冷冻技术原理

第四章冷冻技术保藏原理与食品冷冻工艺第一节冷冻技术保藏原理第二节食品冷冻过程第三节食品冷冻方法及设备第四节食品冻藏第五节食品的解冻方法及设备第一节冷冻技术保藏原理一、低温与微生物的控制（一）低温与微生物的关系降低温度能减缓微生物生长和繁殖的速度和酶活性，这就是冷藏和冻结冷藏的依据。当温度降低到微生物最低生长温度时，它们就停止生长并出现死亡。值得注意的是，低温可以减缓微生物的生长和活力，并可使部分细菌死亡，但死亡速度比在高温下缓慢得多。仅依靠冷是不能使食品杀菌。不同微生物对低温的敏感性不同，许多嗜冷菌和嗜温菌的最低生长温度低于0℃，有的可达-8℃。长期处在低温中的微生物能产生新的适应性，这是长期低温培育中自然选育后形成了能适应低温的菌种。这种微生物对低温的适应性可以从微生物生长时出现的滞后期缩短的情况加以判断滞后期是微生物接种培养后观察到有生长现象时所需的时间。为此，长期处于冻结状态的食品解冻过程中，残存的微生物常会快速恢复生长。表4-2微生物生长的适应性（二）低温导致微生物活力减弱和死亡的原因1微生物代谢失调微生物的生长繁殖是酶活动下物质代谢的结果。温度下降，酶的活性将随之下降，使得物质代谢过程中各种生化减缓，因而微生物的生长繁殖就逐渐减慢。在正常情况下，微生物细胞内各种生化反应总是相互协调一致。但各种生化反应的温度系数Q10各不相同，因而降温时这些反应将按照各自的温度系数减慢，破坏了各种反应原来的协调一致性，影响了微生物的生活机能。温度降得愈低，失调程度也愈大，从而破坏了微生物细胞内的新陈代谢，以致它们生活机能受到了抑制甚至达到完全终止的程度。（二）低温导致微生物活力减弱和死亡的原因2、细胞内原生质稠度增加一方面，温度下降时微生物细胞内原生质粘度增加，胶体吸水性下降，蛋白质分散度改变，并且最后还导致了不可逆性蛋白质凝固，从而破坏了生物性物质代谢的正常运行，对细胞造成了严重损害。另一方面，冷却时介质中冰晶体的形成就会促使细胞内原生质或胶体脱水，胶体内电解质浓度的增加常会促使蛋白质变性。微生物细胞失去了水分就失去了活动要素，于是它的代谢机能就受到抑制。（二）低温导致微生物活力减弱和死亡的原因3、冰晶体引起的机械伤害细胞内外冰晶体的形成和增大还会使微生物细胞遭受到机械性破坏。一般冰晶体越大，细胞膜越易破裂，从而造成细胞死亡；冰晶体越小，细胞膜损伤小。（三）影响微生物低温致死的因素低温冷却和贮存的微生物并不一定完全死亡，决定于：1、温度高低☞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时对微生物的威胁性最大，一般为-1～-12℃,尤以-2～-5℃为最甚，此时微生物的活动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℃时就缓慢得多表4.3不同温度和贮藏期的冻鱼中细菌含量（三）影响微生物低温致死的因素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。这是因为▶缓冻时一般食品温度长时间处于-1～-12℃（特别在-2～-5℃），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，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。（三）影响微生物低温致死的因素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。☞当微生物细胞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。（三）影响微生物低温致死的因素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、脂肪对微生物则有保护作用。☞冻结或冰冻介质最易促使微生物死亡。对0℃下尚能生长的微生物也是这样。☞-8～-12℃温度下，因介质内有大量水分转变成冰晶体，对微生物的破坏作用特别显著。☞在温度更低的冻结或冰冻介质中(-18～-20℃)微生物的死亡速度却显著地缓慢（三）影响微生物低温致死的因素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。炭疽菌在-68℃；温度下的CO2中冻结，再在水中解冻，反复连续二次，结果仍未失去毒性。（四）冻制食品中病原菌控制1、病原菌的耐低温性冻制食品并非无菌，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，从而可能传播疾病。因此病原菌的控制是一个重要问题。嗜冷致病菌(Psychrotrophicpathogens):L.Monocytogenes(单核细胞增生李斯特菌);Y.enterocolitica(小肠结肠炎耶尔森氏菌);C.botulinumtype(肉毒梭状芽孢杆菌)☞首先特别注意的是肉毒杆菌。肉毒杆菌及其毒素对低温有很强的抵抗力。在-16℃温度中肉毒杆菌能保持生命达一年之久，其毒素毒力在-79℃温度中可保持2个月，在20℃温度下生长并产生毒素，但在10℃以下就不能生长活动。因此，冻制食品即使有肉毒杆菌存在，若贮藏在-18℃以下，不会产生毒素。（四）冻制食品中病原菌控制能产生肠毒素的葡萄球菌也常会在冻制蔬菜中出现。它们对冷冻的抵抗力比一般细菌强。