适用于船舶环境的超声波快速批量食品解冻装备

高瑞林 张健东 李 丹 张春红*

1.海军军医大学转化医学研究中心 上海 200433;2.海军军医大学海军特色医学中心 上海 200433

海运以其航程远、载货量大、费用低等特点在国际贸易中备受关注,2012—2021年我国海运进出口贸易量保持稳定增长,平均增速5%[1]。大型船舶长远航行中,快速高效做好船舶人员的饮食供应,对保障船舶人员的生命健康和开展贸易交流十分重要。目前在大型船舶厨房环境下,批量食材在烹饪前需先花费大量时间精力进行解冻处理,严重拖延厨房人员饮食保障速率,为此我们决定研发一款装备加以改善。

1 船舶环境快速批量解冻装备应用场景

1.1 船舶环境的介绍

船舶在海上航行时,常常具有时间长、风浪颠簸、潮湿等恶劣环境条件,船舶在海上面临的环境主要由机械物理环境和自然气候环境组成。机械物理环境是指船舶自身摇摆、船上机器的振动和机械冲击等,主要来自船身受海浪的拍打和船舶自身机器工作,如柴油机、电机等转动;气候环境主要指高温、高湿、高盐雾等[2]。对于船舶的厨房环境,除了受海洋环境影响外,炊事作业时空气中水分和油烟雾比其他地方更多,船舶厨房环境设备相比陆地环境设备有更严格的耐腐蚀、抗振动要求,同时船舶厨房空间狭小、所能容纳人员有限,尽可能节省劳动力,防治刮伤、蹭伤人员也为设计时需考虑的要点。

1.2 船舶远航时食品解冻需求

在船舶远航出海前,需提前补充大量食材,船上人员的保障食品大部分需要冷冻储藏,如各类牛、羊、鱼肉。这些食材在烹饪前,首先需要进行解冻,对于要保证上百人饮食的大型船舶,需要解冻的食材量非产大,目前船上采用热交换水流解冻,耗时耗力,效率低下,一般要在烹饪前2～3小时就开始处理。如何快速、呈批量解冻食材对于提升厨房人员工作效率,保证船舶人员用餐显得格外重要。

现有市场上食品解冻装备大多适合陆地使用环境,并不适用条件恶劣的海洋环境,即使搬到船舱使用,海况恶劣时,解冻装备常常无法工作,难以满足船舶厨房人员在烹饪时快速解冻食品的需求。所以,决定研发的快速批量食品解冻装备必须满足在船舶剧烈摇摆、高温、高湿、高盐雾、海水腐蚀、淡水资源有限的船舶厨房环境中良好应用。

2 现有食品解冻技术

2.1 现有解冻技术的比较

现有的食品解冻技术主要包括以下三类:(1)热对流解冻,即通过热交换方式进行解冻,将冷冻的食品放于温度比较高的水等介质中解冻,受限于解冻食品与介质的接触面积,解冻食品内外层温差大,所需解冻时间长,效果差;(2)微波解冻,即将冻结食品置于特定频率电磁波环境下,冷冻食品得以解冻,该方式的解冻过程不易控制,食品厚薄对解冻效果影响较大,容易过度解冻,而且解冻空间不能存在金属;(3)超声波解冻,即利用超声波发生器产生的超声波在冻结食品中发生作用,将食品解冻,科研人员发现食品未冻结区对超声波的吸收远远小于已冻结区,在克服热对流解冻时间长,微波解冻过程控制难等缺陷同时,合适频率和强度的超声波可实现快速、高效将食品批量化解冻[3]。解冻速率方面,不同的解冻方法解冻食品的效率有很大区别,一般来讲微波解冻速率最快,超声波次之,水浴或空气热对流解冻速率最慢[4]。

2.2 超声波解冻技术

超声波是一种超出人类听觉阈值的机械波,频率范围为20～108kHz,分为高频超声波和低频超声波,能量大于1W/cm2,频率在20～100kHz之间,属于低频高能功率超声波,在食品的干燥、解冻和过滤等方面运用较多[5-6]。超声波对介质的作用,主要包括物理效应和化学效应,物理效应为空化效应、机械效应、热效应,化学效应为自由基效应,超声波解冻主要是利用超声波的热效应,在解冻过程中,超声波的振动能转化为热能,从而使得介质的温度不断升高,原冷冻食材得以解冻[7-9]。

