Ju, Hao-Yu, Xiao Hong-Wei, Fang, Xiao-Ming, Liu, Yan-Hong, Zhang, Wei-Peng, Cheng, Peng, Gao, Zhen-Jiang (2015). Design and experiment of vacuum-steam pulsed blancher for fruits and

第 31 卷 第 12 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.12 230 2015 年 6 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2015

果蔬真空-蒸汽脉动漂烫机的设计与试验

巨浩羽 1，肖红伟 1，方小明 2，刘嫣红 1，张卫鹏 1，程 鹏 1，高振江 1※ （1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 中国农业科学院蜜蜂研究所 100093）

摘 要：针对现有漂烫机漂烫时蒸汽和物料之间存在空气间层热阻，蒸汽不能迅速向物料传递热量而导致的漂烫不均匀、

装载量小等问题，设计了一种真空-蒸汽脉动漂烫机。该漂烫机由抽真空系统、蒸汽系统、漂烫罐体以及自动控制系统构

成，抽真空系统可以及时去除漂烫罐体内冷空气和漂烫之后的蒸汽。采用计算流体力学软件 Fluent 对漂烫罐体内气流流

场进行模拟，结果显示增加扰流板和扰流孔后内部流场均匀，计算值和模拟值最大相对误差为 5.2%。以漂烫百合为例进

行了漂烫机的性能验证试验，结果表明：真空-蒸汽脉动漂烫均匀性良好，百合片在 60℃热风干燥时间一致为 11 h，干后

色泽无显著性差异。干燥时间随漂烫时间和循环次数的增加而先减小后增大，随真空度的增加而增大。当真空度为 10 kPa，真空时间为 5 s，漂烫时间为 30 s 时，循环 3 次百合漂烫后的干燥时间最短，色泽变化较小。该研究解决了现有蒸汽漂烫

机存在的漂烫不均匀、装载量小等问题，为其后续推广应用提供了参考。 关键词：机械化；计算流体力学；设计；漂烫 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.12.031 中图分类号：S126 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-12-230-09

巨浩羽，肖红伟，方小明，等. 果蔬真空-蒸汽脉动漂烫机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(12)：230－238.

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.12.031 http://www.tcsae.org Ju Haoyu, Xiao Hongwei, Fang Xiaoming, et al. Design and experiment of vacuum-steam pulsed blancher for fruits and vegetables[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(12): 230－238. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.12.031 http://www.tcsae.org

0 引 言

漂烫是将新鲜果蔬原料在较高温度的热水或蒸汽中

进行加热处理的过程。漂烫可以有效地使果蔬中引起变

色和变味的酶失活，使果蔬尽量保留其原有的色泽、味

道及营养成分[1-2]。此外，漂烫还可使果蔬细胞内原生质

变性，增加细胞膜通透性，促进水分迁移蒸发的作用[3]。

目前，热水漂烫和蒸汽漂烫是果蔬漂烫工艺中主要采取

的 2 种方式。然而热水烫会使果蔬中的部分营养物质由

于渗透和扩散而流失到水中，导致果蔬糖分、蛋白质、

碳水化合物和矿物质等营养物质的严重损失[4-9]。 蒸汽漂烫克服了传统热水漂烫所存在的水溶性营养

物质流失和漂烫后废液的污染等问题，但却存在漂烫不

均匀、装载量小等问题。杜志龙[10]设计了一种高温高湿

气体射流冲击漂烫机，该装置使物料在较短时间内达到

灭酶温度使其灭活，但装载量较小且背对喷嘴的物料不

能和蒸汽进行接触，漂烫均匀性较差。陈添明[11]设计了

一种带式高温高湿气体射流冲击漂烫机，该装置使用了

连续传动的物料输送带，提高了装料量，使用蒸汽分配

室提高了均匀性，但只适用于单层物料漂烫加工，而且

收稿日期：2015-03-15 修订日期：2014-05-20 基金项目：国家自然科学基金项目（31201436） 作者简介：巨浩羽，男，博士生，研究方向为农产品干燥装备和技术。北京 中国农业大学工学院，100083。Email：[email protected] ※通信作者：高振江，男，教授，博士，博士生导师，主要从事农产品（食

