冷冻工艺学技术培训课程.doc

第四章 食品的低温保藏 绪论掌握食品低温保藏的原理掌握食品冷却与冷藏方法及其质量控制掌握食品冻结与冻藏方法及其质量控制了解食品解冻过程、方法及其质量控制第一节 绪论我国古代的冷藏技术 制冷技术的发展历史 国内外冷冻食品的发展现状 食品冷藏与冻结技术的发展 是一门使用人工制冷技术来降低温度以保藏食品和加工食品的科学，即它是专门研究如何使用低温条件来达到最佳地保藏食品和加工食品的方法，以使各种食品达到最大保鲜程度。冷冻工艺学我国古代的冷藏技术 战国时期铜冰鉴 1977年于湖北随县曾侯乙墓出土一件冰酒器。汉朝人们已经掌握了用地窖来贮藏天然冰的技术。 大富人家，地下有冰室，室有数井，井深十五丈，用于藏冰及石墨。由此可见，在一千七百多年前的三国时代，利用天然冰雪来降温和保藏食品的规模已经相当可观，这在当时世界上是首屈一指的。 唐朝之后天然冰雪作为冷源已经被广泛利用马可波罗行记13世纪明代运河两岸修建冰库清代光绪年间，北京已专设冰窖我国北方某些地方仍有采用。制冷技术的发展历史 1834年英国人Jacob Perhking发明了以乙醚为冷媒的压缩式冷冻机，他是世界上第一部实用的冷冻机。1860年法国人发明以氨为制冷剂，以水为吸收剂的压缩式冷冻机。1872年美国人David、Boyle与德国人Carl Von Lnde分别单独发明以氨为冷媒的压缩式冷冻机。这些冷冻机当时为制冰机使用，代替天然冷源。18771878年法国人Charles Tellier为解决把牛羊肉从新西兰和阿根廷等国运回法国，开始用氨吸收式冷冻机。1930年以来，在家用冰箱上，大量使用无毒、无味的氟利昂制冷剂，它不像氨气那样有爆炸的危险。但氟利昂易破坏臭氧层，所以又推出了溴化锂、含氢氟烃等冷媒。20世纪70年代，出现了液态氮和液态二氧化碳作为冷媒的制冷技术，它可以直接喷洒在食品的表面，不仅可以急冷，而且可以进行深冷，如果用液氮利用得到-196的低温。食品冷藏与冻结技术的发展冷冻食品的形式不断得到改进 冻结方式的改进 冷源的制冷装置也有新的突破 对于各种食品的冷冻、冷藏、运输、销售等各个环节的温度条件有了进一步的认识 国内外冷冻食品的发展现状 中国1891年在上海制造人造冰 19151916年，上海、南京、汉口等地先后建成了由外国资本经营的冻蛋、冻肉、冻家禽厂 。到1933年，这类冷库增加到3035座。 20世纪60年代和80年代两个重要的发展阶段 制冷自1999年起，全国连锁超市中销售的食品日用品中，速冻食品销售额均名列第一。 速冻食品 从1995年起，我国速冻食品的年产量每年以20的幅度递增，成为90年代发展最快的食品加工业，速冻食品年产量接近1000万吨。近年来，我国现有各类速冻食品生产厂家近2000家，年销售额达100亿元。 20世纪70年代初速冻蔬菜20世纪80年代初速冻点心速冻调理食品20世纪90年代初速冻饺子速冻馄饨速冻汤圆国内速冻食品存在的问题产品品种亟待增加 中国，150多个品种 美国，速冻食品多达2700多种 日本的速冻食品据说有3100多种 质量、风味有待提高 慢冻食品粘连现象 购买者购买的首要原因是因为方便，至于对于产品口味的评价，只有9的购买者表示“好吃”或“很好吃”。 打折促销 包装有待升级 塑料袋包装已不符合当今世界食品包装潮流，纸盒包装是新的发展趋势。 美国用于速冻食品包装的纸盒内外表层都涂有一种可耐249摄氏度高温的塑料膜，这种包装可在微波炉和普通烤箱中加热，其成本也较低。 美国人均年消费冷冻食品2000年已达63.6kg世界第一位日本韩国台湾省l0kg以上英、法、德等欧盟国家2040kg如何理解冷冻食品比新鲜食品更新鲜，冷冻被认为是保存食物的最佳方式 这是因为商业化冷冻的农产品是在成熟度和营养价值最高时候采收，直接送到最近的冷冻工厂立即处理而得以保存其营养成分。 第二节 食品冷冻保藏原理 新鲜的食品在常温下存放，由于附着在食品表面的微生物作用和食品内所含酶的作用，使食品的色、香、味和营养价值降低，如果久放，能促使食品腐败或变质，以致完全不能食用，这种变化叫做食品变质。