冷鲜食品通常是指在生产、加工、分销和贮存等过程中需要低温处理的食品,主要包括冷鲜畜禽类、冷鲜水产品[1-2]等。肉类冷鲜食品因肉质地柔嫩、味道鲜美、营养丰富、易于消化、食用安全性高,已成为我国城市居民的主流肉类消费形式[3-5]。肉类冷鲜食品的品质主要取决于宰后的冷却方式与条件[6]。刘永吉等[7]研究发现在(2±2) ℃冷藏条件下,经真空预冷后普通保鲜膜包装与直接普通保鲜膜包装的鸡肉样品货架期延长4 d。郝淑贤等[8]发现与直接微冻罗非鱼片相比,经10 ℃预冷+微冻组延缓肌动蛋白和肌球蛋白的弱化,肌纤维的撕裂,货架期延长至15 d。肉类预冷有风冷、水冷、喷雾冷却、真空冷却等技术[9-10]。风冷过程冷却速率慢,胴体水分损失大;水冷过程水分渗入胴体,容易导致交叉污染;喷雾冷却水分消耗量大,造成水污染;真空冷却过程冷却速率快,但成本高且质量损失大。流态冰也称流化冰、二元冰,是直径为0.1～1 mm的细小冰晶和载液的混合物[11]。流态冰作为一种新型绿色冷却介质,可以直接或间接接触冷却食品,与传统冰相比具有颗粒圆润、具有流动性、融化潜热大、储能密度高、比表面积大、冷却速率快、不会对产品造成机械损伤等优点[12-13]。目前,流态冰逐渐应用于在水产品、畜禽产品保鲜,而流态冰与其他保鲜技术的耦合已成为新型保鲜技术的研究热点。因此,本文重点介绍了流态冰的流动特性、传质特性和传热特性及其在肉类保鲜中的应用,以期为流态冰在冷鲜产品源头保鲜领域的应用提供参考。
1 流态冰的基本特性
1.1 流动特性
流态冰是一种特殊的流体,在实际应用中,明确流态冰的流动特性对计算其流动阻力的大小及进一步确定设备型号与运行能耗至关重要[14]。流态冰在管道呈现固-液的流动状态,冰晶在浮力效应的影响下有上浮的趋势。在不同的管道参数、冰浆参数、耦合参数条件下[15],流态冰呈现出不同的流动形态(图1)。通常用静止床、流化床和充分悬浮床3种模型来描述流动形态。根据冰晶颗粒的分散情况,悬浮床可分为均匀流动和非均匀流动[16-18]。目前常用弗劳德数(Fr)和临界沉降流速来分析流态冰流动形态的转化规律。STUTZ等[19]提出了弗劳德数(Fr)转换准则,计算公式如(1)所示:
a-均匀流动悬浮床;b-非均匀流动悬浮床;c-流动床;d-静止床
图1 流态冰流变模型
Fig.1 Rheological model of slurry ice
Fr=v2/(gD|1-ρi/ρl|)
(1)
Fr<0.2时,流态冰为静止床流态;0.2
(2)
式中:v为流速,m/s;g为重力加速度,m/s2;D为管段的内径,m;ρi为冰的密度,kg/m3;ρl为载液密度,kg/m3。
在实际运输过程中为了防止出现冰堵的现象,流态冰要尽量处于充分悬浮床流态。
流体可分为牛顿流体和非牛顿流体。在含冰率很小时,流态冰属于牛顿流体,当含冰率超临界值后,流态冰会由牛顿流体转变为非牛顿流体。当流态冰为牛顿流体时,剪切力与剪切速率呈线性关系,计算如公式(3)所示:
τ=μγ
(3)
式中:τ代表剪应力,μ为黏度,γ为剪切速率。
