预冷技术应用分析

摘要：真空预冷、压差预冷的概念和应用过程。在研究中发现真空预冷用于预冷柔软的蔬菜类食品，如生菜等的时候比压差预冷更有效果。另外真空预还可以用来处理汤汁类食品。压差预冷也有它独到的优点，系统简单，操作简单，节约能源并且效果很好。它可以用来预冷硬度较大的蔬菜类食品如黄瓜、西红柿等。两种预冷方式对应于不同的食品有各自的优点。在预冷速度上真空预冷要快于压差预冷，在预冷失重上压差预冷比真空预冷好很多。

前言

 自从我国实施“菜篮子工程”以来，产销发生了巨大的变化：（1）果蔬的产销已经有原来的供量偏紧转向常年总量有余的总量平衡；（2）随着大中城市居民生活水平的提高，对果蔬和各种食品的要求越来越高，不仅要求一年四季种类齐全，更注重食品的新鲜、营养、清洁、环保等品质指标；（3）各种食品尤其是果蔬品种的流通领域由原来的国营市场为主的单一渠道发展成多渠道的流通网络。然而，长期以来，食品加工后的冷藏链一直没有健全，大部分的食用产品经过生产加工后就直接进入市场销售。而在运输和积存的过程中造成了很大的浪费，使生产量和销售量之间的落差很大，给国家和人民造成很大的损失。实践证明这种冷藏链的不健全主要是生产后的预冷步骤不受重视造成的。

预冷的概念最早是由Powell和他的助手于1904年在美国的农业部提出的。预冷是利用低温处理方法将采摘后的果蔬和刚生产出来的食品的品温迅速降低到工艺要求温度的操作过程。预冷后的果蔬不仅品质较高，有利于防止贮存过程中的质量损失，而且降低了冷藏车、冷藏船和冷藏库等的冷负荷，实现冷藏、贮运装置的节能运行。因此，美国、日本、澳大利亚等发达国家把预冷作为果蔬采摘后的必不可少的首道工序。此外，今年来预冷的领域大大扩展，尤其在食品工业的尝试取得伟大的成绩。目前，发展的趋势是把预冷技术融合到处理市售食品之中。例如：预冷熟肉、熟食等。

在过去的几年中，预冷已经被提上日程，一步步走进人们的视线，目前，已经被熟知的预冷方式主要有空气预冷、水预冷、冰预冷、和真空预冷四种方法。 但是对于冰预冷来说，冰点温度较高，不适合预冷温度较低的货物，且预冷速度慢；其次，冰占据大量体积，减少货物的装载容量；此外，冰溶解后产生的水会污染货物，成为其腐败的直接原因。因此它的应用逐渐淡出预冷方式的主流；水预冷也是由于预冷速度慢、并且容易造成产品的污染等缺点而淡出预冷市场。现在重点发展的方式是真空预冷和压差预冷，在应用中发现它们不但速度快，预冷效果好，而且造成污染的机率小。真空预冷是利用减压的方式，促成产品体内水分低温下沸腾蒸发带走蒸发潜热，实现产品的预冷。压差预冷是利用风机产生的压差是冷风在产品的表面流过带走产品的体热实现预冷。这些预冷方式的应用给产品的保存和运输带来了很大的方便，从而提高了它们的产销量。在欧洲和美洲的发达国家中预冷已经得到了广泛的应用。

1真空预冷

1.1原理

所谓真空预冷是指将所需预冷的产品放置在密闭的容器中，对其进行减压，引发产品本身水分蒸发，带走大量的蒸发潜热而被冷却的预冷方法。用atm表示大气压，在一个大气压下水沸腾发生在100℃。当大气压低于一个标准大气压时候，有压力和温度的饱和关系可知水分沸腾蒸发的温度必定降低。（如图1-1）  

因此，我们利用真空泵、真空室、冷凝器三个部分组成的真空预冷系统（如图1-2）便可以完成产品在低温下水分减压沸腾蒸发，带走自身的蒸发潜热实现产品的降温预冷。

在应用过程当中，由于该系统利用自身的蒸发潜能，因此它只适用于含有较高水分的产品。另外在 真空预冷过程中由于整个系统温度较低，低压水蒸汽会在连接真空室的导管内冷凝回流堵塞导管而造成真空室内压力回升，阻止水分的蒸发，影响预冷效果。为解决这一问题，可以在真空室内加装冷凝器，使低压的水蒸气直接进入冷凝器液化为水再通过排水系统直接排出。最后，通过调节真空室的压力来准确控制预冷产品的温度。                                                                                   

真空预冷是一种技术含量较高，效率也较高的预冷方式，但是它需要合理、准确的操作才可以实现。下面讲述典型的真空预冷循环。首先将产品放进密闭的真空室内，开启真空泵，将压力一直下降到与产品初始温度相一致的饱和压力。这一降压过程依真空室的尺寸大小以及真空泵的功率不同而适当把握工作时间，一般降压时间维持7—10分钟即可。当真空室内的压力达到工作要求时产品内的水分就开始蒸发，产生的水蒸气被真空泵排出室外。真空泵在此过程中只起到减压的作用而并没有产生冷量。另外在真空室内加装冷凝器可以使水气迅速液化排出，促使室内压力大幅度降低而达到水迅速蒸发的目的。预冷过程一直维持到使产品达到储藏要求为止。

