基于食品凍結曲線的小龍蝦液氮速凍裝備設計與試驗

王 林，安文軒，江 寧，袁 潮，高瑞昌

（1.江蘇大學 食品與生物工程學院，江蘇鎮江 212013；2.江蘇省農業科學院 農產品加工研究所，南京 210014；3.宿遷楠景水產食品有限公司，江蘇宿遷 223900）

0 引言

小龍蝦，即克氏原螯蝦（Procambarus clarkii），肉質鮮美，營養豐富，深受廣大消費者的喜愛，但其清洗和烹制過程繁瑣，難以走入尋常百姓家［1］。2016年以來，預包裝調理小龍蝦（pre-packaging prepared crayfish，PC）成為各大電商平臺和線下市場最火爆的食品之一，但其含水率高且富含小分子營養物質，常溫下極易腐敗變質，貨架期較短［2］。

速凍是延長PC貨架期的有效方式，但傳統的冷風凍結速度慢，組織破壞大，易發生蛋白質變性、脂質氧化、持水力下降、解凍汁液流失等劣變［3］。液氮速凍的降溫速度快、凍結質量高、物料干耗低、安全衛生無污染，但液氮與物料接觸后產生的急劇熱交換會形成凍結層外殼，而后內部水分結晶產生的機械應力常常會導致物料龜裂［4］。每噸水產品凍結的液氮損耗量高達1.5～2.0 t，生產成本遠高于傳統的冷風凍結。如何降低物料凍裂率、減少液氮損耗量成為該技術應用和推廣的關鍵技術難題。

食品凍結是一種典型的伴有相變的熱傳導過程，分為預冷、結晶和深冷3個階段。不同階段對溫度的要求存在顯著差異，溫度過高或過低都會增加液氮損耗量，同時溫度過低還會增加物料凍裂率［5］。本文基于食品凍結曲線，在當前單腔體液氮速凍設備（single-chamber liquid nitrogen quick-freezer，SCF）的基礎上，設計適用于PC的三腔體液氮速凍設備（three-chamber liquid nitrogen quick-freezer，TCF），以期降低PC的凍裂率和液氮損耗量，為PC液氮速凍技術和裝備的改進提供參考和借鑒。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

如圖1所示，TCF由隧道腔體、降溫系統、隔溫裝置和控制平臺組成。

圖1 TCF的結構示意圖Fig.1 Structure diagram of TCF

隧道腔體（15.0 m×1.6 m×0.5 m）兩端設有出風口、入料口和出料口，從入料口至出料口設有傳送帶。降溫系統由液氮罐、管道、閥門、加壓裝置、節流閥、均溫風扇和矩陣式布局的霧化噴嘴組成。液氮罐通過管道與噴嘴連通，且在管道上設有閥門、加壓裝置和節流閥。均溫風扇固定于噴嘴正上方的隧道腔體內壁。隔溫裝置包括聚苯乙烯隔溫板（5 cm厚）和卡槽。隔溫板通過卡槽固定于隧道腔體內壁，上端和側面與隧道腔體密封連接，下方與傳送帶之間有10 cm間隙，以便物料運輸。隔溫板將隧道腔體分割為預冷腔、結晶腔和深冷腔，每個腔體的長度可以根據需要進行調節，并設有溫度感應裝置?？刂破脚_設于隧道腔體外側，由MatLab平臺搭建，內置模糊PID算法，與溫度傳感器、節流閥和均溫風扇連接，通過節流閥控制液氮流量，進而精準控制各腔體溫度。當腔體溫度高于設定溫度時，節流閥上調液氮流量；當腔體溫度低于設定溫度時，節流閥下調液氮流量。

1.2 工作原理

通過控制系統精準設定預冷腔、結晶腔和深冷腔的長度和溫度；打開閥門，液氮在加壓裝置的作用下通過管道經節流閥從霧化噴嘴噴出；同時開啟均溫風扇，使液氮在腔體內部均勻擴散；控制系統通過節流閥調節液氮流量，實時精準控制各腔體溫度；當各腔體內達到設定溫度后，啟動傳送帶并設定傳送速度，在入料口放置待凍結的物料（PC），經傳送帶依次運輸至預冷腔、結晶腔和深冷腔；最后在出料口即可獲得目標冷凍產品。

