（食品科学专业论文）冻豆腐的冷冻工艺及冷冻数学模型的研究.pdf

摘要 近年来，大豆及豆制品的营养价值越来越受到国内外专家的重视和认可，特别是以豆腐为 代表的中国传统豆制品对人体保健功效吸引了世界各国食品营养学家的目光。冻豆腐作为具有 悠久历史的传统大豆食品，不仅较豆腐容易保藏和运输，而且在冷冻过程中大豆蛋白发生了冻 结变性，使得冻豆腐形成海绵状多孔网络结构，易于入味。但国内的冻豆腐生产还仅限于家庭 自制或小作坊生产，不仅卫生状况槽糕，而且工艺和品质都不佳。 针对上述问题，本文着重研究了冻豆腐冷冻过程的生产工艺，并建立了冷冻过程的数学模 型。具体工作有： 进行了四组单因素实验和一组正交实验，得出了冻豆腐的最佳冷冻工艺为：在加的 条件下冷冻3h ，然后在- 3 c 下熟化2 1 天。且综合考虑弹性和孔径结构，冻豆腐冷冻温度需控 制在一1 0 - 1 5 范围内。 正交实验数据表明，对冻豆腐品质影响最人的因素是熟化时闻，其次为熟化温度，再 次为冷冻温度，而冷冻时间对品质的影响很小。 用t m s - 2 0 0 0 f o o d t e x t u r e a n a l y z e r 检测显示，冻豆腐的弹性随着熟化温度的降低而降 低，并随着熟化时间的延长而增加。 对冻豆腐冷冻过程做了理论分析，采用有限差分法，运用计算机编程工具v i s u a lb a s i c 建立了冻豆腐三维冷冻模型，进行数值模拟计算。直观地描述出冷冻过程中冻豆腐内各个位置 的温度随时间的变化，并准确的得出冻结完成的时间。 通过验证实验证明了数学模型的可靠性，且用最小二乘法确定了实验条件下的冻豆腐 表面的对流传热系数h ( j m 2 k ) 。 运用建立的冷冻数学模型，分析了风速、冻豆腐尺寸大小、冷冻温度等因素对冻结完 成时间的影响。而且进一步预测了更多不同冷冻条件下的冻结情况，从而有利于指导进一步的 规模化大生产及降低能耗。 关键词：冻豆腐，冷冻工艺，豆制品，数学模型 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h en u t r i t i o n a lv a l u eo fs o y b e a na n ds o yp r o d u c t sr e c e i v e dg r o w i n gr e c o g n i t i o n f r o mc h i n e s ea n df o r e i g ne x p e r t s p a r t i c u l a r l yt o f ur e p r e s e n t e dc h i n a st r a d i t i o n a lb e a np r o d u c t so n h u m a nh e a l t he f f e c t sa t t r a c t e dt h ee y e so ft h ew o r l df o o dn u t r i t i o n i s t s f r o z e nt o f ua 5at r a d i t i o n a l s o y b e a nf o o dw i t hal o n gh i s t o r y , n o to n l ym o r ee a s i l ys t o r ea n dt r a n s p o r tt h a nb e a nc u r d ，b u ta l s oi n t h ef r e e z i n gp r o c e s s ，s o y a b e a np r o t e i no c c u r r e df r e e z i n gd e n a t u r a t i o n ，t h a tm a d ef r o z e nt o f up o r o u s n e t w o r ks t r u c t u r ea n dt a s t y h o w e v e r , d o m e s t i cp r o d u c t i o no ff r o z e nt o f ua l s ol i m i t e dt of a m i l yo r i n d i v i d u a lw o r k s h o pp r o d u c t i o n t h es a n i t a t i o n ，t e c h n o l o g ya n dq u a l i wa r ea l lp o o