3 流态冰的流态流动与传热特性

3.1 流动特性

流态冰作为一种流体，在实际运输中，冰制可流动性是取技其水保证进行长途运输且无堵塞的关键。考虑到流态冰在管道中表现为固-液流的术及流型，冰晶存在浮力作用，产品流动呈现出不同的用的研究流态，基本分为均相流动状态（固-液良好混合流动）、进展非均匀流动状态（冰晶和载流流体之间初始分离）、流态移动床流态（冰晶在管道上部的冰制初始积聚）、固定床流态（较小流速导致的取技其水填充床层增加）四种类型，随管道直径、术及长度、产品流体密度、用的研究粘度、进展壁面粗糙度、流态质量分数及其固体性质等变化。此外，流态冰流动的主要问题之一是由于冰的质量和体积分数的增加而引起的高压降和摩擦因数，在高冰体积分数（φ12%）下，流态冰的压力降总体上要高得多，直接导致了剪切增稠行为。

在流体流动工况中，有效的减阻方法能为克服流态冰流动的压降、摩擦系数等问题提供解决方案，加入少量的添加剂或改变管道的几何形状，从而降低流体的湍流表面摩擦。Ostwald-deWaele模型、Bingham模型、Casson模型、Herschel-Bulkley模型、Papanastastiou模型可用来描述并提供流动区域内丰富的参数化信息。国内外已有学者针对不同变量：压降、流速、含冰率、颗粒粒径、管道种类等开展大量实验，并采用合适的参数模型，进一步研究流态冰的流变行为，对其输送的安全设计和运行具有指导意义表2。

3.2 传热特性

在流态冰生成器流动工况（液-固相变）中，热量通过两股流体间的传热面（单位m2）传递，冷、热流体之间存在的温度差即为热量传递的推动力，一般来说，两者单位时间所交换的热量与传热面积、温度差成正比。当流体流速慢时呈平流，以传导传热为主，较快时呈紊流，主要为对流传热，若要提高其传热速率，可考虑通过提高流体流速、温度、改善壁材等方式适当提高传热推动力或降低传热阻力。

另一种工况为运输管中，流态冰融化时（固-液相变）的传热特性，管壁的热量先传递到液相，使液相温度升高，随后液相将热量再传递给固相，使固相颗粒随着流动不断融化，而融化会使流态冰固相体积分数降低、颗粒直径减小，因此流态冰中固体颗粒之间同时具有聚并、破碎和融化作用。由于换热器/管道不可视化，观测具体传热过程较难，只能利用数值模拟发生器内的传热动态计算平均换热系数。Onokoko等用数值方法研究了乙烯-乙醇-水流态冰在管内流动时的热行为，得到了熔化传热特性，包括传热系数的轴向分布、体壁温度、冰体积分数和熔化速度，均与非熔融流的相应分布有显著差异。Li等利用CFD软件模拟紊流和湍流态下的传热，发现流态冰的换热性能强烈依赖于流速和冰质量分数，当在湍流中流动时，热流密度对Nuis值的影响很小。赵新颖等采用用粒子流与传热传质模型相结合的方法，计算研究了水平方管内流态冰与渔获物的流动传热，得知影响冰与渔获物表面传热的关键是冰颗粒的分布，随着冰颗粒入口体积分数的提高，渔获物上表面与侧面的热通量整体有所增大且分布均匀。

目前，越来越多的学者通过仿真模拟结合实验验证探究流态冰的流动和传热特性，得出的关系式和理论基本适用于工程设计参数，同时也可考虑将研究不同制冰器或管道局部特性的数群模型结合并优化，进一步提高工艺精度要求。

