site logo: www.epochtimes.com

呂錫民:真空冷卻在食品工業的應用與挑戰

人氣: 340
【字號】    
   標籤: tags: , ,

【大紀元2019年10月14日訊】真空冷卻(Vacuum Cooling, VC)是一種用於含水和多孔食品的冷卻技術,具有卓越冷卻速度、均勻性、衛生性、以及低耗能等諸多優點。然而,該項技術仍存有一些缺點,譬如在VC過程中,葉菜類不同部位不可避免仍有質量損失與不均勻冷卻現象。為了改善VC的性能,目前已經有許多努力正在進行。

在本文中,我們介紹VC基本技術,以及其在水果、蔬菜和肉類製品上的主要應用與相關限制。其次我們討論到如何提高技術性能,針對操作過程提出若干改善措施,例如預處理、技術最佳化和整體化、以及設備升級和最佳化操作條件,特別是最終壓力及壓力降低速率。此外,文中還論及VC在食品工業的局限與未來前景。

在傳統食品工業中,由於缺乏有效的溫度控制策略,許多新鮮和易腐爛食物會產生意想不到的浪費。因此,乾燥、冷卻和冷凍等措施常常用於許多食品的品質與安全維護,特別是結合適當時間-溫度管理保證令人滿意新鮮度的冷卻鏈技術特別受到青睞。作為冷卻鏈第一個重要步驟的預冷,能夠在第一時間移除剛剛採下農產品的田間熱量,有效減少收成後呼吸功能,抑制微生物生長,以及降低酶活性。

然而,傳統的冷卻方法,例如鼓風冷卻、水冷卻或浸沒冷卻,由於冷卻速率過低以及成效不彰,因此具有增加產品變質的風險。此外,由於空氣冷卻造成的表面乾燥以及水冷卻衍生的潛在污染,因此策動更有效、更衛生、以及更節能冷卻方法的發展。由此,真空冷卻(VC),一種利用低壓環境促進水分蒸發原理的快速冷卻技術,在食品工業中引發高度關注。

VC首先成功應用在生菜和蘑菇等蔬菜農產品上的冷卻,然後又擴展到其他蔬菜水果,最後是熟肉製品的快速冷卻。VC還用於其他含水分食品的冷卻,如切花、烘焙糕點、漁業產品和蒸製包子。然而,仍有一些局限性存在,如技術本質上的質量損失、溫度分佈不均勻、以及組織變化等諸多缺點,影響了VC在實際應用方面的效果。

為了最佳化VC成效,目前產官學界已經研究了許多有關於VC操作過程改進措施。其中針對水果和蔬菜,噴水是一種減少質量損失的常用方法。另外亦有人在VC期間添加氣態臭氧處理,例如有學者則在壓力恢復階段使用高CO2氣體混合物代替空氣,而在若干研究裡這被定義為一種氣調真空冷卻(modified atmosphere vacuum cooling),此一新技術在保持冷卻產品質量方面具有很大的優越性。

此外,尚有許多新興分析技術出爐,用於VC運行條件的最佳化,包括模擬退火、回應面方法論、基因演算法、以及禁忌搜索演算法。其次針對煮熟肉類製品,在烹飪前和冷卻後,注入鹽水,亦即在VC期間,形成真空浸漬、浸入式真空冷卻(IVC)和烹飪與冷卻整合,旨在降低質量損失和提升冷卻效率的效果。

考慮到引入冷卻介質後冷卻時間的延長,一些策略被進行研究,如改變樣品大小和孔隙率、IVC具有不同初始水溫、IVC具有攪拌動作、以及IVC具有起泡現象。另一方面,其他研究還包括最終壓力與壓降率在內的運行條件,目的在於減少質量損失、改善溫度分佈均勻性、以及減少組織損傷影響。

真空冷卻(VC)係一種以蒸發傳熱為基礎的冷卻現象。依據物理學中的基本原理,水的蒸發沸點會隨著周遭壓力的降低而下降,因此,對於具有高游離水含量的多孔產品,周圍壓力的降低可以促進低溫表面和內部水分的蒸發,導致除熱作用與快速冷卻。但是,此周圍環境壓力應該予以控制,以防止產品過度冷卻招致冷傷和凍傷。

VC過程主要區分為三階段。第一階段是恆溫、減壓狀態,在此階段不進行冷卻。當壓力下降到對應於產品初始溫度的飽和壓力(即閃點)時,水就開始蒸發,一旦進入第二階段,冷卻作用開始。隨著水分與蒸氣的不斷排出與蒸發,溫度迅速下降到所需水平。第三階段是壓力恢復階段,排氣閥打開,空氣隨即流入腔室,從而恢復內部壓力。如果使用液體而非減壓進行冷卻,根據冷媒閃點,冷卻過程則可分為沸騰前、沸騰時和沸騰後三階段。

