3 流態(tài)冰的流動(dòng)與傳熱特性

3.1 流動(dòng)特性

流態(tài)冰作為一種流體，在實(shí)際運(yùn)輸中，可流動(dòng)性是保證進(jìn)行長(zhǎng)途運(yùn)輸且無(wú)堵塞的關(guān)鍵。考慮到流態(tài)冰在管道中表現(xiàn)為固-液流的流型，冰晶存在浮力作用，流動(dòng)呈現(xiàn)出不同的流態(tài)，基本分為均相流動(dòng)狀態(tài)（固-液良好混合流動(dòng)）、非均勻流動(dòng)狀態(tài)（冰晶和載流流體之間初始分離）、移動(dòng)床流態(tài)（冰晶在管道上部的初始積聚）、固定床流態(tài)（較小流速導(dǎo)致的填充床層增加）四種類(lèi)型，隨管道直徑、長(zhǎng)度、流體密度、粘度、壁面粗糙度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其固體性質(zhì)等變化。此外，流態(tài)冰流動(dòng)的主要問(wèn)題之一是由于冰的質(zhì)量和體積分?jǐn)?shù)的增加而引起的高壓降和摩擦因數(shù)，在高冰體積分?jǐn)?shù)（φ12%）下，流態(tài)冰的壓力降總體上要高得多，直接導(dǎo)致了剪切增稠行為。

在流體流動(dòng)工況中，有效的減阻方法能為克服流態(tài)冰流動(dòng)的壓降、摩擦系數(shù)等問(wèn)題提供解決方案，加入少量的添加劑或改變管道的幾何形狀，從而降低流體的湍流表面摩擦。Ostwald-deWaele模型、Bingham模型、Casson模型、Herschel-Bulkley模型、Papanastastiou模型可用來(lái)描述并提供流動(dòng)區(qū)域內(nèi)豐富的參數(shù)化信息。國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者針對(duì)不同變量：壓降、流速、含冰率、顆粒粒徑、管道種類(lèi)等開(kāi)展大量實(shí)驗(yàn)，并采用合適的參數(shù)模型，進(jìn)一步研究流態(tài)冰的流變行為，對(duì)其輸送的安全設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有指導(dǎo)意義表2。

3.2 傳熱特性

在流態(tài)冰生成器流動(dòng)工況（液-固相變）中，熱量通過(guò)兩股流體間的傳熱面（單位m2）傳遞，冷、熱流體之間存在的溫度差即為熱量傳遞的推動(dòng)力，一般來(lái)說(shuō)，兩者單位時(shí)間所交換的熱量與傳熱面積、溫度差成正比。當(dāng)流體流速慢時(shí)呈平流，以傳導(dǎo)傳熱為主，較快時(shí)呈紊流，主要為對(duì)流傳熱，若要提高其傳熱速率，可考慮通過(guò)提高流體流速、溫度、改善壁材等方式適當(dāng)提高傳熱推動(dòng)力或降低傳熱阻力。