品）的加工技术与装备研究。北京 中国农业大学工学院，100083。 Email：[email protected]

由于送料口和出料口使设备密封性较差，蒸汽大量泄漏。

王凤良[12]设计了一种滚筒式连续蒸汽漂烫机，该漂烫机

通过螺旋板对物料漂烫中进行翻转来提高漂烫均匀性，

这容易导致物料组织划伤，而且螺旋板和旋转轴体积较

大，限制了装载量。因此解决漂烫均匀性和装载量的问

题十分必要。 在蒸汽灭菌研究中发现，排除冷空气后灭菌室内的

温度可在较短的时间内上升到灭菌所需的温度，而且使

灭菌物周围和中心同时上升到较高的温度[13-14]。Michael等[15-16]研究发现，蒸汽很难穿透空气和水而直接向物料

传热，而对物料进行真空-蒸汽-真空处理后，蒸汽在物料

表面出现液滴凝结，传热系数是液膜凝结的 6~18 倍。漂

烫之前排出漂烫室内的冷空气再通入蒸汽，使高温蒸汽

与物料直接接触，使漂烫室内各处的物料温度均匀快速

地上升。蒸汽保持一段时间后，温度降低，对物料漂烫

作用减小[17]，此时抽真空将蒸汽排除，再通入高温蒸汽

进行漂烫。因此，将真空脉动技术应用于蒸汽漂烫设备

中，有助于提高漂烫的均匀性，提高生产效率。 本文针对现有漂烫机装载量小、漂烫不均匀的问题，

将真空脉动技术[18-21]应用于蒸汽漂烫设备中，设计了一

种真空-蒸汽脉动漂烫机，并以百合作为试验原料进行漂

烫试验验证，以达到提高漂烫装载量和均匀性的目的。

1 真空-蒸汽脉动漂烫机总体设计

1.1 整机结构

真空-蒸汽脉动漂烫机的总体结构如图 1 所示。该机

主要由真空发生系统、蒸汽发生系统、漂烫罐体、自动

·农产品加工工程·

第 12 期 巨浩羽等：果蔬真空-蒸汽脉动漂烫机的设计与试验

231

控制系统四部分构成。

1.外罩 2.蒸汽发生器 3.手动球阀 1 4.螺母连接管接头 5.蒸汽电磁阀 6.流量计 7.压力传感器 8.直角管接头 9.温度传感器 10.漂烫罐体 11.手动球阀 2 12.底座 13.螺栓 14.真空电磁阀 15.真空泵 16.万向轮 1.Containment envelope 2.Steam generator 3.Manual ball valve 1 4.Nut connecting pipe joints 5.Steam valve 6.Flowmeter 7.Pressure sensor 8.Union elbow 9.Teperature sensor 10.Blanching body 11.Manual ball valve 2 12.Pedestal 13.Bolt 14.Vacuum valve 15.Vacuum pump 16.Universal wheel

