西红柿汁的多级冷冻浓缩研究

王文成 ,陈锦权 ,陈梅英 ,方 婷

(1.漳州职业技术学院食品与生物工程系,福建漳州 363000;2.福建农林大学食品科学学院,福建福州 350002)

0 前言

冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间固液相平衡原理的一种浓缩方法。目前冷冻浓缩过程的冰晶体结晶方式有两种:一种是在管式、板式、转鼓式以及传送带式的设备中进行,称为层式冻结或渐进式冻结[1];另一种是在冰晶悬浮液中依靠小冰晶融化提供冷量生长大冰晶的,称为悬浮式冻结[2]。在工业上的应用过程中,冰晶夹带损失一直是冷冻浓缩生产技术存在的一个大问题[3-5]。通过获得冷冻浓缩过程中冰晶的增长规律,可以有效地降低果汁在冷冻浓缩过程中由于冰晶夹带造成的的损失并提高浓缩速度[6]。

本试验采用了悬浮式结晶法来进行冷冻浓缩。浓缩时首先将被浓缩物料泵入刮板式热交换器中,生成部分细微的冰结晶后再送入再结晶罐,由于奥斯特瓦尔德效应,小冰晶融化、大冰晶成长,然后通过洗净塔排除冰晶,同时用部分冰融解液冲洗、回收冰晶表面附着的浓缩液,清洗液回流至进料端,浓缩液则循环至所要求浓度后从结晶罐底部排出。在优化的处理条件下,冷冻浓缩果汁的质量与新鲜榨出的果汁几乎没有差别。

1 材料与方法

1.1 试验材料

(1)原料:西红柿,可溶性固形物含量4.2°Bx。

(2)实验仪器:AL807系列温度控制器(深圳市亚特克电子有限公司);USBDate Acquisition Modules (IOtech,Inc.USA);WAY-2S型数字阿贝折射仪(上海精密科学仪器有限公司);制冷压缩机组(法国泰康);冷冻浓缩机组(福建农林大学食品学院陈锦权课题组自制)。

1.2 试验方法

(1)工艺流程

(2)试验操作过程

①将果汁过滤后移入冷冻浓缩机结晶罐中;同时开启制冷机组对外围冷媒(氯化钙溶液)预先制冷,直至达到预定温度。

②将温度控制器探头插入结晶罐夹层,控制冷媒温度;启动循环泵,将冷媒通入结晶罐的夹层中循环流动。

③启动变速电机,带动刮刀转动,保持内外壁为 4℃的温度差,待筒壁上有冰晶析出时刮刀将冰晶刮下,悬浮于溶液表面成为种冰。

④种冰在生长罐中停留一定时间后,开启上层搅拌器,分离溶液中的大小冰晶,使溶液得到浓缩。

⑤试验过程中测定时间、冰晶可溶性固形物浓度、溶液可溶性固形物浓度,并建立三者之间的关系,建立冰晶生产动力学模型[8]。

2 结果与分析

2.1 模型的采用

文献[7]认为冰晶的生长包括两个基本的进程:在冰晶的生长过程中,溶质被包含在冰晶体中或粘附在冰晶表面,溶质在冰晶表面的扩散程度是由在冰晶表面附近的固液相界面间的液膜层所决定的。

冰晶生长过程中,溶质的扩散率可由Fick扩散方程式来表达:

式中,A表示晶体表面积;δ表示液膜厚度;α表示扩散系数;Cf表示固体表面溶液中的溶质浓度;Cj表示溶液中的溶质浓度;m表示晶体质量;t表示时间。

在冰晶表面,表面沉积率与溶液的饱和度成正比,因此:

式中,ks表示比例系数即溶质沉积特性;Cs表示溶液饱和浓度。

从式(1)和式(2)中消去Cf可得:

冰晶表面积和冰晶的质量之间的关系可表述为:

在冷冻浓缩进程中,式(3)和式(4)可合并表述为:

式中 Cj和 Cs分别为溶液浓度和溶液饱和浓度。在总质量相同的同一个体系中,溶液中存在着平衡:

式(5)可重新整理,代入式(6)可得:

式中(C0-Cs)表示溶质在冰晶体上最大的吸附量,因此:

式(7)中的常数项可合并成为:

将式(8)和式(9)代入式(7)可得:

2.2 仿真结果分析

(1)冰晶生长动力学模型

试验初始的西红柿果汁m0=5.433 kg,初始西红柿汁浓度C0=4.2°Bx,保持冷媒与浓缩液的温度差为 4℃进行浓缩,一段时间后随着冰晶体不断增加,浓度不断提高,到了一定程度,冰晶体质量不再增长,此冰晶体质量成为最大冰晶生成量。该数值可从试验获得,在本试验中,其值为mI,max=2.292 6 kg。

试验过程中,西红柿汁在经过过冷状态后瞬间产生冰核,此时计为初值是t=0,并可通过过冷度、比热容、潜热的关系计算出mI,0=0.108 kg,并代入方程=βmI(1-)k,采用龙格-库塔法计算在不同时间内冰晶质量变化的模型值进行求解,求得一级冷冻浓缩系数β=0.84/h,k=1.53。如图1、图2所示。

