课件：食品贮运保鲜学.ppt

食品贮运保鲜学,主讲教师：任红涛,教学目标,了解食品低温保藏原理； 掌握冷藏、冻藏技术的在食品行业中的应用； 掌握速冻调理食品生产工艺。,重点内容： 食品低温保藏原理；冷藏及冻藏技术在食品在如何应用。,第一节 概述（基础知识）,一、低温保鲜概述 食品冷冻保藏就是利用低温保藏食品的过程，即降低食品温度，并维持低温水平或冷冻状态，以便阻止或延缓它们的腐败变质，从而达到远途运输和短期或长期的贮藏目的。,利用低温保藏食品是人类在实践中所取得的成就。炎热季节里，人们不仅懂得了可以利用山洞、地窖及井水和泉水降温，还学会了用天然降温的方法延缓食品的腐败变质。这种方法在那些没有人工制冷的地区至今仍在使用。 1875年人工制冷的出现，才为大量易腐食品较长期的贮藏、运输创造了良好条件。于是冷藏库、冷藏车和冷藏船相继出现，并成为贮运食物原料和易腐食品的重要手段，从而起到了调剂市场、平衡供销、合理安排生产、调整加工季节，并对食品质量起到了保证作用。,鱼、肉、禽一类冻制品的出现可追溯到19世纪下半期。冻鱼最初是天然冻结而成，常在冬天冰冻的河面上进行，即使现在，仍然使用。不过，目前基本上都改用人工制冷法。,冻制或速冻蔬菜始销于1930年，这是克伯宰（Birdseye，Clarence）在特雷勒博士（Tressler，D.K.）等人协助下从1923年开始研究后所取得的成果。最初曾因条件未成熟而受挫，直至1945年冻制浓缩橙汁出现才获得成功。,中国冷冻食品的起步较晚，最初只是在一些沿海大城市加工少量产品出口。1973年以后，北京、上海、青岛等地陆续从日本引进螺旋式速冻装置，进入20世纪80年代后，随着我国引进速冻设备(如从瑞典引进的液态化速冻装置等)的不断增多和国产速冻设备的研制成功，国内速冻食品的品种和产量开始较大幅度地增加。,进入20世纪90年代，国内冷冻食品工业迅速发展，1995年我国冷冻食品的总产量约240万吨，如果按当时年增长率20%-25%计算，估计目前我国冷冻食品的总产量已达800-l000万吨。国内冷冻食品发展较快的有上海、北京、天津等大城市和沿海开放城市。近年来，国内冷冻食品中发展较快的产品是速冻蔬菜和冷冻调理食品。,表36 部分国家和地区冷冻方便食品年人均消费量 单位:公斤,图39 世界冷冻食品产品品种结构图,在特大城市和大城市里，冷冻馅类主食、点心，冷冻调理食品已进入寻常百姓家，成为一口三餐的组成部分。国家统计局经济景气监测中心1998年中国城市食品消费形态调查结果表明， 54的家庭食用速冻主食，最受欢迎的是速冻饺子，选择率80，其他依次为汤圆57、包子33、馄饨28、馒头花卷25、烧麦14和粽子11。目前，冷冻食品市场上的主要品种还是米面馅类、点心和水产品、畜禽肉加工产品。,图67 2002年速冻食品市场主要品牌市场综合占有率图,二.食品防腐的基本原理,1食品腐败变质的过程与原因 1.1微生物的作用 微生物的作用,如金黄色葡萄球菌、变形杆菌等细菌的作用。对于食品的腐败，微生物的活动是重要的，是微生物利用食品本身的营养成分，在适宜条件下生长繁殖，进行代谢作用的结果。最终使食品的化学性质或物理性质发生改变，失去原有的或应有的营养价值、组织状态以及色、香、味、形。,引起食品腐败的微生物有细菌、酵母和霉菌，其中以细菌引起的变质最为显著。,食品变为培养基,吸收营养物质，并分泌各种酶类，将大分物质分解为小分子物质,微生物对食品的腐败不仅局限于降解作用，许多食物的腐败，是由于微生物代谢活动中的合成产物引起的，有些微生物能合成色素，引起食物变色；有些微生物具有合成多糖的能力，从而使食品内部或表面产生粘液。,1.2食品原料辅料的各种酶类,食物中的各种酶类。特别是有生命的植物性食品与蛋类，具有新陈代谢活动，呼吸作用使其能够产生呼吸热，食品温度上升，增加腐败的几率。进行生化反应的速度随着食品的种类不同，特别是海水鱼在适宜的温度条件下，进行的速度就快。,鱼类因本身的组织酶的作用，在相当短的时间内，经过一系列的中间变化，使蛋白质水解为氨基酸和其他的含氮化合物及非含氮化合物，脂肪分解生成游离的脂肪酸，糖原酵解为乳酸。,1.3空气的温度和湿度,湿度就是食品中的水分含量，不过这里是指食品中自由水的含量，即水分活性(Aw)。从表中不难看出，细菌生长要求Aw较高，霉菌Aw较低，大多数新鲜烹饪原料Aw值较高(0.98-0.99)在标准贮存条件下较易腐败，一般认为Aw值在0.70干制食品中可保存数年之久。 每种微生物都具有一个适合其生长的最适温度，而且微生物对低温的反应较差，许多食品腐败微生物，甚至病原微生物都具有在低于6的温度下生长的能力，在冷冻状况下，微生物的活动处于停止状态，但并不意味着被杀死。,了解了食物腐败的原理,就可采用相应的对策来防止食物的腐败变质。按照食品贮藏的基本原理可分两大类:一是全部或部分杀灭微生物和破坏酶活性的贮藏方法,如加热法、辐射法、紫外线照射法及化学杀菌剂法。二是抑制微生物发育、酶活性和非酶化学变化的贮藏技术,有低温法、干燥法、酸渍法、糖渍法等。针对食品腐败原理主要有以下几种防腐措施：低温、高温、低水分、糖盐渍、酸渍、烟薰、化学防腐剂。,三.食品冷冻冷藏的生物化学基础,食品的营养成分可分为有机物质和无机物质。