《Journal of Food Engineering》：Vacuum Cooling of Leafy Vegetables: Model, Validation and Optimization
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真空预冷过程的多目标优化研究，通过整合数值模拟与遗传算法，构建了适用于中国花椰菜的伪三维热质传递模型，优化了抽速与终温参数，在保证低温均匀性的同时减少重量损失，验证误差低于7%，为工业设计提供了高效框架。
Mingxuan Huang|Li Wang|Fanchen Kong|Changqing Tian|Wencong Shao|Jianxun Zhao|Huiming Zou
中国科学院物理化学技术研究所，北京 100190，中国
摘要
真空冷却过程涉及多目标优化。实验方法需要大量的试验，且优化效率较低。为了解决实验方法耗时长和优化效率低的问题，本研究将数值模拟与遗传算法相结合，以优化菜心的冷却过程。开发并验证了一个伪三维热质传递模型，该模型与实验数据高度吻合。利用响应面方法和遗传算法，优化了冷却过程，以实现冷却时间与重量损失和温度均匀性之间的平衡。结果确定了最佳泵送速度为 0.0028 m3/s，最终叶片温度为 2.55°C。验证表明预测误差低于 7%。这种集成方法有效解决了冷却效率与产品质量之间的权衡，为工业过程设计提供了可靠的框架。
引言
作为冷链的基础步骤，预冷可以有效去除田间热量，降低采后呼吸作用和蒸腾速率，抑制微生物生长，并延缓运输、储存和销售过程中的品质下降（Badia-Melis 等，2018；Duan 等，2020；Han 等，2021）。与强制风冷、水冷和冰冷等传统方法相比，这些方法主要依赖对流和传导传热，真空预冷具有更高的效率，并降低了产品变质的风险（Dai 等，2022b）。通过利用水蒸发的潜热（Zhu 等，2019a），真空冷却在效率、节能和卫生方面具有显著优势（Pyatkovskyy 等，2021）。这种方法特别适合具有多孔结构和高水分含量的叶类蔬菜。然而，由于该机制依赖于蒸发产品自身的水分来去除显热（Zhu 等，2021），因此可能会出现水分损失和温度分布不均等问题。水分损失会负面影响产品质量，而温度不均匀可能导致冷害（Dai 等，2022b；Zhu 等，2019b）或形成局部热点。研究表明，这些问题目前限制了真空预冷在叶类蔬菜中的商业应用。因此，深入理解热质传递机制并确定最佳工艺参数对于精确控制冷却性能至关重要。
已在不同操作条件下对多种蔬菜进行了实验研究（Zhu 等，2019a）。例如，Ozturk（Ozturk 和 Ozturk，2009）研究了不同最终真空压力对冰山生菜冷却性能的影响，发现 0.7 kPa 的冷却时间比 1 kPa 快 220 秒，但重量损失增加了 0.28%。同样，He 等（He 等，2004）指出，控制压力降低速率可以减轻冰山生菜的细胞损伤。Zhu 等（Zhu 等，2021）使用小白菜作为测试材料，比较了三种不同的压力降低速率：快速、中等和缓慢。他们得出结论，适当降低压力降低速率有助于提高温度均匀性。同时，为了准确描述真空预冷过程中的热质传递，已经开发了大量的数值建模方法（Zhu 等，2019b）。Dai 等（Dai 等，2022a）提出了一个针对香菇的模型，该模型考虑了相间非平衡现象，显著提高了模型的准确性。然而，该模型更适用于三维产品；对于结构较薄的叶类蔬菜，热质传递主要发生在平面上，沿厚度方向的影响可以忽略不计。其他研究关注了几何变化；例如，Dai 等（Dai 等，2022b；Gao 等，2025）分别通过考虑几何收缩改善了草莓和菠菜的模拟真实性。此外，Huang 等（Huang 等，2021）模拟了压力降低速率对圆柱形蔬菜的影响。尽管取得了这些进展，但仅依赖实验既耗时又费力。此外，这类研究通常依赖于试错或离散参数组合，无法实现智能的多目标优化。此外，当前的模拟研究主要关注提高模型的真实性以反映物理条件，仅使用实验数据进行验证而非优化。这种对准确性的追求往往导致模型变得越来越复杂，不利于工业规模放大。因此，将数值模型与多目标优化策略相结合仍存在显著差距。弥合这一差距将减少实验工作量，并允许探索更广泛的设计空间，确定平衡冷却效率与水分保持的最佳参数——这是推进叶类蔬菜真空预冷技术发展的一个有前景的方向。
叶类蔬菜由于其较大的比表面积和高水分含量，非常适合真空预冷（Garrido 等，2015；Mahato 等，2019）。针对上述研究空白，本研究选择了中国小花椰菜（Brassica rapa ssp. Parachinensis，也称为菜心）作为研究对象，并提出了一个“实验-模拟-优化”框架来优化工艺参数。该框架可以作为工业控制的参考。具体目标如下：
(1)研究了不同压力降低速率和最终叶片温度下菜心在真空冷却过程中的热质传递。
(2)开发了一个基于实验数据的菜心伪三维数值模拟模型，并对其进行了验证。
(3)采用响应面方法（RSM）分析了不同压力降低速率和最终叶片温度对冷却时间、重量损失、温度均匀性和叶柄温度的影响。然后利用遗传算法优化压力降低速率和最终叶片温度。将优化后的参数输入模拟模型进行预测和验证，最终确定了菜心的最佳真空预冷条件。
部分内容摘录
样品材料和设备
从中国廊坊的侯河农贸市场精心挑选了重量、体积和尺寸相似的菜心（中国小花椰菜）样品。所有蔬菜在收获后两小时内进行了冷却。实验装置包括真空室、真空泵、制冷系统、变频器、压力控制器、电磁阀和数据采集单元。
一台旋转叶片真空泵（2XZ-4，上海真空泵厂有限公司，上海，中国）
模型描述和假设
蔬菜的真空预冷过程主要分为两个阶段。在第一阶段，真空室内的压力相对较高，导致冷却速率较低，重量损失可以忽略不计。在此阶段，热量传递主要通过对流和蒸腾作用进行（Wang 等，2020）。当腔室压力降至水的沸点以下时，第二阶段开始，蔬菜内的水分达到沸点并开始快速蒸发。
压力变化和验证
为了验证模型的准确性并减少验证所需时间，选择了三种代表性的工作条件进行验证：(0.004 m3/s, 3°C)、(0.0032 m3/s, 1°C) 和 (0.0024 m3/s, 2°C)，相应的冷却时间分别为 450 秒、608 秒和 690 秒。图 4 显示了这三种条件下的模拟压力变化曲线。模拟压力曲线与实际压力曲线之间的拟合效果良好，R2 值分别为 0.997、0.991
结论
开发了一个菜心的伪三维数学模拟模型，用于研究真空预冷过程中的热质传递。进行了相应的实验，并分析了实验数据和模拟数据。研究揭示了在不同泵送速度和最终叶片温度下，叶类蔬菜在预冷过程中的温度分布、质量变化、蒸发率和水分浓度的动态变化。
CRediT 作者贡献声明
Li Wang：撰写 – 审稿与编辑、方法论、概念化。Mingxuan Huang：撰写 – 原始草稿、方法论、概念化。Jianxun Zhao：撰写 – 审稿与编辑。Wencong Shao：撰写 – 审稿与编辑。Changqing Tian：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取。Fanchen Kong：撰写 – 审稿与编辑、方法论。Huiming Zou：监督、项目管理
利益冲突
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢 国家重点研发计划（编号：2023YFD2001300）的财政支持。
