茄子冷冻过程热湿迁移规律数值模拟及实验研究

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目前,对食品的冷加工已经非常普遍,同时对冷冻食品的品种和品质也提出了更高的要求。在冷加工中,食品的成分、组成、结构、水分等对食品冻后质量有着很大影响。通过模拟计算能够反映食品在冷冻过程中内部热湿迁移的趋势与规律,早期对食品冷冻的模拟大多假设食品热物性在冻结过程中为常数,而实际上食品的热物性在冷冻后有较大的变化,特别是含水量高的食品。近年的一些研究则采用冷冻前后两个物性对食品冷冻过程进行模拟,而实际上食品的热物性随着冷冻的进行随时发生着变化。另一方面,食品在冷冻过程中内部的水分迁移也会对食品品质产生影响。随着冷冻的进行,食品内部的水分迁移使水分的分布不均匀,这会影响冷冻食品的贮藏品质,同时还会影响食品加工工艺过程的进行。如在进行冻干加工时,若能了解水分迁移特性,便能改进加工工艺。   本文以茄子为含湿多孔介质食品的实验对象,采用随温度变化的热物性对食品冷冻过程的温度场和水分迁移情况进行模拟和实验,来验证非饱和含湿多孔介质食品冷冻过程中的热湿迁移规律。模型模拟平薄状茄子试件在低温箱中的冻结。茄子试件为一矩形薄片,上下两面与强制对流的低温空气接触,进行对流换热冻结,其内部沿厚度方向为一维导热和传质过程。模型考虑了茄子在冷冻过程中物性变化以及内部多孔介质的特殊结构。   为了验证模型的准确性,分别在风温-20℃、-30℃和-40℃下对30mm、40mm、50mm和60mm四种不同厚度的茄子进行冷冻实验,实验结果与模拟计算吻合较好。   计算和实验研究结果表明:   (1)茄子在冻结过程中其内部水分向冻结表面迁移现象明显,其中心水分迁移主要发生在冻结前的5-10分钟内。   (2)当相同厚度试件的茄子吹风冷冻时,其内部水分迁移数量随冻结温度的升高,其水分迁移数量也越多。计算结果表明,在初始含水量均为95%的条件下,-20℃风温下冻结的茄子冻结完成后中心水分迁移量比-40℃风温下多2.7%;   (3)不同厚度试件的茄子在相同温度下冻结时,厚度越厚其内部水分迁移数量越多、其内部水分分布均匀性越差。计算结果表明,厚度60mm的茄子在相同条件下,中心水分迁移数量比厚度30mm的茄子多5.64%。
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