◎ 位兴华，赵日晶，黄 东，崔自成

（西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安 710049）

随着人们生活品质的提高，我国速冻食品的需求量已达到千万吨以上[1]。食品速冻指通过冷冻技术将食品温度从常温降低到其冻结温度以下，使食物细胞内的水分全部或大部分变成微小冰晶，减少微生物生存和生化过程必需的液态水，保留食品原有的品质。食品速冻需要达到以下条件。①将食品置于 -40～30 ℃中，使得食品中心温度降低至-18 ℃以下。②冻结过程中形成的冰晶应细小，粒径不超过100 μm。③食品快速通过最大冰晶生成带（-1～-5 ℃），减少冰晶的大小及数量，保持食品的品质。④食品通过最大冰晶生成带的时间不超过30 min。⑤食品冻结后的运输及储藏环节应低于-18 ℃[2]。

按照速冻食品的性质分类，主要包括水产类、水果蔬菜类、畜禽类及调制类4种类型[3]。食品在冻结过程中，其化学和物理性质可能发生很大的变化[4]，主要问题是食品的脱水，这是由于水被分离成分散的冰晶造成的[5]。大多数食品材料在冷冻过程中没有溶质结晶。在冷冻过程中，溶质与一定量的未冻结的水作为增塑剂发生玻璃化转变[6-7]。对于食品而言，以玻璃化的状态进行储藏，可以在更大程度上保持其原有品质，延缓食品变质的速度[8]。实现食品的玻璃态需要极高的冷冻速率，因此完全的玻璃化转变难以实现，而部分玻璃化是实际生产中的一种可行方式。

现有的速冻方式主要是风冷，通过氟利昂制冷系统产生-30 ℃左右的冷风，并经过蒸发器风机将冷风送入冷冻装置，实现对食品的冷冻[9]。空气作为冷冻介质，具有成本低，无任何毒副作用的优点。但由于空气的导热性能差，需要的冷冻时间长，效率低。液氮凭借其温度低，冷冻速度快的优势广泛应用于蔬菜、水产品、冰淇淋的冷冻[10]。LUCAS等[11]的研究表明将食品沉浸在液氮中，冻结速度快，生成的冰晶较小，但易导致食品冻裂。液氨、液态CO2喷淋速冻装置可用于虾等附加值高的水产品及块状禽类产品[12]。

干冰具有释冷量大、安全无毒、成本低廉的优点，可作为食品冷冻的高性价比冷源。干冰经粉碎后，通过气体输送对鱼进行速冻。液态CO2的储存压力为2.3 Mpa，温度为-14.86 ℃，释放到大气中后转变成气固两相混合物，温度约为-75 ℃，具有较高的冷量。本文研究了两种流态干冰系统对鱼冻结速率的影响，对两种流态干冰系统的性能进行了对比研究。包括高压空气裹挟干冰粉末系统及液态CO2直接喷淋系统。两种系统都是气体输运干冰粉末，区别在于前者是高压空气与干冰粉末混合而成的流态干冰，后者为气固CO2混合而成的流态干冰。

1 系统及设备

1.1 高压空气裹挟干冰粉末系统

高压空气裹挟干冰粉末系统包括两部分，即空压机及干燥冷却设备，干冰颗粒机及干冰粉碎机，见图1。空气经压缩后温度升高，如果直接和干冰粉末混合会消耗部分冷量。因此，通过空气冷冻干燥机对高温的压缩空气进行冷却降温并初步干燥。为除去空气中的水分及压缩过程带出的润滑油，防止食品被污染，通过吸附式干燥机对空气进行彻底干燥并去除杂质。液态CO2释放到常压下会变成气固两相，在干冰颗粒机中压缩成固体颗粒，再通入干冰粉碎机研磨成粉末。最终，高压空气与干冰粉末混合之后经过喷头喷淋到鱼体表面。该系统需要干冰颗粒机对气固两相CO2进行压缩，在此过程中气相CO2会逸出，造成CO2冷量的浪费，利用率降低。同时该系统的设备多，投资高。

图1 高压空气裹挟干冰粉末系统示意图

1.2 液态CO2直接喷淋系统

杜瓦瓶中的CO2为气液饱和状态，压力为 2.3 MPa，压力降低后部分液态CO2气化并带走大量的热量，使得其余部分的液体温度降低。2.3 MPa压力下的液态CO2气化潜热为270.61 kJ·kg-1。压力降低到大气压时，液态CO2会变成气固两相混合物。其中，固态干冰的升华潜热为573 kJ·kg-1。液态CO2直接喷淋，可以同时利用气相和固相CO2的冷量。经研究表明，气固两相CO2混合物的温度为-75 ℃。通过阀门控制CO2喷淋的流量及流速。喷头通过20 mm外螺纹与管路连接，其椭圆形孔的等效直径为4.4 mm。液态CO2直接喷淋系统见图2。