图 1 真空蒸汽脉动漂烫机总体结构示意图 Fig.1 Schematic of vacuum-steam pulsed blancher

真空系统由水环真空泵（北京华城浩达真空空压设

备有限公司, 2BV-2601 型）、真空冷却装置（佛山市科

威力制冷设备有限公司，FNF-2.8/13 型）和真空电磁阀

（上海威尔顿阀门制造有限公司，ZCV-20）构成。蒸汽系

统由蒸汽发生器（上海华征特种锅炉制造有限公司，

LDR0.013-0.7）、蒸汽输送管路和蒸汽电磁阀（厂家型号

同真空电磁阀）组成。蒸汽通过球阀（上海威尔顿阀门

制造有限公司，GU-20（G）型）、蒸汽电磁阀（厂家型

号同真空电磁阀）、流量计（开封中仪流量计有限公司，

LUGB 型）和蒸汽管路进入漂烫罐内。漂烫罐为圆柱形

腔室，材质选用 304 不锈钢。下侧设有料篮支架、喷嘴

和扰流板。料篮为直径 490 mm，高度 320 mm 的圆柱形

不锈钢网架，放置于料篮支架上。喷嘴和扰流板位于料

篮的底部，蒸汽经过蒸汽管路，经扰流孔和扰流板后分

布于整个漂烫室内。自动控制系统由温度传感器（北京

优普斯科技中心，Pt100 型）、压力变送器（北京航宇东

方高科技发展有限公司，HT-801 型）和控制盒组成。该

漂烫机可以调整真空度、真空保持时间、漂烫时蒸汽的

压力以及漂烫的时间，料篮中物料可以堆积放置，提高

了装载量，可适用于多种物料的漂烫加工。真空-蒸汽脉

动漂烫机的主要技术参数如表 1 所示。

表 1 真空-蒸汽脉动漂烫机主要技术参数

Table 1 Main technical parameters of vacuum-steam pulsed blancher

特征技术参数 Characteristics of technical parameters

数值 Vaule

外形尺寸(长×宽×高)/mm×mm×mm Boundary dimension (ength, width and height) 1 750×730×800

漂烫室容积 Blanching volume /m3 0.065

料篮容积 Tray volume /m3 0.060 漂烫罐内压力变化范围

Pressure variation range in blanching body/MPa 0.01～0.11

1.2 工作原理

真空蒸汽脉动漂烫机的工作原理：将物料放置于漂

烫室内，然后开启真空泵抽真空。当真空度达到设定值

时，控制系统开始按照设定的真空时间开始倒计时，此

时物料表面的冷空气被排除，当真空保持时间结束时，

真空电磁阀关闭，蒸汽电磁阀打开。通入一定压力的蒸

汽，当压力达到预定值时，关闭蒸汽电磁阀，此时控制

系统按照设定的漂烫时间开始倒计时。漂烫时蒸汽直接

和物料接触，物料迅速升温，达到漂烫灭酶效果。漂烫

结束后，再次进入真空阶段。如此循环往复，从而实现

真空-蒸汽脉动漂烫过程。而连续蒸汽漂烫机[10-11]，没有

对漂烫室抽真空，通入的蒸汽遇到冷空气后会冷凝放热，

液化成水滴，温度降低，对物料的漂烫作用减弱，并且

连续漂烫机只适合单层物料的漂烫。真空-蒸汽脉动漂烫

机对漂烫室抽真空后，排出了冷空气，可提高单次漂烫

加工量，漂烫均匀，提高了蒸汽的利用率。

2 关键部件的设计

2.1 漂烫罐体设计

漂烫罐体是物料漂烫加工单元，为提高单次漂烫加

工量，漂烫罐设计为直径为 500 mm，高度为 330 mm 的

圆柱形腔室。为保证漂烫罐体受压后不变形，需要对壁

厚校核。漂烫罐体内部的压力在 0.01~0.1 MPa 之间变化，

当漂烫罐体内为真空时所受压力最大。受压储罐壁厚计

算公式如下[22]：

2

ipD

n

δσ

= （1）

式中：δ为计算壁厚，mm；p 为外界压力，为 0.1MPa；Di 为罐体内径，为 500 mm；σ 为 304 不锈钢在常温至

150℃下的许用压力，137 MPa；n 为安全系数，此处取

n=10。代入计算得 δ为 1.8 mm。圆整后设定壁厚为 2 mm。

此外为了减少漂烫罐体的热量损失，漂烫罐体外壁用

10 mm 厚保温棉包裹，外侧使用 1 mm 不锈钢板支撑。 2.2 真空泵抽气速率和蒸汽发生器设计

真空泵是保证真空发生系统稳定工作的关键。水环

式真空泵可以达到极限真空为 2~4 kPa 的粗真空。试验中

漂烫压力为 10 kPa，水环真空泵可以满足实验要求。此

外所选真空泵需要在较短时间内将漂烫罐体内的压力抽

到预定值，所以抽气时间是真空泵选用的重要参数。真

空泵的抽气时间计算如下[23]：

1

2

2.3 lgp

PVt KPS

= （2）

式中：t 为抽气时间，s； K 为修正系数，当要求真空度

为 10 kPa 时为 1.25；V 为真空设备容积，为 0.065 m3；

Sp 为真空泵的实际抽速，m3/s；P1 为初始真空度，kPa；P2为要求真空度，kPa。