2、压差预冷

2-1原理

压差预冷是空气预冷的一种新形式，其原理图（如2-1），它是利用压差风机的抽吸作用，在包装容器的两侧形成一定的压力差，使冷空气经过包装容器上的通风孔强制通过包装容器内部与预冷产品表面直接进行换热，从而使物品快速、均匀的冷却到工艺要求的温度范围的预冷方法

1－冷风机，2—压差风机，3—静压箱，4—包装箱，5—预冷库

图2-1  压差预冷原理图

 压差预冷系统中主要由；冷风机、压差风机、静压箱、包装箱和预冷库组成。要进行压差预冷首先选取预冷产品，将产品进行净污处理。拿农作物来说，带有的泥沙量越多预冷效果越差。之后将产品放入包装箱内，启动压差风机使包装箱两侧产生静压差，之后启动冷风机，冷风在压差的作用下流过包装箱与产品直接接触换热。通过调节静压箱内变频风机的频率控制静压的大小。冷风从包装箱了另一侧流出再进入冷风机形成循环。实现产品的预冷。

3、不同预冷方式在加工产品方面的比较

   目前，美国、日本、澳大利亚等发达国家已把预冷作为果蔬采摘后以及食品加温后必不可少的工序。在我国，随着人民生活水平的提高和对预冷认识的加深，预冷也将会应用的越来越广泛。以下内容阐述了真空预冷和压差预冷对于不同的产品所具有的优势和不足。

   真空预冷的优点中最重要的是它可以大大的缩短预冷时间。（如表3-1）。从表中我们可以看出真空预冷在预冷时间上的极大的优势，从预冷理念上分析真空预冷所具有的优势是由于和压差预冷不同的预冷机制造成的。前者是通过水蒸发而获得冷量而后者是利用冷风掠过产品表面带走热量，即热量交换和传递来实现的，从导热和蒸发换热的效率上来比较不到1：16，在预冷时间上的差别就有了理论依据。冷却时间的缩短不仅可以保证易腐食品的质量，而且从卫生角度看更加保险，同时降低了运行成本。

3-1  预冷时间比较表

   真空预冷与压差预冷不同，它是通过水蒸气的蒸发来实现的，蒸发过程同时发生在产品的内部和表面，因此产品中有稳定的温度分布。例如：有一堆水果同时被真空预冷，所有的产品的温度可以在同样的速率下降低，包括顶部的，中部的和底部的，对于尺寸较大的产品来说，用真空预冷时，产品表面和中心的温度差比压差预冷要小的多了。

从预冷的理论方面来讲，真空预冷和压差预冷所适用的产品种类有较大的区别。（如下表3-2）

表3-2    预冷产品比较

   最近的研究表明真空预冷不但用于食品保鲜方面效果突出，在鲜花的保鲜方面也有很明显的成绩。鲜花的生命很脆弱，如果把它们放在压差预冷的条件下，根本无法接受预冷就会受到损伤，因为它经不起包装箱两侧由压差造成的冷风力影响。实验证明真空预冷瓶内水仙花和百合花使其延长保鲜寿命收到了很好的效果。将真空预冷到2℃后的鲜花放在室温19-20℃的水中，可以保存7-8天的新鲜度，而不经过预冷处理的鲜花只能保存2-3天的时间，另外经过处理后的鲜花无论是放在水中还是放在平面上都是一样的保持新鲜，这就给花朵的运输带来了极大的方便。

   预冷在欧洲和美洲的国家中已经被广泛应用，在处理生菜等小蔬菜食品方面真空预冷比压差预冷更有优势。这依然是由于真空预冷理想的预冷速率。例如在30分钟内就可以将3-5公斤的生菜从25℃冷却到1℃，并使生菜的各部分组织结构不受到损伤，菌类迅速死亡，比起压差预冷下加PVC薄膜包装毫不逊色。

   预冷蘑菇是真空法的一项专利应用。蘑菇的渗透结构和高潮湿性满足了真空预冷实现的条件。研究指出真空预冷法可以把储藏102小时以后的蘑菇在延长24小时。另外真空法保存稍微变质的蘑菇比压差法好很多。蘑菇本身是一种食用菌，如果被其他的恶性菌侵染腐蚀很快，真空法依靠理想的冷却速率可以达到保藏的效果，而压差预冷不能那么快的使蘑菇表面的霉菌冻结死亡，即不能很好的保藏质量较差的蘑菇。

   真空预冷法在处理松软食品如：面包、蛋糕、果冻、果酱等含有较高黏胶性纤维结构的食物时也收到很好的效果。真空预冷过程由于环境压力低于产品内部压力，因此不会使产品产生褶皱，塌陷等损坏。在传统的预冷方式中包括压差预冷对于处理高纤维的产品存在的问题除了会损坏产品的形状外，主要表现在预冷效率大为降低，因为组织中大量的黏胶纤维结构对热量的传导和疏散起到很大的阻滞作用，工作耗时大，耗能高，经济效益低。例如：预冷50Kg的含有酸乳酪的果脯真空法用1.2个小时就可以完成，用压差法需要11个小时。