1.引起食品腐败变质的主要因素生物学因素 化学因素 其他因素 微生物 酶的作用 非酶作用 氧化作用 温度 水分 光 乙烯 外源污染物 物理因素 害虫和啮齿动物害虫对于食品储藏的危害性很大某些食品储藏损耗加大的直接原因 由于害虫的繁殖、迁移，以及他们所遗弃的排泄物、皮壳和尸体等还会严重污染食品，使食品丧失商品价值。 目前对食品危害性大的害虫有甲虫类、蛾类、蟑螂类和螨类。酶的作用 多聚半乳糖醛酸酶：催化果胶中多聚半乳糖醛酸残基之间的糖苷键水解，导致组织软化酯氧合酶：催化脂肪氧化，导致臭味和异味产生果胶甲酯酶：催化果胶中半乳糖醛酸酯的脱酯作用，可导致组织硬化 抗坏血酸酶：催化抗坏血酸氧化，导致营养素的损失叶绿素酶：催化叶绿醇环从叶绿素中移去，导致绿色的丢失酶的作用 非酶作用 美拉德反应焦糖化反应抗坏血酸氧化抗坏血酸氧化脱氢抗坏血酸氨基酸美拉德反应红褐色产物抗坏血酸缺氧酸性条件糠醛聚合褐色物质温度范特霍夫(Vant Hoff)规则即温度每升高10，化学反应的速度增加24倍。Q10=(t+10)/t（temperature coefficient）反应速度常数与绝对温度成指数关系 故降低食品的环境温度，就能降低食品中化学反应速度，延缓食品的质量变化，延长储藏寿命。温度系数 2. 栅栏技术2.1栅栏技术的提出 变质食品食品加工、储运、销售和消费 低温保藏、罐藏、浓缩保藏、化学保藏、发酵保藏、辐照保藏 栅栏因子（hurdle factor）高温处理（F）低温冷藏（t）降低水分活度（AW）酸化（pH值）低氧化还原电势（Eh）添加防腐剂（Pres）竞争性菌群辐照德国肉类研究中心Leistnrer（1976）提出的 障碍因子 栅栏效应 从微生物学角度考虑，栅栏效应（hurdle effect）是指在保藏食品的数个栅栏因子中，它们单独或相互作用，形成特有的防止食品腐败变质的“栅栏”（hurdle），使存在于食品中的微生物不能逾越这些“栅栏”。这种食品即是稳定和安全的。栅栏效应的例子 理想化栅栏效应模式 较为实际型栅栏效应模式 初始菌数低的食品栅栏效应模式 初始菌数多或营养丰富的食品栅栏效应模式 栅栏效应的例子 栅栏效应的例子 经过热处理而又杀菌不完全的食品栅栏效应模式 栅栏顺序作用模式 栅栏效应的例子 栅栏协同作用模式 栅栏效应是食品保藏性的根本所在 栅栏效应揭示了食品保藏的基本原理 食品防腐可利用的栅栏因子很多，但就每一类食品而言，起重要作用的因子可能只有几个，因通过科学分析和经验积累，准确地把握其中的关键因子。研究的思路 对于一种稳定性高、保藏性好的食品，AW 、pH值、t、Pres等栅栏因子的联合或复杂的交互作用，对抑制微生物生长、繁殖、产毒起着关键的作用，任何单一因子都不足以抑制微生物的危害。栅栏技术的应用 用于食品加工和保藏中的微生物控制 用于食品加工、保藏中的工艺改造 新产品开发 3. 食品低温保藏原理 微生物繁殖和酶的活动都与温度有关，随着温度降低，特别是食品在冻结时，生成的冰晶体使微生物细胞受到破坏，使微生物丧失活力不能繁殖，甚至死亡；同时酶反应受到严重抑制，失去催化能力，甚至被破坏。其他反应如呼吸作用、氧化等也随温度的降低而显著减慢。因此，食品就可在低温条件下长期储藏而不会腐败变质。 3.1 低温对微生物的影响608055754045嗜热微生物（thermophile）405025401015嗜温微生物（mesophile）20401020-105嗜冷微生物(psychrophile)举 例最高温度最适温度最低温度类 群 微生物的适应生长温度（）温泉、堆肥中微生物腐败菌、病原菌水和冷库中的微生物 微生物对于低温的敏感性较差。绝大多数微生物处于最低生长温度时，新陈代谢已减弱到极低的程度，呈休眠状态。 进一步降温，就会导致微生物的死亡，不过在低温下，它们的死亡速度比在高温下缓慢得多。 低温对微生物影响的一般情况低温对微生物影响的特殊情况 少数微生物能在一定的低温范围还可以缓慢生长。