无机物质直接来自于自然界中的水和盐等物质，而有机物质主要来自于一两个方面：一个是植物，另一个是动物。,植物性食品主要包括各种谷物、果品和蔬菜；动物性食品主要指家畜肉、禽肉、鱼类、蛋类和乳品等。植物性食品在冷藏过程中是有生命的活的物体，靠自身的物质消耗来维持生命的代谢活动，可继续完成成熟、衰老、死亡等过程。,动物性食品除鲜蛋为有生命食品外，其他均为无生命食品。无论是有生命食品还是无生命食品，食品自身均进行着一系列的生物化学反应，同时微生物也不断地对其进行侵染，使食品最终腐烂变质。,1.食品材料的基本构成,1.1植物细胞(plant cell) 植物细胞是由细胞壁(cell wall)、细胞膜(cell membrane)、细胞溶液(cytosol)、细胞核(nucleus)、液泡(vacuoles)、质体(plastid)等构成。其中细胞壁、液泡和质体是植物细胞特有的组成部分，是植物细胞与动物细胞的主要区别之一。,1.2动物肌纤维(Muscle fibre),在形态上，畜禽肉主要由肌肉组织、脂肪组织、结缔组织和骨骼组织等组成，其所占比例分别约为：肌肉组织50%-60%、脂肪组织20%-30%、骨骼组织13%-20% 、结缔组织7%-11%。此外，还有比例较少的神经组织和淋巴及血管等。肌肉组织是肉的主要组成部分，可分为横纹肌、平滑肌和心肌三种。其中横纹肌是肉的主体，也是加工的主要对象。,肌纤维细胞内有许多微细的肌原纤维(myofibril)、细胞核、线粒体(mitochondria)和汁液等物质，外面被一层富有弹性的肌纤维膜(sarcolemma)所包裹。 许多肌纤维细胞集合起来形成肌束，肌束的周围被结缔组织的膜所包围。肌束再集合而形成肌肉，肌肉再被外面的结缔组织所包裹，而血管、淋巴和神经组织就分布于这些结缔组织中。,平滑肌是构成血管壁和胃肠壁的物质，心肌是构成心脏的物质。它们在肌肉组织中所占的比例很小，但都是由肌纤维细胞构成的。这些肌纤维与横纹肌的肌纤维比较，仅在细胞和细胞核的形状方面略有不同。,四.食品材料的主要化学成分,1.1蛋白质(Proteins) 蛋白质是构成一切生命体的重要物质，也是食品冷冻冷藏加工中保存的主要对象。构成蛋白质的基本元素是：碳、氢、氮、氧、硫、磷等物质，有些蛋白质还含有铁、铜、锌等元素。,在酸、碱、酶等物质作用下蛋白质可发生下列水解反应，最终将大分子的蛋白质水解为较小分子的氨基酸： 蛋白质多肽(polypeptide)二肽(dipeptide) 氨基酸,蛋白质可分为单纯蛋白质（simple proteins）和结合蛋白质（eoniugated proteins）。单纯蛋白质水解时只能产生氨基酸；而结合蛋白质水解时除产生氨基酸外，还有其他化合物，如糖、磷酸、金属有机化合物、核酸等。单纯蛋白质包括清蛋白（albumins）、球蛋白（globulins）、谷蛋白（glutelins）、醇溶谷蛋白（prolamines）、组蛋白（histones）、精蛋白（spermatines）、硬蛋白（seleroproteins）等；结合蛋白质包括核蛋白（nueleoproteins）、磷蛋白（phosphoproteins）、脂蛋白（lipoproteins）、糖蛋白（glyeoproteins）、色蛋白（ehromoproteins）等。,动物肌肉中的蛋白质主要是肌球蛋白（myosin）和肌动蛋白（a ctin）。动物皮、骨、结缔组织中的蛋白质主要是胶元（conagen）。它也是一种蛋白质，主要由脯氨酸、经脯氨酸、甘氨酸等组成，胶元受热分解后产生明胶。动物乳中的蛋白质主要是酪蛋白（casein）、乳球蛋白（lac-toglobuhns）和脂肪球膜蛋白等组成。,在谷类、豆类等植物性食品中，面粉含有的蛋白质主要是构成面筋的醇溶谷蛋白和谷蛋白以及可溶性的清蛋白和球蛋白等。豆类等油料作物中的蛋白质主要是球蛋白，如大豆球蛋白、豌豆球蛋白等。,蛋白质的主要性质:,（1）两性电解质（amphoteric electrolyte） 蛋白质既能和酸作用，又能和碱作用。当溶液在某一特定的pH值时，蛋白质所带的正电荷与负电荷恰好相等，蛋白质不显电性，这时溶液的pH值称为该蛋白质的等电点（IEP）。蛋白质处于等电点时，将失去胶体的稳定性而发生沉淀现象。,（2）蛋白质的胶凝性质（gening property） 蛋白质的直径约为1-10Onm，其颗粒尺寸在胶体粒子范围内，是亲水化合物。在水溶液中，由于其表面带有很多极性基团，被具有极性的水分子所包围，使蛋白质颗粒分散在水溶液中呈溶胶状态。包围蛋白质颗粒的水分子是从有序排列到无序排列逐渐变化的，越靠近蛋白质颗粒的水分子，与其结合力越强，其溶解度、蒸汽压、冰点等均显著下降，而粘度却显著上升。 蛋白质在食品中的另一种存在状态是凝胶态，它与蛋白质溶液的温度有关。当温度下降时，可由溶胶态转变为凝胶态。溶胶态可看作是蛋白质颗粒分散在水中的分散体系；而凝胶态则可看作是水分散在蛋白质中的一种胶体状态。,（3）蛋白质的热变性（heat denaturation） 当蛋白质受不同温度（加热或冷冻）和其他因素作用时，蛋白质的构象可发生变化，使其物理和生物化学性质也随之变化，这种蛋白质称为变性蛋白质。变性蛋白质在溶液中溶解度下降，同时也失去了其生理活性功能。