3 流態(tài)冰的流動與傳熱特性

3.1 流動特性

流態(tài)冰作為一種流體，在實際運輸中，可流動性是保證進行長途運輸且無堵塞的關(guān)鍵?？紤]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，流動呈現(xiàn)出不同的流態(tài)，基本分為均相流動狀態(tài)（固-液良好混合流動）、非均勻流動狀態(tài)（冰晶和載流流體之間初始分離）、移動床流態(tài)（冰晶在管道上部的初始積聚）、固定床流態(tài)（較小流速導致的填充床層增加）四種類型，隨管道直徑、長度、流體密度、粘度、壁面粗糙度、質(zhì)量分數(shù)及其固體性質(zhì)等變化。此外，流態(tài)冰流動的主要問題之一是由于冰的質(zhì)量和體積分數(shù)的增加而引起的高壓降和摩擦因數(shù)，在高冰體積分數(shù)（φ12%）下，流態(tài)冰的壓力降總體上要高得多，直接導致了剪切增稠行為。

在流體流動工況中，有效的減阻方法能為克服流態(tài)冰流動的壓降、摩擦系數(shù)等問題提供解決方案，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模型可用來描述并提供流動區(qū)域內(nèi)豐富的參數(shù)化信息。國內(nèi)外已有學者針對不同變量：壓降、流速、含冰率、顆粒粒徑、管道種類等開展大量實驗，并采用合適的參數(shù)模型，進一步研究流態(tài)冰的流變行為，對其輸送的安全設(shè)計和運行具有指導意義表2。

3.2 傳熱特性

在流態(tài)冰生成器流動工況（液-固相變）中，熱量通過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力，一般來說，兩者單位時間所交換的熱量與傳熱面積、溫度差成正比。當流體流速慢時呈平流，以傳導傳熱為主，較快時呈紊流，主要為對流傳熱，若要提高其傳熱速率，可考慮通過提高流體流速、溫度、改善壁材等方式適當提高傳熱推動力或降低傳熱阻力。

另一種工況為運輸管中，流態(tài)冰融化時（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不斷融化，而融化會使流態(tài)冰固相體積分數(shù)降低、顆粒直徑減小，因此流態(tài)冰中固體顆粒之間同時具有聚并、破碎和融化作用。由于換熱器/管道不可視化，觀測具體傳熱過程較難，只能利用數(shù)值模擬發(fā)生器內(nèi)的傳熱動態(tài)計算平均換熱系數(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)流動時的熱行為，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、冰體積分數(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)冰的換熱性能強烈依賴于流速和冰質(zhì)量分數(shù)，當在湍流中流動時，熱流密度對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，計算研究了水平方管內(nèi)流態(tài)冰與漁獲物的流動傳熱，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數(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，越來越多的學者通過仿真模擬結(jié)合實驗驗證探究流態(tài)冰的流動和傳熱特性，得出的關(guān)系式和理論基本適用于工程設(shè)計參數(shù)，同時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溫度（0～15℃）的過程。Lin等研究在-1.5°C下用流態(tài)冰預(yù)冷、直接冷凍對琵琶魚肝臟質(zhì)量和微結(jié)構(gòu)的作用，結(jié)果顯示，兩組魚的內(nèi)聚性和耐嚼性等鮮度參數(shù)均呈下降趨勢，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，研究其對新鮮鱈魚片質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)冷可延長樣品從中性期到腐敗期的過程，延長貨架期達17d。同時，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)冰和片冰對澳洲肺魚進行不同時間的前處理后于−20℃條件下貯藏20d，實驗表明，經(jīng)流態(tài)冰處理的魚體蛋白質(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)合對金鯧魚的冷凍速度和質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)在流態(tài)冰中進行預(yù)冷有助于提高后續(xù)冷凍過程的冷凍速度，并且用1.7m/s的冷媒在-100°C下連續(xù)冷凍，是保持冷凍金鯧魚質(zhì)量的最有效方法。這兩種方法也為食品市場中水產(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等比較了比目魚在流態(tài)冰或片冰中的生化、微生物學反應(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)冰作用于金槍魚品質(zhì)的影響，經(jīng)處理后發(fā)現(xiàn)魚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。以碎冰為對照，張皖君等分析了3種冰藏處理后鱸魚中微生物等的變化規(guī)律，其中流態(tài)冰可有效抑制鱸魚中ATP降解、抑制微生物生長；藍蔚青等發(fā)現(xiàn)經(jīng)流態(tài)冰處理后的南美白對蝦樣品的彈性、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，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，能夠在較長時間內(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）過程中的壓力會對肉質(zhì)有明顯影響，死亡前掙扎會縮短肌肉細胞的壽命。所以需對水產(chǎn)品進行快速屠宰，使敏感性和意識的迅速喪失，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)，在鯖魚暈眩無意識情況下，可誘發(fā)死亡、改善鯖魚的肉質(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體死亡后的質(zhì)量變化，前者減少了魚完全凍結(jié)所需的時間；但是使用最低溫度（-2.2℃）時出現(xiàn)了眼睛混濁，導致外觀的劣變。直接使用流態(tài)冰進行致死，大大降低了魚類的商業(yè)價值。基于上述原因，Lopez-Canovas等使用不同類型的冰結(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、屠宰和冷藏過程中使用的冰包埋精油技術(shù)兼容，可有效降低宰殺時的應(yīng)激水平，獲得質(zhì)量更高、保質(zhì)期更長的鮮魚。顯然，選擇單一的流態(tài)冰殺死魚類是不值得推薦的，對水產(chǎn)品質(zhì)地有負面影響，但可以確定冰浴的最佳溫度范圍，再結(jié)合其他恰當?shù)脑讱⒎绞絹磉M行處理。