温度在6时几乎能阻止所有食物中病原菌的生长，但有一些嗜冷菌尚能缓慢生长。 3.2 低温对酶活性的影响 食品中的许多反应都是在酶的催化下进行的，而酶的活性(即催化能力)和温度有密切关系。大多数酶的适宜活动温度为3050。随着温度的升高或降低，酶的活性均下降 。温度系数Q10 温度系数Q10可衡量因温度而发生变化的酶的活性： Q10=K2/K1K2为温度增加到T+10K时酶活性所导致的化学反应率。Q10为温度每增加10K时因酶活性变化所增加的化学反应率；K1为温度T时酶活性所导致的化学反应率；几种水果呼吸速率的温度系数Q10 部分蔬菜呼吸速率的温度系数Q10 低温对酶活性影响的情况 酶活性在冷冻、冷藏中虽有显著下降，但并不说明酶完全失活，即低温对酶并不起完全的抑制作用，在长期冷藏中，酶的作用仍可使食品变质。 3.3低温对其他变质因素的影响氧化作用、生理作用、蒸发作用、机械损害、低温冷害等。 无论是细菌、霉菌、酵母菌等微生物引起的食品变质，还是由酶引起的变质以及其他因素引起的变质，在低温的环境下，可以延缓、减弱它们的作用，但低温并不能完全抑制它们的作用，即使在冻结点以下的低温，食品进行长期储藏，其质量仍然有所下降。低温保藏对食品贮藏的影响第三节 食品冷藏工艺技术食品的冷却食品的冷藏食品在冷藏过程中的质量变化食品冷藏工艺食品的冷却和冷藏冷却 是冷藏的必要前处理，其本质上是一种热交换的过程，冷却的最终温度在冰点以上。 冷藏 是冷却后的食品在冷藏温度(常在冰点以上)下保持食品品质的一个储藏方法。 3.1食品的冷却冷却的目的 冷却速度和冷却时间 冷却方法 冷却的目的 食品冷却的目的就是快速排出食品内部的热量，使食品温度在尽可能短的时间内(一般为几小时)降低到冰点以上，从而能及时地抑制食品中微生物的生长繁殖和生化反应速度，保持食品的良好品质及新鲜度，延长食品的储藏期。 食品冷却一般是在食品的产地进行产地加工车间冷藏库市场低温环境保持食品原有品质 阻止微生物的繁殖采摘后24h冷却96h后冷却0下储藏5周不腐烂梨30%的梨腐烂 甜玉米糖分贮藏过程中的丧失情况冷却速度和冷却时间食品在冷却过程中，内部热量传递（Q）依傅里叶定律： Q= -FgradT gradT为温度梯度(Km-1)；为导热系数(Wm-1K-1)；F为导热面积(m2)。食品的冷却速度 物料内部温度环境温度物料形状 食品的冷却速度就是食品温度下降的速度，由于食品内各部位的温度不一样，所以食品温度的下降速度只能以食品平均温度的下降速度来表示。 物料内部温度表面温度s中心温度c表面与中心之间的温度差m平均温度 食品内部温度的分布是向上方凸的曲线，离表面越近，温度梯度越大，因此冷却速度也越大。从图2-3中可看出，表面温度s下降的速度最快，中心温度c下降最慢，特别是冷却的开始阶段，食品中心部位的温度下降得特别缓慢。 当食品厚度很小时，冷却速度与对流放热系数K成正比，而与导热系数无关。在这种情况下，对流放热速度K是影响冷却速度的主要因素，因此增大冷却介质的流动速度，提高K的数值就可以增大冷却速度，缩短冷却时间。 平板状食品1 当食品厚度很厚时，冷却速度与导热系数成正比，而与对流放热系数A无关。在这种情况下，导热的快慢是决定冷却速度的关键，企图通过增大空气流速来加快冷却速度是困难的，只有减小食品的厚度来增大冷却速度。平板状食品2 半径为R的圆柱状食品，它的圆周面都一样的被冷却。圆柱状食品的冷却与平板状食品不同的是，它内部的传热面积与半径R成正比，其他均相同。圆柱状食品球状食品 半径为R的球状食品，它的表面都一样的被冷却。球状食品的冷却与平板状食品不同的是，它内部的传热面积与半径R成正比，其他均相同。食品的冷却时间冷却方法空气冷却法 冷水冷却法 碎冰冷却法 真空冷却法 利用强制流动的低温冷空气流过食品表面使食品的温度下降的一种冷却方法。 