r i nr e s p o n s et ot h e s ep r o b l e m s ，t h i ss t u d yf o c u s e do nt h ef r e e z i n gp r o c e s so ff r o z e ut o f u ，a n d e s t a b l i s h e daf r e e z i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l s p e c i f i cw o r ka sf o l l o w i n g ： w ef i n i s h e df o u rg r o u p so fs i n g l e - f a c t o re x p e r i m e n t sa n dag r o u po fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，g o t t h eb e s tf r e e z i n gp r o c e s s e si s ，i n i o c ，f r e e z i n gf o r3 h ，a n dt h e ni n - 3 c m a t u r i n gf o r2 1d a y s a n d i n t e g r a t e di n t os p r i n g i n e s sa n da p e r t u r es t r u c t u r e ，t h ef r e e z i n gt e m p e r a t u r en e e dt ob ec o n t r o h e di nt h e - 1 5 一1 0 r a n g e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld a t ai n d i c a t e dt h a tt h em a x i l l l a lf a c t o ra f f e c t i n gt h eq u a l i t yo ff r o z e n t o f uw a sm a t u r i n gt i m e ，f o l l o w e db ym a t u r i n gt e m p e r a t u r e ，a n da g a i nf o rf r e e z i n gt e m p e r a t u r e ，a n d f r e e z i n gt i m em i n i m a li m p a c t e do nt h eq u a l i t y d e t e c t i n gr e s u l t sb yt m s - 2 0 0 0f o o dt e x t u r ea n a l y z e rs h o w e dt h a t ，t h es p r i n g i n e s so ff r o z e n t o f ur e d u c e dw i t hm a t u r i n gt e m p e r a t u r er e d u c e d ；a n di n c r e a s e dw i t hm a t u r i n gt i m ei n c r e a s e d w em a d eat h e o r e t i c a la n a l y s i so ff r e e z i n gp r o c e s s , e s t a b l i s h e dt h r e e - d i m e n s i o n a lf r e e z i n g m o d e la n dd i dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n dc o m p u t e rp r o g r a m m i n gt o o l s “v i s u a lb a s i c ”v i s u a lp i c t u r e do ft h et e m p e r a t u r et i m ev a r i a t i o no fv a r i o u sl o c a t i o n si nf r o z e nt o f u , d u r i n gt h ef r e e z i n g p r o c e s