有人曾将伤寒沙门氏菌和冰淇淋配料混和而后冻结，并贮存于-40℃的硬化室内，观察它的残菌量，所得试验结果见表4.4。（四）冻制食品中病原菌控制2、冻制食品中病原菌如伤害菌等的控制目前主要还是：☞杜绝各个生产环节中一切可能的污染源，☞不让带菌者和患病者参加生产，尽可能减少生产过程中的人工处理。☞对消费者食用冻制食品最大的保险就是有关卫生部门对食品原料处理以及加工、分配和贮藏中的卫生措施始终不渝地进行严格的监督。当然，食品冻结前的加工处理必须符合安全卫生的要求仍是重要的因素。总结☞10℃以上大多数腐败菌能迅速繁殖生长。☞0℃时微生物繁殖速度与室温时相比非常缓慢，故成为短时期贮藏食品耐常用的贮温。☞某些食品中毒菌和病原菌在温度降低至3℃前仍能缓慢地生长。☞嗜冷菌仍能在-10～-5℃温暖范围内缓慢地生长，而且不会产生毒素和导致疾病，不过它们即使处于-4℃以下，却仍有导致食品腐败变质的可能。☞-7～-10℃时只有少数霉菌尚能生长，而所有细菌和酵母几乎都停止了生长。☞如食品温度低于-10℃，微生物不再有明显的生长，并与之相反，活菌数将逐渐缓慢地下降，但达不到无菌的程度。因此，食品低温保藏时菌数虽也下降，和高温热处理相比并不相同，因它本身并非为有效的杀菌措施，低温的作用主要是延缓或阻止食品腐败变质。为此，-10～-12℃则成为冻制食品能长期贮藏时的控制微生物生长的安全贮藏温度。酶的活动控制：一般只有温度降低到-20～-30℃时才有可能完全停止。对寄生虫的控制:-18℃，至少要保持24～48h，才能杀死寄生虫。工业生产实践证明-18℃以下的温度是冻制食品冻藏时最适宜的安全贮藏温度。在此温度下还有利于保持食品色泽、减少干缩量和运输中保冷。二、低温与酶的活性控制大多数酶活性化学反应的Q10值为2～3。这就是说温度每下降10℃，酶活性就会削弱1/2～1/3。图表明了温度与蔗糖酶活性的关系，由此可知，大多数酶仍能继续活动，和适宜温度时相比，它的活性就会有所减弱。0204060801001200102030405060温度（℃）蔗糖酶的活性（％）二、低温与酶的活性控制低温对酶活性并不起完全的抑制作用，酶仍能保持部分活性，因而，酶催化作用实际上也未停止，在长期的冷藏过程中，酶的作用仍可使食品变质。例如，胰蛋白酶在-30℃下仍然有微弱的活性，脂肪分解酶在-20℃下仍能引起脂肪水解。一般来说，如将温度维持在-18℃以下，酶的活性才会受到很大程度的抑制。因此，商业上一般将冻制食品放于-18℃下冻藏，对于多数冻制食品可贮藏数周至数月。当冻制食品解冻时，保持着活性的酶将重新活跃起来，加速食品的变质。为了将冷冻、冻藏和解冻过程中食品的不良变化降低到最低程度，食品在冻制前常经短时间预煮（热烫）灭酶，再行冻制。无论是微生物还是酶以及其它因素引起的食品变质，在低温环境中，可以减弱它们的作用，延缓变质速率，但低温并不能完全抑制它们的作用，为此，冻制食品在长期冷藏过程中，其质量是不断下降的。第二节食品冷冻工艺一、冷冻食品的定义和分类1冷冻（RefrigerationandFreezing）即食品制冷过程中各阶段的总称，包括：▶物料由室温冷至冰点以上的过程称“冷却”（Cooling）▶物料在室温以下，冰点以上温度范围中维持较长时间以达到保藏目的的过程称“冷藏”(ColdStorage)▶物料由冰点以上温度冷至冰点以下温度而不结冰过程和现象称“过冷”(SupercoolingorUndercooling）；▶物料温度由冰点以上冷至冰点以下并形成冰结晶的过程称“冻结”（Freezing）▶冻结物料在冰点以下维持较长时间以达到保藏目的的过程称“冻藏”（FreezeStorage）。ABCDFGIHJK0℃时间h-1℃-5℃2冷冻食品（RefrigeratedandFrozenFoods）冷冻食品这一名称包括:（1）冷却食品（ColdFoods）即食品所冷却到的低温没有引起食品结构结冰（冰点以上的低温）；（2）冻结食品（FrozenFoods）即食品冷却到的低温引起组成中可冻结水大部分转化成冰，如-18℃。冷却食品属食品贮藏范畴，冻结食品是属于加工的范畴。现代的“冷冻食品”的概念倾向于指冻结食品，即所谓冷冻食品是指采用新鲜原料，迅速经过适当的前处理，急速冷冻，妥善包装，而于-18℃以下的连续低温下冻藏或送抵消费地点的加工食品。3分类冷冻食品可按原料种类和品温进行分类。（1）按品温可分为五类☞速冻食品(quickfrozenFoods)：冷冻速度v≥5～20cm/h，冻后品温应达到0℉或18℃以下，如速冻蔬菜☞冻结食品(FrozenFoods)：冻结后品温在-1℃以下，一般要求在-8℃～-12℃，如冷库中冻肉的品温☞半冻结食品(Semi-FrozenFoods)：品温在-2～-3℃☞冷却食品(ChilledFoods)：品温在-1～1℃☞预冷食品(ColdFoods)：品温在1～5.4℃（2）按原料不同进行分类冷冻水产品；冷冻肉制品；冷冻家禽；冷冻蛋品；速冻水果蔬菜；冷冻调理食品二、食品冷冻技术的发展食品冷冻是食品保藏方法之一，食品冷冻业是当今世界上发展最快的工业之一。自从人工制冷法——制冷机直接用于食品保藏以来（1828年英国），从冷冻技术上有许多重大发展主要表现在四个方面：1、冷冻食品的形式：整体大包装→加工分割处理或小型单体形式→小包装2、冻结方式：管架式→吹风式→连续式（隧道）→流态式→平板式→低温盐水循环式冻结器→制冷剂直接浸渍和直接喷淋式深冷装置，使冻结的温度更加均匀，冻结速度大大提高，生产效率