真空泵的实际抽速 Sp由真空泵有效抽速 S 以及真空

泵与漂烫室的连接管道流导通过流导串联公式确定[23]。

流导由式（4）确定[23]。

农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2015 年

232

1 1 1

PS U S= + （3）

4π128

p DULμ

⋅= ×

⋅ （4）

式中：U 为连接管道流导，m3/s； p 为管内平均压力，为

1 000 Pa；D 为真空管路直径，m；S 为真空泵有效抽速，

m3/s；μ为黏度，1.25×10-5 Pa· s；L 为管道的当量长度，

0.7 m。 当真空管路内径为 0.02 m 时，如果真空泵将漂烫罐

体内的压力由 0.1 MPa 降低至 0.01 MPa 时间为 15 s，则

联立式（2）～式（4），计算得出真空泵抽气速率为 S为 0.0124 m3/s，即 0.74 m3/min。因此确定真空泵型号为

2BV-2061 型真空泵(北京华城浩达真空空压设备有限公

司)。其技术参数如表 2 所示。

表 2 真空泵主要技术参数 Table 2 Main technical parameters of vacuum pump

特征技术参数 Characteristics of technical parameters

数值 Value

功率 Power/kW 1.45

转速 Revolving speed/(r·min-1) 2880

抽气量 Throughput/(m3·min-1) 0.86

极限压力 Stalled pressure/MPa 0.003

蒸汽压力为 0.11 MPa 时，密度为 0.6601 kg/m3,体积

为 0.065 m3。则蒸汽质量 m 由式（5）求出。 m Vρ= （5）

式中：ρ 为蒸汽密度，kg/m3；V 为漂烫罐体积，m3。得

出蒸汽质量为 0.0429 kg。如果漂烫 3 次，则总共需要蒸

汽 0.128 kg。选用 LDR0.013-0.7 型电加热蒸汽发生器（上

海华征特种锅炉制造有限公司），其蒸汽发生量为

13 kg/h，产生蒸汽量可满足试验要求。实际工作中，可

满足多次真空-蒸汽脉动漂烫的蒸汽需要。 2.3 喷嘴模块 Fluent 模拟及优化设计

2.3.1 气体控制方程及边界条件设定

漂烫罐内部蒸汽为稳态的黏性流动，应用标准的 k-ε模型，控制方程包括连续方程，动量方程、k（湍动能）

方程和 ε（耗散率）方程，都满足如下通用形式[24]。 ( ) ( ) ( ) ( )u v w

t x y z

Γ Γ Γ Sx x y y z z

ρφ ρ φ ρ φ ρ φ

φ φ φ

∂ ∂ ∂ ∂+ + + =

∂ ∂ ∂ ∂

⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + +⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠

（6）

式中：φ 为广义变量； Γ为扩散系数；S 为源项；t 为时

间，s；u 为 x 方向速度，m/s；v 为 y 方向速度，m/s；w为 z 方向的速度，m/s。

进口条件：选取速度入口为边界条件，假定进口方

向垂直于边界，且均匀分布，试验中测得数值为 58.3 m/s（RHAT-301 型风速仪测定，精度 0.1 m/s，清华同方），

湍流取值由经验公式[25-26]估算为 3.8%。出口条件设置为

自由出流，进口处的蒸汽完全由出口流出。固体壁面使

用无滑移条件，采用标准壁面函数法[25]进行修正。

2.3.2 喷嘴结构优化设计

蒸汽速度越大，对流换热系数越高[27-29]，因此漂烫

罐内的蒸汽速度分布会影响漂烫的均匀性。气流分配承

担着优化流场分布，平均分配喷管流速的作用[30]。喷嘴

选用 DN20 的 304 无缝钢管，位于距漂烫罐体最低端

150 mm 处，单独喷嘴结构如图 2 所示。由 Fluent 计算得

出内部流场在 z=0、xoy 面和 y=0.05、xoz 面上的分布（如

图 3 所示）。由图 3 可以看出，单独喷嘴结构时，蒸汽

经过罐体底部向上方运动，形成在 xoy 面逆时针环形流

动。罐内周向速度较大，而中心速度较小。

1.蒸汽管道 2.喷嘴 3.冷凝水出口 4.真空管道 1.Steam pipeline 2. Steam jet 3.Condensate water outlet 4.Vacuum pipeline

图 2 单独喷嘴结构示意图 Fig.2 Schematic diagram of signal jet

注：图 3a 中，z=0；图 3b 中，y=0.05。下同。 Note: In Fig.3a，z=0. In Fig.3b，y=0.05. The same as below.