空气冷却法方法空气冷却冰块或机械制冷风道吹出冷却间或冷藏间热量降温循环冷空气冷风机食品五种不同吸吹风形式的冷风机冷风机肉类冷风冷却装置冷风冷却系统示意图循环吊钩风道冷风机冷风冷却系统示意图（3）冷风冷却系统示意（4）冷风冷却系统示意图（5） 工艺条件的选择要根据食品的种类、有无包装、是否易干缩、是否快速冷却等来确定。空气冷却法工艺参数空气冷却法的工艺效果温度相对湿度流速空气可对于未包装食品，采用空气冷却时会产生较大的干耗损失。空气冷却法适用范围水果蔬菜鲜蛋乳品肉类家禽预冷处理冻藏食品冻结使用范围较广，广泛地用于不能用水冷却的食品。优点缺点果蔬的空气冷却果蔬冷却间冷藏库初期空气流速12m/s末期空气流速1m/s空气相对湿度冷藏温度冷却间温度085%95%根据水果、蔬菜等品种的不同，将其冷却至各自适宜的。畜肉的空气冷却1传统方法：全部在冷却间完成冷却空气温度0左右风速0.51.5m/s2m/s相对湿度90%98%胴体后腿肌肉最厚部中心的温度4冷却时间24h畜肉的空气冷却2改进方法：变温快速两段冷却法，整个时间1418h第一阶段快速冷却隧道冷却间空气流速2m/s空气温度-5-15相对湿度90%24h时间胴体表面温度后腿中心温度0-21620特征散热快，肉胴体表面温度达0以下，形成了“冰壳”；第二阶段自然循环冷却间温度1-1相对湿度90%1014h半白条肉内外温度基本趋于一致，达到平衡温度4时，即可认为冷却结束。时间优点：食品干耗小，平均干耗量为1%；肉类的表面干燥，外观好，肉味佳，在分割时汁液流失量少。 禽肉的空气冷却空气温度23相对湿度80%85%风速1.01.2m/s禽胴体温度5以下冷却时间7h左右提高风速4h左右鲜蛋的空气冷却在专用的冷却间内完成蛋箱堆垛冷却开始蛋空气温度一般低于蛋体温度23过程每隔12h将冷却间空气温度降低1左右相对湿度75%85%0.30.5m/s24h蛋体温度13空气流速冷却时间通过低温水把被冷却的食品冷却到指定温度冷水冷却法预冷水箱水蒸发器食品冷水搅拌器冷却槽蒸发器食品冷水现代冰蓄冷技术方式喷淋式 浸渍式 冷水冷却方法混合式被冷却的食品直接浸在冷水中冷却，并有搅拌器不停地搅拌冷水，提高传热速度和均匀性，加快食品的冷却。 混合式冷却装置一般采用先浸渍后喷淋的步骤 。冷水冷却的范围和特性 因为产品的外观会受到损害，而且失去了冷却以后的储藏能力。鱼类、家禽水果、蔬菜和包装食品易变质的食品大部分食品应用范围优点缺点传热系数高冷却速度快避免干耗被冷却食品之间易交叉感染碎冰冷却法 冰块融化时会吸收大量的热量，其相变潜热为334.9KJ/kg。当冰块和食品接触时，冰的融化可以直接从食品中吸取热量使食品迅速冷却。 碎冰冷却法特别适宜于鱼类的冷却，因为它不仅能使鱼冷却、湿润、有光泽，而且不会发生干耗现象。 淡水冰海水冰冷却淡水鱼冷却海水鱼透明冰不透明冰形状机制块冰管冰片冰米粒冰不允许用被污染的海水及港湾内的水来制冰碎冰冷却(干式冷却) 水冰冷却(湿式冷却) 方式冷海水 为了提高碎冰冷却的效果，要求冰要细碎，冰与食品的接触面积要大，冰融化成的水要及时排出。 冷却方式真空冷却法 真空冷却也叫减压冷却。其原理是真空降低水的沸点，促使食品中的水分蒸发，因为蒸发潜热来自食品自身，从而使食品温度降低而冷却。 主要适用于叶类蔬菜的快速冷却菠菜生菜甜玉米 1真空泵 2冷却器 3真空冷却槽 4膨胀阀 5冷凝器 6压缩机 真空冷却系统真空冷却方法的特点 冷却速度快、冷却均匀 先将食品原料湿润，为蒸发提供较多的水分，再进行抽真空冷却操作。其作用是加快降温速度；减少植物组织内水分损失，即减少原料的干耗。叶菜总质量1%温度6缺点食品干耗大、能耗大，设备投资和操作费用都较高。按食品的种类和冷却的要求不同，使用不同的冷却方法 3.2 食品的冷藏 空气冷藏法 自然空气冷藏法 机械空气冷藏法 空气冷藏工艺 冷藏温度 空气相对湿度 空气流速 冷藏温度储藏期 冷藏库规模 冷藏温度冷库内空气的温度食品物料的温度物品性质 冷藏室内的温度应严格控制。任何温度的变化都可能对冷藏的食品物料造成不良的后果。 空气相对湿度 冷藏室内空气中的水分含量对食品物料的耐藏性有直接的影响。