不同频率下超声波水处理对苹果内传热传质影响规律的试验研究.pdf

保鲜与加工Storage and Process2023，23（0）：00-00加工研究不同频率下超声波水处理对苹果内传热传质影响规律的试验研究朱宗升，单晓芳，陈爱强，周静，白浩志，刘斌（天津商业大学机械工程学院，天津市制冷技术重点实验室，天津300134）摘要：为探究超声波处理对果蔬加工过程中热质传递的影响规律，以苹果为研究对象，结合不同频率（40、68、80 kHz）超声波处理技术，分别进行超声波辅助低温水浴试验和超声波水预冷处理辅助苹果片真空冷冻干燥试验。结果表明：超声波辅助低温水浴可有效强化苹果与冷水间的热量交换，频率为80 kHz时，苹果果肉中部和近果核处的冷却系数与对照组相比分别增加了35.3%和28.6%；超声波水预冷处理后，真空冷冻干燥过程有效水分扩散系数比对照组分别增加了51.6%（超声波频率40 kHz）、55.9%（超声波频率68 kHz）、58.7%（超声波频率80 kHz）。关键词：超声波水处理；苹果；预冷；真空冷冻干燥；热流密度；扩散系数Experimental Study on the Effects of Ultrasonic Water Treatments onHeat and Mass Transfer in Apples under Different FrequenciesZHU Zong-sheng,SHAN Xiao-fang,CHEN Ai-qiang,ZHOU Jing,BAI Hao-zhi,LIU Bin（School of Mechanical Engineering,Tianjin University of Commerce,Key Laboratory of Refrigeration Technology ofTianjin,Tianjin 300134,China）Abstract:In order to explore the influence of ultrasonic treatments on heat and mass transfer during fruits and vegetables processing,apples were taken as the research object,and ultrasonic assisted low temperature water bath test andultrasonic water precooling assisted vacuum freeze drying tests of apple slices were respectively carried out combinedwith ultrasonic treatment technology of different frequencies(40,68,80 kHz).The results showed that ultrasonic assisted low temperature water bath could effectively strengthen the heat exchange between apples and cold water.When thefrequency was 80 kHz,the cooling coefficients in the middle and near the core of apple pulp were increased by 35.3%and 28.6%,respectively,compared with the control group.After ultrasonic water precooling treatment,the effective water diffusion coefficients in vacuum freeze-drying process were increased by 51.6%(ultrasonic frequency of 40 kHz),55.9%(ultrasonic frequency of 68 kHz)and 58.7%(ultrasonic frequency of 80 kHz),respectively,compared with thecontrol group.Key words:ultrasonic water treatment;apple;precooling;vacuum freeze drying;heat flux;diffusion coefficient中图分类号：TS205.9DOI：10.3969/j.issn.1009-6221.2023.06.007文献标识码：A基金项目：天津市教委科研计划项目（2017KJ172）作者简介：朱宗升（1987），男，汉族，博士，讲师，研究方向：食品保鲜与干燥，制冷系统优化。2023，23（6）：48-53保鲜与加工Storage and Process加工研究48投稿平台：2023年第6期新鲜果蔬因含水量高且营养丰富，采摘后易导致表面微生物生长繁殖迅速，同时果蔬细胞也具有较高速率的生化反应，使得其品质劣变加快1。为延缓衰变，常采用低温贮藏或干燥脱水的方法对其进行处理，但两种处理过程均需要消耗大量能源，且处理不当还可能导致果蔬品质劣变。近几年，结合各种新技术的预处理成为新的研究热点。在干燥领域，超声波预处理作为一种非热预处理技术在加快干燥速率和降低干燥能耗方面表现出巨大的潜力2-4。一些研究表明，超声波预处理可以提升鱼片5和胡萝卜6等产品的干燥品质，甚至还可以降低有效干燥温度4。在冷藏领域，超声波可以有效改善冷却速率7；大量试验表明，其能有效提升对流传热系数8-12；辅助超声波可以提高内部温度分布的均匀性、缩短冷却时间，从而有效提高肉类品质13-14；超声波还具有在不破坏食品营养成分的前提下杀灭微生物和使酶失去活性的作用9。