图 3 单独喷嘴下内部流场分布 Fig.3 Internal flow field with single jet

为增加内部流场均匀性，消除空心现象，在漂烫罐

体底部增加 6 个梯形扰流板，均匀分布在漂烫罐体底部，

结构如图 4 所示。由 Fluent 计算得出内部流场在 z=0、xoy面和 y=0.05、xoz 面上的分布。

1.蒸汽管道 2.喷嘴 3.扰流孔 4.扰流板 5.冷凝水出口 6.真空管道 1.Steam pipeline 2. Steam jet 3.Turbulent flow hole 4.Turbulent flow plate 5.Condensate water outlet 6.Vacuum pipeline

图 4 喷嘴扰流板结构示意图 Fig.4 Schematic diagram of jet and turbulent plate

第 12 期 巨浩羽等：果蔬真空-蒸汽脉动漂烫机的设计与试验

233

图 5 为加扰流板后内部流场分布，由图 5 可以看出，

添加扰流板后，蒸汽经由管路向罐体底部喷出，在通过

下侧扰流板后均匀向上分布，形成在 xoz 面上逆时针方向

的环形流动。罐内速度大小分布相差较小，但仍存在中

心速度较小的情况，而使中心的对流换热系数低于四周。

图 5 加扰流板后内部流场分布

Fig.5 Internal flow field with turbulent flow plate

由以上 2 种情况可知，为了改善中心速度小的现象，

需要在蒸汽出口处产生沿 y=x 向上运动的蒸汽，对经过

漂烫罐返回的蒸汽产生扰流作用，因此需要在喷嘴弯管

处增加扰流孔（如图 4 所示）。扰流孔直径为 10 mm，

截面与水平线呈 45°。由 Fluent 计算得出内部流场在 z=0、xoy 面和 y=0.05、xoz 面上的分布，图 6 为加入扰流板和

扰流孔后内部流场分布。由图 6 可以看出，由于扰流孔

的作用，漂烫内部蒸汽无规律流动，速度大小一致，消

除了空心现象，蒸汽充满了整个漂烫罐，提高了漂烫的

均匀性。3 种情况下，计算结果表明，xoy 面上平均速度

分别为 1.30、0.92 和 0.31 m/s，增加扰流板和扰流孔后增

大了流动阻力，平均速度减小。

图 6 加入扰流板和扰流孔后内部流场分布

Fig.6 Internal flow field with turbulent flow plate and turbulent flow hole

因此真空-蒸汽脉动漂烫机选用增加扰流板和扰流孔

的结构方式。采用等面积法将 z=0、xoy 截面划分为若干

面积相等的小矩形[24]，在各个矩形点的中心测量蒸汽流

速。从截面 x 轴取 3 个点，y 轴取 3 个点，如图 7a 所示。

每个点测量 3 次取平均值。测量结果和计算结果如图 7b所示。结果显示：计算值和实测值基本一致，最大相对

误差为 5.2%。

a. xoy 截面气流速度测量位置点

a. Measurement positions for fluent velocities in plane xoy

b. 计算速度和实测速度大小对比

b. Velocity magnitude comparison between calculated and experimental

图 7 气流速度测量位置点及计算速度和实测速度大小对比 Fig.7 Measurement positions for fluent velocities and velocity