4 流态冰在水产品中的研究

4.1 预冷作用

流态冰具有较大的传热面积和热传递能力，降温速率快，因此常用于水产品的预冷，提高后续的生产加工效率。流态冰预冷是指水产品在冻结、冷藏、贮运等操作前，使用流态冰将其从初始温度（30℃左右）迅速降至所需要的终点温度（0～15℃）的过程。Lin等研究在-1.5°C下用流态冰预冷、直接冷冻对琵琶鱼肝脏质量和微结构的作用，结果显示，两组鱼的内聚性和耐嚼性等鲜度参数均呈下降趋势，但前者较为缓慢，可延迟样品的组织损伤。高红岩等将流态冰预冷与冰温贮藏相结合，研究其对新鲜鳕鱼片质量的影响，发现预冷可延长样品从中性期到腐败期的过程，延长货架期达17d。同时，研究表明，将预冷前处理与冷冻叠加作用于水产品，保鲜效果更明显。Zakhariya等分别用流态冰和片冰对澳洲肺鱼进行不同时间的前处理后于−20℃条件下贮藏20d，实验表明，经流态冰处理的鱼体蛋白质含量、水分含量均高于片冰组，TVB-N、pH及活菌数低于片冰处理组，可看出流态冰能有效维持水产品的新鲜品质。Zhao等研究了在冰箱（5℃）或流态冰（0℃）中的预冷与冻结相结合对金鲳鱼的冷冻速度和质量的影响，发现在流态冰中进行预冷有助于提高后续冷冻过程的冷冻速度，并且用1.7m/s的冷媒在-100°C下连续冷冻，是保持冷冻金鲳鱼质量的最有效方法。这两种方法也为食品市场中水产品的前处理加工提供了参考。

4.2 贮藏保鲜作用

流态冰将产品温度控制在零度以下，以较低温度减缓蛋白质、脂质氧化。Rodriguez等比较了比目鱼在流态冰或片冰中的生化、微生物学反应。结果表明，使用前者贮存明显降低了核苷酸降解、脂质氧化速率，比目鱼肌肉的部分高分子量蛋白质保持良好的稳定性。Zhang等探究了流态冰作用于金枪鱼品质的影响，经处理后发现鱼肌肉中的肌原纤维蛋白、Ca2+-ATPase活性和总巯基含量均高于空白和片状样品。此外，流态冰相较于碎冰保鲜可明显降低水产品的腐败速度，保持其原有的鲜度。以碎冰为对照，张皖君等分析了3种冰藏处理后鲈鱼中微生物等的变化规律，其中流态冰可有效抑制鲈鱼中ATP降解、抑制微生物生长；蓝蔚青等发现经流态冰处理后的南美白对虾样品的弹性、咀嚼性、TVB-N含量、TBARS值与菌落总数始终维持在较低水平，品质明显均优于碎冰处理组。显而易见，基于流态冰冰晶的物理特性，使得在贮藏情况下水产品的保鲜效果明显优于传统冰，降低水产品受到的污染以及破坏程度，能够在较长时间内保持水产品品质。

4.3 冷致死作用

通常，海上渔业捕捞水产品后，收获和屠宰（刺杀、击昏）过程中的压力会对肉质有明显影响，死亡前挣扎会缩短肌肉细胞的寿命。所以需对水产品进行快速屠宰，使敏感性和意识的迅速丧失，保证水产品产量和品质的最大化。Anders等将鲭鱼持续击昏（5s）并在流态冰中冷却6min，研究发现，在鲭鱼晕眩无意识情况下，可诱发死亡、改善鲭鱼的肉质。Huidobro等分别将金头鲷浸泡在流态冰浴、冰水中，并观察在两组情况下鱼体死亡后的质量变化，前者减少了鱼完全冻结所需的时间；但是使用最低温度（-2.2℃）时出现了眼睛混浊，导致外观的劣变。直接使用流态冰进行致死，大大降低了鱼类的商业价值。基于上述原因，Lopez-Canovas等使用不同类型的冰结合丁香精油（CEO），并封装在β-环糊精（β-CD）纳米胶囊中以调整金头鲷的致死条件，结果表明，该方法与目前冷冻、屠宰和冷藏过程中使用的冰包埋精油技术兼容，可有效降低宰杀时的应激水平，获得质量更高、保质期更长的鲜鱼。显然，选择单一的流态冰杀死鱼类是不值得推荐的，对水产品质地有负面影响，但可以确定冰浴的最佳温度范围，再结合其他恰当的宰杀方式来进行处理。

4.4 船载车载运输中的应用

水产品自捕捞后，经历一系列的转运流程到达售卖市场，期间受到各种环境因素（摩擦、撞击和温度变化等）的影响，这些因素均有可能导致水产品发生不同程度的腐败变质、出现异味等不良现象。因此，研发在船载车载中的水产品保鲜技术显得尤为重要。Yuan等将鱿鱼贮藏在40r/min、−4℃的摇床中，使用动态流态冰模拟船上保鲜鱿鱼的效果，结果显示，相对于冰水混合、碎冰与冰箱组，流态冰能显著减缓鱿鱼的腐败变质速率，满足鱿鱼远洋运输的要求。Huidobro等在船上用流态冰加工深水粉红虾并观察对品质的影响，不仅减缓了pH的升高和微生物的生长，质地也发生很小的变化。研究表明渔船上使用流态冰优于传统冰，尤其适用于将虾用作需要去除甲壳加工类型的原料时。

