Construction of mathematical model for heat and mass transfer of Chinese cooking

中式烹饪是中国传统食品技术的核心内容之一,2010年烹饪消费金额在3.0万亿元以上。烹饪产业出现快速发展局面,急需基础研究。通过解析烹饪过程,认为典型中式烹饪是开放容器中流体－颗粒食品的传热、传质、相对运动和品质变化过程,过程传递-反应动力学-食品品质变化是烹饪的核心原理。针对典型烹饪过程中热源→容器→液体→食品颗粒传热,通过热质平衡建立了烹饪过程中热/质传递的代表性控制方程组,其中针对烹饪中的液体-颗粒建立了热/质传递的多相多孔介质模型。上述方程组可以应用于烹饪过程的控制参数分析、烹饪传热现象解释、品质动力学计算。在此基础上,总结了烹饪热/质传递的一些最基本特征。     

考虑收缩的爆炒热/质传递过程模拟与验证

为研究爆炒中食品多孔介质热/质传递机制及烹饪成熟和品质变化规律，考虑收缩-水分损失关系，基于多孔介质理论，结合傅里叶定律、牛顿冷却定律和达西定律，构建了爆炒中有蒸发、考虑收缩的食品含湿非饱和多孔介质热/质传递数学模型，开展了爆炒数值模拟。考虑收缩后模拟值与实测温度历史（Least Summation of the squared Temperature Difference for overall target，LSTD=4.40 ℃）、平均含水率（LSTD=1.42%）和体积收缩率（LSTD=1.05%）吻合更为良好。模拟分析了爆炒热/质传递对颗粒表面蒸发、收缩、内部压力、水分和温度分布的影响机理及火候控制手段的作用，结果表明：爆炒强对流传热使颗粒蒸发剧烈造成水分损失；收缩主要由水分损失引起，可以增大传热效率并影响颗粒内部压力变化，由成熟值理论研判，蒸发收缩对烹饪成熟起到促进作用，并有利于提高烹饪品质，是爆炒技术优势的一部分；火候控制手段通过改变颗粒特征尺寸、能量传递速率和流体-颗粒的换热时间/接触面积对颗粒成熟时间和含水率等烹饪品质产生极显著（P<0.01）影响。     

液体-颗粒食品无菌工艺的研究进展

液体-颗粒食品无菌工艺试图将超高温杀菌工艺应用于固体食品，其主要特征是使用刮板表面换热器和保温管，目前远未发展到技术成熟的水平。该工艺具有处理传统中式餐桌食品的潜力，可能在未来发展为我国食品科学研究的热点。液体-颗粒传热学的实验和预测方法——颗粒温度时间关系的实验测量、无因次关系理论预测颗粒流体传热膜系数，作为建立致死率和品质保持的数学模型的基础，是液体-颗粒食品的无菌工艺的关键技术之一。由于Ball法作为传统的杀菌工艺评价方法不适用于液体-颗粒食品无菌工艺，一些新的杀菌工艺效果评价模型和实验验证方法发展起来。该论文概述了液体-颗粒食品无菌工艺的基本原理、传热学、主要效果评价模型、评价实验方法以及工艺优化所采用的目标函数和限制函数。     

烹饪过程动力学函数、优化模型及火候定义

为揭示烹饪的内在技术原理,在烹饪过程原理之上开展了深入的动力学分析。由于烹饪的非稳态特性,可以用蒸煮值等动力学参数来描述烹饪过程的食品品质变化,并认为烹饪的技术关键是使原料在达到成熟的同时过热最小,由此提出和定义了新的动力学函数——成熟值和过热值,分析了不同空间位置的成熟值和过热值,均给出了数学表达式。同时建立了以过热值为目标函数、成熟值为约束函数、传热条件为优化变量的烹饪优化数学模型。得到烹饪的广义火候定义:烹饪过程中使菜肴品质达到最优的一切温度控制手段;以及动力学定义:在菜肴的蒸煮值达到成熟值的同时使得过热值最小的烹饪操作。分析表明,烹饪过程是由一系列控制方程和参数决定的,是有规律的、可控的。     

仓内稻谷干燥的多尺度多层结构热质传递模拟及试验

为研究仓内稻谷干燥的热质传递机理,确定稻谷颗粒内部不同组织结构特性对干燥过程的影响,以仓内稻谷堆为研究对象,针对谷粒的多层结构问题,运用多尺度理论、热质传递原理和孔道网络方法等知识,建立了仓内稻谷热风干燥的多尺度多层结构热质传递模型,并进行了稻谷堆热风干燥试验,模拟分析了仓内稻谷的干基含水率、温度分布以及孔隙汽相的温度分布等情况。结果表明:建立的热质传递模型可有效模拟仓内稻谷干燥过程,干燥器尺度下仓内稻谷的平均干基含水率的模拟值与试验值的最大相对误差为7.6%,颗粒尺度下单颗粒稻谷干基含水率的模拟值与试验值的最大相对误差约为6.8%;稻谷颗粒内部传热比传质速率快,颗粒内存在较大的水分梯度。稻谷胚扩散系数对干燥的影响较大,其次是稻谷壳扩散系数,稻谷衣扩散系数影响最小。研究结果为稻谷就仓干燥的品质及工艺分析提供了理论基础。     

