中央厨房食品减压冷却过程分析及速度提升

（广州铁路职业技术学院，广州 510430）

0 引言

中央厨房是实现规模化生产食品的主要场所，将烹饪好的热食品快速冷却到4 ℃是决定生产效率，保鲜及口感的关键[1]。目前冷却的方式有多种，包括常温冷却、水冷却、真空冷却、减压冷却等，其中常温冷却速度慢，适合日常生活中没有时间要求的冷却；水冷却的冷却速度快，适用于密封性较好的快速冷却；真空冷却适用对外形和颜色的冷却[2]。伍培等[3]通过分析真空冷却球形果蔬的热传递情况，建立了减压贮藏的数学模型，取得了较好的效果。Dragan Kukolj等[4]设计了一款食品冷却过程分析软件，能仿真出食品冷却全程的变化状态。气调保鲜和真空冷却在蔬菜冷却和肉类冷却中有较多的运用，它能较好地延长保质期[5-6]，提高新鲜度、口感、色泽等品质。1967年，美国人斯坦利·伯格（Stanley P Burg）发明了减压冷却技术，减压冷却是通过食品表层的水分在低压下蒸发吸热而带着热量，加快冷却速度。

本文通过分析热气体交换的过程，研究传热过程的媒介对传热的作用，建立出热力学方程，获得符合中央厨房减压冷却的方法，为提高食品生产效率，保持食品的口感和新鲜度服务。

1 中央厨房减压冷却工艺流程

1.1 减压冷却的过程分析

在中央厨房中，食品分为蔬菜类、肉类、米饭类、面点类等，在蔬菜类、肉类冷却中，保鲜、保湿、保色是关键要求。减压冷却即可以使蔬菜类、肉类快速冷却，又要通过内外界气体置换，实现菜肴的保持鲜度和色度。减压冷却由于能够将有害气体随时抽出，最大限度地保障食品的新鲜程度，所以贮藏的食品不衰老、不黄化、不失重、不变质。

中央厨房的食品减压冷却是利用对流、传导和辐射等3种方式相结合，借助真空冷却的优势，在半密封的减压空间环境内，首先将高温的气体抽出，形成低压；然后将低温的气体向半密封减压空间输入，使半密封环节的换气，达到1次减压冷却。以此方式进行“低压、低温、高湿、换气”的操作，达到减压冷却的效果，如图1所示。

1.2 减压冷却的工艺技术

（1）食品快速冷却处理。在中央厨房中，食品蒸煮之后，首先将食品快速放入减压空间，使食品从高温快速低温冷却，控制食品表面微生物特别在72 ℃到10 ℃的繁殖速度[7]。然后加大减压空间的抽气速度，使内部压力降低，减少水蒸气的气相济度，保证食品快速冷却。同时，从外面向减压空间内输入气体，保证减压空间的压力不会形成真空。最后，将冷却好的食品从减压空间内取出，通过分装和打包，形成冷链食品。

（2）采用气调保鲜技术保鲜。在从减压空间内抽走热水蒸气的同时，也将氧气和其它有害气体抽出，减少容器的压力。随后向减压空间内注入低温的氮气，替代被抽走的氧气和其它有害气体，保证减压空间内有一定的压力，使食品不衰老、不黄化、不失重、不变质，保鲜度达98%。

（3）借助保湿确保味道。在向减压空间内通入氮气时，氮气有一定的湿度，弥补抽空气时带走的水份，使食品在减压冷却时，保证食品的水分和味道不发生改变。

2 减压冷却类型

由于减压冷却的优势，对在中央厨房的不同类型食品冷却效果也不相同，包括蔬菜类、肉类、面点类、米饭类等，它们有不同的物理性质和结构，同种方法冷却效果各有差异。

2.1 蔬菜及肉类冷却

随着肉的冷却时间增长，肉内的共轭亚油酸会下降，而脂肪酸会上升，影响肉类的品质[8]。减压冷却是将密闭空间蔬菜和肉类的热水蒸气抽出，然后向减压冷却空间的输入冷氮气，因此蔬菜表面的热水蒸气垂直方向运动，被抽到外部，如图2所示。外界的冷氮气在一定的压力下渗入到蔬菜和肉类内部，由于热水蒸气比冷氮气的密度低，迫使热水蒸气向上运动，被抽到外界。但边界层中混合物在各点的总压强不相同，蔬菜和肉类表面附近的热水蒸气分压大于靠近主体空气水蒸气分压，进而使减压冷却空间的冷氮气向贮藏环境扩散，使蔬菜和肉类的热水蒸气进一步在表面运动，形成冷却循环，这样加快蔬菜和肉类的温度由高温冷却到低温。

2.2 米饭及面点类冷却

陈敢烽等根据减压冷却的真空度、米饭量、拟冷却的温度等进行定性分析，发现对米饭的冷却效果与米饭量及真空度的关系较为密切[9]。洪乔荻等通过对比自然冷却、冷风冷却和真空冷却3种冷却方法，真空冷却将面类食品从高温降到低温的冷却速率高，但产品质量损失大[10-11]。在中央厨房中，需要先将其耙松，然后放置密封空间内，对其抽出内部的热水蒸气和输入外界4 ℃冷空气，使空间压强减少，即可加大循环速度，又可使中心温度快速冷却。

3 传热过程分析

3.1 影响冷却速度的关键因素

食品温度的冷却时间与食品的初始温度、食品的形状、食品传热系数、冷却的风速、周围环境温度，及冷却媒介等相关。食品的温度有两个温度，一是食品的平均温度，另一个是食品的中心温度。在冷却过程中，食品的温度成梯形温度，离表面越近，冷却速度超快，温度梯度越大。