当流态冰为非牛顿流体时,最常用Bingham模型、Casson模型、Power law模型、Herschel-Buckley模型4个流变模型表示,剪切力与剪切速率关系式见表1[22-23]。对于多相流,主要使用欧拉-欧拉模型和欧拉-拉格朗日模型进行数值模拟。欧拉-欧拉模型将颗粒与流体均视为连续性介质,并都在欧拉坐标系下处理。欧拉-拉格朗日模型中将流体视为连续性介质,颗粒视为离散相,在欧拉坐标系下处理流体,在拉格朗日坐标系下处理颗粒[24]。目前,流态冰流变模型还处于探索阶段,没有统一的适用范围,且数值模拟的结果与实验数值之间存在一定的偏差,还需要进一步的修正,使得模型能够更好的描述流态冰的流动特性。
表1 流态冰非牛顿流变模型
Table 1 Slurry ice rheological models
模型名称数学描述Bingham模型τ=τ0μγCasson模型τ0.5=τ0.50+(μγ)0.5Power law模型τ=KγnHerschel-Buckley模型τn=τ0+Kγn
注:表中τ代表剪应力,τ0代表屈服应力,μ为黏度,γ为剪切速率,K表示流变系数,n表示流变指数,当n<1时,冰浆是宾汉流体,当n>1时,冰浆为胀塑性流体。
1.2 传热特性
流态冰是由冰晶颗粒和载液构成的,可以用于食物保鲜和工程换热等领域。流态冰具有较高的显热和潜热,具有较高的储能密度,在融化时能放出大量的潜热,具有很强的换热能力,因此传统冰相比具有更快的冷却速率和预冷温度。为了提高实际应用中的传热性能,研究流态冰的传热特性具有重要意义[25]。流态冰的传热特性与管径、冰晶粒径、流速和含冰率等密切相关,近年来国内外关于管路及换热器传热特性研究如表2所示。目前相关研究主要集中在传热模型建立和确定管路及换热器的传热特性等方面,实验装置图如图2所示,通过测量流体的进出口温度、流量以及压降等参数来研究流态冰流动和传热特性。LONG等[26]基于换热器在流态冰侧、管壁侧和空气侧的能量平衡微分方程建立了交叉流翅片管换热器传热过程的数学模型,通过求解微分方程模型得到解析式。结果表明,当冰的质量分数在5%～25%时,模型解析式与实验数据吻合较好,然而流态冰流态的转变会影响解析式的精度。ONOKOKO等[27]采用水动力学理论和热场对水平管内冰浆的热流体特性建立了三维稳态模型,结果表明数学计算结果得到的传热系数与文献中相应实验值非常一致,预测效果较好。GAO等[28]基于粒子动力学构建欧拉-欧拉双流体模型,用以描述水相石墨烯纳米流体冰浆在水平圆形直管内湍流区的传热过程。但目前流态冰的不同的传热模型与实验测量值还有一定的差距,需要进一步优化精确。
表2 不同设备内流态冰的传热特性
Table 2 Heat transfer characteristics of fluid ice in different equipment
设备实验参数结论文献板式换热器D:32 mmqv:0.6～1.3 m3/hIPF:1%～5%传热系数随着IPF的升高而升高;在IPF一定时,传热系数随着qv的增大而增大,且随着qv的增大,传热系数增长速度逐渐减缓[29]双圈螺旋管D:12～20 mmqw:3 002.11～9 320.05 W/m2ds:0.2～0.6 mmv:1～3 m/sIPF:10～30%传热系数随着IPF、ds、流速的增大而增大,随着盘管半径的减小而增大[30]板式换热器D:4.48 mmqv:0.414～1.1 m3/hIPF:0%～20%换热系数随qv,IPF的增大而增大,且qv比IPF起着更重要的作用。[31]水平直管D:21 mmIPF:0%～20%v:0.5～1.25 m/s在较高流速时,换热系数随着IPF的增加不增加或增加缓慢;在低流速时,当IPF<10%,传热系数略有增加,10% 注:表中D为管内径、δ为管壁厚度、L为管长、ds为粒径、qv为热流量、v为流速、IPF为含冰量、qw为热流密度。