   真空法虽然具有不可替代的优点，但是它的应用受到很大的限制。①观察可以真空预冷的产品得知此类产品都具有结构上的相同点就是高潮湿性和痛透的气孔组织，这些也是真空预冷得以进行的前提条件。但是在生活中有很大的一部分的产品是不满足这些要求的。如：苹果、梨、西红柿等具有光滑果皮的食物应用真空法预冷就很困难了。②真空预冷的高缩水性也给产品生产商选用此方法增加了顾虑。一般情况下用压差预冷以及其他的预冷方法处理产品时，缩水失重大约为2-3％左右，而用真空法达到了11％左右（如下表3-3）。这与生产商的经济利益联系起来就不划算了。

3-3 预冷失重比较

虽然真空预冷很有市场潜力，但是从综合利益上来分析压差预冷还是目前世界范围内应用最广泛的预冷方式。压差预冷通常采用中心抽吸式、侧面抽吸式和隧道式三种形式缩小了生产所需空间，库容利用更加合理，其预冷方式比其他预冷方式如水预冷、冰预冷，更为均匀。适用于各种果蔬，尤其对苹果、黄瓜等硬度较大的果蔬效果更佳。预冷过程中减少了水分蒸发造成的产品表面凝缩，提高了产品的质量。在对产品预冷后的色泽和口感上的调查表明压差预冷较真空预冷有更高的可接受程度，这主要是从失水的方面考虑，真空预冷失水较大必然造成产品变硬是口感下降，而压差预冷就不存在这样的问题了。最后从两种系统的总投资费用上比较压差预冷要比真空预冷更节约，但是生产的运行费用较高，另外生产过程中码垛堆积费时，总之在生产应用中应该根据产品的需要合理选用预冷系统以达到省时节能高效的综合目的。

4、实现预冷的技术关键和影响因素

4-1真空预冷

   真空预冷的实现首先要求系统的合理配置和安装，选用与所用真空室相匹配的真空泵，一达到安全节能的效果；第二对预冷的产品有高度的选择性，它要求产品具有通透的气孔结构和高含水量。第三对真空室内的气压要求有精确的控制，产品的水分一旦开始大量蒸发必然造成对室内压力的影响，影响过大时会导致蒸发的停滞，因此必修保证室内的压力稳定，加装冷凝器可以收到很好的效果。

4-2压差预冷

   压差预冷的实现也受到很多外界条件的影响。首先，预冷前准备工作的工作量较大，要对产品进行分类码垛放进包装箱，因为不同的码垛方式在预冷过程中形成不同的气孔编排形式，对冷风流过时造成的压降有很大的影响。对于不同直径，不同堆码形式的橘子在一定的空气流速下进行的压降测试如下表（表4-1）。其计算公式如下：

    △P=cLυaDb/ε3        

   △P—压力降。Pa

    L—空气流过长度。m

   υ—箱体横截面空气平均流速，m/s

   ε—物品堆放的孔隙率：（总容量—产品占用容积）/总容量

D—产品（多空介质）的平均当量直径，m

4-1 系数a、b、c的数值

第二，压差预冷的系统设计中对箱体的开孔位置有严格的要求。因为不同的开口位置造成不同的冷风进入方向和冷风进入量。它要依照所须大量预冷的产品来进行设计。

5、结束语

    在上文中介绍了真空预冷和压差预冷的系统结构、生产流程以、对不同产品应用时候的优缺点以及系统合理工作的技术要求和影响因素。

    真空预冷大大缩短生产时间而提高产量虽然会造成较大的质量损失，但是目前已经通过增设合理的预冷步骤而得到很大的改善。如加装加湿器和喷淋器等在预冷进行中增加湿气；或者在预冷前对产品进行盐水注射，些方式都使失去的水分得到弥补。在预冷生菜和肉食产品时质地鲜美，味道可口，从给予生活便利方面来讲就是一笔很大的财富。从安全意识方面讲真空预冷只与真空室内的少量空气接触，从而阻断了细菌的传播路径，使产品的卫生质量更高。但是由于对产品的高选择性在普及上受到很大的限制，因此仍需进一步研究和更完善的系统。

    压差预冷从系统结构上讲仅仅需要在普通冷库基础上加设静压箱和压差风机，这样大大减少初投资，结构简单容易操作，干耗小，对所预冷产品的要求低。这些优点使其在预冷领域广泛普及。压差预冷应用箱体内冷风交换热量，使箱体结构较为复杂，必须考虑冷风的流量和流速以及方向等问题，只有优化包装箱内的气流组织，产品才能迅速降温，冷却均匀。

对于小型的预冷系统应尽可能的根据预冷产品的品质、形态等特征选用单一的预冷方式。但是对于预冷产品种类多，品质复杂的大型预冷系统来说应该将两种预冷方式联合起来应用，以求达收到最高的经济效益。