图2 液态CO2直接喷淋系统示意图

1.3 传感器及数据采集系统

通过OMEGA高精度T型热电偶测量鱼体温度，该热电偶测温范围为-267～-260 ℃，测量误差约为0.75%～1.5%，输出信号为0～5 V电压。选择材料为鲫鱼，去除鳞片及内脏，并清洗干净。为监测鱼体不同位置的温度，分别在鱼上表面、鱼体内、鱼下表面布置T型热电偶，如图3所示。热电偶插入鱼的皮下组织，用塑料绑带固定。鱼上表面可与流态干冰直接接触，降温速度较快。鱼体内及鱼下表面需通过鱼肉的导热实现降温，降温速度较慢。采用安捷伦数据采集仪来监测温度，型号为34970A，扫描时间间隔为1 s，通过配套的数据采集软件对温度进行实时检测，并且储存及导出数据，数据采集仪见图4。

图3 鱼体检测的T型热电偶图

图4 传感器布置及数据采集仪图

2 高压空气裹挟干冰粉末与液态CO2直接喷淋对比

通过两种流态干冰喷淋系统对鱼进行冷冻，测得鱼体不同位置温度，并截取鱼体温度从-1 ℃降低到 -5 ℃的数据。通过高压空气裹挟干冰粉末进行喷淋，鱼体冻结速度如图5所示，鱼的上表面从-1 ℃下降至 -5 ℃需69 s。表明鱼的上表面可迅速通过最大冰晶生成带。但此时，鱼体内温度及下表面温度未达到冰晶带的下限温度，表明鱼上表面温度继续降低，鱼体内及下表面才能通过最大冰晶生成带。随着流态干冰的继续喷淋，鱼体内的温度逐渐达到-1 ℃，通过最大冰晶生成带的时间约为4 min。此时鱼上表面温度已下降至-43 ℃，但鱼的下表面未达到-1 ℃，表明流态干冰中的干冰粉末含量有待进一步提高，从而实现鱼表面及体内的温度通过最大冰晶生成带。通过液态CO2直接喷淋，鱼体冻结速度如图6所示。鱼上表面从 -1 ℃下降至-5 ℃仅需4 s，冻结速率达到1 ℃·s-1，冻结速度大幅提高。鱼体内从-1 ℃下降至-5 ℃需105 s，通过最大冰晶生成带的时间缩短了56.3%。鱼下表面仅达到-1 ℃，未能通过最大冰晶生成带。

图5 鱼的冻结速度图（高压空气裹挟干冰粉末）

图6 鱼的冻结速度图（液态CO2直接喷淋）

对比两种流态干冰系统可得，液态CO2直接喷淋可加快鱼的冻结速度，使得鱼体以更快的速度通过最大冰晶生成带，减少冰晶的生成，更好的保持鱼的品质。同时，液态CO2直接喷淋可使鱼体内通过最大冰晶生成带，高压空气裹挟干冰粉末系统未能实现这一目标。对于两种流态干冰系统，鱼的下表面始终未能接触到流态干冰，温度下降缓慢，未能通过最大冰晶生成带。可通过翻转装置将鱼翻面，实现鱼的上下表面均可与流态干冰直接接触，从而加快冻结速度。

3 结论

本文使用了两种流态干冰系统，通过对比分析两种系统对鱼冷冻速度的影响，得出以下主要结论。

（1）高压空气裹挟干冰粉末进行喷淋，鱼体上表面及鱼体内通过最大冰晶生成带（-1=～-5 ℃）分别需要69 s及4 min。冻结速度较慢，且鱼体下表面未能通过最大冰晶生成带。

（2）液态CO2直接喷淋，鱼体上表面及鱼体内通过最大冰晶生成带（-1～-5 ℃）分别需要4 s及105 s。鱼上表面冷冻速度达到1 ℃·s-1，鱼体内通过最大冰晶生成带的时间缩短了56.3%。表明液态CO2直接喷淋可大幅提高鱼的冻结速度。

（3）高压空气裹挟干冰粉末系统中，干冰颗粒的生成过程会有部分气态CO2逸出，耗费一部分冷量，液态CO2利用率低。液态CO2直接喷淋系统中，释压产生的气固两相CO2可用于冷冻鱼，冷量得以充分利用，液态CO2利用率高。

（4）两种流态干冰系统中，鱼体下表明温度均未达到-5 ℃，未能通过最大冰晶生成带。原因是鱼体下表面不能直接接触流态干冰，只能通过鱼体自身的导热实现降温。可通过翻转装置，实现鱼的上下表明交替直接接触流态干冰，提升冻结速率，达到冻结效果。