在日常生活中，蛋清受热凝固、毛发受热卷曲、肉类解冻后汁液流失等都是蛋白质变性的表现。,1.2脂肪（fats）,脂肪在食品中的作用主要是提供热量，1g脂肪的发热量平均可达38kJ，约为同等重量的糖和蛋白质发热量的2.2倍以上，是食品中热量最高的营养素。脂肪主要由甘油和脂肪酸组成，其中也常有少量的色素、脂溶性维生素和抗氧化物质。,脂肪的性质与脂肪酸关系很大，脂肪酸可分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。脂肪中含有的饱和脂肪酸成分越多，其流动性越差。习惯上称常温下呈固态的脂肪为脂，如多数动物性脂肪。反之则称为油，如豆油、花生油、芝麻、油、菜油等各种植物油。,在天然脂肪中，脂肪酸多以偶数碳原子直链形式存在。其中链越长，沸点就越高，熔点也有不规则的增高；双键越多，不饱和程度越高，氧化也越快。陆上动、植物脂肪中以C18脂肪酸居多，C16脂肪酸次之；水产动物脂肪中以C20和C22脂肪酸居多；两栖类、爬行类、鸟类及啮齿类脂肪中的脂肪酸组成介于水产动物和陆生高等动物之间。,在高等陆生动物脂肪中，脂肪酸主要是软脂酸、油酸和少量的硬脂酸。哺乳动物乳汁中除软脂酸和油酸外，往往还有相当比例的短链脂肪酸（C4-C10）。植物脂肪中的脂肪酸主要是软脂酸、油酸，视品种不同往往还含有亚油酸或亚麻酸。水产动物脂肪中，不饱和脂肪酸的含量不但占绝大部分，而且种类也很多。淡水鱼类脂肪中以C18不饱和脂肪酸的比例高，而海水鱼类脂肪中则以C20及C22不饱和脂肪酸居多。,脂肪在酸、碱溶液中或在微生物作用下可迅速水解为甘油和脂肪酸，使甘油分离出来。脂肪酸在酶的一系列催化作用下可生成-酮酸，脱羧后成为具有苦味及臭味的酮类。,脂肪变质的另一原因是脂肪酸链中不饱和键被空气中的氧气所氧化，生成过氧化物（peroxide）。过氧化物继续分解产生具有刺激性气味的醛、酮或酸等物质。脂肪氧化也称为脂肪酸败（rancidity），脂肪酸败不但使脂肪失去营养，而且也产生毒性。,可以从两个方面减少或避免脂肪酸败：一是向食品中添加天然抗氧化剂（antioxidant）或合成抗氧化剂，如单宁（tannin）、棉酚、生育酚（tocopherols）以及特丁基对苯二酚等；另一个是控制合理加工贮藏条件。,1.3糖（Sugar）,糖的主要组成元素是碳、氢、氧。糖主要存在于植物性食品中，占植物干重的50%-80% 。糖是人体热量的重要来源，1g葡萄糖在体内完全氧化可以产生16kJ的热量。糖也是参与人体重要代谢过程的主要物质。糖可分为单糖、低聚糖和多糖三类。,淀粉呈颗粒状，在一定的温度下，吸水后体积膨胀约50-100倍，由淀粉大颗粒分解为细小淀粉分子而形成胶体溶液，此过程称为淀粉糊化(gelatinization )。糊化后的淀粉称为-淀粉，在适宜的温度下长期存放，-淀粉会发生老化(retrogradation )，老化是胶体溶液中淀粉分子重新聚集与结晶的过程。,与生淀粉（-淀粉）比较，老化后的淀粉不易被人体所吸收，因此，在工业上常采用-20速冻来避免淀粉老化。,果胶(pectin)主要存在于细胞壁和细胞壁之间，起细胞间的粘接作用。果胶一般有三种状态，即原果胶、果胶和果胶酸。未成熟的果实中主要是原果胶，其组织坚硬，随着果实的成熟，由原果胶变为果胶，最终转化为果胶酸，使果实组织柔软。果胶物质只能被人体部分吸收。,1.4维生素(vitamin）,维生素虽是食品中的微量有机物质，但其营养价值却不可低估。维生素是人体生理过程以及蛋白质、脂肪、糖等代谢过程中不可缺少的成分，除了极少数几种维生素外，人体是不能合成维生素的，只能从食品中获取。冷冻冷藏对维生素的破坏较小。,1.5酶(enzyme）,没有酶的存在，生物体内的化学反应将非常缓慢，或者需要在高温高压等特殊条件下才能进行。有酶的存在，生物物质能在常温常压下以极高的速度和很强的专一性进行。 食品加工与贮藏中，酶可来自食品本身和微生物两方面，酶的催化作用通常使食品营养质量和感官质量下降，因此，抑制酶的活性是食品加工贮藏中的重要内容之一。由于酶是一种特殊的蛋白质，在不同的pH值环境下，其活性也不同，大多数酶的最适宜pH值在4.5-8.0范围内，即在中性、弱酸、弱碱环境中能够保持活性。,1.6矿物质(mineral）,食品中除了构成水分和有机物质的C、 H、 O、 N四种元素以外，其他元素统称为矿物质。根据人体对矿物质的需求量，可将矿物质分为常量元素和微量元素。含量在0.01以上的元素称为常量元素；其他的为微量元素。钙、镁、磷、钠、钾、氯、硫为常量元素，铁、锌、铜、碘、锰、钼、钴、硒、铬、镍、锡、硅、氟、钒等为微量元素。,人体对矿物质的需求量是不同的，过多或过少均会影响健康，如缺钙会导致人体骨质疏松；缺碘会使人体甲状腺肿大；钾过多会使人体血管收缩，造成四肢苍白无力、嗜睡甚至突然死亡等。人体所需要的矿物质主要从食品中获得，它们以无机盐形式存在于食品中。,1.7水分(water）,水是组成一切生命体的重要物质，也是食品的主要成分之一。水分存在的状态直接影响着食品自身的生化过程和周围微生物的繁殖状况。食品中的水分可分为自由水和结合水。,自由水也称为游离水，主要包括食品组织毛细孔内或远离极性基团能够自由移动、容易结冰、能溶解溶质的水。