔬菜冷卻制冷設(shè)備。人們已對(duì)球形和平板狀食品作了一些研究 , 本文對(duì)芹菜、白菜、胡蘿卜等柱形蔬菜進(jìn)行研究。

　　目前, 大多數(shù)真空預(yù)冷裝置所使用的真空泵均為旋片泵。加了氣鎮(zhèn)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(yù)冷過(guò)程中, 由于蔬菜內(nèi)部的水分蒸發(fā),將有大量的水蒸氣被抽入到旋片泵內(nèi), 而水蒸氣將凝結(jié)在泵腔內(nèi)。這將導(dǎo)致真空泵潤(rùn)滑油發(fā)生乳化變質(zhì), 嚴(yán)重影響真空泵所能達(dá)到的極限壓力, 潤(rùn)滑性能下降、磨損加劇、不能正常工作, 甚至使泵體及轉(zhuǎn)子等零部件發(fā)生嚴(yán)重銹蝕, 造成整機(jī)報(bào)廢。因此, 本實(shí)驗(yàn)采用羅茨水環(huán)機(jī)組。由于使用水環(huán)泵作為前級(jí)泵, 機(jī)組可以承受一定量的水蒸氣的存在, 在對(duì)少量蔬菜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的情況下, 可以免加其他附加設(shè)備, 延長(zhǎng)真空泵的使用壽命, 同時(shí)完全可以達(dá)到冷卻蔬菜的目的。

1、實(shí)驗(yàn)裝置

　　真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)裝置包括真空冷卻系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。預(yù)冷裝置示意圖如圖1 所示。

圖1　真空預(yù)冷裝置示意圖

1. 數(shù)據(jù)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(huán)泵

1.1、真空冷卻系統(tǒng)

　　真空冷卻系統(tǒng)包括真空室、支架和真空泵, 其中真空泵為羅茨水環(huán)機(jī)組。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí), 首先打開(kāi)水環(huán)泵, 當(dāng)真空室內(nèi)壓力達(dá)到羅茨泵開(kāi)啟設(shè)定值時(shí)打開(kāi)羅茨泵, 使2 臺(tái)真空泵串聯(lián)工作, 從而使真空室內(nèi)的壓力達(dá)到規(guī)定值, 并維持該壓力直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

　　在羅茨水環(huán)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中需要注意: ①保證水環(huán)泵進(jìn)水的溫度盡可能接近設(shè)計(jì)運(yùn)行工況以及水量充足。進(jìn)水溫度高將導(dǎo)致水環(huán)泵抽力降低, 而進(jìn)水量不足將導(dǎo)致水環(huán)泵不能形成正常的水環(huán)而無(wú)法抽真空。②保證羅茨泵的冷卻水循環(huán), 否則機(jī)組在運(yùn)行1 h 左右時(shí)會(huì)由于羅茨泵過(guò)熱保護(hù)而停機(jī)。

1.2、測(cè)量系統(tǒng)

　　測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)壓、測(cè)溫和稱(chēng)量3 部分組成。溫度由布置在真空室內(nèi)的8 對(duì)熱電偶進(jìn)行測(cè)量, 測(cè)量精度為011 K。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 2 對(duì)熱電偶布置在蔬菜中心, 2 對(duì)布置在蔬菜表面, 2 對(duì)布置在中心與表面之間的位置以作參考, 另外2 對(duì)則懸掛在真空室內(nèi)。各支熱電偶測(cè)得的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)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(diǎn)溫度以及真空室的溫度。稱(chēng)量裝置是一個(gè)電子天平, 用來(lái)測(cè)量物料干燥前、后的質(zhì)量, 其差值即為物料真空預(yù)冷的質(zhì)量損失。

　　真空室內(nèi)的壓力由抽氣口外接的真空壓力表讀出, 其精度可以達(dá)到100 Pa。

1.3、蔬菜分類(lèi)及處理

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

　　實(shí)驗(yàn)中從A 類(lèi)蔬菜中選取了芹菜和白菜, 從C類(lèi)蔬菜中選取胡蘿卜作為樣品。對(duì)于芹菜和白菜, 將熱電偶分別粘貼在葉片上和插入其內(nèi)部。胡蘿卜洗凈后, 在其表面切一個(gè)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(diǎn)溫度仍為將熱電偶插入測(cè)量。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1、真空室壓力曲線(xiàn)