2 關鍵參數優化與分析

2.1 幾何模型的構建

如圖2所示，通過Solidworks軟件構建液氮冷凍腔體（5 m×1.6 m×0.5 m）和PC（25 cm×25 cm×5 cm）的幾何模型，導入ANASYS ICEM軟件進行六面體網格劃分（精度40 mm）。腔體兩端各設1個排風口（直徑14 cm），內部設有PC（1件）、霧化噴嘴（10只× 5組）和均溫風扇（2只× 5組），分別距離腔體底面10，20，40 cm。

圖2 液氮冷凍腔體和PC的幾何模型Fig.2 Geometric model of liquid nitrogen freezing chamber and PC

2.2 速凍過程的數值模擬

將網格化的液氮冷凍腔體和PC幾何模型調入Fluent軟件進行模擬計算。設定邊界條件（出口outflow、風機fan、壓力跳躍50 Pa），選擇κ-ε計算模型，導入物料物性參數［密度1 100 kg/m3、比熱容3.5 kJ/（kg·℃）、導熱系數0.723 W/（m·K）］，選用有限體積法離散控制方程［6-7］；然后設置初始條件（物料25 ℃），初始化流場后進行模擬計算（步長5 s），至物料中心溫度為5 ℃時結束［8］。以理論液氮損耗量為指標，優化PC在預冷腔體的最適溫度和時間。同等方法，分別優化PC在結晶腔體（5～-5 ℃）和深冷腔體（-5～-20 ℃）的最適溫度和時間。

PC在預冷腔、結晶腔和深冷腔的液氮損耗量、溫度變化動態及冷凍終點溫度如圖3所示。從圖3（a）可以看出，PC在預冷腔、結晶腔和深冷腔的理論液氮損耗量隨著溫度的降低均呈先降低后升高的趨勢，分別在-70，-100，-120 ℃時最低。在此腔體溫度下，PC溫度隨時間快速下降，分別在5.0，7.0，6.0 min達到冷凍目標，見圖3（b）。PC在結晶腔未出現典型的平坦曲線，而是快速跨過結晶區，有效避免冰晶特別是大顆粒冰晶的形成，從而使產品具有較高的凍結質量。在冷凍終點，PC呈現相似的溫度云圖，即幾何中心溫度較高，表面和棱角之處溫度較低，見圖3（c）～3（e）。這表明，TCF預冷腔、結晶腔和深冷腔的最適溫度分別為-70，-100，-120 ℃，最適時間分別為5.0，7.0，6.0 min。由于PC在傳送帶上勻速直線運動，預冷腔、結晶腔和深冷腔的最適長度分別為4.2，5.8，5.0 m。

圖3 基于數值模擬的PC在預冷腔、結晶腔和深冷腔的液氮損耗量、溫度變化動態及冷凍終點溫度云圖Fig.3 Liquid nitrogen loss, temperature change dynamics and temperature nephogram at freezing end point of PC in precooling chamber, crystallization chamber and deep cooling chamber based on numerical simulation

3 速凍試驗

3.1 材料

PC［香辣味、（35±5）g/只、25 cm×25 cm×5 cm］由宿遷楠景水產食品有限公司提供；液氮速凍設備定制于深圳市德捷力低溫技術有限公司；XMTJK408型多通道智能測控儀、PT1000型溫度傳感器，艾瑞迪科技有限公司；TA-XT2i型食品物性測試儀，英國SMS公司；UltraScan PRO型色差儀，美國HunterLab公司。

3.2 方法

基于數值模擬結果，設定TCF預冷腔（4.2 m，-70 ℃），結晶腔（5.8 m，-100 ℃）和深冷腔（5.0 m，-120 ℃）的長度和溫度；打開降溫系統，當各腔體達到設定溫度后，啟動傳送帶并調節速度為0.83 m/min；在入料口的傳送帶上放置帶有溫度傳感器的PC（25 ℃），每隔30 s記錄1次物料溫度，至PC到達出料口。再以同等方法觀測PC在SCF（-100 ℃）中的溫度變化動態（25～-20 ℃）。