自由水在动物细胞中含量较少，而在某些植物细胞中含量却较高。 结合水包围在蛋白质和糖分子周围，形成稳定的水化层。结合水不易流动，不易结冰，也不能作为溶质的溶剂。结合水对蛋白质等物质具有很强的保护作用，对食品的色、香、味及口感影响很大。 近年来研究表明，加热干燥或冷冻干燥可除去部分结合水，而冷冻冷藏对结合水影响却较小。,五.食品冷冻冷藏保鲜原理,1.温度对微生物(micro-organisms)的作用 食品冷冻冷藏中主要涉及的微生物有细菌(bacteria)、霉菌(moulds)和酵母菌(yeasts )，它们是能够生长繁殖的活体，因此需要营养和适宜的生长环境。动物性食品是它们生长繁殖的最好材料，而植物性食品只有在受到物理损伤或处于衰老阶段时，才易被微生物所利用。由于微生物能分泌出各种酶类物质，使食品中的蛋白质、脂肪等营养成分发生分解，并产生硫化氢、氨等难闻的气味和有毒物质，使食品失去食用价值。,根据微生物对温度的耐受程度，将其划分为四类，即嗜冷菌(psychrophile )、适冷菌(psychrotroph、嗜温菌(mesophile )和嗜热菌(thermophile )。温度对微生物的生长繁殖影响很大。温度越低，它们的生长与繁殖速率也越低。当处在它们的最低生长温度时，其新陈代谢活动已减弱到极低的程度，并出现部分休眠状态。,2.温度对酶活性(enzyme activity)的影响,温度对酶活性（即催化能力）影响最大，40-50时，酶的催化作用最强。随着温度的升高或降低，酶的活性均下降。一般来讲，在0-40范围内，温度每升高10K ,反应速度将增加1-2倍。一般最大反应速度所对应的温度均不超过60。当温度高于60时，绝大多数酶的活性急剧下降。,而温度降低时，酶的活性也逐渐减弱。酶活性虽在冷冻冷藏中显著下降，但并不说明酶完全失活，在长期冷藏中，酶的作用仍可使食品变质。当食品解冻后，随着温度的升高，仍保持活性的酶将重新活跃起来，加速食品的变质。商业上一般采用-18作为贮藏温度，实践证明，对于多数食品在数周至数月内是安全可行的。,基质浓度和酶浓度对催化反应速度影响也很大。例如，在食品冻结时，当温度降至-1-5时，有时会呈现其催化反应速度比高温时快的现象，其原因是在这个温度区间，食品中的水分有80%变成了冰，而未冻结溶液的基质浓度和酶浓度都相应增加的结果。,3.温度对呼吸作用的影响,果蔬食品在冷却冷藏加工中（冰点以上），呼吸是植物性食品维持生命代谢特有的现象。呼吸可分为有氧呼吸和缺氧呼吸。 有氧呼吸的实质是在酶的催化下消耗自身能量的氧化过程，使其中的糖类和有机物质分解为CO2和H20 ,同时放出大量的热。 缺氧呼吸是在氧气不足的环境下，糖类自身分解为乙醇和CO2，同时放出少量热。 无论是有氧呼吸还是缺氧呼吸，呼吸都使食品的营养成分损失，而且呼吸放出的热量与有毒物质也加速食品的变质。,六.食品冷冻过程的物理化学基础,1.食品的物理化学特点 食品不仅是多组分、多相、非均质的物质系统，而且是物理化学性质不稳定的极其复杂的物质系统。现以面包为例加以说明。,面包中主要是面粉(wheat flour)和水，并含有少量的空气、食盐、糖、酵母和发酵的醇。面粉的主要成分是面筋、蛋自质、淀粉、脂肪和其他多糖等。其中的气相有空气、水蒸气和多种挥发物；其中的固相有结晶的、非结晶的。如新鲜面包中少量的淀粉是晶状的，随着存放时间的增长，其晶状的数量也要增多。,2.水的相图和水的冻结特性,3.降温曲线,图中的斜长虚线表示槽内温度；实线表示水温。纯水在一个大气压下的冰点是273.15K(即O），但在一般情况下，纯水只有被冷却到低于O的某一温度时才开始冻结。这种现象被称为过冷(subcooling)。开始出现冰晶的温度与相平衡冻结温度之差，称为过冷度。在过程abc中，水以释放显热的方式降温；当过冷到点c时，由于冰晶开始形成，释放的相变潜热使样品的温度迅速地回升到0，即过程cd；在过程de中，水在平衡的条件下，继续析出冰晶，不断释放大量固化潜热。在此阶段中，样品温度保持恒定的平衡冻结温度0；当全部水被冻结后，固化的样品以较快速率降温。ef段的降温速率可能远大于槽温的下降速率。,4.过冷和成核,冰晶的成核(nucleation)过程主要由热力学条件决定，而冰晶的生长过程主要由动力学条件决定。当水处于过冷态（亚稳态）时，可能以两种形式形成冰晶核心（晶核,nuclei)，即均匀成核(homogenous nucleation和非均匀成核(heterogenous nucleation）。 均匀成核是指在一个体系内各处的成核几率均相等；由于热起伏（或热涨落）可能使原子或分子一时聚集成为新相的集团（又称为新相的胚芽，embryos)，若胚芽大于临界尺寸时就成为晶核。对于均匀成核，要求有较大的过冷度。例如，对很纯的微小水滴，已发现到-40或更低的温度还未结冰。,非均匀成核，又称异相成核，是指水在尘埃、容器表面及其他异相表面等处形成晶核。对于非均匀成核，所要求的过冷度比均匀成核要小得多。对于体积较大的水，一般均具有异相成核的条件，因此只要温度比0稍低几度就能形成冰晶核。,5.水溶液的冻结和特性,两种或多种物质均匀混合，而且彼此呈分子状态分布的物质均可称为溶液(solution)。溶液可以是液态的，也可以是气态的或固态的。