图2 实验装置[31,35-36]
Fig.2 Experimental apparatus
注:图中M为搅拌器、T为热电偶、△P为差压计。
1.3 传质特性
流态冰制取原料主要是纯水或含有冰点降低剂的水溶液,食品保鲜中常用NaCl作为冰点降低剂。NaCl可在保鲜过程中转移到食品中,使其盐度增加,从而影响食品的食用品质。因此,流态冰传质特性的研究,对食品保鲜至关重要。NARASIMHA等[37]发现流态冰贮藏的鱿鱼肌肉含盐量高于常规冰贮藏样品,但盐浓度低于咸鱼。郭儒岳等[38]发现氯化钠在鱼死亡后渗透作用逐渐增强,且鱼肉中的盐度随着贮藏时间的延长逐渐增加。蓝蔚青等[39]发现流态冰短时间预冷处理对鲈鱼肌肉中含盐量无显著影响。因此,流态冰常用于预冷或短期贮藏保鲜。许多学者利用流态冰传质特性,在其制备原料中添加茶多酚、迷迭香提取物等生物保鲜剂,这些物质在保鲜过程中也可以转移到食品中,从而延长食品的货架期。目前大多数研究集中于流态冰传质特性的利用上,很少涉及流态冰传质模型建立以及传质速率研究。
2 流态冰技术在肉类保鲜中的应用
2.1 在水产品保鲜中的应用
水产品水分含量高、营养丰富、pH偏中性,宰杀后极易因微生物增殖而发生腐败变质,因此该类食品常贮存于冷藏或冷冻条件下,其目的是将水产品温度降低到大多数食源性病原体和腐败微生物的最低生长温度以下,延缓脂质、蛋白质氧化等各种生化反应[40]。流态冰作为一种新型的绿色制冷剂,在食品保鲜领域的应用已经引起广泛的关注,最早的应用之一是水产品保鲜。表3中展示了部分国内外流态冰在水产品保鲜中的应用进展的相关研究。研究发现流态冰与传统冷却介质预冷相比具有更低的冷却温度,可以快速降低水产品表面温度,且流态冰处理的水产品在后续贮藏过程中表现出更好的品质[41-42]。与常规冰如碎冰贮藏保鲜相比,流态冰可以减少对水产品的物理损害,此外,流态冰填充孔隙充足,密封性好,可以有效地抑制繁殖和氧化反应,能够更好地保持水产品的新鲜度和营养品质,延长货架期[43]。因此,流态冰与传统冷却介质相比更适用水产品保鲜。
表3 流态冰保鲜在水产品中的应用进展
Table 3 Application progress of slurry ice preservation in aquatic products
水产品种类对照组实验结果文献欧洲黑鲈鱼片冰用流态冰代替片冰预冷使得在0 ℃下贮存的鲈鱼货架期延长2～6 d。屠宰时使用流态冰会导致蛋白质水解延迟[44]尼罗罗非鱼片冰流态冰与片冰相比贮藏鱼肉的蛋白质和脂质降解速率,使得罗非鱼货架期延长至少3 d[45]海鲷片冰用流态冰部分代替常规片冰,提高了鱼的品质,延长了与在0 ℃下的货架期2～7 d[13]鲈鱼碎冰现切鲈鱼用流态冰冷却至0 ℃所需时间是碎冰组的一半。从第4天起,流态冰预冷组鱼肌肉品质优于碎冰组[41]大黄鱼片冰质地剖面分析显示,流态冰显著改善鱼的质地;根据微生物学和感官分析,在流态冰中贮藏的大黄鱼货架期为15 d[46]鲶鱼-1.5 ℃直接冷冻流态冰预冷组与-1.5 ℃直接冷冻的样品相比,可以显著降低蒸煮损失[47]大目金枪鱼4 ℃冷藏碎冰与其他两组样品相比,流态冰可以抑制内源酶活性和微生物生长[48]金鲳鱼5 ℃冰箱使用流态冰中预冷后再冷冻鱼体,其冻结速率显著提高,有更好的冻结质量[42]鱿鱼常规冰流态冰组样品的在生化、质构和微生物指标等方面优于常规冰组[37]
