第一章食品的冷冻加工原理

第一章食品的冷冻加工原理第1页，共73页，2023年，2月20日，星期一第三节食品的冻结冻结点与冻结率冻结曲线冻结时放出的热量冻结速度冻结时间冻结方法简介冻结与冻藏时的变化及技术管理第2页，共73页，2023年，2月20日，星期一一、冻结点与冻结率冻结点：冰晶开始出现的温度食品冻结的实质是其中水分的冻结食品中的水分并非纯水Raoult稀溶液定律：ΔTf=KfbB，Kf为与溶剂有关的常数，水为1.86。即质量摩尔浓度每增加1mol/kg，冻结点就会下降1.86℃。因此食品物料要降到0℃以下才产生冰晶。第3页，共73页，2023年，2月20日，星期一第4页，共73页，2023年，2月20日，星期一温度-60℃左右，食品内水分全部冻结。在-18~-30℃时，食品中绝大部分水分已冻结，能够达到冻藏的要求。低温冷库的贮藏温度一般为-18℃~-25℃。冻结率：冻结终了时食品内水分的冻结量（%），又称结冰率K=100（1－TD/TF）TD和TF分别为食品的冻结点及其冻结终了温度第5页，共73页，2023年，2月20日，星期一第6页，共73页，2023年，2月20日，星期一二、冻结曲线冻结曲线表示了冻结过程中温度随时间的变化。过冷现象，过冷临界温度。冷冻曲线的三个阶段：初始阶段，从初温到冰点，中间阶段，此阶段大部分水分陆续结成冰，终了阶段，从大部分水结成冰到预设的冻结终温。第7页，共73页，2023年，2月20日，星期一第8页，共73页，2023年，2月20日，星期一第9页，共73页，2023年，2月20日，星期一上图显示冻结期间不同深度食品层温度随时间的变化：图中多条曲线表示食品不同深度处温度随冻结时间的变化。在任一时刻食品表面的温度始终最低，越接近中心层温度越高。显示出在不同的深度，温度下降的速度是不同的。冷冻曲线平坦段的长短与冷却介质的导热性有关。在冷冻操作中，采用导热快的冷却介质，可以缩短中间阶段的曲线平坦段。图中显示在盐水中冻结曲线的平坦段要明显短于在空气中。第10页，共73页，2023年，2月20日，星期一三、冻结时放出的热量冻结终温热量的三个组成部分：冷却时的热量qc；形成冰时放出的热量qi；自冰点至冻结终温时放出的热量qe。单位质量食品的总热量：q=qc+qi+qe

，

Gkg食品冻结时的总热量：Q=Gq，或用焓差法表示：Q=G（i2-i1），i1及i2分别为食品初始和终了状态时的焓值。第11页，共73页，2023年，2月20日，星期一在冻结过程中，若食品某一部位的温度高于冰点，而其他部位低于冰点，则上述三部分放出热量同时存在；若食品任何部位的温度均处于冰点，则冻结时只有后二部分热量放出；若食品初始温度在冰点以下，则所放出的热量仅是第三部分。冻结时三部分热量不相等，以水变为冰时放出的热量为最大，第二部分的降热过程是制冷机负荷最高的过程。冻结时总热量的大小与食品中含水量密切有关，含水量大的食品其总热量亦大。第12页，共73页，2023年，2月20日，星期一四、冻结速度速冻的定性表达：外界的温度降与细胞组织内的温度降不等，即内外有较大的温差；而慢冻是指外界的温度降与细胞组织内的温度降基本上保持等速。速冻的定量表达：以时间划分和以推进距离划分两种方法。第13页，共73页，2023年，2月20日，星期一按时间：食品中心温度从-1℃降到-5℃所需的时间，在3~30min内，快速冻结，在30~120min内，中速冻结，超过120min，慢速冻结。第14页，共73页，2023年，2月20日，星期一按推进距离：以-5℃的冻结层在单位时间内从食品表面向内部推进的距离为标准：缓慢冻结