我们这里讨论的是由水和一种或几种物质组成的液态溶液，且将水称为溶剂(solvent），将其他物质称为溶质(solute)。,l）稀溶液中水的蒸汽压p水等于纯水的蒸汽压P水0乘以溶液中水的摩尔分数x水；或者可以说，溶液中水的蒸汽压的降低值P水0-P水等于纯水的蒸汽压p水0乘以溶质的摩尔分数x P水0- P水= p水0 x,2)在相同的外压下，稀溶液的沸点T b要高于纯水的沸点Tb0,其沸点升高值(boiling-pointelevation)正比于溶液的质量浓度ms 。 T b =T b- Tb0=Kbms (Kb为沸点升高常数),3)在相同的外压下，当温度降低时，若水和溶质不生成固溶体，而且生成的固态是纯冰，则稀溶液中水的冰点Tf要低于纯水的冰点Tf0，其冰点的降低值正比于溶液的质量摩尔数。 T f =T f0- Tf=Kfms (Kf为凝固点降低常数),6.水溶液的冻结特性,现以含盐(NaCl)的水溶液为例，说明冻结过程中溶液的温度和浓度的变化关系。图2-5表示的是NaCl+H2O二元溶液相图的左半部分（即低浓度部分）。,若在室温Tm下，溶液的初始质量分数由w1提高到w2，则溶液中液相部分的状态变化就沿着a2b2E的曲线进行。 上述讨论的是在一般的降温速率时所发生的均匀冻结情况。如果初始浓度较大，且降温速率极高，溶液来不及析出冰，溶液温度被降至低于Tb ,甚至低于TE，就可能使溶液非晶态固化。,7.融化过程的特点,融化过程的作用是将已冻结的食品材料进行复温，力求使之恢复到原先未冻结前的状态。虽然它是冻结过程的逆过程，但融化过程的温度控制却比冻结过程要困难得多，也很难达到高的复温速率。,在融化过程中，样品的外层首先被融化，供热过程必须先通过这个已融化的液体层，而在冻结过程中，样品外层首先被冻结，吸热过程通过的是冻结层。冰的比热容只有水的一半，热导率却为水的4倍，导温系数为水的8.6倍。因此，冻结过程的传热条件要比融化过程好得多，在融化过程中，很难达到高的复温速率。,七.食品材料的冻结特性和冻结率,食品的冻结过程和纯水不同。由于食品是由多元组分所组成的，因而实际上并不出现明显的“冻结平台”。下表为部分食品材料的初始冻结温度。,当温度低于初始温度后，部分水结成冰。食品大体可看成由固体材料、水和冰三部分组成。当更多的水结冰后，溶液的浓度进一步提高，冰点进一步降低，整个结冰的过程是在浓度变化的情况下进行的。,食品在冻结点与共晶点之间的任意温度下，其水分冻结的比例称冻结率(w0)，以质量分数表示，其近似值可用下式计算： ( 为食品冻结点温度，为食品冻结点以下的实测温度),八.影响微生物低温致死的因素,1.温度的高低 在冰点左右，特别在冰点以上，微生物仍然具有一定的生长繁殖能力，虽只有部分能适应低温的微生物和嗜冷菌逐渐增长，但最后也会导致食品变质。对低温不适应的微生物则逐渐死亡。这就是高温冷藏食品时仍会出现不耐久藏的原因。,稍低于生长温度或冻结温度进对微生物的威胁性最大，一般为0，尤以-2-5为最甚，此时微生物的活动就会受到抑制或几乎全部死亡。温度冷却到-20-25时，微生物细胞内所有酶的反应实际上几乎全部停止，并且还延缓了细胞内胶质体的变性，因而此时微生物的死亡比在-8-10时就缓慢得多。,2.降温速度,食品冻结前，降温愈速，微生物的死亡率也愈大。这是因为迅速降温过程中，微生物细胞内新陈代谢时原来协调一致的各种生化反应未能及时迅速重新调整，并和温度变化情况相适应所致。食品冻结时情况恰好相反，缓冻将导致大量微生物死亡，而速冻则相反。,因为缓冻时一般食品温度常长时间处于-8-12，并形成量少粒大的冰晶体，对细胞产生机械性破坏作用，还促进蛋白质变性，以致微生物死亡率相应增加。速冻时食品在对细胞威胁性最大的温度范围内停留的时间甚短，同时温度迅速下降到-18以下，能及时终止细胞内酶的反应和延缓胶质体的变性，故微生物的死亡率也相应降低。 一般情况下，食品速冻过程中微生物的死亡数仅为原菌数的50%左右。,3.结合水分和过冷状态 急速冷却时，如果水分能迅速转化成过冷状态，避免结晶并成为固态玻璃质体，这就有可能避免因介质内水分结冰所遭受到的破坏作用。类似这样的现象在微生物细胞内原生质冻结时就有出现的可能，当它含有大量结合水分时，介质极易进入过冷状态，不再形成冰晶体，这将有利于保持细胞内胶质体的稳定性。若和生长细胞相比，细菌和霉菌芽孢中的水分含量就比较低，而其中结合水分的含量就比较高，因而它们在低温下的稳定性也就相应地较高。,4.介质 高水分和低pH值的介质会加速微生物的死亡，而糖、盐、蛋白质、胶体、脂肪对微生物有保护作用。 5.贮期 低温贮藏时微生物数一般总是随着贮存期的增加而有所减少；但是贮藏温度愈低，减少的量愈少，有时甚至于没有减少。贮藏初期（也即最初数周内），微生物减少的量最大，其后它的死亡率下降。一般来说，贮藏一年后微生物死亡数将达原菌数的60%-90%以上。在酸性水果和酸性食品中微生物数的下降比在低酸性食品中更多。,6.交替冻结和解冻 理论上认为交替冻结和解冻将加速微生物的死亡，实际上效果并不显著。 冻制食品并非无菌，因而就可能含有病原菌，如肉毒杆菌、金黄色葡萄球菌、肠球菌、溶血性链球菌、沙门氏菌等。,九.