s a n dw a c c u r a t e a tt h ec o m p l e t et i m e t h r o u g ho m i f i c a t i o ne x p e r i m e n t sp r o v e dt h er e l i a b i l i t yo fm a t h e m a t i c a lm o d e l s , a n d e x p e r i m e n t su s i n gl e a s ts q u a r em e t h o dd e t e r m i n e dt h es u r f a c ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n th o | n f 1 q o f f r o z e n t u f a i n t h e c o n d i t i o n s o f e x p e r i m e n t s a n a l y z e dw i n dv e l o c i t y , s i z eo ff r o z e nt u f a ，f r e e z i n gt e m p e r a t u r ea n d o t h e rf a c t o r sa f f e c t i n gt h e f r e e z i n gc o m p l e t et i m e ，u s i n gt h ee s t a b l i s h e df r e e z i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l a n df u r t h e rm o l ew e f o r e c a s t e df r e e z i n gs t a t u si no t h e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h u sf a c i l i t a t e dg u i d i n gf l l r t h e ri a 够删c p r o d u c t i o na n dr e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n k e yw o r d s ：f r o z e nt o f u ，t h ef r e e z i n gt e c h n o l o g i c a l , s o yp r o d u c t s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权迸鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：年月日 浙江大学博( 颤) j j 学位论史 冷冻t 艺对冻豆腐品质的影响 第一章绪论 1 1 大豆及豆制品的营养价值 大豆原产于中国，古称“菽”。中华民族食用大豆的历史可以追溯到5 0 0 0 年前，大豆食品对 中华民族的繁衍生息具有不可低估的价值。中国人发明的传统食品：豆腐、腐乳、腐竹、豆豉、 豆酱等，无论从营养上，还是从文化上评价，都堪称中华食品之瑰宝，世界食林之精华。 1 1 1 大豆的营养价值及生理功能 大豆营养丰富，被誉为“田间长出的肉”。其中最有代表性就是其中含有的丰富的蛋白质( 约 4 0 左右) ，其品质可与优质的动物蛋白相媲美。通常，评价一种蛋白质的营养品质由三个因素 决定( 李里特等，1 9 9 9 ) ：蛋白质的必需氨基酸组成；蛋白质的消化率；人体对氨基 酸的需求。下表1 - 1 清楚地显示，大豆蛋白中含有的8 种人体必需氨基酸的组成更接近 f a o w h o 的推荐标准。而另一项对人和动物的临床研究表明( 李里特等，1 9 9 9 ) ：大豆蛋白产 品的消化率可与肉、奶、蛋相媲美。其中对2 4 岁的幼儿临床研究表明，当摄入量相同时，大 豆分离蛋白的消化率可与牛奶蛋白相同，个别品牌的大豆分离蛋白的消化率甚至高于牛奶蛋白。 表i - i 不同蛋白中8 种必需氨基酸组成的比较( g l o o g 蛋白质) ( 李理，1 9 9 9 ；丛建民，2 0 0 3 ；徐临玉，2 0 0 0 ；周雪松等，2 0 0 5 ) t a b l e1 - 1c o m p a r i s o no f 8k i n d se s s e n t i a l a m i n o a c i df r o md i f f e r e n tp r o t e i e ( w l o o gp m ) 据资料报道( 赵德安，2 0 0 1 ) ，大豆脂肪中含有8 5 4 的不饱和脂肪酸，较其它动物脂肪 配比更健康( 如下图1 2 所示) 。