不宜过湿不宜过干大多数水果和植物性食品8590绿叶蔬菜、根菜类蔬菜和脆质蔬菜9095坚果类70以下畜、禽肉类8590干态颗粒状食品物料50以下一些肉和肉制品的冷藏条件和储藏期一些鱼和鱼制品的冷藏条件和储藏期牛乳的储藏时间及应冷却的温度鲜蛋冷藏条件 3.3食品在冷藏过程中的质量变化 水分蒸发 冷害 后熟作用 移臭和串味 肉的成熟 寒冷收缩 脂肪的氧化 其他变化 水分蒸发 水果、蔬菜水分蒸发失去新鲜饱满的外观影响其柔嫩性和抗病性肉类食品质量减轻表面出现收缩、硬化，形成干燥皮膜肉色变化鸡蛋气室增大蛋品品质下降质量减轻 在低温储藏时，有些水果、蔬菜等的储藏温度虽未低于其冻结点，但当储温低于某广温度界限时，这些水果、蔬菜就会表现出一系列生理病害现象，其正常的生理机能受到障碍失去平衡。这种由于低温所造成的生理病害现象称之为冷害。 冷害 冷害的症状组织内部变褐和干缩外表出现凹陷斑纹出现水渍状斑块不能正常成熟产生异味后熟作用 水果在低温冷藏期间，将伴随着后熟作用的发生。果实内的成分和组织形态也将进行一系列的转化。可溶性糖含量升高糖酸比例趋于协调可溶性果胶含量增加果实香味变得浓郁颜色变红或变艳成熟特征硬度下降寒冷收缩畜禽屠宰后在未出现僵直前快速冷却，肌肉发生显著收缩，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。宰后l0h内，肉温降到8以下，容易发生寒冷收缩。牛和羊肉禽类肉种类当肉的pH值低于6时极易出现寒冷收缩。肉体部位肉的表面肉质变硬嫩度差解冻后会出现大量的汁液流失肉的内部表现3.4 食品冷藏工艺加工整理 库房准备 包装 入库 码垛 温湿度管理 通风换气 出库 预冷 洋白菜 花椰菜 第四节 食品的冷冻 食品冻结可使食品中大部分甚至全部水分形成冰晶体，从而减少游离水，使微生物的生长受到抑制，适当的低温和失去反应介质的作用下同样被大大降低；脂肪酸败、维生素分解等作用在冻藏时也会减缓。冻藏能够延缓食品的腐败，而不能完全终止腐败。 4.1食品冻结过程 水的冻结过程 食品冻结过程的特征 食品冻结过程中的水分结冰率与最大冰晶区 食品冻结时的放热量 冻结速度与冻结时间 冻结过程中的热量传递、食品的温度变化与分布 4.1.1水的冻结过程水0的水过冷状态的水冰晶核冰点冻结（过冷临界温度或过冷温度）（潜热）过冷状态 温度先要降到冰点以下才发生从液态的水到固态冰的相变。 降温过程中开始形成稳定性晶核时的温度或在开始回升的最低温度。 过冷临界温度或过冷温度水的冻结过程 晶核周围的水分子有次序地不断结合到晶核上面去，形成大的冰晶体。结冰晶核的形成（nucleation）冰晶体的增长（ice growth） 极少部分的水分子有规则地结合在一起，形成结晶的核心，这种晶核是在过冷条件达到后方出现的。冷冻时水的物理特性水的比热是4.184kJ/kg/K。冰的比热是2.092 kJ/kg/K，冰的比热约为水的1/2。 水的热导率为0.58W/m/K，冰是2.34 W/m/K，冰的热导率是水的4倍左右。 冻结速度快，解冻速度慢 。冰比水降温快水结成冰后，冰的体积比水增大约9%，冰在温度每下降1时，其体积则会收缩0.01%0.005%，两者相比，膨胀比收缩大。 冷冻时水的物理特性“冻结膨胀压” 龟裂现象 “冻结膨胀压” 如果外层冰体受不了过大的内压时，就会破裂。冻品厚度过大、冻结过快，往往会形成这样的龟裂现象。 冻结时，表面的水首先结冰，然后冰层逐渐向内伸展。当内部水分因冻结而膨胀时，会受到外部冻结了的冰层的阻碍，因而产生内压。龟裂现象4.1.2食品冻结过程的特征 食品多元组分冻结平台纯水1.初始冻结温度2.当冷却到某一温度时，食品内未冷冻水的分数1.食品的初始冻结点温度总是低于零度食品初始结冻点低于零度由于食品中的自由水溶有可溶性固形物食品的冰点或冻结点(freezing point)水分含量水分状态拉马尔（Raoult）法则冻结点的降低物质的浓度成正比各种食品的成分l mol/L溶质下降1.86不同食品的冰点即使在温度远低于初始冻结点的情况下，仍有部分自由水还是非冻结的。 