水和溶液的结晶理论,液体的结晶(crystallization )由两个过程组成，一是晶核形成过程(nucleation)；另一是晶体 生长的过程(crystal propagation)，这两个过程均是由吉布斯自由能驱动，和过冷度(undercooling、subcooling)有密切关系。,在液体中产生稳定的固态核的过程称为成核过程。成核只能是在温度低于融点温度Tm的条件下才能产生。根据机理成核可分为均相成核(homogeneous nucleation)和异相成核（heterogeneneous nucleation）两类。 均相成核温度Th要比异相成核温度Thet低，即Th Thet Tm。均相成核需要很高的过冷度，异相成核需要较低的过冷度。在系统内部各点，均相成核的几率都是一样的。异相成核又称为非均匀成核，指水在尘埃、异相杂质、容器表面及其他异相表面等外形成晶核。,冰晶对食品材料微观结构的影响，食品组织材料的冻结过程可能造成食品材料微观结构的重大变化，其改变的程度主要取决于冰晶生长的位置，而这又取决于冻结速率和食品组织的水渗透率。,对于食品组织，在慢速冻结、过冷度较小的情况下，冰晶在细胞外形成，即细胞处于富含冰的基质中。由于细胞外冰晶增多，胞外溶液浓度升高，细胞内外的渗透压差增大，细胞内的水分不断穿过细胞膜向外渗透，以至细胞收缩，过分脱水；如果水的渗透率很高，细胞壁可能被撕裂和折损， 在解冻过程中又会发生失水(drip loss) 。,另一方面，如果热量传递过程比水分渗透过程快，细胞内的水来不及渗透出来而被过冷形成冰晶。这样，细胞内外均形成数量多而体积小的冰晶。细胞内冰晶的形成以及在融化过程中冰晶的再结晶都是造成细胞破裂、食品品质下降的原因。有一些被称为增稠剂的食品添加剂，如琼脂、明胶等，能改善食品的物理性质、增加食品的粘稠性，赋与食品以柔滑适口性。在冷冻食品中，利用这些增稠剂的吸附水分的作用，可作为稳定剂(stabilizer)，能降低冰晶的线生长速率。,十.食品材料的玻璃化,当温度降低时，液态转变为固态，可以有两种不同的状态：晶态和非晶态。在非晶态固体材料中，原子、离子或分子的排列是无规则的。非晶态材料主要有金属、无机物和有机物三大类。因为人们已习惯将融化物质在冷却过程中不发生结晶的无机物质称为玻璃(glass)，所以后来逐渐扩大地将其他非晶态均称为玻璃态（glassy）。结晶过程是在某一确定的温度Th（称为凝固温度或熔融温度）下进行的，在此过程中，物质放出相变潜热，相变前后的体积V、熵S都发生非连续性变化。在玻璃化过程中，物质不放出潜热，不发生一级相变，即其比体积v和熵S是连续变化。,把聚合物的冷却过程分为三个区域，即液态区、橡胶区和玻璃态区。在食品聚合物科学理论中，根据食品材料含水量的多少，玻璃化转变温度有两种定义：对于低水分食品（LMF，水的质量分数小于20%），其玻璃化转变温度一般大于0，称为Tg；对于高水分或中等水分食品(HMF，水的质量分数大于20%)，除了对极小的样品，降温速率不可能达到很高，因此一般不能实现完全玻璃化，此时玻璃化转变温度指的是最大冻结浓缩溶液发生玻璃化转变时的温度，定义为Tg。因为大多数需冻结保存的食品含水量均较大，所以Tg就成为食品聚合物科学中研究应用较多的一个物理量。,第二节 食品的冷加工,一、概论,冷却是将食品的品温降低到接近食品的冰点但不冻结的一种冷加工方法，它是延长食品贮藏期的一种被广泛采用的方法。,冷却的主要对象是植物性食品，由于水果、蔬菜等植物性食品都是有生命的有机体，在贮藏过程中还在进行呼吸作用，放出呼吸热，使其自身温度升高而加快衰老过程，因此必须冷却来除去呼吸热而延长其贮藏期。 另一方面，水果、蔬菜的冷却应及时进行，以除去田间热，使呼吸作用自摘收后就处于较低水平，以保持水果、蔬菜的品质。对于草莓、葡萄、樱桃、生菜、胡萝卜等品种，摘收后早一天冷却处理，往往可以延长贮藏期半个月至一个月。,马铃薯、洋葱等品种由于收获前生长在地下，收获时容易破皮、碰伤，因此需要在常温下养好伤后再进行冷却贮藏。应当强调指出，果蔬类植物性食品的冷却温度不能低于发生冷害的界限温度，否则会使果蔬正常的生理机能受到障碍，出现冷害。,冷却也是短期保存肉类的有效手段。肉类的冷却是将肉类冷却到冰点以上的温度，一般为0-4。由于在此温度下，酶的分解作用、微生物的生长繁殖及干耗、氧化作用等均未被充分抑制，因此冷却肉只能贮藏二周左右的时间。 如果想作较长期的贮藏，必须把肉类冻结，使温度降到-18，才能有效地抑制酶、非酶及微生物的作用。肉类在冷却贮藏的过程中，在低温下进行成熟作用，使肉的色泽、风味、柔软度都变好，增加了商品价值。,分别称为冷却食品、冻结食品、微冻食品和冷凉食品。一般可根据食品的种类、性质、贮藏期、用途等的不同，选择其适宜的温度范围。对于冷却食品温度来说，活体食品和非活体食品均可采用；对于其他温度范围，只能以非活体食品作为对象。,名称 冷却食品 冻结食品 半冻结食品 冷凉食品（1） 冷凉食品（2） 品温范围/ 0-15 -12-30 -2-3 -11 -55 备注 冷却但未冻结 冻结坚硬 稍微冻结 参照解释 参照解释 微冻食品以前我国也称做半冻结食品，近几年基本上统一为微冻食品。微冻是将食品品温降到比其品温低2-3并在此温度下贮藏的一种保鲜方法。