根據不同的處理能力和產品特性,真空冷卻器具有特定的結構。典型真空冷卻器的真空系統包括真空室和真空泵。真空室是一個封閉容器,在冷卻過程中放入產品。真空泵抽取空氣降低室內壓力至所需水平並去除其內產品蒸發蒸汽。然而,為了避免產生大量水蒸氣以及顯著增加負荷,一個蒸汽冷凝器被安裝以當作真空泵輔助器具,用來冷凝部分蒸汽,冷凝液隨後經過閥門排出,如此一來,整個室內壓力維持穩定。用於真空冷卻器的製冷系統一般是屬於蒸汽壓縮式製冷系統。

根據蒸發冷卻原理,真空冷卻技術應該優先用於含水和多孔產品。因此,真空冷卻是專用於多葉蔬菜的一種有效冷卻技術,如生菜、捲心菜、菠菜和馬齒莧。這些多葉類蔬菜通常可在30分鐘之內冷卻,此有助於在儲存期間良好質量的保持。另外還有一些研究證明真空冷卻對非脂質蔬菜冷卻的優越性。由數據比對可以證明,VC對於非葉類蔬菜具有非常高的冷卻率。植物其他部分如根部及大多數果實一般不適合於使用VC,理由在於其等具有非常厚的表皮,進行表面冷卻時難以讓內部水分蒸發。然而,VC對某些果實的抗氧化酶仍有一些積極的效用。

儘管如前所述,VC在高冷卻速率方面具有優越性,但由於先天上使用蒸發機制,不可避免導致高質量損失。非脂質蔬菜,尤其是具有小比表面積的根/莖類,通常不會產生令人滿意的溫度下降。另一方面,在55℃至10℃的冷卻過程中存在危險區域,其中熟肉製品中的微生物容易增殖。然而,由於肉類固有的低導熱率(約為0.5W/mK),使用傳統冷卻方式要很快通過該危險區域極具挑戰。

但是,在VC技術下,煮熟豬肉從70℃冷卻到4℃,僅需120分鐘以內即可達成,明顯快於鼓風冷卻(565分鐘)、緩慢空氣冷卻(855分鐘)、水浸冷卻(855分鐘)。因此,VC廣泛用在肉類產品的快速冷卻,如熟牛肉、牛肉片、香腸、肉丸、以及雞胸肉。即使熟肉以多層堆疊排列在真空室內,VC仍然展現比鼓風冷卻更為均勻的冷卻效果。

但是,此一應用類別同時也有一些局限性存在。例如,在以VC處理熟肉製品期間,大約有10%的不少質量損失,比傳統冷卻方法高出約2倍,嚴重降低了肉製產品的經濟價值,因為肉類商品是以重量為銷售基礎。此外,由於水分流失,肉品組織出現出稍高的Warner-Bratzler剪切力(WBS)與硬度,造成經過VC處理後的肉質彈性變低,這些都是VC對肉品質量產生的負面影響。

為了提高該項技術性能,不少學者研究其操作過程和條件的改進。從操作過程的角度來看,針對水果和蔬菜,噴水是減少質量損失的常用方法,但水量應該控制以避免水浸和細菌滲透。因此,許多高計算效率元啟發式技術用於冷卻條件的最佳化。此外,壓力恢復階段中的氣體控制,如VC期間的氣態臭氧處理,可以有效抑制病原體裝載和延長葉菜的保質期。針對肉製品,在烹飪前或冷卻後引入鹽水溶液可以減少質量損失。IVC已被證明是減輕質量損失和保持高質量兼容的有效方法。

此外,在同一容器中進行烹飪和冷卻是一種既衛生又節能的程序組合。然而,添加冷卻介質延長冷卻時間促發快速冷卻新技術,包括樣品尺寸和孔隙率的改變、攪拌、控制初始水溫或加重攪拌,以及在周圍液體中引入氣泡。從操作條件的角度來看,較高最終壓力可以減少質量損失和能量消耗,但是也會導致不希望的較高最終溫度。適當的減壓速率可以避免在IVC期間的過度沸騰,達成冷卻時間和質量損失之間的平衡,以及確保冷卻產品的均勻溫度分佈。此外,真空泵的間歇運行可以節省能源,補償質量損失,促進非葉菜溫度下降,以及防止脫水造成的品質下降。

VC技術未來發展趨勢在於,研究水分的遷移特性,進一步了解細胞水平上的質傳,提升冷卻性能、綜合性能、以及VC程序和系統的多功能最佳化。我們深信,隨著技術的向前演化,VC可為食品工業實現範圍更廣泛的商業應用。

(註:作者為工研院能環所前研究員)

責任編輯:高義

評論
2019-10-14 10:21 AM
Copyright© 2000 - 2016   大紀元.