中式烹饪用时间温度积分器的构建与验证

蛋白质变性能够较广泛地表征烹饪加热品质变化,因而寻找到一种z值为7.36℃的耐高温α-淀粉酶,与蛋白质热变性z值5~10℃相近。以该酶溶液为指示剂,在玻璃毛细管中封装后置入烹饪耐受性高的、特定形状的魔芋凝胶(g-KGM)载体,从而构建了烹饪研究用时间温度积分器(time temperature integrators,TTIs)装置。随后,在模拟烹饪过程而设定的对流传热条件下,通过传热学试验结合非稳态传热以及酶失活动力学数学模型计算得到剩余酶活,与TTIs装置指示剂酶活实测值比较,两者误差小于2.24%。进一步,应用该TTIs装置测定了实际烹饪爆炒过程的表面换热系数。所构建的TTIs装置,结合数值模拟,可以分析测量常规试验传热学方法无法应用的激烈烹饪中流体-颗粒的传热过程,也可应用于其他领域的移动颗粒传热学研究。     

炒的烹饪过程数值模拟与优化及其技术特征和参数的分析

基于中式烹饪代表性操作—炒的数值模拟,以对流加热介质温度为优化变量、以终点成熟值为约束条件、以过热值为目标函数,根据烹饪特征,确定成熟品质因子和过热品质因子,由文献确定其优化动力学参数,通过Matlab编程对典型条件下的肉类爆炒烹饪过程的进行数值优化。结果表明:存在使得烹饪过热值最小的对流加热介质温度,从原理上解释了中式烹饪采用小体积颗粒和预热多量油脂的方法是合理的。同时,在成熟值理论基础之上,对炒工艺进行了传热学和动力学的数值模拟和分析。分析了炒与煮、蒸的区别,以及刀工和搅拌对烹饪的作用。提出了影响炒工艺的主要技术参数,包括油脂预热时间、烹饪功率、油料比等,并初步解释了这些参数影响烹饪品质的原理。     

枸杞真空冷冻干燥动力学的数值模拟及分析

为探究枸杞真空冷冻干燥过程中的热质迁移,克服应力应变现象不能直观获取的问题,该研究通过对鲜枸杞切片试验图像二值化处理,建立了鲜枸杞真空冷冻干燥的热-质-结构耦合的物理模型,对真空冷冻干燥过程中枸杞温度变化、水分变化以及其内部的应力应变进行了热-质-力耦合分析,并对分析结果进行试验验证。模拟分析结果表明,预冻结过程中,细胞始终在膨胀,当细胞完全冻结时细胞所受应力达到最大,而干燥阶段热质传递对应力影响较小。提高真空冷冻干燥过程中的升温速率,在一定程度上能够缩短冻干所需时间,并且真空冷冻干燥过程中的枸杞样本的含水率下降速率随干燥时间的增大而减小,该变化趋势与Wang and Singh模型更加贴合(R²为0.983)。试验验证结果表明,该研究建立的模型能够较好反映并预测真空冷冻干燥过程枸杞样本的温度及应力应变的变化趋势(R²为0.857)。研究结果可为真空冷冻干燥系统优化和工艺参数的科学制定提供参考。     

生物多孔介质热风干燥数学模型及数值模拟

为了研究生物多孔介质在热风干燥过程中的热质传递机理以及其内部应力应变分布规律,根据生物多孔介质中温度、水分及应力之间复杂的耦合关系,基于菲克扩散定律、傅立叶导热定律和热弹性力学理论,建立了对流干燥条件下,含湿多孔介质内部传热传质过程热-湿-力双向耦合的数学模型。采用有限差分法编制相应的计算程序,对其进行数值计算,数值结果与马铃薯和胡萝卜对流干燥试验结果之间的相对误差均小于5%;进一步分析了干燥特性曲线,以及温度、干基含水率和应力应变的时空分布;最后分析了风温、风速等干燥条件以及多孔介质厚度对干燥过程的影响,结果表明:在一定试验条件下,风温越高,风速越大,切片厚度越薄,干燥时间越短。研究为改善生物多孔介质热质传递现象物理机理的理解提供参考。     