另一種工況為運(yùn)輸管中，流態(tài)冰融化時(shí)（固-液相變）的傳熱特性，管壁的熱量先傳遞到液相，使液相溫度升高，隨后液相將熱量再傳遞給固相，使固相顆粒隨著流動(dòng)不斷融化，而融化會(huì)使流態(tài)冰固相體積分?jǐn)?shù)降低、顆粒直徑減小，因此流態(tài)冰中固體顆粒之間同時(shí)具有聚并、破碎和融化作用。由于換熱器/管道不可視化，觀測(cè)具體傳熱過(guò)程較難，只能利用數(shù)值模擬發(fā)生器內(nèi)的傳熱動(dòng)態(tài)計(jì)算平均換熱系數(shù)。Onokoko等用數(shù)值方法研究了乙烯-乙醇-水流態(tài)冰在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的熱行為，得到了熔化傳熱特性，包括傳熱系數(shù)的軸向分布、體壁溫度、冰體積分?jǐn)?shù)和熔化速度，均與非熔融流的相應(yīng)分布有顯著差異。Li等利用CFD軟件模擬紊流和湍流態(tài)下的傳熱，發(fā)現(xiàn)流態(tài)冰的換熱性能強(qiáng)烈依賴(lài)于流速和冰質(zhì)量分?jǐn)?shù)，當(dāng)在湍流中流動(dòng)時(shí)，熱流密度對(duì)Nuis值的影響很小。趙新穎等采用用粒子流與傳熱傳質(zhì)模型相結(jié)合的方法，計(jì)算研究了水平方管內(nèi)流態(tài)冰與漁獲物的流動(dòng)傳熱，得知影響冰與漁獲物表面?zhèn)鳠岬年P(guān)鍵是冰顆粒的分布，隨著冰顆粒入口體積分?jǐn)?shù)的提高，漁獲物上表面與側(cè)面的熱通量整體有所增大且分布均勻。

目前，越來(lái)越多的學(xué)者通過(guò)仿真模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證探究流態(tài)冰的流動(dòng)和傳熱特性，得出的關(guān)系式和理論基本適用于工程設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)也可考慮將研究不同制冰器或管道局部特性的數(shù)群模型結(jié)合并優(yōu)化，進(jìn)一步提高工藝精度要求。

4 流態(tài)冰在水產(chǎn)品中的研究

4.1 預(yù)冷作用

流態(tài)冰具有較大的傳熱面積和熱傳遞能力，降溫速率快，因此常用于水產(chǎn)品的預(yù)冷，提高后續(xù)的生產(chǎn)加工效率。流態(tài)冰預(yù)冷是指水產(chǎn)品在凍結(jié)、冷藏、貯運(yùn)等操作前，使用流態(tài)冰將其從初始溫度（30℃左右）迅速降至所需要的終點(diǎn)溫度（0～15℃）的過(guò)程。Lin等研究在-1.5°C下用流態(tài)冰預(yù)冷、直接冷凍對(duì)琵琶魚(yú)肝臟質(zhì)量和微結(jié)構(gòu)的作用，結(jié)果顯示，兩組魚(yú)的內(nèi)聚性和耐嚼性等鮮度參數(shù)均呈下降趨勢(shì)，但前者較為緩慢，可延遲樣品的組織損傷。高紅巖等將流態(tài)冰預(yù)冷與冰溫貯藏相結(jié)合，研究其對(duì)新鮮鱈魚(yú)片質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)冷可延長(zhǎng)樣品從中性期到腐敗期的過(guò)程，延長(zhǎng)貨架期達(dá)17d。同時(shí)，研究表明，將預(yù)冷前處理與冷凍疊加作用于水產(chǎn)品，保鮮效果更明顯。Zakhariya等分別用流態(tài)冰和片冰對(duì)澳洲肺魚(yú)進(jìn)行不同時(shí)間的前處理后于−20℃條件下貯藏20d，實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)流態(tài)冰處理的魚(yú)體蛋白質(zhì)含量、水分含量均高于片冰組，TVB-N、pH及活菌數(shù)低于片冰處理組，可看出流態(tài)冰能有效維持水產(chǎn)品的新鮮品質(zhì)。Zhao等研究了在冰箱（5℃）或流態(tài)冰（0℃）中的預(yù)冷與凍結(jié)相結(jié)合對(duì)金鯧魚(yú)的冷凍速度和質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)在流態(tài)冰中進(jìn)行預(yù)冷有助于提高后續(xù)冷凍過(guò)程的冷凍速度，并且用1.7m/s的冷媒在-100°C下連續(xù)冷凍，是保持冷凍金鯧魚(yú)質(zhì)量的最有效方法。這兩種方法也為食品市場(chǎng)中水產(chǎn)品的前處理加工提供了參考。