magnitude comparison between calculated and experimental

2.4 控制系统设计

2.4.1 控制系统硬件设计

控制系统用于漂烫机内部温度、压力数据的采集、

显示与控制。主要包括以下模块。 1）主控模块：主要完成信号采样，数据处理以及测

量结果的显示控制等任务。本系统中采用 NXP 公司生产

的 P89V51RD2FN 为核心，完成信号采样、数据处理及

结果显示等任务。 2）A/D 转换模块：本系统中将得到的压力和温度 0～

5 V 模拟量信号经过具有 12 位分辨率的 ADC 芯片

TLC2543 转化为数字量信号。 3）输出控制模块：单片机通过 I/O 引脚结合内部定

时器对固态继电器（浙江欣大电气有限公司，

HHG1-1/032F-28 10Z 型）输入端施加数字信号。固态继

电器输出端再对真空泵、电磁阀以及报警灯进行控制。 4）按钮及显示模块：控制面板中通过按钮来设定真

空蒸汽漂烫次数、真空度、循环次数。工作状态采用

LCD12864 液晶屏显示。 2.4.2 控制系统软件设计

单片机程序使用 C 语言编写，采用模块化程序封装，

主要包括温度、压力数据采集模块、看门狗复位模块、

农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2015 年

234

输出模块以及 LCD12864 显示模块。单片机对采集到的

压力、温度、数据进行中值滤波[31]，能够有效的克服偶

然因素对缓慢变化信号的影响，每隔 2 s 刷新一次数据，

结果表明，测量数据结果稳定。漂烫机的控制系统程序

流程图如图 8 所示。

图 8 真空蒸汽漂烫监控程序流程

Fig.8 Vacuum-steam pulsed blanching program procedure

3 性能验证试验

3.1 试验原料及条件

新鲜百合通常进行漂烫处理来防止百合在加工时发

生酶促褐变[32]。本试验中选用百合为试验原料。新鲜百

合片经过去根、掰片、清洗预处理。 均匀性试验：将料篮按照径向（0.490 m）等分为内、

中、外 3 个区域，和以将料篮延纵向（0.320 m）等分为

3 个区域，区域划分如图 9 所示。分别验证径向方向和纵

向方向均匀性。将百合片放置于 3 个区域中，各区域百

合质量约为(6±0.5) kg。设定真空度 10 kPa，真空时间 5 s，漂烫时间 30 s，循环为 3 次。

图 9 区域划分示意图

Fig.9 Regional division schematic

不同漂烫条件对漂烫效果的影响试验：真空度、漂

烫时间和循环次数的单因素试验，探索三者对漂烫效果

的影响。试验安排如表 3 所示，真空保持时间均为 5 s，蒸汽温度为(120±5)℃。

表 3 单因素试验设计

Table 3 Single factor experiment design 试验序号

Test number 真空度

Vacuum/kPa 漂烫时间

Blanching time/s 循环次数 Cycle time

1 10 20 3

2 10 30 3

3 10 40 3

4 10 50 3

5 10 40 2

6 10 40 4

7 10 40 5

8 15 30 3

9 20 30 3 注：真空保持时间均为 5 s, 蒸汽温度为(120±5)℃ Note: Vacuum keeping time is 5 s , and steam temperature is (120±5) oC

漂烫结束后，分别取 3 个区域中的百合片，取样质

量为(180±5)g。将其放入电加热恒温鼓风干燥箱（上海一

恒科技有限公司）托盘中，于 60℃下干燥至湿基含水率

13%。以漂烫后百合干燥时间以及干燥后的色泽的 L*（明

亮度）、a*（红绿值）、b*（蓝黄值）作为评价指标。其

中色泽采用 SMY-2000SF 型色差仪测定（北京盛名扬科技

开发有限责任公司），每次试验进行 3 次，求取平均值。 3.2 结果与分析

3.2.1 均匀性试验结果分析

真空-蒸汽脉动漂烫内、中、外层和上、中、下位置

百合的干燥水分比MR[33-34]和干燥时间 t曲线如图10所示。

a. 内、中、外层

a. Inner, middle and outside

b.上、中、下层

b. Up, middle and down

图 10 不同部位真空-蒸汽脉动漂烫后干燥曲线 Fig.10 Drying curves of lily slices of different positions with

pulsed vacuum-steam blanching

第 12 期 巨浩羽等：果蔬真空-蒸汽脉动漂烫机的设计与试验

235

漂烫后百合的湿基含水率为 72%±1%（烘干法，105℃，

24 h），由图10可以看出各处百合所需干燥时间均为11 h。这是因为在抽真空后，消除了蒸汽和物料之间的热阻，而

且通入的蒸汽不会冷凝放热。蒸汽可以迅速的进入料篮内

部，充分地和每片百合接触，使百合片均匀升温。此外，

内部蒸汽速度的差异对漂烫均匀性的影响很小，说明加入

扰流孔和扰流板结构能够起到较好效果。 百合经过干燥后的色泽测定结果如表 4 所示。由表 4

可知，真空-蒸汽脉动漂烫干燥后的百合片，各位置处色

泽基本一致。由表 5 可知显著性水平 p 均大于 0.05，色

泽无显著性差异，说明真空脉动蒸汽漂烫可使内外不同

位置的百合在相同的漂烫时间内达到一致的灭酶程度。

表 4 真空-蒸汽脉动漂烫百合片干燥后的色泽 Table 4 Color value of dried lily under clearance cycle steam

