第一章 食品的冷冻加工原理

第一章食品的冷冻加工原理食品的冻结与冻藏食品的回热与解冻第三节食品的冻结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。表3-7：几种常见食品的冻结点品种冻结点（℃）含水率（%）品种冻结点（℃）含水率（%）牛肉-0.6~-1.771.6葡萄-2.281.5猪肉-2.860苹果-287.9鱼肉-0.6~-270~85青豆-1.173.4牛奶-0.588.6橘子-2.288.1蛋白-0.4589香蕉-3.475.5蛋黄-0.6549.5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表3-8一些食品的冻结率（%）温度/C食品-1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-12.5-15-18肉类，禽类0-2552-6067-7372-7775-8077-8279-8480-8581-8682-8785-8987-9089-91鱼类0-450-6832-7745-82848587899091929395蛋类，菜类607884.5818990.591.592939494.59595.5乳456877828485.58788.589.590.59293.595西红柿3060707680828485.58788899091苹果,梨,土豆003245535862656870747880大豆，萝卜028505864.5687173757780.58384橙,柠檬,葡萄00203241485458.562.569727576葱，豌豆1050657175777980.58283.58687.589樱桃000203240475255.558636771二、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。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。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。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。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。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。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V15cm/h。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℃。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。表3-9冻结速度与冰晶的关系冰晶体0~-5℃通过时间位置形状直径×长度(μ)数量冰层推进速度I与水移动速度W5s细胞内针状1~5×5~10极多IW1.5min细胞内杆状5~20×20~500多IW10min细胞内柱状50~100×100少IW90min细胞外块粒状50~200×200少IW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。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。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）。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）。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）1）冷库2）固定的吹风隧道3）带推车的吹风隧道5）螺旋式冻结器4）直线式冻结器1、转筒；2、螺旋输送带；3、风机；4、制冷盘管。6）流化床冻结器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。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。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。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。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。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。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。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。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（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。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。（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（%）。表3-5常见食品的比热比热（kJ/kg.℃）食品种类含水率（%）冷却状态冻结状态肉（多脂）502.511.46肉（少脂）70~763.181.71鱼（多脂）602.841.59鱼（少脂）75~803.341.80鸡（多脂）602.841.59鸡（少脂）703.181.71鸡蛋703.181.71牛奶87~883.932.51稀奶油753.552.09黄油10~162.681.25水果蔬菜75~903.34~3.761.67~2.09（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