4.2 貯藏保鮮作用

流態(tài)冰將產(chǎn)品溫度控制在零度以下，以較低溫度減緩蛋白質(zhì)、脂質(zhì)氧化。Rodriguez等比較了比目魚(yú)在流態(tài)冰或片冰中的生化、微生物學(xué)反應(yīng)。結(jié)果表明，使用前者貯存明顯降低了核苷酸降解、脂質(zhì)氧化速率，比目魚(yú)肌肉的部分高分子量蛋白質(zhì)保持良好的穩(wěn)定性。Zhang等探究了流態(tài)冰作用于金槍魚(yú)品質(zhì)的影響，經(jīng)處理后發(fā)現(xiàn)魚(yú)肌肉中的肌原纖維蛋白、Ca2+-ATPase活性和總巰基含量均高于空白和片狀樣品。此外，流態(tài)冰相較于碎冰保鮮可明顯降低水產(chǎn)品的腐敗速度，保持其原有的鮮度。以碎冰為對(duì)照，張皖君等分析了3種冰藏處理后鱸魚(yú)中微生物等的變化規(guī)律，其中流態(tài)冰可有效抑制鱸魚(yú)中ATP降解、抑制微生物生長(zhǎng)；藍(lán)蔚青等發(fā)現(xiàn)經(jīng)流態(tài)冰處理后的南美白對(duì)蝦樣品的彈性、咀嚼性、TVB-N含量、TBARS值與菌落總數(shù)始終維持在較低水平，品質(zhì)明顯均優(yōu)于碎冰處理組。顯而易見(jiàn)，基于流態(tài)冰冰晶的物理特性，使得在貯藏情況下水產(chǎn)品的保鮮效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)冰，降低水產(chǎn)品受到的污染以及破壞程度，能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持水產(chǎn)品品質(zhì)。

4.3 冷致死作用

通常，海上漁業(yè)捕撈水產(chǎn)品后，收獲和屠宰（刺殺、擊昏）過(guò)程中的壓力會(huì)對(duì)肉質(zhì)有明顯影響，死亡前掙扎會(huì)縮短肌肉細(xì)胞的壽命。所以需對(duì)水產(chǎn)品進(jìn)行快速屠宰，使敏感性和意識(shí)的迅速喪失，保證水產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的最大化。Anders等將鯖魚(yú)持續(xù)擊昏（5s）并在流態(tài)冰中冷卻6min，研究發(fā)現(xiàn)，在鯖魚(yú)暈眩無(wú)意識(shí)情況下，可誘發(fā)死亡、改善鯖魚(yú)的肉質(zhì)。Huidobro等分別將金頭鯛浸泡在流態(tài)冰浴、冰水中，并觀察在兩組情況下魚(yú)體死亡后的質(zhì)量變化，前者減少了魚(yú)完全凍結(jié)所需的時(shí)間；但是使用最低溫度（-2.2℃）時(shí)出現(xiàn)了眼睛混濁，導(dǎo)致外觀的劣變。直接使用流態(tài)冰進(jìn)行致死，大大降低了魚(yú)類(lèi)的商業(yè)價(jià)值。基于上述原因，Lopez-Canovas等使用不同類(lèi)型的冰結(jié)合丁香精油（CEO），并封裝在β-環(huán)糊精（β-CD）納米膠囊中以調(diào)整金頭鯛的致死條件，結(jié)果表明，該方法與目前冷凍、屠宰和冷藏過(guò)程中使用的冰包埋精油技術(shù)兼容，可有效降低宰殺時(shí)的應(yīng)激水平，獲得質(zhì)量更高、保質(zhì)期更長(zhǎng)的鮮魚(yú)。顯然，選擇單一的流態(tài)冰殺死魚(yú)類(lèi)是不值得推薦的，對(duì)水產(chǎn)品質(zhì)地有負(fù)面影響，但可以確定冰浴的最佳溫度范圍，再結(jié)合其他恰當(dāng)?shù)脑讱⒎绞絹?lái)進(jìn)行處理。

