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来描述干燥过程中的水分比变化，公式如下：MRt=(Deff(MR)（10）进一步推算得到：MR=82 exp(-23s2Deff )（11）式中：Deff为水分有效扩散系数，m2/s；为时间，s；s为样品尺寸，m。为了表征模拟效果，利用决定系数（R2）对结果进行评估，拟合过程利用Matlab曲线拟合工具cftool进行拟合：R2=1-(Mexp-Mcal)2(Mexp-Mave)2（12）式中：Mexp、Mcal、Mave分别为试验值、计算值和平均值，R2越接近1，说明拟合曲线相关性越优异。1.2.4数据处理试验获得的数据利用Origin和Matlab软件进行50投稿平台：2023年第6期绘图和数据分析。2结果与分析2.1超声波低温水浴预冷处理对苹果内部传热传质的影响由图2可知，超声波低温水浴处理冷却前期，越靠近外侧，测量点的降温速率越快，也能更快地达到降温速率的转折点；降温后期，苹果内各个测量点的温度偏差越来越小，即苹果内部温度分布逐渐均匀。对照组中苹果样品各点温度变化曲线十分平滑，而超声波处理组苹果样品的温度变化曲线存在峰谷状波动，且发生波动的时间与超声波作用的时间相符合，因此可以推断，超声波对苹果样品的内部和外部均会产生影响。超声波作用过程会不断对苹果内部组织进行拉伸和压缩，甚至产生空化现象，空化作用发生时会产生局部温度升高，从而导致测量点处温度波动。表1为终点温度3 时不同工况下苹果各测温点冷却系数（C）和无量量纲参数（J）的拟合数值及拟合效果。不同超声波频率对苹果低温水浴过程的影响不同。从表1可以看出，当频率为80 kHz时，超声波低温水浴对苹果果肉中部和近果核处的冷却速率促进作用较为明显，与对照组相比，冷却系数分别增加了 35.3%和 28.6%，而当频率为 40 kHz 和 68 kHz时，反而导致冷却速率变慢。超声波作用一方面因声学空化所引起的气泡会在破裂时引发液体湍流，使热边界层和速度边界层发生变形，从而降低热阻，增加对流换热速率10；另一方面，超声波作用在苹果内部组织时，部分机械能转化为内能，从而使总冷却过程的传热量增大。不同超声波频率下上述两种作用效果不同，导致最终降温表现不同。考虑超声波发射点与预冷苹果距离及超声波在水中的衰减作用18，根据公式（4）公式（7），计算浴冷终点温度为3 时，整个浴冷过程无超声波、超声波频率40 kHz、超声波频率68 kHz、超声波频率80 kHz的平均热流密度值分别为265、295、327、385 W/m2，可见辅助超声波可明显提高苹果与冷水之间的换热效率。2.2超声波水预冷处理对真空冷冻干燥时苹果内部传热传质的影响将超声波水浴处理后的苹果切片放入真空冷冻注：A.对照组；B.超声频率40 kHz；C.超声频率68 kHz；D.超声频率80 kHz。图2超声波低温水浴处理时苹果内温度变化曲线Fig.2Temperature change curves of apples treated withultrasonic low temperature water bathABCD表1不同工况下苹果各测量点冷却速率参数值Table 1Parameters of cooling rates for different treatments超声频率/kHz0406880冷却速率参数C/min-1JR2C/min-1JR2C/min-1JR2C/min-1JR2测试点A点0.0660.9900.9690.0470.9000.9120.0350.8200.8560.0610.8700.892B点0.0340.9800.9940.0300.9900.9700.0290.9200.9500.0460.9500.918C点0.0281.1000.9900.0221.0200.9830.0260.9900.9700.0360.9700.951无量纲过余温度无量纲过余温度无量纲过余温度无量纲过余温度朱宗升，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51保鲜与加工Storage and Process联系邮箱：2023年第6期干燥箱内干燥10.5 h，并测量其质量，获得水分比MR随时间的变化曲线（图3）。由图3可知，超声波预处理可以有效加快苹果片的真空冷冻干燥速率，且这种效应随着超声波频率的增大而有所加强。通过对公式（11）两端取对数可知，ln(MR)与时间t存在线性关系，通过线性拟合分别计算得到对照组、超声波频率40 kHz、超声波频率68 kHz、超声波频率80 kHz 4种干燥工况下的水分有效扩散系数分别为：6.9910-11、1.0610-10、1.0910-10、1.1110-10m2/s。如图4所示，辅助超声波水预处理后，苹果片真空冷冻干燥会表现为较高的平均水分有效扩散系数，与对照组相比，超声波频率40、68、80 kHz处理组的水分有效扩散系数分别提高了51.6%、55.9%、58.7%，提升幅度均大于50%。干燥本质上是通过提供能量使物料水分从内部扩散至表面，再从表面向外界扩散的过程，该过程由多种机理共同作用，包括气液分子扩散、毛细管流动和努森流等，直接受到内部扩散微通道和外部干燥条件的影响。