目前冻结方式的发展趋势是采用单体快速冻结,然后进行小包装,已不大采用大块或大盘装冻结。生鲜食品流态化冻结是指在低温介质流体作用下小尺寸食品的运动已变成类似流体的状态,并在运动中被快速冻结的过程。流态化冻结是实现食品IQF较理想的方法,从分类来看,属送风冻结法。主要适用于冻结小尺寸颗粒状、片状、块状食品等,如:青豌豆、小虾等。其冻结产品具有典型速冻质构、品质好、包装和食用方便等优点。
近年来国内外研制了许多新型的流态化冻结装置,这是实现生鲜食品单体快速冻结较理想的设备。与其他隧道式冻结装置比较,这种装置具有冻结速度快、冻结产品质量好、耗能低等优点,易于冻结小尺寸的球状、圆柱状、片状及块状颗粒食品,尤其适宜果蔬类和水产类单体食品的冻结加工。
生鲜食品流态化冻结装置按其机械传送方式可分为带式流态化、振动流态化和斜槽式流态化冻结装置。带式流态化冻结装置按冻结区段可分为一段带式和两段带式流态化冻结装置。振动流态化冻结装置按振动方式分为往复振动式和直线振动式流态化冻结装置。斜槽式流态化冻结装置按流态化形式分为全流态化和半流态化冻结装置。
流态化冻结原理
流化床是流体与固体颗粒复杂运动的一种形态,固体颗粒受流体的作用,其运动形式已变成类似流体的状态。流态化方法最早应用于工业产品的冷却与干燥。60年代初,国外开始研究用这种方法冻结食品并获得成功。此后流态化冻结方法及冻结装置的研究取得了较大进展,在生鲜食品冻结工艺中的应用范围也越来越广泛。
在流态化速冻中,低温空气的气流自下而上,而置于筛网上的颗粒状、片状或小块状生鲜食品,在其作用下形成类沸腾状态,像流体一样运动,并在运动中被快速冻结。根据低温气流的速度不同,食品物料的状态可分为固定床、临界流化床、正常流化床三类。
当低温气流自下而上地穿过食品床层而流速较低时,食品物料处于静止状态,称为固定床。随着气流速度的增加,食品床层两侧的气流压力降也将增加,食品层开始松动。当压力降达到一定数值时,食品颗粒不再保持静止状态,部分颗粒悬浮向上,造成床层膨账,空隙率增大,即开始进入流化状态,但此时的流化状态还不太稳定。这种临界状态称为临界流化床。对应的最大压力差称为临界压力,对应的气流速度称为临界风速或临界流化速度。临界压力和临界风速是开始形成流态化的必要条件,正常的流化状态处于临界流化速度以上的某一段范围内。当气流速度进一步提高时,床层的均匀和平稳状态受到破坏,床层中形成沟道,一部分空气沿沟道流动,使床层两侧的压力差下降,并产生剧烈的波动,这种现象称为沟流。理论上讲,沟流现象属不正常现象,它破坏了流化床的正常操作,大大降低了速冻的效果。实际上,对于粒状、片状或小块状的离散体食品物料,这种现象不可避免,问题在于如何使这种现象的发生减至最小。在正常流化床速冻操作中,由于颗粒时上时下、无规则地运动,颗粒与周围冷气流密切接触和相对摩擦,大大强化了食品与气流间的传热,加速了食品的致冷,从而实现了食品单体快速冻结。
流态化冻结工艺要素及现象
临界流化速度与操作速度临界流化速度决定了固定床与流化床的分界点。具体的临界流化速度,可以通过测定临界流化速度的小型流化床实验装置进行测定,也可通过目测固定床转变为流化床状态,记录多点气流速度和压力差值,并用所获得的值描绘出关系曲线,即可推算出临界流化速度值。
食品颗粒的单个质量和密度、筛网的形式和孔隙率、散粒体堆积密度、料层厚度以及传送方式等,是影响临界流化速度的主要因素,其影响程度也很复杂。尽管用于计算化工工程流化床临界流化速度的计算公式比较多,但由于食品流态化冻结有其自身的复杂性,尤其是物料属性有很大区别,因而这些公式很难满足要求。国外学者根据自己的实验推导出很多计算临界流化速度、k的经验公式。实践证明,A.G.费金推荐的计算公式比较接近实际,即:
^=1.25+1.951g(6-2)式中gd——单个食品颗粒的质量,g当气流速度高于临界流化速度值时,颗粒状食品床层处于正常流态化操作范围,这时的气流速度叫作操作速度。不同产品,其适宜的操作速度也不相同。例如,满足青刀豆的操作速度,不可能满足黄瓜片等片状食品,因为青刀豆操作速度已超过黄瓜片带出速度,可迫使质量较轻、表面积较大的黄瓜片飞出流化床,造成不良的操作效果。所以对于只规定一种操作速度的流化床装置,其应用范围不可能满足不同食品的要求。为了解决这个问题,可以采用变速风机,只是装置的成本会相应增加。