V=0.1~1cm/h，中速冻结

V=1~5cm/h，快速冻结

V=5~15cm/h，超速冻结

V>15cm/h。第15页，共73页，2023年，2月20日，星期一国际制冷学会的冻结速度定义：食品表面与中心点间的最短距离，与食品表面达到0℃后至食品中心温度降到比食品冻结点低10℃所需时间之比。例如：食品中心与表面的最短距离为10cm，食品冻结点为-2℃，其中心降到比冻结点低10℃即-12℃时所需时间为15h，其冻结速度为V=10/15=0.67cm/h。根据这一定义，食品中心温度的计算值随食品冻结点不同而改变。如冻结点-1℃时中心温度计算值需达到-11℃，冻结点-3℃时其值为-13℃。第16页，共73页，2023年，2月20日，星期一各种冻结器的冻结速度：通风的冷库，0.2cm/h送风冻结器，0.5~3cm/h流态化冻结器，5~10cm/h液氮冻结器，10~100cm/h第17页，共73页，2023年，2月20日，星期一冻结速度与冰晶冻结速度快，食品组织内冰层推进速度大于水移动速度，冰晶的分布接近天然食品中液态水的分布情况，冰晶数量极多，呈针状结晶体。冻结速度慢，细胞外溶液浓度较低，冰晶首先在细胞外产生，而此时细胞内的水分是液相。在蒸汽压差作用下，细胞内的水向细胞外移动，形成较大的冰晶，且分布不均匀。除蒸汽压差外，因蛋白质变性，其持水能力降低，细胞膜的透水性增强而使水分转移作用加强，从而产生更多更大的冰晶大颗粒。第18页，共73页，2023年，2月20日，星期一第19页，共73页，2023年，2月20日，星期一最大冰晶生成带：指-1~-5℃的温度范围，大部分食品在此温度范围内约80%的水分形成冰晶。研究表明，应以最快的速度通过最大冰晶生成带。速冻形成的冰结晶多且细小均匀，水分从细胞内向细胞外的转移少，不至于对细胞造成机械损伤。冷冻中未被破坏的细胞组织，在适当解冻后水分能保持在原来的位置，并发挥原有的作用，有利于保持食品原有的营养价值和品质。缓冻形成的较大冰结晶会刺伤细胞，破坏组织结构，解冻后汁液流失严重，影响食品的价值，甚至不能食用。第20页，共73页，2023年，2月20日，星期一五、冻结方法按生产过程的特性分，冻结系统可分为批量式、半连续式和连续式三类。批量式冻结器：先装载一批产品，然后冻结一个周期，冻结完毕后，设备停止运转并卸货。半连续式冻结器：将批量式冻结器的一个较大的批量分成几个较小的批量，在同一个冻结器内进行相对连续的处理。第21页，共73页，2023年，2月20日，星期一连续式冻结器：产品连续地或有规律间断地通过冻结器，采用机械化而且经常是全自动化的系统。有规律间断与半连续式的区别在于：一次装运产品的数量（有规律间断时是一袋、一纸盒或一盘，半连续式则是含许多袋、盘、纸盒的一辆车或一个货架），装货与等待的时间（有规律间断往往只有几秒钟，不影响流水线的运行，而半连续式则需要较长的时间，形成明显的中断）。第22页，共73页，2023年，2月20日，星期一按从产品中取出热量的方式，冻结方式可分为吹风冻结、表面接触冻结和低温冻结这三种基本类型，以及它们的组合方式（如先经过低温处理，然后经机械制冷装置完成冻结过程）。第23页，共73页，2023年，2月20日，星期一1、吹风冻结

吹风式冻结装置用空气作为传热介质。早期的吹风式冻结装置是一个带有冷风机及制冷系统的冷库。通过对气流控制技术和产品传送技术的不断改进，现在有了各种水平的冻结设备。可分为批量式（冷库，固定的吹风隧道，带推车的吹风隧道）和连续式（直线式、螺旋式和流化床式冻结器）第24页，共73页，2023年，2月20日，星期一1）冷库第25页，共73页，2023年，2月20日，星期一2）固定的吹风隧道第26页，共73页，2023年，2月20日，星期一3）带推车的吹风隧道第27页，共73页，2023年，2月20日，星期一5）螺旋式冻结器第28页，共73页，2023年，2月20日，星期一4）直线式冻结器第29页，共73页，2023年，2月20日，星期一1、转筒；2、螺旋输送带；3、风机；4、制冷盘管。第30页，共73页，2023年，2月20日，星期一6）流化床冻结器第31页，共73页，2023年，2月20日，星期一2、金属表面接触冻结产品与金属表面接触进行热交换，金属表面则由制冷剂的蒸发或载冷剂的吸热来进行冷却。冻结方式与吹风冻结相比有两个优点：传热效果好；不需配置风机。但这种方式不适用于不规则形状产品的冻结。按照结构形式，金属表面接触冻结装置可分为三种主要类型：带式，板式和筒式。第32页，共73页，2023年，2月20日，星期一1）钢带冻结器：适用于未包装的鱼片、咖