超声波处理可以同时对上述两个过程产生作用，超声波预处理通过空化效应和机械效应使得苹果片内部组织产生更多微通道，从而有利于内部水分更快地扩散，随着超声频率升高，空化现象更加密集，纤维组织的拉伸压缩次数也增加，从而进一步提高干燥速率。另一方面，这种动态的作用会改变组织的部分物理化学性质，比如黏度和表面张力等1。通过上述可知，超声波作用既可以促进热量的传递，又有利于水分的对外扩散，对于冷加工和干燥加工均有缩短时长的效果，后续研究应进一步关注工艺优化和处理过程品质变化。3结论本文分别探讨了超声波低温水浴处理对苹果冷却速率和热流密度，以及超声波水浴预处理对苹果片真空冷冻干燥过程干燥特性和有效传质系数的影响，得出结论如下：（1）低温水浴过程辅助超声波处理可有效增大热流密度，但只有在80 kHz的超声波处理下苹果冷却速率明显提高，近果核处冷却速率比照组提高了28.6%。（2）超声波水浴预冷处理对苹果片真空冷冻干燥具有明显强化作用，使得整个干燥过程中的有效水分扩散系数相对于对照组增加50%以上。参考文献：1MUSIELAK G,MIERZWA D,KROEHNKE J.Food dryingenhancement by ultrasound-A reviewJ.Trends in 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effective waterdiffusion coefficients of apple slices during freeze-drying图3超声波水预冷处理对苹果片冻干过程水分比的影响Fig.3Effects of ultrasonic water precooling on water ratios ofapple slices during freeze-drying水分有效扩散系数/（m2s-1）1.210-101.110-101.010-109.010-118.010-117.010-1152投稿平台：2023年第6期6 CHEN Z G,GUO X Y,WU T.A novel dehydration techniquefor carrot slices implementing ultrasound and vacuum dryingmethodsJ.Ultrasonics Sonochemistry,2016,30:28-34.DOI:10.1016/j.ultsonch.2015.11.026.7BARTOLI C,BAFFIGI F.Effects of ultrasonic waves on theheat transfer enhancement in subcooled boilingJ.Experimental Thermal and Fluid Science,2011,35(3):423-432.DOI:10.1016/j.expthermflusci.2010.11.002.8ZHANG P Z,ZHU Z W,SUN D W.Using power ultrasoundto accelerate food freezing processes:Effects on freezingefficiency and food microstructureJ.Critical Reviews inFood Science and Nutrition,2018,58(16):2842-2853.DOI:10.1080/10408398.2018.1482528.9GALLO M,FERRARA L,NAVIGLIO D.Application of ultrasound in food science and 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海藻保鲜膜耐高温能降解。文章摘要如下：肆意泛滥的海藻可以制成耐高温的保鲜膜，而且还能轻易降解。这种材料最终有可能成为可持续性的食品包装选择。每年，人们都会消耗大量保鲜膜，比如用来包装农产品或烘焙食品。大多数保鲜膜最终成为垃圾，要么是因为它们需要专门的回收装置才能回收，要么就根本不可回收。一些可生物降解的塑料的确存在，但分解它们需要数月甚至数年。因此，英国利兹大学的凯兰沃德和他的同事们希望能制造一种可以轻易降解的薄膜塑料。他们使用的原料是一种名为马尾藻的褐藻。这种水藻中含有链状分子，与构成传统塑料的分子相似，这使它成为一种很好的原材料。研究人员将水藻与一些酸和盐混合，得到一种全部是这种分子的溶液，再把这种溶液与化学物质混合，使它变得更加黏稠和柔韧。研究小组把加工后的溶液制作成薄膜，然后测试了薄膜在加热情况下和扔到堆肥箱中的效果。这种生物薄膜可以承受230 的高温，扔到家用堆肥箱中后，在不到3周的时间里，90%以上的薄膜就会降解。沃德说，如果放在工业降解设施中，这些薄膜的降解过程只需要11 d。此外，研究人员说，在水中放置10 d后，这种薄膜没有释放出任何化学物质。这说明，它可以安全地用于包裹例如鲜切水果等湿润的食物。不过，还需要进行更多测试，看看这种薄膜是否能用于更长时间的食品包装，比如包装需要储存数月的糖果。来源：新华网2023-04-11海藻保鲜膜耐高温能降解朱宗升，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科技前沿科技前沿53