与冷却方法相比较，微冻的保鲜期是冷却的1.5-2倍。 冷凉食品(1)在欧美是指冷却状态的食品，而冷凉食品(2)是近年日本的水产公司以冷冻食品的名称市售的食品。两者都以冷凉称呼，但温度的幅度不同，前者温度幅度仅为2，后者却有10温度范围。前者的代表性商品是从澳洲进口的冷冻牛肉，后者的例子是鱼店贩卖的刚解冻的鲸鱼肉或半解冻的稍硬的鱼肉等。,二.食品在冷却过程中的热量传递,我们把平板状食品放入温度为r的冷却室内，刚放进去时，时间t=0，食品内部各处温度都是0。如图2-3所示，我们把食品分成S、A、B、C、D及相对称于D面的S1、A1、B1、C1几个面来考虑，由于食品温度0高于冷却室内空气的温度，即有=0-r存在，热量就从食品表面传给冷却室空气，食品表面温度下降为S.此时，A面与表面S之间又存在温差0-s，热量就从A面向表面s传递，A面的温度下降为A。此时，B面与A面之间又存在温差0-A，依此类推，由于食品表面失去热量和食品内部热量的传递，经过时间t后，食品内部温度的分布变成SABC。此时，食品表面与冷却室内空气之间仍有温差S-r存在，上述热量传递过程继续进行。在t时间时，食品内部的温度分布为SABC。就这样，只要有温差存在，食品的温度就继续下降。,1水分蒸发 当食品中的水分减少后，不但造成重量损失(俗称干耗)，而且会使果蔬类食品失去新鲜、饱满的外观，当减重达到5%时，果蔬会出现明显的萎凋现象，肉类食品也会出现肉的表面收缩、硬化，形成干燥皮膜，肉色也有变化。为了减少食品冷却时的水分蒸发作用，要根据它们各自的水分蒸发持性，控制其适宜的湿度和低温条件。,食品的温度下降，且表面水分会有所蒸发,三.食品冷却时的变化,肉类水分蒸发的量与冷却室内的温度、湿度及流速有密切关系，还与肉的种类、单位质量表面积的大小、表面形状、脂肪含量等有关。,一般是低温、高湿的条件如品温约0-1，湿度为80-90时质量损失较小。 空气中实际所含水蒸汽密度和同温度下饱和水蒸汽密度的百分比值，叫做空气的“相对湿度”。,2.冷害 在冷却贮藏时，有些水果、蔬菜的品温虽然在冻结点以上，但当贮藏温度低于某一界限温度时，果蔬正常的生理机能遇到障碍，失去平衡，这称为冷害。,冷害症状随品种的不同而各不相同，最明显的症状是表皮出现软化斑点和核周围肉质变色，像西瓜表面凹斑、鸭梨的黑心病、马铃薯的发甜等。 另有一些水果、蔬菜，在外观上看不出冷害的症状，但冷藏后再放到常温中，就丧失了正常的促进成熟作用的能力，这也是冷害的一种。 例如香蕉，如放入低于11. 7的冷藏室内一段时间，拿出冷藏室后表皮变黑成腐烂状，俗称“见风黑”。而生香蕉的成熟作用能力则已完全失去。一般来讲，产地在热带、亚热带的果蔬容易发生冷害。,在低于界限温度的环境中放置一段时间冷害才能显现，症状出现最早的品种是香蕉，像黄瓜、茄子一般则需要10-14d的时间。,3.移臭（串味）,有强烈香味或臭味的食品，与其他食品放在一起冷却贮藏，这香味或臭味就会传给其他食品。例如洋葱与苹果放在一起冷藏，葱的臭味就会传到苹果上去。这样，食品原有的风味就会发生变化，使品质下降。,一间冷藏室内放过具有强烈气味的物质后，在室内留下的强烈气味会串给接下来放入的食品。如放入洋葱后，虽然洋葱已出库，但其气味会串给随后放入的苹果。 要避免上述二种情况，就要求在管理上做到专库专用，或在一种食品出库后严格消毒和除味。另外，冷藏库还具有一些特有的臭味，俗称冷臭，这种冷臭也会串给冷却食品。,4.生理作用 水果、蔬菜在收获后仍是有生命的活体。为了运输和贮存上的便利，果蔬一般在收获时尚未完全成熟，因此收获后还有一个后熟过程。在冷却贮藏过程中，水果、蔬菜的呼吸作用、后熟作用仍在继续进行，体内各种成分也不断发生变化，例如淀粉和糖的比例，糖酸比，维生素C的含量等等，同时还可以看到颜色、硬度等的变化。,5成熟作用,刚屠宰的动物肉,柔软，且具有很高的持水性,放置一段时间,肉质粗硬，持水性大大下降,动物肉,继续放置一段时间,动物肉,肉质柔软，持水性回升，风味也有极大改善,在冷却条件下，肉类在低温下缓慢地进行着成熟作用，一般可在0-1的温度下进行。 由于动物的种类不同，成熟作用的表现也不同。对猪、家禽等，就不十分强调成熟作用，而对牛、绵羊、野禽等，成熟作用则十分重要，它对于肉质软化与风味增加有显著的效果，提高了它们的商品价值。,6.脂类的变化,冷却贮藏过程中，食品中所含的油脂会发生水解、脂肪酸的氧化、聚合等复杂的变化，其反应生成的低级醛、酮类物质会使食品的风味变差、味道恶化，使食品出现变色、酸败、发粘等现象。这种变化进行得非常严重时，就被人们称之为“油烧”。,7.淀粉老化,普通淀粉（）,20%直链淀粉和80支链淀粉,适当温度下，在水中溶胀,糊状溶液（）,淀粉分子间的氢键断开、水分子与淀粉形成氢键，形成胶体溶液,淀粉的-化（淀粉的老化）,低温条件下，-淀粉的分子又自动排列，形成致密的高度晶化的不溶性淀粉分子,老化的淀粉不易为淀粉酶作用，所以也不易被人消化吸收。 水分含量在30-60的淀粉最容易老化，含水量在10以下的干燥状态及在大量水中的淀粉都不易老化。,8微生物的繁殖,在冷却时，当果蔬渐渐衰老或者有伤口时，霉菌就会在此繁殖。肉类在冷却时也会有霉菌和细菌的繁殖，细菌繁殖时，肉的表面会出现粘湿现象。