目前,索原杰、宣晓婷等人研究证明,超声波技术在食品解冻中的应用已日趋成熟,与现有船舶厨房解冻方法(热交换解冻)相比,超声波解冻技术解冻迅速、均匀,解冻后食品的营养和口感都能得以较好保存[9]。因此决定采用超声波解冻技术,以温水为传递介质来开发船舶厨房环境中的食品解冻装备具有完全的可行性。

3 船舶环境下使用的超声波解动装备

3.1 船舶环境下使用超声波解冻装备的原理和组成

本项目研发的船舶厨房环境快速批量超声波解冻装备,工作原理为采用温水为传递介质,将高能超声波快速传递到温水中浸泡的冷冻食品处进行解冻,设备主要由超声波发生器、电路控制器、解冻腔室、减振机构、壳体五部分组成;超声波发生器可进行超声波定频、单频、多频扫频多种工作模式,电路控制器实现定时间歇工作、水位控制功能;在解冻腔室内可贴合薄膜袋使用,薄膜袋阻止了食品中微生物覆着在解冻腔室内壁,使用后将其撤除便于消毒清洗,防止或减少了厨房病菌传播;减振机构大幅减轻来自船体振动摇摆,增强对船舶复杂环境的适应性能;采用计算机三维制图技术进行研发设计,超声波解冻装备如图1、图2所示,在船舶缺乏淡水时,本装备还可以与海水净化器连接,将海水过滤后解冻。

图2 超声波解冻装备整体图

3.2 材料

物质材料的选用与设备工作所在船舶环境息息相关,装备的零部件要耐海水腐蚀,重量轻,便于安装和搬运。底面和侧面减振机构要减轻振动,采用弹性材料组装设计,弹性材料为橡胶、乳胶等柔性防水材料,海绵、棉布具有吸水性,可引起设备腐蚀,排除应用;底座、解冻室需承受一定重量可采用耐腐蚀性合金制作,可选不锈钢、钛合金、哈氏合金等;盖体相对承载力较小,可采用食品级塑料制作;在解冻室内壁要贴合薄膜袋,要确保薄膜袋与出水口之间密封性较好,不会渗漏,用橡胶密封圈密封;薄膜袋隔开了解冻室内壁与解冻介质的接触,可大幅降低腐蚀、阻止微生物的传播,该薄膜袋由可在海水中降解的环保材料制成,保护环境,避免带来海洋垃圾。

3.3 适合船舶使用性能

本超声波解冻装备可很好地适应船舶厨房环境,主要具备以下五大特点:(1)采用超声波解冻技术,解冻效率高,解冻均匀,食品营养和口感保持较好;(2)在装备底面、侧面设置弹性减振垫适应船舶的摇摆和振动环境;(3)材料采用耐腐蚀性材料制成,解冻时还可在解冻室内壁贴合可海水降解的薄膜袋使用,防腐蚀同时还可防止生冷食品中的病菌传播,保证食品卫生安全;(4)入水口与海水过滤器可直接连接,在淡水缺乏时可采用海水解冻,节约水资源;(5)盖体把手和出水口均采用防撞创新设计,在船舶摆动环境中,可避免碰撞到作业人员。

3.4 样机试用

制作第一代原理样机,为满足船舶厨房大批解冻物资需求,加工制作时我们将设备解冻腔尺寸尽可能做大,考虑到把手内凹设计会占据较大解冻腔空间,就将其设置在顶板上面同样也可以达到防撞效果,配备海军特色医学研究中心特种被装食品研究室自主研发的可海水降解薄膜袋使用,第一代原理样机如图3、图4所示,第一代解冻装备样机参数指标如下表,我们将该原理样机配发给某部队远洋航行船舶试用,载重2万吨以上,5级中浪海况下,设备运转良好,解冻效率明显比原来水流热交换解冻方式有较大提高;厨房人员问卷反馈,原来100kg各种肉类解冻需花费2～3小时,现在只需要半小时即可完成,清洁环保需改进的地方为在防撞设计上还需进一步优化。

样机参数表

图3 样机正面图

A.海水全溶解环保袋使用方式 B.海水全溶解环保袋溶解效果

结语

随着祖国的日益强盛,未来国际间交流通过海洋开展会越来越多,研究适用船舶环境食品解冻装备,对提升船舶人员的饮食保障效率,减轻厨房人员的工作量很有必要。适用船舶环境的超声波快速批量解冻装备,应用超声波特有性质进行工作,超声波除可以解冻食品外,一定频率超声波还具有灭菌、清洗果蔬厨具等功能。未来船舶环境使用超声波食品解冻装备可在保证解冻食品质量和解冻效率基础上,开发兼具清洗、消毒等多功能一体化装备,具有更广泛的市场前景。