啡提取物、熟土豆泥、汉堡牛排、各种

调味汁和蔬菜泥。因为产品只是一面接

触金属表面，食品层应当薄一些，常控制在20~25mm。喷淋盐水（氯化钙或丙二醇）的温度通常为-35~-40℃，冻结时间约为30min。

钢带冻结器的主要优点：连续运行；便于清洗和保持卫生；能分段控制温度（如对于咖啡提取物）；干耗较少。第33页，共73页，2023年，2月20日，星期一第34页，共73页，2023年，2月20日，星期一2）平板冻结器：广泛用于形状为扁平状且厚度也有限制的小包装水产品和肉类制品。第35页，共73页，2023年，2月20日，星期一第36页，共73页，2023年，2月20日，星期一3）圆筒冻结器：通常用于冻结液体食品，产品在圆筒的内表面或外表面冻结，并被连续地刮除，因而具有强烈的热交换和很高的冻结速度。第37页，共73页，2023年，2月20日，星期一第38页，共73页，2023年，2月20日，星期一第39页，共73页，2023年，2月20日，星期一3、低温冻结低温冻结采用液氮或液态二氧化碳作为制冷剂，常用于：1）小批量生产，2）新产品开发，3）季节性生产，和4）临时的超负荷状况。相对较低的温度可以使产品快速冻结，对保证产品质量和降低干耗都是十分有利的；但设备投资和运行费用较高。低温冻结设备则可以是箱式，直线式，螺旋式或浸液式。第40页，共73页，2023年，2月20日，星期一

液氮冻结器：通常为直线型，-195℃的液氮在产品出口端直接接触产品，产生的低温蒸汽向物料进口端流动，变暖的气体（约-45℃）排放到大气中。第41页，共73页，2023年，2月20日，星期一第42页，共73页，2023年，2月20日，星期一

液体二氧化碳冻结器：与液氮冻结器基本相仿，但二氧化碳的沸点为-79℃，如果直接排放，运行成本比液氮冻结器更大，因此也有可回收二氧化碳的装置。第43页，共73页，2023年，2月20日，星期一第44页，共73页，2023年，2月20日，星期一七、冻结与冻藏中的变化及技术管理冻结时，因为冰晶体的形成，食品的物理性质发生了变化，并进而影响到食品的其它性质。因为冻藏的时间长，其间发生的一系列变化会显著影响到食品的品质。第45页，共73页，2023年，2月20日，星期一1、冻结与冻藏中的变化体积膨胀，内压增加比热下降导热系数增大溶质重新分布溶液浓缩冰晶体成长滴落液干耗脂肪氧化变色第46页，共73页，2023年，2月20日，星期一（1）体积膨胀与内压增加4.4℃时，水的密度γ=1g/ml；0℃时，水的密度γ=0.9999g/ml，冰的密度γ=0.9168g/ml。即0℃时冰比水的体积增加约9%。冰的温度每下降1℃，其体积约收缩0.01~0.005%。膨胀比收缩大得多，故水分含量越多，食品冻结时体积膨胀越明显。第47页，共73页，2023年，2月20日，星期一当食品外层承受不了冻结膨胀压时，便通过破裂的方式来释放，造成食品的龟裂现象。一般认为食品厚度大、含水率高和表面温度下降极快时易产生龟裂。结晶后体积的膨胀使液相中溶解的气体从液体中分离出来，加剧了体积膨胀现象，亦加大了食品内部压力。冻结时表面水分首先成冰，然后冰层逐渐向内部延伸。当内部水分因冻结而膨胀时受到外部冻结层的阻碍，就产生内压，又称为冻结膨胀压。根据理论计算，冻结膨胀压可达到8.5MPa。第48页，共73页，2023年，2月20日，星期一（2）比热下降水和冰的比热分别为4.2kJ/kg.℃和2.1kJ/kg.℃，即冰的比热仅是水的1/2。食品的比热随含水量而异，含水量多的食品比热大，含脂量多则比热小。食品比热的近似计算式：