4.4 船載車(chē)載運(yùn)輸中的應(yīng)用

水產(chǎn)品自捕撈后，經(jīng)歷一系列的轉(zhuǎn)運(yùn)流程到達(dá)售賣(mài)市場(chǎng)，期間受到各種環(huán)境因素（摩擦、撞擊和溫度變化等）的影響，這些因素均有可能導(dǎo)致水產(chǎn)品發(fā)生不同程度的腐敗變質(zhì)、出現(xiàn)異味等不良現(xiàn)象。因此，研發(fā)在船載車(chē)載中的水產(chǎn)品保鮮技術(shù)顯得尤為重要。Yuan等將魷魚(yú)貯藏在40r/min、−4℃的搖床中，使用動(dòng)態(tài)流態(tài)冰模擬船上保鮮魷魚(yú)的效果，結(jié)果顯示，相對(duì)于冰水混合、碎冰與冰箱組，流態(tài)冰能顯著減緩魷魚(yú)的腐敗變質(zhì)速率，滿(mǎn)足魷魚(yú)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)囊蟆uidobro等在船上用流態(tài)冰加工深水粉紅蝦并觀察對(duì)品質(zhì)的影響，不僅減緩了pH的升高和微生物的生長(zhǎng)，質(zhì)地也發(fā)生很小的變化。研究表明漁船上使用流態(tài)冰優(yōu)于傳統(tǒng)冰，尤其適用于將蝦用作需要去除甲殼加工類(lèi)型的原料時(shí)。

4.5 流態(tài)冰復(fù)合型保鮮技術(shù)探究

目前，為了將水產(chǎn)品在貯存中受到的損傷降到最低，有實(shí)驗(yàn)研究將流態(tài)冰和不同的添加劑相結(jié)合，以達(dá)到更優(yōu)異的保鮮效果。在結(jié)合抗氧化劑方面，施源德等利用響應(yīng)面法的中心組合試驗(yàn)確定流態(tài)冰最佳配方，研究表明，在−4℃下配制的0.25%茶多酚、0.2%二氧化硅、3%氯化鈉的茶多酚流態(tài)冰能有效抑制鯖魚(yú)中揮發(fā)性鹽基氮和組胺的產(chǎn)生。張皖君等比較了使用流態(tài)冰、竹葉抗氧化物流態(tài)冰（AOB-SI）、迷迭香提取物流態(tài)冰（RE-SI）處理對(duì)鱸魚(yú)貯藏期間抗氧化活性及微生物作用效果，結(jié)果表明，AOB-SI與RE-SI處理組較于SI組可明顯延緩鱸魚(yú)樣品的POV值、MDA值和FFA值的升高，以及蛋白質(zhì)氧化和微生物的生長(zhǎng)繁殖。在結(jié)合抗菌劑方面，馮家敏等采用流態(tài)冰結(jié)合防黑變劑等探索南美白對(duì)蝦的鮮度保持和黑變現(xiàn)象抑制方法，發(fā)現(xiàn)流態(tài)冰與4-HR或植酸鈉、ClO2混合保鮮對(duì)蝦僅頭部輕微褐變，肌肉緊密有彈性。黃利華等研究了ClO2、乳酸鏈球菌素（Nisin）和二甲基二碳酸鹽（DMDC）抑菌流態(tài)冰對(duì)白鯧魚(yú)品質(zhì)特性的影響，結(jié)果表明，白鯧魚(yú)的TVB-N值和TBARS值升高，抑菌流態(tài)冰能夠促進(jìn)魚(yú)肉pH、硬度、彈性和色度等的穩(wěn)定性。Campos等將流態(tài)冰和臭氧結(jié)合前后對(duì)大菱鲆保鮮效果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)臭氧流態(tài)冰抑制脂肪水解及氧化反應(yīng)等方面的效果比流態(tài)冰突出，延長(zhǎng)了食品貨架期。然而在研究實(shí)驗(yàn)中，雖然發(fā)現(xiàn)流態(tài)冰復(fù)合保鮮效果優(yōu)于單一流態(tài)冰，但是在水產(chǎn)品實(shí)際保鮮應(yīng)用中，選擇對(duì)其無(wú)害的抗氧化劑、抗菌劑及濃度比例是值得以后的研究者深入探討的。