3.2 网格化温度分析

为了更微观研究食品的每点温度，现以肉为例如图3所示，将其重点设为食品中心，将肉按平面进行网格化划分N等分，每一格为ΔX，可建立的数学模型如下式[12]。

式中 α——肉的热扩散率，即导温系数；

λ——肉的导热系数；

Cp——肉的定压比热；

ρ——肉的密度。

易知，偏微分方程（1）的初始条件为：

在肉的食品中心的对称面为绝热边界条件为：

在肉的两侧表面为对流边界条件为：

式中 L——肉厚度的一半；

h——冷却空间介质与食品侧表面之间的对流传热膜系数；

Tc——减压冷却的外界温度。

3.3 任意点的温度分析

为了延长肉的保持期，掌握任意点的温度，控制其乙酸乙酯相的总酚含量、抗氧化活性及抑菌活性[13]，将肉从外表面沿X方向按间距Δx分割为N段，时间从边界开始，按Δt时间共计k段。以表示任意位置，应用有限差分法，将有限差商代替微商，将微分方程转化为差分方程，建立中心差分数学模型：

计算得肉内任意节点（i，k）的温度方程为：

式中 F——傅里叶级数，F0= αΔt/Δx2。

3.4 边界节点分析

3.4.1 绝热边界点温度分析

肉的中心面是对称面，也是绝热边界面，此时对流的热量为零。

绝热边界点的温度方程为：

3.4.2 对流边界点温度分析

肉最外侧面的对流边界温度，针对边界点N，根据热平衡原理，对流边界点的温度方程：

其中毕沃基数，B=hΔx/λ且 F0≤ 1/（2B+2）。

通过内部程求解，将式（4）、式（5）和式（7）按照编号，计算出Δt的各节点温度。同理可计算出 2Δt、3Δt、…、NΔt的各点温度。

4 提升减压冷却效果的策略

4.1 控制输入气体的温度和湿度

根据式（2）可知，输入气体的温度与冷却速度密切相关。当外界输入氮气的温度越低，到达减压空间后与食品交换温度越大，降温的效果越明显。根据食品的属性，将输入氮气的湿度保持一定范围内，使在减压冷却时，食品冷却后的水分与冷却前的水分保持一致。

4.2 控制换气速度

为了进一步提高冷却效果，在一定范围内降低压力差，增加减压冷却密闭空间的风速。在保持一定的压力差的前提下，风速越大，使得输入气体速度加大，抽出气体速度也随着增加，增加了气体在减压空间的换气频率，冷却速度越快。这样，不断地从外界将冷气体吸入到减压空间内，将减压空间内的热水蒸气带走，食品获得较好的冷却效果。

5 试验分析

5.1 肉菜冷却试验

分别将2盘烹饪好的15 kg肉菜盘（100 ℃）放入4 ℃外部空间和减压冷却空间，菜盘尺寸为1 500（L）×700（W）×300（H）（单位：mm）。将一盘放在4 ℃环境下自然冷却，另一盘放在旋转减压冷却空间冷却，采用一个电机从空间内向外抽空气，一个电机向减压空间内输入4℃ 且湿度为95%的氮气，其饱和蒸气压力为0.813 59 MPa。

分析可获得绝对湿度气压为：

根据理想气体状态方程数学表达式为：

式中 P——指理想气体的压强；

S——理想气体的体积；

n——气体物质的量；

T——减压冷却密封空间外的温度；

R——理想气体常数。

在1 m3的水蒸气内，含水的质量n=4 030.85/（8.314×4）×18=418.34 g。

等到25 min后，发现4 ℃外部空间自然冷却菜盘的肉菜的中心温度为39 ℃，减压冷却空间的菜盘肉菜中心温度为4 ℃，如图4所示。要使得自然冷却的肉菜中心温度达到4 ℃，需要1 h 56 min。通过对比，减压冷却比自然冷却的速度快，冷却后肉菜的色泽一样，肉菜的湿度不变。由于减压冷却的时间短，与外部接触时间少，故更能保证其卫生和安全，提高食品的加工效果，适合冷链中央厨房的食品加工。

5.2 米饭冷却试验

将刚蒸煮好的热米饭，用打散机构打散，用2个相同尺寸为1 500（L）×700（W）×300（H）（单位：mm）的饭盘盛入份量相同的热米饭，一个实施自然冷却，一个实施减压冷却。对减压空间采用一个电机从空间内向外抽空气，一个电机向减压空间内输入4 ℃且湿度为60%的氮气，其饱和蒸气压力为0.6741 MPa，风速为4 m/s。

用减压冷却法冷却的米饭21 min后中心温度达4 ℃，且由于在冷却过程中，米饭快速避开了在30 ℃～60 ℃的细菌高繁殖期，故米饭细菌变化不大，米饭色泽度基本不变。但用自然冷却法将米饭放入4 ℃的环境中，4 h才能使米饭中心温度冷却到4 ℃，并发现肠杆菌、葡萄球菌明显增加，米饭有变色的现象。

6 结语

在分析不同冷却方式对食品冷却的效果适用场合后，发现减压冷却适合于中央厨房的快速保湿冷却需求。探索了中央厨房的蔬菜类、肉类、面点类、米饭类的冷却过程，获得不同类型食品要加速冷却效果的可能措施。通过分析热传导的效果，以肉类为例，对其网格化划分后，建立任意点、绝热边界点、对流边界点的温度数学模型，获得任意点食品的温度场。采用从减压空间抽出热气，将相应湿度的冷氮气输入到减压空间的策略，加大输入和抽出气体的速度，提升冷却速度和效果。最后以肉菜和米饭为例，通过试验验证发现减压冷却比自然冷却的速度快，减压冷却的食品保鲜度和保湿度明显高于自然冷却法。