采后球形果实热处理过程中的热物理研究

摘要

我国作为一个农业大国，水果的栽培面积和总产量在世界上名列前茅，但由果实腐败造成的损失十分严重。贮前热处理是近年来颇受关注的水果采后保鲜方法之一，它具有杀菌、杀虫、保鲜且无化学残留等优点，它一般是指用高于果蔬成熟季节温度对果蔬进行采后处理的一种技术。
　　 国内外大量研究证明：热处理能推迟苹果、桃等果蔬软化，保持果蔬色泽鲜艳，改善果蔬风味，有效抑制乙烯释放，钝化某些衰老酶活性，且可有效清除细胞内的活性氧，延缓果蔬成熟和衰老，提高果蔬抗性，抑制某些生理病害，防止或减轻冷害发生，可显著降低果蔬腐烂指数，防止果实腐烂，是一种有效延长果实贮藏寿命的物理方法。
　　 但值得注意的是，热处理的温度过低或处理时间太短，则达不到理想效果，温度过高或处理时间太长，则造成果皮变色、异常软化、失水和损伤等热伤害。由此可见，掌握热处理过程中果实内部传热速率影响因素，掌握其内部温度场分布，以将热伤害最小化，显得很有必要。
　　 随着测温技术进一步发展和测量仪器精度的提高，使果实热物性及内部温度动态值的测试更为准确快捷，这在果实热处理上，无论试验研究，还是理论模型的建立上，都提高了准确性。而FLUENT软件的在食品工业的成功应用，使得模型计算精度和稳定性更高，却节省了时间。
　　 提高热处理效率，则要求对热处理中两个环节外界与果实之间的对流换热和果实内部导热中的影响因素加以研究。鉴于此，本文对贮前热处理过程中果实的生物参数与环境参数进行试验测试，并通过实验研究及模型计算，研究其对果实传热速率影响关系进行基础研究，为果实贮藏加工业提供可靠的理论和基础数据。
　　 实验测量了15种果实的热物性参数导热系数、密度和比热容，并由此计算出果实的热扩散率。实验结果表明：果实热扩散率相差不大，分布在4×10-8m2/S左右。通过相似理论和量纲分析法，以苹果、番茄做实验材料，来确定果实热空气处理中不同状态下的表面对流换热系数值h。实验结果表明：h值随空气流速的增大而增加；h值随着果实径向尺寸的增大而减小；实验比较了相同径向尺寸和相同工况下的铜管、苹果和番茄h值，苹果、番茄的值比铜管的大很多，苹果、番茄等果实作为做为生物体，含有大量水分，在热空气的作用下，果实表面和其周围空气之间存在着蒸汽压差，由于出现了流体相变，进而导致换热效果的显著增强；相同工况下，相同径向尺寸番茄的h值比苹果的略大，这可能由于番茄的含水率比苹果的略大，蒸腾作用影响较大，进而增强了换热效果；利用实验准则关系式计算出径向尺寸大小分别为0.040～0.080m的苹果在1～4m/s空气流速下的h值，利用经验公式确定径向尺寸大小分别为0.040～0.080m的苹果在1～4m/s水循环流速下的h值，并通过对雷诺数的计算，确定流体状态视为层流。
　　 实验研究了果实热扩散率、加热介质流速和果实直径大小对果实热处理过程中传热速率的影响。实验结果表明：热扩散率越大，升温速率越快；热水处理下果实内部升温速率明显快于热空气处理；果实尺寸大小、热处理方式或介质流速相比，热扩散率对果实升温速率的影响很小；总体来说，由果实种类和样式引起的扩散率的不同，在实际热处理中不会影响加热时间；风速对果实升温速率影响显著；风速越大，果实与外界换热越强，则其升温速率越快；可见，在实际热处理中，需使容器中气流分布均匀；热水循环速度的变化对加热时间影响很小，热水循环速度只是提供均匀的温度场；实际热处理中，只需很小的热水循环速度，保证均匀的温度场即可；径向尺寸对果实升温速率影响显著；径向尺寸越小，果实与外界换热越强，则其升温速率越快。
　　 根据实验研究结果，热处理方式及风速和果实直径对其热处理过程中传热速率影响显著，采用FLUENT软件模拟计算，对传热速率影响因素做进一步细化研究。模拟计算表明：果实传热速率受风速影响显著，且随着风速的增大，热处理过程中相同时间下温度瞬态值和最终达到热处理效果所需时间差异越来越小；热空气与热水处理下处理下，果实传热速率受果实径向尺寸大小影响显著，且随着径向尺寸大小的增加，热处理过程所需时间梯度增加。