2.有部分自由水是非冻结的食品中的水分纯水全部冻结成冰食品的低共熔点水溶液一部分水结成冰余下的水溶液的浓度升高残留溶液的冰点不断下降部分自由水还是非冻结的少量的未冻结的高浓度溶液只有当温度降低到低共熔点时，才会全部凝结成固体。-55-654.1.3 冻结温度曲线初阶段 中阶段 终阶段 初阶段 食品大多有一定厚度，冻结对时其表面层温度降得很快，故一般食品不会有稳定的过冷现象出现。 从初温至冻结点，这时放出的是“显热”，显热与冻结过程所排出的总热量比较，其量较少，故降温快，曲线较陡。其中还会出现过冷点。A-S-B中阶段 此时食品中水分大部分冻结成冰，由于水转变成冰时需要排除大量潜热，整个冻结过程中的总热量的大部分在此阶段放出，故当制冷能力不是非常强大时，降温慢，曲线平坦。B-C 食品冻结时，其中的大部分水分是在靠近冻结点的温度区域内形成冰晶体的，如下降至其中心温度为-5时，食品内已有80%以上水分冻结。而到了后面，水分结冰率随温度变化的程度不大。 通常把冻结时使水分结冰率发生变化最大的温度区域称为最大冰晶生成区。最大冰晶生成区(zone of maximum ice crystal formation) 终阶段 C-D从成冰后到终温(一般是-5 -18)放出的热量冰的降温水继续结冰曲线有时不及初阶段陡峭4.1.4冻结率(frozen water ratio) 食品冻结过程中水分转化为冰晶体的程度，通常也用水分结冰率（）表示。指的是食品冻结时，其水分转化为冰晶体的比率。 冻结率(frozen water ratio) 冻结过程中水分结冰率与食品的温度有关=（1-t冰/t）100%式中结冰率，%t冰食品的冻结点，t食品的低于结冻点的某一温度，冻结率(frozen water ratio) 4.1.5 食品冻结时的放热量 冻结开始前食品的放热量 q1=Co（T初T冻） 冰晶体形成时的放热量 q2=Wr冰 冻结食品降温过程中的放热量 q3=CT(T冻T终) 冻结过程中的热量传递、食品的温度变化与分布 食品冻结时食品与冷冻介质之间的温差食品内部的温差随着冻结过程发生变化4.1.6 冻结速度 在食品的冻结过程存在一个外部冻结层与此层向内部非冻结区扩张推进的过程，从而，可以用两者之间界面的位移速度来表示物体的冻结速度。 冻结速度 冻结速度的快慢一般可用食品中心温度下降的时间或冻结层伸延的距离来划分。 时间划分 距离划分 时间划分 食品的中心温度从-l下降至-5所需的时间(即通过最大冰晶生成区的时间)30min以内快速冻结超过30min慢速冻结对食品组织影响最小距离划分 可用单位时间内-5的冻结层从食品表面伸延向内部的距离来判断（冻结速度的单位cm/h）。520cm/h快速冻结=15cm/h中速冻结=0.1lcm/h慢速冻结冻结速度计算 冻结物体在最终温度时的水分冻结量（终）和物体降温到同一最终温度时所需时间(终)的比值。 冰晶体形成速度d/d物体任何单位容积内或任意点上单位时间内的水分冻结率平均冰晶体的形成速度终/ 终食品表面达0后，食品温度中心降至比冻结点低10所需的时间（h）。国际制冷学会对冻结速度的定义=L/tL食品表面与温度中心点间的最短距离（cm）t冻结时间计算 式中Z食品冻结时间，hi食品初终温时的焓差，kJ/kg食品密度，kg/m3t食品冻结点与冷却介质的温差，X块状或片状食品的厚度;球状或柱状食品的直径，m放热系数，W/(m2K)冻结食品的导热系数，W/mKP，R 形状系数 冻结时间 影响食品冻结时间的因素产品的大小和形状产品的厚度产品的初温和终温冷却介质的温度产品表面的传热系数热熔的变化产品的热导率冻结速度与冰晶分布状况的关系 冻结方式冻结介质冻结速度形成冰晶的大小与状态冻结速度快水分冰晶较大的冰体冰晶体分布不均匀有时间移动冻结速度慢会同时析出形成大量的结晶核水分冰晶无时间移动细小针状结晶数量无数分布均匀冻结速度与冰晶分布状况的关系 冻结方法与冰晶分布状况的关系 物理变化 化学变化 机械性损伤 细胞的溃解 气体膨胀 蛋白质变性 变色 4.2 冻结及冻结速度对冻品质量的影响 冻结时的体积变化胶体性质的变化使食品品质下降，产品的营养价值、风味和质构都不同程度地受到损失。