为了避免生鲜食品颗粒冻黏成团或冻黏在筛网上,一些流态化速冻装置采取了两区段冻结。例如辽宁省商科所研制的LSD-1型及ZLS型流态化冻结装置,其第一段(冷却区和表层冻结区)的操作速度采用6m/s。
不良流化现象在生鲜食品流态化冻结过程中,正常的流态化操作取决于气流速度、压力差、气流分配均匀性、食品层厚度、筛网孔隙率、食品颗粒的形状和质量及其潮湿程度等因素。而这些因素的不良状态极易造成不良流化现象,即沟流现象、黏结现象、夹带现象等,影响单体冻结。
①沟流现象。气流速度、压力差、气流分配均匀性、食品层厚度以及筛网孔隙率对实现正常流态化操作是非常重要的。在气流速度不低于临界速度的情况下,床层各点的气流速度越趋于均等,作用于具有相同厚度的食品层各部位的压力差就越均匀,因而也就越能保证流态化的平衡条件。相反,由于气流分配或食品层厚度不均匀,床层压力降便不平衡,作用于食品层横断面各点的压力降发生变化,气体便走阻力小的捷径,造成喷动,形成了不利的沟流现象。一般可通过下述方法减弱沟流现象和改善气流分配均匀性:设置振动装置与脉动机构,强迫食品层松动并使气流脉动,造成良好流化状态;在风机与流化床之间设置流态制冷剂蒸发器作为缓冲器,可防止气流速度明显波动,从而造成均匀的配气;加大风机与流化床之间的距离,设置相应的导风机构,使气流在流动过程中趋于均衡;均匀布料和保证规定的食品层厚度。
②黏结现象。黏结现象是生鲜食品流态化冻结过程中常见的一种现象。表面潮湿的食品颗粒或块在低温状态下相互冻黏或冻黏在筛网上,在采用非振动传送方式(半流态化操作)的微冻区域内(快速冷却和表层冻结),更是显而易见。这种黏结现象使食品层变成了固定床层,从而不能形成流态化。不同食品颗粒其黏结程度也不同。片状食品除了上述措施外,还可将传送带设计成驼峰状,或装设机械手、耙类、刮板等装置,使食品颗粒在冻黏后迅速松散,也能防止黏结现象。
③夹带现象。在流化床层中,食品颗粒或块受自下而上冷气流的作用呈向上运动状态。当气流速度等于食品颗粒降落速度&时,冷库价格食品颗粒悬浮在气流中。如果气流速度大于则食品颗粒以(〃-\)的净速度向上运动,被气流带走,飞出流化床,这种现象叫夹带现象。夹带现象在片状类食品流化床上面加设金属网罩,减轻夹带程度。
半流态化与全流态化半流态化与全流态化的区别在于食品层的悬浮状态。半流态化操作范围是指置于传送带上的食品相继部分地被速度低于临界值的冷气流吹成离网不高的悬浮状态,而后又回落成固定床状态。食品颗粒的运动形式主要靠传送带的移动而移动。这种冻结方法特别适用于加工软嫩和易碎的食品,如草莓、黄瓜片、油炸茄块、芦笋等。食品层厚度根据不同品种,可控制在30——100mm。传动装置采用无级变速,其运行速度可以随冻结产品情况进行调整,但是半流化操作很容易出现黏结现象,不利于流态化正常操作,影响食品冻结质量。
全流化操作主要有气力流态化和振动流态化。
气力流态化指置于带孔的固定斜槽上的食品颗粒完全靠上吹的冷风克服自身的重力而呈沸腾状态,并向前流动的操作方式。气力流态化操作特点是没有机械传送装置,食品颗粒的沸腾与运动完全靠空气动力和自身重力。在正常流态化操作过程中要求被冻结食品颗粒和作用于食品各点的气流速度、压力降必须十分均匀;固定斜槽阻力必须具有足够值,以保证气流速度不低于临界值。气力流态化冻结方法只适用于加工颗粒均匀、尺寸较小的食品,如青豌豆等。而较大的食品颗粒所消耗功率也大。此外,食品层厚度必须按规定值操作,因为层厚增加,风机风量减少,蒸发器迎风面风速降低,传热系数A值下降,造成制冷机耗功增加。
振动流态化冻结方法指利用机械振动原理使食品在带孔的槽体上按一定振幅和频率呈跳跃式抛物线型向前运动,并辅以自下而上的冷风,造成食品层沸腾而形成流态化,从而实现单体快速冻结的方法。目前,应用于食品冻结加工的振动方式有两种,一种是往复式振动,一般用连杆式振动机械来实现;另一种是直线振动,一般用双轴惯性振动机械来实现。
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