恒温下相对湿度对果蔬热风干燥特性和品质的影响及调控

相对湿度作为干燥介质的重要参数，对干燥热质传质过程和干燥品质具有显著影响。但由于相对湿度对干燥过程的影响机理及优化调控机制尚不明确，导致相对湿度的调控方式多依靠经验，造成干燥效率低、品质差、能耗高等问题。对于传质过程，降低相对湿度能够增大对流传质系数，加快物料表面水分蒸发；而对于传热过程，升高相对湿度能够增大对流传热系数，加快物料升温速率。相对湿度较高时，物料升温速率快，内部水分迁移量增大，但表面水分蒸发量较小；而当相对湿度较低时，物料升温速率较慢，内部水分迁移量较小，但表面水分蒸发量较大。相对传热和传质过程的影响此消彼长，互相耦合。高相对湿度主要体现为对传热过程的影响，低相对湿度主要体现为对传质过程的影响。高相对湿度能够抑制物料表面的结壳，并能够提高复水性，降低收缩率。阶段降湿及多阶段降湿干燥方式下物料表面形成和保持了蜂窝状多孔结构，能够提高干燥效率和品质。基于监测物料温度的相对湿度调控方式被验证为较忧的相对湿度控制方式。阶段降湿干燥方式适用性的实质为：干燥过程中所体现出的对流传热热阻和内部导热热阻的相对大小，及对流传质阻力和内部传质阻力的相对大小，不同干燥条件和物料种类、厚度会影响以上传热传质阻力的大小，从而呈现出不同适应性的结果。当阶段降湿干燥过程中传热毕渥数>1且传热毕渥数>0.1时，说明阶段降湿干燥过程适用于此物料的干燥。该文综合论述了相对湿度对果蔬热风干燥过程中热质传递及干燥品质的影响，优化调控策略及适用性范围4个方面内容，明确了果蔬热风干燥过程中相对湿度的影响机理，为相对湿度的优化调控提供理论依据和技术支持。     

姬松茸多糖提取工艺的优化

对姬松茸子实体多糖提取的工艺条件中的多糖提取温度、提取时间、浸提液pH值3因子的最优化组合问题进行了定量研究,建立了具有良好预测性能的姬松茸多糖提取条件的模型,并利用回归模型对工艺条件的最优化组合,对各单因子要素的多糖得率及其交互作用进行了探讨。试验表明,当浸提温度为100℃、浸提时间为3h、浸提液pH值为6.3时多糖得率处于较高水平     

植物恢复措施对鸡西矿区废弃地土壤养分的影响

以黑龙江省鸡西市矿区废弃地为研究区,对不同矿区废弃地的土壤养分元素进行含量分析。结果表明：应用植物恢复措施后的基质土壤各养分指标绝大多数要大大高于原废弃地土壤和经过自然恢复的土壤,说明该措施对石墨尾矿、矸石发电厂粉煤灰废弃地和平排矸石山土壤养分改善效果明显;其中石墨尾矿除全磷外,各种养分指标与林地土壤差距较大,而旱柳对石墨尾矿土壤的改善效果最好,其有机质含量为37．28g／kg,是残渣的2．6倍;种植大果沙棘对粉煤灰废弃地土壤养分的积累效果明显,有机质含量为48．25g／kg,是残渣的1．5倍;植物恢复措施使平排矸石山的土壤养分积累速度加快,已接近林地,混交种植兴安落叶松和家榆总体恢复效果最好,有机质含量分别为193．42和151．46g／kg,是自然恢复条件下的8．9和7倍。建议引入优势种群（如松科等）以加快演替速度,使矿区废弃地更快地恢复到原始状态。     

Towards bioremediation of toxic unresolved complex mixtures of hydrocarbons: identification of bacteria capable of rapid degradation of alkyltetralins

Background, aim and scope  Unresolved complex mixtures (UCMs) of aromatic hydrocarbons are widespread, but often overlooked, environmental contaminants. Since UCMs are generally rather resistant to bacterial degradation, bioremediation of UCM-contaminated sites by bacteria is a challenging goal. Branched chain alkyltetralins are amongst the individual classes of components of aromatic UCMs which have been identified in hydrocarbon-contaminated sediments and a number of synthetic alkyltetralins have proved toxic in laboratory studies. Thus, alkyltetralins should perhaps be amongst the targets for UCM bioremediation strategies. The slow degradation of several alkyltetralins by a microbial consortium has been reported previously; however, the bacteria involved remain unidentified and no single strain capable of alkyltetralin biodegradation has been isolated. The present project therefore aimed to enrich and identify bacterial consortia and single strains of bacteria from a naturally hydrocarbon-contaminated site (Whitley Bay, UK), which were capable of the degradation of two synthetic alkyltetralins (6-cyclohexyltetralin (CHT) and 1-(3’-methylbutyl)-7-cyclohexyltetralin (MBCHT)). Materials and methods  Bacteria were enriched from sediment collected from Whitley Bay, UK by culturing with CHT and MBCHT for a period of 4 months. Biodegradation experiments were then established and degradation of model compounds monitored by gas chromatography–mass spectrometry. Internal standards allowed the generation of quantitative data. 16S rRNA gene clone libraries were constructed from individual enrichments to allow assessment of microbial community structure. Selective media containing MBCHT were used to isolate single bacterial strains. These strains were then tested in liquid culture for their ability to degrade MBCHT. Results  The consortia obtained through enrichment culture were able to degrade 87% of CHT and 76% of MBCHT after only 46 days compared with abiotic controls. The 16S ribosomal RNA gene clone libraries of these bacteria were dominated by sequences of Rhodococcus spp. Using selective media, a strain of Rhodococcus was then isolated that was also able to biodegrade 63% of MBCHT in only 21 days. Discussion  The present report describes the isolation of a single bacterial strain able to degrade the resistant MBCHT. Although significant losses of MBCHT were observed, putative metabolites were not detectable. Rhodococcus sp. have been reported previously to be able to biodegrade a range of hydrocarbon compounds. Recommendations and perspectives  Due to their environmental persistence and toxicity, aromatic UCMs require bioremediation. The culturing and identification of such bacteria capable of rapid degradation of alkyltetralins may be an important step toward the development of bioremediation strategies for sites contaminated with toxic UCMs.     