同理,通过试验分别可以拟合出西红柿汁四级浓缩的冰晶生长动力性模型为:

(2)四级浓缩阶段的浓缩生长曲线比较

为了进一步描述西红柿汁浓缩的过程,果汁浓度增长曲线可将四级的冰晶生产动力学方程=βmI(1与Cj=联立求解,其结果如图3所示。从图3可看出:试验值和模拟值所描述的曲线图基本上一致。

图3 四级西红柿汁浓缩、冰晶体浓度测定值和计算值的比较

3 结论

冷冻浓缩的成功与否关键是体现在对冰晶可溶性固形物夹带含量的控制上[10]。从浓缩曲线(见图1、图2)可以看出:西红柿汁在一级浓缩过程中,与理论曲线几乎完全重合,这说明一方面由于在生长的过程中,溶液的浓度较低,可溶性固形物在浓缩的过程中可以较容易地排出;另一方面在该浓度下采用温差为 4℃的制冷温度差是较为合理的。另外,模型表明每一级的浓缩曲线均经历了缓慢浓缩,加速浓缩,缓慢浓缩的阶段。理论上分析这是由于浓缩初期,溶液经过过冷度后突然释放的冰晶很细、很少,限制了冰晶生长的速度,也使得浓缩的速度变得比较慢,到了浓缩中期后,随着溶液中冰晶的增多增大,冰晶总表面积增大,浓缩的进度就大大加快,此后到了浓缩后期,由于体系中积累了大量的冰晶,果汁流动性变差,果汁与冰晶的相对运动减小,质量传递受阻,浓缩速度趋于平缓,继续浓缩的结果是冰晶夹带的大量出现。针对图1、图2所反映的这一趋势可以指导实际工业生产:一是在生产初期要增大初始冰晶的生成数量,这样可以很好地加快浓缩的速度(加大初始冰晶的数量可以有两种方法:一种方式是通过人为地投放冰晶,作为“种冰”以缩短冰晶成核时间;另一种方式是加大溶液结冰前的过冷度,以使初始时冰晶产生较多。比较以上两种方法,前者从技术上讲较为简单易操作,但会加大后期冰晶分离的负担,而后者则在技术上要求较高)。二是在生产的后期可以根据浓缩过程曲线适时地结束浓缩,因为此时体系中聚集了大量的冰晶,冰晶增长受到抑制,冰晶增长速率趋零,强行加大浓缩进度的结果会是冰晶夹带急剧升高,这会对生产带来很大的损失,此时可以考虑冰晶分离,进入下一级浓缩,这既可以减少能耗的损失也可以减少原料的损耗,在工业中大规模应用是很有必要的。

此外得到的动力学模型表明:随着浓缩级数的增加,浓缩速度将逐渐放缓,这可以从β和 k逐渐减低的数据很直观地反应出来。通过图3比较四级浓缩进程也可以看出:在一、二级浓缩的过程中,西红柿汁浓缩进度与拟合的曲线基本上接近重合;而在三、四级的浓缩过程中,二者均在浓缩的中后期出现部分偏离的现象。因此,在指导实践生产的过程中,可以考虑在中后期的浓缩过程中,除了加大搅拌力度使溶质扩散均匀之外,还应该适当的减少温度差,放缓浓缩进度以保证夹带的损失减少。

[1] 刘凌.某蔬汁常压低温浓缩新技术:界面渐进冷冻浓缩[J].饮料工业,2001,6(6):35-38.

[2] 冯毅,史淼直,宁方芹.中药水提取液冷冻浓缩的研究[J].制冷,2005,24(1):5-8.

[3] 陈梅英,龚雪梅,王文成,等.高压脉冲电场集成冷冻浓缩加工果汁初探[J].中国农学通报,2008(24):440-444.

[4] 陈梅英,王文成,陈锦权.相场法模拟冷冻浓缩过程冰晶生长的可行性探讨[J].江西农业学报,2010,22(3):137-139.

[5] 江华,余世袁.低聚木糖溶液冷冻浓缩时冰晶生长动力学研究[J].林产化学与工业,2007,27(3):53-56.

[6] 方婷,陈锦权.橙汁冷冻浓缩动力学模型的研究[J].农业工程学报,2008(24):243-248.

[7] Levent Bayindirli.Mathematical Analysis of Freeze Concentration of App le Juice[J].Journal of Food Engineering,1993 (19):95-107.

[8] 陈锦权.非热力果蔬浓缩汁杀菌抑酶加工方法:中国,200710008847[P].2007-09-19.

[9] 王东锋,康布熙,刘平,等.热轧态Cu-N-Si合金冷轧后时效过程中的相变动力学[J].河南科技大学学报:自然科学版,2003,24(4):1-3.

[10] 陈梅英,陈永雪,王文成,等.过冷度对冷冻浓缩过程冰晶生长的宏微观研究[J].西南大学学报,2010,32(5):140-143.