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鱼丸水煮液冷冻浓缩冰晶机制的研究

【摘要】:食品企业在生产鱼丸时会产生大量的水煮液,其中含有淀粉、蛋白质等很多营养物质,若废弃不仅浪费资源且污染环境。本研究试图利用冷冻浓缩工艺加工鱼丸水煮液,从而达到节约资源,保护环境的目的。同时冷冻浓缩加工过程低温的特点,可以最大限度保留食品物质的色、香、味等,但由于冷冻浓缩过程冰晶溶质夹带,分离存在一定困难而限制了该浓缩方式的推广。本研究利用国内外广泛应用在相变分析的相场模型,进一步探讨冷冻浓缩加工鱼丸水煮液的冰晶微观生长过程,分析产生冰晶夹带的机制,进一步为冷冻浓缩工业化提供理论支持。材料学领域常利用凝固组织的微观数值模拟方法构造晶体生长模型,该模拟的主要方法包括确定性方法、相场法以及概率法。相场法的突出优势在于利用相场变量,无需跟踪定位固液界面,特别是对复杂的非平衡状态的固液两相界面很有优势,可以减少很多复杂过程。目前在微观数值模拟领域,相场法以其强大优势处于国际研究前沿。本文借鉴数值模拟中的相场法,建立相场模型,从微观角度去分析二元鱼丸水煮液冷冻浓缩过程中冰晶生长形貌演变及相关影响因素,为鱼丸水煮液冷冻浓缩提供理论指导,提高浓缩效率。(1)通过分析自由能理论推导出来的金兹堡—朗道(Ginzberg-Landau)相变理论,在弥散界面条件下建立二元鱼丸水煮液的相场模型。(2)对构造出来的相场方程选择合适的算法进行处理,将之离散成数值方程:应用绝热边界条件—Zero-Neumann边界条件来处理边界;利用有限差分法进行溶质场、相场控制方程的离散;应用交替方向隐式法(即ADI算法)进行温度控制方程的离散;同时采用均匀网格尺寸进行空间方程的离散,通过节省计算过程所耗时间,提高模型数值计算效率。(3)研究空间尺寸、各向异性系数强度、界面厚度等对模拟结果真实性的影响,确定以上关键参数的最佳取值为空间步长6.0×10-7m、各向异性系数强度0.024、界面厚度3dx,此时可以保证在一定的计算速率下获得可靠的冰晶模拟形貌。(4)在等温结晶的条件下,对不同模拟时间及若干过冷度取值下鱼丸水煮液结晶过程进行研究,分析晶体生长和枝晶定向演变过程;将实际结晶过程通过tecplot软件再现,研究冰晶枝晶生长过程溶质偏析以及冰晶侧向分枝竞争生长过程;研究冰晶生长过程的固相率和枝晶尖端生长速度以及曲率半径等重要数据。结果表明:结晶时间较短时,枝晶生长较为迅速,主晶轴较粗,随着时间的延长,主晶轴变细,二次枝晶生长发达、交叉形成空隙;当过冷度取值增大,导致晶体的生长速度随之增快,引发更为旺盛的二次枝晶分支,最终得到较高固相率。同时,晶粒中枝晶的溶质偏析越来越严重,枝晶尖端溶质有效分配系数变小,造成溶质夹带提高,这同经典凝固理论吻合。结论显示,相场法数值模拟的冰晶生长形貌、溶质偏析及各个参数对冰晶生长过程的影响规律与前人的实验结果吻合较好,进而说明了相场法模拟冰晶凝固组织的可靠性,为冷冻浓缩技术奠定了理论基础,降低溶质夹带率,使得冷冻浓缩技术工业化得到更大程度的推广。

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