食用仙人掌萎蔫气象条件分析

塑料大棚内种植的食用仙人掌在土壤墒情较好时也有萎蔫现象发生，通过试验观测和对仙人掌生理习性的分析，发现阴雨过后天气突然放晴温度急剧上升易使仙人掌发生萎蔫现象，并提出了田间管理的应对措施。     

青海省耕地资源开发利用分析及对策研究

分析论述了青海省耕地资源开发利用的现状、特点和问题。在此基础上,提出了对青海省耕地资源进行研究的框架体系和思路,同时基于GIS/RS技术设计了相关的技术路线。最后依据所做设计对青海省耕地资源开发利用做了初步分析,并进行了相关的对策研究分析。     

济南山丘区土壤侵蚀潜在危险度景观格局分析

土壤侵蚀潜在危险度景观格局的形成及其变化是自然的和人为的多种因素相互作用的结果 ,运用景观生态学原理 ,通过分析景观斑块的类型、数量、面积大小和空间组合状况 ,揭示出济南市山丘区的土壤侵蚀潜在危险度分布特征及空间变异规律     

氟对小鼠生精细胞凋亡的影响及锌的保护作用

为观察氟对成年雄性小鼠生精细胞凋亡的影响及锌的保护作用,通过腹腔注射氟化钠建立氟中毒动物模型及锌保护实验。采用石蜡切片、苏木精-伊红染色(HE染色)、末端原位标记(TUNEL)及琼脂糖凝胶电泳的方法检测小鼠生精细胞的凋亡情况。结果显示:(1)氟感染组无论是低剂量组(NaF10 mg/kg)或是高剂量组(NaF 20 mg/kg)生精细胞都发生了明显的凋亡。生精细胞凋亡主要发生在精母细胞和精原细胞,凋亡指数与对照组差异极显著(P<0.05)。(2)无论是高剂量锌(ZnSO430 mg/kg)和低剂量锌(ZnSO415 mg/kg)都可以使凋亡指数明显降低,高剂量锌组的凋亡指数与对照组差异不显著(P>0.05)。     

8个油松种源抗旱性的比较研究

为了鉴别8个油松(Pinus tabulaeformis Carr.)种源的抗旱性,以其3年生幼苗为研究对象,进行了控水条件下的盆栽实验(T_1:土壤含水量为25%～29%;T_2:土壤含水量为19%～22%;T_3:土壤含水量为12%～15%);测定了其净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)等生理生化指标,并应用Fuzzy隶属函数对它们的抗旱性进行了综合评价.结果表明,在T_3条件下,8个种源的Pn无显著差异(P＞0.05);种源2的T_r显著高于种源1,3,5(P＜0.05);种源5的水分利用效率(WUE)显著高于种源2,3,4,6,7,8(P＜0.05).与T_2条件相比,在T_3条件下,各种源的SOD活性均有所增高,多数种源的POD活性均有所增高;种源7,8膜脂过氧化程度较小,而种源1,3,4,5膜脂过氧化程度较大.8个种源的抗旱性依次为:种源8＞种源6＞种源1＞种源5＞种源4＞种源3≈种源7＞种源2.     

荔枝种子结构的扫描电镜观察

荔枝种子从果实中剥离出来后, 即使在室内条件下, 也极易失水干缩, 潮湿环境中又易发霉而腐烂。扫描电镜观察表明: 种皮上布满纹孔, 水分散失面积很大; 种脐部为疏松的海绵组织, 且营养丰富。据此, 生产上应对种子彻底清洗, 并保存于适当湿度的环境中, 以提高其发芽率。