將液氮速凍PC靜水解凍至20 ℃，取第2～3腹節肌肉，利用食品物性測試儀和色差儀分別測定質構和色澤［9-10］；取全部尾肉，參照GB 5009.3-2016，GB 5009.237-2016，GB 5009.181-2016和GB 5009.228-2016，分別測定水分、pH值、丙二醛和揮發性鹽基氮；利用含0.6 mol/L KCl的Tris-Maleate溶液提取尾肉蛋白，再以雙縮脲，DTNB，DNPH和ANS方法分別測定鹽溶性蛋白、巰基、羰基和表面疏水性［11］。選擇27名經驗型評價員，根據GB/T 12311-2012對尾肉進行總體差別檢驗；再選擇10名訓練型評價員對尾肉進行定量描述檢驗［12］。數據以至少3次獨立樣品測定的平均值±標準差表示，統計分析利用Student’s t檢驗，P＜0.05被認為存在顯著性差異。

3.3 結果與分析

如圖4所示，SCF和TCF速凍PC中心溫度的試驗值均圍繞模擬值上下波動，總體吻合良好，但存在一定的誤差。PC在TCF中的最大誤差為2.7 ℃，發生在第13.0 min；在SCF中的最大誤差為2.9 ℃，發生在第15.0 min，這可能是因為在試驗過程中PC物性參數隨著溫變和相變而變化，但在模擬計算過程中所有參數均為固定值。PC在TCF中的試驗和模擬凍結時間完全一致（18 min），比在SCF中的模擬和試驗凍結時間（20 min）降低10.0%。TCF的理論和實測液氮損耗量（1.54，1.59 t）均顯著低于SCF（1.75，1.87 t），分別降低12.4%和15.0%，有效節約了生產成本。這主要是由于PC在TCF中的凍結時間較短，且預冷腔內溫度較高。

圖4 PC在SCF和TCF中的溫度變化動態及液氮損耗量Fig.4 Temperature change dynamics and liquid nitrogen loss of PC in SCF and TCF

如表1所示，在凍裂率方面，TCF-PC（6.5%）顯著低于SCF-PC（10.9%），降低40.4%，主要是由于PC在SCF預冷腔的溫差較大，物料和液氮接觸后產生急劇熱交換形成凍結層外殼，而后內部水分結晶產生的機械應力導致了物料龜裂［13-14］。在質構方面，TCF-PC的硬性、彈性、內聚性、回復性和咀嚼性均顯著高于SCF-PC，可能是因為前者可以快速跨過結晶區，避免大顆粒冰晶形成而導致的質構劣變［15-16］。在色澤方面，TCF-PC的紅度（a*）與SCF-PC相同，但亮度（L*）和黃度（b*）存在顯著差異，可能與蛋白質、脂類和蝦青素的氧化程度有關［17］。在化學組分方面，TCF-PC與SCFPC的pH值、丙二醛、巰基、羰基和表面疏水性均無顯著性差異，但前者的水分顯著高于后者，可能是前者較快的結晶和凍結速度更好地駐留了蛋白質的持水能力，減少解凍時的水分流失［18］。TCFPC的揮發性鹽基氮顯著低于SCF-PC，而前者的鹽溶性蛋白顯著高于后者，表明前者更有利于保護蛋白質的分子結構，抑制蛋白質的變性、分解或交聯［19］。

表1 SCF和TCF速凍PC的理化特性Tab.1 Physicochemical properties of PC frozen by SCF and TCF

在差別檢驗中共有25人正確選擇，大于臨界值（16人，α=0.01），表明TCF-PC與SCF-PC存在顯著感官差異。如圖5描述檢驗表明，TCF-PC與SCF-PC的外觀和氣味無顯著差異，前者的滋味（8.2分）顯著低于后者（8.8分），可能是由于前者較好地保持了物料的質構特性而不利于外源調味物質的滲透。然而，TCF-PC的色澤（8.8分）和質地（9.0分）顯著高于SCF-PC（8.2，8.1分），結果與其理化特性一致。

圖5 SCF和TCF速凍PC的感官描述檢驗雷達圖Fig.5 Radar chart of sensory description test of PC frozen by SCF and TCF

4 結語

本文基于食品凍結曲線，通過數值模擬和試驗驗證，設計優化TCF，包括預冷腔（4.2 m，-70 ℃）、結晶腔（5.8 m，-100 ℃）和深冷腔（5.0 m，-120 ℃）。相較于SCF，TCF使PC的凍裂率降低40.4%，液氮損耗量下降15.0%，凍結時間縮短10.0%，感官和理化品質顯著提高，為一種“節能、省時、高質”的PC速凍裝備，作為SCF的改進產品具有良好的應用前景。若根據物料的物性參數，優化各腔體的長度和溫度，該設備亦可應用于其他食品的速凍加工。