在冰点以上时，c=w+0.2b；冰点以下时，c’=0.5w+0.2b。式中，w为食品含水率（%）；

b为食品固形物含量（%）。第49页，共73页，2023年，2月20日，星期一第50页，共73页，2023年，2月20日，星期一（3）导热系数增大水为2.1kJ/m.h.℃，冰为8.4kJ/m.h.℃，冰的导热系数是水的4倍。在冷冻时冰层向内部逐渐推进，使导热系数提高，从而加快了冷冻过程。导热系数还受到其它成分，尤其是含脂量的影响，因脂肪是热的不良导体，含脂量大时食品的导热系数就小。导热系数还受食品构型的影响，当热流方向与肌纤维平行时大，垂直时则小。第51页，共73页，2023年，2月20日，星期一第52页，共73页，2023年，2月20日，星期一（4）溶质重新分布食品冻结时，理论上只是纯溶剂冻结成冰晶体，冻结层附近溶质的浓度相应提高，从而在尚未冻结的溶液内产生了浓度差和渗透压差，并使溶质向溶液中部位移。冻结界面位移速度越快，溶质分布越均匀，然而在冻结推动扩散的情况下，即使冻结层分界面高速位移，也难于促使冻结溶液内溶质达到完全均匀分布的境地。而缓慢的位移也很难使最初形成的冰晶体内达到完全脱盐的程度——这就是果汁冷冻浓缩过程中果汁损耗量比较大的原因。第53页，共73页，2023年，2月20日，星期一（5）液体浓缩溶质结晶析出，如冰淇淋中乳糖因浓度增加而结晶，产品具有沙砾感蛋白质在高浓度的溶液中因盐析而变性酸性溶液的pH值因浓缩而下降到蛋白质的等电点以下，导致蛋白质凝固改变胶体悬浮液中阴、阳离子的平衡，从而破坏胶体体系气体因浓缩而过饱和，并从溶液中逸出引起组织脱水，解冻后水分难以全部恢复，组织也难以恢复原有的饱满度第54页，共73页，2023年，2月20日，星期一（6）冰晶体成长经冻结后，食品内部的冰晶体大小并不均匀一致。在冻藏过程中，细微的冰晶体逐渐减小、消失，而大冰晶体逐渐长得更大，食品中冰晶体的数目也大为减少，这种现象称为冰晶体成长。冰晶体成长给食品的品质带来很大的影响。果蔬肉类的组织细胞受到机械损伤，蛋白质变性，解冻后汁液流失增加，造成食品风味和营养价值的下降。冰淇淋，冷冻面团等制品质构的严重劣化。第55页，共73页，2023年，2月20日，星期一（7）滴落液（drip）动物性食品经冷冻/解冻后，不能被肌肉组织重新吸收回到原来状态而流失的水。滴落液造成水分和营养成分的损失。原因：冻结对组织细胞的损伤。影响滴落液量的因素：含水量，新鲜度，处理过程，切分程度。第56页，共73页，2023年，2月20日，星期一（8）干耗在冷却、冻结和冷冻贮藏过程中因温差引起食品表面的水分蒸发而产生的重量损失。干耗量与制冷装置的性能有密切的关系，性能优良的仅有0.5~1%，而性能不佳的装置干耗可达5~7%。干耗可造成很大的经济损失，如按出肉率40kg/头，250工作日/年计，日处理2000头猪的肉联厂，干耗以3%计算，年损失肉重量达600T，相当于15000头猪。第57页，共73页，2023年，2月20日，星期一（9）脂肪氧化含较多不饱和脂肪酸的脂肪组织在空气中易被氧化。水产类最不稳定，禽类次之，畜类最稳定。畜类中，猪脂肪最不稳定。氧化变质的最初表现是产生不正常的气味，表面出现黄色斑点；随着氧化的继续，脂肪整体发黄，发出强烈的酸味，并可能产生有毒物质（丙二醛）。第58页，共73页，2023年，2月20日，星期一（10）变色脂肪组织因氧化而黄变肉类因肌红蛋白的氧化而褐变果蔬的酶促褐变虾的酪氨酸氧化黑变红色鱼皮因类胡萝卜素氧化而褪色第59页，共73页，2023年，2月20日，星期一2、冻藏技术管理冻藏温度（正确选择、恒定）冻藏间相对湿度（95%）冻藏间空气流速（自然循环）堆垛密度（越紧密越好）包装或保护层（涂冰）减少人员出入和电灯开启用臭氧消除库内异味（2~6mg/m3）第60页，共73页，2023年，2月20日，星期一第四节食品的回热与解冻回热：冷藏食品的温度回升至常温的过程，是冷却的逆过程。解冻：冻结食品的温度回升至冻结点以上的过程，是冻结的逆过程。第61页，共73页，2023年，2月20日，星期一一、回热回热的目的：防止食品在出库后因为表面水分凝结而遭受污染及变质。回热处理时的控制原则：与食品表面接触的空气的露点应始终低于食品表面温度。回热空气应连续或分阶段进行除湿和加热（参见P.174图）。回热处理的空气相对湿度不能低，以尽可能减少回热时食品的干耗。小批量且立即要处理的物料可不用回热。第62页，共73页，2023年，2月20日，星期一二、解冻冻制食品的解冻就是使食品内冰晶体状态的水分转化为液态，同时恢复食品原有状态和特性的工艺过程。解冻时必须尽最大努力保存加工时必要的品质，使品质的变化或数量上的损耗都减少到最小的程度。食品的质地、稠度、色泽以及汁液流失为食品解冻中最常出现的质量问题。第63页，共73页，2023年，2月20日，星期一解冻温度曲线解冻曲线与冻结曲线呈大致对称的形状。由于冰的导热系数远大于水的导热系数，随着解冻过程的进行，向深层传热的速度越来越慢，解冻速度也随之减慢。与冻结过程相类似，-5~-1℃是冰晶最大融解带，也应尽快通过，以免食品品质的过度下降。解冻介质的温度不宜太高，一般不超过10~15℃。第64页，共73页，2023年，2月20日，星期一第65页，共73页，2023年，2月20日，星期一各

种

解

冻

方

法第66页，共73页，2023年，2月20日，星期一1、空气解冻由空