5 流態(tài)冰技術(shù)的應(yīng)用前景

流態(tài)冰作為一種快速冷卻水產(chǎn)品的蓄冷新技術(shù)，在未來(lái)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ虼?，越?lái)越多的企業(yè)和研究團(tuán)隊(duì)爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)創(chuàng)新，并積極地向著更深層次的領(lǐng)域推廣應(yīng)用。在流態(tài)冰成為重要研究方向的同時(shí)，其存在的問(wèn)題也不容忽視。制取流態(tài)冰的溫度、鹽度以及形成冰晶后的含冰率等都會(huì)影響水產(chǎn)品的冷藏與保鮮效果，利用動(dòng)態(tài)法制取的流態(tài)冰在流動(dòng)性、粒徑大小和穩(wěn)定性等方面也存在差異，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需根據(jù)產(chǎn)品的需求來(lái)選擇不同的流態(tài)冰。對(duì)于水產(chǎn)品的研究方向可以沿著以下幾方面發(fā)展：

（1）規(guī)?；a(chǎn)流態(tài)冰，并直接用于水產(chǎn)品中是降低水產(chǎn)品損失率、提高新鮮品質(zhì)的有效途徑。地球淡水資源有限，而海水資源豐富且易得，利用海水作為制冰溶液，可結(jié)合使用過(guò)冷水法一體化制冰裝置制取流態(tài)冰，實(shí)現(xiàn)深海遠(yuǎn)洋漁船上連續(xù)動(dòng)態(tài)制冰和就地保鮮。

（2）流態(tài)冰保鮮技術(shù)中，流態(tài)冰的殺菌機(jī)理起著重要作用，未來(lái)在制冰系統(tǒng)中可更換蓄冰溶液的類(lèi)型：電解水或低溫等離子體活化水等，將其制冰后作用于水產(chǎn)品可達(dá)到高效抑菌效果。

（3）刮削法和過(guò)冷法是流態(tài)冰制取的常用技術(shù)，產(chǎn)冰中會(huì)出現(xiàn)機(jī)損、易冰堵、效率低等問(wèn)題，脈沖電場(chǎng)、電子輻射、磁場(chǎng)、超聲波輔助促核成冰成為一種可行性方案。目前已有超聲輔助制冰等應(yīng)用報(bào)道。

（4）對(duì)于遠(yuǎn)洋漁業(yè)捕撈后的漁獲物，可考慮使用流態(tài)冰噴淋-輸送帶的裝置，運(yùn)用于遠(yuǎn)洋漁船，并于后期運(yùn)輸、貯藏中建立無(wú)損-感應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控水產(chǎn)品的鮮度變化、提高安全性。

新時(shí)代新追求，流態(tài)冰作為新型的綠色保鮮介質(zhì)，其制取技術(shù)的研發(fā)、工程應(yīng)用的開(kāi)拓，既能響應(yīng)國(guó)家的創(chuàng)新、綠色發(fā)展理念，又對(duì)國(guó)家的能源節(jié)約、經(jīng)濟(jì)效益提高有著深遠(yuǎn)意義，成為未來(lái)不斷探索的必然趨勢(shì)。

相關(guān)鏈接：糊精，茶多酚，二氧化硅，乳酸鏈球菌素

聲明：本文所用圖片、文字來(lái)源《食品工業(yè)科技》，版權(quán)歸原作者所有。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問(wèn)題，請(qǐng)與本網(wǎng)聯(lián)系