柱形蔬菜的真空预冷实验

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)青岛大学机电工程学院 作者:杨启容

  实验研究了芹菜、白菜、胡萝卜等柱形蔬菜在真空预冷过程中蔬菜表面温度、内部某一位置温度、中心温度以及真空室的温度、真空室的压力随时间的变化规律, 同时研究了蔬菜真空预冷后的失水情况。结果表明,对于柱形叶菜类蔬菜真空预冷是一种十分有效的冷却方式。实验中使用了罗茨水环机组代替旋片式真空泵来解决真空泵润滑油乳化所带来的问题, 并取得了良好的实验效果。

  蔬菜采收后预冷是保持蔬菜新鲜、延缓其衰老变质的一种有效方法, 对于不同的蔬菜又可分别采取冷风预冷、差压预冷、真空预冷和水预冷等4 种方法。近年来, 真空冷却在食品工业领域得到了广泛应用。

  与吹风式、浸水式等传统冷却方式相比, 真空预冷可大大缩短冷却时间, 并使食品内部温度场更为均匀。显然, 从保鲜角度讲, 真空预冷装置是目前最理想的蔬菜冷却制冷设备。人们已对球形和平板状食品作了一些研究 , 本文对芹菜、白菜、胡萝卜等柱形蔬菜进行研究。

  目前, 大多数真空预冷装置所使用的真空泵均为旋片泵。加了气镇装置的旋片式真空泵虽然能抽除含有小部分水蒸气及大量永久气体的混合气体,但是在真空预冷过程中, 由于蔬菜内部的水分蒸发,将有大量的水蒸气被抽入到旋片泵内, 而水蒸气将凝结在泵腔内。这将导致真空泵润滑油发生乳化变质, 严重影响真空泵所能达到的极限压力, 润滑性能下降、磨损加剧、不能正常工作, 甚至使泵体及转子等零部件发生严重锈蚀, 造成整机报废。因此, 本实验采用罗茨水环机组。由于使用水环泵作为前级泵, 机组可以承受一定量的水蒸气的存在, 在对少量蔬菜进行实验的情况下, 可以免加其他附加设备, 延长真空泵的使用寿命, 同时完全可以达到冷却蔬菜的目的。

1、实验装置

  真空预冷实验装置包括真空冷却系统和测量系统。预冷装置示意图如图1 所示。

真空预冷装置示意图

图1 真空预冷装置示意图

1. 数据采集仪 2. 热电偶 3. 蔬菜 4. 真空室 5. 球阀 6. 罗茨泵 7. 支架 8. 真空电磁阀 9. 水环泵

1.1、真空冷却系统

  真空冷却系统包括真空室、支架和真空泵, 其中真空泵为罗茨水环机组。实验开始时, 首先打开水环泵, 当真空室内压力达到罗茨泵开启设定值时打开罗茨泵, 使2 台真空泵串联工作, 从而使真空室内的压力达到规定值, 并维持该压力直至实验结束。

  在罗茨水环机组运行过程中需要注意: ①保证水环泵进水的温度尽可能接近设计运行工况以及水量充足。进水温度高将导致水环泵抽力降低, 而进水量不足将导致水环泵不能形成正常的水环而无法抽真空。②保证罗茨泵的冷却水循环, 否则机组在运行1 h 左右时会由于罗茨泵过热保护而停机。

1.2、测量系统

  测量系统由测压、测温和称量3 部分组成。温度由布置在真空室内的8 对热电偶进行测量, 测量精度为011 K。在实验过程中, 2 对热电偶布置在蔬菜中心, 2 对布置在蔬菜表面, 2 对布置在中心与表面之间的位置以作参考, 另外2 对则悬挂在真空室内。各支热电偶测得的数据由数据采集仪接收并记录,然后按位置取平均值作为蔬菜的中心温度、表面温度、参考点温度以及真空室的温度。称量装置是一个电子天平, 用来测量物料干燥前、后的质量, 其差值即为物料真空预冷的质量损失。