2.2 在畜禽产品保鲜中的应用
近年来,我国畜禽产品消费结构发生明显的变化,呈现了从冷冻肉到热鲜肉,再到冷鲜肉的趋势[49],因此,提高畜禽产品的安全性非常重要。在经过浸烫、脱毛、去内脏等加工过程后,畜禽胴体会受到各种细菌污染,需要进行迅速冷却和减菌处理,这对其货架期具有决定性的影响。自1910年以来,许多企业采用畜禽胴体浸入冷水或冰水混合物中进行冷却的方法[50]。近年来,流态冰作为一种新兴的冰水混合物开始应用于畜产品的预冷保鲜中。ROWE[51]研究发现在相同冷却时间内流态冰冷却的鸡胴体中心温度比用冷水冷却的温度低,且流态冰表面清洗效应可以减少鸡胴体表面上携带的微生物,并因此降低微生物到达深层肌肉的趋势。因此,流态冰与传统冷水相比不仅提高了预冷速率,还有助于保持畜禽产品质量,延长货架期。白艳红等[52]研究开发了冰温鸡肉冰点调节剂,优化了配方和最佳配比,并将冰点调节剂制备成流化冰对鸡肉进行预冷,冰点调节剂结合流化冰预冷可将鸡胸肉的冰点从-0.7 ℃降低到-2.4 ℃,并对鸡肉感官品质无不良影响,可保持新鲜度,提高感官品质,且在货架期可达到19 d。然而目前流态冰预冷畜产品仍处于实验室阶段,还需要进一步的研究来使该方法用于工业化生产中。
3 流态冰协同其他技术在肉类保鲜中的应用
肉类产品在贮藏、销售过程中,单一的流态冰低温处理只能在短时间内维持肉类产品的品质。将流态冰处理其他保鲜技术协同处理,能更好地发挥其保鲜效果,这也是未来的研究热点。
3.1 臭氧耦合流态冰技术
臭氧对真菌、细菌都具有很强的抑菌杀菌能力,作用后无残留,是常用的食品抗菌剂。臭氧分解产物,具有强氧化能力,可以通过破坏细菌的细胞结构、内源酶活性,导致细菌死亡[43]。LAN等[53]探讨臭氧-流态冰处理对大黄鱼的微生物、理化和品质特性的影响,结果表明,与单一流态冰相比,臭氧-流态冰通过抑制微生物生长,降低了硫代巴比妥酸、挥发性盐基氮、K值,延缓了样品亮度的下降,保持样品的硬度和弹性。CHEN等[54]对单一流态冰与臭氧-流态冰保鲜鳙鱼效能进行评估发现,在臭氧流态冰中贮存的鳙鱼保质期延长至18 d,而流态冰贮存的鳙鱼15 d后的菌落总数值超过可接受限度。由此可见,流态冰与臭氧耦合具有更强的杀菌效果,其在肉类保鲜中具有较好的应用前景。
3.2 酸性电解水耦合流态冰技术
酸性电解水包括强酸性电解水和微酸性电解水,是目前常用的新型减菌剂和化学保鲜剂,对细菌和病毒等有很强的杀灭效果,其中微酸性电解水杀菌效果更好。电解水作用产物主要是次氯酸,通过破坏细菌细胞膜的通透性以及活性氧的积累使得细菌死亡[43]。LAN等[55]研究了微酸性电解水-流态冰对在4 ℃贮藏期间鲐鱼的组织蛋白酶活性、质地及货架期的影响发现,与流态冰组和片冰组相比,微酸电解水-流态冰组样品的菌落总数、K值较低,表明酸性电解水-流态冰能够有效降低组织蛋白酶活性和抑制硬度、弹性和咀嚼性的下降,可延长货架期5 d。LIU等[56]研究微酸性电解水和流态冰对鲐鱼微生物生长、理化反应和感官性状的综合影响,结果表明微酸性电解水-流态冰处理对微生物生长有较强的抑制作用,同时可以减轻肌红蛋白和脂质的氧化程度,很好的保持样品地颜色。而从感官分析来看,微酸性电解水-流态冰组样品的货架期比对照组延长6 d。综上所述,酸性电解水-流态冰可以更好地抑制蛋白质、脂质氧化和微生物的生长,能够显著延长产品货架期。