vacuum blanching 色泽 Color

内 Inner

中 Middle

外 Outside

上 Up

中 Middle

下 Down

明亮度 Lightness L* 81.08 81.65 82.01 80.34 81.46 81.23

红绿值

Red green a* -0.18 -0.17 -0.17 0.01 -0.21 -0.12

蓝黄值 Blue yellow b* 16.20 15.84 15.63 15.98 15.96 15.74

色差值 Chromatism ΔE 7.78 7.16 6.79 7.96 7.27 7.48

注：新鲜百合初始平均值：明亮度 *0L 、红绿值 *

0a 、蓝黄值 *0b 值分别为 88.67、

0.72 和 14.75. Note: Lightness *

0L , values of red and green *0a , values of blue and yellow *

0b , vales of fresh lily slices are 88.67, 0.72 and 14.75.

表 5 不同位置百合片色泽方差分析表

Table 5 Analysis of variance of color value at different location 色泽 Color

项目 Item

离差平方和 SS

自由度 df

均方差 MS

F F Value

P P Value

组间 4.9281 5 0.9856 2.6024 0.0810

组内 4.5447 12 0.3787 明亮度 Lightness L*

总计 9.4728

组间 0.1048 5 0.0209 0.0515 0.9979

组内 4.9199 12 0.4099 红绿值

Red green a* 总计 5.0247

组间 0.5977 5 0.1195 0.2017 0.9555

组内 7.1121 12 0.5926 蓝黄值 Blue yellow b*

总计 7.7098

组间 4.0210 5 0.8042 1.7089 0.2070

组内 5.6470 12 0.4705 色差值

Chromatism ΔE

总计 9.6680

3.2.2 不同漂烫条件对漂烫效果的影响

不同漂烫条件下百合的干燥时间和色泽结果如表 6所示。由试验 1、2、3、4 可知，干燥时间随着蒸汽时间

先减少后增大，漂烫时间短，不能增加百合片表面水分

的通透性，不利于内部水分迁移，而且色泽变化较大。

漂烫时间长，容易易造成表面失水，使干燥过程出现结

壳现象。由试验 5、2、6、7 可知，干燥时间随着循环次

数呈现先减小后增大。而且循环次数多少同样会引起漂

烫不足和漂烫过度的现象。而由试验 8、2、9 可知，真

空度越低漂烫越充分，干燥时间较短。真空度越高，内部

冷空气或温度较低的蒸汽排出不充分，导致下次通入的蒸

汽和物料传热效率降低，漂烫不完全，干燥时间变长。其

中当真空度为 10 kPa，真空时间为 5 s，漂烫时间为 30 s时，循环 3 次时干燥时间最短，色泽变化较小。

表 6 不同条件漂烫后百合干燥时间和干后的色泽

Table 6 Drying time and color value of lily slice under different blanching condition