冻结时的体积变化0的水转变为0的冰时，体积增加约9%；随着冻结的进行，溶质被不断浓缩而导致结晶析出；非溶质部分如油脂在低温下结晶；细胞内的溶解气体因溶剂结晶而过饱和，最后从溶解中逸出。胶体性质的变化在高浓度盐的作用下发生盐析；pH值改变可能达到某些蛋白质的等电点；离子浓度的变化干扰了蛋白质胶体的电性平衡；与蛋白质结合的水分被冻结，蛋白质形成脱水型而不能复原；蛋白质被浓缩并受到机械挤压，相互间脱水聚集而形成沉淀。蛋白质溶解度下降机械性损伤 （mechanical damage theory） 细胞的溃解 (cell rupture theory) “冻结膨胀压” 蛋白质变性 食品中的结合水是与原生质、胶体、蛋白质、淀粉等结合的，在冻结时，水分从其中分离出来而结冰，这也是一个脱水过程，原生质胶体和蛋白质等分子过多失去结合水，分子受压凝集，会破坏其结构，或者由于原生质体中无机盐因浓缩作用而使浓度提高，产生盐析作用而使蛋白质变性。 气体膨胀 (gas expansion theory) 组织细胞中溶解于液体中的微量气体，在液体结冰时发生游离而体积增加数百倍，这样会损害细胞和组织，引起质地的改变。 变色 冻结产品褐变黑变退色美拉德反应酪氨酸酶的氧化肌肉的肌红蛋白鳕鱼肉的褐变虾的黑变食品快速冻结的优点1.避免在细胞之间生成过大的冰晶体；2.减少细胞内水分外析，解冻时汁液流失少；3.细胞组织内部浓缩溶质和食品组织、胶体以及各种成分相互接触的时间显著缩短，浓缩的危害性下降到最低程度；5.食品在冻结设备中的停留时间短，有利于提高设备的利用率和生产的连续性。4.将食品温度迅速降低到微生物生长活动温度之下，有利于抑制微生物的增长及其生化反应；食品快速冻结的优点4.3 食品冷冻中的玻璃化转变 玻璃态、高弹态和黏流态的概念有关食品的玻璃态 玻璃化转变温度及影响因素 玻璃化转变在冷冻食品加工中的应用 玻璃态、高弹态和黏流态的概念玻璃 玻璃态 将融化后在冷却过程中不发生结晶的无机物质 非晶态 无定形聚合物在较低的温度下，分子热运动能量很低，而分子链和链段均处于被冻结状态，这时的聚合物所表现出的力学性质与玻璃相似，故称这种状态为玻璃态或玻璃化。 随着温度升高至某一温度时，链段运动受到激发，但整个分子链仍处于冻结状态。在受到外力作用时，无定形聚合物表现出很大形变，外力解除后，形变可以恢复。这种状态称为高弹态，又称橡胶态。 高弹态玻璃态 高弹态 温度继续升高，不仅链段可以运动，整个分子链都可以运动，无定形聚合物表现出黏性流动的状态，即黏流态。玻璃态、高弹态和黏流态表现为无定形聚合物的三种力学。黏流态高弹态黏流态有关食品的玻璃态 食品中无定形基质单糖低聚糖多糖蛋白质水盐物理状态食品的物理性质和质构玻璃化转变“食品聚合物科学”理论 (food polymer science) 以食品玻璃化和玻璃化转变温度为核心 食品在玻璃态下，造成食品品质变化的一切受扩散控制的反应速率均十分缓慢，甚至不发生反应。因此食品采用玻璃化保藏，可以最大限度地保存其原有的色、香、味、形以及营养成分。 在玻璃化状态下，分子热运动能量很低，只有较小的运动单元，如侧基、支链和链节能够运动，而分子链和链段均处于被冻结状态。在此情况下，物质的自由体积分数很小，分子流动阻力较大，从而使体系具有较大的黏度，以致整个体系中的分子扩散速率很小。 保藏机理玻璃化转变温度及影响因素 非晶态聚合物玻璃态橡胶态晶态聚合物中的非晶部分特征温度Tg玻璃化转变温度链段解冻升温冷却冻结微布朗运动玻璃化转变温度的两种定义 低水分食品w20Tg最大冻结浓缩溶液发生玻璃化转变时的温度玻璃化转变温度形成玻璃态固体 取决于动力学因素冷却速率足够快达到足够低的温度所有材料液体玻璃态的固体在冷却过程中，迅速通过Tg TTm（室温）的结晶区而不发生晶化。