4.5 流态冰复合型保鲜技术探究

目前，为了将水产品在贮存中受到的损伤降到最低，有实验研究将流态冰和不同的添加剂相结合，以达到更优异的保鲜效果。在结合抗氧化剂方面，施源德等利用响应面法的中心组合试验确定流态冰最佳配方，研究表明，在−4℃下配制的0.25%茶多酚、0.2%二氧化硅、3%氯化钠的茶多酚流态冰能有效抑制鲭鱼中挥发性盐基氮和组胺的产生。张皖君等比较了使用流态冰、竹叶抗氧化物流态冰（AOB-SI）、迷迭香提取物流态冰（RE-SI）处理对鲈鱼贮藏期间抗氧化活性及微生物作用效果，结果表明，AOB-SI与RE-SI处理组较于SI组可明显延缓鲈鱼样品的POV值、MDA值和FFA值的升高，以及蛋白质氧化和微生物的生长繁殖。在结合抗菌剂方面，冯家敏等采用流态冰结合防黑变剂等探索南美白对虾的鲜度保持和黑变现象抑制方法，发现流态冰与4-HR或植酸钠、ClO2混合保鲜对虾仅头部轻微褐变，肌肉紧密有弹性。黄利华等研究了ClO2、乳酸链球菌素（Nisin）和二甲基二碳酸盐（DMDC）抑菌流态冰对白鲳鱼品质特性的影响，结果表明，白鲳鱼的TVB-N值和TBARS值升高，抑菌流态冰能够促进鱼肉pH、硬度、弹性和色度等的稳定性。Campos等将流态冰和臭氧结合前后对大菱鲆保鲜效果进行对比，发现臭氧流态冰抑制脂肪水解及氧化反应等方面的效果比流态冰突出，延长了食品货架期。然而在研究实验中，虽然发现流态冰复合保鲜效果优于单一流态冰，但是在水产品实际保鲜应用中，选择对其无害的抗氧化剂、抗菌剂及浓度比例是值得以后的研究者深入探讨的。

5 流态冰技术的应用前景

流态冰作为一种快速冷却水产品的蓄冷新技术，在未来具有巨大的发展潜力，因此，越来越多的企业和研究团队争相开发创新，并积极地向着更深层次的领域推广应用。在流态冰成为重要研究方向的同时，其存在的问题也不容忽视。制取流态冰的温度、盐度以及形成冰晶后的含冰率等都会影响水产品的冷藏与保鲜效果，利用动态法制取的流态冰在流动性、粒径大小和稳定性等方面也存在差异，实际应用时需根据产品的需求来选择不同的流态冰。对于水产品的研究方向可以沿着以下几方面发展：

（1）规模化生产流态冰，并直接用于水产品中是降低水产品损失率、提高新鲜品质的有效途径。地球淡水资源有限，而海水资源丰富且易得，利用海水作为制冰溶液，可结合使用过冷水法一体化制冰装置制取流态冰，实现深海远洋渔船上连续动态制冰和就地保鲜。

（2）流态冰保鲜技术中，流态冰的杀菌机理起着重要作用，未来在制冰系统中可更换蓄冰溶液的类型：电解水或低温等离子体活化水等，将其制冰后作用于水产品可达到高效抑菌效果。

（3）刮削法和过冷法是流态冰制取的常用技术，产冰中会出现机损、易冰堵、效率低等问题，脉冲电场、电子辐射、磁场、超声波辅助促核成冰成为一种可行性方案。目前已有超声辅助制冰等应用报道。

（4）对于远洋渔业捕捞后的渔获物，可考虑使用流态冰喷淋-输送带的装置，运用于远洋渔船，并于后期运输、贮藏中建立无损-感应检测系统，实时监控水产品的鲜度变化、提高安全性。

新时代新追求，流态冰作为新型的绿色保鲜介质，其制取技术的研发、工程应用的开拓，既能响应国家的创新、绿色发展理念，又对国家的能源节约、经济效益提高有着深远意义，成为未来不断探索的必然趋势。

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