4.4 船載車載運輸中的應(yīng)用

水產(chǎn)品自捕撈后，經(jīng)歷一系列的轉(zhuǎn)運流程到達售賣市場，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)在船載車載中的水產(chǎn)品保鮮技術(shù)顯得尤為重要。Yuan等將魷魚貯藏在40r/min、−4℃的搖床中，使用動態(tài)流態(tài)冰模擬船上保鮮魷魚的效果，結(jié)果顯示，相對于冰水混合、碎冰與冰箱組，流態(tài)冰能顯著減緩魷魚的腐敗變質(zhì)速率，滿足魷魚遠洋運輸?shù)囊蟆uidobro等在船上用流態(tài)冰加工深水粉紅蝦并觀察對品質(zhì)的影響，不僅減緩了pH的升高和微生物的生長，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型的原料時。

4.5 流態(tài)冰復合型保鮮技術(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，有實驗研究將流態(tài)冰和不同的添加劑相結(jié)合，以達到更優(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）處理對鱸魚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)冰對白鯧魚品質(zhì)特性的影響，結(jié)果表明，白鯧魚的TVB-N值和TBARS值升高，抑菌流態(tài)冰能夠促進魚肉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)合前后對大菱鲆保鮮效果進行對比，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，延長了食品貨架期。然而在研究實驗中，雖然發(fā)現(xiàn)流態(tài)冰復合保鮮效果優(yōu)于單一流態(tài)冰，但是在水產(chǎn)品實際保鮮應(yīng)用中，選擇對其無害的抗氧化劑、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)，在未來具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ虼?，越來越多的企業(yè)和研究團隊爭相開發(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，其存在的問題也不容忽視。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影響水產(chǎn)品的冷藏與保鮮效果，利用動態(tài)法制取的流態(tài)冰在流動性、粒徑大小和穩(wěn)定性等方面也存在差異，實際應(yīng)用時需根據(jù)產(chǎn)品的需求來選擇不同的流態(tài)冰。對于水產(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)合使用過冷水法一體化制冰裝置制取流態(tài)冰，實現(xiàn)深海遠洋漁船上連續(xù)動態(tài)制冰和就地保鮮。

（2）流態(tài)冰保鮮技術(shù)中，流態(tài)冰的殺菌機理起著重要作用，未來在制冰系統(tǒng)中可更換蓄冰溶液的類型：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)品可達到高效抑菌效果。

（3）刮削法和過冷法是流態(tài)冰制取的常用技術(shù)，產(chǎn)冰中會出現(xiàn)機損、易冰堵、效率低等問題，脈沖電場、電子輻射、磁場、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)用報道。

（4）對于遠洋漁業(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，運用于遠洋漁船，并于后期運輸、貯藏中建立無損-感應(yīng)檢測系統(tǒng)，實時監(jiān)控水產(chǎn)品的鮮度變化、提高安全性。

新時代新追求，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)用的開拓，既能響應(yīng)國家的創(chuàng)新、綠色發(fā)展理念，又對國家的能源節(jié)約、經(jīng)濟效益提高有著深遠意義，成為未來不斷探索的必然趨勢。

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