其中哑油酸、亚麻酸和花生四烯酸等人体必需脂肪酸占脂肪总 量的5 2 2 。除此之外，大豆脂质中还含有8 7 8 的卵磷脂。卵磷脂能在卵磷脂胆固醇酰基 转移酶作用下，使胆固醇酯化，转入血浆而排出体外。因此，经常食用大豆制品，可降低血胆 固醇和预防高血压、动脉硬化和心血管等疾病。 3 浙江大学博( 硕) i ：学位论文 冷冻t 艺对冻豆腐品质的影响 表1 - 2 常见几种含蛋白的食物中脂质组成( g 1 0 0 9 可食用部分) ( u s d a n a t i o n a l n u t r i e n t d a t a b ：m e f o r s t a n d a r d r e f e r e n c e ，2 0 0 5 ) t a b l e i - 2 c o m p o s i t i o n s o f l i p i d s f r o m f a m i l i a r f o o dc o n t a i n i n g p m i e j n ( g 1 0 0 9 e d i b l e p o r t i o n ) 除此之外，大豆中还含有许多功能性成分，如近些年关注比较多的大豆异黄酮、大豆低聚 糖等。现代科学研究表明( 唐传核等，2 0 0 5 ：李志胜等，2 0 0 0 ；李红梅等，2 0 0 2 ；丛建民，2 0 0 3 ) ， 它们具有许多生理功能，如抗动脉硬化( g o n gy a n g ，2 0 0 5 ) 、防治妇女更年期综合症、预防骨 质疏松等等，具体各活性成分及其功能见下表1 3 。尤其是美国f d a ( 1 9 9 9 ) 在审核了大量长 期研究的数据后，发表了一条健康公告，指出：每天食用2 5 9 大豆蛋白能降低心血管疾病。这 是f d a 仅有的1 2 条食品健康声明之一，提倡公民更多地食用大豆食品。 襄1 - 3 大豆中的保健成分及其功能( 李里特，2 0 0 6 ) t a b l e1 - 3h e a l t hc a r ec o m p o n e n t sa n dt h e i r f u n c t i o n so f s o y b e a n 成分 生理功能 大豆蛋白 大豆多肽 卵磷脂 大豆异黄酮 膳食纤维 大豆低聚糖 a 亚麻酸 大豆皂甙 v e 亚油酸 v k 生物凝血素 胰蛋白酶抑制素 植物同醇 植酸钙镁 降血清胆固醇、抗动脉硬化、改善肥胖，抑制老化 易消化吸收、降血清胆固醇，降血压 改善脂质代谢、保护神经系统功能( 记忆、学习) 雌性激素作用、预防骨质疏松和癌症 改善消化器官功能和脂质代谢，预防结肠癌等 益生菌因子，改善消化器官功能 必需脂肪酸、改善循环系统患疾、降低血脂、抗过敏，改善学习能力 改善脂质代谢、抗氧化作用、增进食欲 抗氧化、改善循环系统患疾 必需脂肪酸、改善胆固醇代谢 预防骨质疏松和血液凝固 提高免疫力 抗癌作用 降胆同酵( 胚乳植物围醇) 、改善心脏患疾和前列腺癌 妨碍矿物质吸收、抗癌、调节1 日固醇代谢 4 浙江人学博( 硕) b 学位论立 冷冻t 艺对冻豆腐品质的影响 1 1 2 传统豆制品的营养价值 豆腐源自大豆，是传统豆制品中的最具代表性的产品，含有丰富的蛋白质、脂肪、碳水化 合物、维生素b 1 ，b 2 和微量元素等营养物质( 具体见下表1 4 ) 。资料显示( 骆承库等，1 9 8 3 ) ， 整粒大豆的消化率为6 5 ，制成豆浆后的消化率为8 4 9 ，制成豆腐则可达到9 6 。民间 常说：“鱼生火，肉生痰，青菜豆腐保平安”。可见，豆腐在我国人民的膳食结构及健康饮食中 居于极其重要的地位。 表1 4 豆腐、豆浆和牛奶的主要营养成分比较( 李里特，2 0 0 6 ) t a b l e l - 4 c o m p a r i s o n o f m a i n n u t f i t i o n c o m p o n e n t s f r o m t o f u , s o y b e a n m i l k a n d m i l k 堡壁垒曼旦旦量! g !曼皂! g !堕堕! g !塑! 墨g !壁q 骤! 