鱼类在冷却时也有细菌繁殖，因为附着在鱼体的水中细菌，如极毛杆菌、无芽孢杆菌、弧菌等都是低温细菌。 在冷却温度下，微生物特别是低温细菌，它的繁殖和分解作用并没有充分被抑制，只是速度变得缓慢些，时间一长，由于低温细菌的繁殖，就会使食品发生腐败。,9.寒冷收缩,宰后的牛肉在短时间内快速冷却，肌肉会发生显著收缩，以后即使经过成熟过程，肉质也不会十分软化，这种现象叫寒冷收缩。 一般来说，宰后10h内，肉温降低到8以下，容易发生寒冷收缩。 但这温度与时间，对成牛与小牛，或者同一头牛的不同部位都有差异。例如成牛，肉温低于8，而小牛则肉温低于4。,四.食品冷却方法与设备,食品冷却方法有冷风冷却、冷水冷却、碎冰冷却、真空冷却等。,冷水冷却,冷水冷却可用于家禽、鱼、果蔬的预冷却，特别是对鲜度下降快的水果更为适用。 浸渍式； 散水式； 降水式。,被冷却食品直接浸在冷水中冷却并有搅拌器不停地搅拌冷水。,在被冷却食品的上方，由喷嘴把冷却了的加压水呈散水状喷向食品，达到冷却。,被冷却的水果在传送带上移动，上部的水盘均匀地像降雨一样地降水。,碎冰冷却,冰价格便宜、无害，便于携带和储藏。 防止干耗。 冰分为淡水冰和海水冰。,块冰、管冰、片冰、米粒冰,块冰、片冰,真空冷却（减压冷却）,当真空冷却槽内压力降低于66.5Pa时，蔬菜中所含的水分迅速汽化。水变成水蒸气时要吸收2264kJ/kg的汽化热、这些汽化热使蔬菜本身的温度迅速出常温下降到1。 由于冷却速度快，一般冷却时间只需要20-30min，水分蒸发量也只2-4，还不会影响蔬菜新鲜饱满的外观。 国外一般都是在离冷库较远的蔬菜产地大量收获蔬菜后的运输途中使用。,第三节 食品的冻藏,一.食品在冻结时的变化,1物理变化 1.1体积膨胀、产生内压 1mL水在4.4时的质量为1g，此时密度最大。在0时1mL水的质量为0.9999g，冰的质量为0.9168g。 0时冰的体积比水的体积约增大9。,冰的温度每下降1，其体积收缩0.01-0.005。二者相比，膨胀比收缩大得多，所以含水分多的食品冻结时体积会膨胀。,冰层逐渐向内部延伸时，当内部的水分因冻结而膨胀时，会受到外部冻结层的阻碍，于是产生内压，即所渭冻结膨胀压。,根据理论计算冻结膨胀压可达到8.5MPa。 在食品速冻过程中，冻结膨胀压的危害是产生龟裂。当食品外层承受不了内压时，便通过破裂的方式来释放内压。 如在采用温度较低的液氮冻结时，产品较厚时，所产生的龟裂就是内压造成的。在食品通过-1一-5最大冰晶生成带时，膨胀压曲线升高达到最大值。,食品厚度厚、含水率高、表面温度下降松快时易产生龟裂。此外，结冰后冰的膨胀使食品内液相中溶解的气体从液体中分离出来，体积膨胀数百倍，亦加大了食品内部压力。,冻结鳕鱼肉的海绵化，就是由于鳕鱼肉的体液中含有较多的氮气，随着水分冻结的进行成为游离的氮气，其体积迅速膨胀产生的压力将未冻结的水分挤出细胞外，在细胞外形成冰结晶所致。这种细胞外的冻结，使细胞内的蛋白质变性而失去保水能力，解冻后不能复原，成为富含水分并有很多小孔的海绵状肉质。严重的时候，用刀子切开的其肉白断面像蜂巢，食味变淡。,1.2 物理特性的变化,比热容下降 比热容是1kg物体温度上升或下降1时所吸收或放出的热量。 水的比热容为4.2kJ(kg)，冰的比热容为2.1kJ(kg)，即冰的比热容是水的1/2。,食品的比热容也随其含水量而异，含水量多的食品比热容大，含脂量多的则比热容小。 对一定含水量的食品，其在冰点以上的比热容要比冰点以下大。 比热容大的食品速冻时需要的制冷量大，因此食品的比热容对速冻设备与速冻工艺的选择有很大影响。,热导率,水的导热系数为2.1kJ/mhK，冰的导热系数为8.4kJ/mhK，因此，冰的导热系数是水的4倍。由于速冻时冰层向内推进使导热系数提高，从而加快了速冻过程。 导热系数还受含脂量的影响，含脂量大，导热系数小。导热系数还具有方向性，热流方向与肌肉纤维平行时导热系数大，垂直时，则小。,1.3 体液流失,食品经速冻再解冻后，内部冰晶就融化成水。有一部分水不能被食品重新吸收回复到原来状态而成为流失液。 流失液中不仅有水而且还包括溶于水的成分，如蛋白质、盐类、维生素等，不仅使食品重量减少而且风味、营养成分亦损失。,冻结后食品,蛋白质、淀粉等成分失去了保水性,解冻,体液流失,融化的水不能与蛋白质、淀粉等成分重新结合，水就通过肉质中的空隙流出,空隙是由于肉质组织受冻时的机械损伤所造成的,如果机械损伤轻微，因毛细管作用，流失液能保留在肉质内，需加压才能挤出。一般流失液量的多少与含水率有关，含水量多，流失液量亦多。,1.4干耗,速冻过程不仅是个传热过程、而且是传质过程，会有一些水分从食品表面蒸发出来，从而引起干耗。 干耗除了造成经济损失外，也影响产品质量和外观，且影响经济效益。,日宰2000头猪的肉联厂,干耗量2.8或3,年损失达600多吨肉（15000头猪）,经济效益损失严重,2.组织学变化,冻结时植物组织一般比动物组织损伤要大。 植物组织有大的液泡，使植物细胞保持高含水堡，含水量高，水冻结时组织的损伤大。 植物细胞有细胞壁，动物细胞只有细胞膜，细胞壁比细胞膜厚又缺乏弹性，速冻时易胀破。 细胞内成分有差异，特别是大分子蛋白质、碳水化合物等含量及分布上有不同。由于存在这些差异，所以在同样速冻条件下，冰晶的生成量、位