　　蔬菜的真空預(yù)冷過(guò)程一般分為2 個(gè)階段。第1階段, 真空室壓力從大氣壓降到與蔬菜溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力, 在這一階段, 蔬菜內(nèi)部水分蒸發(fā)很慢, 溫度基本保持不變。當(dāng)真空室壓力降到與蔬菜溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí), 真空預(yù)冷第2 階段開(kāi)始, 在這個(gè)階段蔬菜開(kāi)始失去水分并迅速冷卻。

　　旋片真空泵與羅茨水環(huán)機(jī)組得到的真空室壓力曲線(xiàn)如圖2 所示。由圖可以看出, 使用旋片真空泵和羅茨水環(huán)機(jī)組產(chǎn)生的真空室壓力變化曲線(xiàn)是有一定區(qū)別的。羅茨水環(huán)機(jī)組在運(yùn)行時(shí), 首先開(kāi)啟水環(huán)泵由水環(huán)泵獨(dú)立工作, 直至真空室壓力達(dá)到羅茨泵的開(kāi)啟壓力時(shí), 再啟動(dòng)羅茨泵由2 臺(tái)真空泵串聯(lián)工作, 最后使真空室內(nèi)的壓力降至規(guī)定值(667 Pa)。但從圖中也可以看出, 羅茨水環(huán)機(jī)組與旋片真空泵相比, 真空室壓力基本是在同樣的時(shí)間內(nèi)降至規(guī)定值,二者效果基本相當(dāng)。但是在對(duì)少量蔬菜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),由于羅茨水環(huán)機(jī)組可以承受一定的水蒸氣, 不存在潤(rùn)滑油乳化的問(wèn)題, 不會(huì)影響真空泵的運(yùn)行工況, 因而可以免加制冷系統(tǒng), 不僅延長(zhǎng)真空泵的使用壽命,而且節(jié)省了費(fèi)用。

圖2　真空室壓力曲線(xiàn)比較

(a) 第1 階段　(b) 第2 階段

2.2、蔬菜預(yù)冷過(guò)程溫度變化

　　由圖3 可以看出, 屬于A 類(lèi)蔬菜的芹菜和白菜, 其真空預(yù)冷時(shí)所需的降溫時(shí)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(shù)網(wǎng)另文介紹的結(jié)論是一致的。而屬于C 類(lèi)蔬菜的胡蘿卜(圖4) , 其真空預(yù)冷的效果遠(yuǎn)不如以上2 種A 類(lèi)蔬菜, 不僅降溫所需時(shí)間長(zhǎng)(表面降至4℃左右需要28 min) , 且降溫過(guò)程中表面與中心的溫差較大(3℃以上)。因此真空預(yù)冷更適合于比表面積大的葉菜類(lèi)。但無(wú)論何種蔬菜, 它們?cè)谡婵疹A(yù)冷過(guò)程中溫度變化曲線(xiàn)的趨勢(shì)還是十分相似的。

圖3　蔬菜的溫度變化曲線(xiàn)圖4　胡蘿卜的溫度變化曲線(xiàn)
(a) 芹菜　(b) 白菜

2.3、蔬菜預(yù)冷的質(zhì)量損失

表1　蔬菜預(yù)冷前后質(zhì)量變化

　　各種蔬菜預(yù)冷后質(zhì)量損失如表1 所示。蔬菜在真空預(yù)冷過(guò)程中都會(huì)因水分蒸發(fā)帶來(lái)質(zhì)量損失。這是由真空預(yù)冷的機(jī)理所決定的, 其水分蒸發(fā)量則取決于蔬菜的種類(lèi)、初始溫度和冷卻時(shí)間。

3、結(jié)論

　　(1) 真空預(yù)冷對(duì)比表面積大的葉菜類(lèi)蔬菜效果較好, 而對(duì)水分蒸發(fā)較困難的C 類(lèi)蔬菜效果較差。

　　(2) 使用羅茨水環(huán)機(jī)組實(shí)現(xiàn)蔬菜真空預(yù)冷過(guò)程中, 由大氣壓降至規(guī)定的最小值(667 Pa) 所需要的時(shí)間為4 m in。真空室的壓力變化規(guī)律與使用旋片式真空泵進(jìn)行真空預(yù)冷過(guò)程基本一致。

　　(3) 羅茨水環(huán)機(jī)組在真空預(yù)冷過(guò)程中運(yùn)行狀況良好。在無(wú)制冷系統(tǒng)的情況下, 機(jī)組能夠承受少量的水蒸氣凝結(jié), 不會(huì)引起潤(rùn)滑油乳化, 工況穩(wěn)定。