试验序号Test

number

干燥时间Drying time/ h

明亮度 Lightness L*

红绿值 Red green a*

蓝黄值 Blue yellow

b*

色差值Chromatism

ΔE 1 12.3 71.22 0.67 22.45 18.07

2 11.7 83.65 -0.33 -0.39 5.18

3 12.0 83.80 -0.39 15.63 5.07

4 13.3 81.71 0.25 16.70 7.24

5 15.0 72.28 1.08 22.98 18.34

6 12.0 81.65 -0.29 16.74 7.37

7 13.0 81.78 -0.29 16.70 7.23

8 12.3 82.06 0.48 15.77 6.69

9 16.0 82.40 0.4 15.70 6.35

4 结 论

本文设计了一种真空-蒸汽脉动漂烫机，主要由真空

系统、蒸汽系统、漂烫罐体以及自动控制系统构成。 1）由 Flent 模拟计算得出，增加扰流板和扰流孔后

内部流场均匀，计算结果和实测结果基本一致，最大相

对误差为 5.2%。 2）自动控制系统可对抽真空度、漂烫时间和循环次

数进行设置和控制，并能实时显示漂烫罐内温度、压力

及工作状态。 3）以漂烫百合为例进行了漂烫机的性能验证试验，

结果表明：真空-蒸汽脉动漂烫均匀性良好，在 60℃热风

干燥条件下时间为 11 h，干后色泽无显著性差异；干燥

时间随漂烫时间和循环次数的增加先减少后增大，随着

真空度的增加而增大。其中当真空度为 10 kPa，真空时

间为 5 s，漂烫时间为 30 s 时，循环 3 次时百合漂烫后的

干燥时间最短，色泽变化较小。 该真空-蒸汽脉动漂烫机提高了装载量和漂烫均匀

性，为其推广应用提供了理论依据和技术支持。

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238

Design and experiment of vacuum-steam pulsed blancher for fruits and vegetables

Ju Haoyu1, Xiao Hongwei1, Fang Xiaoming2, Liu Yanhong1, Zhang WeiPeng1, Cheng Peng1, Gao Zhenjiang1※

(1. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2. Bee Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100093, China)

Abstract: Blanching is an essential thermal processing using hot water or steam to treat fruits and vegetables, which is often carried out prior to the preservation process like drying, canning and freezing. Blanching can effectively inactivate enzymes in products such as polyphenol oxidase (PPO) and peroxidase (POD) enzymes, which cause deterioration reactions, off-flavor and undesirable changes in color. Under the condition of blanching, fruits and vegetables can keep their original colors, flavors and nutritional ingredients. Hot water and steam are by far the most widely used blanching methods. However, the main disadvantage of hot water blanching is that it causes nutritional substances especially sugar, proteins, carbohydrates, vitamins and minerals lost into water because of leaching and diffusion. What’s more, hot water blanching can also cause environmental pollution due to the release of waste water containing considerable amount of nutrients. On the other hand, the main problems of steam blanching are blanching uniformity and small load. It is reported that solid foods are surrounded by thin-layer air and water, and steam cannot pass through these barriers of air and water, which act as insulation against the steam. The nonuniform blanching is possibly due to the existing of thermal resistance between material and steam. The thermal resistance prevents steam from transferring heat to the material. In addition, the steam will be condensed due to the air of low temperature. Considering those reasons, the pulsed vacuum-steam blanching machine is designed. This machine consists of vacuum system, steam system, automatic control system and blanching body system. The cold air and water around the material and useless steam can be wiped out by vacuum system in time. Therefore, thermal resistance is removed and heat can be transferred to material directly. In order to ensure the uniformity of the internal flow field, the flow field of inner blanching body was simulated by computational fluid dynamic (CFD) software Fluent, and the steam jet structure was optimally designed by adding interceptor in the bottom of the blanching body. The result showed that the velocity magnitude seemed to be equivalent and flow filed presented anti-clockwise in the xoz plane. Automatic control system used LCD12864 to show real-time temperature, pressure and working condition in the blanching body and switch the working condition between vacuum and steam blanching regularly through controlling the electromagnetic valve. The median filtering was applied in the control system to eliminate accidental factors which influenced temperature and pressure signal. Lily was adopted to test the performance of pulsed vacuum-steam blanching equipment. One group of experiment was that lily slice was blanched to validate its uniformity and another was single factor experiment designed by pulsed vacuum-steam blanching. In the first group, the drying time tended to be equivalent. It could be concluded that the thermal resistance was removed after the vacuum processing and steam could contact with every piece of lily sufficiently. Additionally, the strategy of adding interceptor in the bottom of the blanching body was feasible. The comparison of color values of dried lily slices also showed the uniformity of pulsed vacuum-steam blanching machine. The single factor experiment results showed that drying time would decrease and then increase as the increment of blanching time and cycle times. Besides, drying time showed a decrease tendency with the decreasing of vacuum degree. In this paper, the designed vacuum-steam pulsed blancher for fruits and vegetables has improved blanching loading capacity and uniformity, which has provided theoretical foundation and technical support for its popularization and application. Key words: mechanization; computational fluid dynamics; design; blanching