3.3 抗氧化剂耦合流态冰技术
天然的抗氧化剂抗氧化活性强,安全性高,可以有效的延缓肉质劣变,是常用的肉类食品保鲜剂。张皖君等[57]分别使用质量分数为0.1%竹叶抗氧化物-流态冰和0.1%迷迭香提取物-流态冰保鲜鲈鱼,可以有效抑制微生物生长、延缓样品蛋白质的氧化和脂质的水解。蓝蔚青等[58]研究了体积分数1%银杏叶提取液-流态冰和1%竹醋液-流态冰对鲳鱼贮藏效果影响,结果表明,与对照组相比,银杏叶提取液和竹醋液流态冰组样品均保持较好的感官和质构特性,氧化速率减慢,样品货架期分别延长至15～16 d和17～18 d。LAN等[58]发现使用质量分数0.3%茶多酚臭氧流态冰处理大黄鱼,可以减少微生物与内源酶对纤维蛋白的降解,来保持大黄鱼的品质,其货架期可延长至20 d。ZHANG等[60]研究发现壳聚糖-流态冰处理银鲳,可以减少微生物生长,延长货架期。上述研究表明,流态冰隔绝氧气的密封性协同抗氧化剂的抗氧化性,能够进一步延缓蛋白质降解和脂质氧化,延长肉类的货架期。但是该类抗氧化剂是否允许应用于肉类产品及其对肉类产品安全性的影响需要进一步探究。
3.4 可食性涂膜耦合流态冰技术
可食性涂膜是以多糖、蛋白质和脂类等天然高分子物质或其复合物为主要成膜基质,添加可食性的交联剂或增塑剂等而制成的薄膜或涂层。作为天然活性物质如抗菌剂、抗氧化剂和酶等的载体,通过一定的加工工艺可赋予可食性涂膜抗菌和抗氧化等特性。在贮藏过程中,涂膜中的功能性成分可渗透到食品中,使得食品表面具有较高水平的活性成分[61],同时涂膜一定程度上避免了食品与空气的直接接触。周勇军等[62]采用不同条件对大黄鱼进行低温贮藏,发现柠檬醛-壳聚糖浸渍涂膜10 min,晾干后于-3 ℃流态冰中贮藏,样品货架期与对照组相比延长约6 d。周强等[63]采用质量分数为1.5%壳聚糖-0.1%植酸涂膜对虾后,置于-4 ℃流态冰中贮藏,发现与对照组(-4 ℃流态冰贮藏)相比,壳聚糖-植酸耦合流态冰贮藏可以有效延缓对虾菌落总数、挥发性盐基氮值、酸价、硫代巴比妥酸、丙二醛含量的上升,明显提高样品的亮度以及感官评分,延长约4 d的货架期。因此,流态冰与可食性涂膜协同作用具有更好的保鲜效果。
4 结论与展望
流态冰作为一种新型的制冷技术,与传统冰相比有着诸多优点,如延缓微生物生长和蛋白质脂质氧化、更好保持肉类品质、延长货架期等,在肉类冷鲜食品保鲜中有巨大的发展潜力。为此对流态冰技术提出以下展望:a)流态冰的流动传热特性的预测没有固定的模型,且预测值与实验测量值存在较大误差,需要进一步开发新的模型或提高模型的精确度。b)流态冰的传质特性与冷鲜食品保鲜过程中添加的保鲜剂的渗透能力有关,但其传质规律还没有明确,需要更深入的研究。c)目前海水和盐水是常用的制冰溶液,盐水的比例不同保鲜效果也会有变化,盐的渗透作用一定程度上影响产品品质,且流态冰的制备存在易冰堵、机损、效率低等问题,故其在肉类预冷及保鲜中的应用还处于探索阶段,需要进一步开发利用。d)与传统碎冰比较,单一的流态冰保鲜效果有显著提升,但流态冰与其他保鲜技术耦合表现出更强的保鲜效果,因此,在未来可开发多种与流态冰相耦合的新型保鲜技术,以进一步提高流体冰对冷鲜食品保鲜效果。
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