  真空室内的压力由抽气口外接的真空压力表读出, 其精度可以达到100 Pa。

1.3、蔬菜分类及处理

  根据真空预冷的性质, 用于真空预冷的蔬菜可以分为3 类:A 类蔬菜, 几乎都是叶菜类, 其特点是比表面积(表面积与体积的比值) 大、组织柔软, 其结构有利于水分散发。B 类蔬菜如菜豆、草莓与菜花,比表面积小, 组织坚硬。C 类蔬菜包括黄瓜、胡萝卜、番茄、马铃薯等, 这类蔬菜特点是比表面积小、表皮厚、组织较致密, 水分蒸发困难。

  实验中从A 类蔬菜中选取了芹菜和白菜, 从C类蔬菜中选取胡萝卜作为样品。对于芹菜和白菜, 将热电偶分别粘贴在叶片上和插入其内部。胡萝卜洗净后, 在其表面切一个小口, 将热电偶放入其中, 以保证热电偶和蔬菜的紧密接触, 中心温度及参考点温度仍为将热电偶插入测量。

2、实验结果

2.1、真空室压力曲线

  蔬菜的真空预冷过程一般分为2 个阶段。第1阶段, 真空室压力从大气压降到与蔬菜温度对应的饱和压力, 在这一阶段, 蔬菜内部水分蒸发很慢, 温度基本保持不变。当真空室压力降到与蔬菜温度对应的饱和压力时, 真空预冷第2 阶段开始, 在这个阶段蔬菜开始失去水分并迅速冷却。

  旋片真空泵与罗茨水环机组得到的真空室压力曲线如图2 所示。由图可以看出, 使用旋片真空泵和罗茨水环机组产生的真空室压力变化曲线是有一定区别的。罗茨水环机组在运行时, 首先开启水环泵由水环泵独立工作, 直至真空室压力达到罗茨泵的开启压力时, 再启动罗茨泵由2 台真空泵串联工作, 最后使真空室内的压力降至规定值(667 Pa)。但从图中也可以看出, 罗茨水环机组与旋片真空泵相比, 真空室压力基本是在同样的时间内降至规定值,二者效果基本相当。但是在对少量蔬菜进行实验时,由于罗茨水环机组可以承受一定的水蒸气, 不存在润滑油乳化的问题, 不会影响真空泵的运行工况, 因而可以免加制冷系统, 不仅延长真空泵的使用寿命,而且节省了费用。

真空室压力曲线比较

图2 真空室压力曲线比较

(a) 第1 阶段 (b) 第2 阶段

2.2、蔬菜预冷过程温度变化

  由图3 可以看出, 属于A 类蔬菜的芹菜和白菜, 其真空预冷时所需的降温时间短(降至4℃最多需要18 min) , 且中心与表面温差不大, 降温效果好, 这与真空技术网另文介绍的结论是一致的。而属于C 类蔬菜的胡萝卜(图4) , 其真空预冷的效果远不如以上2 种A 类蔬菜, 不仅降温所需时间长(表面降至4℃左右需要28 min) , 且降温过程中表面与中心的温差较大(3℃以上)。因此真空预冷更适合于比表面积大的叶菜类。但无论何种蔬菜, 它们在真空预冷过程中温度变化曲线的趋势还是十分相似的。

蔬菜的温度变化曲线 

图3 蔬菜的温度变化曲线图4 胡萝卜的温度变化曲线
(a) 芹菜 (b) 白菜

2.3、蔬菜预冷的质量损失

表1 蔬菜预冷前后质量变化

蔬菜预冷前后质量变化 

  各种蔬菜预冷后质量损失如表1 所示。蔬菜在真空预冷过程中都会因水分蒸发带来质量损失。这是由真空预冷的机理所决定的, 其水分蒸发量则取决于蔬菜的种类、初始温度和冷却时间。

3、结论

  (1) 真空预冷对比表面积大的叶菜类蔬菜效果较好, 而对水分蒸发较困难的C 类蔬菜效果较差。

  (2) 使用罗茨水环机组实现蔬菜真空预冷过程中, 由大气压降至规定的最小值(667 Pa) 所需要的时间为4 m in。真空室的压力变化规律与使用旋片式真空泵进行真空预冷过程基本一致。

  (3) 罗茨水环机组在真空预冷过程中运行状况良好。在无制冷系统的情况下, 机组能够承受少量的水蒸气凝结, 不会引起润滑油乳化, 工况稳定。

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