以上特点使超声波在食品储存中得到广泛应用。鉴于超声波在促进果蔬处理过程热质交换的潜力，本文从冷却和干燥相结合的角度考察超声波水预处理对苹果预冷速率和真空冷冻干燥速率的影响，计算相应衡量热质传递的关键参数，进而评估超声波在传热速率和传质速率方面的影响程度，为优化苹果预冷和干燥加工过程提供基础数据。1材料与方法1.1材料与设备1.1.1材料与试剂试验所用苹果为产自河北的富岗苹果。选取形状大小相近、成熟度高、表皮没有损伤且无虫害的苹果作为试验样品。1.1.2仪器与设备THD-M1超声波发生器：输出功率在0300 W范围内可调，深圳市太和达科技有限公司；GP20数据采集仪：日本Yokogawa公司；HX-08恒温水浴：上海豫明仪器有限公司；水浴超声波处理槽：订制，由1个尺寸为30 cm30 cm50 cm的不锈钢水槽和4个超声波换能器组成，超声波换能器紧贴在水槽四周外壁面，使得超声振动可以传递至试验样品。本试验台搭建了3个装有不同规格换能器的水槽，换能器产生的超声波频率分别为40、68、80 kHz。试验过程中使用横河GP20采集数据，为维持水槽里的水温恒定，将水槽与恒温水浴连接。自主设计并搭建的超声波恒温水处理装置如图1所示。1.2方法1.2.1超声波低温水浴预冷处理苹果的方法将试验所用苹果放入恒温库中48 h，使其内部温度维持在（250.2）。试验分为3个处理组和1个对照组：3个处理组超声波频率分别为40、68、80 kHz，超声波功率均为120 W，超声处理时间均为20 min；对照组不进行超声波处理。处理步骤如下：将事先制备的0 冰水混合物倒入水槽中，然后连接并启动恒温水浴。如图1所示，在苹果果肉近表皮处（A点）、果肉中部（B点）及果肉近核处（C点）插入热电偶。为防止冷水通过热电偶插孔进入苹果中，影响热电偶所测温度的准确性，在浸水之前用热熔胶均匀地封住插孔。将重物绑在苹果上，使其完全浸没在冷水中，实现均匀预冷。调节超声波发生器输出频率，使其与超声波换能器工作频率一致，待苹果放入水槽1 000 s后，启动超声波发生器，20 min后关闭。当苹果内C点处温度降至接近0 且5 min内温度变化不超过0.1 时视为预冷处理完成，试验结束，记录全过程测点温度变化。上述4组工况分别进行3次重复试验，结果取平均值。1.2.2结合超声波水预冷处理的苹果真空冷冻干燥方法对苹果在真空冷冻干燥前所进行的超声波水预冷处理参数如下：水浴处理温度25，超声波功率120 W时，分别在40、68、80 kHz超声波频率下预处理图1超声波恒温水处理装置Fig.1Experimental equipment of ultrasonic constant temperaturewater treatments超声波换能器不锈钢水槽GP20超声波发生器恒温水流DA=5 mmDB=10 mmDC=20 mm注：A、B、C为热电偶测点；DA、DB、DC分别为A点、B点、C点到果皮的距离。朱宗升，等：不同频率下超声波水处理对苹果内传热传质影响规律的试验研究49保鲜与加工Storage and Process联系邮箱：2023年第6期15 min。处理完成后取出苹果，将距离表皮515 mm处的果肉切成10 mm10 mm4 mm大小相同的薄片，放入真空冷冻干燥机内进行定时干燥，测量干燥后苹果品质的变化特性。对照组仅在25 水浴处理15 min，不进行超声波处理。1.2.3测定项目与方法1.2.3.1干基含水量随机选取冷冻干燥好的苹果片20 g，切碎放入称量瓶，置于热风干燥箱中，于105 下干燥至恒重，干基含水量计算公式如下：M0=m1-m2m2（1）式中：M0为样品的初始干基含水量，g/g；m1为烘干前样品的总质量，g；m2为烘干后样品的质量，g。1.2.3.2冷却速率通常用无量纲过余温度（）来评估果蔬的预冷时间。计算公式如下：=Tp-TaTpin-Ta（2）式中：Tp为苹果的瞬时温度，K；Ta为苹果所处冷水温度，K；Tpin为苹果初始温度，K。由于冷却过程中热量通过对流传热被冷水带走，因此随时间变化的过程接近于指数函数，对该过程进行指数类型的回归分析如下：=Je-Ct（3）式中：C为冷却系数，min-1，冷却系数越大，实际冷却过程越快；J为与毕渥数和测温位置有关的参数；t为计算时间，min。1.2.3.3体积平均温度通过传感器测量苹果内部不同位置的温度变化情况，进而估算苹果的体积平均温度。苹果内部测点处温度计算公式如下：T=TdVdV=TiViV（4）式中：T为苹果内部测点处温度，K；V为苹果体积，m3；i为测点序号。1.2.3.4苹果表面热流密度预冷过程的比热容估算公式如下：cp,p=1.672+2.508（5）式中：cp,p为果蔬定压比热容，J/（kgK）；为果蔬内水分含量，kg/kg湿基。苹果内部产生的呼吸热对冷却速率的影响在0.5%以内，故忽略不计15。根据液体中超声波热效应计算原理16，可估算苹果内超声波作用下的产热量(Qs)为：Qs=2 I Va t（6）式中：为苹果内超声波吸收系数，cm-1；I为苹果处超声波强度，W/cm2；Va为苹果体积，cm3；t为计算时间差，s。忽略苹果表皮质量，因果核内空心占总体积的比例较少也忽略果核的影响，近似认为苹果果肉部分为均质，浸没法测量试验用苹果体积Va，测量其密度（为 0.83 g/cm3），苹果与冷水换热的热流密度（qc,p）按以下公式计算：qc,p=cp,p m Ta,a+Qst A（7）式中：Ta,a为苹果内平均温度变化值，K；A为苹果表面积，m2；m为苹果质量，kg。1.2.3.5水分比（MR）用于定量分析干燥过程内部水分的变化，水分比计算公式如下17：MR=M-MeM0-Me（8）式中：M为某时刻苹果片内部的干基含水量，g/g；Me为相应条件下的干基平衡含水率，g/g。因Me远小于M和M0，故公式（8）可简化为：MR=MM0（9）1.2.3.6等效传质系数目前，常用费克扩散定律17来描述