必须冷却到T Tg 玻璃态不同状态完全玻璃态部分结晶玻璃态 最理想状态，细胞内外完全避免了结晶以及由此引起的各种损伤。 整个样品都形成了玻璃态纯水的Tg为-135溶液浓度增大时Tg随着增大部分结晶玻璃态A点-初始浓度(指质量分数)B点-溶液过冷点，将开始析出冰晶D点熔融线与玻璃化转变曲线交点影响玻璃化转变温度的因素 体系的组成成分平均分子量增塑剂 在低分子量时，高聚物的Tg值随平均分子量的增加而增大，当分子量超过某一临界值(临界分子量)时，Tg不再依赖于分子量，趋于一个常数。 Tg与冻结食品质量的关系冷冻浓缩冷冻食品未冻结部分储存不稳定速冻 在一般冻藏温度下，意味着这部分被浓缩的基质仍处于高弹态，甚至黏流态，分子链段能自由运动，扩散系数比较大。 玻璃化转变在冷冻食品加工中的应用 冰淇淋 冷冻水果 传统糯米制品 4.3 食品常用的冻结方法静止空气冻结送风冻结接触冻结浸渍冻结间接冻结氟里昂冻结强风冻结直接冻结冰盐混合物冻结液氮冻结液态二氧化碳冻结低温静止空气冻结装置 空气自然对流接触传导管架式特点冻结时间长劳动强度大融霜及处理霜麻烦装置周转率低结构简单造价低运行时电耗省送风冻结装置 强风冻结装置半送风冻结装置强风冻结装置 隧道式 传送带式 悬浮式（流态床）冻结装置（fluidized freezing）单向直走带式 螺旋带式 单向直走带式螺旋带式 接触冻结装置 平板冻结机空心平板板内配蒸发管原料特点不需冷风占空间小单位面积生产率高能源低直接接触冻结法 食品（包装或不包装）与不冻液直接接触，食品在与不冻液换热后，迅速降温冻结。食品与不冻液接触的方法有喷淋法、浸渍法，或者两种方法同时使用。冰盐混合物冻结R12浸渍冻结装置液化气体冻结装置直接接触冻结法 浸渍式连续冻结 液化气式连续冻结 冻结时间短(比空气式快23倍)食品干耗小、色泽好食品卫生问题特点液化气式连续冻结 利用沸点很低的制冷剂(如液氮及二氧化碳)在极低温下进行变态，吸热蒸发或升华的特性，将食品急速冻结下来的超急速冻结装置，其类型有隧道式和螺旋式。液浸喷淋蒸汽冷凝1.冻结速度快、时间短、干耗小、生产率高2.避免了食品与空气接触，不会产生食品的酸化、变色等问题。3.操作成本高，主要是液氮的消耗和费用高4.4 流态化速冻方法 指使食品尽快通过其最大冰晶生成区，并使平均温度尽快达到-l8而迅速冻结的方法。 速冻食品单体速冻IQF Individually Quick Freezing最为突出速冻技术食品流态化速冻的前提 一是作为冷却介质的冷空气在流经被冻结食品时必须具有足够的流速，并且必须是自下而上通过食品；二是单个食品的体积不能太大。4.4.1固体颗粒的流态化原理 气固两相流体的流动过程 流化床压降 将固体颗粒与气体介质并存的流动过程 固体力学气流通过流化床层时，由于筛网、食品颗粒的阻力作用，使流化床两侧风压发生变化，产生了压力差。p2流化床食品层上部风压，N/m2pL =p1-p2流化床压降pL流化床压降，N/m2p1风机出口风压，N/m2食品层阻力损失筛网阻力损失空气流速筛网的孔隙率筛网的孔隙率筛网孔隙率的选择必须从以下两个方面考虑筛网孔规格必须小于被冻结食品最小颗粒，以防止滑料。 筛网阻力值必须满足流化床出现10%左右的空床（即筛网表面部分裸露）时，床层其余部分的气流速度不低于临界速度，以保证正常流态化操作。 固定床阶段 流化床阶段 气力输送阶段 气固两相流体的流动状态固定床阶段 当气流以较低的相对速度通过物料层时，固体颗粒的相对位置不发生变化。 如果空气流速再增大，会使固体颗粒的位置略有调整，床层存有膨胀、变松，空隙率稍有增大，但固体颗粒仍保持紧密接触。 A-B-C-D流化床阶段 当气固间相对速度达到一定数值时床层不再维持固定状态，固体颗粒的相对位置发生明显变化；固体颗粒在床层中时上时下作不规则沸腾状运动，并且具有与流体同样的流动性，称为流态化状态。 D-E气力输送阶段 在流化床流动的基础上，再进一步提高气流速度，则床层不能保持流化状态，固体质粒悬浮在气流中，随着气流运动，