在差压预冷过程中,食品热量的传递主要有两种形式,一种是以热传导方式由物体内部传递到物体表面,另一种是以对流换热方式将热量带走。在这个过程中,空气温度、气流速度、压力降、容器开口率、容器排列方式、食品层空隙率、食品品种及规格等是影响热量传递即预冷速度的主要因素。因此,要想提高预冷速度,必须对以下几个方面进行讨论。
(1)空气温度。空气温度降低可以增大空气与食品之间的温度差,食品传热加快,从而预冷速度加快,但较低的空气温度会对食品造成冻害。对于新鲜蔬菜和水果,预冷空气温度应严格控制在-1~0℃,因为大部分水果、蔬菜的冻结点为-4.2~-1℃。但有些食品冻结点相对较高,例如生菜为-0.45℃,菠菜为-0.75℃,黄瓜为-0.84℃,西红柿为-0.9℃,因此这些食品预冷时空气温度不得低于0℃。
(2)气流速度。当预冷空气温度一定时,适当提高气流速度有利于预冷速度的提高。由对流换热方程式可知,当气流速度增大时,对流换热系数增大,即对流换热量增大。然而继续提高风速,虽然会继续增大对流换热系数,但同时会增加风机能耗和食品干耗,使实际效益下降。因此,在实际操作过程中必须设定适当的风速,一般为0.5~2m/s。
(3)压力降。压力降代表风机能耗的大小,是与容器开口率、容器排列方式、食品层空隙率以及气流速度有关的值。对较小的颗粒状食品,如青豌豆、樱桃、青蚕豆、小西红柿、小胡萝卜、草莓等,压力降为3432~4217Pa;对较大的球状食品,如橘子、桃、梨、苹果、西红柿、土豆等,压力降为490~980Pa。在实际操作过程中,希望保持恰当的压力降,以维持整个预冷过程的经济效益。
(4)容器开口率。差压预冷方式的关键技术参数为容器的形状及通气口的开口率,它们直接影响冷空气进气量、预冷食品间的接触面积和压力降。容器一般采用塑料箱、纸箱、柳编筐等。设计容器的通气口时应考虑容器的强度,通气口大小视产品规格确定,有圆孔、条形孔、菱形孔等,开口率在5%~45%之间选定。开口率越大,通过容器内食品层的空气量越大(在食品层空隙率一定时),即与食品表面接触的冷空气量越大,速度越快,预冷速度就越快。
(5)容器排列方式。容器排列方式会影响冷空气在容器内的前进速度和路径,这对食品的散热是十分重要的。如前所述,容器排列方式有直列式、U字式、叠加式等。实验表明叠加式预冷速度最快,其次为U字式。
当柑橘初温为30℃,冷却至终温4℃时,常规强制通风冷却时间为7.6h,直列式预冷为3.6h,U字式预冷为2.5h,而叠加式预冷为2h。由此可见,当其他条件一定时,排列方式不同,冷却速度也不同,当食品体积较大时更为明显。
(6)食品层空隙率。空气压力降与空隙率成反比,即空隙率越大压力降越小;反之,空隙率越小压力降越大。无规烈排列的食品层比有规则排列(顺排、横排)的食品层压力降大。
在实际操作中,由于大部分采用无规则排列,因而计算食品层空隙率、压力降、气流速度分布是一个相当复杂的过程,尚有待进一步研究。
(7)食品品种及规格。食品品种不同,其属性也不相同。即使是同一品种,由于规格不同,产生不同的温度、速度、压力降和空隙率,引起不同的传热效果,因而冷却速度也不同。含水量大、脂肪含量高的食品以及体积较大的食品冷却速度慢,例如西瓜、西红柿、肉类、水产品等