豆腐半块3 0 02 72 1 3 6 05 1 豆浆1 杯 牛奶1 杯 2 0 0 2 0 0 8 5 8 6 6 4 5 0 2 0 0 2 6 0 2 1 2 大豆加工利用现状 一般来说，大豆加工制品分为传统豆制品和新兴大豆制品两大类，品种有万余种，具体分 类见下图1 - 1 。 r 豆腐：南豆腐、北豆腐、水豆腐、内酯豆腐等。 i 半脱水制品：白豆腐干、豆腐干、千张、豆腐皮等。 厂非发酵j卤制品：五香干、茶干、兰花干、素鸡、素牛肉等。 li 油炸制品：豆腐泡、油炸豆腐条、豆腐果、油豆腐等。 ，一传统豆制品jl 熏制品：熏干、熏豆腐、熏素鸡、熏素肠等。 l1其它制品：豆浆、豆腐脑等。 。l厂腐乳类：红腐乳、白腐乳、辣腐乳、臭腐乳等。 一 il 发酵j 酱油类：生抽、老抽，白酱油、红酱油，配制酱油等。 。i 豆酱和豆豉类：豆瓣酱、甜豆酱、干豆豉，湿豆豉等。 一 il 其它类：霉豆腐、臭豆腐、霉豆渣、发酵豆乳等。 ir 油脂系列：色拉油、烹调油、调和油、起酥油、植酯末等。 ii 蛋白系列：分离蛋白、蛋白粉、蛋白饮料，脱脂豆粉等。 - 新兴豆制品_ 冷冻温度 冷冻时间。 当四个闪素的水平分别为a 2b 3c ld 3 即冷冻温度为一1 0 。c 、冷冻时间为3 5 h 、熟化温 度为3 、熟化时间为2 1 天时，冻豆腐的弹性和耐咀嚼性最高。这与前面2 3 1 2 3 4 单因素 实验得出结论一致。 2 4 本章小结 冻豆腐的最佳生产工艺为：在1 0 c 下冷冻3 h ，然后在- 3 下熟化2 1 天。 对冻豆腐品质影响最大的因素是熟化时间，其次为熟化温度，再次为冷冻温度，而冷 冻时间对品质的影响很小。 综合考虑弹性和孔径结构，冻豆腐冷冻温度需控制在1 0 。c 1 5 。c 范围内。 冻豆腐的弹性随着熟化温度的降低而降低，随着熟化时间的延长而增加。 2 1 浙江人学博( 硕) 上学位论文冻豆腐冷冻数学模型的研究 3 1 前言 第三章冻豆腐冷冻数学模型的研究 冷冻食品的发展已有7 0 多年历史，最早于1 9 2 8 年起源于美国。我国冷冻食品的发展起步 较晚。7 0 年代初期，在北京、上海等地才引进了生产速冻蔬菜和速冻点心的设备( 刘朝华，2 0 0 5 ) 。 虽然我国的冷冻食品兴起发展只有短短的一、二十年的时间，但随着改革开发的深化，国内市 场发展潜力很大，冷冻食品具有广阔的前景( 胡卓炎，1 9 9 7 ) 。 事实上，食品的冻结过程是对流和导热综合作用的复杂的非稳态过程。冷量通过热传导和 对流的方式从空气传递到食品或物料表面，再通过传导方式从食品物料表面传递到内部，直到 中心而完成冻结。随着冻结过程的延续，相变界面逐渐向中心迁移。在整个冻结过程中，冻结 速度和温度分布及其变化直接影响产品的质量。对食品的冷冻过程进行传热分析，计算冷冻过 程中温度变化和冻结层的增长情况，对冻结时间作出预测，对于指导工艺设计，改进操作条件、 提高产品质量等方面都有一定的指导意义。而且合理的冷冻工艺还能解决冻结过程中大量能耗 的消耗问题。 随着冷冻食品工业的迅猛发展，冷冻加工技术和冷冻设备也得到了相应的发展。多年来国 内外研究者对食品冻结的模拟计算方法进行了大量研究，获得了一些能用于实际并能指导生产 与设计的计算方法和公式。但目前，国内外对于冻结过程传热的研究主要还是集中在简化计算 ( m o h a m m e df a r i d ，2 0 0 1 ；董铁有，2 0 0 5 ) 、冷冻干燥过程( s h e n g zr a n dp e c k , r e 1 9 7 5 ： 温海骏，2 0 0 4 ；谢国山等，2 0 0 3 ；刘永忠，1 9 9 9 ) 、一维二维计算( 崔占峰等，1 9 8 9 ；陈孟林等， 2 0 0 0 ；汪喜波，2 0 0 0 ) 和果蔬鱼肉( a c c l e l a n d ，1 9 8 5 ；谢晶，2 0 0 4 ；李素云等，2 0 0 4 ) 等方 面，对于三维纯冻结过程的准确数值模拟尤其是豆制品方面几乎是没有的。 本章采用有限差分法，通过v i s u a lb a s i c 语言编程来模拟冻豆腐在冻结过程的温度随时问 的变化，建立三维传热数学模型。通过实验验证模型的可行性，并通过模型计算来预测其它更 多冷冻情况下的冻豆腐冷冻情况，分析风速，冷冻温度、冻豆腐尺寸大小等对冻结完成时间的 影响，从而为工业化生产提供一定的参考价值。 3 2 实验材料和方法 3 2 1 实验材料 材料：市售老豆腐( 杭州豆制品有限公司) ，蒸馏水等。 3 2 2 实验仪器与设备 本实验研究主要使用的仪器设备见表3 - 1 。 浙江人学博( 硕) l 学位论文 冻豆腐冷